Vanadyum ve Enerji Depolama Sistemlerinde Kullanımı

1.     Vanadyum Nedir?

Vanadyum atom numarası 23, atom ağırlığı 50.9 olan, gümüş beyaz renkte, yumuşak ve yer kabuğunda en çok bulunan 22. Elementtir. Vanadyum ilginç bir şekilde 2 defa keşfedilmiştir, ilki 1801 yılında İspanyol minerolog Andreas Manuel del Rio tarafından yapılmış ve erythronium ismi verilmiş, ikinci olarak da 1830 yılında İsveçli kimyacı Nils Gabrel Sefstrom tarafından yapılmış ve İskandinav güzellik ve gençlik tanrıçası olan Vanadis ismiyle adlandırılmıştır. Son keşif daha çok kabul görmüş ve yaygınlaşmıştır.

Vanadyumun kullanımı keşfinden çok öncelere, milattan önce 3. Yüzyıla kadar “Şam Çeliği”nin üretilmeye başlandığı döneme kadar gitmektedir. Bu çelik kullanılarak yapılan kılıçların çok keskin, hafif ve çok sağlam oldukları bilinmektedir ve yapılan araştırmalarda, başka birkaç safsızlıkla birlikte bu çeliklerde vanadyumunda bulunduğunu göstermiştir. Bunun dışında daha yakın tarihte Henry Ford’un ilk seri üretim aracı olan Model T’nin gövdesinde de daha hafif ve daha güçlü olmasını sağlaması için vanadyum alaşımları kullandığı ve yine 1. Dünya savaşında benzer özellikleri ve ayrıca ısıya dayanımı sebebiyle taşınabilir ağır silahlar ve vücut zırhları yapımında kullanıldığı bilinmektedir[1].

2. Vanadyum Üretimi ve kullanımı

2018 yılı için toplam vanadyum üretiminin (V olarak) yaklaşık 92 bin ton, tüketiminin de yaklaşık 95 bin ton olduğu tahmin edilmektedir[2].

Vanadyumun kullanıldığı ve tüketildiği alanlara baktığımızda; %90’ının demir çelik endüstrisinde özellikle HSLA denilen yüksek mukavemet düşük alaşım çeliği (%0,5 V eklenmesi çeliğin dayanımını 2 katına çıkarmaktadır) olarak kullanılan yapı çeliğinde, yaklaşık %4 ünün uçak endüstrisi ve savunma sanayi gibi alanlarda kullanılan titanyum alaşım sanayiinde, %4 ünün kimya sanayinde özellikle katalizör olarak sülfürik asit üretiminde, petrokimyada Benfield ve Stretford proseslerinde, yaklaşık kalan %2’lik kısmının da enerji depolamada, vanadyum redoks bataryalarda kullanıldığı bilinmektedir[3].

Üretime ülkeler bazında baktığımızda ise yine %54’lük pay ile en büyük üretici olarak Çin Karşımıza çıkmakta[4], onu sırasıyla %20 ile Rusya, %8 ile Güney Afrka izlemektedir.

Vanadyum üretiminin %70’inden fazla bir kısmı titano-manyetit cevherlerinin atığı olan cüruflardan karşılanır. Özellikle sünger demir üretimi prosesi sırasında Vanadyumun cürufta kalması sağlanarak, bu cüruflar ikincil bir ürün olarak kullanılmaktadır. Bir diğer önemli vanadyum kaynağı ise özellikle Çin’de “stone coal” adı verilen düşük kalorili kömürlerin yakıldığı termik santral külleridir, aynı şekilde rafineri atıkları da önemli miktarda vanadyum içerebilmektedir. Vanadyum üretiminin sadece %18’ini birincil olarak üretilen vanadyum içeren cevherler oluşturur.

Son dönemlerde vanadyum fiyatlarında önemli dalgalanmalar yaşanmakta, kilogramı 120$ üzerlerine kadar çıkan ferrovanadyum fiyatları 35-40 $/kg’a kadar düşmüştür. Bu yükselişteki en büyük neden arz yönlü problemler ve talepte beklenen ciddi yükseliş trendi olmuştur. Özellikle Güney Afrika’da yıllık 11 bin tonluk üretim yapan Evraz Highveld’in ilgili ülkede karşılaştığı problemler nedeniyle üretimini durdurması, yine önemli V2O5 üreticilerinden Vanchem’in Evraz’ın üretimini durdurması ile hammadde bulamamasından üretimini durdurması ve bir de 2018 yılından itibaren Çin devletinin tüm inşaatlarda vanadyum içeren HSLA türü çelikleri kullanımını zorunlu kılması ile talepte artış beklentileri fiyatların aşırı yükselmesine neden olmuştur. Daha sonra Çin’in bu kararını ertelemesi ve kademeli geçiş öngörmesi ve stokların satışa sunulması ile piyasa yeniden dengelenmiştir.

Fakat vanadyum arzında hala ciddi sıkıntılar beklenmektedir. Güney Afrika’daki üretimler elektrik arzı yetersizliği ve başka sorunlar nedeniyle güvenilir görünmemekte, buna ek olarak Çin hükümetinin çevre kirliliğini önleme çalışmaları nedeniyle özellikle düşük kalorili kömürleri kullanan termik santralleri kapatması, atık madde ithalatını durdurması ile vanadyum içeren cürufların ülkeye girememesi gibi birçok nedenden ötürü arz yönlü problemlerin devam etmesi beklenmektedir. Buna değişen yapı çeliği standardı sebebiyle Çin’de tüketimin artacağı beklentisi, enerji depolama sistemleri sebebiyle artacak talep de eklendiğinde yeni kaynaklara ihtiyaç giderek artacaktır.

3.    Vanadyumun enerji depolamada kullanıma – Vanadyum Redox Bataryalar

Vanadyum özellikle şebeke elektriğini depolama, yenilenebilir enerji kaynaklarını üretmede depolama, düzenleme, şebeke kontrolü gibi amaçlarla kullanılan büyük çaplı batarya sistemlerinde kullanılmaktadır. Temel olarak kapasiteleri ihtiyaca göre belirlenen iki büyük tank içerisindeki sıvı vanadyum pentaoksit çözeltisi, pompalar ve elektrokimyasal hücreden oluşur.  Çalışma prensibi, eksi (-) ve artı (+) tanklardaki kimyasal reaksiyonun gerçekleşerek enerji elde edilmesine dayanmaktadır. Tanklar içerisindeki elektrolit sıvılar, temelde vanadyum pentaoksit tozlarının sülfürik asit içerisinde eritilmesi ile elde edilmektedir. Pozitif tankta V5+ ve V4+   iyonları bulunurken negatif tankta V3+ ve V2+ iyonları bulunmaktadır. Bağlantı bölgesindeki geçirgen bir membran içerisinde, sıvılar karşılıklı olarak H+ iyonu vererek dış çevreden elektron akışını sağlamaktadırlar. Bu akış sonucunda enerji oluşmaktadır. Artı ve eksi tankların birleşim yeri olan membranda gerçekleşen reaksiyon sonucunda oluşan enerji, şarj regülatörüne aktarılmaktadır. Burada regüle edilip düzenlendikten sonra inverter kısmına aktarılır ve burada istenilen türde enerjiye çevrilir[5].

Vanadyum Redoks Bataryaları (VRB) diğer bataryalardan önemli kılan ve ona rekabetçi üstünlük sağlayan belli avantajları bulunmaktadır;

• VRB’ler emniyet yönünden özellikle lityum pillere nazaran herhangi bir yanma ve patlama özelliği göstermezler
• Büyük miktarlarda enerjinin uzun süre depolanmasına imkân verirler, diğer birçok batarya gibi depolanan enerji zaman içerisinde beklemeden dolayı azalma göstermez
• Aynı anda hem şarj hem deşarj olabilir, %100 deşarj derinliğine sahiptir ve bu batarya ömrünü etkilemez
• Ölçeklendirilmesi daha kolaydır, daha büyük kapasite için ekstra tankların ya da tank kapasitelerinin arttırılması yeterlidir.
• Kullanılan Vanadyum elektrolitler, pil kullanımı sona erdiğinde tekrar tekrar kullanılabilirler.
• 20 yılın üzerinde bir kullanım süresi sunarlar ve bu kullanımdan kaynaklı kapasitelerinde zaman içinde bir azalma olmaz.

Tüm bu özellikleri sebebiyle vanadyum redoks bataryaların özellikle yenilenebilir enerji ve şebeke düzenleme/depolama için en uygun çözümlerden biri olduğu kabul edilmektedir. Hali hazırda dünya çapında kurulu 133 VRB bulunmakta ve toplam 40 bin kW güç ve 210 bin kWh enerji kapasitesine sahiptir. En büyük kurulu enerji kapasitesi sırasıyla Almanya, Çin ve ABD’de bulunmaktadır. Son dönemde özellikle Çin’de güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı depolama sistemlerinde 3MW/12MWh kapasiteli büyük boyuttaki VRB’lerin kurulumu yapılmaktadır. Hatta Çin Ulusal Kalkınma ve Reform Komisyonun bu tür enerji depolama sistemlerine daha fazla yatırım yapılması çağrısı sonucu her biri 100 MW kapasitede birçok projenin geliştirilmesini sağlamıştır[6]. Tüm bu gelişmeler dikkate alındığında 2030 yılına gelindiğinde sadece VRB kaynaklı yıllık 21 bin ton vanadyum ihtiyacının ortaya çıkacağı tahmin edilmektedir[7].

4.     Ülkemizdeki Durum ve Öneriler

Ülkemizde bilindiği kadarıyla Eti Alüminyum tarafından az miktarda alüminyum proses atığı olarak Vanadyum keki üretilmektedir, fakat bu miktarın oldukça düşük olduğu söylenmektedir. Bunun dışında Türkiye’de bir rezerv olarak ortaya konmuş vanadyum kaynağı ile karşılaşılmamaktadır. Öncelikle belirtmek gerekirse Dünya’da vanadyum üretiminin ağırlıklı olarak ikincil kaynaklardan olduğu düşünülecek olursa birincil kaynaktan ziyade örneğin demir ve kömür oluşumlarının durumları ve içerikleri incelenmelidir. Genel anlamda %0,2 V içeren atıklardan ya da cevherlerden yüksek tenörlü V2O5 üretiminin ekonomik olduğu ve yüksek karlılık içerdiği ortaya konmuştur[8]. Dolayısı ile daha düşük tenörlü cevherlerin/ atıkların dahi ekonomik olarak kazanılması mümkün olabilir.

Bu kapsamda değerlendirildiğinde örneğin yapılan bazı akademik çalışmalarda Sivas-Pınargözü demir cevherleşmelerinde 1400 ppm’e (%0,14 V = %0,25 V2O5) varan Vanadyum iz elementleri tespit edilmiştir[9]. Bu çalışmalar genelde Vanadyum’a yönelik olmadığı için vanadyum üzerinde detaylı bir çalışmaya rastlanılmamaktadır. Cevher içerisinde bu değerde bulunan vanadyumun, cevher işlenip cürufta kaldığı varsayıldığında oldukça dikkate değer bir kaynak olabileceği düşünülebilir.

Yapılan bir diğer akademik çalışmada kömür külleri içerisinde rastlanılan iz elementler aşağıdaki gibi rapor edilmiştir[10]

Element	Co	Ni	Ge	V	W	Ga	Bi	Ag
Şile(Trakya)	867	214	23	283	20	10	11	6
Ağaçlı(Trakya)	747	52	12	81	10	6	21	3
Keşan(Trakya)	75	450	18	115	1075	54	15	15
Saray(Trakya)	29	73	4	71	16	12	3	4
Orhaneli(Trakya)	12	361	26	523	191	78	4	23
Keles	18	33	19	304	467	90	6	20
Çan	58	60	19	220	152	131	18	20
Seyitömer	65	2053	28	320	119	44	4	20
Tunçbilek	45	1823	26	1068	247	71	6	29
Değirmisaz	25	1070	26	313	3	15	9	19
Gediz	65	1120	28	560	49	70	10	15
Soma	9	384	13	13	80	22	4,2	13
Yatağan	20	1300	20	927	63	17	9	32

Burada 1000 ppm’e yakın Tunçbilek ve Yatağan külleri özellikle Nikel içeriklerinin de yüksek olması sebebiyle, bir vanadyum pentoksit ve Nikel sülfat prosesi için uygun girdi olma olasılığı taşımaktadırlar. Aynı proseste birden çok ürün elde edebilecek bir işlemin tesisi hem projenin ekonomikliğini hem finansal getirisini arttıracaktır.

Bu örneklerin daha da çoğaltılması mümkündür, sonuç olarak bu konuda vanadyuma yönelik detaylı çalışmalar yapılmadığı için net veriler bulunmasa da ülkemizde vanadyum ve hatta birçok kritik metal konusunda birincil olmasa da ikincil kaynakların olduğunu göstermektedir. Elbette bu kaynaklara sahip olmak tek başına yeterli değildir, bunları özellikle enerji depolama sistemlerinde de kullanılabilir hale getirecek, yüksek kalitede ürünler üreten teknoloji ve proseslerinde geliştirilmesi gerekir. Tüm bunların yapılması durumunda hem katma değeri yüksek ürünler elde edilmiş olacak, elde edilen bu yüksek katma değerli ürünler yurt içinde başka endüstrilerin de gelişmesini sağlayacak ayrıca belki de hiçbir değerlendirmeye tabi tutulmayan ve yıllardır biriktirilen artık/atıklar önemli bir ekonomik faydaya dönüştürülmüş olacaktır.

Sonuç olarak ülkemizde araştırmaya değer çok sayıda ikincil kaynağın bulunduğu, bunların değerlendirilebilir boyutlarda ve ekonomik olarak yapılabilir olduğu kabul edilebilir.

Kaynaklar

---

[1] https://www.bbc.com/news/magazine-27829874

[2] http://vanitec.org/vanadium/production-consumption

[3] http://www.spartonres.ca/wp-content/uploads/2019/03/Presentation-Terry-10-Ex-China-Vanadium-Market.pdf

[4] http://www.bushveldminerals.com/wp-content/uploads/2019/04/March-2019-Corporate-Presentation.pdf

[5] https://www.aspilsan.com/makale.asp?id=8

[6] https://www.energy-storage.news/news/chinas-biggest-flow-battery-project-so-far-is-underway-with-hundreds-more-m#dismiss

[7] https://worldmaterialsforum.com/files/Presentations2018/PS1/WMF-2018-Ivanhoe-Robert%20Friedland.pdf

[8] http://www.syrahresources.com.au/investors/downloads/239

[9] Ata, Ebru; “DİVRİĞİ- PINARGÖZÜ (SİVAS), HEKİMHAN (MALATYA), ATTEPE (KAYSERİ) ve FEKE (ADANA) DEMİR CEVHERLEŞMELERİNDEKİHEMATİTLERİN KARŞILAŞTIRMALI JEOKİMYASAL İNCELENMESİ”, Çukurova Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, 2005, sf 74.

[10] Karaçanta, Cenk; TERMİK SANTRALLERDE KULLANILAN KÖMÜRLERİN MİNERAL MADDE İÇERİĞİNDEKİ İZ ELEMENTLERİN TESPİTİ, Dokuz Eylül Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, Ekim 2016, sf 90