Geleceğin Temiz Elektrik Sistemlerinin Temelini Kritik Mineraller Oluşturacaktır
Özet
Düşük emisyonlu bir elektrik sistemi, geleneksel fosil yakıt kaynaklarıyla çalışan bir elektrik sisteminden çok farklıdır. Diğerlerinin yanı sıra, daha çok kritik minerallere bağlıdır. Bir solar PV kurulumu, doğal gazla çalışan bir elektrik santralinden yaklaşık altı kat daha fazla kritik mineral girdisi (kurulu güç kapasitesinin megavat [kg/MW] başına 7 000 kilogram) gerektirir.
Karadaki bir rüzgar tesisi dokuz kat daha kritik mineral girdisi (10 000 kg/MW) gerektirir ve bir açık deniz rüzgar tesisi 13 kat daha kritik mineral girdisi gerektirir (15 000 kg/MW). 5.000 kg/MW’ın biraz üzerinde olan nükleer enerji, düşük emisyonlu enerji üretim
teknolojileri grubu arasında en az kritik mineral yoğun teknolojidir.
Bu, elektrik sisteminin dönüşümüne kaçınılmaz olarak bu kritik minerallere olan artan talebin eşlik edeceği anlamına gelir. Temiz enerji geçişleri hız kazandıkça, buna bağlı olarak geleneksel yakıtların tedarikinden kritik minerallerin tedarikine doğru bir odak kayması olacaktır.
Jeopolitik olaylardan etkilenebilecek artan maden fiyatları ve değişken tedarik zincirleri, güvenli ve sürdürülebilir bir enerji geçişi için bu madenlerin önemine daha fazla dikkat
etmeleri konusunda politika yapıcılar için uyarı işaretleri olarak görülmelidir.
Sistem Geçişi Yeni Zorluklarla Birlikte Geliyor
İleriye dönük yapılam tüm senaryolarda düşük emisyonlu gücün, elektrik şebekelerinin ve şebeke depolamanın hızla devreye alınması, elektrik sektöründen kritik minerallere yönelik talebin hızla arttığını gösteriyor.
Zamanla malzeme yoğunluğu iyileştirmelerine yol açan teknoloji yeniliğine rağmen, kritik mineral talebi 2021’de 7 Mt’dan 2030’da 11 Mt’a ve 2050’de 13 Mt’a STEPS’te yükseliyor. Yapılan senaryolarda çok daha hızlı büyüyerek 2050’de 18 Mt’a ve hatta 20 Mt’a kadar ulaşıyor.
STEPS’de bile, düşük emisyonlu güce, şebekelere ve depolamaya geçişler, bu on yılda kritik mineraller için kümülatif talebin 2010 ile 2020 arasındakinden %20 daha fazla olmasına ve 2030’dan yüzyılın ortasına kadar kümülatif talebin yaklaşık dört katına (son on yılın talebi kadar büyük) çıkmasına neden oluyor.
Güç sistemlerinin geleceği için çok önemli olan mineraller arasında bakır, nadir toprak elementleri, silikon ve lityum yer alıyor. Bakır, elektrik iletim ve dağıtım şebekelerinde yaygın olarak kullanılır, ancak iletken özellikleri onu aynı zamanda güneş PV panelleri, rüzgar türbinleri ve piller gibi düşük emisyonlu enerji üretim teknolojileri için önemli bir bileşen haline getirir.
Nadir toprak elementleri (REE’ler), doğrudan tahrikli ve hibrit rüzgar türbinlerinin motorları için kalıcı mıknatısları üretmek için kullanılır (2021’de rüzgar enerjisi kurulumlarının %30’unu oluşturur).
Silikon, güneş panelleri üretmek için kullanılır. Değişken yenilenebilir teknolojilerin konuşlandırılması arttıkça, yenilenebilir elektriği tamamlamak için depolama teknolojilerine olan ihtiyaç da hızla artıyor. Lityumiyon piller, dünyadaki en hızlı büyüyen depolama teknolojisi olup, lityumu geleceğin elektrik sistemleri için vazgeçilmez kılmaktadır.
Mutlak hacimler açısından, bakır, kritik mineraller için toplam talebe hakimdir. Elektrik sektörü: yılda 5 Mt’un üzerindeki mevcut talep, APS’de 2030’a kadar 10 Mt’a ve NZE Senaryosunda 13 Mt’a yükseliyor (Şekil 2).
Mevcut seviyelere göre, pil depolama sistemleri için lityum talebi, NZE Senaryosunda 2030’a kadar 20 kattan fazla ve 2050’de neredeyse 50 kat artarak en keskin şekilde artıyor.
Bakır, silikon ve NTE’lere olan talep APS’de 2030’a kadar neredeyse iki katına çıkar ve 2021’e göre NZE Senaryosunda yaklaşık üç kat artar. Mt=milyon ton; kt=kiloton. Bu şekilde, pil depolaması şebeke ölçeğinde ve ev ile sınırlıdır. enerji depolama ve EV pillerine yönelik talebi içermez.
Bakır talebi EV motor talebini hariç tutuyor. Lityum talebi EV pillerine olan talebi hariç tutar.
Izgaralar için daha fazla bakır, rüzgar türbini motorları için nadir toprak elementleri, güneş panelleri için silikon ve düşük emisyonlu güç sistemlerine geçiş için pil depolama için lityum gereklidir.
Ar-Ge Desteği, Mineral Yoğunluğunda İyileştirmeler ve Mineral Alternatifleri Elde Etmek
için Çok Önemlidir
Bakır ve alüminyum şu anda toplam şebeke yatırım maliyetlerinin yaklaşık %16’sını ve %4’ünü oluşturmaktadır. Hammadde maliyetlerini azaltmak için, şebeke operatörleri yer altı kablolarında bakır yerine daha ucuz olan alüminyum kullanmaya geçebilirler.
Yeraltı kablolarında alüminyum kullanımının artması, bakır talebini yaklaşık %45 oranında azaltabilir. Kablo yalıtım teknolojisindeki son gelişmeler, aynı miktarda iletken malzeme kullanarak daha yüksek iletim kapasitesi olasılığını da genişletiyor.
Günümüzün elektrik şebekeleri, büyük ölçüde, elektriği iletmek için kablo başına en az üç tel gerektiren bir alternatif akım (AC) sistemi kullanılarak işletilmektedir. HVDC sistemleri, AC sistemlerine kıyasla metal talebinde en az üçte bir oranında doğrudan tasarruf
anlamına gelen iki kablo kullanır.
HVDC sistemleri ayrıca AC sistemlerinden daha fazla elektrik taşıma kapasitesine sahiptir, bu da bakır ve alüminyum talebini ve ayrıca şebeke genişletme ihtiyacını azaltabilir.
HVDC sistemlerinin daha geniş bir şekilde benimsenmesi maliyetleri artırabilir, ancak NZE Senaryosunda 2050 yılına kadar hem alüminyum hem de bakır talebini yaklaşık %10 azaltır.
Kristalin silikon (c-Si) modülleri, küresel kapasite ilavelerinin yaklaşık %95’ini oluşturarak, bugün solar PV pazarına hakimdir. Geçen yıl Çin’de kristal polisilikon üretimindeki yavaşlama, güneş enerjisi tedarik zincirinde bir darboğaz yaratarak polisilikon fiyatlarının
dört katına çıkmasına neden oldu.
Bununla birlikte, son on yılda c-Si güneş panellerinin imalatı ve tasarımındaki yenilikler, malzeme yoğunluğunda önemli gelişmelere katkıda bulunmuştur; 2008’den bu yana, panel kalınlığı önemli ölçüde azaldığından silikon yoğunluğu yarıdan fazla azaldı ve gümüş kullanımı %80 oranında azaldı.
Aynı dönemde, modül maliyetleri %80 oranında düştü ve dünya çapında solar PV
dağıtımında olağanüstü bir büyümeye yol açtı. c-Si modüllerinin pazara hakim olmaya devam etmesi beklenirken, kadmiyum tellür (CdTe), perovskite veya galyum arsenit (GaAs) güneş pilleri gibi alternatif teknolojiler üzerinde daha fazla Ar-Ge çalışması, bu teknolojilerin 2050 yılına kadar artan pazar paylarına ulaşmasını sağlayabilir.
Rüzgar enerjisi kapasitesi, maliyetlerde ortalama %40’lık bir azalma ve 130’dan fazla ülkedeki güçlü politika desteği sayesinde son on yılda neredeyse dört katına çıktı.
Rüzgar türbinlerinin ortalama nominal kapasitesi de son on yılda önemli ölçüde arttı, karadaki rüzgar türbinleri için neredeyse iki katına çıktı ve açık deniz rüzgar türbinleri için daha da hızlı arttı: en yeni açık deniz rüzgar türbini tasarımları 10-14 MW’tır ve MW’a kadar planlar vardır.
20 MW’lık türbinler yapım aşamasındadır. Bu değişikliklerin malzeme kullanımı üzerinde önemli etkileri vardır. Megavat başına kilogram bazında, 3,45 MW’lık bir türbin, 2 MW’lık
bir türbine göre yaklaşık %15 daha az beton, %50 daha az fiberglas, %50 daha az bakır ve %60 daha az alüminyum içerir.
Malzeme yoğunluğu sadece türbin boyutuna değil aynı zamanda türbin tipine de bağlıdır. Rüzgar enerjisi üretiminin hızla yaygınlaşması, birçok motor için kalıcı mıknatısların üretilmesi için gereken nadir toprak elementlerine olan talebi de beraberinde getiriyor.
NZE Senaryosunda, özellikle rüzgar, neodimyum ve praseodimyumdaki NTE’lere olan talebin, endüksiyon jeneratörleri kullanan teknolojilerden kalıcı mıknatıs jeneratörleri kullananlar lehine bir kayma nedeniyle 2050 yılına kadar üç katına çıkacağı tahmin
edilmektedir.
EV motorları, artan fiyatlar ve jeopolitik olaylarla REE arzı için rekabet etme konusundaki
endişeler göz önüne alındığında, genel REE talebini azaltmak için mıknatıssız teknolojiler veya daha küçük mıknatıslı hibrit konfigürasyonlar veya REE’siz kalıcı mıknatıslar geliştirmek için daha fazla Ar-Ge çabası gerekmektedir. Başarılı Ar-Ge, NTE’lere olan talepte
önemli düşüşlere yol açabilir (Şekil 3).
Geri Dönüşüm ve Yeniden Kullanım, Talebi Karşılamak için Birincil Arz Üzerindeki Yükü Azaltabilir
Metal geri dönüşümü, kendi zorluklarıyla birlikte gelse de, kritik minerallere yönelik artan talebi karşılamak için önemli bir ikincil tedarik kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Geri dönüşüm, metallerin fiziksel olarak toplanmasını ve ayrılmasını ve bunları geri kazanmak için metalürjik süreçleri içerir.
Bununla birlikte birden fazla yolu ve çok çeşitli teknolojileri ve uygulamaları içerir. Enerji geçişinde kullanılan metallerin geri dönüştürülmesi, yalnızca madencilik yoluyla birincil kaynakları üzerindeki yükü hafifletmekle kalmayacak, aynı zamanda atık akışlarının daha iyi arıtılması, çeşitli tehlikeli maddelerin çevreye girerek toprak ve su kaynaklarını kirletme riskini de azaltacaktır.
Geri dönüşüm, birincil arza yönelik önemli yatırım ihtiyacını ortadan kaldırmayacak olsa da, geri dönüşüm yoluyla madencilik üzerindeki yükün bir miktar azaltılması, sonunda madencilikten kaynaklanan daha düşük sosyal ve çevresel etkilere yol açacaktır.
Kütle olarak, güneş paneli bileşenlerinin %95’i geri dönüştürülebilir, ancak şu anda ömrünü tamamlamış güneş panellerinin yalnızca yaklaşık %10’u geri dönüştürülüyor. Ortalama ömrü yaklaşık 25 yıl olan dünya çapında birçok güneş paneli artık ömrünün sonuna yaklaşıyor.
NZE Senaryosunda, solar PV için kapasite kullanımdan kaldırmalar, 2030’da 3 GW’den
2050’de yaklaşık 400 GW’a neredeyse 150 kat artarak. Kütle olarak, bir rüzgar türbininin bileşenlerinin %90’ı geri dönüştürülebilir ve güneş panelleri gibi ömürleri yaklaşık 25 yıldır.
NZE Senaryosunda, rüzgar türbinleri için kapasite kullanımdan çıkarmalar 2030’da 16 GW’dan 2050’de 240 GW’a yükselmektedir. Metallerin geri dönüşümünü artırmak ve kullanım ömürlerinin sonunda güneş panelleri ve rüzgar türbinlerinin kullanım ömürlerini tamamlamasını sağlamak için daha fazla politika çabası gerekmektedir.
Alüminyum, demir ve nikel gibi metaller ve bazı durumlarda bakır gibi basit, dökme ürünler söz konusu olduğunda veya ham maddenin endüstriyel uygulamalardan toplanması nispeten kolay olduğunda yüksek geri dönüşüm oranları elde etmenin mümkün olduğu kanıtlanmıştır.
Bu metallerin, temiz enerji teknolojisi atık akımları da dahil olmak üzere, sürekli geri
dönüşüm için nispeten yüksek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Aynı durum, NTE’ler, lityum ve kobalt gibi diğer enerji geçiş mineralleri için geçerli değildir.
Temiz enerji teknolojileri için ihtiyaç duyulan metallere odaklanan yüksek düzeyde geri dönüşüm, daha fazla yatırım ve Ar-Ge’nin yanı sıra çeşitli üreticiler arasındaki uluslararası iş birliğine bağlıdır.
Minimum geri dönüştürülmüş içerik gereklilikleri, ticareti yapılabilir geri dönüşüm kredileri ve işlenmemiş malzeme vergileri dahil olmak üzere güneş panelleri, rüzgar türbinleri ve pillerin geri dönüşümünü destekleyen hedefli politikalar, enerji geçiş minerallerinin
geri dönüşümünü teşvik etme ve ikincil kaynakların artışını sağlama potansiyeline sahiptir.
Düşük emisyonlu elektrik üretim teknolojileri için döngüsel bir ekonominin yaratılmasını sağlamak amacıyla hem politika müdahalesi hem de Ar-Ge’ye yatırım önemli ölçüde artırılmalıdır. Son on yılda EV lityum iyon piller için inovasyondaki son derece hızlı ilerleme ve buna karşılık gelen maliyet düşüşleri, şebeke ölçekli pil depolama sistemleri için yayılma faydaları sağladı.
Artık otomotiv endüstrisinde şebeke depolama için ikinci bir tür fayda sağlama alanı var. Bu, enerji depolamada ikinci hayat uygulamalarına sahip olabilecek büyüyen EV pilleri havuzundan kaynaklanmaktadır.
Kullanılmış EV pilleri, artık bir EV’de kullanım standartlarını karşılamayan ancak diğer uygulamalar için kullanılabilen terawatt-saat kullanılmayan enerjiye sahip olma eğilimindedir. İlgili kullanılmayan enerji miktarı önemlidir: bu kullanılmış piller tipik olarak
toplam kullanılabilir kapasitelerinin yaklaşık %80’ini korur.
İkinci ömürlü piller için ilk denemeler çoktan başladı, ancak uygulamalarının geniş ölçekte büyümesi için bir dizi teknolojik ve düzenleyici zorluk devam ediyor. Bu zorlukların üstesinden gelmek için kullanılmış EV pillerinin yeniden paketlenmesi, sertifikasyonu,
standardizasyonu ve garanti yükümlülüğü konusunda net bir rehberliğe ihtiyaç duyulacaktır.
Avrupa Birliği Pil Yönergesi’nin önerilen güncellemesi, örneğin pillerdeki minimum geri dönüştürülmüş metal seviyeleri, geri dönüşüm için yeni hedefler ve pil izlenebilirliğini artıran açık bilgi gereklilikleri yoluyla bu sorunlardan bazılarını ele almaya çalışıyor.
Bir sonraki yazımızda Almanya ve Japonya’nın WEEE hedefleri ve finansman planlarına devam edeceğiz önceki yıllardaki mutluluğunuzun devam etmesi dileğiyle. Yeni yılınızı kutlar, sevdiklerinizle sağlıklı günler
dilerim.
Dr. Öğretim Üyesi Cemil Koyunoğlu
Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü
Mühendislik Fakültesi
Yalova Üniversitesi
