Enerji, tarih boyunca insanlığın daima en önemli ihtiyaçlarının başında gelmiş; su, hava ve gıda gibi temel ihtiyaçlarını çok yakından etkilemiştir. Bununla birlikte geçmişi şekillendirmiş, günümüzü şekillendirmeye devam eden ve geleceği de şekillendirmesi beklenen bir kaynaktır. İçine girdiğimiz süreçte temiz enerjinin önemi ve ihtiyacı herkes tarafından bilinen bir gerçektir. Diğer yandan, enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılan fosil yakıtların (kömür, petrol ve doğal gaz) artan kullanımıyla dünyada hava, su ve gıda ile ilgili birçok sorun ortaya çıkmıştır. Bu sorunlar insan sağlığını ve yaşamını önemli ölçüde etkilemiştir. Endüstri devriminden sonraki süreçte kullanılan fosil kaynaklı enerji kaynaklarının çok belirgin etkisiyle ortaya çıkan yoğun yoğun karbondioksit emisyonları ve bunların yol açtığı gerek bölgesel gerekse küresel ölçekteki iklim değişiklikleri ve küresel ısınma sorunu, enerji kaynaklarına yönelik bir değişimi zorunlu kılmıştır. Bu durum bir bakıma karbon çağından hidrojen çağına geçişi 2020 yılı itibarıyla gerçekleştirmemizi sağlamlaştırmıştır. Bu makale, enerji seçeneklerinde tarihsel dönüşümleri değerlendirerek, akıllı enerji seçeneklerini öne çıkarıp, hidrojen çağında ne yapmalıyız konularına cevap getirmektedir.

Günümüzde, her şeyin daha akıllı tasarlandığı ve de yeni getirilen çözümlerin daha verimli ve etkin olmasının beklendiği bir çağın içinde bulunmaktayız. Süreç tabii ki günlük hayatın içinde birçok gelişmeye neden olmuş durumda; akıllı malzemeler, akıllı cihazlar, akıllı telefonlar, akıllı şebeke, akıllı ölçüm vb. bunlara örnek olarak verilebilir. Enerji çeşitliliğini ve de bununla ilişkili olarak, akıllılaştırma sürecini akıllı enerji çözümleri altında yapmamız gerekmektedir. Tüm bunlar, gelişmiş ileri teknolojiler ve yapay zekâ uygulamalarıyla, enerji temelleri ve kavramları, enerji malzemeleri, enerji üretimi, enerji dönüşümü ve enerji yönetimi olarak beş kategoride ele alabileceğimiz tüm enerji spektrumunu kapsayan bu konular ile ilgili yol haritasını, kısacası enerji diyetimizi değiştirmemiz gerektiğini açıkça göstermektedir.

Bir de enerjinin farklı boyutlarına bakıldığında ve de tarihsel süreçler incelendiğinde enerjinin; teknik boyutlardan ekonomik boyutlara, ekonomik boyutlardan çevre boyutlarına, çevre boyutlarından sosyal boyutlara ve hatta bunlar içinde hemen hemen en önemli sayılabilecek politik boyutlara kadar birçok alanı etkilediği görülmüştür ve yaşanmıştır. Hatta tarihsel olarak insanlığın enerji seyahatinde enerjiye sahip olma istekleri, beraberinde savaşları, barışları ve de acıları getirmiştir.

Bu makale, aslında enerji süreçlerini inceleyip, akıllı enerji seçeneklerine bakmak ve de bununla birlikte içine girdiğimiz hidrojen çağını tanımak ve de anlamak gerektiğini vurgulamayı hedefleyen bir çalışmadır. Tabii ki hidrojen enerjisi ile daha çevre dostu ve daha sürdürülebilir bir süreç oluşturmak, konunun en önemli ayağını oluşturmaktadır.

Akıllı enerji çözümleri

Geçmişte, enerji yoğunluğu (bir ulus ya da toplum tarafından tüketilen enerjinin o ülke ya da topluluğun gayri safi yurtiçi hasılasına oranı, örneğin kiloWatt saatlik (kWh) harcanan enerji/dolar şeklinde ölçülen), gelişim için anahtar bir gösterge olarak kullanılmıştır. Bu rakamlara bakacak olursak, değerlerin Amerika Birleşik Devletleri için kişi başına yıllık ortalama olarak 13 bin kWh civarında, Kanada içinse 16 bin kWh civarına olduğu görülmektedir. Bu nedenle daha fazla enerji tüketen ülkeler, daha gelişmiş olduklarını iddia etmişlerdir. Daha sonra bu ifade, enerji verimliliğinin (veya verimli enerji kullanımının) daha anlamlı hale gelmesi nedeniyle, bir ölçüde anlamsız bir hal almıştır. Böylelikle, enerji verimliliği ve teknolojik olarak gelişmiş çözümler, anahtar göstergeler haline gelmeye başlamıştır. Neredeyse her şey, çeşitli seçeneklerle, daha verimli ve daha entegre bir şekilde, akıllı bir etki alanına dönüşüm sürecine girmiştir. Bu nedenle, geleneksel yol haritasını değiştirerek geleneksel yöntemlerden, yaklaşımlardan, sistemlerden ve bununla ilişkili olan tek boyutlu çözümlerden akıllı çözümlerin hedeflendiği akıllı enerji portföyüne geçişi gerçekleştirmeliyiz. Akıllı enerji çözümlerine geçmek demek, artık enerji ekosistemini kurarken enerji temellerini oluşturup, bunun üzerine akıllı enerji seçeneklerini yerleştirmeyi gerektirmektedir. Doğru temellerin üzerine inşa edilmezse bu sistemin uzun süre ayakta kalması beklenemez.

Akıllı enerji çözümleri arasında; ekserjileştirme (enerjinin kullanılabilir hale getirilen kısmı), yeşilleştirme, nükleerleştirme, yenilenebilirleştirme, hidrojenleştirme, entegrasyon, çoklu üretim, depolama ve dijitalleştirme sayılabilir. Bunların her biri enerji portföyünde kritik bir role sahiptir ve daha sürdürülebilir bir gelecek için olmazsa olmazlar olacaktır. Kısaca bu dokuz önemli ayak Şekil 1’de gösterilmiştir. Aslında bu öncü çalışma, ilk yayımlandığında büyük bir ses getirmiş ve bir nevi öncü bir rol üstlenmiştir (Dinçer [1]). Şimdi sırayla bu dokuz boyuta bakalım:

Ekserjileştirme: Termodinamiğin ikinci kanunundan gelen ekserji analizi ve araçlarını; daha iyi bir tasarım ve analiz, daha iyi verimlilik, daha iyi bir maliyet etkinliği, daha iyi bir kaynak kullanımı, daha iyi bir çevre ve daha iyi bir enerji güvenliği ve yönetimi için kavramsal olarak doğru bir şekilde kullanma sanatı olarak tanımlanır.

Yeşilleştirme: Mevcut enerji sistemi ve uygulamaların, daha çevre dostu bir boyuta taşınmasını gerektirir.

Nükleerleştirme: Her ne kadar eleştirilse ve sosyal olarak tam kabul görmese de teknik olarak bakıldığında ve tarafsız olarak ömür çevrim analizleri yapıldığında çevre dostu ve sürdürülebilir bir enerji çeşidi olarak öne çıkmaktadır.

Yenilenebilirleştirme: Geleneksel kömür, petrol ve doğal gazlı fosil yakıt seçeneklerinden güneş,  rüzgâr, jeotermal, hidro, okyanus ve biyokütle gibi enerji seçeneklerine geçmeyi hedefler.

Hidrojenleştirme: Yeni bir çağ ve de daha sürdürülebilir bir hidrojen ekonomisine ulaşmak amacıyla hidrojen enerjisi sistemleri ve uygulamaları ile karbonsuz bir çözüm sürecini oluşturmayı ve hidrojen ekosistemini kurmayı hedefler.

Entegrasyon: Daha iyi verimlilik, maliyet etkinliği, kaynak kullanımı ve çevre elde etmek için enerji sistemlerinin/alt sistemlerinin birleştirildiği ve/veya hibritleştirildiği bir süreci ifade eder.

Çoklu üretim: Bakıldığında aynı girdi ile, çoklu üretimleri hedefleyen bir çalışma sürecini ifade eder ve de en az dört faydalı çıktı alınabilen sistemleri oluşturma işlemi olarak da tanımlanır.

Depolama: Arz ve talep arasındaki uyumsuzluğu dengelemek, sistemleri daha verimli, ekonomik ve çevreci bir şekilde çalıştırmak için enerji depolama seçeneklerinin uygulanması süreci olarak tanımlanır.

Dijitalleşme: Yapay zekâ araçlarını daha iyi simüle etmek ve modellemek, uygulamak, optimize etmek, otomatikleştirmek ve kontrol etmek, projeksiyonlar yapmak, yönetmek ve ölçmek için etkin kullanıldığı süreç olarak tanımlanır.

Sonuç olarak bakıldığında, daha sürdürülebilir bir gelecek oluşturmak için, toplumların artık bu akıllı enerji portföyünü, kapsamlı ve de eksiksiz bir şekilde hayata geçirmesi gerekmektedir.

Karbon çağının yol açtığı zararlar

İnsanların yaşamak için dört temel ihtiyacı olduğunu herkes çok iyi bilmektedir. Bunları sıralayacak olursak: Su (hidrojen ve oksijenden oluşur), hava (esas olarak oksijen ve azottan oluşur), gıda (öncelikle karbon, hidrojen ve oksijenden oluşur) ve enerji (öncelikle karbon ve hidrojenden oluşur). Tabii ki daha temiz ve sürdürülebilir bir yaşam için ise ihtiyaçlar Şekil 2’de verildiği gibi olmalıdır: Temiz su, temiz hava, temiz gıda ve temiz enerji.

Aslında burada suyun, havanın ve gıdanın; enerjiyi üretme, dönüştürme, taşıma, depolama ve kullanma şekillerinden büyük ölçüde etkilendiğini belirtmek önemlidir. Bu nedenle, temelde temiz enerji çözümlerine ihtiyacımız bulunmaktadır. Ayrıca, fosil yakıtların (kömür, petrol ve doğal gaz) artan kullanımının dünyada hava, su ve gıda ile ilgili birçok soruna neden olduğu ve bunların insan sağlığı ile ilgili çeşitli problemlere yol açtığı bilinen bir gerçektir. Bu problemlere örnek olarak; solunum bozukluğu, kardiyovasküler hastalıklar, kronik akciğer hastalıkları, gastroenterit, bulantı, kas ve beyin hasarları, sinir bozuklukları, böbrek ve karaciğer hasarları, cilt tahrişi, baş ağrısı ve yorgunluk, yüksek kanser riskleri ve daha fazlası gösterilebilir. Bu bağlamda, insan vücudunun bağışıklık sistemi de büyük ölçüde etkilenmektedir. Diğer taraftan, hava kirliliği de sağlık için önemli bir çevresel risk durumundadır. Ülkeler hava kirliliği seviyelerini azaltarak, inme, kalp hastalığı, akciğer kanseri ve astım dahil olmak üzere hem kronik hem de akut solunum yolu hastalıklarından kaynaklanan hastalık yükünü azaltabilir

Tabii ki insanlık, günlük işlerinin birçoğu için ilk enerji kaynağı olarak yüzyıllar boyunca odun kullanmıştır ve bu dönem kömür dönemi (özellikle sanayi devrimi ile), petrol dönemi (öncelikle birinci dünya savaşından sonra) ve doğal gaz dönemine (1980’lerden sonra giderek daha fazla) dönüşmüştür. Karbon içermeyen bir yakıt ve enerji taşıyıcı olarak hidrojene doğru giden bu enerji yolculuğunda nihai bir hedef bulunmaktadır. Karbon/Hidrojen (C/H) oranının yüzyıllar boyunca azaldığı ve hidrojen ile sıfır olmasının beklendiği bu yolculuk Şekil 3’te açıkça gösterilmiştir.

Bu yolculuk, karbon içermeyen ekonomiye veya karbon içermeyen topluma doğru açık bir değişimin göstergesidir. Odunun karbon içeriğinin kömürün karbon içeriğinden daha fazla olduğunu tartışan bazı araştırmacılar ve bilim adamları mevcuttur. Bununla birlikte, selüloz ve ligninden oluşmuş olması ve bileşiminin ağaç türleri arasında değişebilmesi nedeniyle odunun C/H oranının yaklaşık 10 (1 Hidrojenin 10 Karbona oranı) olduğunu gösteren kaynaklar da vardır. Ayrıca, çoğu ağacın selüloz olarak kabul edildiğine dikkat edilmelidir.

Öte yandan, şu anda dünya çapında hidrojenin tamamen temiz görülemeyecek olan fosil yakıtlardan (doğal gazdan yaklaşık %50, petrolden %30 ve kömürden yaklaşık %15) üretildiği konusunda bir iddia da öne sürülebilir. Bu iddia doğru bir temele dayanmaktadır. Üretilen her bir kilogram hidrojen başına, yaşam döngüsü emisyonları CO₂ eşdeğeri cinsinden Şekil 4’te gösterilmiştir. Burada, temiz hidrojen üretimi için suyu hidrojen ve oksijene ayırmada yenilenebilir enerji kaynakları ve nükleer enerji kullanılması gerektiği açıkça görülmektedir. Bununla ilişkili olarak bakıldığında Şekil 4, hidrojen üretimi için fosil yakıtların yolunu izleyemeyeceğimizi ve bunun yerine elektroliz, termokimyasal ve fotonik prosesler gibi yöntemlerle hidrojen üretimi için nükleer ve yenilenebilir enerji seçeneklerinin kullanılması gerektiğini açıkça göstermektedir.

Karbon çağından hidrojen çağına geçiş

Tarihsel olarak bakıldığında metal çağlarını hepimiz hatırlarız; bakır çağı sonrasında bronz çağı ve takiben demir çağı… Bunlar tarihsel olarak kapanmıştır, tabii ki bu çağların kapanması bakırın, bronzun veya demirin bitmesinden kaynaklanmamıştır. Bu dönüşüm tamamen insanlığın gelişimi ve teknik kabiliyetlerinin artması ve kaynakların etkin kullanımı ve de hayat içindeki gereksinimlerden kaynaklanmıştır. Endüstri devrimi ile başlayan kömürün öncelikli ve yoğun kullanımı, sonrasında petrol ve onu takiben de doğal gazın yoğunluklu kullanımı bu süreci yoğun karbon esaslı yapmıştır. Buna paralel olarak karbondioksit emisyonlarının çok hızlı artışı ve beraberinde gelen olumsuz çevresel etkiler, bölgesel ve küresel iklim değişiklikleri ve de düzensizlikleri, küresel ısınmanın kaçınılmaz bir sonucudur.

Şimdi hidrojen çağındayız ve bu süreç teknik olarak 2020 yılda dünyada patlayan COVID-19 virüsünün yol açtığı pandeminin etkisiyle hızlanmıştır. Dolayısıyla her insanı doğrudan veya dolaylı olarak etkileyen COVID-19 koronavirüs salgını özellikle yaşlıları, zayıf bağışıklık sistemine sahip olan ve çeşitli solunum ve kardiyovasküler hastalıkları olan insanları daha çok etkilemiştir. Bu açıkça karbon çağına devam edemeyeceğimiz ve bu tür korona virüslerine karşı artık kendimizi savunmasız bırakamayacağımız bir dönüm noktasıdır. Bu dönüm noktası, hidrojen ile yeni bir çağın açılması ve Şekil 5’te gösterildiği gibi karbon çağının kapatılması için belirleyici bir andır. Şekil 5’te gösterildiği gibi, 2020 yılında koronavirüs salgını oluşum noktasına kadar hidrokarbon yakıtlarla devam eden karbon çağı, yerini hidrokarbon yakıtların (fosil yakıtlar) kullanımının katlanarak azalacağı ve hidrojen enerjisi kullanımının artacağı hidrojen çağına bırakacaktır. Bu hidrojen çağında, aşağıdaki faydaların sağlanması beklenmektedir:

• Daha iyi çevre,
• Daha iyi ekosistem,
• Daha iyi verimlilik,
• Daha iyi ekonomi ve ekonomik kalkınma,
• Yenilenebilir enerji seçenekleriyle daha iyi bir kullanım senkronizasyonu,
• Daha iyi sağlık ve daha sağlıklı toplumlar,
• Daha iyi sürdürülebilir kalkınma.

Hidrojeni tanıyacak olursak, periyodik cetvelin ilk sırasında yer alan ve atom numarası 1 olan en hafif elementtir. Normal şartlar altında renksiz, kokusuz, tatsız, bununla birlikte yanıcı özelliği yüksek iki atomlu bir gazdır (H₂). Aslında evrende de en fazla bulunan elementtir ve hemen hemen her şeyde vardır; sudan gıdaya, havadan enerji kaynaklarına kadar… Daha da ileriye gidip, aslında evrenin enerji kaynağı hidrojendir diyebiliriz. Örneğin güneşimiz aynı zamanda bir “hidrojen topu” olarak isimlendirilmektedir. Zira güneşin çekirdeğinde hidrojenin izotoplarından ditoryum ve trityum nükleer füzyon reaksiyonuna girerek helyum oluşturur ve çok yüksek miktarlarda enerji açığa çıkar. Bu enerji tüm güneş sistemimizi beslemektedir.

Şekil 6’da 1950’lerden sonraki ekonomik gelişme dönemlerini ve bunların ekonomik etkilerini gösteren önemli bir grafik yer almaktadır. Şekil, İkinci Dünya Savaşı’ndan sonraki ilk dönemin kapsamlı, emek yoğun ve ekonomik etkisinin düşük olduğu bir dönem olduğunu gösteriyor. Bu dönem 1970’li yıllara kadar devam etti. Emek yoğun dönemi takip eden bir sonraki dönem, daha eğitimli insanların daha kısa zaman diliminde ve daha yüksek verimlilikle daha kaliteli işler başarmaya hazırlandığı, beceri yoğun bir dönemdi. Bu dönem 1970’li ve 1980’li yıllar arasıydı. Bu, beceri geliştirme faaliyetlerinin durdurulduğu anlamına gelmiyor, aksine devam ettiği anlamına geliyor. Ekonominin büyüdüğü 1980’li yıllarda, sanayiden tarıma kadar birçok sektörde yapılan yatırımlar ve sermaye inisiyatifleriyle sermaye yoğun alanlar daha etkiliydi. Emek yoğun dönemle karşılaştırıldığında bu dönemde ekonominin etkisi üç kattan fazla arttı. Sonraki dönem ise 1990’lı yıllardan itibaren başlayan ve geliştirilen teknolojilerin gelişmiş ülkelerdeki ekonomik yansımalarının artmasına neden olan teknoloji yoğun bir dönem olmuştur. Yeni teknolojiler, gelişmiş ülkelerin teknoloji alanındaki liderliklerini pekiştirmelerine ve teknolojik ürün, hizmet vb. ihracatının artması nedeniyle çok fazla kâr elde etmelerine neden oldu.

2000’li yılları içeren bir sonraki dönem, çok sayıda gelişmiş ülkenin çok daha büyük paralar kazanma fırsatını yakaladığı inovasyon yoğun bir dönemdi. Ürün ve hizmetlerini daha da yenilikçi hale getirip, gelişmekte olan ülkelerle arayı daha da açarak çok büyük bir ekonomik güce kavuştular. Bu dijital yoğun dönem, gelişmiş ülkeler için dijital teknolojiler, ürünler, hizmetler vb. ile karakterize olmuş bir dönemdi ve onlara akıllı malzemelerini, akıllı cihazlarını ve dolayısıyla akıllı ürün ve hizmetlerini yaratmada benzersiz bir avantaj sağlıyordu. Bu dijitalleşme süreci aynı zamanda ekosistemi de temelinden değiştirdi.

2020 yılında ise dünya, Dinçer’in [2] tartıştığı gibi karbon çağını kapatıp hidrojen çağını açarak tarihi bir dönüm noktası olan Covid-19 Koronavirüs pandemisinden etkilendi. O yıl birçok ülke stratejik planlarını ve yol haritalarını buna göre açıklamaya başladı. Örneğin Avrupa Birliği ilk olarak yeşil hidrojen anlaşmasını uygulamaya koydu. Kuzey Amerika’dan Uzakdoğu’ya kadar pek çok ülke, hidrojen çağına geçiş planlarını ve yol haritalarını somut eylem planlarıyla açıklamaya başladı ve 2050 yılına kadar ülkelerini karbon nötr hale getireceklerini duyurdu. Tüm bu gelişmeler; daha başarılı enerji çözümleri, daha temiz bir çevre, daha sürdürülebilir bir kalkınma ve daha iyi bir dünya yaratmasının beklendiği hidrojen yoğun çağa geçiş anlamına gelmekteydi. Bu geçiş süreci kuşkusuz aynı zamanda Birleşmiş Milletler’in sürdürülebilir kalkınma hedeflerine daha iyi ulaşılmasına da yardımcı olacak.

Hidrojen döneminin unutulmaması gereken bir özelliği ise teknoloji, inovasyon ve dijitalleşme gibi üç temel unsura ihtiyacı olmasıdır. Bu durum, hidrojen çağının başarısının, büyük ölçüde geliştirilen teknolojilere, yapılan yeniliklere ve gerçekleştirilecek dijitalleşmeye bağlı olacağı anlamına gelmektedir. Dolayısıyla bu dönem, net bir başarı için bu üç alanın senkronize edilmesi gereken bir tür entegre ekonomik dönemdir. Temiz hava, temiz su, temiz gıda ve dolayısıyla temiz enerji hedeflerinin yakalandığı daha iyi bir gelecek için fark yaratmak isteyen ülkelere bu süreç gerçekten yardımcı olacaktır.

Sonuç

Dünyamız inanılmaz bir şekilde hızlı bir değişim ve dönüşüm süreci yaşıyor. Bu süreç aslında hayatın her boyutunda gerçekleşiyor ve insanlığın bu değişim ve dönüşümü başarılı bir şekilde yönetmesi gerekiyor. Tabii ki enerji özelinde durum gerçekten çok daha kritik, nedeni ise enerjinin hayatın her boyutunda önemli bir yere sahip olması ve de enerjinin her dalının hayatın her boyutunu ve insanlığının her ihtiyacını çok ciddi bir şekilde etkilemesidir. Dolayısıyla akıllı enerji çözümlerine toplum olarak ihtiyacımız var ve bu eksende hidrojen enerjisi ile başlayan hidrojen çağını iyi anlamak ve onu her boyutta başarmak, temiz ve sürdürülebilir bir gelecek için çok önemlidir. Tabii ki bazı sıkıntıları beraberinde getiren bu hidrojen çağı, aynı zamanda çok geniş fırsatları da insanlığa sunmaktadır. Burada önemli olan doğru politika ve stratejileri geliştirmek, stratejik planları yapıp, kısa, orta ve uzun vadeli yol haritalarını çıkarmaktır. Kısacası temiz bir gelecek için temiz hidrojen bu işin olmazsa olmazıdır.

Prof. Dr. İbrahim Dinçer
Hidrojen Teknolojileri Derneği Başkanı
ibrahim.dincer@hidrojenteknolojileri.org

Kaynaklar

1. İ. Dinçer (2016). Akıllı enerji çözümleri. Uluslararası Enerji Araştırmaları Dergisi 40(13), 1741-1742.
2. I. Dinçer (2020). COVID-19 Korona virüsü: Karbon çağını kapatıyor, ancak hidrojen çağını açıyor. Uluslararası Enerji Araştırmaları Dergisi 44(8), 6093-6097.
3. İ. Dinçer (2023). Hidrojen 1.0: yeni bir çağ. Uluslararası Hidrojen Enerjisi Dergisi 48, 16143-16147.