Daha fazla ülke derin karbondan arındırma stratejileri izledikçe, hidrojenin oynayacağı rol de daha önemli hale gelecektir. Bu, özellikle doğrudan elektrifikasyonun zor olduğu yerlerde ve çelik, kimyasallar, uzun yol taşımacılığı, denizcilik ve havacılık gibi CO2 emisyonların azaltılması daha zor olduğu sektörlerde geçerli olacaktır. Bu bağlamda, hidrojenin başlangıçtan sona kadar düşük karbonlu yani yeşil hidrojen olması gerekir (yenilenebilir elektrik kullanılarak suyun elektroliziyle üretilir).
Yönetmelikler ve pazar dizaynındaki eksikliklere ilave olarak, üretim maliyeti de yeşil hidrojen kullanımının önündeki büyük bir engeldir. Büyük ölçüde düşen yenilenebilir enerji maliyetleri nedeniyle maliyetler azalıyor ancak yeşil hidrojen hala mavi hidrojenden 2-3 kat daha pahalıdır ve daha fazla maliyet azaltılması gerekiyor.
Yerinde yeşil hidrojen üretimi için en yüksek maliyet bileşeni, elektroliz ünitesinde kullanılacak yenilenebilir elektriğin maliyetidir. Bu, elektrolizörün maliyeti ne olursa olsun, yeşil hidrojen üretimini mavi hidrojenden daha pahalı hale getirir. Bu nedenle, rekabetçi yeşil hidrojen üretmek için düşük bir elektrik maliyeti gereklidir. Bu durum, rekabet gücüne ulaşmak için dünyanın her yerinde optimum yenilenebilir kaynaklara sahip lokasyonlarda hidrojen üretme fırsatı sunmaktadır.
Rekabetçi yeşil hidrojen üretimi için düşük elektrik maliyeti tek başına yeterli değildir ve elektroliz tesislerinin maliyetlerinde de düşüşe ihtiyaç vardır.
Su elektrolizörleri, su moleküllerini bir elektrik akımının geçmesiyle hidrojen ve oksijene ayırmak için kullanılan elektrokimyasal cihazlardır. Hücre, elektrolizörün çekirdeğidir ve elektrokimyasal işlemin gerçekleştiği yerdir. Sıvı bir elektrolite daldırılmış veya katı bir elektrolit membrana bitişik iki elektrottan (anot ve katot), iki gözenekli taşıma katmanından (reaktanların taşınmasını ve ürünlerin çıkarılmasını kolaylaştıran) ve mekanik destek sağlayan ve akışı dağıtan iki kutuplu plakalardan oluşur. Yığın (stack), seri olarak bağlanmış çok sayıda hücre, ara parçalar (iki zıt elektrot arasındaki yalıtım malzemesi), contalar, çerçeveler (mekanik destek) ve uç plakaları (sızıntıları önlemek ve sıvıları toplamak için) içeren daha geniş bir kapsama verilen isimdir.
Arıtılmış su, sirkülasyon pompaları kullanılarak veya ayrıca yerçekimi ile sisteme beslenir. Su daha sonra iki kutuplu plakalardan ve gözenekli taşıma katmanlarından akarak elektrotlara ulaşır. Elektrotta su, sıvı veya katı bir membran elektrolitinden geçen iyonlarla (tipik olarak H + veya OH-) oksijen ve hidrojene ayrılır. Her iki elektrot arasındaki membran veya diyafram da üretilen gazları (hidrojen ve oksijen) ayrı tutmaktan ve karışımlarından kaçınmaktan sorumludur. Bu genel ilke yüzyıllar boyunca aynı kaldı, ancak teknoloji, William Nicholson ve Anthony Carlisle’ın ilk kez 1800 yılında geliştirmesinden bu yana gelişti.
Dört tür elektroliz vardır: Alkali ve polimer elektrolit membran (PEM) halihazırda ticari iken, artık laboratuvar ölçeğindeki anyon değişim membranı (AEM) ve katı oksit ileriye doğru büyük bir adım vaat ediyor.
Şekil 1- Ticari Olarak Kullanılabilen Farklı Elektroliz Teknolojileri Türleri
Piyasada bulunmalarına ve olgunluklarına rağmen, PEM ve alkali su elektrolizörleri, fosil yakıt bazlı hidrojen üretimine kıyasla hem CAPEX hem de OPEX perspektiflerinden hala oldukça pahalı olarak kabul edilmektedir. PEM su elektrolizörleri, alkaliden %50-%60 daha pahalıdır. Bu da pazara girmeye ek bir engel teşkil eder. Her ikisinin de maliyet düşüşü için hala kullanılmamış bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.
AEM ve katı oksit elektrolizörleri için, bunların ticarileştirilmesinden sorumlu yalnızca birkaç şirket olduğu için maliyet değerlendirmeleri çok daha zordur. Dahası, bileşenlerinin birçoğu hala laboratuvar ölçeğine dayanıyor. Bunlar küçük yığınlardır ve sistem boyutları yalnızca birkaç kilovata kadardır. Bu iki teknoloji yine de düşük yeşil hidrojen üretim maliyetine katkıda bulunabilir. Alkali veya PEM ile karşılaştırıldığında bu teknolojilerin daha uzun bir yolu vardır. Önemli bir şekilde, AEM daha ucuz maddeler (özellikle PEM için yığın maliyetinin yaklaşık yarısını temsil edebilen titanyum) kullanabilir ve bu nedenle AEM, maliyet azaltma potansiyelinde PEM’e göre bir avantaja sahiptir.
1 MW’dan daha büyük sistemler için ilk ölçeklendirme girişimleri, yukarıda tartışıldığı gibi tesis bileşenlerinin hızlı bir şekilde maliyet azaltılmasına imkan sağlayacaktır. İnovasyon, herhangi bir önemli maliyet azaltımı için anahtar haline gelmektedir.
Elektroliz tesis maliyetleri, yeşil hidrojen üretiminin ikinci en büyük maliyet bileşenidir ve elektroliz tesisleri için yatırım maliyetlerini kısa vadede %40 uzun vadede %80 düşürmek temel stratejileri bu raporun odak noktasıdır. Bu stratejiler, elektrolizörün temel tasarımından, aşağıdakileri içeren daha geniş sistem çapında elemanlara kadar uzanmaktadır:
- Elektrolizör tasarımı ve konstrüksiyonu: Artan modül boyutu ve artan yığın üretim ve inovasyon maliyet üzerinde önemli etkilere sahiptir. Santrali 1 MW’tan (bugün tipik) 20 MW’a çıkarmak, maliyetleri üçte bir oranında azaltabilir. Bununla birlikte, her teknolojinin, üreticiler arasında da değişen kendi yığın üretim tasarımı olduğu için, tesis boyutunu etkileyen tek faktör maliyet değildir. Optimum sistem tasarımı, verimlilik ve esneklik gibi açılardan sistem performansını yönlendiren uygulamaya da bağlıdır.
- Ölçek ekonomileri: GW ölçekli üretim tesislerinde yığın üretimini otomatik üretime yükseltmek, maliyette kademe atlatan bir azalma sağlayabilir. Daha düşük üretim oranlarında, yığın, toplam maliyetin yaklaşık %45’idir, ancak daha yüksek üretim oranlarında bu %30’a kadar düşebilir. Polimer Elektrolit Membran (PEM) elektrolizörleri için eşik noktası, yılda yaklaşık 1000 birim gibi görünmektedir ve bu ölçek büyütme, yığın imalatında neredeyse %50’lik bir maliyet düşüşüne izin vermektedir. Çevreleyen tesisin maliyeti, elektrolizör grubu kadar önemlidir ve tasarruf, sistem bileşenlerinin standardizasyonu ve tesis tasarımı ile sağlanabilir.
- -Malzemelerin tedariki: Nadir(kıt) maddeler, elektrolizör maliyetine ve ölçeğinin büyümesine engel teşkil edebilir. Mevcut PEM elektrolizörleri için iridyum ve platin üretimi, 2030 yılına kadar yaklaşık 100 GW’lık tahmini yıllık üretim gereksinimine kıyasla yalnızca tahmini 3 GW-7,5 GW yıllık üretim kapasitesini destekleyecektir. Bu tür maddeler kullanımından kaçınan çözümler zaten önde gelen alkali elektrolizör üreticileri tarafından uygulanmaktadır ve PEM elektrolizörlerinde bu tür maddeler için gereksinimleri önemli ölçüde azaltacak teknolojiler mevcuttur. Anyon Değiştirici Membran (AEM) elektrolizörleri ilk etapta nadir maddelere (elementlere) ihtiyaç duymazlar.
- Operasyonlarda verimlilik ve esneklik: Güç kaynağı, ekonomik açıdan sistem esnekliğini sınırlayarak düşük yükte büyük verimlilik kayıplarını temsil eder. Birden fazla yığın ve güç kaynağı birimine sahip modüler bir tesis tasarımı bu sorunu çözebilir. Bununla başa çıkmanın bir alternatifi, optimize edilmiş ve entegre elektrik ve hidrojen depolaması yoluyla üretim değişkenliği ile başa çıkmak için yeterli kapasiteye sahip entegre bir tesis tasarımıdır. Yeşil hidrojen üretimi, bu tür hizmetlerin değeri tanınır ve yeterli bir şekilde ücretlendirilirse, elektrik sistemi için önemli bir esneklik sağlayabilir. Rekabet edecek önemli bir alternatif kaynağı olmadığı için hidrojenin esneklik açısından kilit bir rol oynayacağı yerler, yenilenebilir enerjilerin mevsimsel olarak depolanması olacaktır. Bu, önemli verimlilik kayıplarına yol açsa da güneş ve rüzgar gibi değişken kaynaklara büyük ölçüde bağımlı olan güç sistemlerinde %100 yenilenebilir üretim elde etmek için gerekli bir mihenk taşıdır.
- Endüstriyel uygulamalar: Elektroliz sistemi tasarımı ve operasyonu, belirli uygulamalar için optimize edilebilir. Bunlar aşağıdakiler arasında değişebilir: istikrarlı tedarik ve düşük lojistik maliyetleri gerektiren büyük endüstri kullanıcıları; Düşük maliyetli yenilenebilir kaynaklara erişimi olan, ancak son kullanıcıya hidrojeni sağlamak için önemli maliyetlere neden olan büyük ölçekli, şebekeden bağımsız tesisler; ve esneklik için küçük modüller gerektiren, azaltılmış (veya sıfıra yakın yerinde) lojistik maliyetlerle elektrolizör kapasitesi birimi başına daha yüksek yatırımı telafi eden merkezi olmayan üretim.
- Öğrenme oranları: Çeşitli araştırmalar, yakıt pilleri ve elektrolizörler için potansiyel öğrenme oranlarının güneş PV’sine benzer olduğunu ve %16 ile %21 arasındaki değerlere ulaşabileceğini göstermektedir. Bu, PV için son 10 yılda yaşanan %36 öğrenme oranından önemli ölçüde daha düşüktür. Bu tür öğrenme oranları ve 1.5 ° C iklim hedefi doğrultusunda bir yaygınlaştırma yolu ile elektrolizörlerin maliyetinde 2030’a kadar % 40’ın üzerinde bir azalma sağlanabilir.
Şekil 2, daha ucuz elektrik ve elektrolizör sermaye yatırımının bir kombinasyonu ile yeşil hidrojen üretim maliyetlerinin nasıl azaltılabileceğini ve elektrolizörün artan verimliliği ve optimize edilmiş çalışmasının yanı sıra nasıl azaltılabileceğini göstermektedir.
Şekil 2- Elektrik ve Elektrolizörlerdeki Maliyet Düşürme Kombinasyonu, Artan Verimlilik ve Çalışma Ömrü İle Birlikte Hidrojen Maliyetinde %80 Azalma Sağlayabilir
Şekil 3, bir dizi elektrolizör maliyeti ve dağıtım seviyesi için 2020 ile 2050 arasındaki potansiyel yeşil hidrojen üretim maliyeti düşüşünü göstermektedir. En iyi senaryoda, yeşil hidrojen, günümüzde düşük maliyetli yenilenebilir elektrik kullanılarak, yani megavat-saat (MWh) başına yaklaşık 20 ABD Doları (MWh) kullanılarak, mavi hidrojenle rekabet edebilecek maliyetlerle zaten üretilebilir.
Rekabetçi yeşil hidrojen üretimi için düşük bir elektrik fiyatı gereklidir ve Şekil 3’de gösterildiği gibi, elektrolizörlerdeki maliyet indirimleri yüksek elektrik fiyatlarını telafi edemez. Düşük elektrik maliyetiyle birlikte agresif bir elektrolizör yaygınlaştırılması, 2040’tan önce yeşil hidrojen herhangi bir düşük karbon alternatifinden daha ucuz hale gelebilir. Önümüzdeki on yılda hızlı ölçek büyütme gerçekleşirse, yeşil hidrojenin 2030 yılına kadar çok çeşitli ülkelerde ve uygulamalarda mavi hidrojen ile rekabet etmeye başlaması bekleniyor (elektrik fiyatları 30 ABD Doları / MWh).
Şekil 3- Elektrolizör Yaygınlaşmasının Bir Fonksiyonu Olarak Yeşil Hidrojen Üretiminin Maliyeti, 2020-2050 Dönemi Boyunca Sabit Olan Ortalama (65 ABD Doları / Mwh) Ve Düşük (20 ABD Doları / Mwh) Elektrik Fiyatı Kullanılarak
Bugünün maliyeti ve performansı tüm elektrolizör teknolojileri için aynı değildir. Alkali ve PEM elektrolizörleri en gelişmiş ve halihazırda ticari olanlardır ve her teknolojinin kendi rekabet avantajı vardır. Alkali elektrolizörler en düşük kurulu maliyete sahipken, PEM elektrolizörleri daha yüksek akım yoğunluğu ve çıkış basıncı ile birlikte çok daha küçük bir tesis alanına sahiptir. Bu arada, katı oksit en yüksek elektriksel verime sahiptir. Hücre yığını, elektrolizör tesisinin alanı yalnızca bir parçası olduğundan, alkali ile karşılaştırıldığında PEM için yaklaşık %60’lık azaltılmış yığın alanı, tesis alanında %20-%24’lük bir azalma anlamına gelir. PEM kullanan 1 GW’lık bir tesis için tahmini 8-13 hektar alan gerekli iken, alkali kullanan tesis için 10 ha-17 hektar alan gereklidir. Farklı elektroliz teknolojilerinin inovasyonu ve kitlesel konuşlandırması benzerlere doğru yakınsamayı sağladığından, maliyet ve performanstaki boşlukların zaman içinde daralması beklenmektedir. Bununla birlikte, büyük ölçüde teslimatın ölçeğine, uygulamasına ve kapsamına bağlı olduğundan, sistem maliyetlerindeki geniş aralığın kalması beklenmektedir. Örneğin, mevcut güç kaynağına sahip mevcut bir tesisin içindeki konteynıra alınmış bir sistem, satın alınacak bir arsadaki yeni bir binadan önemli ölçüde daha düşük maliyetlidir. Normalde, sistem maliyetleri için rakamlar sadece hücre yığınını değil, aynı zamanda hücre yığınlarının dengesini, güç redresörlerini, hidrojen arıtma sistemini, su temini ve saflaştırmayı, soğutma ve devreye almayı da içerir. Ancak nakliye, inşaat işleri ve saha hazırlıkları hariçtir.
Özellikle 2020 rakamları, 2020’de sipariş edilen bir sistem için maliyet tahminleridir ve fiyatın olabileceği en düşük değeri temsil eder (sıfır kar sınırında). Başlangıçta piyasa hızla büyüdükçe üretim tesislerine yapılan yatırımın geri kazanılması gerekir, bu nedenle maliyet ve fiyat arasındaki fark şu anda 10 veya 20 yıl sonrasına göre daha yüksektir.
Elektrolizörün maliyetini düşürmek ve performansını iyileştirmek için inovasyon çok önemlidir. Nihai hedefler: 1) sanayileşme ve ölçek büyütmeye izin vermek için üretimi ve tasarımı standartlaştırarak ve basitleştirerek maliyeti düşürmek; 2) bir birim hidrojen üretmek için gereken elektrik miktarını azaltmak için verimliliği artırmak 3) ekipman ömrünü uzatmak ve elektroliz tesisinin maliyetini daha büyük bir hidrojen üretim hacmine yaymak için dayanıklılığı artırmak.
Hükümetler, aşağıdakilerle ilgili politikayı destekleyen uzun vadeli net sinyaller vererek elektrolizörlerde inovasyonu destekleyebilir:
- Bu düşük karbonlu enerji taşıyıcısının rekabetçi olmasına yardımcı olacak tüm alanlar dahil olmak üzere yeşil hidrojenin üretimine, lojistiğine ve kullanımına yatırımın kolaylaştırılması; teknoloji maliyeti ve performans iyileştirmeleri, malzeme tedariki, iş modelleri ve ortak standartlar ve sertifikalar kullanılarak ticaret yapılması.
- İnovasyona yatırımları destekleyen ve yeşil hidrojen üretimini artıran düzenlemeler oluşturmak ve pazarları tasarlamak. Bu, üretim veya dağıtım hedeflerinin belirlenmesi, vergi teşvikleri, karbondan arındırılması zor sektörlerde zorunlu kotalar ve diğer risk azaltma mekanizmaları gibi yaklaşımları içerirken, özel sektörün geniş ölçekte yatırım yapması için öngörülebilir gelirleri garanti edebilecek yeni iş modellerini mümkün kılar.
- Araştırma, geliştirme ve demonstrasyonu (RD&D) desteklemek: PEM elektrolizörlerinin üretiminde iridyum ve platin kullanımını azaltmak; tüm alkali birimlerin platin ve kobalt içermeyen hale getirilmesi ve genel olarak, üretim ölçeğini büyütülmesi ve nadir madde kullanımının azaltılması.
- Hidrojen değer zinciri boyunca, sınırların ötesinde, ilgili sektörler ve paydaşlar arasında koordinasyonu ve ortak hedefleri teşvik etmek.
Kaynak: “Green Hydrogen Cost Reduction”, IRENA
İndirmek için tıklayın
