Enerji, yıllar boyunca insan uygarlığının gelişiminin ve ilerlemesinin temel taşıdır. Enerji, gücün anahtarıdır, geleceğin en önemli konularından biridir ve insanlığın sosyo-ekonomik-politik alanı için derin etkilere sahiptir, uluslararası meselelerde belirleyici bir faktör olmuştur.
Günümüzde artan nüfus ve bu bağlamda artan sanayileşme enerji ihtiyacını da önemli ölçüde artırmıştır. Küresel birincil enerji tüketimi 1800 yılında 5.652,78 terawatt- saat (TWh) iken 2018 yılı itibari ile küresel birincil enerji tüketimi 157.063,77 TWh’e ulaşmıştır.
Gezegenin 2018 yılında tükettiği birincil enerjinin çoğu, yenilenemeyen ve hızla tükenen fosil yakıtların yakılmasıyla elde edilmiştir [1].
Fosil yakıt rezervlerinin azalması, rezervlere ulaşmanın zorlaşması, işlenmesinin zorlaşması ve çevreye olumsuz etkileri göz önünde bulundurulduğunda yenilenebilir enerji kaynakları daha da önemli hale gelmektedir.
Teknolojinin gelişmesi ile beraber küresel iklim değişimi ve çevre kirliliği gibi problemlere neden olan, zamanla tükenen hammaddelerin kullanımına dayanan enerji üretim biçimlerinin yanı sıra mevcut süreçlerdeki enerji dolaşımından faydalanmayı esas alan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile ilgili yöntemlerin araştırılması ve geliştirilmesi günden güne artmaktadır.
Bu yöntemlerden birisi olan Ters Elektrodiyaliz (RED) yönteminin geçmişi, Manecke [2] tarafından 1952 yılında gerçekleştirilen membran akümülatörü sistemine dayanmaktadır. Bu çalışmanın ilerleyen dönemlerde tuzluluk gradyan farkından faydalanılarak güç üretimi fikrine katkı sağlayan ilk teorik yaklaşımlara ilham verdiği düşünülmektedir.
Tuzluluk gradyan enerjisi, tatlı su ile tuzlu su arasındaki tuz konsantrasyonu farkından elde edilen enerjidir. RED ile ilgili ortaya atılan ve test edilen ilk strateji olarak kabul edilen çalışma ise, Manecke’nin çalışmasından iki yıl sonra Pattle [3] tarafından yapılmıştır.
Tatlı ve tuzlu suyun “hidroelektrik pil” olarak adlandırılan membran modülünden geçişi esnasında, seri olarak bağlanmış anyon değiştirici (ADM) ve katyon değiştirici membranların (KDM) iyonları seçici ayrıma tabi tutması sonucunda elektromotor kuvveti oluşmaktadır [3].
Şekil 1’de tipik bir RED sisteminin akış şeması verilmiştir [4]. Tipik bir RED sisteminde pompalar, elektrot çözeltisi, seyreltik ve konsantre çözelti, elektrotlar, boşluk oluşturucular, contalar ve iyon değişim membranları bulunmaktadır.
Pompalar, elektrot çözeltisi ile konsantre ve seyreltik çözeltiyi devir daim ettirmektedir. Contalar, sıvı çözeltilerin sızmasını engellemek amacıyla kullanılırken ve boşluk oluşturucular ise iyonların rahatça hareket edebilmelerini sağlamaktadır.
RED, iyon değiştirici membranlar aracılığıyla iyon taşınımı mekanizmasından enerji üretiminin gerçekleştiği bir sistemdir [5], [6]. İyon taşınımı, sıra sıra dizilmiş olan katyon ve anyon değiştirici membranlar sayesinde gerçekleşmektedir.
Pozitif yüklü iyonlar, KDM boyunca geçiş yaparken, negatif yüklü iyonlar ADM ters yönde geçiş yapar ve böylece iki uçta sırasıyla pozitif ve negatif potansiyel fark oluşur [7].
RED sisteminde oluşan iyonik akım, iki uçta bulunan elektrotlarda gerçekleşen redoks reaksiyonları ile elektrik akımına dönüştürülür (Şekil 1) [8].
[caption id="attachment_143106" align="aligncenter" width="234"]
Şekil 1. Tipik bir RED sisteminin şematik gösterimi [4][/caption]RED sistemindeki enerji üretiminin ve potansiyelinin temel mantığı aslında termodinamiğin 1. yasasına dayanmaktadır. Bu yasa “enerjinin korunumu” olarak da bilinir.
Enerji, yoktan var edilemez; var olan enerji de yok edilemez; sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Yani bir tuzlu sudan (örn:deniz) tatlı su elde etmek için harcadığımız enerjiyi teorik olarak bir tatlı su (örn:nehir) tuzlu suya (örn:deniz) karışırken geri elde etmemiz gerekir [9].
RED sisteminde enerji üretimi her ne kadar bu suların tuz konsantrasyonuna bağlı olsa da
teorik olarak 1 m3 deniz suyu ile 1 m3 tatlı suyun karıştırılmasında 2,5 MJ enerji elde edilmesi beklenir. Bu da yaklaşık olarak 250 m su yüksekliğine sahip bir barajın ürettiği enerjiye eş değerdir [10], [11].
Mavi enerji olarak da bilinen tuzluluk gradyan enerjisi, dünya çapında yaklaşık 2,8 terawatt (TW) gibi büyük bir potansiyele sahiptir [12]. Dünya çapındaki RED potansiyeli, mevcut durumda dünyada tüketilen elektrik enerjisine hemen hemen eşdeğer üretim potansiyeline sahiptir.
RED, çevre üzerinde olumsuz bir etkisi olmayan, kirletmeyen ve karbon salmayan devasa bir
yenilenebilir enerji kaynağıdır.
Doğrudan dünyanın dinamik su döngüsü ile ilgilidir ve iki farklı tuz konsantrasyonuna sahip çözelti etkileşime girdiğinde oluşan enerjiye bağlıdır [12]– [14]. Günümüzde bu potansiyelin kullanılamamasının bazı sebepleri vardır.
Bu sebeplerden başlıcası, RED sisteminde genellikle elektrodiyaliz düzenekleri için hazırlanan membranlar kullanılmasıdır ve bu membranların tuzluluk gradyanı ile enerji üretimine olumsuz etkileri olduğu düşünülmektedir [15].
Membran kalınlığı, RED sistemi tasarımı, membran aralarında oluşturulan mesafe, güç yoğunluğu gibi özellikler de sistem üzerinde önemli bir etkiye sahiptir [16]–[18]. 19. yüzyılda Pattle tarafından yapılan çalışmada elde edilen sonuçlardan birisi de, düşük sıcaklıklarda membran iç direnci daha yüksek ve güç çıkışı daha düşük olmaktadır.
Yani mevsimsel sıcaklık farklarının fazla olmadığı ve su sıcaklığının nispeten daha yüksek olduğu iklimlerde RED sisteminin daha uygun olacağı öngörülmektedir [3]. RED sisteminin potansiyelini değerlendirirken aslında tatlı su kaynağı olarak nehirlerle tuzlu su kaynağı
olarak da deniz ve okyanuslarla sınırlamamak gerekmektedir.
Her ne kadar nehirlerin denizlere, okyanuslara ya da benzer su kaynaklarına dökülmesi oldukça önemli bir potansiyel olsa da bu sistemde tatlı su kaynağı olarak arıtılmış atık sular da kullanabilirken tuzlu su kaynağı olarak da desalinasyon (tuzsuzlaştırma) tesislerindeki konsantre çözeltiler kullanılabilir.
Son zamanlarda bu alternatif besleme suyu denemelerine de ilgi artmıştır. Bu durum ayrıca arıtılmış atık suların yeniden kullanılabilirliği kapsamında da oldukça önem
arz etmektedir. Günümüzde denize kıyısı olan birçok şehirdeki arıtma tesisi atık sularının arıttıktan sonra denize deşarj etmektedir.
Bu konuya en iyi örneklerden birisi de İstanbul’dur. İstanbul 15 milyondan fazla nüfusuyla
dünyanın en kalabalık metropollerinden birisidir. İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi’nin (İSKİ) 2021 yılında yayınladığı faaliyet raporuna göre İstanbul’da atık su arıtma tesislerinde arıtılan yıllık atık su miktarı 1.498.276.404 m3 iken bu atık suların 608.660.129 m3’ü biyolojik ve ileri biyolojik olarak arıtılmaktadır.
Yine aynı raporda atıksu arıtma tesislerinde tüketilen yıllık elektrik miktarı 380.068.959 kWh olarak belirtilirken bu tesisler de üretilen yıllık elektrik miktarı olarak ise 146.769.893 kWh olarak belirtilmiştir (URL-1).
Sadece İstanbul’un verileri bile oldukça önemli ve temiz bir enerji kaynağının boşa harcandığını gösterirken [19] dünya çapında düşünüldüğünde oldukça devasa bir enerji kaynağını kullanmadığımız fark etmekteyiz.
Burada bir önemli hususta atıksuların iyi bir kalitede arıtılmasıdır. Bu sebeple biyolojik ve ileri biyolojik arıtmalar bu proseslerin işlevini artırırken çevreye olan zararında minimize olmasını sağlamaktadır.
RED sistemi ile ilgili literatürde laboratuvar ve pilot ölçekli çalışma sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Genellikle bu çalışmalar yeni modül ve membran tasarımları, proses optimizasyonu ve prosesin karşılaşacağı zorlukların minimize edilmesine yöneliktir.
İlk pilot ölçekli çalışma 125 membran çiftine sahip bir sistem ile 2014 yılında İtalya’da gerçekleştirilmiştir. Deniz suyu ve doymuş tuzlu su numuneleri ile gerçekleştirilen çalışmada 1,3 W/ m2’lik maksimum güç yoğunluğu elde edilmiştir [20], [21].
2014 yılında Wetsus, Fujifilm ve RedStack ortaklığında dünyanın ilk RED enerji santrali Hollanda’ya kurulmuştur. Özel yapım membranların kullanıldığı bu tesiste, Hollanda’nın en büyük barajı Afsluitdijk yakınında bulunan IJsselmeer suyu (tatlı su) ve Wadden Deniz Suyu
(tuzlu su) kullanılarak 50 kW elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir.
Araştırmacılar bu santralin 500.000 hanenin enerji ihtiyacını karşılayacak büyüklükte bir enerji üretim potansiyeline sahip olduğu belirtilmişlerdir (URL-2). RED tesislerinin sadece elektrik üretiminde değil ayrıca doğrudan yakıt hücresi bazlı güç kaynağı olabileceğine
yönelikte çalışmalar yapılmaktadır.
Bunlardan en önemlisi Japonya’nın Fukuoka şehrinde, RED kullanımı ile hidrojen üretiminin gerçekleştirildiği pilot ölçekli bir tesiste deniz suyu ve arıtılmış atıksu arasındaki tuzluluk gradyan farkından faydalanarak yüksek verimde hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir.
Böylece, tuzluluk gradyan farkının doğrudan yakıt hücresi bazlı güç kaynağı için verimli gaz
yakıtı üretimi amaçlı kullanılabileceği görülmüştür. RED ile elektrik üretiminin ve hidrojen üretiminin bir arada olduğu sistem kombinasyonu RED-H2 olarak adlandırılmaktadır.
Yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerjinin düzensiz oluşu ve elektrik üretim fazlası olduğunda bu miktarın depolanamaması gibi kısıtlar için ortaya konan ümit vaat eden çözümlerden birisi “Power to Gas (P2G)” teknolojisidir.
P2G teknolojisi ile elektrik enerjisi hidrojen veya metan gibi gazlara dönüştürülmekte ve depolanarak ihtiyaç halinde kullanılmaktadır [22]–[24].
RED-H2 sistemi ile ters elektrodiyaliz teknolojisinin hidrojen üretimi amacıyla kullanılabilirliğinin gösterilmesi bu anlamda oldukça heyecan vericidir.
Türkiye’nin bulunduğu coğrafi konum gerçek ölçekli çalışmaların yapılabilmesine imkan tanımaktadır.
Türkiye’nin Kuzey’inde Karadeniz, Kuzeybatısı’nda Marmara Denizi, Batı’sında Ege Denizi ve Güney’inde ise Akdeniz bulunmaktadır. Ayrıca, Türkiye’de karada bulunan Tuz Gölü, Burdur Gölü vb. bazı göllerin suları da deniz suyu kadar tuzludur.
Dünya’da enerji yoğunluğu (metre küp tatlı su başına enerji potansiyeli) en yüksek ilk 20 nehir mansabı içinde Büyük Menderes 1. sırada, Ceyhan Nehri ise 3. sırada bulunmaktadır.
Ancak, enerji yoğunluğunun yüksek olmasının yanı sıra, stabil/dengeli bir tuzluluk gradyan farkı olması ve elde edilebilir enerji değerinin yüksek olması gerekmektedir [25]. Sistemden
istenen boyutta bir enerji elde edebilmenin uygun işletme şartlarının sağlanması ve sistem verimi gibi birden fazla sayıda faktöre bağlı olduğu unutulmamalıdır.
Deniz suyu tuzluluğunun ve deniz suyu ortalama sıcaklıklarının RED sistem performansını olumlu etkileyecek seviyede yüksek oluşuyla Akdeniz dikkat çekmektedir.
Türkiye’nin RED teknolojisinin uygulanması açısından önemli ve avantajlı bir coğrafi konuma sahip olduğu düşünülmektedir. RED teknolojisi, Türkiye’de bulunan nehir havzalarının denize döküldüğü konumlarda, konsantre tuzlu suların kullanımıyla endüstriyel ölçekte veya
atıksu arıtma tesisi çıkış sularının denize deşarj noktalarında uygulanabilir olup enerji üretiminde yerel kaynakların kullanımının artırılması açısından ümit vaat eden bir potansiyele sahiptir.
Ancak, bölgesel ölçekte farklı ortam şartlarını yansıtan çalışmalar ile enerji üretim potansiyelinin belirlenmesi önemlidir.
Sonuç olarak Tuzluluk gradyanı enerjisi farklı tuzluluktaki iki çözeltinin karışması sonucu ortaya çıkan kimyasal enerji ile üretilen temiz enerjidir. Bu yenilenebilir enerji potansiyelden faydalanılması ülkenin enerji açığının kapanmasına da katkı sağlayabilir.
Türkiye’nin enerji ihtiyacının sosyal, ekonomik ve çevresel açıdan uygun yöntemler
ile karşılanabilmesi gayesinin gerçekleşebilmesi için RED önemli bir potansiyele sahiptir.
Kaynakça
[1] A. Zoungrana ve M. Çakmakci, “From non-renewable energy to renewable by harvesting salinity gradient power by reverse electrodialysis: A review”, International Journal of Energy Research, c. 45,
sayı 3. 2021.
[2] G. Manecke, “Membranakkumulator”, Zeitschrift für Phys. Chemie, c. 201, sayı 1, ss. 1–15, 1952. [3] R. E. Pattle, “Production of Electric Power by mixing Fresh and Salt Water in the Hydro- electric”, Nature, c. 174, s. 660, 1954.
[4] R. Ortiz-Imedio, L. Gomez-Coma, M. Fallanza, A. Ortiz, R. Ibañez, ve I. Ortiz, “Comparative performance of Salinity Gradient Power-Reverse Electrodialysis under different operating conditions”, Desalination, c. 457, ss. 8–21, 2019 .
[5] D. Kim, K. Kwon, D. H. Kim, ve L. Li, Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. 2019.
[6] D. A. Vermaas, Energy generation from mixing salt water and fresh water. 2014.
[7] D. A. Vermaas, E. Guler, M. Saakes, ve K. Nijmeijer, “Theoretical power density from salinity
gradients using reverse electrodialysis”, Energy Procedia, c. 20, ss. 170–184, 2012.
[8] J. Veerman, M. Saakes, S. J. Metz, ve G. J. Harmsen, “Reverse electrodialysis: A validated process model for design and optimization”, Chem. Eng. J., c. 166, sayı 1, ss. 256–268, 2011.
[9] J. N. Weinstein ve F. B. Leitz, “Electric power from differences in salinity: The dialytic battery”, Science (80-. )., c. 191, sayı 4227, ss.557–559, 1976.
[10] J. W. Post vd., “Salinity-gradient power: Evaluation of pressure-retarded osmosis and reverse electrodialysis”, J. Memb. Sci., c. 288, sayı 1–2, ss. 218–230, 2007.
[11] K. Nijmeijer ve S. Metz, “Chapter 5 Salinity Gradient Energy”, Sustainability Science and Engineering, c. 2, sayı C. 2010.
[12] J. Veerman, “Reverse Electrodialysis: design and optimization by modeling and experimentation”,
2010.
[13] S. Pawlowski, J. Crespo, ve S. Velizarov, “Sustainable power generation from salinity gradient energy by reverse electrodialysis”, içinde Electrokinetics Across Disciplines and Continents:
New Strategies for Sustainable Development, 2015.
[14] J. G. Hong, W. Zhang, J. Luo, ve Y. Chen, “Modeling of power generation from the mixing of simulated saline and freshwater with a reverse electrodialysis system: The effect of monovalent and multivalent ions”, Appl. Energy, c. 110, ss. 244–251, 2013.
[15] A. H. Avci vd., “Sulfonated polyethersulfone based cation exchange membranes for
reverse electrodialysis under high salinity gradients”, J. Memb. Sci., c. 595, s. 117585, 2020.
[16] D. A. Vermaas, M. Saakes, ve K. Nijmeijer, “Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance”, Environ. Sci. Technol., c. 45, sayı 16, ss. 7089–7095, 2011.
[17] N. Y. Yip, D. A. Vermaas, K. Nijmeijer, ve M. Elimelech, “Thermodynamic, energy efficiency, and power density analysis of reverse electrodialysis power generation with natural salinity gradients”, Environ. Sci. Technol., c. 48, sayı 9, ss. 4925–4936, 2014.
[18] H. K. Kim, M. S. Lee, S. Y. Lee, Y. W. Choi, N. J. Jeong, ve C. S. Kim, “High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer”, J. Mater. Chem. A, c. 3, sayı 31, ss. 16302–16306, 2015.
[19] A. Zoungrana, O. K. Türk, ve M. Çakmakci, “Energy coverage of ataköy-ambarlı municipal wastewater treatment plants by salinity gradient power”, J. Water Process Eng., c. 38, sayı July, s. 101552, 2020.
[20] H. Tian, Y. Wang, Y. Pei, ve J. C. Crittenden, “Unique applications and improvements of reverse electrodialysis: A review and outlook”, Applied Energy, c. 262. 2020.
[21] M. Tedesco, C. Scalici, D. Vaccari, A. Cipollina, A. Tamburini, ve G. Micale, “Performance of the first reverse electrodialysis pilot plant for power production from saline waters and concentrated brines”, J. Memb. Sci., c. 500, ss. 33–45, 2016.
[22] M. Higa vd., “Sustainable hydrogen production from seawater and sewage treated water using reverse electrodialysis technology”, Water Pract. Technol., c. 14, sayı 3, ss. 645–651, 2019.
[23] M. Götz vd., “Renewable Power-to-Gas: A technological and economic review”, Renew. Energy, c. 85, ss. 1371–1390, 2016.
[24] G. Gahleitner, “Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications”, Int. J. Hydrogen Energy, c. 38, sayı 5, ss. 2039–2061, 2013.
[25] O. A. Alvarez-Silva, A. F. Osorio, ve C. Winter, “Practical global salinity gradient energy potential”, Renew. Sustain. Energy Rev., c. 60, ss. 1387–1395, 2016. URL-1 İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi (İSKİ), ‘’2021 yılı Faaliyet Raporu’’, https://www.iski.gov.tr/web/assets/video/Genel%20Kurul%20Konuşması/2021%20FAALİYET%20RAPORU.pdf
URL-2 Dutch Water Sector, “Dutch King Opens World’s First RED Power Plant Driven on Fresh-Salt Water Mixing”, https://www.dutchwatersector.com/news/dutch-king-opens-worlds-first-red-powerplant- driven-on-fresh-salt-water-mixing (2014)
Prof. Dr. Mehmet Çakmakcı
Yıldız Teknik Üniversitesi
İnşaat Fakültesi
Çevre Mühendisliği Bölümü
Dr. Ali Zoungrana
Manitoba Ünivesitesi
İnşaat Fakültesi
Çevre Mühendisliği Bölümü
Arş. Gör. Oruç Kaan Türk
Yıldız Teknik Üniversitesi
İnşaat Fakültesi
Çevre Mühendisliği Bölümü
