DÜŞÜK ve SIFIR KARBON SALIMLI AMONYAĞIN KARBONSUZLAŞMA SÜRECİNDEKİ YERİ ve ÖNEMİ / M. Baysal

DÜŞÜK ve SIFIR KARBON SALIMLI AMONYAĞIN KARBONSUZLAŞMA SÜRECİNDEKİ YERİ ve ÖNEMİ / M. Baysal

Özet

Önemli bir hammadde ve enerji taşıyıcısı ya da vektörü olarak adlandırabileceğimiz hidrojenin yaygın olarak amonyak (NH3) ve metanol (CH3OH) üretiminde, başta demir-çelik, petrokimya ve cam olmak üzere sanayide yoğunlukla kullanıldığı ve aslında birincil bir enerji kaynağı olmadığı bilinmektedir.

Günümüzde çoğunlukla (%70’ler civarında) azot bazlı mineral gübre üretiminde kullanılan amonyağın da bu temiz enerjiye geçiş sürecinde hidrojenin kimyasal türevlerinden biri olarak ağırlıklı bir rol oynayacaktır. Bunda en önemli etkenler şöyle sıralanabilir;

i) Kütlesel olarak birim hacminde en yoğun hidrojen içeren taşıyıcısı olması,

ii) Konvansiyonel taşıma altyapılarını ve depolama metotlarını kullanarak lojistiğinin ucuz ve kolay yapılabilmesi ve

iii) Dünya genelinde 100 yılı aşkın bir süredir yaygın ve güvenilir olarak kullanılması ve bu çerçevede kullanım standartlarının ve güvenlik prosedürlerinin

gelişmiş ve yaygın olarak uygulanması.

Düşük ve sıfır karbon salımlı NH3’ın kullanımındaki en önemli gaye CO2 başta olmak üzere sera gazı emisyonlarını düşürmek ve mümkün olduğunca sıfırlamak olduğu için ilk etapta mevcut kullanım alanlarında fosil yakıt bazlı NH3’ı ikame edecektir.

Bu çerçevede, ilk başta gübre üretimi olmak üzere hammadde olarak kullanıldığı kimya endüstrisi ile diğer endüstriyel uygulamalarda kademeli olarak temiz NH3yerini almaya başlayacaktır. Bu kademeli geçiş için eşik yıllara göre yapılan çeşitli projeksiyon öngörülerine göre, 2030 yılında temiz NH3 kullanımı yıllık 12 milyon ton (mtpa), 2050 yılında da (NZE= Net Sıfır Emisyon senaryosuna göre) 420 mtpa olmaktadır (Argus Media / IEA).

2030 yılında çoğunlukla fosil bazlı NH3’ı ikame etmesi öngörülen temiz NH3’nın 2050 yılındaki tüketiminin büyük çoğunluğunun ise temiz H2 taşıyıcısı ve petrol türevi yakıtlara alternatif olarak kullanımından kaynaklanması beklenmektedir.

Birim hacim ve kütlesinde taşıdığı enerji (H2) yoğunluğu en yüksek alternatif olması ayrıca depolama seçeneklerinde de NH3’ı ön plana çıkarmaktadır. Uzun süreler hiçbir sızıntı ve kayıp yaşanmadan yer üstünde borularda ve tanklarda ve bazı yeraltı depolarında saklanabilmesi diğer önemli özellikleri arasındadır.

Bu yazıda; Türkiye’nin Mevcut Amonyak Üretimi, Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyak Üretim ve İhraç İmkânları ile Temiz Amonyağın Gelecekteki Kullanımlarında Yeni Teknolojiler ve Uygulamalara da yer verilmiştir.

ORİJİNAL FORMATI İLE YAZININ TAMAMI 

Enerji IQ’nun 7 Aralık 2023 tarihli 568. sayısında yayınlanan yazımızda, yeşil hidrojeni (H2) ana hatlarıyla tanıtarak, temiz enerjiye geçiş veya karbonsuzlaşma olarak adlandırılan yeni enerji döneminin önemli unsurlarından biri olduğunun altını çizmiştik.

Ayrıca, önemli bir hammadde ve enerji taşıyıcısı ya da vektörü olarak adlandıracağımız H2’in yaygın olarak amonyak (NH3) ve metanol (CH3OH) üretiminde, başta demir-çelik, petrokimya ve cam olmak üzere sanayide yoğunlukla kullanıldığını ve aslında birincil bir enerji kaynağı olmadığını da belirtmiştik.

Günümüzde çoğunlukla (%70’ler civarında) azot bazlı mineral gübre üretiminde kullanılan NH3 da bu temiz enerjiye geçiş sürecinde H2’in kimyasal türevlerinden biri olarak ağırlıklı bir rol oynayacak. Bunda en önemli etkenler şunlar:

i) Kütlesel olarak birim hacminde en yoğun H2 içeren taşıyıcısı olması,

ii) Konvansiyonel taşıma altyapılarını ve depolama metotlarını kullanarak lojistiğinin ucuz ve kolay yapılabilmesi ve

iii) Dünya genelinde 100 yılı aşkın bir süredir yaygın ve güvenilir olarak kullanılması ve bu çerçevede kullanım standartlarının ve güvenlik prosedürlerinin gelişmiş ve yaygın uygulanması.

Temiz NH3, mevcut kullanımlarının yanı sıra istendiğinde parçalanarak tekrar H2‘e geri dönüştürülebiliyor. Yüksek sıcaklıkta yoğun ısı gerektiren bu prosesin geliştirilenözel katalizörler vasıtasıyla, düşük sıcaklıklarda ve sadece başlangıçta gerekli tetikleyici dış ısı ihtiyacı ile gerçekleştirilmesi için deneysel çalışmalar yapılıyor.

Öte yandan, gemilerde iki veya dört zamanlı içten yanmalı motorlarda ve bazı santrallarda tek başına ya da ana yakıtlara karıştırılarak veya ortaklaşa kullanılarak (kazanlarda veya gaz türbinlerinde) yakılması için pilot çalışmalar ve uygulamalar başladı, başarılı sonuçlar elde edildi; şimdi yaygınlaştırılıyor. Yani mevcut kullanım sahalarına ilave olarak, NH3 artık hem bir H2 taşıyıcısı hem de gemi ve termik santrallarda yeni bir yakıt olarak da kullanılabilecek.

Bu yazımda da teknik detaylara girmekten mümkün olduğunca kaçınmaya dikkat ettim. İlgili okuyucuların ulusal ve küresel ölçekte kolay erişebileceği ayrıntılı birçok değerli sektörel çalışma, akademik yayın ve referans bulunuyor. Ama öncelikle NH3‘in genel özellikleri ile birlikte temel birim ve tanımlamalarını, uluslararası ölçekte üretim ve tüketim değerlerini ve gelecekteki projeksiyonlarını ana hatlarıyla paylaşmaya çalışacağım.

Temel Bilgiler:

NH3, hidrojen ve azot atomlarından oluşan, renksiz ama

keskin kokulu ve yoğun konsantrasyonları cilt için yakıcı

olan inorganik bir kimyasaldır. Atmosferik koşullarda

gaz formunda ve uçucudur; ancak LPG’de olduğu gibi

nispeten düşük basınçlarda (mesela 10 °C sıcaklıkta

6 bar, 20 °C’de ise 9 bar basınç altında) sıvı halde

tutularak, depolanıp saklanabilir.

Standart koşullarda (20 °C sıcaklık ve 1 atmosfer

basınç altında) gaz fazında bir metreküpü yaklaşık 700

gramdır. Erime sıcaklığı -77.73 °C, kaynama sıcaklığı

ise -33.33 °C'dır. Basınç altında sıvılaştırıldığında

21.1 °C‘da yoğunluğu 617.5 kg/m3, -33.33 °C’de ise

atmosferik basınçta 696 kg/m3’tür. Parlama sıcaklığı

132 °C olan NH3’ün özgül kütlesi havadan küçük olduğu

için gaz halinde uçucudur; bu nedenle açık alan veya

iyi havalandırılan kapalı mahallerde patlama riski çok

düşüktür.

Yoğun konsantredeki NH3 formları oldukça korozif

olup, tehlikeli madde sınıfında değerlendirilerek

işlenmeli, taşınmalı (elleçleme) ve saklanmalıdır.

NH3, gezegenimizde toprakta ve havada çok seyrek

konsantrasyonlarda, ayrıca güneş sistemi içinde de

yaygın olarak bulunur. Biyolojik şekilde ölü bitki ya da

hayvan atıklarında bulunan NH3, azot içerikli gübrelerin

bir öncüsü olarak, yeryüzündeki canlılar için temel

besleyici elementlerden biri olan azotu sağlar.

NH3 oksijenle temas ettiğinde su buharı (H2O) ve

azot oksitler (NOx) oluşuyor. Azot oksitlerin belli

bir konsantrasyondan yüksek olması asit oluşumu

nedeniyle çevreye ve canlılara zararlıdır. Eksik yanma

sonucu oluşan nitröz oksit (N2O) ise çok yüksek sera

gazı etkisine sahiptir (100 yıllık bir zaman aralığında

Mete BAYSAL

Kurucu Ortak - Yeni ve Yenilenebilir

Enerji Teknolojileri Grup Başkanı

E Plato Teknoloji A.Ş.

mete.baysal@platotechno.com

Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyağın

Karbonsuzlaşma Sürecindeki Yeri ve Önemi

2 karbondioksitin “CO2” 265 misli). ‘Kahkaha gazı’ olarak

da adlandırılan bu gaz oksit, 2018 yılında insan eliyle

yapılan sera gazi salımlarının %5’ini (2.8 milyar ton

CO2eq “karbondioksit eşdeğeri”) oluşturmuştur. Ayrıca

bilhassa topraktaki NH3 havadaki oksijenle (O2) ile

reaksiyona girerek kezzap olarak da bilinen aşırı reaktif

nitrik asitlere de (HNO3) dönüşebiliyor.

NH3‘ın ısıl içeriği diğer benzer kimyasallarla

karşılaştırıldığında daha yüksek ama petrol türevi fosil

yakıtlardan düşüktür. Üst ısıl değeri (ÜID) 15.4, alt ısıl

değeri (AID) ise 12.7 MJ/l (litre). Bu haliyle kıyaslarsak

1 litre NH3‘ın AID’i BOTAŞ spesifikasyonlarına göre

bir metreküp olarak doğal gazın AID’nin %37’sine veya

motorinle karşılaştırıldığında da bir litre motorinin

AID’nin %30’una tekabül etmektedir.

Not: 1 MJ (ya da Megajoule) = 1,000 Kilojoule = 1 Milyon

Joule = 240 Kcal = 0.28 kWh

NH3, sülfürik asitin (H2SO4) ardından, dünyada

en yaygın olarak kullanılan ikinci kimyasal olarak

yıllık yaklaşık 200 milyon ton düzeyinde üretilerek

tüketiliyor. Çin en büyük üretici ve tüketici olarak

toplam küresel üretimin %30’ini tek başına sağlıyor.

Üretiminde en yaygın olarak doğal gaz kullanılıyor.

Yıllık 175 milyar m3; ki bu da küresel endüstriyel amaçlı

doğal gaz tüketiminin %20’sini oluşturuyor ve gelişmiş

buhar metan reaksiyonu (SMR) teknolojisi ile üretim

yapılıyor. Öte yandan yakın zamanda geliştirilen ve

proses çıktısında yüksek yoğunlukta CO2 içerdiği

için karbon yakalama oranları yüksek ve maliyetleri

de oldukça düşük olan oto-termal reaktör (ATR)

teknolojileri de doğal gaz ve biokütle ile katı organik

atıklardan NH3 üretiminde kullanılmaya başlanmıştır.

CCUS (Karbon yakalama, kullanımı veya depolaması)

teknolojilerinin etkin bir şekilde kullanımında yaygın

olarak kullanılacağı düşünülen bu teknolojiden yazının

ilerleyen bölümünde tekrar bahsedilecektir. Çin ise

NH3‘ın çok büyük yüzdesini kömürün gazlaştırılması

yöntemi ile elde ediyor. Küresel ölçekte NH3 üretiminde

kullanılan toplam kömür ise yıllık 75 milyon ton civarında

oluyor. Bu miktar küresel endüstriyel amaçlı kömür

tüketiminin %5’i oluyor. Küçük bir miktar NH3 da petrol

türevlerinden veya suyun elektrolizi ile elde edilen H2

kullanılarak üretiliyor. Bu miktarlar ile NH3 üretimi için

kullanılan enerji küresel birincil enerji tüketiminin %2’sine

(yani 8.6 Exajoule/yıl) tekabül ediyor.

Üretilen NH3‘ın %70’inden fazlası azot bazlı gübre

üretiminde kullanılıyor. Burada, günümüzde küresel

nüfusun %50’sinden fazlasının gıda ihtiyacının NH3 bazlı

olanları başta olmak üzere azot içerikli inorganik gübreler

sayesinde yetiştirilen tahıl ve diğer yenilebilir bitkilerden

sağlandığını ilginç bir bilgi olarak verelim. Bunun dışında

kimya ve petrokimya sektörlerinde plastikler, sentetik

elyaf ile patlayıcı madde imalatlarında hammadde olarak

tüketiliyor. Küresel ticareti yaygın ve yıllık ihracat

miktarı 20 milyon ton ile toplam tüketiminin %10’u

düzeyinde oluyor. 200’ün üzerinde (LPG de taşıyabilen)

tanker gemi NH3 nakliyesinde kullanılıyor. Yeni LPG

ve kimyasal taşıma tankerleri “amonyağa-hazır” olarak

yapılıyor ve 2022 sonu itibari ile tersanelere bunlarda

130 adet yeni sipariş verilmiş durumda. Dünya genelinde

150 adetin üzerindeki liman tesisi NH3 boşaltması,

depolaması ve dağıtım ile sevkiyatı için altyapıya sahip

durumda.

Yoğun fosil bazlı hammadde ve yine fosil bazlı proses

enerji girdisi kullanması nedeniyle amonyak üretimi

küresel bazda en yüksek CO2 emisyonu oluşturan

endüstriyel ve kimyasal ürünlerin başında geliyor. Ton

NH3 başına ortalama 2.4 ton CO2 salımı ile en yoğun

karbon emisyonuna sahip emtialardan biri olarak,

NH3 her yıl atmosfere doğrudan 450 milyon ton ve

dolaylı olarak 170 milyon ton CO2 verilmesine sebep

oluyor (Karbon emisyon yoğunluğu demir-çelikte 1.2,

çimentoda ise 0.6 ton CO2/ton ürün). Dolaylı salımların

iki büyük nedeni, NH3 prosesinde gerekli elektriğin

üretimi için termik santrallardan yapılan CO2 emisyonları

ve CO2 kullanılarak NH3’tan üretilen ürenin toprakta

yaptığı reaksiyonlarla içeriği CO2‘ini gene atmosfere

salması sebepleriyle oluyor.

NH3 küresel olarak yaygın kullanılan ticari bir kimyasal

olmasının yanında, etkin bir düşük emisyonlu H2 taşıyıcısı

ve potansiyel bir yakıt olarak temiz enerjiye geçişte

önemli bir ürün olarak ciddi fırsatlar sunuyor. Diğer

düşük ya da sıfır karbon içeren alternatif yakıtlarla ve

kimyasallarla beraber bu geçişlerin hızlı ve etkin bir

şekilde olabilmesi için şu 5 kriterin beraber oluşması

gerekiyor:

1) Ölçeklenebilirlik (Ya da ticari ve büyük kapasitelerin

fizibıl olarak makul sürelerde kurulabilmesi),

2) Tüketim noktalarında öngörülebilir ve makul ürün/

yakıt fiyatları,

3) Uygun kurulum maliyetleri (Capex),

4) Sera gazları salımını önemli ölçekte engelleme

potansiyeli,

5) Hacimsel enerji yoğunluğunun uygulanabilir

şekilde yüksek olması.

NH3, 2030’a kadar önümüzdeki 7 yıllık dönemde

gelişmeler şekillenerek netleşecek olmakla birlikte, bu 5

kriteri de şu an sağlayabilen yegâne düşük karbonlu veya

karbonsuz alternatif yakıt olarak en büyük potansiyele

sahip adaylardan biri olarak göze çarpıyor.

3 © Enerji IQ’da yayınlanan haber, yorum, grafik ve tabloların yazılı izin alınmadan üçüncü tarafların erişimine açık basılı ve elektronik yayınlarda kullanılması yasaktır. www.ceenenerji.com

KONUK YAZAR

Karbonsuz yakıtlarla enerji üretimini ve bilhassa nakliye

sektöründe kullanımını yaygınlaştırma amacı güden

girişim şirketi “Amogy”nin “Guidelinehouse Insights”a

yaptırdığı bir çalışmada, düşük karbonlu veya karbonsuz

alternatif yakıtlar arasında yapılan bir karşılaştırmayı

aşağıda paylaşıyorum:

NH3 hacimsel enerji yoğunluğu dışında tüm

parametrelerde en iyiler içerisinde yer alıyor. Kullanılacak

tahrik unsuruna (bilhassa doğrudan NH3 beslemeli yakıt

hücrelerinin ticari olarak uygulanabilirliğin sağlanması

halinde) göre değişiklikler olabileceğini de belirterek,

kara ulaşımı ve nakliyesinde küçük binek araçları dışında

tüm segmentlerde, deniz nakliyesinde gemilerde

alternatif yakıt olarak yaygın şekilde kullanılabileceğini

şimdiden öngörebiliriz. Havacılık sektöründe özel bazı

uygulamalar dışında yaygın kullanımı ise pek mümkün

görülmüyor. Endüstriyel amaçlı ve elektrik başta olmak

üzere enerji üretiminde de ciddi bir seçenek olacağı da

aşikâr gözüküyor.

Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyak Üretim

Teknolojileri:

İlk NH3 üretimi 20. yüzyılın başlarında oldukça yoğun

enerji girdisi olan ve verimsiz elektrik ark metoduyla

başlamış. Ama arkasından geliştirilen Haber-Bosch

yöntemi prosesi hemen hemen hiç değişmeden

geliştirilerek bugünkü üretim teknolojilerine evirilmiş.

Ürün ve proses için gerekli enerji girdileri de nerede ise

teorik olarak mümkün olabilecek en düşük seviyelere

yaklaşmış.

Haber-Bosch yönteminde, basit bir anlatımla, sudan

elektrolizle ya da fosil bazlı yakıtlar veya biokütle

kırılarak elde edilen H2 ile havadan üretilen azot (N2)

yüksek sıcaklık ve basınç ortamında bir katalizör (demir)

vasıtasıyla sentezlenerek NH3 üretiliyor. Hem enerji hem

de hammadde olarak fosil bazlı girdilerin kullanılması

durumunda CO2 emisyonları da oldukça yoğun bir

proses olarak yüzyılı aşkın bir süredir bu yöntem dünya

genelinde çok yaygın olarak kullanılıyor.

Ama ürün için gerekli H2‘i, havadan N2’ı ayrıştırmayı ve

proses için enerjiyi yenilenebilir veya temiz kaynaklardan

sağlarsak düşük ya da sıfır karbonlu temiz üretebiliriz.

Elektroliz yoluyla elde edeceğimiz H2’nin CO2

yoğunluğu tamamı ile girdi elektriğin hangi yolla

üretildiğine bağlı oluyor. Burada sadece hidrolik, rüzgâr,

güneş ya da jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları

ya da nükleer santrallarda üretilen elektrik kullanıldığında

sıfıra yakın CO2 salımı içeren H2’i üretebiliyoruz. Şayet

N2’u da bu kaynaklardan sağlanan elektrik ile üretir,

ayrıca sentezleme için gerekli elektrik ve diğer enerji

girdilerini de temiz kaynaklardan sağlarsak neticede sıfır

salımlı NH3 üretmiş olacağız.

En yaygın olarak STR (buhar metan reaksiyonu ya da

reformu) metodu kullanılarak doğal gazdan, ikinci

olarak da gazlaştırma yoluyla kömürden NH3 üretildiğini

belirtmiştik. Her iki fosil kaynak ve proses enerji girdileri

neticesinde yoğun karbon emisyonları oluşuyordu. Şayet

oluşan bu CO2‘leri CCS metotları kullanarak yakalayıp

kalıcı şekilde depolayabilirsek bu yöntemle üretilen NH3

da sıfıra yakın karbon içerikli olabilecek.

Proses sırasında ya da enerji üretiminde ortaya çıkan

CO2 emisyonlarını basit bir sınıflandırmayla ikiye

ayırabiliriz:

1) Hacimsel olarak yoğun (derişik)

2) Düşük yoğunlukta (seyreltik) CO2 salımları

Bir kazanda buhar ya da kızgın su/yağ eldesi ya da

içten yanmalı motor veya gaz türbini gibi bir tahrik

unsurunda elektrik üretimi için olsun fosil yakıtlar zaten

hacimsel bazda neredeyse %80’i azot olan hava ile

stokiyometrik ihtiyaçtan fazla oranlarda karıştırılarak

yakıldığında, yanma sonrası oluşan egzozda CO2 oldukça

seyrek miktarlarda bulunuyor. Keza yeni ve gelişmiş

SMR proseslerine haiz Haber-Bosch sentezlerinde

hava ayrıştırma ünitesinde (ASU) N2 üreterek NH3

reaktörüne vermek yerine, doğrudan havanın çok

yüksek sıcaklıklarda kırılması ile N2 açığa çıkarılarak

sonrasında sentezleme yapılıyor. Burada da reaksiyon

sonrasında nispeten seyreltik CO2 oluşuyor. Öte yandan

CCS teknolojileri, ne kadar derişik ise CO2’i o kadar

yüksek oranlarda ve düşük maliyetlerle yakalayabiliyor.

Seyreltik CO2‘leri yüksek yakalama oranları ile tutmak

hem teknolojik zorluklar içeriyor hem de oldukça yüksek

maliyetlerle yapılabiliyor. Bu nedenle gelişmiş SMR

içeren üretim prosesleri çıkışındaki CO2 emisyonlarının

yüksek oranlarda tutulması teknolojik ve ekonomik

zorluklar getirebiliyor. Öte yandan, hammadde dışında

dış enerji girdileri çok daha düşük olan ATR (oto-termal

reformu) teknolojileri ile H2 üreten ve ASU’dan gelen

N2’u da kullanarak sentezleme yapan Haber-Bosch

sentezlerinde CO2 çıkışları oldukça yoğun oluyor ve

düşük maliyetlerle yüksek oranlarda yakalanabiliyor.

Haber-Bosch üretim yönteminin hammadde formunda

ve proses için gerekli toplam enerji girdi ihtiyacının

yüksek olduğunu söylemiştik. SMR yönteminde bu

enerjinin belirli bir kısmı atık ısı olarak geri kazanılarak

başka amaçlarla kullanılabiliyor ya da bir buhar türbini

vasıtasıyla elektriğe dönüştürülerek prosesin elektrik

ihtiyaçlarının karşılanmasına katkı sağlayabiliyor.

ATR zaten kendi enerji ihtiyacını azami oranlarda

karşılayacak şekilde tasarlandığından geri kazanılacak

ehemmiyetli miktarlarda atık ısı içermiyor. Uluslararası

Enerji Ajansı (IEA) tarafından 2021 sonunda hazırlanan

“Amonyak Teknolojileri Yol Haritası” raporunda küresel

ölçekte yaygın kullanılan ve önümüzdeki süreçte temiz

NH3 üretiminde ön plana çıkması beklenilen üretim

teknolojilerinin enerji kullanımları hammadde, yakıt

(ısı) ve elektrik sınıflandırması ile brüt ve net olarak

çıkarılmış, ayrıca bu teknolojiler kullanılarak üretilen

NH3‘in ürün CO2 yoğunlukları da aşağıdaki şekilde tablo

olanarak verilmiş:

Mevcut kurulu NH3 üretim teknolojilerinin toplam

yıllık üretim miktarları içindeki ağırlıkları, tesis yaşları

ve tesislerin donanımlarının iyileştirilmesi ve/ya genel

olarak modernizasyonu imkânları ile yukarıdaki tablo

verileri dikkate alınarak incelendiğinde, aşağıdaki

bilgilerle de derlenerek, şu sonuçlar çıkarılabilir:

l Dünya genelinde çalışan NH3 üretim tesisi sayısı

550 civarında olup, toplam kurulu kapasiteleri 250

Milyon ton/yıl düzeyindedir.

l Ortalama tesis yaşı 25 yıl civarındadır. Ancak

yaşlı tesisler bilhassa Avrupa (ortalaması 40 ve üzeri

yaşta) ve Kuzey Amerika ile kısmen Rusya ve eski

SSCB ülkelerinde kuruludur.

l Çin ile Hindistan başta olmak üzere Güney

Asya ve Asya Pasifik ile Afrika ve Güney Amerika’da

nispeten yeni NH3 tesisleri çalışmaktadır. Çin’in

ortalama tesis yaşı takribi 12’dir ve oldukça gençtir.

l NH3 tesislerinin teknik ömürleri 20-30 yıl

aralığındadır ve donanım iyileştirmesi ve genel

modernizasyon çalışmaları ile ömürler kolaylıkla 50

yıla çıkartılabilmektedir.

l SMR ve kömür gazlaştırma tesislerinde proses

kriterleri nispeten esnek olduğundan rahatlıkla

modernizasyon yapılarak CCS teknolojileri de

entegre edilebilir.

l ATR’ler ise daha rijit teknolojilerdir. Ancak

toplam kurulu güç içerisinde payları mevcut halde

düşüktür. Yine CCS entegrasyonu yapılabilir.

l SMR, ATR ile kömür ve biokütle gazlaştırma

teknolojilerinde 200-1,200 bin ton/yıl üretim

kapasiteleri yaygın olarak kurulurken, elektrolizli

teknolojilerde kapasiteler 10-510 bin ton/ yıl

aralığındadır.

l Metan pirolizi umut vadeden sıfır karbon salımlı

bir teknoloji olmakla beraber çıktısı olan karbonun

(karbon siyahı) hangi miktarlara kadar ticari ölçekte

değerlendirilebileceği soru işaretidir. Yoksa yüksek

enerji yoğunluğu içeren pahalı bir proses olarak

uygulaması sınırlı kalacaktır.

1) Doğal gaz girdili yeni yapılacak tesisler için ATR

teknolojileri tercih edilecektir. Keza yeni biokütleden

NH3 üretim tesislerinin de çoğunlukla bu teknolojileri

kullanacağını öngörebiliriz. İlave ASU ünitelerinin

kurulması (yüzdesel olarak düşük olmakla beraber) ek

capex ve opex maliyetleri getirecektir. Ancak proses

için çok daha az harici yakıt takviyesine ihtiyacı olması

ve yüksek karbon yakalama oranlarını çok daha düşük

capex ve opex maliyetleri ile sağlaması, ATR’leri,

temiz NH3 üretiminde SMR teknolojilerine nazaran

bir adım öne çıkarmaktadır.

2) Kömürden gazlaştırma yoluyla NH3 üretimi

küresel ölçekte oransal olarak azalmakla beraber,

Çin ve Hindistan gibi birincil enerji ihtiyacında yerli

kaynak olarak kömürü stratejik açılardan öne çıkaran

ülkelerde sürecektir. Ancak buralarda da kömürden

yeni NH3 üretim tesislerin yapımının azalacağını ve

mevcut tesislerden entegre edilebilir olanlarının

da öncelikli olarak CCS sistemleri ile donatılacağını

beklemekteyiz.

3) Elektroliz vasıtasıyla yenilenebilir elektrik

kullanılarak temiz NH3 üretimi Batı’dan başlayarak

tüm dünyada hızla artacaktır. Ancak bu artışın

uzun bir süre için Devlet destekli olması (teşvik ve

sübvansiyonlarla) kaçınılmazdır. Doğrudan değişken

yenilenebilir elektrikle (VRE) beslenen elektrolizli

NH3 tesislerinin kapasite kullanım oranları (KKO)

çok düşük kaldığından ekonomik performansları

da oldukça düşmektedir. Ulusal şebekeden VRE

kaynaklı düşük karbon yoğunluklu elektrik alınarak

KKO’lar arttırılabilir. Ancak bu halde hem iletim ve

dağıtım şebekelerinin kapasitelerinin ehemmiyetli

düzeyde büyütülmesi hem de ilave şebeke ölçekli

elektrik batarya ve/ya H2 depolama kapasitelerinin

oluşturulması gerekecektir. Bu da ciddi bir yatırım

bütçesi ihtiyacı doğururken, yapım sürelerinin,

bilhassa Batı’da, uzun yıllara yayılması kaçınılmaz

olacaktır.

4) Listede yer almayan ve laboratuvar ölçekli

çalışmaları süren bazı yeni NH3 üretim

teknolojilerinin ticari ölçekte uygulamaya geçmesi

oyun değiştirici olabilir. Bunlardan en önemlileri

hem elektrolizör hem de yakıt hücresi olarak

kullanılabilecek girdi ve çıktısı NH3 olan çift yönlü

katı oksit elektrolizör (SOEC) elektrokimyasal

teknolojileri, elektrikli SMR teknolojileri, düşük

sıcaklıkta katalitik sentezleme teknolojisi ve biyolojik

enzimler vasıtasıyla atmosferdeki hava ve sudan NH3

üretimidir.

Düşük ve Sıfır Karbon Salımlı Amonyağın Global

Karbonsuzlaşma Sürecinde Yaygın Kullanım Alanları

Nereler Olacak?

NH3’ın gübre üretiminde hammadde olarak kullanımı

miktar olarak, verimli tarım uygulamalarının bilhassa

gelişmekte olan ülkelerde yaygınlaşması ve bu

çerçevede etkin gübreleme yapılması sayesinde, sınırlı

artacaktır. Ancak diğer endüstriyel uygulamalarda

kullanımı büyüyen nüfus ve gelir artışına paralel olarak

düzgün bir artış gösterecektir.

Düşük ve sıfır karbon salımlı NH3’ın kullanımındaki

en önemli gaye CO2 başta olmak üzere sera gazı

emisyonlarını düşürmek ve mümkün olduğunca

sıfırlamak olduğu için ilk etapta mevcut kullanım

alanlarında fosil yakıt bazlı NH3’ı ikame edecek.

Bu çerçevede, ilk başta gübre üretimi olmak üzere

hammadde olarak kullanıldığı kimya endüstrisi ile diğer

endüstriyel uygulamalarda kademeli olarak temiz NH3

yerini almaya başlayacak. Bu kademeli geçiş için eşik

yıllara göre yapılan çeşitli projeksiyon öngörülerine

göre, 2030 yılında temiz NH3 kullanımı yıllık 12 milyon

ton (mtpa), 2050 yılında da (NZE= Net Sıfır Emisyon

senaryosuna göre) 420 mtpa olmaktadır (Argus

Media / IEA). 2030 yılında çoğunlukla fosil bazlı NH3’ı

ikame etmesi öngörülen temiz NH3’nın 2050 yılındaki

tüketiminin büyük çoğunluğunun ise temiz H2 taşıyıcısı

ve petrol türevi yakıtlara alternatif olarak kullanımından

kaynaklanması beklenmektedir.

Öte yandan içerdiği çeşitli avantajlarından dolayı, NH3

iyi bir H2 taşıyıcısı olarak bilhassa temiz (yeşil veya mavi)

H2’in uzak mesafelere boru hatları, büyük çaplı kara

ile deniz yolu nakliyesinde ön plana çıkmaya başladı.

Bu avantajları karşılaştırmalı olarak aşağıdaki tabloda

görebiliriz.

CH3OH alternatifini karbon içeriği nedeni ile şu an

için dikkate almazsak, H2’in uzak mesafelere yüksek

miktarlarda, güvenilir ve ekonomik şekilde taşınması

için üç seçenek ön plana çıkıyor: 1) Sıvı H2 (LH2)

2) LOHC (Sıvı organik hidrojen taşıyıcı) ve 3) NH3.

Kural ve prosedürlere uygun şekilde elleçlendiginde,

depolamaları ve nakliyeleri güvenli olan bu alternatif

üç taşıyıcı içinde NH3’ün diğerlerine nazaran bariz

üstünlükleri var. Bunlar: i) Oluşum ve dönüşümleri için

harcanan toplam “net” birim enerji en düşük, ii) Taşıma

ve depolama altyapısı hâlihazırda var ve çok düşük

maliyetlere adaptasyonlar yapılabilir ve büyütülebilir,

iii) H2’e dönüştürülmeden de doğrudan kullanılacağı

mevcut ve yüksek hacimli bir pazarı var, iv) Geliştirilen

teknolojilere bakıldığında LOHC’e nazaran pratik

bir şekilde ve daha az enerji harcanarak tekrar H2’e

çevrilebilecek.

Birim hacim ve kütlesinde taşıdığı enerji (H2)

yoğunluğu en yüksek alternatif olması ayrıca depolama

seçeneklerinde de NH3’ı ön plana çıkarıyor. Uzun süreler

hiçbir sızıntı ve kayıp yaşanmadan yer üstünde borularda

(line-pack) ve tanklarda ve bazı yeraltı depolama

uygulamalarında saklanabiliyor. Fertilizer Europe

(Avrupa Gübre Birliği) tarafından geçen sene yapılan

bir çalışma bünyesinde elektrik batarya uygulamalarını

da içeren diğer alternatiflerle depolama süreleri ve

ortalama maliyetleri beraber gösteren karşılaştırmalı bir

infografiği aşağıda inceleyebilirsiniz:

Bu infografikten görüleceği üzere, bilhassa 24 saat ve

daha uzun dönemli enerji depolamalarında NH3, LOHC

ve H2 ile beraber yegâne teknik çözüm olmakta, ancak

maliyetler dikkate alındığında -spesifik projelere göre

değişiklik olabilmekle beraber- genel olarak bariz bir

avantaj sağlamaktadır.

Türkiye’nin Mevcut Amonyak Üretimi, Düşük ve Sıfır

Karbon Salımlı Amonyak Üretim ve İhraç İmkânları:

Türkiye’de bugün itibari ile özel sektöre ait 4 kuruluş

tarafından NH3 üretimi yapılmaktadır. Kuruluş web

sitelerinden yapılan araştırmada toplam kurulu

kapasitenin 850 bin ton/yıl civarında olduğu

görülmüştür. Ancak üretim teknolojileri ve yıllık fiili

üretim miktarları hakkında net bir bilgi bulunamamıştır;

doğal gaz kaynaklı SMR oldukları tahmin edilmektedir.

2020 yılında ağırlıklı olarak Rusya, Ukrayna, Romanya

ve Bulgaristan’dan olmak üzere toplam 1.4 milyon

ton NH3 ithal edilmiş olup, 2022’den itibaren doğal

gaz fiyatlarının ciddi artış göstermesi nedeniyle yurt

içi üretimlerin daha da düştüğünü ve ihtiyacın büyük

çoğunluğunun, bilhassa Rusya üzerinden, ucuz ithalatla

karşılandığını tahmin ediyoruz.

Her hâlükârda ülkemizin ehemmiyetli bir NH3 üretim

ve tüketim altyapısı bulunuyor. Yerli doğal gaz miktarları

arttığında, özellikle konut tüketimlerinin azaldığı bahar

ve yaz aylarında, CCS entegrasyonları da yapılan,

mevcut üretim tesislerine doğal gazın yönlendirilerek,

düşük karbon salımlı NH3 üretimi yapılması ve böylece

öncelikle iç ihtiyaçlar karşılanarak ciddi karbon kredileri

kazanılması tercih edilebilir.

Temiz H2 üretiminde olduğu gibi, ihraç amaçlı yeni

yenilenebilir elektrik kapasitelerinin oluşturularak

sıfır karbon emisyonlu NH3 üretiminde kullanılması

önümüzdeki 10 yıllık bir süre için çok cazip olmayacaktır.

Sıfır emisyonlu yenilenebilir elektriği öncelikle

-dönüşümlerle kayıplar yaşamadan- doğrudan mevcut

ihtiyaçlarımız için ve elektrikli araçlarda kullanabilir ve

böylece ithal fosil yakıtlardan başlayarak karbon ayak

izimizi küçültmek üzere fosil yakıtlı elektrik üretimlerini

ve ulaşımda kullanılan akaryakıtları ikame ederek verimli

ve etkin bir şekilde tüketebiliriz.

Enerji IQ’da yayınlanan haber, yorum, grafik ve tabloların yazılı izin alınmadan üçüncü tarafların erişimine açık basılı ve elektronik yayınlarda kullanılması yasaktır.

Organik katı (evsel) atıklar ile diğer biyojenik atıklardan

ATR teknolojileri kullanılarak sıfır karbon emisyonuna

sahip NH3 üretimi temiz H2‘de olduğu gibi Türkiye

için önemli bir ihracat fırsatı getiriyor. Öncelikle

sevkiyat altyapısına sahip endüstrileşmiş ve yoğun

yerleşime haiz (İstanbul, Kocaeli, İzmir, Bursa ve Adana

gibi) şehirlerimizde bu tür tesisleri kurabilirsek hem

evsel ve endüstriyel organik ve fosil bazlı atıkları CO2

emisyonlarını da tutarak çevreye zarar vermeyecek

ve en verimli şekilde NH3‘a dönüştürerek bertaraf ve

yüksek katma değerle Avrupa’ya ihraç edebiliriz. Ön

değerlendirmelerimizde, bu kurgu ile yıllık minimum

5 milyon ton sıfır karbon ayak izine sahip NH3

üretilebileceğini görüyoruz.

Temiz Amonyağın Gelecekteki Kullanımlarında Yeni

Teknolojiler ve Uygulamalar:

Çift yönlü SOEC’ler yeni teknolojiler içerisinde en

yüksek potansiyele sahip oyun değiştiriciler olabilir.

Böylece uygun kapasitelerde NH3 depolama hacimleri

ile şebekeyle sürekli bağlı olarak yüksek kapasite

kullanım oranlarında çalışacak büyük ölçekli birleşik

elektrik santrali ve batarya üniteleri kurulabileceği

gibi, ücra bölgelerde ada modunda VRE kaynaklı

kesintisiz çalışabilecek münferit santral uygulamaları

uygun maliyetlerde ve etkin şekilde geliştirilebilir. Bu

konfigürasyonlar ayrıca mikrogrid uygulamalarına da

adapte edilerek şebekeden bağımsız işlediği durumlarda

emre amadeliği ve güvenirliliği yükseltebilir.

NH3’ın içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanımı

için motorların yanma teknolojisi ve sistemlerinde

ciddi değişiklikler yapılması gerekiyor. Düşük setan

numarası ve düşük alev hızı olması sebebiyle bilhassa

yüksek devirli ve stokiyometrik hava içeriği ile yanmanın

gerçekleştiği (yakıt-hava karışım oranı “1” civarında)

ufak benzinli (kıvılcım ateşlemeli, Otto çevrimli)

motorlarda bu dönüşümler oldukça zor. Ama düşük

devirli ve büyük yanma odalarına sahip (sıkıştırma

ateşlemeli, Dizel çevrimli) iki zamanlı motorlarda

adaptasyon daha başarılı şekilde yapılabiliyor. NH3, bir

pilot yakıtın öncelikle ön yanma odasında tutuşturulması

ve burada oluşan alev huzmesi ile yakılıyor. Pilot yakıt

genelde motorin olmakla beraber, cüzi de olsa sera gazı

emisyonlarına yol açması nedeniyle yerine H2’nin de

kullanılması için çalışmalar yapılıyor. OEM’ler tarafından

2024’ten başlayarak gemilerde %100 NH3 yakabilecek

yeni iki zamanlı motorların teslimatlarının yapılması,

2026’dan itibaren de eski motorlarda standart dizayn ve

donanımlarla, gerekli tadilatların yapılarak dönüşümlerin

gerçekleştirilmesi planlanıyor.

İki ve 4 zamanlı içten yanmalı motor teknolojilerinin

en yaygın kullanıldığı deniz taşımacılığında, 2022 yılı

itibari ile, 100 binin üzerinde okyanus-aşan büyük gemi

(tankerler, konteyner ile kuru yük taşıma gemileri)

seyrüsefer yapıyor ve yıllık 300 milyon ton civarında

petrol türevi yakıt tüketiliyor. Avrupa Birliği’nin (AB)

FuelEU girişimi çerçevesinde gemilerin AB sularında

2025 yılında %2, 2050 de ise %80 nispetinde yeşil H2

kullanması teşvik ediliyor. Ki bunun da büyük oranda

temiz H2 kullanılarak üretilen düşük veya sıfır karbon

salımlı NH3 vasıtasıyla gerçekleştirilmesi bekleniyor. Yani

düşük ya da sıfır karbonlu NH3‘ın deniz taşımacılığında

yaygın kullanımının başlaması ile ciddi bir üretim

kapasitesi oluşturulması gerekiyor. Nitekim, küresel

deniz güzergahlarının önemli geçiş noktalarında, mesela

Süveyş Kanalı’nda, düşük ya da sıfır karbonlu NH3 ikmali

yapılması için projeler geliştirilmeye başladı.

Gaz türbinlerinde doğrudan NH3 yakılması için birçok

türbin imalatçısı firma (OEM), Devlet kuruluşları

ve enstitüler ile kendi aralarında ortaklaşa ulusal ve

uluslararası ölçekte çalışmalar yapıyor. Nispeten

küçük güçlerdeki uçak türbini türevi (aeroderivative)

türbinlerde ana yakıtlarla karışım olarak yapılan bu

pilot çalışmalar büyük kurulu güçlerdeki endüstriyel

tip türbinlerde ise yüzde yüz NH3 kullanılarak

deneniyor. Ayrıca ana yakıtla karıştırılarak kazanlarda

yakılması da pilot uygulamalarla test ediliyor. Burada

iki hususun aşılması gerekiyor: i) Enerji yoğunluğu

nispeten düşük olan NH3’ın mevcut yakma sistemleri

girişinde hacimsel debisinin artırılması ve bunun yanma

odalarındaki ve tahrik sistemlerindeki termodinamik

ve mukavemet etkilerinin minimize edilmesi, ii) Yanma

havasından kaynaklı olanlarına ilave olarak NH3

içeriğindeki N2 kaynaklı çevreye ve atmosfere zararlı

NOx emisyonlarının da ortadan kaldırılması. OEM’ler

bunu yanma öncesi ve yanma sırasında önlemek için

yeni teknolojiler geliştirerek, gerekli yeni ekipman

kullanımı ve adaptasyonu çalışmalarını test ediyorlar.

Her hâlükârda, gene yakıt NH3 kullanılarak, egzoz

çıkışlarındaki NOx emisyonları, uzun yıllardır yaygın

olarak kullanılan SCRler (Seçici Katalitik Reaktör)

vasıtasıyla nispeten düşük ve makul ilave işletme

maliyetlerine katlanılarak temizlenebilir.