Hidrojen

Hidrojen oyunun kurallarını değiştirebilir. Yeşil enerji sağlama ve depolama potansiyeliyle gezegeni dönüştürebilir. Kamyonlara, gemilere, uçaklara, hatta şehirlere bile güç vermek için kullanılabilir. Ama hidrojen devrimini gerçeğe dönüştürmek için insanlığın birkaç teknik ve ekonomik zorluğu aşması gerekiyor. O zaman atom düzeyine doğru bir yolculuğa çıkmaya ve hidrojenin dünyayı değiştirecek gücü var mı görmeye hazır ol!

Evrenin kitabını açsaydın, hidrojeni daha ilk bölümde bulurdun. Çünkü o, evrenin yapı taşlarından biri. Yıldızlardaki atomların %90'ını oluşturur ^[1-4] ve Dünya'da hidrojen; suyun, bitkilerin ve hatta tüm canlıların DNA'sının ana bileşenlerinden biridir ^[4-7].

Aynı zamanda aşırı enerjik bir yakıt, bu yüzden NASA onu uzay keşif roketlerine güç vermek için kullanıyor ^[8,9,10]. Belli ki hidrojen insanlığı şimdiden yeni yüksekliklere taşıyor. Hem de en güzeli, hiç CO₂ üretmiyor!

Peki neden dünya genelinde en çok tercih edilen enerji seçeneği değil? Şey, o kadar basit değil.

Doğal yatakları olsa da saf hidrojeni Dünya'dan çıkarmak zordur ^[11-17]. Genellikle başka elementlerle birleşerek bileşikler oluşturur. Mesela oksijenle birleştiğinde suyu, yani H₂O'yu oluşturur. Karbonla da birleşip metan ya da CH₄ olarak da bilinen fosil gazı oluşturabilir.

Yani saf hidrojen elde etmek için, birleştiği elementlerden ayrılması gerekir. Hidrojen sudan alındığında oksijen açığa çıkar. Fosil gazdan ayrıldığında ise karbon açığa çıkar. Bu yüzden hidrojeni yakıt olarak kullanmanın gezegen için iyi mi kötü mü olduğu, o hidrojenin nasıl üretildiğine bağlıdır.

Şu anda hidrojen yakıtı üretmenin gri, mavi ve yeşil olarak sınıflandırılan üç ana yolu var: ^[18-21]

Bugün hidrojenin çoğu fosil yakıtlardan üretiliyor ^[22-28] ve en yaygın türü, fosil gazdan yapılan gri hidrojen. Ama ister gaz, kömür ya da petrol kullanılsın, fosil yakıtlardan hidrojen üretmek atmosfere çok fazla CO₂ salar ^{[19,26,27,28]}. Ne yazık ki bu türler, tüm hidrojen üretiminin %99'undan fazlasını oluşturuyor ^[23,24,28]. Can acıtır!

Aslında yalnızca gri hidrojen üretimi bile Birleşik Krallık ve Avustralya'nın toplamından daha fazla CO₂ salımına yol açıyor ^[28,29]!

Son yıllarda karbon yakalama ve depolama olarak bilinen teknolojideki gelişmeler, enerji santrallerinin CO₂ salımlarını yakalayıp yer altında depolamasını sağladı ^[30,31,32]. Bu, hidrojen üretimiyle birleştiğinde ortaya mavi hidrojen çıkıyor ^[33,34].

Ama bu yöntem CO₂ salımlarını azaltsa da şu anda metan (CH₄) sızıntısına açık ^[34-37] ve metan, 20 yıllık bir dönemde atmosfer için 80 kattan fazla daha zararlı olabilir ^[38,39,40]. Hatta bir araştırma, yanlış yapılırsa artan CH₄ salımlarının o kadar yüksek olabileceğini ki en başta fosil yakıtları yakmanın daha iyi olacağını buldu ^[35].

Bilim insanlarının gerçekten aradığı, temiz enerjinin El Dorado'su, yeşil hidrojen olarak adlandırılıyor. Bu, elektroliz denen kimyasal bir süreçte sudan üretilir: ^[41-45]

Büyük bir su tankı, yani H₂O hayal et. Hidrojeni elde etmek için önce oksijenle olan bağlarını kırman gerekir. Bunu yapmak için su moleküllerindeki bağları parçalamada elektrik kullanırsın ve değerli hidrojen gazı ortaya çıkar. Basit!

Bunların hepsi güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerjiyle, sıfıra yakın salımla çalıştırılabilir ^[41-45].

Bu yeşil hidrojen dünyayı yeniden şekillendirme potansiyeline sahip ^{[21,28,43,44,45]}. Küresel salımların yaklaşık %3,6'sını ve %7,2'sini oluşturan ^[48] petrokimya üretimi ve çelik üretimi gibi sektörler ^[44-47], fosil yakıtlar yerine yeşil hidrojen kullanılarak temizlenmeye başlanıyor. Bazı ülkeler, gübrelerde kullanılan bir bileşik olan amonyak üretimini karbonsuzlaştırmak için buna yatırım yapıyor; bu da küresel salımları %1-2 daha azaltırdı ^{[44-46,49-53]}.

Uzmanlar ulaşım sisteminde kullanımını da inceliyor. Elektrikli araçların verimliliği yüzünden arabalar düşük öncelikli, ama uzun mesafe kamyonlar, uluslararası taşımacılık ve uzun menzilli uçaklar daha öncelikli. Güç için ağır bataryalar kullanamadıkları için yeşil hidrojen ideal bir alternatif ^{[21,28,44,45,54]}.

Teoride (ve sürdürülebilir şekilde üretildiği sürece), hidrojen yakıtı kullanmanın tek doğrudan salımı sudur. Hatta bu su NASA'nın uzay mekiklerinde kullanılıyor ve astronotlar gerçekten bunu içiyor! ^[55,56]

Peki işin püf noktası ne?

Şey, hidrojeni doğrudan yakarsan havadaki azotun tepkimeye girmesine ve zararlı hava kirleticileri olan azot oksitlerini üretmesine de yol açabilir ^[57-61].

Bu yine de fosil yakıt yakmaktan daha temiz, ama en temiz seçenek onu hiç yakmamak ve hidrojenin kimyasal enerjisini doğrudan elektriğe çeviren bir hidrojen yakıt hücresi kullanmak ^[62-65]. Bu hem daha verimli hem de sıfır azot oksit salımı ve tabii ki sıfır CO₂ üretiyor! ^{[57-59,63-65]}

Kulağa iyi geliyor, değil mi? Peki bugün üretilen hidrojenin %1'inden azı neden yeşil? ^[23,24,28] Neden herkes bu çevre dostu seçeneğe atlamıyor?

Şu anda hidrojen pahalı ve üretmek için çok elektrik gerekiyor ^[66-69]. Telefonunu yenilenebilir enerjiyle doğrudan şarj etmek yerine yeşil hidrojenle çalıştırmak isteseydin, önce yenilenebilir kaynaklardan gelen elektriği hidrojene çevirmen, sonra da bir yakıt hücresiyle tekrar elektriğe dönüştürmen gerekirdi. Bunu yapmak, en başta telefonunu güneş panelleriyle doğrudan şarj etseydin alacağın enerjinin %70'ine kadarını kaybetmene yol açabilir! ^[70,71,72]

Görünüşe göre yeşil hidrojen verdiğin paranın karşılığını pek vermiyor. O zaman insanlar neden evlerine ve şehirlerine güç vermek için bunu kullansın?

Cevap, hidrojenin en güçlü özelliklerinden birinde yatıyor… Gelecekte kullanmak üzere büyük miktarda enerji depolama yeteneğinde.

Rüzgâr türbinlerinin rüzgâra, güneş panellerinin de güneş ışığına ihtiyacı olduğu için karanlık ve rüzgârsız günlerde elektriğin kesilmemesi için çoğu zaman gaz ve kömür devreye girmek zorunda kalır. Ama daha yeşil bir fikir var:

Evleri esnek, akıllı bir elektrik şebekesi üzerinden yenilenebilir enerjiyle beslersin ve enerji fazlası üretecek kadar rüzgâr ve güneş çiftliği kurarsın. Fazla elektrik daha sonra, hidrojen üretmek için kullanıldığı yeşil hidrojen tesislerine yönlendirilebilir. Bu hidrojen de güneş ve rüzgâr talebi karşılayamadığında elektrik üretmek için depolanıp kullanılabilir ^[73-76].

Bu da yetmezmiş gibi, hidrojen eski madenlerde, tuz mağaralarında ya da hatta tükenmiş petrol ve gaz rezervuarlarında uzun süre, devasa miktarlarda yer altında depolanabilir ^[77-80]. Bu, soğuk kış aylarında bile yıl boyunca kullanılabileceği anlamına gelir.

Buna mevsimler arası depolama deniyor ve birçok ülke buna şimdiden yatırım yapıyor ^{[23,81,82,83]}. Bir gün fosil yakıtlara bağımlılığı bile ortadan kaldırmaya yardımcı olabilir. Daha da iyisi, bu dev hidrojen stokları ülkelere daha fazla enerji bağımsızlığı verir; enerji ithalatına daha az bağımlı olurlar, yani ışıkları açık tutmak için başka ülkelere güvenmeleri gerekmez ^[84,85,86].

Ama bataryalar da aynısını yapamaz mı?

Pek sayılmaz. Bir şehir için haftalarca ya da aylarca yedek enerji depolamak için gereken batarya miktarı çok ama çok daha pahalı olurdu ^[87-90]. Hidrojen ise büyük ölçekte depolanınca çok ucuz olabilir ve bu enerji depolama sorununu çözebilir ^[91,92].

Peki hidrojen gezegeni karbonsuzlaştırmada rol oynayabilir mi? Şey, yalnızca yenilenebilir kaynaklardan üretilen yeşil hidrojense ^[93], ve yalnızca maliyeti gerçekçiyse ^[66-69]. Bunun gerçekleşmesi için altyapının büyütülüp güncellenmesi ve yenilenebilir enerjinin büyük ölçekte kullanılması gerekiyor.

Ama iyi haberler de var! Rüzgâr ve güneş enerjisi artık fosil yakıtlardan daha ucuz ^[27,94-97]. Elektrolizörlerdeki son teknolojik gelişmeler sayesinde yeşil hidrojen üretiminin fiyatı da hızla düşüyor ^[98-102].

Yani insanlık bu gelişmekte olan teknolojiyi desteklerse, yeşil hidrojen beklediğimiz parlak yıldızlardan biri olabilir.