Geri Dön

Lıfe cycle assessment of green hydrogen productıon vıa electrolysıs

Elektroliz yoluyla yeşil hidrojen üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi

  1. Tez No: 1010763
  2. Yazar: HAKAN ÇAMUR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI İŞLER KAYA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Günümüzde dünya genelinde artan nüfus ve teknolojik ilerlemelere paralel olarak yükselen küresel enerji talebi, fosil yakıtların yol açtığı iklim değişikliği tehdidiyle birlikte değerlendirildiğinde, düşük karbonlu enerji sistemlerine geçişi zorunlu kılmaktadır. Bu dönüşüm sürecinde hidrojen; yüksek enerji yoğunluğu, temiz yanma özelliği ve ulaşım, sanayi ve enerji depolama gibi birçok sektörde geniş kullanım potansiyeli sayesinde karbondan arındırılma sürecinde kritik bir rol oynayacağı açıktır. Ancak, hidrojenin çevresel sürdürülebilirliği, büyük ölçüde kullanılan üretim yöntemine ve hangi enerji kaynağından yararlanıldığına doğrudan bağlıdır. Fosil yakıt temelli üretim yöntemleri (gri ve kahverengi hidrojen gibi) yüksek sera gazı emisyonlarına neden olurken, yenilenebilir enerji kaynakları ile entegre edilen üretim yöntemleri (yeşil hidrojen gibi), uzun vadeli sıfır emisyon hedefi için umut verici bir adımdır. Yine de maliyet, yaşam döngüsü boyunca ortaya çıkan çevresel etkileri ve sistem verimlilik sorunları gibi faktörler, yeşil hidrojenin yaygın kullanımının önünde engel teşkil etmektedir. Bu çerçevede temiz enerji dönüşümü yalnızca teknik bir gereklilik değil, aynı zamanda uluslararası iklim politikaları ve uzun vadeli sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda şekillenen stratejik bir zorunluluk haline gelmiştir. Avrupa Birliği'nin Avrupa Yeşil Mutabakatı kapsamında 2050 yılına kadar karbon-nötr bir kıta olma hedefi ile Türkiye'nin Paris Anlaşması'nı onaylayarak ilan ettiği 2053 Net Sıfır Emisyon hedefi, hidrojen dahil olmak üzere düşük karbonlu enerji teknolojilerinin geliştirilmesini öncelikli bir politika alanı haline getirmiştir. Bu hedefler doğrultusunda, küresel ölçekte gelişmekte olan hidrojen ekonomisi ayrıntılı olarak incelenmiştir. Öncelikle Avrupa Birliği, Çin, Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya gibi hidrojen teknolojilerinde öncü ülkelerin mevcut durumları, ulusal hidrojen stratejileri ve uzun vadeli politik hedefleri ele alınmıştır. Bununla birlikte, hidrojen yakıtlı araçlar ve yakıt hücresi teknolojilerindeki güncel gelişmeler değerlendirilmiştir. Ardından, bu küresel gelişmeler Türkiye özelinde incelenmiş; ülkenin mevcut hidrojen üretim teknolojileri, ulusal politika hedefleri ve Türkiye'nin ilk hidrojen vadisi girişimi gibi öne çıkan projeleri analiz edilmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan su elektrolizi metotları, yeşil hidrojen üretimi için en sürdürülebilir yollardan biri olarak kabul edilmektedir. Bu metotlar arasında, AEM elektrolizörler, düşük maliyetli ve bol miktarda bulunan katalizörlerin kullanımına imkân tanıması sayesinde, son yıllarda dikkatleri üzerine çekmektedir. Özellikle endüstride daha yerleşik seçenekler olan AEL ve PEM metotlarının faydalarını kendinde birleştirip ve eksik yönlerini kapatarak, bu iki sistem arasında bir köprü görevi görmektedir. Kapattığı eksik yönlere örnek olarak, PEM sistemlerinde kullanılan platin ve iridyum gibi pahalı ve nadir bulunan metallere ihtiyaç duymaması, bununla birlikte AEL sistemlerine kıyasla daha yüksek akım yoğunluklarında ve dinamik çalışma koşullarında faaliyet gösterebilmesi, AEM elektrolizörlerin gelecekte kullanımının artacağı bir seçenek haline getirmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı, literatürde hakkında sınırlı sayıda LCA çalışması bulunan ve teknolojik olarak gelişmekte olan AEM elektrolizör metodunun çevresel performansını kapsamlı bir şekilde analiz etmektir. Çalışma kapsamında, PV güneş panelleri ile desteklenen bir AEM elektrolizör sistemi için“beşikten kapıya”yaklaşımı benimsenmiştir. Bu doğrultuda, sistemin çevresel sıcak noktalarını belirlenmesi, farklı elektrik kaynak senaryo etkilerini karşılaşması ve elde edilen sonuçların literatürdeki diğer hidrojen üretim yöntemleri ile kıyaslanması hedeflemektedir. Bunun kıyaslamayı desteklemek amacıyla, çok sayıda bilimsel çalışmanın incelendiği ayrıntılı bir literatür taraması gerçekleştirilmiş; farklı hidrojen üretim yöntemleri, kullanılan LCA metodolojileri, sistem sınırları ve elde edilen çevresel sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Ana senaryo olarak ise, Türkiye koşullarında güneş enerjisi santrali tarafından beslenen ve yıllık 8.000 saat çalışma kapasitesine sahip bir AEM elektrolizör sistemi modellenmiştir. Sistemin 1 kg hidrojen üretimi için toplam 61.61 kWh elektrik enerjisi tükettiği hesaplanmış ve tüm modellemeler bu veri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada gerçekleştirilen çevresel etki değerlendirmesi, ISO 14040 ve ISO 14044 standartlarına uygun olarak; amaç ve kapsam tanımı, yaşam döngüsü envanteri, yaşam döngüsü etki değerlendirmesi ve yorumlama aşamalarını içeren LCA metodolojisi çerçevesinde yürütülmüştür. Etki değerlendirmesindeki analizler, LCA alanında yaygın olarak kabul gören SimaPro yazılımı ve Ecoinvent veri tabanı kullanılarak modellenmiştir. Çalışmanın fonksiyonel birimi olarak sistemden elde edilen 1 kg H2 üretimi olarak belirlenmiştir. Sistem sınırları, güneş paneli ve elektrolizör hammadde bileşenlerinin üretimi, tesis kurulumu ve işletme aşamasındaki enerji tüketimini kapsayacak şekilde tanımlanmıştır. Sistemin çevresel etkilerini ölçmek amacıyla üç farklı değerlendirme yöntemi kullanılmıştır. Kapsamlı çevresel etki değerlendirmesi için ReCiPe 2016 metodolojisi seçilmiştir. Karbon ayak izi hesaplaması için ise metodoloji olarak“IPCC 2021 GWP100”ve su ayak izi hesaplaması içinse“AWARE”yöntemi seçilmiştir. Değerlendirilen farklı senaryoların yaşam döngüsü değerlendirme sonuçlarının kıyaslama ilk olarak karbon ve su ayak izi üzerinden gerçekleşmiştir. Ardından karakterizasyon, normalizasyon, ağırlıklandırma ve tek puan sonuçlarıyla tüm senaryoların sonuçlarını içermektedir. Ana senaryo olarak belirlenen güneş enerjisi destekli AEM sisteminin analizi sonucunda, 1 kg H₂ üretimi başına GWP değeri 4,63 kg CO2 eq olarak hesaplanmıştır. Bu değer, işletme aşamasında doğrudan emisyon olmamasına rağmen, PV panel üretimi ve elektrolizör sistem bileşenlerinin imalatı gibi yukarı akış süreçlerinin çevresel yüklerin ana kaynağı olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle kaynak kıtlığı, çevre ve insan toksisitesi gibi kategorilerdeki etkilerin, PV panelleri ve elektrolizör bileşenleri için gereken metal madenciliği süreçlerinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Elektrik kaynağının çevresel performans üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, güneş enerjisi ana senaryosuna ek olarak rüzgâr, şebeke, nükleer, biyokütle, doğalgaz ve kömür olmak üzere toplam yedi farklı senaryo daha analiz edilmiştir. Sonuçlar, rüzgâr ve nükleer enerji destekli senaryolarında düşük karbon ayak izine sahip olduğunu göstermiştir. Buna rağmen, ölçeklenebilirliği, yerinde hidrojen üretimine uygunluğu ve pratik uygulanabilirliği nedeniyle güneş enerjisi birincil elektrik tedarik senaryosu olarak değerlendirilmiştir. Fosil kaynaklı senaryolarda da kömür senaryosu en yüksek karbon ve su ayak izi değerleri ile en kötü çevresel performansı sergilerken, bunu Türkiye ulusal elektrik şebekesi karışımı ve doğalgaz senaryoları takip etmiştir. Biyokütle senaryosu ise güneş PV senaryosundan çok az miktarda daha yüksek değer göstermiştir. Çalışmada elde edilen AEM-Solar GWP değeri, literatürdeki AEM tabanlı çalışmalarla hemen hemen uyumlu olduğu görülmüştür. Fosil bazlı, buhar metan reformasyonu ve kömür gazlaştırma gibi yöntemlerle kıyaslandığında ise önemli ölçüde daha düşük karbon ayak izi sunduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, karbon yakalama ve depolama teknolojileri ile entegre edilen fosil bazlı üretim yöntemlerinin (mavi hidrojen), yeşil hidrojen ile rekabet edebilir seviyelere ulaşabildiği görülmüştür. Model parametrelerindeki değişimlere karşı çevresel etki sonuçlarının hassasiyetini belirlemek amacıyla iki farklı duyarlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Elektrik tüketimindeki ±%20'lik değişimin, karbon ayak izi üzerinde doğrusal bir etki yarattığı belirlenmiştir. Ayrıca elektrolizör yığın ömrü üzerine yapılan analizler, teknolojik gelişmelerle yığın ömrünün uzatılmasının çevresel performansı önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Bu bulgular, AEM teknolojisinin ticarileşmesi için uzun ömürlü membran ve elektrot malzemelerinin geliştirilmesinin önem taşıdığını ortaya koymaktadır. Sonuç olarak bu tez çalışması, güneş enerjisi destekli AEM elektrolizör teknolojisinin, fosil yakıt bazlı hidrojen üretim yöntemlerine kıyasla çevresel açıdan sürdürülebilir bir alternatif sunduğunu göstermektedir. Ancak bu sürdürülebilirlik, sistemin çevresel performansının büyük ölçüde kullanılan elektrik kaynağına ve elektrolizörün bileşenlerinin operasyonel ömrüne bağlıdır. Gelecek çalışmaların, malzeme yoğunluğunun azaltılması, geri dönüşüm stratejilerinin geliştirilmesi ve sistem dayanıklılığının artırılmasına odaklanması, AEM teknolojisinin çevresel profilini daha da iyileştirecektir.

Özet (Çeviri)

The rapid increase in global energy demand driven by population growth and technological development, together with the adverse impacts of climate change caused by fossil fuel consumption, has made the transition toward low-carbon energy systems inevitable. In this transition, hydrogen (H2) has emerged as a promising energy carrier due to its high energy density, clean combustion characteristics, and wide applicability in sectors such as transportation and industry. However, the environmental sustainability of H2 is not intrinsic to the fuel itself but is highly dependent on the production method and the source of energy used. Conventional fossil-based H2 production methods, such as steam methane reforming (SMR) and coal gasification (CG), are associated with significant greenhouse gas (GHG) emissions, whereas renewable electricity–driven water electrolysis offers an important pathway toward low-emission H2 production. Nevertheless, challenges related to cost, efficiency, and life cycle environmental impacts continue to limit the large-scale deployment of green H2 methods. Water electrolysis technologies powered by renewable energy sources are widely regarded as one of the most sustainable methods for green H2 production. Among these technologies, Anion Exchange Membrane (AEM) electrolysers have attracted increasing attention due to their ability to utilize low-cost and abundant catalysts. In particular, AEM electrolysers act as a bridging technology between the more established Alkaline Electrolysis (AEL) and Proton Exchange Membrane (PEM) systems by combining the advantages of both while mitigating their respective limitations. For instance, AEM systems eliminate the requirement for expensive and scarce noble metals used in PEM electrolyzers, while also enabling operation at higher current densities and under more dynamic operating conditions compared to conventional AEL systems. Despite this technological potential, comprehensive life cycle assessment (LCA) studies focusing on the environmental performance of AEM-based H2 production systems remain scarce in the existing literature. The main objective of this thesis is to conduct a detailed environmental performance assessment of an AEM electrolyser system using a cradle-to-gate LCA approach. The study focuses on a photovoltaic (PV) solar-powered AEM electrolyser system operating under Turkish conditions as the main scenario. The system was modelled with an annual operating capacity of 8,000 hours (h), and the total electricity consumption required to produce 1 kg of H2 was calculated as 61.61 kWh. The LCA was performed in accordance with ISO 14040 and ISO 14044 standards utilizing the SimaPro software and the Ecoinvent database, with 1 kg of H2 defined as the functional unit (FU). In addition to the main scenario, a total of seven alternative electricity supply scenarios - solar PV, wind, national grid mix, nuclear, biomass, natural gas (NG), and coal - were evaluated to investigate the influence of electricity source on the environmental performance of H2 production. To assess the environmental impacts of the system, three different impact assessment approaches were employed. The ReCiPe 2016 methodology was selected for the comprehensive environmental impact assessment. Carbon footprint calculations were performed using the“IPCC 2021 GWP100”methodology, and water footprint assessment was conducted using the“AWARE”method. The LCA results of the evaluated scenarios were first compared based on carbon and water footprints. Subsequently, the analysis was extended to include characterization, normalization, weighting, and single score results according to impact categories, providing a comprehensive comparison of all scenarios. The results show that the solar PV-powered AEM system achieves a global warming potential (GWP) of 4.63 kg carbon dioxide equivalent (CO2 eq) per kg H2. Although no direct emissions occur during the operation phase, upstream processes such as PV panel manufacturing and electrolyser component production were identified as the dominant contributors to environmental impacts, particularly in categories related to resource scarcity and human and environmental toxicity. Scenario analysis reveals that low-carbon electricity sources, such as wind and nuclear power, significantly reduce environmental impacts. Nevertheless, owing to its scalability, suitability for on-site H2 production, and practical applicability, solar energy was selected as the primary electricity supply scenario. Among the fossil-based scenarios, coal-based electricity results in the highest carbon and water footprints, followed by the Turkish national electricity grid mix and the NG scenarios. The biomass-based scenario exhibited only slightly higher impact values compared to the solar PV scenario. Finally, sensitivity analyses conducted to verify the robustness of the results revealed that variations in electricity consumption have a linear impact on the carbon footprint, while extending the stack lifetime significantly enhances environmental performance. These outcomes emphasize that developing durable membrane and electrode materials is critical for the AEM technology. In conclusion, this thesis demonstrates that solar-powered AEM electrolyser system represents an environmentally sustainable alternative to fossil fuel–based H2 production pathways. However, this sustainability is largely dependent on the electricity source employed and the operational lifetime of the electrolyser. Future research focusing on reducing material intensity, improving recycling strategies, and enhancing system durability is expected could further improve the environmental profile of AEM technology.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    902095

    Assessment of biomass gasification process via life cycle analysis

    Biyokütle gazlaştırma prosesinin yaşam döngüsü analizi ile değerlendirilmesi

    MEHMET UTKU ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AZİZE AYOL

  2. Tez No

    913046

    Biyogaz/biyometan kullanım senaryolarının karşılaştırılması

    Comparison of biogas/biomethane use scenarios

    RANA TAŞKIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikEge Üniversitesi

    Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİ AZBAR

  3. Tez No

    971314

    Hidrojen enerji kaynağı yakıt olarak değerlendirilmesinde metanol sentezinin çevresel sürdürülebilirlik analizi

    Environmental sustainability analysis of methanol synthesis in the evaluation of hydrogen energy source as a fuel

    HÜSEYİN GÜLEROĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA YUMURTACI

  4. Tez No

    1019783

    Binalarda gömülü karbon ayakizi azaltımı

    Mitigation in embodied carbon footprint in buildings

    AYŞE BARUTCU ÖZKAYALAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Çevre MühendisliğiGiresun Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAŞAK TAŞELİ

  5. Tez No

    828472

    Sustainable energy recovery from green waste, treatment plant sludge, and olive pomace via gasification technology: Evaluation of gasification products for beneficial usage alternatives

    Gazlaştırma teknolojisi ile yeşıl atık arıtma çamuru ve zeytin pirinasından sürdürülebilir enerji geri kazanımı: Yararlı kullanım alternatifleri için gazlaştırma ürünlerinin değerlendirilmesi

    ÖZGÜN TEZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    EnerjiDokuz Eylül Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AZİZE AYOL

Geri Dön