MSc. Volkan Dedeoğlu
South Stream Transport B.V.

Dr. Yelda Erden Topal
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, İktisat Bölümü
ve Bilim ve Teknoloji Politikaları Araştırmaları Merkezi

Prof. Dr. İskender Gökalp**
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü

* Bu makale ilk olarak, STS Turkey. STS: Bir Disiplin Olarak Kimlik İnşası. Necmettin Erbakan Üniversitesi Yayınları: 200. Sosyal İnovasyon Serisi – 04. Editörler: Arsev Umur Aydınoğlu ve ark. ss: 162-179, Mart 2023 referansları ile yayınlanmıştır

** Şimdi, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi, Başkan Danışmanı. TÜBİTAK-MAM, Gebze, Kocaeli. İletişim için eposta: iskender.gokalp@tubitak.gov.tr

 
Özet
Hidrojenin küresel enerji sistemindeki potansiyel rolü çeşitli ülkelerde ve bölgelerde sezinlenmekte ve eylem stratejileri oluşturulmaktadır. Enerji sisteminin ana elemanlarından birinin kimliğindeki değişme (doğal gazın ana bileşeni olan metan molekülünden hidrojen molekülüne geçilmesi), ikisi de gaz halinde olan bu enerji taşıyıcılarının “işbirliği” yapabilecekleri kanısını uyandırmış ve bütünsel enerji sistemini en az etkileyerek hidrojen ekonomisine geçilebileceği beklentisini doğurmuştur. Çalışmamızın amacı, Büyük Boyutlu Toplumsal – Teknik Sistemler (BBTTS) örneği olan enerji sistemleri ve ağlarındaki bir alt-eleman değişikliğinin (enerji taşıyıcısının) sistemin tamamını, diğer BBTTSleri ve hatta toplumsal sistemin bütününü etkileyebileceğini vurgulamaktır. Mevcut doğal gaz hatları ile “doğal gaz + hidrojen” çiftinin taşınabileceği ve bu yanıcı ve yakıcı karışımın mevcut enerji teknolojilerinde sorunsuz kullanılabileceği tasarlanan stratejiler arasındadır. Çalışmamızın ilk sonuçları ise, bu iki cambazın aynı ipte oynamasının pek kolay olmayacağını göstermiştir.

Anahtar Sözcükler: Hidrojen, Doğalgaz, Büyük Ölçekli Sosyo-Teknik Sistemler, Enerji Ağları

The Role of Natural Gas Network in Hydrogen Transportation

Abstract:
The role of hydrogen in the energy sector is strongly perceived and several action strategies are initiated in several countries. It is expected by the hydrogen system promoters that the change in the identity of one of the main elements of the energy system (transition from the methane molecule, main component of natural gas, to the hydrogen molecule) can be handled by a kind of “cooperation” between the two gaseous molecules in order to occasion the least impact on global energy systems. The present study highlights that a change in a sub-element (the energy carrier) of the energy system, which is one of the examples of Large-Scale Social-Technical Systems (LSSTS), may affect the whole energy system and gradually other LSSTSs too, and eventually the overall social system. One of the cooperation strategies envisaged between these two gases is to transport the "natural gas + hydrogen" couple using the existing natural gas pipelines. This combustible mixture is expected to be used in existing energy technologies without any problem, to some extent. The preliminary results of the present study show that it may not be so easy for these two gaseous acrobats to play on the same tightrope.

Keywords: Hydrogen, Natural Gas, Large Scale Socio-Technical Systems, Energy Networks

Giriş

Ulaştırma ve iletişim sistemleri, tarihsel süreç içerisinde birden fazla defa birbirlerinin ağlarını izlemişler hatta kullanmışlar, bazen yerlerini almışlardır. Bunlara tipik bir örnek, biri uzamı diğeri ise zamanı ‘taşıyan’ demiryolu ve telgraf ağlarının yarı-örtüşmesidir. 19. yüzyılın ikinci yarısında, demiryolu sisteminin uzamsal olarak organizasyonu, tüm demiryolu ağı boyunca geçerli olan ‘homojen’ bir zamana ihtiyaç duyduğundan, demiryolu ve telgraf sistemleri birbirlerinin vazgeçilmeziydiler (Gökalp, 1988). Bu iki ağ birbirinden tamamen farklı teknik özelliklere sahip ve farklı türde ‘yükler’ taşıyan, fiziksel olarak da birbirinden farklı ama birbirlerini izleyen ve tamamlayan ‘büyük ölçekli toplumsal-teknik sistemler’ olarak kuruldular (Hughes, 1987; Gökalp, 1992). Demiryolu yolcuları ve çeşitli malları mekânda taşırken, telgraf da çeşitli türde bilgi ve haberlerin zamansal iletimini sağlıyordu.

Bu ilk ağ örtüşmesi örneğinden iki yüzyıla yaklaşan bir süreden sonra, bugünkü iletişim sistemleri, önce ayrılmış olarak gelişen telefon, televizyon ve veri ağlarını tek bir ağda birleştirdikleri için, toplumsal-teknik sistem ağlarının tam olarak örtüşmesinin güzel örneklerini oluşturmaktadır. Bu bütünleşik ağ, ses, görüntü, yazılı ve sayısal veriler gibi farklı türde yükler iletmekte olsa da, aynı elektromanyetik-optik sinyal vektörünü ve tek bir dijital iletişim ağı kullanmaktadır (Gökalp, 1988).

Enerji sistemleri de ‘büyük ölçekli toplumsal-teknik sistemlerin’ başka bir örneğini oluşturmaktadır. Bunlar da çeşitli ağlar kurmuşlardır: elektrik iletimi için güç ağları, sıvı petrol için petrol boru hatları, doğal gaz için gaz boru hatları vb. Bu örneklerde görüldüğü gibi, üretim, iletim, dağıtım ve kullanım özellikleri göz önüne alındığında, her enerji taşıyıcısının kendisine has ağ sistemi vardır. Uyumlu bir şekilde kullanılabilirler, benzer amaçlara hizmet edebilirler, fiziksel anlamda yan yana konumlanabilirler, ancak tamamen bağımsız olarak düzenlenmeleri söz konusu olduğundan birbirlerine ihtiyaçları yoktur. Elbette petrol ve doğal gaz ağlarının, mesela basınçlandırıcı pompalarının, elektriğe ihtiyacı vardır ama bu yapısal bir bağımlılık doğurmaz. Son tahlilde, elektronlar veya elektrik, sıvı ve gaz gibi farklı yükleri taşır ve iletirler.

Enerji sistemlerinin ve ağlarının önemi ve (yeniden) yapılanması, enerji dönüşümünün küresel ölçekteki rolünün artmasıyla giderek daha fazla gündeme gelmektedir. Enerji dönüşümüne, özellikle küresel ısınma ile mücadele ve sürdürülebilirlik hedeflerinin gerçekleştirilmesine ve enerji arz güvenliğine yapabileceği katkılardan dolayı önemli bir rol atfedilmektedir. Enerji alanındaki bu küresel dönüşüm daha çok geleneksel birincil enerji kaynaklarından yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş sürecini akla getirse de, enerji-yoğun sektörlerin yakıt ve ham madde ihtiyacının karşılanması sorunu karbon salımının azaltılması hedeflerinin gerçekleştirilmesinin önündeki en büyük engellerden birisidir.

Bu bağlamda, sürdürülebilir yakıtlara veya enerji taşıyıcılarına geçiş sürecinde, hidrojen alternatif bir ikincil enerji kaynağı veya enerji taşıyıcısı olarak ilgi uyandırmaktadır. İkincil enerji kaynağı olarak çeşitli avantajları arasında üretim yöntemleri çeşitliliği, depolanabilme ve enerji yoğun sektörleri karbondan arındırma potansiyeli hidrojeni çekici bir çözüm haline getirmektedir. Söz konusu enerji dönüşümünde, gaz halindeki yakıtlara veya enerji taşıyıcılarına önemli görevler düşecektir. Bu çalışmanın amacı, ikisi de gaz halinde olan doğal gaz (veya metan gazı) ve hidrojenin birlikteliğinin, enerji sistemleri ve ağlarının örtüşmesi açısından analizini başlatmaktır. Bunu yaparken var olan doğal gaz sistemi ve ağına, hidrojenin sahneye girmesinin etkilerinin neler olabileceğinin araştırılması gerekmektedir. Anlaşılacağı gibi, bu çalışma büyük boyutlu toplumsal-teknik sistemler kapsamında yapılan önceki çalışmalar (Hughes, 1987; Gökalp. 1988, 1992) üzerine inşa edilmiştir ve okuyucular tarafından da bu geniş literatürün bilindiğini varsaymaktadır.

Doğal gaz ve hidrojen

Hidrojenin üretimi, depolanması, iletimi ve dağıtımı, büyük ölçekli sosyo-teknik sistemler olan enerji sistemlerinin ve ağlarının planlanması, inşası ve analizine yeni boyutlar getirmektedir. Hidrojen bir gazdır; bu nedenle, ilke olarak, mevcut doğal gaz şebekeleri ile taşınabilir. Ancak hidrojenin fiziksel özellikleri, mesela yoğunluk, yayılma hızı, birim hacim başına enerji yoğunluğu ve boru hattı malzemeleriyle etkileşimleri açılarından, doğal gazın özelliklerinden çok farklıdır. Bu iki yanıcı gazın oluşturduğu çeşitli teknik riskler de çok farklıdır. Hidrojen, boru hattına yapısal hasar, sızıntı, istenmeyen tutuşma ve patlama açısından daha yüksek riskler oluşturur.
Günümüzde tartışılan önemli bir konu, hidrojenin mevcut doğal gaz şebekesi kullanılarak taşınıp taşınamayacağıdır ve “Hidrojen tek başına veya doğal gazla karıştırılarak ve hangi güvenli oranlarda taşınabilir?” sorusu ile gündeme gelmektedir (Gökalp, 2019). “Yoksa, maliyet ve uygulama koşulları da göz önünde bulundurularak, özel hidrojen iletim ve dağıtım ağları kurmak daha mı anlamlıdır?” Bunlar, bugün iddialı hidrojen ekonomisi stratejilerine sahip birçok ülkede ve Avrupa Birliği veya Uluslararası Enerji Ajansı gibi çeşitli kurumlarda hararetle tartışılan konulardır.

“Doğal gaz ve hidrojen karışımları belli bir oranda mevcut doğal gaz ağ yapısı kullanılarak güvenli bir şekilde iletilebilir” demek gibi net ve bilimsel temelli önermeler yapmak ve kararlar vermek için bugün güvenilir teknik bilgiler oldukça sınırlıdır. Sebebi ise oldukça basittir: Hidrojen, doğal gazın iletimini sorunsuz sağlayan çelik borular ile etkileşime girer. Hidrojenin gaz boru hatlarını kırılganlaştıran, potansiyel olarak çatlaklara ve sızıntı risklerine de sebep olan gevrekleşme sorununun temel nedeni bu etkileşimdir. Bu risk orta ila uzun vadeli bir risktir ve gerçek uzun vadeli koşullar altında izlenmesi, ölçülmesi gerekmektedir; teorik olarak veya sayısal modelleme ve hesaplamalarla öngörülmesi hemen hemen imkansızdır, çünkü bu risk esas olarak etkileşim süresine bağlıdır. Ayrıca doğal gaz boru hatlarının farklı dönemlerde inşa edilen bölümlerinde kolaylıkla öngörebileceğimiz homojen bir risk de değildir ve mevcut ağın yaşına bağlı olarak değişebilmektedir.

Çizdiğimiz bu çerçeveden hareketle, ‘hidrojenin mevcut doğal gaz ağlarıyla taşınması, yeni tür bir ağ örtüşmesinin ilginç bir örneği olarak kabul edilebilir mi, yoksa bu ortaklık beraberinde var olan gaz ağları sisteminin yıkımını ve yeniden yapılanmasını mı gerektirecektir?’ sorusu cevap aradığımız sorudur. Görünen o ki, yeni bir enerji vektörü (hidrojen), yeni bir sosyo-teknik büyük ölçekli sistem oluşturmak için mevcut iletim / dağıtım ağı altyapısını kullanmak veya paylaşmak için yerleşik olanla (yani doğal gaz ağı ile) mücadele edecektir. Bu çalışma, doğal gazın ana bileşeni olan metan gazı ve hidrojen molekülleri arasındaki bu bilimsel-teknik-toplumsal mücadelenin çeşitli unsurlarını ortaya koymanın ilk adımını oluşturmayı hedeflemektedir. Bu amaçla, aşağıdaki bölümlerde, (i) mevcut doğal gaz iletim ve dağıtım ağı hakkında tarihsel bağlamı ile bilgi verilmiş, (ii) hidrojen gazının mevcut doğal gazdan farkları anlatılarak bir tür sosyo-teknik dönüşüm olarak niteleyebileceğimiz bu geçişin olasılığı değerlendirilmiş, ve (iii) sonuç bölümünde, mevcut doğal gaz iletim ve dağıtım ağı yapısı ve bununla bütünleşebilecek veya yerine geçebilecek yeni gaz ağı yapısı ile yeniden şekillenebilecek sistemin olası sonuçları değerlendirilmiştir.

Doğal Gaz Boru Hatlarının Gelişimi

İklim krizi fosil yakıtlara dayalı mevcut altyapıyı sorgulamamıza neden olurken, enerji güvenliği endişelerini tetikleyen krizler sürecin beklenenden daha hızlı ilerlemesine zemin hazırlamaktadır. COP26 zirvesinde ortaya konan ve küresel ısınmayı sanayi devrimi öncesi ortalamanın 1,5 derece üzerinde sınırlama kararlılığı, tepeden aşağı bir yaklaşımla tüm alt sektörleri etkileme potansiyeline sahiptir (BM İklim Değişikliği Konferansı, UK, 2021). Çok yönlü teknik ve sosyo-ekonomik bağımlılıklardan dolayı, enerji altyapılarındaki dönüşümün şekli, zamanı ve ekonomik boyutlarını anlayabilmek için bu sistemlerin tarihsel gelişim evrelerini incelemek gerekmektedir.

Doğal Gaz Ağının Öncülü Hava Gazı Kullanımı

Doğal gazın varlığı eski çağlardan beri bilinse de ticari bir meta olarak kullanımı ve yaygınlaşması oldukça yenidir. Doğal gaz sistemi ve ağlarının büyük ölçekli sosyo-teknik sistemler olarak yaygınlaşmasının temelleri 18. Yüzyılda İngiltere’de atılmıştır. Boru hattı ağı ile taşınarak dağıtımı yapılan ilk gaz ise doğal gaz değil ’town gas‘ veya Türkiye`de bilinen adıyla hava gazıdır (American Public Gas Association, n.d). Kömürden elde edilen ve ‘hava gazı’ olarak bilinen yanıcı gaz karışımının sokakların aydınlatılmasında kullanılması, şehirlere döşenen gaz ağının başlangıç adımlarını oluşturmaktadır. Kömürün oksijensiz ortamda ısıtılması ile elde edilen hava gazı, ağır petrol ve naftadan da elde edilebilmektedir (Towngas, n.d). Hava gazının üretilmesi, temizlenmesi ve dağıtımı, dağıtık üretim sistemlerinden ve ağlarından oluşmaktaydı (Everett vd., 2012). 19. Yüzyılda kentlerde asayişi sağlamak ve yolcu trafiğini düzenlemek amacıyla aydınlatma ihtiyacını gidermeye yönelik olarak ortaya çıkan hava gazı fabrikaları ve buna bağlı dağıtım ağları şehirlere yayılmıştı (Tarr, 2019). Kömürden üretilen havagazı İngiltere`de 1877 ile 1914 yılları arasında, önce aydınlatma daha sonra da evsel tüketimde pişirme amacıyla yaygınlaşmıştı (Arapostathis vd. 2013). Buna rağmen hava gazı ağları hiç bir zaman bugünkü doğal gaz ağları kadar yaygın ve bütünleşik bir sistem yapısına ulaşamamıştır. Bunun nedenleri arasında sınırlı arz ve gazın içerdiği hidrojen nedeniyle yüksek taşıma basınçlarına çıkılmasından kaçınılması durumu söz konusudur.

Doğal gaz öncesi gazlar, üretim sürecine bağlı olarak farklı adlarla anılmıştır. Örneğin ’retort gas‘ kömür yatay izabe ara prosesi ile karbonlaştırma tekniğidir. Bu teknik zamanla dikey izabe prosesi veya buhar enjeksiyonu yöntemleriyle geliştirilerek kömürden karbonmonoksit ve hidrojen gazlarının eldesini arttırmıştır. Sürece eklenen karbürasyon fazıyla birlikte elde edilen daha yüksek kalorifik değere sahip bu gaza ‘su gazı’ (water gas) denir (Liebs, 1985). Süreçteki bu gelişme ihtiyacının arkasında, şehirlerdeki hava kirliliğini azaltma, sülfür gazları ve hidratlaşmanın önüne geçerek süreç güvenliğini arttırma gibi amaçlar yatmaktadır.

Amerika`da 19. Yüzyıl başlarında kullanılmaya başlanan gaz ağı kısa bir süre sonra doğal gaz için de kullanılmaya başlanmıştır (American Public Gas Association). 1936 yılında doğal gaz kullanmaya başlayan Filadelfiya şehri doğal gaz dağıtım şebekesine sahip olan ve bu ağı işleten ilk belediyedir. Kentin dağıtım ağının belediyeler tarafından işletildiği model daha sonra yaygınlaşmış ve özelleştirmelerin de konusu olmuştur.

Bu dönemlerdeki hava gazından doğal gaza geçiş süreci de bir “enerji dönüşümü (energy transition)” örneğidir ve yakıt türündeki değişim, mevcut gaz üretim sistem ve ağına önemli yatırımlar yapılarak sistemin tümüyle evrilmesini getirmiştir (Şekil 1). Bu anlamda hava gazı – doğal gaz dönüşümü, doğal gaz – hidrojen dönüşümünün planlanması için kıymetli ip uçları verebilecek bir örnektir ve dikkatle incelenmesi faydalı olacaktır (Arapostathis ve Pearson, 2019).

Şekil 1: 1920 – 1990 Arasında Hava Gazı Tüketimi
Kaynak: Enerji ve İklim Değişikliği Departmanı
(Department of Energy and Climate Change-DECC), 2011

Aslında, hava gazının tahtını ilk sarsan doğal gaz değil artan elektrik arzı olmuştur. Hava gazı kullanımının ilk amacı sokak aydınlatması olduğundan elektriğin yaygınlaşmasıyla hava gazının bu alanda kullanımı azalmış ve mevcut gaz hatları evsel tüketime yönlendirilmiştir. İngiltere`de 2. Dünya savaşının ardından, ekonomik ve politik değişimler, doğal gaza geçişi hızlandırmıştır (Arapostathis v.d., 2013). 1952`de Londra’da oluşan ve 5 gün süren kömür kaynaklı ölümcül sis bulutu sonrasında, 1956 yılında kabul edilen temiz hava yasası uyarınca kömürün evsel kullanımına kısıtlamalar getirilmiş ve hane halklarının kömür dışındaki yakıtlara geçmelerini sağlayacak mali destekler sistemi kurulmuştur (Martinez, n.d.). Dönüşüm her ne kadar yavaş olsa da, 1962 yılında tekrar eden duman krizi ve 1966`daki Aberfan Felaketi bu konudaki politik kararlılığı ve kamuoyu baskılarını arttırmıştır. İngiltere ve Kıta Avrupası`nda doğal gaza geçiş sürecini ivmelendiren nedenlerden biri de 1950’lerin sonunda Hollanda`nın Groningen kentinde keşfedilen doğal gaz rezervidir (Breunese ve Mijnlieff, 2005). Keşfin ardından Kuzey denizindeki gaz potansiyeli konusunda da umutlar artmış ve 1969 yılında ilk gaz keşfi yapılmıştır (Oil and Gas UK, 2022). 1973 ve 1979 yıllarında yaşanan gelişmeler nedeniyle artan petrol ve doğal gaz fiyatları saha geliştirme ve yeni keşif çabalarını hızlandırmıştır. Kuzey denizinde artan arama ve üretim faaliyetleri hem İngiltere hem de Kıta Avrupa’sının batısında doğal gaz şebekesinin gelişmesine ve şehirlere yayılmasına neden olmuştur. 1980’lere gelindiğinde doğal gaz bölgesel arzın arttığı Avrupa ve ABD’de fiyat istikrarı kazanmıştır (Şekil 2). Bu dönemde arza bağlı olarak doğal gaz ağı bölgesel düzeyde gelişmiş kuzey batı Avrupa’dan başlayarak Avrupa içinde bütünleşmiş bir sisteme dönüşmüştür. Kömür ve Çelik birliği olarak başlayan Avrupa Ekonomik Topluluğu dahilinde, ekonomik ilişkilerin artarak bütünleşmesi, doğal gaz dağıtım ağında da kendini göstermiştir. Doğal gaz arzının Avrupa içinden karşılanıyor olması enerji güvenliği endişelerini de bertaraf etmiştir.

Şekil 2: Avrupa Gaz Fiyatları ve OECD Ham Petrol Fiyatları.
Kaynak : BP İstatistiksel Dünya Enerji Değerlendirmesi , Temmuz 2021

1990`lı yıllarda Avrupa doğal gaz şebekesi, Kuzey Denizinden gelen arzın etkisiyle genişlemiştir. Doğal gaz kömüre oranla düşük karbon ve neredeyse sıfır olan NOx ve sülfür gazları salımı ile büyüyen kentlerin hava kirliliğine çözüm olarak görülmüştür. Aynı zamanda 1986 yılında yaşanan Çernobil nükleer santral faciası da doğal gaz santrallerine ilginin artmasına sebep olmuş ve doğal gaz, petrol, kömür, nükleer gibi diğer birincil enerji kaynakları arasında görece sürdürülebilir bir yakıt olarak öne çıkmıştır. 1996 yılında kabul edilen Kyoto protokolü sonrasında ise doğal gaz bir geçiş yakıtı olarak kabul görmeye başlamıştır.
Öte yandan, 1980ler ve 1990lar boyunca sağlanan fiyat istikrarı, doğal gazı Avrupa’da maliyet uygunluğu açısından da tercih edilebilir seviyeye taşımıştır (Şekil 2). Sonuç olarak, enerji arz kaynağı olarak doğal gaz bugün enerji adaleti dediğimiz ve enerji arz güvenliği, maliyet uygunluğu ve sürdürülebilirlik hedefleri açısından elverişli bir yakıt olarak gündeme gelmiştir (McCauley, 2018). 2000’li yıllarda doğal gaz ağı genişlemiş, hem evsel kullanım hem sanayi üretimi hem de elektrik üretiminde doğal gaz bağımlılığı artmıştır.

İz Bağımlılığı ve Doğal Gaz Bağımlılığı

Bu aşamada İz Bağımlılığı (Path Dependence) teorisinden bahsetmek yerinde olacaktır. Sydow ve arkadaşları tarafından evreleri açıklanan bu yaklaşım, bir sektörü belli bir teknolojiye bağlandığı dönemlere ayırarak analiz etmektedir (Sydow vd., 2009). Buna göre, iz bağlılığı teorisinin üç aşaması, ön-oluşum, olgunlaşma ve kilitlenme aşamalarıdır. Ön-oluşum aşamasında, yeni teknoloji henüz yerleşmemiş diğer teknolojilerle birlikte var olmaya devam etmektedir. Bu süreç içinde mevcut teknolojilerden bir tanesi, ya tesadüfi olaylar ya da diğer teknolojilerin yeterince hazır olmaması nedeniyle öne çıkarabilmektedir (Koch vd, 2009). Doğal gaz başlangıçta hava gazı, kömür gibi diğer yakıtlarla birlikte var olduysa da, şehirlerdeki hava kirliliğinin dayanılmaz boyutlara ulaşması ve Londra’daki ölümcül sis bulutu gibi olaylar bu kaynağı öne çıkarmıştır.

Tesadüfî olaylar veya büyük kazalar sonucunda ortaya çıkan ikinci aşama teknolojinin olgunlaşması aşamasıdır. Olgunlaşma denen bu aşamanın ilk dönemlerinde, sektör büyürken, önceki dönemde gelişen teknoloji kuvvetlenerek geçerliliğini ve karlılığını kanıtlamıştır (Martin ve Sunley, 2006). 1980 ve 1990’lı yıllarda doğal gazın Avrupa’daki gelişimi bu aşamayı temsil etmektedir. Arz desteği artmış ve kaynakla ilgili belirsizlikler ortadan kaybolmuştur. Yerel ağlar birleşerek birbirini kopyalamış ve birbirini tekrarlayan süreç yerleşerek sektörü şekillendirmiştir. Bu aşamada ortaya çıkan Çernobil faciası ve Kyoto protokolü gibi gelişmeler de doğal gaz yatırımlarını destekler yönde gelişmiştir.

Teknolojinin gelişmesini ve yayılmasını devam ettirdiği bu aşamadan sonra, sürecin büyüyüp güçlendiği ve kilitlenme (lock-in) denilen bir döneme geçilir. Sektördeki fırsatların dikkat çekici noktaya geldiği ve dış aktörlerin canlanan sektöre girerek sektörü daha da canlandırdığı bu aşamada, artık genişleme kendi kendine devam eden bir süreç olarak devam eder ve teknoloji kendini kanıtlamış kabul edilir (David, 1988). David`in bu aşamaya yaklaşımı olumlu yöndeyse de kilitlenme aşamasının olumsuz boyutları da ele alınmıştır (Martin ve Sunley, 2006). Kilitlenme aşamasına gelen sektör endüstriyel olarak olgunlaşmış ve kazanımlar genele yayılarak kuvvetlenmiştir. Kurumsallaşmayla birlikte alt yapı güvenilirliği ama kaynak ve alt yapı bağımlığı da artmıştır. Doğal gaz bağımlılığının Avrupa’da 2000’li yıllarda bu noktaya ulaştığı değerlendirilebilir. Artık Kuzey Denizindeki üretim genişleyen Avrupa tüketimini karşılayamaz olmuş ve ithalat alt yapısının kurulması için çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Sektördeki kararlılık, kentlerin hava kirliliğindeki düzelme, sistem güvenliğinin artması, sektörün kurumsallaşmasıyla artan üretim kalitesi ve buna bağlı olarak azalan maliyetler doğal gaz sisteminin avantajlarını oluştururken, bağımlılık nedeniyle dış kaynaklara ihtiyacın giderek artması, henüz bütünleşik ağ oluşmaması nedeniyle sistemsel sıkıntıların hem elektrik hem doğal gaz arzını tehdit etmesi olumsuzluklar olarak kendini göstermeye başlamıştır ve doğal gazın hidrojen ile zenginleştirme konusunu anlamamız için önemlidir.

Sydow, Schreyögg ve Koch (2009), David (1988)’in iz bağımlılığı modelini bir adım öteye götürmüşler ve yeşermekte olan ancak henüz olgunlaşmamış yeni teknolojilerin yerleşmiş sistemin dinamiklerini yerinden oynatabileceklerini öne sürmüşlerdir. Bu dönüşüm sürecine yaratıcı yıkım da denmektedir. Bu sürecin jeopolitik gerginliklerin Avrupa doğal gaz arzına etkileriyle başladığını söylemek mümkündür. Bu bağlamda, doğal gazın rolünü rezerv olarak değil ama ikincil enerji kaynakları veya enerji taşıyıcıları açısından ikame edebilecek, mevcut sistemle uyumlu ve mevcut gereksinimlere hızlı cevap verebilecek hidrojen öne çıkmıştır. İkame yakıtlar (veya enerji taşıyıcıları) ortaya çıksa da bu mevcut yakıtların ortadan hemen kaybolacağı anlamına gelmez. Başka bir sektörden örnek olarak, dijital alt yapının ortaya çıkmasından uzun süre sonra bile analog sistemlerin varlığını sürdürdüğü hatırlatılabilir. Enerji alanında da, petrol ve doğal gaz çok önemli kaynaklar olarak ortaya çıksa da kömür tüm dünyada kullanılmaya devam etmektedir. Dolayısıyla hidrojen teknolojilerinin ortaya çıkmasının da doğal gaza olan talebi tümüyle ortadan kaldırmayacağı öngörülebilir.

Hidrojenin Doğal Gaz veya Metan Gazından Farkları Nelerdir?

Hava gazı konusu üzerindeki geçmiş çalışmalar, gazın içerdiği hidrojen oranının yüksek olması nedeniyle, bugün doğal gaz sistemlerinin hidrojen ile zenginleştirilmesi projeleri açısından oldukça önemlidir. Öte yandan bugün doğal gaz ağı çok daha geniş ve karmaşık bir sistem oluşturmaktadır. Ayrıca yakıt içeriğinde oluşacak değişimler sadece ağın kendisini değil aynı zamanda çok farklı sistem ve ekipmanlara sahip olan son kullanıcıları da etkileyecektir.

Periyodik cetvelin ilk elementi olan hidrojen evrenin yaklaşık 4`te 3`ünü oluşturur ama elementel hidrojen nadir bulunur. Hidrojen gazı renksiz ve kokusuzdur. Hidrojene doğada en fazla diğer yaygın elementler olan oksijen, karbon ve azot ile yaptığı bileşikler içerisinde rastlanır. Yanıcı özellikleri 18. Yüzyıldan beri bilinen hidrojenin doğal gazdan önemli farklılıkları vardır. Öncelikle doğal gaz bir karışımdır ve içeriği ağırlıklı olarak metan olmak üzere (%92-98 oranında) doymuş alifatik hidrokarbon veya alkan gruplarından oluşur. Doğal gazın içerisinde düşük miktarda azot, oksijen ve kükürtlü bileşiklerin belli sınırlar dahiline bulunması kabul edilir. Doğal gazın yoğunluğu hidrojen yoğunluğunun yaklaşık 10 katı kadardır. Hidrojen yakılması sonucu ortaya çıkan kütlesel ısıl değer açısından daha verimli olsa da hacimsel olarak kıyaslandığında durum değişmektedir. Dolayısıyla hidrojenin kütle esaslı enerji yoğunluğu yüksekse de, boru hatlarıyla taşıma basınç altında ve gaz formunda olduğundan, doğal gazın hacimsel olarak %20 oranında hidrojenle karıştırılması toplam enerji içeriğinin %14 kadar düşmesi anlamına gelmektedir. Bu durum sistemin aynı miktarda enerji taşıyabilmesi için ağ işletme basınçlarının değiştirilmesi gerekliliğini de ortaya çıkarır ve tüm ağ tasarım parametrelerinin gözden geçirilmesi gerektiği anlamı taşır.

Mevcut Doğal Gaz Şebekesinin İşleyişi

Doğal gaz dağıtım hatları, üretim sistemlerinden gelen yüksek basınçlı iletim hatları ile beslenir ve hem sanayinin hem de konutların taleplerinin karşılanmasını sağlar. Burada tümüyle yeknesak bir sistem yerine elektrik dağıtım ağlarında olduğu gibi talep ve taşıma ihtiyacına uygun farklı kademelerden söz etmek mümkündür. Ulusal ağ kendi içinde gazın akış hızı ve basınç değerlerine göre katmanlı bir yapıdadır ve sistem tasarımı da buna uygun olarak yapılmıştır. Birinci kademeyi yüksek basınç aralığında çalışan bütünleşik ana dağıtım şebekesi oluşturur. Uluslararası boru hatları, depolama tesisleri, sıvılaştırılmış doğal gazı (LNG) gazlaştırma tesisleri bu ağ ile bütünleşiktir. Bu ağ tüm doğal gaz giriş ve çıkış noktalarını birbirine bağladığı gibi kimi zaman diğer ülkelerin şebekeleriyle de bağlantısı mevcuttur. Dağıtık sistemleri birbirine bağlayarak ortak ulusal ağı meydana getiren bu hatlar sistemin yaygınlığı ve kullanım kapasitesine göre farklı basınçlarda gaz taşır. Bu hatların karbon çelik borulardan oluştuğu ve hidrojenin bu malzemeye nüfuz ederek zayıflaştırdığı dikkatten kaçmamalıdır. Var olan gaz iletim ve dağıtım ağları doğal gaza göre tasarlanmış yüzlerce vana, ölçüm istasyonu, bağlantı elemanı, basınç düşürme istasyonu ve kompresörden oluşur. Dolayısıyla hidrojenin var olan ağ sistemini kullanması sorunsuz ve kolay olmayacaktır.

Sonuç: Bu İki Molekülün Birlikte Yaşama Kuralları Ne Olabilir ? Veya Bir İpte İki Gaz Cambazı oynar mı ?

Yukarıda hatırlatıldığı gibi, doğal gaz tek bir molekülden oluşmamaktadır. Ağırlıklı olarak metan ve etan, propan, bütan gibi kararlı alkan grubu gazların karışımından oluşur. Doğal gaz yeraltından çıkartıldıktan sonra bir dizi temizleme ve şartlandırma süreçlerine tabi tutulur ve boru hatları veya LNG tankerleri ile taşınır. Ana iletim boru hatlarından dağıtım ağına girişte ve ağ içindeki bazı noktalarda gazın kalitesi ölçülür. Su yoğuşma noktası, hidrokarbon yoğuşma noktası ölçümleri ile ve gazın bileşenlerinin oranları sayesinde gazın kalorifik ısı değeri hesaplamaları gazın kalite değerlerini oluşturur. Ayrıca sülfür bileşenlerine de bakılır ki bu hem iletim sisteminin kendisi için hem de son kullanıcı ekipmanlarının sağlıklı çalışabilmesi için gereklidir. Sülfür bileşenlerinin su içeriğiyle oluşturduğu asidik çözeltiler özellikle karbon çelik sistem elemanlarında çok hızlı bir korozyona neden olur ve hem ekonomik hem de güvenlik riskleri oluşturur. Bu ölçümler aynı zamanda gazın enerji karşılığının hesaplanmasında da kullanıldığı için ekonomik önemi de vardır.

Doğal gaza hidrojen karıştırılması sürecinde, ana iletim ağından ziyade sistemin daha düşük basınçlı alt bağlantıları hedeflenmektedir. Böylece, hidrojenin yüksek basınçlara çıkarılma maliyetinden kaçınılacağı gibi alınması gereken risk önleyici teknik tedbirlerin maliyetlerinin de daha düşük tutulması mümkündür. Yine de doğal gaza hidrojen ilave edilmesinin sistem üzerinde yeni yatırımlar gerektireceği bir gerçektir. Hidrojenin doğal gaz ağlarında yaygın kullanımı bu küçük molekülün sistemden kaçması ile oluşabilecek gaz kayıplarını ve bu kaçakların neden olabileceği yangın risklerini artırabilecektir. Bunun yanında hidrojenin tutuşabilecek karışım sınırlarının doğal gaz – hava karışımlarına göre daha geniş olması ve görünürlüğü zayıf olan hidrojen alevi yangınlarının tespitinin zorluğu güvenlik risklerini arttırmaktadır. Bu nedenle dönüşüm aşamasında hem taşıma sisteminin ilgili bölümlerinde hem de son kullanıcı tarafında kapsamlı risk değerlendirmesi yapılması önem taşımaktadır (Kart ve Gökalp, 2022). Doğal gaz ağının yıllar içindeki gelişimi ve alınan dersler hem uluslararası standartların hem de kullanma mevzuatının kuvvetlendirilmesine neden olmuştur. Hidrojen dönüşümünün sağlıklı olabilmesi ve toplumsal kabulün dönüşüme eşlik edebilmesi için ilgili teknik standartların ve mevzuatın en kısa sürede oluşturulması gerekmektedir. Sistemin en kırılgan bölümleri mevcut standartlara zorlukla uyan eski alt yapı elemanlarıdır. Sistemde oluşabilecek büyük ve tekrar eden kazalar dönüşümü engelleyerek hidrojenin dağıtım şebekesinde kullanımı potansiyelinin sonsuza dek rafa kalkmasına sebep olabilecektir.

Var olan doğal gaz dağıtım ağı, ön çalışmalara göre doğal gazın kesin olarak belirlenmemiş ve tüm ilgili ülkeler tarafından genel olarak kabul edilmemiş bir seviyeye kadar hidrojen ile karıştırılarak sistemde kullanılmasına elverişli olarak değerlendirilmektedir. Bu güvenli karışım seviyesinin kesinleştirilmesi ve küresel olarak kabul edilmesi elzemdir. Bu tam anlamıyla teknik bir konudur ve “toplumsal olarak kabul edilebilecek risk seviyesi” gibi kavramlarla bağdaştırılması zordur.

Taşıma şebekesinin dönüşümü ile birlikte son kullanıcı açısından da gazın bileşenlerinin değişmesi ciddi sonuçlar doğurabilecektir. Bu nedenle evsel ve sanayi kullanımı ve güç santrallerinin gazla arayüzü olan tüm ekipmanlarının risk değerlendirmelerinin yapılması önem arz etmektedir. Bu değerlendirmenin henüz yapılmamış olması pek anlaşılabilir bir durum değildir ve STS çalışmalarının acilen odaklanması gereken alanlardan bir tanesidir. Hidrojen ekonomisinin gelişmesinin ve yaygınlaşmasının getirebileceği risk durumlarının analizinin “ihtiyat ilkesi” kavramı etrafında geliştirilmesi verimli yaklaşımlardan bir tanesidir (Kart ve Gökalp. 2022).
Teknik anlamda bahsedilen risklerin göz ardı edilerek dönüşümün doğru şekilde yapılmaması yüksek potansiyelli kazalara veya “ramak kalalara” neden olursa hidrojen gibi yeni teknolojilerin yaygınlaşarak sosyo-teknik sistem içerisinde yer bulması kolaylıkla mümkün olamayacak ve bu da enerji dönüşümünü kısıtlayacaktır. Henüz yaygın olarak kullanılan alternatif enerji teknolojilerinden biri olmadığı için, doğal gaz şebekeleriyle ilintili pilot uygulamalardan yola çıkılarak hidrojen teknolojilerinin boru hatları ile taşınması ve bu teknolojilerin yayılmasının olanakları incelenmelidir. Eski teknolojiye karşı kamu politikalarının belirli bir tekniği ön plana çıkarması da teknolojinin yayılmasını destekleyecek teşvik yöntemlerinden biridir (picking the winners). Bunun beraberinde hedeflerin net şekilde belirlenip buna dönük politikalar oluşturulması ve teşvikler verilmesi, ama belirli bir tekniğin özellikle teşvikinden kaçınılmasını da düşünülebilir.

Bu çalışmanın ana amacı, Büyük Boyutlu Toplumsal – Teknik Sistemlerin örneklerinden bir tanesi olan enerji sistemleri ve ağlarında yapılacak bir alt-eleman değişikliğinin (burada gaz boru hatlarında iletilen ve dağıtılan enerji taşıyıcısı) enerji sisteminin bütününü ve giderek diğer toplumsal-teknik sistemleri (mesela ulaşım sistemlerini) ve hatta genel toplumsal sistemin bütününü (üretim zincirlerini, toplumun maruz kalabileceği risk seviyelerini, dolayısıyla toplumun var olan sosyo-politik ve ekonomik sisteme güvenirliğini) etkileyebileceğini vurgulamaktır. Hidrojenin küresel sistemde oynayabileceği önemli rol çeşitli kamu ve özel sektör aktörleri tarafından sezinlenmekte ve eylem stratejileri oluşturulmaktadır. Enerji sisteminin ana elemanlarından bir tanesinin kimliğindeki değişmenin (metan molekülünden hidrojen molekülüne geçilmesi), her iki enerji taşıyıcısının da gaz halinde olduğu düşünülerek, iki molekül arasında bir işbirliği kapsamında ve dolayısıyla bütünsel enerji sistemini en az etkileyerek gerçekleştirilebileceği beklentisini doğurmuştur. Var olan doğal gaz hatları ile “doğal gaz + hidrojen” çiftinin taşınabileceği ve bu yanıcı ve yakıcı karışımın var olan enerji teknolojilerinde (mesela gaz türbinlerine veya evsel ocaklarda) sorunsuz kullanılabileceği düşünülmüştür. Bu başlangıç çalışmamızın ilk sonuçları ise, bu iki cambazın aynı ipte oynamasının pek kolay olmayacağını göstermiştir. Gelecekteki çalışmalarımızda bu makaledeki sezinlemeler derinleştirilecek ve kuvvetlendirilecektir.

Teşekkür:
Bu çalışma, TÜBİTAK BİDEB 2232 Uluslararası Lider Araştırmacılar Programı tarafından desteklenmektedir (Proje No: 118C287).

Kaynaklar
American Public Gas Association. (n.d.). A Brief History of Natural Gas. https://www.apga.org/aboutus/facts/history-of-natural-gas
Arapostathis, S., Carlsson-Hyslop, A., Pearson, P. J. G., Thornton, J., Gradillas, M., Laczay, S., & Wallis, S. (2013). Governing transitions: Cases and insights from two periods in the history of the UK gas industry. Energy Policy, 52, 25–44. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2012.08.016
Arapostathis, S., ve Pearson, P. J. G (2019). How History Matters for the Governance of Sociotechnical Transitions: An introduction to the special issue. Environmental Innovation and Societal Transitions, 32: 1–6
BM İklim Değişikliği Konferansı, UK 2021. (n.d.). https://ukcop26.org/uk-presidency/priorities/
BP Statistical Review of World Energy (2021), https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2021-full-report.pdf
Breunese, J. ve Mijnlieff, H. (2005). The life cycle of the Netherlands’ natural gas exploration: 40 years after Groningen, where are we now? Geological Society, London, Petroleum Geology Conference Series, 6(1), 69–75.
David, P. A. (1988). Path Dependence: Putting the Past into the Future of Economics, The Economic Series Technical Report 533.
Department of Energy and Climate Change-DECC (2011), https://www.gov.uk/government/collections/2011-15-department-of-energy-and-climate-change-rpc-opinions
Everett, B.; Boyle, G.; Peake, S.; Ramage, J. (2012). Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future (2nd ed.). Oxford University Press.
Gökalp İskender (1988). Global networks: space and time. In Global telecommunication networks. Strategic considerations. A report fom the FAST programme of the Commission of the European Communities. (Ed. by G. Muskens and J. Gruppellar), pp. 185-210 Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Holland
Gökalp, Iskender (1992) On the analysis of large technical systems. Science, Technology and Human Values 17(1): 57-78
Gökalp, Iskender (2019) A holistic approach to promote the safe development of hydrogen as an energy vector. Proceedings of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Vol. 2: 21-26 April 2019, Saint Petersburg, Russia, DOI 10.18720/SPBPU/2/k19-127
Hughes, T. P. (1987) The evolution of large technological systems. in The social construction of technological systems, edited by W. Bijker, T. P. Hughes, and T. Pinch, 51-82. Cambridge: MIT Press.
Kart, A.Ş, ve Gökalp, İ. (2023) Hidrojenle Karbonsuzlaştırma: Teknik, Ekonomik ve Hukuksal Boyutların Çatışması. STS Turkey. STS: Bir Disiplin Olarak Kimlik İnşası. Necmettin Erbakan Üniversitesi Yayınları: 200. Sosyal İnovasyon Serisi – 04. Editörler: Arsev Umur Aydınoğlu ve ark. ss: 136-160, Mart 2023
Koch, J.; Eisend, M.; Petermann, A. (2009). Path Dependence in Decision-Making Processes: Exploring the Impact of Complexity under Increasing Returns. BuR Business Research Journal, 2(1), 67–84.
Liebs, L. H. (1985). Town Gas: An Overview'¯: AGA Distribution/Transmission Conference. Brooklyn Union Gas Company.
Martin, R., & Sunley, P. (2006). Path dependence and regional economic evolution. Journal of Economic Geography, 6(4), 395–437. https://doi.org/10.1093/jeg/lbl012
Martinez, J. (n.d.). Great Smog of London. In Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/event/Great-Smog-of-London
McCauley, D. (2018). Global Energy Justice. In Energy Justice, Palgrave Macmillan, Cham. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-3-319-62494-5_1
Oil and Gas UK. (2022). Key Dates in UK Offshore Oil and Gas Production. https://web.archive.org/web/20090209225959/http://www.ukooa.co.uk/education/dates/v0000091.cfm
Royal Society of Chemistry. (n.d.). Hydrogen. Retrieved January 12, 2022, from https://www.rsc.org/periodic-table/element/1/hydrogen
Sydow, J., Schreyögg, G., & Koch, J. (2009). Organizational path dependence: Opening the black box. Academy of Management Review, 34(4), 689–709.
Tarr, Joel (2019). Lighting the streets, alleys, and parks of the smoky city, 1816–1930. Pennsylvania History: A Journal of Mid-atlantic Studies, vol. 86(3): 316-334.
Towngas. (n.d.). Gas Production. https://www.towngas.com/en/About-Us/Hong-Kong-Gas-Business/Gas-Production.