Techno-economic analysis of hydrogen supply chains and hydrogen aircrafts for Gauteng Metropolitan Region of South Africa

Abstract

İklim değişikliği, sera gazı salınımı sonucu oluşan sorunlardan sadece biridir. Sera gazi etkisine en büyük olumsuz katki metropol bölgelerde enerji tüketimi sonucu görülür. Ulaşımın en köklü enerji tüketim yollarn biri oldugu göz önüne alinarsa hava ulaşımı ise sera gazi etkisinde en büyük rolü oynar. Özellikle hava ulaşımının sera gazı salınımına önemli ölçüde olumsuz katkısı ve gelecek yıllar için yapılan yüksek petrol fiyatı tahminleri dikkate alındığında, geleneksel yakıtların yerini alması planlanan alternatif yakıtlar ön plana çıkmaktadır.Bu çalışmada, hava ulaşımının enerji yoğun bir ulaşım çeşidi olduğunu göz önünde bulundurarak, hidrojenin hava ulaşımında alternatif bir yakıt olarak kullanımı incelenmektedir. Örnek bir çalışma olarak Güney Afrika'nın Gauteng Metropoliten bölgesinde hava ulaşımında kullanımı değerlendirilmektedir. Hidrojenin üretilmesi ve kullanılması ile bağlantılı tüm maliyet ve verimlilik tahminlerini günümüz koşulları ile kıyaslayarak, hidrojenin gelecekte, Gauteng bölgesi için tüm ömür maliyetinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Hidrojenin üretim kaynağı olarak, kömürden, doğal gazdan, biokütleden ve elektroliz yöntemi ile sudan üretilmesi yakından incelenmektedir. Hidrojen üretimi ve dağıtımının günümüz ve gelecek maliyetleri kıyaslaması, hidrojen yakıtlı uçağın, hidrojenin kerosen yakıtı ile ekonomik olarak rekabet edebilmesinin ardından, en yakın 2040 yıllarında uygulanabilir olduğunu ön görmektedir. Hava ulaşımı bağlamında, Hidrojenin maliyet olarak rekabet edebilecek bir yakıt seviyesine gelmesi gerekliliğinin yanısıra, havacılık alanındaki teknolojik gelişmeler de, hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında en başta gelen gereksinimlerdendir. 2040 yılına kadar, üretim maliyetlerinin düşürülmesi için, hidrojen üretim teknikleri üzerinde ileri araştırmalar yapılması gerektirmektedir. Bunun yanı sıra, yüksek maliyetli hidrojen üretimi ve bu alanda hız kazanmış araştırma ve geliştirme, karar mekanizmaları ve daha açık iklim hedefleri tarafından desteklenmelidir.

Climate change is one of the issues that are results of greenhouse gas emissions. An important portion of energy consumption in metropolitan regions is transportation which has significant effect on greenhouse gas emissions. Therefore, air traffic is a notable contribution to these emissions.Hydrogen is one of the potential alternative fuels for future aviation transportation. Even though hydrogen seems like a promising alternative fuel, climate change mitigation tendency and commercially competitiveness of hydrogen are not proved yet and still under investigation.The purpose of this thesis is to evaluate future availability of hydrogen air transportation in Gauteng metropolitan region of South Africa. In order to assess entire hydrogen life cycle costs in Gauteng metropolitan region, current and future hydrogen production costs and efficiencies from coal, natural gas, biomass and electrolysis are analyzed. Distribution costs of hydrogen from centralized production fields to the international airport and onsite liquefaction costs are also analyzed for hydrogen. The conversion of a conventional airplane to a hydrogen fuel airplane design costs are determined and compared with the conventional aircraft. Finally, overall hydrogen utilization in air transportation is analyzed with a techno-economic approach.In addition to all, the main obstacles are the high costs of hydrogen production and hydrogen infrastructures. The result of the current and future comparisons of production and transportation costs shows that operating a hydrogen aircraft might be doable earliest around 2040 after competing hydrogen fuel prices with kerosene with further research and support by policy makers.