Suyun Elektrolizi

Suyun elektrolizi, sulu bir elektrolit içinden doğrudan elektrik akımı geçirilerek suyun, bileşenleri olan hidrojen ve oksijen gazlarına elektrolitik olarak ayrışmasıdır.^[1] Genel kimyasal reaksiyon şöyledir:
$$2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}$$
Bu süreçte, hidroksit iyonlarının veya su moleküllerinin oksidasyonu anotta oksijen üretirken, suyun indirgenmesi katotta hidrojen üretir.^[2] İlk olarak 1800 yılında William Nicholson ve Anthony Carlisle tarafından Alessandro Volta’nın elektrokimyasal pili kullanılarak gösterilen bu işlem, standart koşullar altında minimum 1.23 voltluk teorik bir voltaj gerektirir; ancak pratik aşırı potansiyeller (overpotentials) daha yüksek uygulanan voltajları zorunlu kılar ve bu da enerji verimliliğinin tipik olarak %80’in altında kalmasına neden olur.^[3][4] Öncelikle laboratuvar ölçeğinde hidrojen üretimi için ve giderek artan bir şekilde güneş veya rüzgar gibi kesintili kaynaklardan gelen fazla elektrikle güçlendirildiğinde endüstriyel ölçekte yenilenebilir hidrojen üretimi için kullanılan elektroliz, elektrik enerjisini depolanabilir kimyasal enerjiye dönüştürür, ancak net enerji üretimini engelleyen doğal termodinamik kayıplara maruz kalır.^[4] Temel varyantlar arasında, her biri farklı çalışma koşulları ve verimlilikler için optimize edilmiş alkali elektroliz, proton değişim membranlı (PEM) sistemler ve katı oksit elektrolizi yer alır.^[5]

Tarihçe

Erken Gözlemler ve Temel Keşifler

Elektrik kullanılarak suyun ayrıştırılmasına yönelik bilinen en eski girişim 1789’da gerçekleşti; Hollandalı kimyagerler Jan Rudolph Deiman ve Adriaan Paets van Troostwijk, suya batırılmış altın elektrotlara sahip bir elektrostatik jeneratör kullanarak kısmi ayrışmayı gösteren gaz kabarcığı oluşumunu gözlemlediler.^[6] Ancak, statik elektrikten kaynaklanan aralıklı yüksek voltajlı kıvılcımlar, üretilen gazların net bir şekilde tanımlanmasını engelleyerek tutarlı sonuçlar vermeyen sınırlı bir reaksiyona neden oldu.^[7]

Mayıs 1800’de, Alessandro Volta’nın sürekli elektrik akımı sağlayan bir cihaz olan “voltaik pil”i duyurmasından kısa bir süre sonra, İngiliz kimyager William Nicholson ve cerrah Anthony Carlisle bağımsız olarak suyun elektrolizini gösterdiler; pilin negatif terminaline bağlı telde yanıcı gaz (hidrojen) ve pozitif terminalde solunabilir gaz (oksijen) topladılar.^[8] Eş zamanlı olarak, Alman fizikçi Johann Wilhelm Ritter deneyi tekrarladı ve açığa çıkan gaz hacimlerinin ilk nicel ölçümünü yaparak hidrojenin oksijene stokiyometrik oranının 2:1 olduğunu doğruladı.^[9] Bu gözlemler, elektriğin suyu elementel gazlarına ayırma kapasitesini kanıtlayarak elektrolizin ampirik temelini oluşturdu.

1806’ya gelindiğinde, Humphry Davy, çözünmüş havayı ve safsızlıkları titizlikle dışlayan yüksek oranda saflaştırılmış damıtılmış su kullanarak süreci geliştirdi; deneyleri, anodik asit oluşumu olmaksızın yalnızca hidrojen ve oksijen verdi ve ayrışmanın kirleticilerden ziyade saf su üzerindeki elektriksel eylemin doğrudan bir sonucu olduğunu doğruladı.^[10] Davy’nin çalışması bu bulguları, gazların açığa çıkışını elektriksel kuvvetler tarafından aşılan kimyasal afinitenin kanıtı olarak yorumlayarak, gelişmekte olan atom teorisiyle ilişkilendirdi.

İlk ilkelerden yola çıkıldığında, doğru akım (DC) elektroliz için esastır çünkü kalıcı elektrot kutupları dayatır; bu, katyonların (su iyonlaşmasından gelen $H^+$ gibi) hidrojen olarak indirgenmek üzere katoda, anyonların ( $OH^-$ gibi) ise oksijen olarak oksitlenmek üzere anoda tek yönlü göç etmesini sağlar; alternatif akım (AC) kutupları döngüsel olarak tersine çevirerek iyon taşınımını nötralize eder ve net ayrışmayı engeller.^[11] Statik elektriğin geçici deşarjlarında bulunmayan bu tek yönlü akış, voltaik pilin gözlemlenebilir, tekrarlanabilir etkiler için sabit polarite sağlamadaki devrim niteliğindeki rolünü vurgular.^[8]

19. Yüzyıl Gelişmeleri ve Ticarileştirme Girişimleri

19. yüzyılın başlarında, Humphry Davy, 1800’deki ilk deneylerden daha önemli gaz verimlerine izin veren ve elementlerin sulu çözeltilerden izole edilmesini kolaylaştıran geniş voltaik piller kullanarak su ayrıştırma yöntemlerini geliştirdi.^[12] Bu kurulumlar stokiyometrik hidrojen ve oksijen karışımları üretti, ancak Davy doğal riskleri vurguladı; çünkü oksi-hidrojen gazı, minimum provokasyonla tutuşan patlayıcı bileşimleri kolayca oluşturuyor ve sıkı önlemler alınmadan pratik kullanımı sınırlıyordu.^[13]

1800’lerin ortalarına gelindiğinde, mucitler aydınlatmada oksi-hidrojen meşaleleri veya kimyasal süreçlerde hammadde olarak endüstriyel hidrojen üretimi için ölçeklendirilmiş elektrolitik aparatlar için patentler aradılar; ancak bu girişimler, birincil pillerden veya yeni doğan dinamolardan elde edilen elektriğin fahiş maliyeti nedeniyle başarısız oldu ve çinko-asit reaksiyonları gibi rakip yöntemlerin uygulanabilirliğini aştı.^[14] Elektriğin kıtlığı—laboratuvar voltaik hücreleri veya verimsiz mekanik jeneratörlerle sınırlı olması—elektrolizi ekonomik olmayan bir hale getirdi, çünkü su bağlarını kırmak için gereken enerji girdisi, gaz rekombinasyonundan geri kazanılabilir çıktıyı aşıyordu; bu termodinamik uyumsuzluk, %50’nin altındaki erken verimlilik ölçümlerinde belirgindi.^[15]

August Wilhelm von Hofmann’ın 1866 tarihli voltammetresi, Faraday yasaları tarafından tahmin edilen 2:1 hidrojen-oksijen oranını ayrı ayrı toplamak ve hacimsel olarak ölçmek için birbirine bağlı dikey tüpler içeren önemli bir enstrümantal ilerlemeyi işaret etti; bu cihaz, toplu üretime olanak sağlamaktan ziyade ayrışma stokiyometrisini doğrulamada eğitimsel ve analitik amaçlara hizmet etti.^[16] Seyreltik sülfürik asit elektrolitleri için tasarlanan cihaz, elektrot polarizasyon kayıplarını vurguladı ancak ölçeklenebilirlik veya maliyet azaltma konusunda hiçbir atılım sunmadı.^[17]

19. yüzyılın sonlarındaki çabalar, Fransız askeri hava gemilerini şişirmek için Charles Renard’ın 1890 civarındaki üniteleri de dahil olmak üzere, geçici ticarileştirme adımlarını temsil ediyordu; ancak üretim, tesis başına günde 100 metreküpün altında kaldığı tahmin edilerek marjinal düzeydeydi. Alkali veya asit hücrelerindeki kalıcı elektrik maliyetleri ve malzeme korozyonu, yaygın benimsenmeyi 20. yüzyılda daha ucuz güç kaynakları ortaya çıkana kadar erteledi.^[14] Bu kısıtlamalar, bol kömür veya buharın reformlama veya kısmi oksidasyon yoluyla elektrolitik enerji taleplerinin çok altında hidrojeni mümkün kıldığı fosil kaynaklı alternatiflere karşı elektrolizin ikincil konumunu vurguladı.^[15]

20. Yüzyıl İlerlemeleri ve Endüstriyel Ölçeklendirme

I. Dünya Savaşı sırasında, sert hava gemilerini şişirmek ve oksi-yakıt kaynağı uygulamaları için hidrojene olan talep, büyük ölçekli alkali su elektroliz tesislerinin inşasını teşvik etti; çünkü elektrolitik hidrojen üretimi, safsızlıklara ve patlamalara yatkın kömür gazlaştırma yöntemlerine göre daha güvenli bir alternatif sunuyordu.^[14] 1920’lere gelindiğinde, nikel elektrotlar ve potasyum hidroksit elektrolitleri içeren alkali elektrolizör tasarımındaki ilerlemeler, ünite başına 10.000 Nm³/saat’i aşan endüstriyel kapasitelere olanak tanıdı; oksijen çıkışındaki kalıcı aşırı potansiyeller nedeniyle erken tesisler üst ısıl değere dayalı olarak %50-60 civarında yığın verimliliğine ulaştı.^[18] Norveç’te, Norsk Hydro 1927’de Rjukan tesisinde bol hidroelektrikle çalışan bir pilot alkali elektrolizör devreye aldı ve 1928’de gübre öncüsü üretimi için tam ölçekli operasyona ulaştı; bu tesis, düşük maliyetli yenilenebilir elektriğin elektrolizin termodinamik verimsizliklerini nasıl dengeleyebileceğini örnekleyerek, ithal alternatiflerle rekabetçi maliyetlerle saatte 1.800 kg’a kadar hidrojen üretti.^[19]

II. Dünya Savaşı, tıbbi ve kaynak kullanımları için saf oksijen ile Almanya ve işgal altındaki bölgelerde sentetik yakıtlar için hidrojene öncelik verilmesiyle ölçeklendirmeyi daha da hızlandırdı; Norveç’teki Vemork gibi tesisler, hidrojen-döteryum değişimi yoluyla ağır su üretimi için elektrolizi entegre etti ve 1940’larda 100-165 MW toplam güç girdisine sahip modüler yığın tasarımlarını sergiledi.^[20] Savaş sonrası, alkali sistemler endüstriyel uygulamalara hakim oldu, ancak verimlilikler genel sistem düzeyinde %50-70’te durağanlaştı; elektrot bozulması, kabarcık yönetimi ve ohmik kayıplar, çalışma voltajlarını hücre başına 1.8-2.4 V’a (1.23 V termodinamik minimumun çok üzerine) yükselterek, sübvansiyonlu güç olmadan maliyetleri engelleyici hale getirdi.^[21] 1950’ler-1960’lar tesislerinden elde edilen ampirik veriler, fosil alternatiflerini destekleyen geri döndürülemez anot kinetiği gibi nedensel engelleri vurgulayarak, 2-4 $/kg (2020’ler dolarına uyarlanmış) hidrojen üretim giderlerini gösterdi.^[22]

1960’larda NASA’nın uzay programı, rejeneratif yakıt hücresi sistemlerinde kompakt, yüksek saflıkta hidrojen ve oksijen üretimi için proton değişim membranı (PEM) elektrolizi gelişimini yönlendirdi; ilk prototipler Gemini görevleri sırasında uzay aracı yaşam desteği için test edildi. Bu katı polimer elektrolitler, alkali sistemlerin sıvı korozyon sorunlarını ortadan kaldırarak düşük basınçlarda %70’e yaklaşan verimlilikler sağladı, ancak değerli metal katalizörleri nedeniyle daha yüksek sermaye maliyetlerine sahipti.^[23] 1970’lerin petrol krizleri, ABD Enerji Bakanlığı programlarının fosil bağımlılığına karşı bir koruma olarak elektroliz Ar-Ge’sine milyonlar ayırması gibi hükümet yatırımlarını teşvik etti, ancak gerçek dünya ölçeklendirmesi, yük altında nadiren 1.8 V’un altına düşen hücre voltajlarıyla kalıcı aşırı potansiyel hakimiyetini ortaya çıkardı.^[24]

1970’lerin sonlarına gelindiğinde, ucuz doğal gaz, buhar metan reformlamanın (SMR) endüstriyel hidrojen talebinin %95’inden fazlasını ele geçirmesini sağladı; çünkü daha düşük enerji yoğunluğu (%70-85 verimlilikte endotermik reformlama) ve entegre ısı geri kazanımı, elektrolizin bedava güç olmadan 3-5 $/kg maliyetine kıyasla 1 $/kg’ın altında maliyetler sağladı. Norveç üniteleri de dahil olmak üzere birçok büyük elektrolizör, SMR tesisleri çoğaldıkça rafa kaldırıldı ve elektrolizi, şebeke elektriğinin 10¢/kWh’yi aştığı niş hidroelektrik veya esir kullanımlarla sınırladı.^[25] Bu ekonomik dönüşüm, savaş zamanı ölçeklenebilirlik kanıtlarına rağmen, SMR’nin kısmi oksidasyon yollarına kıyasla elektriğin tam dönüşüm kayıplarına güvenmesi şeklindeki elektrolizin temel dezavantajını vurguladı.^[26]

Son Gelişmeler (2000–2025)

2000’li yıllarda, proton değişim membranı (PEM) elektrolizi, kompakt tasarımı ve taşınabilir uygulamalara uygunluğu ile öne çıktı; daha ince membranlar ve geliştirilmiş katalizörler sayesinde maliyetler 2000 yılında kW başına 17.500 $’dan 2020’de yaklaşık 1.300 $’a düştü.^[27] Bu dönem, kesintili yenilenebilir enerjilerle entegrasyonu vurguladı, ancak uzun vadeli uyumluluğun ampirik gösterimleri sınırlı kaldı.^[28]

2010’lar, ölçeklenebilirlik zorluklarını ele almak için AEM için değerli olmayan metal katalizörlerden ve SOEC için yüksek sıcaklık verimliliğinden yararlanan anyon değişim membranı (AEM) ve katı oksit elektroliz hücrelerinin (SOEC) pilot ölçekli dağıtımlarını gördü.^[29][30] Bu teknolojiler platin grubu metallere olan bağımlılığı azaltmayı amaçladı, ancak operasyonel pilotlar yenilenebilir kaynaklardan gelen değişken yükler altında dayanıklılık sorunlarını vurguladı.^[5]

2020’den itibaren politika girişimleri kapasite artışını hızlandırdı; Avrupa Birliği’nin Hidrojen Stratejisi, yenilenebilir bağlantılı projelere yönelik sübvansiyonlarla 2024 yılına kadar 6 GW ve 2030 yılına kadar 40 GW elektrolizör hedefledi.^[31] Çin, yerli tedarik zincirlerine odaklanarak 500 MW’lık bir tesis ve 100 MW’a kadar ülke çapında test platformları dahil olmak üzere büyük ölçekli pilotları ilerletti.^[32] Küresel kurulu kapasite 2024 yılına kadar 2 GW’a ulaştı ve 2025 ortasına kadar ağırlıklı olarak alkali ve PEM sistemleri olmak üzere 1 GW daha eklendi.^[33]

Deniz suyu elektrolizindeki gelişmeler 2020 sonrası kilit bir odak noktası olarak ortaya çıktı; katalizör tasarımları, tuzdan arındırma olmadan doğrudan operasyon için klorür korozyonunu ve safsızlık etkilerini hafifletti.^[34] Nikel-demir (Ni/Fe) katmanlı çift hidroksitlerdeki iyileştirmeler, doping veya yapısal ayarlama yoluyla, alkali koşullarda oksijen evrimi reaksiyon kararlılığını artırdı ve aşırı potansiyelleri azalttı.^[35][36] Bu atılımlara rağmen, elektrolizden hidrojen üretim maliyetleri, buhar metan reformlamadan 2-3 kat daha yüksek (yaklaşık 5-6 $/kg’a karşı 1-2 $/kg) kalarak kalıcı ekonomik uçurumların altını çizdi.^[37] Yenilenebilir enerjilerle entegrasyon, elektrolizörlerin büyük ölçekli operasyonlarda değişken güç girdileriyle uyumluluğu tam olarak kanıtlamaması nedeniyle kesintili uyumsuzluklarla karşılaşmaya devam etti.^[28]

Temel İlkeler

Elektrokimyasal Mekanizma

Su elektrolizinin elektrokimyasal mekanizması, uygulanan bir elektrik alanı altında iyonların bir elektrolit boyunca güdümlü göçünü gerektirir ve elektrotlarda yük transferini kolaylaştırarak hidrojen ve oksijen gazları üretir. Katotta, su moleküllerinin indirgenmesinin hidrojen gazı verdiği hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) gerçekleşir; alkali koşullarda bu, şu şekilde ilerler:
$$2\mathrm{H_2O} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2} + 2\mathrm{OH^-}$$
Burada üretilen hidroksit iyonları anodik süreçlere katkıda bulunur.^[38] Anotta, oksijen evrimi reaksiyonu (OER) oksidasyonu içerir, örneğin:
$$2\mathrm{OH^-} \rightarrow \frac{1}{2}\mathrm{O_2} + \mathrm{H_2O} + 2\mathrm{e^-}$$
Bu, yüksek aktivasyon bariyerleri ve ara adsorpsiyon adımları nedeniyle kinetik geri dönülmezlikler getiren koordineli dört elektronlu transfer gerektiren alkali ortamlardadır.^[39] Asidik ortamlarda reaksiyonlar tersine döner; katotta $2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2}$ ve anotta $\mathrm{H_2O} \rightarrow \frac{1}{2}\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-}$ gerçekleşir ve proton iletimine dayanır.^[40]

İyon taşınımı, yük ayrımını telafi ederek reaksiyon kinetiğini sürdürür: anyonlar anoda ve katyonlar katoda göç eder, ancak düşük elektrolit iletkenliği—ultrapure suyun değeri yaklaşık $5.5 \times 10^{-8}$ S/cm’dir—akım yoğunluğunu ciddi şekilde sınırlar; yetersiz serbest iyonlar ohmik iletimi engeller ve santimetrekare başına mikroamperlerin üzerinde pratik oranlar elde etmek için KOH veya $H_2SO_4$ gibi iletken katkı maddelerini gerektirir.^[41] Gaz kabarcığı oluşumu, kütle taşınımı sınırlamalarını şiddetlendirir; çünkü açığa çıkan $H_2$ ve $O_2$ kabarcıkları elektrot yüzeylerine yapışarak yüksek akımlarda aktif alanı %50’ye kadar azaltır, yerel iyon tükenme bölgelerini uzatır ve iyonik yolları uzatan boşluk fraksiyonları yoluyla etkili elektrolit iletkenliğini azaltır.^[42] Bu olaylar, Faraday yasalarının stokiyometrik verimleri dikte etmesine rağmen, difüzyon gradyanlarının geri döndürülemez bir şekilde oluştuğu, reaktan arzını ve ürün uzaklaştırılmasını yavaşlatan konsantrasyon aşırı potansiyellerine neden olur.^[43]

Faraday yasaları, yük ve üretim arasındaki mekanistik bağlantıyı nicelendirir: birinci yasa, serbest bırakılan madde kütlesinin $m$ geçen toplam yükle $Q$ doğru orantılı olduğunu belirtir:
$$m = \frac{Q \cdot M}{n F}$$
Burada $Q$ coulomb cinsinden yük, $M$ molar kütle, $n$ ürün molü başına elektron sayısı (H₂ için 2, O₂ için 4) ve $F = 96485$ C/mol Faraday sabitidir.^[55][56] Hidrojen için $n=2$’dir, yani bir mol H₂ (2 g) 2F (yaklaşık 192.970 C) yük gerektirir ve molar oranlar nedeniyle standart sıcaklık ve basınçta hacimsel oranda 2:1 (H₂:O₂) gaz üretir.^[55][57] İdeal akım verimliliği, bir Faraday’ın 0.5 mol H₂ veya 0.25 mol O₂ serbest bıraktığı %100 faradaik verimi varsayar.^[55][58] Uygulamada, kabarcık kaynaklı koruma ve iyon kalabalığından kaynaklanan geri dönülmezlikler verimi %100’ün altına düşürür; ampirik ölçümler, elektrotlar üzerindeki kabarcık kapsamı %10-20’yi aştığında akım verimliliğinin düştüğünü göstermektedir.^[45]

Termodinamik ve Enerji

Teorik Voltaj ve Enerji Gereksinimleri

Standart koşullar altında (25°C, 1 atm) $\mathrm{H_2O(l) \rightarrow H_2(g) + 1/2 O_2(g)}$ reaksiyonu ile temsil edilen suyun elektrolizi, termodinamik olarak endergoniktir ve standart Gibbs serbest enerji değişimi $\Delta G^\circ = +237.2$ kJ/mol’dür. Bu pozitif $\Delta G^\circ$, kendiliğinden olmayan ayrışmayı sürdürmek için gereken minimum elektriksel işi belirler ve $\Delta G = -nFE$ bağıntısı ile hesaplanır; burada $n=2$ ($H_2O$ molekülü başına elektron), $F=96485$ C/mol (Faraday sabiti) ve $E$ tersinir hücre potansiyelidir. Çözüm, 25°C’de 1.23 V’luk teorik minimum voltajı verir; bunun ötesinde ek enerji girdisi olmadan net bir reaksiyon gerçekleşmez.^[59][60]

Tam enerji talebi, hem elektriksel işi ($\Delta G$) hem de termal enerjiyi ($T\Delta S$) kapsayan reaksiyon entalpisi $\Delta H^\circ = +285.8$ kJ/mol’ü içerir; entropi artışı $\Delta S^\circ \approx +0.163$ kJ/(mol·K) net gaz üretiminden kaynaklanır. Tüm enerjiyi elektriksel olarak sağlamak, yaklaşık 1.48 V’luk bir termonötr voltaj gerektirir, ancak yüksek sıcaklıkta çalışma, ek ısının $T\Delta S$ terimini karşılamasına izin vererek elektriksel ihtiyaçları azaltır. Elektroliz sistemleri için verimlilik ölçütleri, bu nedenle hidrojenin üst ısıl değerine (HHV) (286 kJ/mol, sıvı su ürünleri için $\Delta H^\circ$ ile eşleşen) veya alt ısıl değerine (LHV) (242 kJ/mol, buhar için) atıfta bulunur; bu, buharlaşma gizli ısısının geri kazanılıp kazanılmadığını yansıtır. Katalizörler ve elektrotlar kinetiği etkiler ancak bu termodinamik tabanı düşüremez, çünkü ilk ilkeler kalorimetrisi ve denge ölçümlerinden türetilen denge potansiyellerini değiştirmeden aktivasyon bariyerlerini etkilerler.^[61][59]

Sıcaklık artışı elektriksel bariyeri hafifletir, çünkü $\Delta G(T) = \Delta H – T\Delta S$, pozitif $\Delta S$ nedeniyle artan $T$ ile azalır. Ampirik termodinamik veriler, $\Delta G$’nin 100°C’de yaklaşık 1.18 V’a ve 1000°C’de 0.9 V’a düştüğünü, katı oksit elektrolizinin harici ısıyı entegre ederek daha düşük voltajlara yaklaşmasını sağladığını doğrular; ancak toplam enerji girdisi $\Delta H$ ile sınırlı kalır. Bu bağımlılık, doğal tersinmezliği vurgular: elektroliz, bu durum fonksiyonlarıyla orantılı net iş girdisi talep eder; bu, tersinir hücre ölçümleri ve $\Delta H$ ve $\Delta S$’nin kalorimetrik tayini ile ampirik olarak doğrulanmıştır.^[60][61]

Pratik Kayıplar ve Aşırı Potansiyeller

Pratik su elektrolizinde, uygulanan voltaj, öncelikle elektrotlardaki yük transferi ve reaksiyon ara maddelerine yönelik kinetik engelleri yansıtan aktivasyon aşırı potansiyelleri (overpotentials) nedeniyle 1.23 V’luk teorik tersinir potansiyeli aşar. Hidrojen evrimi reaksiyonu (HER), platin veya nikel gibi yaygın katalizörler üzerinde uygun iki elektronlu transfer kinetiği sayesinde, alkali ortamda 10 mA/cm² akım yoğunluğunda tipik olarak 20–200 mV gibi nispeten düşük aktivasyon aşırı potansiyelleri sergiler.^[62] Buna karşılık, oksijen evrimi reaksiyonu (OER), oksijen-oksijen bağı oluşumunu ve çoklu proton-eşleşmiş elektron transferlerini içeren dört elektronlu yolunun karmaşıklığından kaynaklanan aynı koşullar altında 220–330 mV’luk daha yüksek aşırı potansiyeller talep eder.^[62] Bu eşitsizlikler, HER için eğimlerin (akım yoğunluğunun her on katı başına aşırı potansiyel artışını gösteren) genellikle 30–120 mV/dec arasında değiştiği, OER eğimlerinin ise 60 mV/dec’i aştığı Tafel analizi ile ampirik olarak nicelendirilir; bu da OER’nin optimize edilmiş katalizörlerle bile içsel yavaşlığını vurgular.^[38]

Ohmik kayıplar, elektrolitin iyonik iletkenliği, elektrot malzemeleri ve arayüzey temasları tarafından domine edilen dirençli düşüşler ($iR$) yoluyla ek voltaj cezalarına katkıda bulunur. Alkali elektrolizde, %20–30 KOH gibi sıvı elektrolitler kütle direncini azaltır ancak yüksek akım yoğunluklarında (örneğin 0.5–1 A/cm²) yine de 0.1–0.3 V’luk ohmik düşüşler verir; bu durum, aktif bölgeleri koruyan ve yerel konsantrasyon gradyanlarını indükleyen gaz kabarcığı birikimiyle şiddetlenir.^[63] Kabarcık kaynaklı etkiler, iyon taşınımı için etkili yol uzunluklarını artırarak ve özellikle elektrot ayrımının 1 mm’nin altına indirildiği sıfır aralıklı hücre tasarımlarında iki fazlı dirençleri yükselterek bu kayıpları daha da artırır.^[64]

Birleştiğinde, bu kinetik ve taşıma engelleri, pratik hücre voltajlarını endüstriyel olarak uygulanabilir 200–500 mA/cm² akım yoğunluklarında sürekli çalışma için 1.6–2.2 V’a yükseltir; bu da termodinamik minimumu çok aşar ve ideal ile gerçek dünya performansı arasındaki boşluğu vurgular.^[65] Fazla voltaj, geri döndürülemez Joule ısınması ve ekzotermik reaksiyon adımları yoluyla atık ısı olarak dağılır; düşük sıcaklıklı sistemler (<100°C, örneğin alkali veya PEM), termodinamik sınırlar nedeniyle verimli geri kazanımı zor olan düşük dereceli ısı (<80°C) üretirken, yüksek sıcaklık elektrolizi (>600°C, örneğin katı oksit), net elektriksel girdiyi düşürmek için kısmi ısı yeniden entegrasyonunu mümkün kılar.^[61]

Elektrolit ve Hammadde Hususları

Saf Su ile İlgili Zorluklar

Saf su, $H^+$ ve $OH^-$ iyonlarına (her biri yaklaşık $10^{-7}$ M konsantrasyonda) minimum otoiyonizasyonu nedeniyle, 25°C’de yaklaşık 0.055 μS/cm (veya $5.5 \times 10^{-8}$ S/cm) gibi son derece düşük elektriksel iletkenlik sergiler.^[41] Yük taşıyıcılarının bu kıtlığı, elektrolitik hücrelerde yüksek ohmik dirence neden olur; 1 mm’lik tipik bir elektrotlar arası boşluk ve 1 cm²’lik elektrot alanı için direnç $10^6$ ohm’u aşabilir ve bu da 1 mA/cm² gibi düşük akım yoğunluklarında bile 1 V’tan çok daha büyük ohmik voltaj düşüşlerine yol açar.^[66] Sonuç olarak, 1.23 V’luk teorik minimum voltajın uygulanması ihmal edilebilir akım akışı sağlar ve harici iyileştirmeler olmadan elektrolizi verimsiz hale getirir.^[67]

İletkenlik sınırlamalarının ötesinde, saf sudaki hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) ve oksijen evrimi reaksiyonunun (OER) kinetiği, katalizlenmemiş elektrotlarda doğal olarak yavaştır ve ölçülebilir oranlara ulaşmak için önemli aşırı potansiyeller (OER için genellikle >0.5 V) gerektirir. Ampirik çalışmalar, uygulanan potansiyele rağmen su ayrışması ve gaz çıkışı için aktivasyon bariyerlerinin devam etmesi nedeniyle, katalizörsüz pratik voltajlarda 1 mA/cm²’nin altındaki akım yoğunluklarını göstermektedir.^[38] Ultra saf su, safsızlıkla ilgili yan reaksiyonları azaltsa da, proton transferini kolaylaştıracak veya ara maddeleri stabilize edecek iyonlardan yoksun olduğu için bu sorunları şiddetlendirir.

Ultra saf suyun saflığı, milyarda bir seviyelerindeki eser kirleticilerin bile elektrotlara adsorbe olarak aktif bölgeleri zehirleyebilmesi veya korozyonu indükleyebilmesi nedeniyle daha fazla pratik engel getirirken, iyonların tamamen yokluğu düzgün akım dağılımını engeller. Hiçbir endüstriyel ölçekli su elektroliz sistemi elektrolit olarak sadece saf su ile çalışmaz; hepsi bu engelleri aşmak ve uygulanabilir üretim oranlarına ulaşmak için katkı maddeleri veya alternatif iyon iletken ortamlar içerir.^[66][50]

Alkali ve Asidik Elektrolitler

Su elektrolizi için alkali elektrolitler, viskozite ve aşındırıcılığı dengelerken yeterli hidroksit iyonu iletkenliği (60–80°C çalışma sıcaklıklarında yaklaşık 0.5–0.7 S/cm) elde etmek için tipik olarak %20-40 ağırlık konsantrasyonunda potasyum hidroksit (KOH) sulu çözeltisi olan sıvı bir elektrolit kullanır.^[68][69] Bu bileşim, dayanıklılığı artıran kararlı oksit/hidroksit katmanları oluşturan nikel ağlar veya Raney nikel kaplamalar gibi ucuz, soy olmayan nikel bazlı elektrotların kullanımını destekler; ticari sistemler sürekli çalışma altında 80.000 saati aşan yığın ömürleri göstermektedir.^[70] Alkali kurulumlar, bu malzeme uyumlulukları ve düşük katalizör maliyetleri nedeniyle sabit, yüksek hacimli uygulamalarda üstündür ve olgun kurulumlarda (üst ısıl değer bazında) %60-70 sistem düzeyinde verimlilik sağlar.^[71]

Dezavantajlar arasında, kostik saldırıya dayanıklı politetrafloroetilen kaplı veya paslanmaz çelik bileşenler talep eden elektrolitin aşındırıcılığı ve havadan veya besleme suyundan gelen CO2 girişine karşı savunmasızlık yer alır; bu durum, direnci ve kirlenmeyi (fouling) artıran potasyum karbonat çökeltileri oluşturur.^[72] Azaltma, CO2 temizleme veya yeniden sirkülasyon sistemlerini içerir, ancak ampirik performans verileri, optimize edilmiş sıfır aralıklı konfigürasyonlarda 1.8–2.0 V hücre voltajlarında 0.4–0.6 A/cm²’ye kadar akım yoğunlukları ile alkali elektrolizin sağlamlığını doğrulamaktadır.^[73]

%5–20 ağırlıkça sülfürik asit (H2SO4) çözeltileri gibi asidik elektrolitler, üstün iletkenlik (1 S/cm’ye kadar) için Grotthuss mekanizması yoluyla yüksek proton hareketliliğinden yararlanır, potansiyel olarak ohmik aşırı potansiyelleri düşürür ve karşılaştırılabilir koşullar altında alkali ortamlardan daha yüksek akım yoğunluklarına olanak tanır.^[74] Ancak düşük pH, soy olmayan elektrotların ve bipolar plakaların çözünmesini hızlandırır; bu da genellikle platin veya iridyum bazlı katalizörler ve titanyum substratlar gerektirir ve maliyetleri nikel alternatiflerine göre 5-10 kat artırır.^[75]

Pratik asidik sıvı sistemler, laboratuvar ortamlarında %70-75’e yaklaşan hücre verimliliklerine ulaşır ancak metal sızması ve oksit kararsızlığı nedeniyle alkaliye göre 10 kata kadar daha hızlı bozunma oranları sergiler ve kahramanca mühendislik olmadan operasyonel ömürleri binlerce saatle sınırlar.^[71] Sonuç olarak, alkali elektrolitler maliyet etkin, uzun süreli elektroliz için baskınken, asidik varyantlar iletkenliği dayanıklılığa tercih eden niş, dinamik profillere uyar, ancak benimsenmeleri malzeme zorluklarıyla kısıtlı kalmaya devam etmektedir.^[76]

Deniz Suyu ve Alternatif Hammaddeler

Dünya suyunun %97’sinden fazlasını kapsayan deniz suyu, elektroliz hammaddeleri için tatlı suya potansiyel bir alternatif sunan bol bir kaynaktır. Ancak doğrudan deniz suyu elektrolizi, klorür iyonlarından (yaklaşık 0.54 M konsantrasyon) kaynaklanan belirgin zorluklarla karşı karşıyadır; bu iyonlar oksijen evrimine karşı rekabetçi klor evrimi reaksiyonunu (CER) destekler, elektrotları (platin çözünmesi gibi) aşındırır ve bozulmayı, toksisiteyi ve çevresel tehlikeleri artıran hipoklorit (ClO⁻) yan ürünleri üretir.^[77][78] Mikroplar ve partiküller dahil olmak üzere safsızlıklar, biyokirlenmeyi (biofouling) ve yavaş kinetiği daha da tetikleyerek hücre voltajlarını 1.23 V termodinamik ölçütüne karşı 1.8–2.4 V’a yükseltir.^[78]

2023–2025 çalışmalarından elde edilen ampirik veriler, normal metreküp H₂ başına 4.3–5.73 kWh enerji talebi gösterirken, aşırı potansiyeller ve yan reaksiyonlar saf su sistemlerine göre verimlilik cezaları verir; ancak NiFe-LDH/FeOOH gibi seçici katalizörler 500 mA cm⁻²’de 500 saati aşan kararlılıklar göstermiştir.^[78][77] Magnezyum hidroksit çökelmesi ve devam eden korozyon, pilot ölçekli uygulanabilirliği sınırlar ve pratik dağıtım için membranlarda ve kaplamalarda yenilikler gerektirir.^[77]

Elektrolizin tuzdan arındırma (ters ozmoz veya membran damıtma yoluyla) ile birleştirilmesi, toplam elektroliz gereksinimlerinin %1’inin altında enerji maliyetlerine katlanarak (örneğin, elektroliz edilen kg H₂ başına yaklaşık 50 kWh’ye karşı tuzdan arındırılan m³ başına yaklaşık 3-4 kWh) ultra saf su verir.^[79] Bu yaklaşım doğrudan deniz suyu sorunlarından kaçınır ancak ön arıtma altyapısı için sermaye getirir.

Petrol çıkarımından elde edilen üretilmiş su ve tuzdan arındırma tuzlu suları, Wyoming’in yıllık milyarlarca varili aşan hacimleri gibi kaynaklardan yararlanarak tatlı su kullanımını dengelemek için başka alternatifler sunar.^[80] Yine de, yüksek toplam çözünmüş katılar (35.000–150.000 ppm), metaller ve organikler, titiz ön arıtma (örn. ultrafiltrasyon, ters ozmoz) talep eder; bu da membran kirlenmesi, kireçlenme ve ekonomik ölçeklendirmeyi karmaşıklaştıran yan ürün bertarafı riski taşır.^[80]

Elektroliz için küresel su kıtlığı korkuları abartılıdır; 2050 yılı için 660 milyon metrik ton H₂ projeksiyonu, yıllık tatlı su çekimlerinin sadece %0.33’ünü talep etmektedir; fosil alternatifleri benzer veya daha fazla tüketir.^[81] Yerel olarak, kurak bölgeler somut zorluklarla karşı karşıyadır—örneğin 2040 yılına kadar üretimin %39’unun yüksek stresli bölgelerde olacağı tahmin edilen ABD Güneybatısı projeleri—bu da engellerine rağmen tuzlu hammadde kaynaklarının cazibesini güçlendirmektedir.^[81]

Elektroliz Teknikleri

Laboratuvar ve Gösterim Yöntemleri

Su elektrolizinin laboratuvar gösterimleri yaygın olarak, katotta hidrojen ve anotta oksijen gazlarının ayrı ayrı toplanmasına izin veren merkezi bir rezervuara bağlı iki dikey tüpe sahip U şeklinde bir cam aparat olan Hofmann voltametresini kullanır.^[82] Platin veya grafit gibi inert elektrotlar, iletkenliği artırırken yan reaksiyonları en aza indirmek için sülfürik asit veya sodyum sülfat çözeltisi gibi seyreltik bir elektrolite daldırılır.^[83] Tipik olarak 6-12 V pil veya ayarlanabilir güç kaynağı olan bir doğru akım (DC) kaynağı, reaksiyonu sürmek için uygulanır; elektroliti yerinden eden gaz kabarcıkları üretir ve suyun moleküler bileşimini doğrulayan 2:1 hidrojen-oksijen oranının hacimsel ölçümünü sağlar.^[84]

Bu kurulumlar tarihsel olarak, 1830’larda Michael Faraday tarafından elektrolitik ayrışma üzerine nicel deneyler yoluyla formüle edilen ve serbest bırakılan madde kütlesinin geçen yükle doğru orantılı ve eşdeğer ağırlıklarıyla ters orantılı olduğunu belirten elektroliz yasalarının doğrulanmasında kilit bir rol oynamıştır. Faraday’ın çalışması, bir faraday yükün (yaklaşık 96.485 coulomb) bir eşdeğer maddeyi serbest bıraktığını göstermiştir; bu ilke, stokiyometrik gaz hacimlerinin ideal koşullar altında teorik tahminlerle tam olarak hizalandığı laboratuvar su elektrolizinde ampirik olarak desteklenmektedir.

Hidrojenin yanıcılığı ve oksijenle patlayıcı karışımlar oluşturma potansiyeli nedeniyle güvenlik protokolleri esastır; gösterimler havalandırma, ateşleme kaynaklarının uzak tutulması, koruyucu gözlük ve yetişkin gözetimi gerektirir; tehlikeli konsantrasyonların birikmesini önlemek için gaz toplama küçük hacimlerle sınırlandırılır.^[85] Bu tür kontrollü laboratuvar ortamlarındaki ampirik faradaik verimlilikler %100’e yaklaşır; çünkü difüzyon sınırlamaları ve asalak reaksiyonlar küçük ölçeklerde ihmal edilebilir düzeydedir; ölçeklendirmenin verimsizlikleri artırdığı endüstriyel sistemlerin aksine. Bu, elektrolitik stokiyometrinin eğitimsel doğrulaması için bu yöntemleri ideal hale getirir, ancak yalnızca daha büyük akımlarda belirgin olan pratik aşırı potansiyelleri gizler.^[86]

Alkali Su Elektrolizi

Alkali su elektrolizi, hidroksit iyonlarını nikel ağlar veya Raney nikel kaplamalar gibi nikel bazlı elektrotlar arasında iletmek için tipik olarak %20-40 ağırlık konsantrasyonunda potasyum hidroksit (KOH) sulu çözeltisi olan sıvı bir elektrolit kullanır.^[87][88][89] Elektrotlar, iyonik taşınmaya izin verirken gaz karışımını önlemek için genellikle asbest veya polisülfon gibi polimerik malzemelerden yapılmış bir diyaframla ayrılır.^[90] Bu konfigürasyon, hidroksitin oksijene anodik oksidasyonunu ve suyun hidrojene katodik indirgenmesini sağlar; çalışma sıcaklıkları 40-80°C arasındadır.^[91]

Alkali sistemlerdeki elektrolizör yığınları, her biri yaklaşık 2 m² aktif alana sahip modüler hücre toplulukları olarak tasarlanmıştır ve paralel veya seri konfigürasyonlar yoluyla ölçeklenebilir hidrojen üretimine olanak tanır.^[92][93] 30 bar’a kadar basınçlı çalışma, aşağı akış sıkıştırma ihtiyacını azaltır ve akım yoğunlukları tipik olarak 1.8-2.4 V hücre voltajlarında 0.2-0.4 A/cm²’ye ulaşır.^[91][93] Hidrojenin üst ısıl değerine dayalı sistem verimlilikleri, elektrolitteki aşırı potansiyeller ve ohmik kayıplardan etkilenerek %60-80 aralığına düşer.^[94]

2025 yılına gelindiğinde, alkali elektroliz, 2023 itibariyle 4 GW’ı aşan küresel elektrolizör dağıtımları ve teknolojik olgunluk ile multi-megawatt sistemler için 800-1.100 $/kW’lık rekabetçi sermaye harcamaları nedeniyle devam eden liderlik projeksiyonlarıyla yeni kurulan yeşil hidrojen kapasitesine hakimdir.^[95][96] Gigawatt ölçeğindeki tesisler, alkali teknoloji kullanılarak 1 GW’lık tesisler için kavramsal tasarımlarda gösterildiği gibi modüler yığınlama ve entegrasyon yoluyla uygulanabilirdir.^[97][98]

Temel operasyonel sınırlamalar arasında, güvenilir kısmi yük çalışmasının nominal kapasitenin %10-40’ı ile sınırlı olması nedeniyle dalgalanan güç girdilerine yavaş dinamik tepki yer alır ve bu da yenilenebilir entegrasyon için hızlı rampalamayı engeller.^[99][100] Ek olarak, atmosferik CO₂ kontaminasyonu KOH ile reaksiyona girerek potasyum karbonat oluşturur; bu da çöker, elektrolit iletkenliğini bozar ve saflaştirma adımları olmadan %99.9’un altına düşen saflıkla hidrojen akımlarını kirletir.^[50][101]

Proton Değişim Membranı (PEM) Elektrolizi

Proton değişim membranı (PEM) elektrolizi, protonları anot ve katot arasında iletmek ve gaz geçişini önlemek için Nafion gibi bir perflorosülfonik asit membranı olan katı bir polimer elektrolit kullanır.^[102] Hücre yapısı membranı (yaklaşık 100 μm kalınlığında), her iki taraftaki katalizör katmanlarını, gaz difüzyon katmanlarını ve akım toplama ve su dağıtımı için bipolar plakaları içerir.^[102] Katotta, platin bazlı katalizörler hidrojen evrimi reaksiyonunu (HER) kolaylaştırırken, anottaki iridyum oksit veya rutenyum oksit katalizörleri asidik koşullar altında oksijen evrimi reaksiyonunu (OER) yönlendirir.^[102] Bu konfigürasyon, 50–80°C sıcaklıklarda ve 30 bar’a kadar basınçlarda çalışmayı mümkün kılarak onu sıvı elektrolit sistemlerinden ayırır.^[103]

PEM sistemleri, 1.8–2.0 V civarındaki hücre voltajlarında genellikle 2 A/cm²’yi aşan yüksek akım yoğunluklarına ulaşır, kompakt tasarımları ve 1 saniyenin altındaki hızlı yük tepki sürelerini destekler; bu da kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegrasyona uygundur.^[103] Voltaj verimlilikleri hidrojenin üst ısıl değerine göre %67-82’ye ulaşır, tesis dengesi kayıpları hesaba katıldığında sistem verimlilikleri tipik olarak %65-75’tir.^[104] Nafion membranlar yüksek proton iletkenliği (80°C’de >0.1 S/cm) ve mekanik kararlılık sağlar, ancak performansları peroksit radikali oluşumu, katalizör çözünmesi ve membran incelmesi nedeniyle zamanla düşer ve sürekli çalışma altında yığın ömürlerini 20.000–80.000 saatle sınırlar.^[105] Azaltma stratejileri, proton erişimini artırmak ve radikal maruziyetini azaltmak için katalizör katmanlarında optimize edilmiş iyonomer içeriğini içerir.^[106]

Kıt soy metallere olan güven—katotta 0.1–0.5 mg/cm² ve anotta 1–3 mg/cm² platin ve iridyum yüklemeleri—yığınlar için sermaye maliyetlerini yaklaşık 1000 $/kW’a yükseltir, ancak devam eden araştırmalar daha düşük yüklemeler ve soy olmayan alternatifler yoluyla indirimleri hedeflemektedir.^[107] 2024 yılında, PEM teknolojisi, alkali sistemlere kıyasla daha yüksek ön maliyetlere rağmen pilot ölçekli dağıtımlardaki yaygınlığını yansıtarak, türe göre elektrolizör pazar payının yaklaşık %35’ini elinde tutmuştur.^[108] Bu özellikler, PEM elektrolizini yüksek dinamik çalışma gerektiren uygulamalar için konumlandırır, ancak ekonomik uygulanabilirlik katalizör maliyet düşüşlerine ve iridyum için tedarik zinciri çeşitlendirmesine bağlıdır.^[103]

Anyon Değişim Membranı ve Katı Oksit Varyantları

Anyon değişim membranı su elektrolizi (AEMWE), hidroksit iyonlarını (OH⁻) alkali koşullarda polimerik membranlar aracılığıyla iletir; bu, hem anot hem de katot reaksiyonları için nikel bazlı alaşımlar gibi değerli olmayan metal katalizörlerin konuşlandırılmasına olanak tanır ve iridyum bağımlı PEM sistemlerine kıyasla maliyetleri düşürür.^[109][110] Bu konfigürasyon 50-80°C’de çalışır, iletkenlik katkı maddeleri olmadan saf su beslemelerini destekler ve son prototiplerde 1.8-2.0 V hücre voltajlarında 1-3 A/cm² akım yoğunluklarına ulaşır.^[111] 2025 itibariyle, pilot ölçekli sistemler erken dağıtımdadır ve AEMWE’yi sağlam, düşük maliyetli elektrotları kompakt membran ayrımıyla birleştirerek alkali ve PEM teknolojileri arasında bir hibrit olarak konumlandırır.^[109] Ancak, membran kimyasal bozunması, CO₂ safsızlıklarından karbonat oluşumu ve katalizör yeniden yapılanması nedeniyle operasyonel ömürlerin tipik olarak 10.000 saatin altında olmasıyla dayanıklılık kısıtlamaları devam etmektedir.^[112][113]

Katı oksit elektroliz hücreleri (SOEC), oksit iyonlarını (O²⁻) 800-1000°C sıcaklıklarda ileten itriya-stabilize zirkonya gibi yoğun seramik elektrolitler kullanır; bu, su ayrışması için minimum voltajı termodinamik olarak yaklaşık 1.0-1.3 V’a düşürürken verimliliği artırmak için endotermik ısıyı dahil eder.^[30][114] Yığın düzeyinde elektriksel verimlilikler, hidrojen üst ısıl değerine göre %70-85’e ulaşır ve nükleer reaktörlerden, endüstriyel süreçlerden veya konsantre güneş enerjisi kaynaklarından gelen atık ısıyı entegre eden sistemlerde %90’ın üzerine çıkar.^[115][116] Bu yüksek sıcaklık operasyonları, sıvı su yerine buhar beslemelerini tercih eder, hidrojen kısmi basınç yönetimini ve optimize edilmiş koşullar altında %95’in üzerinde Faradaik verimlilikleri artırır.^[117] Malzeme zorlukları arasında termal gradyanlardan kaynaklanan elektrolit çatlaması, elektrot delaminasyonu ve ara bağlantı oksidasyonu yer alır; bunlar yığınlarda 1000 saatte %1-5 bozunma oranlarına katkıda bulunur ve koruyucu kaplamalar ile kontrollü döngülemeyi gerektirir.^[118][119]

Gelişmiş ve Ortaya Çıkan Konfigürasyonlar

Yüksek basınçlı proton değişim membranı su elektrolizi (PEMWE) sistemleri, 700 bar’a kadar basınçlarda doğrudan hidrojen üretimine olanak tanıyacak şekilde ilerlemiş, aşağı akış sıkıştırmayı atlayarak ve gaz işleme ile ilgili enerji maliyetlerinde %25-30 tasarruf sağlamıştır.^[120] Bu konfigürasyonlar, yüksek basınçlara dayanmak için güçlendirilmiş membranlardan ve sağlam hücre yığınlarından yararlanır; son prototipler bu koşullar altında 2 A/cm²’yi aşan akım yoğunluklarında kararlı çalışma göstermektedir.^[121] Ancak, membran dayanıklılığı ve aşırı basınçlarda geçiş (crossover) önleme konusundaki zorluklar devam etmekte ve 2025 itibariyle dağıtımı gösterim ölçekleriyle sınırlamaktadır.^[122]

Süperkritik su elektrolizi, suyun kritik noktasının (374°C, 221 bar) üzerinde çalışır; burada akışkanın düşük viskozitesi ve yüksek difüzivitesi kütle taşıma sınırlamalarını en aza indirir ve gaz-sıvı arayüzlerini ortadan kaldırarak ohmik aşırı potansiyelleri azaltır.^[123] Bu rejimdeki membransız tasarımlar, azalan arayüzey dirençleri sayesinde ortam koşullarına göre %5-10 verimlilik artışı potansiyeli göstermiştir, ancak prototipler malzeme korozyonu ve termal yönetim sorunları nedeniyle laboratuvar ölçeğinde kalmaktadır.^[124] Mikrometre altı ayrımlara sahip nano boşluklu elektrot konfigürasyonları, elektrik alanı gradyanlarını ve iyon göçünü artırarak aşırı potansiyelleri daha da düşürür ve kavram kanıtlama kurulumlarında 1 A/cm²’de 1.8 V’un altında hücre voltajlarına ulaşır.^[125]

Kılcal beslemeli elektroliz hücreleri, sıvı suyu kılcal etki yoluyla elektrot yüzeylerine iletmek için fitil benzeri yapılar kullanır, kabarcık oluşumunu bastırır ve harici pompalar veya ayırıcılar olmadan çalışarak geleneksel alkali sistemlere kıyasla %5-10 daha yüksek faradaik verimlilik sağlar.^[126] Alkali kurulumlarda gösterilen bu hücreler, küçük ölçekli testlerde %98’e yaklaşan verimliliklerde 1 A/cm²’nin üzerinde akım yoğunluklarına ulaşmıştır; dikey elektrot yönelimleri doğal gaz ayrışmasını teşvik eder.^[127] Elektrot alanı genişletmeleri de dahil olmak üzere ölçeklenebilirlik denemeleri, maliyet düşüşleri için umut vadetmekte ancak düzgün fitilleme ve uzun vadeli elektrot kararlılığında mühendislik engellerini vurgulamaktadır.^[128]

Foto-destekli hibrit elektroliz, kısmi voltaj sağlamak için fotovoltaik veya fotokatalitik elementleri entegre eder ve elektrotlarda ışık güdümlü yük ayrımı yoluyla elektriksel girdiyi %20-30 oranında azaltır.^[129] Ayrıştırılmış hücre tasarımlarında, ayrı hidrojen ve oksijen evrimi bölmeleri, geçiş riskleri olmadan güneş enerjisi artışına izin verir ve 2021-2023 prototipleri itibariyle entegre sistemlerde %15’e varan güneşten hidrojene verimlilik sağlar.^[130] Deniz suyuna uyumlu oksijen evrimi için katmanlı çift hidroksitler (LDH’ler) gibi gelişmekte olan katalizörler, endüstriyel akımlarla (>500 mA/cm²) tuzlu beslemelerde kararlı çalışmayı mümkün kılar, ancak klorür korozyonu ve çökelti kirlenmesi dayanıklılığı yüzlerce saatle sınırlar.^[131]

Bu konfigürasyonlar, verimlilik veya voltaj tasarrufunda tipik olarak %5-10 artışlı performans iyileştirmeleri sunar ancak malzeme bozulması, üretim karmaşıklığı ve laboratuvar doğrulamasının ötesindeki entegrasyon maliyetleri nedeniyle kanıtlanmamış ölçeklenebilirlik ile kavram kanıtları olarak kalırlar.^[132]

Performans Metrikleri

Enerji ve Faradaik Verimlilik

Su elektrolizindeki Faradaik verimlilik, gaz rekombinasyonu veya geçişi (crossover) gibi yan reaksiyonlardan ziyade, istenen hidrojen evrimi reaksiyonuna (HER) ve oksijen evrimi reaksiyonuna (OER) katkıda bulunan elektrik yükünün oranını nicelendirir.^[38] Standart koşullar altındaki ticari sistemlerde tipik değerler %95 ile neredeyse %100 arasında değişir; kayıplar öncelikle alkali elektrolitlerde peroksit veya hidrojen peroksit oluşumu gibi asalak reaksiyonlardan kaynaklanır.^[133] Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörlerinde, katı polimer elektrolitin gaz difüzyonunu ve safsızlık etkilerini en aza indirmesi nedeniyle Faradaik verimlilikler genellikle %99’u aşar.^[134]

Enerji verimliliği, bir kilogram hidrojen üretmek için gereken elektrik girişi ile değerlendirilir ve standart koşullarda tersinir elektroliz için termodinamik minimumu temsil eden 39.4 kWh/kg hidrojen üst ısıl değeri (HHV) ile standardize edilir.^[135] Pratik sistem düzeyindeki verimlilikler, ticari elektrolizörler için 50-55 kWh/kg H₂ verir; bu, aşırı potansiyeller, ohmik kayıplar ve pompalama ve saflaştırma için yardımcı güç hesaba katıldığında %70-80 genel verimliliğe karşılık gelir.^[136] Alkali elektrolizörler, kararlı durum çalışmasında daha düşük hücre voltajlarıyla (1.7-1.9 V) benzer verimliliklere ulaşırken, PEM varyantları anotta daha büyük kinetik bariyerler nedeniyle daha yüksek voltajlar (1.8-2.0 V) gerektirir, ancak PEM sistemleri tam yükten %10’dan daha az düşen verimliliklerle kısmi yük performansında üstündür.^[137]

Yakıt hücreleri ile eşleştirilmiş elektroliz yoluyla gidiş-dönüş depolama düşünüldüğünde, genel verimlilikler %50’nin altına düşer; çünkü yakıt hücresinin hidrojeni elektriğe geri dönüştürmesi %40-60 verimlilikte çalışır ve bu durum sıkıştırma ve dağıtım kayıplarıyla birleşir; bu, elektrik enerjisi depolaması için %80’in üzerinde gidiş-dönüş verimliliğine ulaşan lityum-iyon pillerle tezat oluşturur.^[138] Entegre sistemlerden elde edilen ampirik veriler bu boşluğu doğrulamakta olup, elektrolizden yakıt hücresine zincirleri gerçek dünya koşullarında nadiren %40 net verimliliği aşmaktadır.^[139]

Sistem Dayanıklılığı ve Bozulma

Su elektroliz sistemlerindeki bozulma, öncelikle katalizör zehirlenmesi, membran bozulması ve mekanik streslerden kaynaklanır; ömürler teknolojiye ve çalışma koşullarına göre önemli ölçüde değişir. Alkali su elektrolizi (AWE) yığınları, sürekli temel yük çalışması altında genellikle 80.000 saati aşan en uzun rapor edilen operasyonel sürelere sahiptir, ancak gerçek dünya performansı bakıma ve elektrolit saflığına bağlıdır.^[140] Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörleri, anot katalizör kararsızlığı ve oksijen evrimi sırasında üretilen radikallerin kimyasal saldırısıyla membran incelmesi nedeniyle tipik olarak 60.000–80.000 saate ulaşır.^[141] Katı oksit elektroliz hücreleri (SOEC), tekrarlanan ısıtma ve soğutma sırasında elektrotlarda ve ara bağlantılarda mikro yapı değişiklikleriyle şiddetlenen termal döngüden kaynaklanan hızlandırılmış aşınmayla karşı karşıyadır ve 1.000 saatte yaklaşık %0.5–1.8 bozulma oranlarına sahiptir.^[142][143]

Katalizör zehirlenmesi, özellikle demir, bakır veya kalsiyum gibi iz metaller içeren saf olmayan su beslemeleri kullanıldığında teknolojiler genelinde baskın bir arıza modunu temsil eder; bunlar aktif bölgelerde birikerek hidrojen veya oksijen evrimi reaksiyonlarını engeller.^[50][144] PEM sistemlerinde, katyonlar membrandaki protonlarla yer değiştirerek iletkenliğin azalmasına ve iridyum bazlı anotları daha da zehirleyen metal kaplamaya yol açar.^[145] PEM ve anyon değişim membranı (AEM) varyantlarındaki membran incelmesi, oksidatif bozulma ve mekanik sürünme (creep) yoluyla gerçekleşir, yüksek potansiyellere uzun süreli maruz kalma sonrasında gaz geçişine ve hücre arızasına neden olan iğne delikleri oluşturur.^[146][105]

Yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı kesintili çalışma, voltaj ve akım dalgalanmaları yoluyla bozulmayı artırır; bu da termal streslere, membran şişme/büzülme döngülerine ve hızlandırılmış katalizör çözünmesine neden olur.^[147] PEM elektrolizörlerinde, bu tür dinamikler yıllık bozulma oranlarını kararlı durumdaki %1–1.5’ten %2–3 eşdeğerinin üzerine çıkarabilir, ohmik kayıpları ve elektrot korozyonunu teşvik ederek yığın ömrünü etkili bir şekilde yarıya indirebilir.^[141][148] SOEC için termal döngü, termal genleşme katsayılarının uyumsuzluğu nedeniyle çoklu döngüden sonra %20’ye varan performans düşüşlerini gösteren çalışmalarla delaminasyon ve sinterlemeyi getirir.^[149] 2025 itibariyle, sistem sermaye harcamaları bu aşınma faktörlerini hesaba katmak için 5-10 yıllık yığın değiştirme aralıklarını içerir ve geçici zirveler yerine safsızlık girişi gibi nedensel mekanizmaları izole etmek için sağlam teşhislere olan ihtiyacı vurgular.^[5][150]

Ekonomik Analiz

Sermaye ve İşletme Maliyetleri

Su elektroliz sistemleri için sermaye harcamaları (CAPEX) 2025 yılında tipik olarak kurulu kilowatt kapasite başına 500 ila 1.500 dolar arasında değişmektedir; alkali elektrolizörler alt uçta, proton değişim membranı (PEM) sistemleri ise malzeme ve üretim karmaşıklığındaki farklılıklar nedeniyle üst uçtadır.^[151][152] Bunun içinde, elektrolizör yığını toplam CAPEX’in yaklaşık %40’ını oluştururken, güç elektroniği, gaz işleme ve yardımcı sistemleri içeren tesis dengesi (BoP) kalan %60’ı oluşturur.^[153][154]

İşletme harcamaları (OPEX), ağırlıklı olarak elektrik tüketimi tarafından yönlendirilir; elektrik fiyatları MWh başına 30$ olduğunda toplam OPEX’in yaklaşık %70’ini oluşturur ve bu, üretilen kg hidrojen başına 45-60 kWh gerektiren elektroliz işleminin enerji yoğun doğasını yansıtır.^[155][156] Bakım maliyetleri, her 8-10 yılda bir yığın değişimlerini ve BoP bileşenlerinin rutin servisini kapsayarak yıllık CAPEX’in %2-5’ini ekler.^[132] Su ve diğer sarf malzemeleri, OPEX’in %5’inden azıyla küçük kalır.^[156]

2020’den bu yana maliyet düşüşleri, öğrenme eğrisi etkilerinden kaynaklanmaktadır; kümülatif üretim ölçeklemesi, iyileştirilmiş üretim verimleri ve tedarik zinciri verimlilikleri sayesinde yaklaşık %20 daha düşük CAPEX sağlamıştır, ancak elektrolizör donanımı elektriğe kıyasla ömür boyu maliyetlerin önemli ancak azalan bir kısmını temsil etmeye devam etmektedir.^[140][157] Bu kazanımlara rağmen, mutlak maliyetler daha küçük ölçekli veya daha az olgun dağıtımlar için yüksek kalmaya devam etmekte ve daha fazla hacim odaklı düşüşler olmadan yaygın benimsenmeyi sınırlamaktadır.^[158]

Seviyelendirilmiş Hidrojen Maliyeti (LCOH)

Su elektrolizi için seviyelendirilmiş hidrojen maliyeti (LCOH), toplam ömür boyu maliyetlerin net bugünkü değerinin sistemin operasyonel süresi boyunca toplam hidrojen çıktısına bölünmesini temsil eder ve tipik olarak kilogram başına dolar ($/kg) olarak ifade edilir. Formül, elektrolizörler ve tesis dengesi ekipmanları için sermaye harcamalarını (CAPEX), elektrik tüketimi (genellikle toplam maliyetlerin %50-75’i), bakım, su ve değiştirme maliyetleri tarafından domine edilen işletme harcamalarını (OPEX) içerir; ağırlıklı ortalama sermaye maliyeti ile iskonto edilir ve sistem verimliliği (düşük sıcaklıklı elektrolizörler için %60-80 civarında) ve kullanım oranı veya yük faktöründen etkilenen yıllık hidrojen üretimi ile normalleştirilir.^[159][160]

2025 projeksiyonları, yenilenebilir enerjiyle çalışan elektrolitik hidrojen için LCOH aralıklarının 3-7 $/kg olduğunu göstermektedir; varyasyonlar bölgesel elektrik fiyatları, elektrolizör CAPEX’i (alkali veya PEM sistemleri için 400-800 $/kW olarak tahmin edilmektedir) ve özel depolama olmadan değişken yenilenebilir çıktıyı hesaba katan %50 yük faktörleri gibi varsayımlarla yönlendirilmektedir. 20-30 $/MWh’in altındaki elektrik maliyetleri, fosil bazlı hidrojenle pariteye (yaklaşık 1-2 $/kg) ulaşmak için kritiktir; zira %70-90 kullanım varsayıldığında LCOH 1.5-2 $/kg’a yaklaşabilirken, sübvansiyonsuz güneş veya rüzgar için tipik olan 50-100 $/MWh maliyetleri, %40-60 yük faktörleri altında 4-6 $/kg veya daha yükseğe iter. Standart LCOH modelleri genellikle sabit verimlilikler varsayar ve değişken yenilenebilirlerden kaynaklanan şebeke takviyesi veya kısıtlama maliyetleri gibi sistem düzeyindeki dışsallıkları hariç tutar, bu da entegre değerlendirmelerde gerçek üretim giderlerini %10-30 oranında eksik gösterebilir.^{[164][165][166]}

Elektrik Kaynağı	Tipik Fiyat (2025, $/MWh)	Varsayılan Yük Faktörü	Öngörülen LCOH ($/kg)
Ucuz Hidro	20-40	80-90%	1.5-2.5
Nükleer	30-50	80-90%	1.8-3.0
Güneş PV	40-80	20-50%	4.0-7.0
Karasal Rüzgar	30-60	30-50%	3.5-6.0

Fosil Bazlı Üretim Yöntemleriyle Karşılaştırmalar

Doğal gazın buhar metan reformlaması (SMR), düşük doğal gaz hammadde fiyatları ve olgun teknoloji sayesinde kilogram hidrojen başına tipik olarak 1 ila 3 dolar arasında değişen üretim maliyetleriyle hidrojen üretimi için baskın yöntem olmaya devam etmektedir.^[168][169] Buna karşılık, su elektrolizi maliyetleri 2025’te kilogram başına 3.50 ila 6 dolar arasındadır; bu, öncelikle elektrolizörler için yüksek sermaye giderleri ve kilogram başına 50-55 kWh elektrik tüketimi nedeniyle yaklaşık 2 ila 3 kat daha yüksektir.^[162][170] SMR, entegre ısı geri kazanımından yararlanarak alt ısıl değer bazında %70-85 termal verimliliğe ulaşırken, elektroliz sistemleri aşırı potansiyeller ve ohmik kayıplarla sınırlı olarak %60-80 verimlilikte çalışır.^[171][4]

SMR’ye karbon yakalama, kullanım ve depolama (CCUS) eklemek, maliyetleri kilogram başına kabaca 0.50 ila 1.50 dolar artırır ve sürecin kilogram hidrojen başına 9-12 kg CO2 emisyonundan %90’a kadar CO2 yakalamayı mümkün kılar, ancak mavi hidrojen sübvansiyonlar olmadan elektrolitik yöntemlerden daha ucuz kalır.^[172][173] Elektroliz sıfır doğrudan süreç emisyonu sunar ancak girdi elektriğinin karbon yoğunluğuna bağlıdır; genellikle fosil türevli olan şebeke kaynaklı güç, maliyetleri şişirirken çevresel avantajını zayıflatır.^[33] Ekonomik olarak elektroliz, yalnızca elektrik fiyatları 20-30 $/MWh’in altına düştüğünde SMR ile rekabet eder; bu eşik, özel yenilenebilir enerjiler dışında nadiren karşılanır ve fosil bazlı yolları yakın vadeli ölçeklenebilirlik için tercih edilebilir hale getirir.^[174][175]

2025’te SMR, küresel hidrojen üretim pazar payının yaklaşık %68’ine sahipken, elektroliz politika teşviklerine rağmen %1’den az katkıda bulunmaktadır; bu, doğal gaz işleme için yerleşik maliyet avantajlarını ve altyapıyı yansıtır.^[176][33] Bu eşitsizlik devam etmektedir çünkü elektrolizin yüksek enerji talepleri girdi fiyatlarına duyarlılığı artırırken, SMR bol ve düşük maliyetli doğal gazdan yararlanır; bu da elektrolitik hidrojenin uygulanabilirliğinin, fosil yakıtlardan ayrıştırılmış elektrik maliyetlerine bağlı olduğunun altını çizer—henüz geniş ölçüde gerçekleşmemiş bir koşul.^[177][170]

Çevresel ve Sürdürülebilirlik Değerlendirmesi

Kaynak Tüketimi (Su ve Elektrik)

Hidrojen üretimi için suyun elektrolizi, 18 gram suyun 2 gram H₂ verdiği $2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$ kimyasal reaksiyonundan türetilen, kilogram hidrojen (H₂) başına minimum 9 litre su stokiyometrik gereksinimine sahiptir.^[81] Uygulamada, operasyonel sistemlerdeki verimsizlikler, saflaştırma kayıpları ve soğutma ihtiyaçları hesaba katıldığında toplam su tüketimi kilogram H₂ başına 20 ila 30 litre arasında değişir; proton değişim membranı (PEM) elektrolizörleri kilogram başına ortalama 17.5 litre civarındadır.^[198][199] Büyük ölçekli dağıtım bu talepleri artırır; örneğin, bazı net sıfır senaryolarıyla uyumlu olarak yıllık 10 milyon ton elektrolitik H₂ üretmek, yaklaşık 89 milyon metreküp su tüketecektir; bu, 600.000 kişilik bir şehrin yıllık arzına eşdeğerdir.^[200]

Yeşil hidrojen üretiminin küresel ölçeklendirilmesi, su yoğunluğunun diğer düşük karbonlu enerji taşıyıcılarını aşması ve kaynaklar için tarımla yoğun bir şekilde rekabet eden biyoyakıt yollarıyla rekabet etmesi nedeniyle tatlı su akiferleri için riskler oluşturur.^[81][198] Hammadde olarak deniz suyu kullanmak tatlı su gerginliğini hafifletebilir ancak tuzdan arındırmayı (desalination) gerektirir; bu da süreç kayıpları ve ön arıtma talepleri nedeniyle genel su kullanımını kilogram H₂ başına yaklaşık 30 litreye çıkarır ve saflaştırma için daha yüksek enerji girdileri gerektirir.^[34]

Elektrik, hidrojenin üst ısıl değerine dayalı olarak kilogram H₂ başına 39.4 kilovat-saat teorik minimum ile birincil enerji girdisi olarak hizmet eder.^[135] Ancak ticari sistemler, aşırı potansiyeller, ısı kayıpları ve pompalar ile saflaştırma için yardımcı güç nedeniyle kilogram başına 50 ila 55 kilovat-saat gerektirir; gelişmiş tasarımlar kilogram başına 53 kilovat-saate yaklaşmaktadır.^[201][202] Güneş veya rüzgar gibi kesintili yenilenebilir enerjilerle entegre edildiğinde, elektrolizörlerin çıktıyı sürdürmek için aşırı boyutlandırılması veya fazla üretim kapasitesiyle eşleştirilmesi gerektiğinden, efektif elektrik tüketimi önemli ölçüde artar; bu da düşük yenilenebilir dönemlerinde şebeke çekimini potansiyel olarak ikiye katlar ve kaynak kısıtlı şebekelerde ölçeklenebilirlik sınırlarını vurgular.^[5] Tipik verimliliklerde çalışan nominal 1 gigawatt’lık bir elektrolizör, yıllık kabaca 140.000 ila 160.000 ton H₂ üretir (7.000–8.000 tam yük saati varsayılarak), bu ölçekte sürekli elektrik girdisi talep ederken değişken arzla mücadele eder.^[203]

Yaşam Döngüsü Emisyonları ve Gerçek Karbon Ayak İzi

Su elektrolizi yoluyla üretilen hidrojenin yaşam döngüsü sera gazı emisyonları, hammadde çıkarımı, elektrolizör üretimi, işletim için elektrik temini, bakım ve kullanım ömrü sonu bertarafından gelen katkıları içerir; bu da süreci, optimum koşullar altında bile sıfır emisyon iddialarıyla uyumsuz hale getirir. Bir elektrolizörün üretimi, kullanım ömrü boyunca üretilen kg hidrojen başına 0.1 ila 0.5 kg CO₂-eşdeğeri üretir; bu, 48–58 kWh/kg H₂ tipik enerji gereksinimleri varsayıldığında kWh hidrojen çıktısı başına yaklaşık 2–10 g CO₂-eşdeğerine denktir. Bu ön emisyonlar, öncelikle %50-80 kapasite faktörlerinde 20-30 yıllık işletim boyunca amorti edilen çelik, nikel ve iridyum bileşenlerinden kaynaklanır.^[204]

Operasyonel emisyonlar, çoğu senaryoda toplam yaşam döngüsü ayak izinin %90’ından fazlasını oluşturan girdi elektriğinin karbon yoğunluğu tarafından domine edilir. Elektroliz, kg H₂ başına yaklaşık 50 kWh elektrik gerektirir; ortalama yoğunluğu 400–500 g CO₂/kWh olan şebeke gücünü kullanmak (birçok ulusal şebeke için tipiktir), kg H₂ başına 20–25 kg CO₂-eşdeğeri verir ve bu, yakalanmamış buhar-metan reformlamadan (SMR) gelen 9–12 kg’ı aşar.^[205][206] “Düşük karbonlu” şebeke elektriği bile nadiren tutarlı bir şekilde 100 g CO₂/kWh’nin altına ulaşır; bu da %90 yakalama oranlarında karbon yakalama, kullanım ve depolama (CCUS) ile SMR’den elde edilen mavi hidrojeninkine (kg H₂ başına 1–2 kg CO₂-eşdeğeri) benzer veya ondan daha kötü emisyon profilleriyle sonuçlanır.^[207][208]

Uygulamada, elektroliz projelerinin çoğu özel yenilenebilir kaynaklarla eşleşmez ve karbondan arındırma iddialarını zayıflatır. Küresel olarak, elektrolitik hidrojen üretimin %4’ünden azını oluşturur ve toplam hidrojen çıktısının %1’inden azı yenilenebilir elektrikten elde edilir; çünkü çoğu tesis fosil bağımlı şebekelere bağlanır.^[209] Duyurulan projeler genellikle fosil üretimi içeren güç satın alma anlaşmalarına veya ithalata dayanır ve elektrolizden önce çıktıları kg H₂ başına 0.7–5 kg CO₂-eşdeğeri yukarı akış emisyonlarına maruz bırakır.^[207] Gerçekten yenilenebilir enerjiyle çalışan elektroliz, toplam emisyonları kg H₂ başına 0.3–2.4 kg CO₂-eşdeğeri ile sınırlayabilir, ancak ölçeklenebilirlik kısıtlamaları ve şebeke kesintililiği değişkenlik getirir; hidrojen sızıntısı ve dolaylı tedarik zinciri etkileri bazı değerlendirmelerde yakın vadeli etkilere %10-25 ekler.^[210][211]

Karşılaştırmalar, elektrolizin koşullu avantajlarını ortaya koymaktadır: özel rüzgar veya güneş entegrasyonu, elverişli yerlerde mavi hidrojenden daha düşük emisyonlar sağlar, ancak şebeke bağlantılı sistemler sıklıkla SMR+CCUS’un altında performans gösterir; SMR+CCUS, elektrik karbondan arındırma zaman çizelgelerine bağlı kalmadan tutarlı bir şekilde kg H₂ başına 2 kg CO₂-eşdeğerinin altına ulaşır.^[212] Politika yapıcıların sıfıra yakın ayak izi varsayımları, gerçek dünya elektrik tedarikine dayalı olarak kg H₂ başına 2–25 kg CO₂-eşdeğeri arasında değişen elektroliz emisyonlarını gösteren yaşam döngüsü analizleriyle kanıtlandığı üzere, bu bağımlılıkları gözden kaçırmaktadır.^[213][214]

Daha Geniş Ekolojik Etkiler

Elektrolizörlerin, özellikle proton değişim membranı (PEM) varyantlarının üretimi, katalizörler için iridyum gibi platin grubu metallere (PGM’ler) dayanır; bunlar, düşük kabuksal bollukları nedeniyle kapsamlı madencilik operasyonları gerektirdiğinden belirgin çevresel etkiler sergiler. Öncelikle Güney Afrika’nın Bushveld Kompleksi’nde enerji yoğun açık ocak yöntemleriyle yürütülen iridyum madenciliği, habitat parçalanması ve yerel su kütlelerini ve toprakları kirleten asit maden drenajı dahil olmak üzere önemli ekosistem bozulması yaratır.^[215] Küresel iridyum üretimi yıllık yaklaşık 7-8 tonla sınırlı olduğundan ve yoğunlaştırılmış ekstraksiyon olmadan öngörülen PEM elektrolizör taleplerini karşılamada yetersiz kaldığından, bu faaliyetler daha geniş ekolojik zorlanmaya katkıda bulunur.^[216]

Elektrolizör uygulamalarında PGM’ler için geri dönüşüm oranları şu anda %20’nin altındadır; bu durum birincil madenciliğe olan bağımlılığı şiddetlendirmekte ve ilişkili habitat kaybı ile toprak bozulmasını sürdürmektedir. Yığınlar ve membranlar dahil olmak üzere elektrolizör bileşenlerinin üretimi oldukça enerji yoğundur; beşikten kapıya (cradle-to-gate) süreçler, yaşam döngüsü kaynak tükenmesinin önemli bir kısmını oluşturur ve genellikle ekolojik yükleri operasyonel aşamalardan yukarı akış tedarik zincirlerine kaydırır.^[217] Son prospektif yaşam döngüsü değerlendirmeleri, PEM sistemlerinin PGM tedariki nedeniyle alkali alternatiflere kıyasla daha yüksek malzeme kaynaklı etkilere maruz kaldığını vurgulamaktadır.^[218]

Genellikle iletim kayıplarını en aza indirmek için yenilenebilir enerji tesisleriyle birlikte yerleştirilen büyük ölçekli elektroliz tesisleri, kurak veya tarımsal olarak üretken bölgelerde arazi için rekabet eder; potansiyel olarak doğal habitatları veya tarım arazilerini yerinden eder ve parçalanma ve azalmış ekosistem hizmetleri yoluyla biyoçeşitliliği tehdit eder. Bu tür dağıtımlar, tampon bölgeleri endüstriyel altyapıya dönüştürebilir ve yerel flora ve fauna üzerindeki riskleri artırabilir; bu durum, gigawatt ölçeğinde çıktı için küresel olarak binlerce kilometrekareye varan geniş alanlar gerektiren yenilenebilir hidrojen projelerinin analizleriyle kanıtlanmıştır.^[219][220] 2024’teki yaşam döngüsü çalışmaları, bu dolaylı arazi kullanım baskılarının ve malzeme çıkarma etkilerinin, genel ekolojik ayak izlerini yalnızca doğrudan operasyonlara odaklanan ilk projeksiyonların ötesine taşıdığını vurgulamaktadır.^[221]

Zorluklar ve Eleştiriler

Teknik Ölçeklenebilirlik Engelleri

Değişken yenilenebilir girdilerle uyumluluğu nedeniyle tercih edilen Proton Değişim Membranı (PEM) elektrolizörleri, kesintililiğe karşı sınırlı dayanıklılık gösterir; güneş veya rüzgar gücü dalgalanmalarının tipik özelliği olan sık başlatma ve durdurmalar sırasında performans bozulması hızlanır. BloombergNEF 2024’te, elektrolizörlerin ticari ölçeklerde bu tür kesintili operasyonlarla uyumluluğu tam olarak kanıtlamadığını bildirdi.^[222] Bu durum, hızlı yük değişimleri sırasında membranlar ve katalizörler üzerindeki mekanik streslerden kaynaklanır; burada %10’un altındaki duruş süresi—yenilenebilir entegrasyonda yaygındır—düşük sıcaklıklı elektroliz teknolojilerinin kapsamlı incelemelerinde detaylandırıldığı üzere, safsızlık girişini ve verimlilik kayıplarını şiddetlendirir.^[223]

Kritik katalizörler için tedarik zinciri kısıtlamaları ölçeklenebilirliği daha da engellemektedir; özellikle PEM oksijen evrimi elektrotlarında iridyum için yıllık yaklaşık 7 tonluk küresel üretim, mütevazı kapasite artışları için bile öngörülen talepleri karşılayamaz. Dünya Platin Yatırım Konseyi 2023’te, 20 GW PEM elektrolizör dağıtımının, talebin mevcut geri dönüşüm ve madencilik verimlerini aşan faktörlerle arzı geride bırakmasıyla önemli iridyum açıklarını tetikleyebileceği konusunda uyardı.^[224] Hidrojen evriminde kullanılan platin de benzer risklerle karşı karşıyadır, ancak Güney Afrika madenlerinde yoğunlaşan iridyumun nadirliği, yüklemeleri 0.1 mg/cm²’nin altına düşürme çabalarına rağmen yığın üretim oranlarını sınırlayan akut bir darboğaz oluşturmaktadır.^[225]

Membran elektrot düzeneği ölçeklendirmesi, düzensiz katalizör kaplamaları ve PEM kusurları gibi üretim tutarsızlıklarını ortaya çıkarır; bu da küçük laboratuvar hücrelerinden (örneğin 5 cm²) daha büyük modüllere (50 cm² veya daha fazla) geçerken voltaj verimliliğini düşürür. Çalışmalar, işleme kaynaklı iğne delikleri ve düzensiz mürekkep dağılımı nedeniyle ölçeklendirilmiş katalizör kaplı membranlarda yüksek ohmik kayıpları ve geçiş (crossover) oranlarını vurgulamaktadır.^[226] Bu sorunlar, bipolar plaka hizalamasının ve akış alanı düzgünlüğünün bozulduğu yığın seviyelerinde birleşerek, uzun süreli çalışma altında genel sistem dayanıklılığını azaltır.

Gigawatt ölçeğindeki dağıtımlar, termal ve basınç yönetimi zorluklarını artırır; çünkü 2 A/cm²’yi aşan yığın akımları 90°C’yi aşan lokalize sıcak noktalar oluşturur ve membran dehidrasyonunu ve katalizör sinterlemesini önlemek için karmaşık soğutma döngülerini gerektirir. Modelleme, entegre ısı eşanjörleri olmadan, çok megawatt’lık dizilerdeki sıcaklık gradyanlarının mekanik arızaları tetiklediğini, basınç dengesizliklerinin ise gaz geçirgenliği ve yığın sızıntısı riskini daha da artırdığını göstermektedir.^[227] Pilot sistemlerden elde edilen ampirik veriler bu engelleri vurgulamaktadır; düzensiz ısı dağılımı operasyonel ömürleri 50.000 saatin altına düşürerek şebeke ölçeğinde uygulanabilirlik hedeflerinin çok gerisinde kalmıştır.^[102]

Politika Güdümlü Hype ve Ampirik Uygulanabilirlik

Amerika Birleşik Devletleri’ndeki 2022 Enflasyon Azaltma Yasası, 45V bölümü uyarınca yaşam döngüsü sera gazı emisyonu azalmalarına göre ölçeklendirilmiş kilogram başına 3 $’a kadar temiz hidrojen üretim vergisi kredisi sağlamakta, ayrıca bölgesel hidrojen merkezleri için 8 milyar $ ve elektroliz üretimi ve dağıtımı için 750 milyon $ hibe sunarak, yüksek enerji girdileri ve düşük verimlilik nedeniyle aksi takdirde ekonomik engellerle karşılaşacak projeleri teşvik etmektedir.^{[239][240][241]} Avrupa Birliği’nde, Hidrojen Bankası, on yılda 2.2 milyon ton verim sağlaması beklenen 15 yenilenebilir hidrojen projesi için 992 milyon € dahil olmak üzere ihalelerde yaklaşık 1 milyar € tahsis etti ve Hollanda’nın 0.5 MW’ı aşan elektrolizörler için 700 milyon €’luk sübvansiyonları gibi ulusal sübvansiyonlar, devam eden destek olmadan operasyonel kayıpların süreceği projeksiyonlarına rağmen altyapıyı finanse etmektedir.^{[242][243][244]} Bu politikalar, Florida Power & Light’ın fazla güneş enerjisini kullanarak doğal gaz türbinlerine hidrojen karıştırmayı amaçlayan 25 megawatt’lık elektroliz pilotu gibi dağıtımları teşvik etti, ancak analizler, elektroliz gidiş-dönüş enerji kayıplarının %30’u aşması ve yenilenebilir enerjileri doğrudan elektrifikasyondan saptırması nedeniyle şebeke ölçekli uygulamalar için verimsizliğini vurgulamaktadır.^[245]

Elektrik karbon yoğunluğunun emisyon iddialarını zayıflattığı, fosil yakıtın baskın olduğu şebekeler aracılığıyla üretilen elektroliz hidrojeni için “yeşil” tanımı üzerinde tartışmalar ortaya çıkmakta ve özel yenilenebilir enerjiler olmadan çıktıyı düşük karbonlu olarak etiketleyerek yeşil aklamayı (greenwashing) mümkün kılmaktadır.^[246][245] Su tüketimi, hidrojen kilogramı başına 9-15 litre ile tarımın çekiminin çok altında olsa da, tuzdan arındırmaya bağımlı projelerin iklim kaynaklı kuraklıklar sırasında kaynakları zorlayabileceği Körfez İşbirliği Konseyi devletleri gibi kıtlığa eğilimli bölgelerde riskler oluşturmakta ve içme suyu ihtiyaçlarına karşı hidrojene öncelik verilmesi konusunda tartışmalara yol açmaktadır.^{[247][248][199]}

Uluslararası Enerji Ajansı gibi savunucular, elektrifikasyonun yetersiz kaldığı çelik ve havacılık gibi sektörleri karbondan arındırmak için elektroliz hidrojeninin potansiyelini vurgulayarak, sübvansiyonların maliyet paritesiyle aradaki boşluğu kapattığını ve tedarik zincirlerini güçlendirdiğini savunuyor.^[184] Kurumsal Avrupa Gözlemevi ve Sierra Club gibi eleştirmenler, bunun kömür ağırlıklı üreticilerden hidrojen ithal ederek veya azaltılmamış gazla karıştırarak, daha verimli doğrudan yenilenebilir kullanımı yerinden ederek ve petrol ithalatına benzer bağımlılıkları kilitleyerek fosil yakıt altyapısını uzattığını iddia ediyor.^[249][250]

Ampirik olarak, elektroliz 2023’te küresel hidrojen çıktısının %1’inden azını oluşturdu; toplam düşük emisyonlu hidrojen, fosil bazlı reformlamanın hakim olduğu 120 milyon tonluk toplama karşı 1 milyon tonun altındaydı. Duyurulan projeler 1.500’den fazladır ancak elektrolizör kapasitesi 25 gigawatt üretime karşılık 2.5 gigawatt operasyonel düzeyde kalarak pilotların ötesinde kanıtlanmamış ölçeklenebilirliğin altını çizmektedir.^{[184][251][219][252]}