Vaka çalışması incelemesi

Arıtılmış Atıksudan Yeşil Hidrojen Üretiminin Maliyet-Fayda Analizi: Umman Örnek Olay İncelemesi

Dünya genelinde su ve atıksu yönetimi, doğal kaynakların korunması ve dairesel ekonomiye geçiş sürecinde stratejik bir önem kazanmaktadır. Özellikle kurak iklim kuşağında yer alan ülkelerde arıtılmış atıksuyun yalnızca peyzaj sulaması veya denize deşarj gibi katma değeri düşük alanlarda kullanılması ciddi bir kaynak israfına yol açmaktadır.

Makalenin anahtar kelimeleri

Yazar: Hind Barghash et al.
Yayın: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
Tarih: 2022-11-25
DOI: 10.3389/fbioe.2022.1046556

Makalenin Kapsamı ve Akademik İçeriği

Arıtılmış atıksuların yeniden kullanımı, küresel su kıtlığı ve iklim değişikliği baskıları altında doğal su kaynaklarının korunması açısından hayati bir araştırma alanına dönüşmüştür. Özellikle Umman gibi yıllık yağış miktarının son derece düşük olduğu ve içme suyu ihtiyacının büyük oranda yeraltı suları ile enerji yoğun deniz suyu arıtma tesislerinden karşılandığı kurak coğrafyalarda, atıksuyun yüksek katma değerli süreçlerde değerlendirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Geleneksel sistemlerde arıtılan suyun yalnızca peyzaj sulamasında kullanılması veya deniz ortamına salınması, kaynak potansiyelinin tam olarak değerlendirilememesine neden olmaktadır. Bu durum, atıksu sektörünün yenilenebilir enerji üretimiyle entegre edilerek entegre bir karbonsuzlaştırma modeli oluşturulması ihtiyacını doğurmaktadır.

Çalışmanın temel amacını, Umman Muscat vilayetindeki Al Ansab Atıksu Arıtma Tesisinde (STP) açığa çıkan arıtılmış atıksuyun Proton Değişim Membranı (PEM) elektrolizör sistemi kullanılarak yeşil hidrojenedönüştürülmesinin teknik ve ekonomik olanaklarını incelemek oluşturmaktadır. Araştırmada 1.500 kg H2/gün (Örnek Durum A) ve 50.000 kg H2/gün (Örnek Durum B) olmak üzere iki farklı üretim kapasitesi modellenmiştir. Tesisin gerçek işletme verileri, su kalitesi parametreleri, ters ozmoz ve ultrafiltrasyon arıtma ihtiyaçları ve güneş enerjisi potansiyeli teknik analize girdi sağlamıştır. Ekonomik fizibilite ise 10 yıllık bir analiz süreci ve yüzde 5 iskonto oranı çerçevesinde Maliyet-Fayda Analizi (CBA) ve Net Bugünkü Değer (NPV) yöntemleriyle hesaplanmıştır.

Teknik ve ekonomik analiz sonuçları, arıtılmış atıksuyun yeşil hidrojen üretimi için son derece güvenilir ve sürdürülebilir bir besleme kaynağı olduğunu kanıtlamaktadır. Geleneksel durumda Al Ansab tesisinden elde edilen yıllık gelir sulama suyu ve kompost satışıyla 7,02 milyon Umman Riyali (OMR) seviyesindeyken, PEM elektrolizör sisteminin entegre edildiği Durum A seçeneğinde yıllık gelir 8,30 milyon OMR'ye, yüksek kapasiteli Durum B seçeneğinde ise 49,73 milyon OMR'ye yükselmektedir. 10 yıllık analiz süresi sonunda her iki yeşil hidrojen senaryosu da pozitif Net Bugünkü Değer sunarak yüksek ilk yatırım maliyetlerine rağmen hidrojen satışından elde edilen gelirin yatırımı kısa sürede amorti ettiğini göstermiştir.

Tartışma ve sonuç bölümünde yazar, elde edilen bulguları bölgesel karbonsuzlaştırma hedefleri ve Ulusal 2040 Vizyonu çerçevesinde değerlendirmektedir. Çalışma, atıksu yönetim sektörünün yalnızca çevresel kirleticileri bertaraf eden pasif bir yapıdan, temiz enerji taşıyıcısı üreten aktif bir ekonomik aktöre dönüşebileceğini ortaya koymaktadır. Elektroliz için gerekli arıtma standartlarının sağlanması adına ters ozmoz ünitesi gibi ek teknolojilerin entegrasyonu teknik bir gereklilik olarak sunulurken, ortaya konan maliyet-fayda modeli su ve enerji entegrasyonu üzerine çalışan araştırmacılar ve politika yapıcılar için somut bir metodolojik rehber niteliği taşımaktadır.

Araştırmanın amacı

Bu çalışmanın amacı, Umman Muscat'ta bulunan Al Ansab Atıksu Arıtma Tesisinden elde edilen arıtılmış atıksuyun PEM elektroliz teknolojisi ve güneş enerjisi kullanılarak yeşil hidrojen üretiminde değerlendirilmesinin teknik ve ekonomik fizibilitesini Maliyet-Fayda Analizi ve Net Bugünkü Değer yöntemleriyle ortaya koymaktır(Barghash et al., 2022).

İnceleme ve modelleme yöntemi

Çalışma, Al Ansab atıksu arıtma tesisi verileri üzerinden PEM elektrolizörü ve güneş enerjisi entegrasyonuyla yeşil hidrojen üretiminin teknik ve ekonomik fizibilitesini Maliyet-Fayda Analizi (CBA) ve Net Bugünkü Değer (NPV) yöntemleriyle inceleyen nicel bir örnek olay (case study) araştırmasıdır(Barghash et al., 2022).

Kuramsal ve kavramsal çerçeve

Çalışma, döngüsel ekonomi teorisi ve sürdürülebilir kaynak yönetimi çerçevesine dayanmaktadır. Atıksu arıtma tesislerini yalnızca kirletici bertaraf eden birimler olarak değil, enerji ve değerli ürün geri kazanımı sağlayan 'Su Kaynakları Fabrikaları' olarak konumlandıran SPPD-WRF (Holistik Kaynak Fabrikası Planlaması) yaklaşımı kuramsal zemini oluşturmaktadır.

Makalenin ele aldığı literatür

Literatürde hidrojen üretimi üzerine AHP, Bulanık AHP ve Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) yöntemleriyle yapılmış teknoloji karşılaştırma çalışmaları (Sonal vd., 2014; Hui vd., 2021) ve biyolojik hidrojen üretimi analizleri (Barghash vd., 2022; Kazimierowicz vd., 2022) yer almaktadır. Bu çalışma, söz konusu literatürü arıtılmış atıksuyun PEM elektroliziyle doğrudan bütünleştirildiği sahadan elde edilmiş gerçek işletme verilerine dayalı maliyet-fayda analiziyle genişletmektedir.

Araştırma Tasarımı

Evren veya inceleme alanı: Umman Muscat ilinde yer alan ve OWWSC tarafından işletilen Al Ansab Atıksu Arıtma Tesisi operasyonel verileri ile günlük 9.800 m3 deniz deşarj debisi.
Örneklem veya araştırma materyali: Al Ansab Atıksu Arıtma Tesisinin MBR teknolojisiyle işlenen günlük 92.800 m3 arıtılmış atıksuyu ve günlük 1.500 kg (A senaryosu) ile 50.000 kg (B senaryosu) yeşil hidrojen kapasiteli PEM elektrolizör sistemleri.
Veri toplama süreci: OWWSC tesis işletme kayıtlarından sağlanan atıksu yükü, arıtılmış atıksu kalitesi, mevcut satış gelirleri, Amerikan Enerji Bakanlığı (DOE) H2A veritabanından alınan PEM elektrolizör maliyet parametreleri ve Oman NCSI enflasyon verileri.
Veri analiz yöntemi: 10 yıllık çalışma periyodu, %5 iskonto oranı ve %2,67 enflasyon oranı kabulü altında Maliyet-Fayda Analizi (CBA), Net Bugünkü Değer (NPV) hesabı ve SWOT analizi.

Yeşil hidrojen üretimiArıtılmış atıksu geri kazanımıProton Değişim Membranı (PEM) elektrolizörüMaliyet-Fayda Analizi (CBA)Net Bugünkü Değer (NPV)Döngüsel ekonomi

Araştırmanın Bulguları

Al Ansab arıtma tesisinin geleneksel işletiminde sulama, soğutma ve kompost satışlarından yıllık 7,02 milyon OMR gelir elde edilirken, günlük 1.500 kg H2 kapasiteli PEM elektrolizör entegrasyonu içeren Senaryo A ile yıllık gelir 8,30 milyon OMR seviyesine çıkmaktadır(Barghash et al., 2022).

Tesisin günlük 50.000 kg H2 üretim kapasitesine sahip ölçekli PEM elektrolizör sistemiyle desteklendiği Senaryo B modelinde, elde edilen yeşil hidrojenin satışı sayesinde yıllık toplam gelir 49,73 milyon OMR düzeyine ulaşarak belirgin bir ekonomik artış sunmaktadır(Barghash et al., 2022).

10 yıllık değerlendirme süreci ve %5 iskonto oranı çerçevesinde yürütülen Net Bugünkü Değer analizinde, geleneksel işletim 50,23 milyon OMR NPV üretirken, Senaryo A için 147,63 milyon OMR ve Senaryo B için 3.308,44 milyon OMR tutarında yüksek pozitif NPV değerleri hesaplanmıştır(Barghash et al., 2022).

Tesis bünyesinde denize deşarj edilen günlük 9.800 m3 arıtılmış atıksuyun tamamının elektrolizör besleme suyu olarak kullanılması durumunda, günlük yaklaşık 544.444 kg yeşil hidrojen üretilebileceği ve yıllık 460 milyon OMR düzeyinde devasa bir gelir potansiyeli oluşacağı belirlenmiştir(Barghash et al., 2022).

PEM elektrolizör sistemlerinin yüksek sermaye giderlerine (Senaryo A için 1,25 milyon OMR, Senaryo B için 39,70 milyon OMR) ve işletme maliyetlerine rağmen, hidrojen satış birim fiyatlarının sağladığı yüksek nakit akışı yatırımın ilk kurulum giderlerini kısa sürede telafi etmektedir(Barghash et al., 2022).

Bulguların Tartışılması ve Araştırmanın Sonucu

Bulguların Yazarlar Tarafından Yorumlanışı

Tekno-ekonomik analiz sonuçları, Al Ansab Atıksu Arıtma Tesisinde arıtılmış atıksuyun yeşil hidrojen üretimi amacıyla değerlendirilmesinin ekonomik açıdan oldukça kazançlı olduğunu göstermektedir. Geleneksel sulama ve soğutma odaklı işletim modeline kıyasla, PEM elektrolizör entegrasyonu tesisin yıllık gelirini ve 10 yıllık Net Bugünkü Değerini katlayarak artırmaktadır.

Yazarlar, hidrojen üretim kapasitesindeki artışın ve yüksek satış birim fiyatlarının, elektrolizör sistemlerinin yüksek ilk yatırım (CAPEX) ve işletme harcamalarını (OPEX) kısa sürede telafi ettiğini açıklamaktadır. Ayrıca güneş enerjisi kullanımının elektrolizörün elektrik gereksinimini sıfır emisyonla karşılayarak karbonsuzlaşma hedeflerini desteklediği vurgulanmaktadır.

Elde edilen bulgular, literatürde Barghash ve arkadaşları (2022) ile Kehrein ve arkadaşlarının (2021) atıksu arıtma tesislerinde kaynak geri kazanımı ve membran tabanlı ileri arıtma teknolojilerine ilişkin çalışmalarıyla uyumluluk göstermektedir. Atıksuyun değere dönüştürülmesi, sadece çevresel zararları engellemekle kalmayıp enerji sektöründe döngüsel ekonomi modelinin uygulanabilirliğini kanıtlamaktadır.

Sonuç olarak, deniz deşarjı gibi atıl uygulamaların yerine arıtılmış atıksuyun endüstriyel hidrojen üretimine tahsis edilmesi, su kıtlığı çeken kurak bölgelerde hem kaynak verimliliğini hem de ulusal yeşil enerji dönüşümünü hızlandırmaktadır. Bu yaklaşım, su ve atıksu yönetim sektörünün temiz enerji üreticisine dönüşebileceğini açıkça ortaya koymaktadır.

Bulguların Önceki Araştırmalarla Karşılaştırılması

Çalışmada elde edilen güneş enerjisi destekli hidrojen üretim sonuçları, Barghash ve arkadaşlarının (2022) atıksu arıtma tesislerinde güneş panelleri entegrasyonuyla biyohidrojen üretiminin çevresel etkilerini ve karbon ayak izini optimal seviyede azalttığını gösteren Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) bulgularıyla örtüşmekte ve teknolojik entegrasyonun sürdürülebilirliğini pekiştirmektedir(Barghash et al., 2022).

Elektrolizör besleme suyu için gerekli ileri membran arıtma gereksinimi ve ekonomik değerlendirme parametreleri, Kehrein ve arkadaşlarının (2021) kentsel atıksuların yeniden kullanımına yönelik membran tabanlı ileri arıtma proseslerinin tekno-ekonomik analizi ile karşılaştırılmış ve yüksek saflıkta besleme suyunun sistem ömrü ve ekonomik fizibilite üzerindeki kritik rolü doğrulanmıştır(Barghash et al., 2022).

Sonuç Bölümünün Sunduğu Çıkarımlar

Atıksu arıtma tesislerinden elde edilen arıtılmış atıksuyun denize deşarj edilerek heba edilmesi yerine, PEM elektroliz teknolojisiyle yeşil hidrojen üretimine yönlendirilmesi hem yüksek ekonomik gelir hem de karbonsuzlaşma hedeflerine stratejik katkı sağlamaktadır. Yüksek ilk yatırım maliyetlerine karşın, hidrojen satışlarının sağladığı nakit akışı yatırımı kısa sürede amorti etmekte ve döngüsel ekonomi ilkeleri doğrultusunda su-enerji krizine sürdürülebilir bir çözüm sunmaktadır(Barghash et al., 2022).

Literatür Taraması İçin Sunduğu Çerçeve

Bu çalışma, su kıtlığı çeken arid bölgelerde atıksu arıtma tesislerinin (STP) geleneksel deşarj veya düşük katma değerli peyzaj sulama rollerini aşarak, yeşil enerji üretimine katkı sunan aktif aktörlere dönüşebileceğini ampirik ve finansal verilerle kanıtlayan öncü bir rol üstlenmektedir. Literatürde genellikle ayrı ayrı ele alınan su geri kazanımı ve temiz enerji üretimi süreçlerini, PEM elektrolizör entegrasyonu ve güneş enerjisi (PV) sistemleriyle bütünleştirerek tekno-ekonomik bir düzlemde sentezlemektedir. Böylece, döngüsel ekonomi prensiplerinin su-enerji neksusu bağlamında gerçekçi bir şekilde nasıl uygulanabileceğine dair somut bir metodolojik çerçeve sunmaktadır.

Çalışma, literatürdeki hidrojen üretim teknolojilerini karşılaştıran Sonal vd. (2014) ile sürdürülebilirlik boyutlarını inceleyen Hui vd. (2021) çalışmalarından devraldığı kuramsal zemini bir adım öteye taşımaktadır. Önceki araştırmaların fosil yakıt dışı alternatif arayışlarına ve yaşam döngüsü analizlerine (LCA) dayanarak, atıksu çamuru ve arıtılmış atıksu (TE) bileşenlerini doğrudan yeşil hidrojen girdisi olarak modellemekte ve önceki çalışmaların teorik kabullerini operasyonel bir vaka analiziyle doğrulamaktadır. Barghash vd. (2021, 2022) tarafından daha önce ele alınan biyo-hidrojen LCA süreçlerini, Al Ansab özelinde ticari ölçekteki PEM elektrolizi yatırımlarının Net Bugünkü Değer (NPV) projeksiyonlarına aktararak ampirik olarak genişletmektedir.

Bu makale, çevre mühendisliği, sürdürülebilir enerji yönetimi ve kamu politikaları literatürünü tarayan araştırmacılar için çok katmanlı bir sentez sunmaktadır. Geleneksel atıksu arıtımının ekonomik kayıplarını ve çevresel deşarj risklerini (deniz ekosistemine etkileri gibi), yeşil hidrojen ekonomisiyle ikame etmenin finansal fizibilitesini karşılaştırmalı senaryolarla (1.500 kg/gün ve 50.000 kg/gün) ortaya koymaktadır. Bu sayede, gelecekteki derleme ve meta-analiz çalışmalarına, kurak ülkelerin yeşil enerji dönüşümü süreçlerinde yararlanabileceği güncel finansal veri setleri, CAPEX/OPEX rasyoları ve dairesel ekonomi modelleri kazandırmaktadır.

Kaynakça

Barghash, H., AlRashdi, Z., Okedu, K. E., & Desmond, P. (2022). Life cycle assessment study for bio-hydrogen gas production from sewage treatment plants using solar PVs. Energies, 15(21), 8056. https://doi.org/10.3390/en15218056
Kehrein, P., Jafari, M., Slagt, M., Cornelissen, E., Osseweijer, P., Posada, J., & Dewulf, J. (2021). A techno-economic analysis of membrane-based advanced treatment processes for the reuse of municipal wastewater. Journal of Water Reuse and Desalination, 11(4), 705-725. https://doi.org/10.2166/WRD.2021.016

Tez ve Makale Araştırmalarında Kullanım

Makalenin doğrulanmış yöntemi, bulguları ve kuramsal çerçevesi; tez ve makale çalışmalarında kullanılacağı bölümle birlikte aşağıdaki üç araştırma taslağına dönüştürülmüştür.

Tez veya makalede kullanım · literatüre-review

Arıtılmış atıksuyun geleneksel peyzaj sulaması veya denize deşarj gibi katma değeri düşük uygulamalar yerine yeşil hidrojen üretiminde değerlendirilmesi, döngüsel ekonomi modeline geçişi hızlandırmaktadır.

Tez yazarı, atıksu yönetiminde kaynak geri kazanımı ve dairesel ekonomi teorilerini tartışırken Al Ansab tesisinde denize deşarj edilen suyun dönüştürülme potansiyeli verilerini referans gösterebilir(Barghash et al., 2022).

Kentsel Atıksu Arıtma Tesislerinde Denize Deşarj Edilen Suların Yeşil Hidrojen Potansiyelinin Tekno-Ekonomik Modellenmesi

Araştırma sorusu: Türkiye'deki Marmara Bölgesi atıksu arıtma tesislerinden denize deşarj edilen yıllık su hacminin tamamı yeşil hidrojen üretimine yönlendirilirse, elde edilecek ulusal ekonomik NPV ve karbon azaltım potansiyeli nedir?
Yöntem taslağı: Marmara havzasındaki 5 büyük atıksu tesisinin deşarj debileri ve su analiz verileri toplanacaktır. Güç analiziyle belirlenen optimum elektrolizör kapasitesi ve güneş enerjisi gereksinimi modellenecektir. 15 yıllık bir projeksiyonla CAPEX, OPEX ve NPV hesaplamaları yapılacaktır.

Makaleyle bağlantısı: Al Ansab tesisinde denize deşarj edilen günlük 9.800 m3 suyin yeşil hidrojene dönüştürülmesiyle elde edilen devasa gelir potansiyeli ve NPV artışı bulgusundan esinlenilmiştir(Barghash et al., 2022).

Tez veya makalede kullanım · Tartışma

PEM elektrolizör sistemleri, yüksek CAPEX ve OPEX maliyetlerine rağmen yüksek hacimli yeşil hidrojen satış gelirleri sayesinde kısa amortisman süreleri ve pozitif NPV sunmaktadır.

Kendi fizibilite çalışmalarını yürüten bir araştırmacı, geliştirdiği ekonomik modellerin doğrulanmasında Al Ansab Senaryo A ve B'deki Net Bugünkü Değer verilerini karşılaştırma aracı olarak kullanabilir(Barghash et al., 2022).

Farklı Elektrolizör Teknolojilerinin Arıtılmış Atıksu Beslemesi Altındaki Uzun Dönemli Degradasyon ve Bakım Maliyetlerinin Karşılaştırılması

Araştırma sorusu: Arıtılmış kentsel atıksuyun ultrafiltrasyon ve ters osmoz ön arıtım proseslerinden geçirilerek kullanılmasının, alkali (AWE) ve PEM elektrolizör membranlarında yol açtığı fouling hızı ve bunun OPEX üzerindeki etkisi nedir?
Yöntem taslağı: Laboratuvar ölçekli AWE ve PEM elektrolizörleri kurulacaktır. Belirli kirlilik parametrelerine (BOD, iletkenlik) sahip arıtılmış su beslemesi altında 1000 saatlik sürekli çalışma testleri uygulanacak, membran degradasyonu elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile analiz edilecektir.

Makaleyle bağlantısı: Makalede belirtilen, elektrolizör saflık gereksinimleri ve ters osmoz ile ultrafiltrasyon ünitelerinin membran kirlenmesini önlemedeki metodolojik önemi ve maliyet rasyolarından yola çıkılmıştır(Barghash et al., 2022).

Tez veya makalede kullanım · Kavramsal çerçeve

Su-enerji neksusu çerçevesinde atıksu arıtma tesisleri, geleneksel sanitasyon işlevlerinin ötesine geçerek yenilikçi temiz enerji üreticileri olarak konumlandırılmalıdır.

Yazar, kentsel altyapıların karbonsuzlaştırılması ve sürdürülebilirlik politikaları üzerine kuramsal bir çerçeve oluştururken makalenin atıksu-enerji entegrasyon modelinden yararlanabilir(Barghash et al., 2022).

Güneş Enerjili Atıksu Arıtma Tesislerinde Yeşil Hidrojen Üretiminin Enerji Dalgalanmalarına Karşı Dinamik Kontrolü ve Batarya Optimizasyonu

Araştırma sorusu: Solar PV sistemlerinden gelen kesintili güç arzının, PEM elektrolizörlerinin çalışma kararlılığı üzerindeki olumsuz etkilerini en aza indirmek için gereken minimum lityum-iyon batarya depolama kapasitesi ve bunun toplam yatırım NPV'sine etkisi nasıl değişmektedir?
Yöntem taslağı: Al Ansab bölgesi güneş ışınım verileri kullanılarak Matlab/Simulink ortamında bir solar-PEM-batarya sistemi simüle edilecektir. Farklı batarya kapasiteleri için sistem verimliliği ve 10 yıllık CAPEX/OPEX dengesi dinamik programlama optimizasyonuyla analiz edilecektir.

Makaleyle bağlantısı: Güneş enerjisi dalgalanmalarının elektrolizör kararlılığı üzerindeki olumsuz etkilerini önlemek amacıyla batarya depolama sistemleri entegrasyonu ihtiyacına yönelik teknik açıklamalardan türetilmiştir(Barghash et al., 2022).