Tersinir Yakıt Hücreleri, Şebekeyi Ekonomik Olarak Destekleyebilir mi?

Güneş panellerinden ve rüzgâr türbinlerinden elektrik üreten üreticiler için büyük bir zorluk, yıldırımı bir şişede yakalamaya benziyor. Hem güneş hem de rüzgâr, piyasa fiyatlarının maliyetleri karşılayamayacak kadar düşük olduğu, talebin az olduğu bir ortamda giderek daha fazla elektrik üretiyor. Örneğin güneşli günlerde öğle saatlerinde güneş ve rüzgârın yüksek olduğu bölgelerde toptan elektrik fiyatları zaman zaman sıfırın altına düşmektedir.

Bazı yenilenebilir enerji üreticileri, fazla elektriği yeşil hidrojen olarak depoluyor ve elektriği sudan hidrojen üretmek için kullanıyor - süreç karbondioksit yaymadığı için “yeşil” olarak etiketleniyor. Yakıt, gübre ve diğer kimyasalları üretmek için kullanılan küresel hidrojen pazarı, yaklaşık 125 milyar dolar ve kısmen de otobüsler, kamyonlar ve hatta gemiler için yakıt olarak hidrojene artan ilgi nedeniyle hızlı bir şekilde büyüyor. Sorun şu ki, elektrikle hidrojen üretimi oldukça pahalı, bu nedenle yalnızca daha yüksek fiyatlarla satış yapılabilecek dar bir pazara sahip.

Ancak şimdi, Stanford Üniversitesi ve Almanya'daki Mannheim Üniversitesi'ndeki araştırmacılar olası bir çözüm buldular: Enerji fiyatları yükseldiğinde hidrojeni kolayca elektriğe dönüştürebilen entegre tersinir “elektrekten-gaza” (power-to-gas) sistemler.

Nature Communications'da yayınlanan yeni bir çalışmada, araştırmacılar, Teksas'ın yaşadığı gibi kış fırtınalarının doğal gazla çalışan santralleri devirdiği 2021'de, fiyatların arttığı dönemlerde, tersine çevrilebilir yakıt hücrelerinin ekonomik olarak uygun bir yedek elektrik kaynağı olabileceğini bildiriliyor. Çalışma, yönleri değiştirebilmekle tüm sistemin tam kapasiteye daha yakın çalışabileceğini öne sürüyor. Bu, hem karbonsuz hidrojen hem de karbonsuz elektrik üretme maliyetini düşürüyor.

Stanford İşletme Enstitüsü'nde profesör ve Precourt Enerji Enstitüsü'nde kıdemli bir uzman olan Stefan Reichelstein, “Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik küresel hareket, enerji piyasalarının giderek daha değişken hale gelmesine yol açıyor. Çalışmamız, tersine çevrilebilir güçten gaza sistemlerin, güç kaynağını sorunsuz hale getirmek ve elektrik ile hidrojen piyasalarını birbirine bağlamak için uygun maliyetli bir teknoloji olma yolunda ilerlediğini gösteriyor" dedi.

Katı oksit yakıt hücreleri

Entegre ters çevrilebilir yakıt hücreleri zaten piyasada, ancak hidrojeni tekrar elektriğe dönüştürmek için nadiren kullanılıyor. Yaygın bilgiye göre, süreç maliyet açısından rekabetçi değildir, çünkü geleneksel gazdan güç sistemleri, elektrik talebinin arttığı zamanlar dışında boşta duran pahalı türbinler kullanır.

Araştırmacılar, katı oksit yakıt hücrelerini kullanan ve yönleri daha kolay değiştirebilen daha yeni entegre sistemler için bunun çok daha küçük bir sorun olduğunu söylüyor. Araştırmacılar, sistemler çoğu zaman hidrojen üretecek şekilde çalıştırılsa bile, kısa süreli tepe talep dönemlerinde bile yedek elektrik sağlama yeteneğinin genel kârlılığa katkıda bulunduğunu hesapladı.

Reichelstein ile birlikte çalışan Mannheim Üniversitesi'nde Yardımcı Doçent Gunther Glenk, "Ekonomik açıdan baktığınızda, temel avantaj, daha yüksek kapasite kullanımına izin veren her iki yönde de çalışma esnekliğidir" diyor.

Araştırmacılar, her ikisi de birkaç yıldır gazdan güç projelerine sahip olan Teksas ve Almanya'daki gerçek piyasa koşullarına dayalı bir analitik model geliştirdiler. Daha önceki çalışmalarında Reichelstein ve Glenk, elektrikten kilogram başına yaklaşık 3 dolara hidrojen üretmenin mümkün olduğunu göstermişti. Bu, büyük hacimli müşteriler için çok yüksek olsa da, düşük hacimli alıcıların ödediği fiyatlarla kabaca uyumludur.

Yeni çalışma, hidrojeni tekrar elektriğe dönüştürerek sürecin diğer tarafına bakıyor. Reichelstein, “Aslında, entegre tersine çevrilebilir sistemler aynı anda iki sorunu çözmeye yardımcı olabilir: İyi bir fiyata gelmediğinde yenilenebilir elektrikten ekonomik değer nasıl elde edilir ve elektrik piyasalarındaki oynaklık nasıl düzeltilir? Bu çözümlerin her ikisi de karbon emisyonlarını azaltmaya yardımcı oluyor.

Glenk, "Yenilenebilir enerjiye geçiş bağlamında, insanlar bazen yenilenebilir kaynakların yüksek oranda kesintileri olmasından korkuyorlar. Bu tersine çevrilebilir güçten gaza sistemlerin büyük ölçekte konuşlandırılması durumunda bu kanaat değişebilir" diyor.

Birkaç şirket halihazırda entegre, tersine çevrilebilir güçten gaza sistemler üretiyor. Bunlar, elektrikten hidrojen ve hidrojenden elektrik üretmek için ayrı makinelere sahip olan önceki çalışmadaki sistemlere göre bir ilerlemedir. Bu modüler sistemler hidrojeni ekonomik olarak üretti, ancak tersine dönüşüm ekonomik olarak mantıklı değildi.

Reichelstein ve Glenk, rüzgâr türbinleri ve güneş panellerinde olduğu gibi, teknoloji geliştikçe bu tür sistemlerin maliyet etkinliğinin artacağını düşünüyor. Tersine çevrilebilir sistemler hemen hemen her ölçekte kurulabilir, böylece şirketler veya küçük topluluklar tarafından olduğu kadar büyük kentsel elektrik şebekeleri tarafından da kullanılabilir.

Glenk, önümüzdeki yıllarda tersine çevrilebilir güçten gaza sistemlerin karbonsuz hidrojenin maliyetini düşürebileceğini ve yakıt olarak daha geniş kullanımını teşvik edebileceğini söylüyor. Örneğin çelik üreticileri, kömür veya doğal gazın yerine aktif olarak hidrojeni düşünüyor.

Glenk, "Aynı zamanda, daha düşük hidrojen fiyatları, entegre, tersine çevrilebilir güçten gaza sistemlerin daha sık enerji üretimine geçmesine izin verecek. Bu tür sistemlerin doğal esnekliği oyunun kurallarını değiştirebilir" diyor.

Bu araştırma, Alman Araştırma Vakfı ve Almanya Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı tarafından finanse edildi.