Derin Okuma — PEM Elektrolizörü

Fabrikanın en sessiz köşesindeki fısıltı

Yirmi megavatlık bir konteyner sahasında yürüyorsun. Trafoların uğultusu dışında hiçbir şey duyulmuyor. Ne piston sesi var ne de kompresör vuruşu. Sadece paslanmaz çelik dolapların içinden gelen, bir akvaryum filtresini andıran hafif bir su şırıltısı. Oysa bu sessizliğin ortasında, her biri bir otomobil motoru büyüklüğündeki yüzlerce hücre, saf suyu protonlara ve elektronlara ayırıyor. Dakikada yaklaşık kırk kilogram hidrojen üretiliyor.

Tek bir hücrenin içindeki sıcaklık altmış beş santigrat dereceye ulaşmış durumda. O hücrenin kalbinde, insan saçından ince bir plastik tabaka, periyodik cetvelin en asil ve en kırılgan elementlerini birbirinden ayırıyor. O tabakanın bir yüzü asit yağmurundan daha korozif bir ortamla temas halinde. Diğer yüzü ise patlamaya hazır saf oksijenle. Aradaki fark sadece yüz elli mikrometre. İşte yeşil hidrojen devriminin en kritik ve en az konuşulan parçası burası.

Protonlar için bir turnike

PEM elektrolizörünü anlamak için en iyi benzetme, sadece tek yöne açılan bir turnikedir. Turnikenin kendisi, perflorosülfonik asit membrandır. Zar, tıpkı bir gece kulübünün kapısındaki seçici güvenlik görevlisi gibi, sadece protonları (H⁺) geçirir. Elektronları, su moleküllerini ve gazları kesinlikle karşı tarafa bırakmaz. Su, membranın anot tarafındaki katalizör yüzeyine beslenir. Burada devreye giren iridyum oksit tabakası, su molekülünü parçalayarak oksijen gazı, elektron ve protona ayırır.

Protonlar turnikeden geçip katot tarafına ulaşır. Elektronlar ise dış devreden dolaşarak aynı noktaya gelir. Katotta, platin katalizör üzerinde proton ve elektronlar tekrar birleşir ve hidrojen gazı oluşur.

Tüm bu süreç, bir dizel motorunun çalışma prensibinden tamamen farklıdır. Burada yanma yoktur, sıcak egzoz gazı yoktur. Sadece kontrollü bir iyon göçü ve iki saf gaz çıkışı vardır. Sistemin güzelliği, çıktıların saflığında yatar. 999 saflığa doğal olarak ulaşır. Saflık, hidrojeni doğrudan yakıt hücreli bir araca basmaya veya yarı iletken üretiminde kullanmaya imkan tanır.

Membranın ıslak kalma sanatı

Proton değişim membranının en büyük hilesi, aslında bir yalıtkan olmasına rağmen mükemmel bir iletken gibi davranmasıdır. Kuru bir membran, protonu iletmez. İletkenlik kazanması için suya doymuş olması gerekir. Membranın içindeki sülfonik asit grupları, su moleküllerini bir mıknatıs gibi çeker. Her bir sülfonik asit grubu, yaklaşık on ila on beş su molekülünden oluşan bir hidrasyon kabuğu oluşturur. Proton bu kabuğun içinde, bir kovadan diğerine su taşıyan insan zinciri gibi, bir molekülden diğerine atlayarak ilerler.

Mekanizmaya "araç mekanizması" denir. Sorun şurada başlar. Anotta su parçalandıkça, protonlar katoda doğru hareket ederken beraberlerinde su moleküllerini de sürükler. Buna elektro-ozmotik sürükleme denir. Her bir proton, yaklaşık iki ila dört su molekülünü peşinden katoda taşır. Eğer anot tarafına yeterince taze su beslenmezse, membranın anot yüzeyi kurumaya başlar.

Kuru bir bölge oluştuğu anda, o bölgenin iyonik direnci fırlar. Direnç arttıkça hücre voltajı yükselir. Voltaj yükseldikçe daha fazla ısı açığa çıkar. Daha fazla ısı, daha hızlı kurumaya yol açar. Kısır döngü, membranın birkaç saniye içinde yanmasına ve delinmesine sebep olabilir.

O yüzden PEM elektrolizörlerinde su yönetimi, bir saatçi titizliği gerektirir. Sistem, anot devresinde dolaşan suyun debisini, sıcaklığını ve iletkenliğini milisaniyeler içinde ayarlayan kontrol döngüleriyle çalışır. Dolaşan suyun sadece küçük bir kısmı elektrolizde tüketilir. Büyük kısmı, membranı serin ve ıslak tutmak için resirküle edilir.

İridyumun ağırlığı ve çözünen bütçeler

PEM elektrolizörünün anot katalizörü, yeşil hidrojen ekonomisinin en büyük darboğazıdır. Burada kullanılan malzeme iridyum oksittir. İridyum, platin grubu metaller arasında en nadir olanıdır. Yerkabuğunda altından on kat daha az bulunur. Yıllık küresel üretimi sadece yedi ila sekiz ton arasındadır. Üretimin büyük kısmı, platin madenciliğinin bir yan ürünü olarak Güney Afrika'dan gelir.

Bir megavatlık bir PEM elektrolizör yığını, günümüz teknolojisiyle yaklaşık üç yüz ila beş yüz gram iridyuma ihtiyaç duyar. Rakam kulağa küçük gelebilir. Ancak ölçek büyüdükçe tablo ağırlaşır. Uluslararası Enerji Ajansı'nın 2050 senaryolarındaki yeşil hidrojen kapasitesine ulaşmak için gereken iridyum miktarı, mevcut yıllık üretimin en az on katıdır.

Üstelik iridyum, çalışma sırasında yavaş yavaş çözünür. Anottaki yüksek voltaj ve asidik ortam, iridyum oksit tabakasını atom atom aşındırır. Çözünen iridyum iyonları, membrandan geçerek katot tarafına sürüklenir ve orada metalik iridyum olarak çöker. Kayıp, hücre voltajının zamanla yükselmesine ve verimin düşmesine yol açar. Günümüzün en iyi ticari hücrelerinde bozunma hızı, her bin saatlik çalışma için yaklaşık beş ila on mikrovolt civarındadır. Küçücük rakam, on yıllık bir çalışma ömrü sonunda hücre voltajında yüzde beş ila onluk bir artış anlamına gelir.

Da enerji tüketimini aynı oranda artırır. Sektörün en büyük araştırma yarışı, daha az iridyumla aynı performansı verebilecek katalizör yapıları geliştirmek üzerinedir. Destek malzemesi olarak titanyum dioksit veya kalay oksit kullanmak, iridyumu çekirdek-kabuk yapılarında sadece yüzeye yerleştirmek, bu yarışın önde giden stratejileridir.

Bipolar plakalar ve mikro-akışkan labirenti

Bir PEM yığını, tıpkı bir kitap gibi üst üste dizilmiş onlarca hücreden oluşur. Her bir hücrenin iskeleti, bipolar plaka adı verilen titanyum levhalardır. Plakaların görevi basit görünür. Suyu ve gazları dağıtmak, akımı iletmek ve ısıyı tahliye etmek.

Ancak bu basit görev, inanılmaz derecede karmaşık bir mikro-mühendislik gerektirir. Plakanın yüzeyine kazınmış kanallar, bir akciğerin alveol yapısını andırır. Kanalların genişliği genellikle yarım milimetre ile bir milimetre arasındadır. Derinlikleri ise üç yüz ila beş yüz mikrometre civarındadır. Tasarımın amacı, suyu katalizör yüzeyine mümkün olduğunca eşit dağıtmak ve oluşan oksijen baloncuklarını yüzeyden hızla uzaklaştırmaktır. Eğer bir oksijen baloncuğu katalizör yüzeyine yapışıp kalırsa, o bölgeye taze su ulaşamaz.

O bölge anında "sıcak nokta" haline gelir. Akım dağılımı bozulur. O yüzden kanal geometrisi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonlarıyla defalarca optimize edilir. Titanyum seçimi ise başlı başına bir zorunluluktur. Paslanmaz çelik, anot tarafındaki yüksek voltaj ve florür iyonları içeren asidik ortamda dakikalar içinde korozyona uğrar. Titanyum ise yüzeyinde anında oluşan ince ve kararlı bir oksit tabakası sayesinde bu ortama dayanır.

Ancak bu oksit tabakası aynı zamanda bir elektrik yalıtkanıdır. O yüzden titanyum plakaların yüzeyi, altın veya platin gibi iletken ve korozyona dayanıklı bir metalle kaplanır. Kaplama kalınlığı sadece birkaç mikrometredir. Kaplamadaki en ufak bir çizik, altındaki titanyumun pasifleşmesine ve temas direncinin fırlamasına yol açar. Bir yığının montajı sırasında uygulanan sıkıştırma basıncı, her bir hücrenin hem elektriksel temasını hem de gaz sızdırmazlığını garanti altına almak zorundadır. Basınç, tipik olarak on ila yirmi bar arasındadır. Yanlış bir tork değeri, tüm yığının performansını çökertebilir.

Piyasa Hafızası

Olay, ITM Power, Shell'in Rheinland rafinerisine dünyanın en büyük PEM elektrolizörünü kurma anlaşmasını duyurdu (2017 sonu).

Rafineriler, hidrojenin en büyük tüketicileridir. Shell'in Almanya'daki Rheinland rafinerisi, kükürt giderme prosesleri için her gün tonlarca hidrojen kullanıyordu. Hidrojenin neredeyse tamamı, doğal gazın buharla reformasyonu ile üretiliyor ve her bir kilogram hidrojen için atmosfere yaklaşık on kilogram karbondioksit salınıyordu. ITM Power ile yapılan anlaşma, bu döngüyü kırmak için atılmış en somut adımdı. On megavatlık PEM elektrolizörü, rafinerinin hidrojen ihtiyacının bir kısmını, sadece su ve yenilenebilir elektrik kullanarak karşılayacaktı. Anlaşmanın asıl önemi, PEM teknolojisinin bir laboratuvar oyuncağı olmaktan çıkıp, ağır sanayinin kalbine yerleştiğini tescil etmesiydi.

Rafineri gibi yirmi dört saat kesintisiz çalışan bir tesiste, bir elektrolizörün güvenilirliğini kanıtlaması gerekiyordu. Proje, PEM elektrolizörlerinin ölçeklenebilirliğine dair piyasadaki en büyük şüpheyi, yani endüstriyel dayanıklılık sorusunu hedef almıştı.

Ders, Yeşil hidrojenin ilk büyük ölçekli ticari uygulaması, ulaşım sektöründe değil, mevcut endüstriyel hammadde talebini karbonsuzlaştırma amacıyla rafineride başladı. Asıl rekabet, hidrojenli otomobilin deposu için değil, rafinerinin boru hattı için verildi.

Küçük Bir Hesap

Bir PEM elektrolizörünün ekonomisi, büyük ölçüde elektrik fiyatına ve çalışma saatine bağlıdır. Aşağıdaki tablo, bir megavatlık bir sistemin bir saatlik çalışmasını temsili olarak modeller.

*Sayılar temsili, mantık gerçek.*

Hesap, PEM elektrolizörünün neden sadece ucuz elektrikle anlamlı olduğunu gösterir. Elektrik maliyeti, toplam değişken maliyetin yüzde doksan beşinden fazlasını oluşturur. Elektrik fiyatı 30 $/MWh'ten 60 $/MWh'e çıktığında, yeşil hidrojenin kilogram maliyeti anında 3 doların üzerine sıçrar. Da PEM'i, doğal gaz reformasyonuna karşı tamamen fiyat dışı bırakır.

Duyarlılık buradadır. Sistemin kapital maliyeti ve iridyum fiyatı ne olursa olsun, asıl kaldıraç her zaman elektrik faturasıdır. O yüzden PEM elektrolizörleri, güneşin bol olduğu çöllerde veya rüzgarın hiç durmadığı açık deniz platformlarında, yani elektriğin neredeyse bedavaya geldiği saatlerde çalışmak üzere tasarlanır.

Sessizliğin muhasebesi

PEM elektrolizörü, hidrojen üretimini bir makine mühendisliği probleminden bir malzeme bilimi ve elektrokimya problemine dönüştürür. Hareketli parçası yok denecek kadar azdır. Gürültüsü yoktur. Anlık yük değişimlerine, bir rüzgar türbininin dalgalı çıkışına saniyeler içinde yanıt verebilir. Kabiliyet, onu alkali elektrolizörlerden ayıran en büyük avantajdır.

Ancak bu kabiliyetin bir bedeli vardır. O bedel, titanyum bipolar plakaların üzerindeki altın kaplamada, membrandaki sülfonik asit gruplarının hassas dengesinde ve anotta her an çözünmekte olan iridyum atomlarında saklıdır.

Konuya bir finans uzmanı olarak baktığında, bu cihazı bir enerji dönüştürücü olarak değil, bir arbitraj makinesi olarak görmelisin. Düşük fiyatlı elektriği, yüksek saflıkta bir endüstriyel gaza dönüştüren bir varlık. Varlığın değeri, elektrik fiyat eğrisinin şekline ve katalizörün bozunma hızına bağlıdır. PEM elektrolizörünün gerçek hikayesi, periyodik cetvelin en nadir elementleri ile elektrik piyasasının en oynak fiyatları arasındaki sessiz dansta gizlidir.