Fuel Cell: Elektrik ve Fosil Yakıtın Tanınmayan Rakibi
Termodinamik yasalarına göre bir eylem gerçekleştirebilmek için ısı veya bir işe yani bir kaynağa -enerjiye- ihtiyacı vardır. Belirli bir maddenin farklı bileşenlerle fiziksel veya kimyasal tepkimesinden enerji (ısı veya iş) çıkarsa bu madde enerji kaynağı olarak da kullanılabilir.
Kaynaklar farklı özelliklerine veya ayrılma yöntemleri gibi şartlara göre farklı konumlanır. Örneğin kullanılışlarına göre güneş, hidrojen, rüzgar gibi kaynaklar yenilenebilir kaynaklar olarak nitelendirilirken kömür, petrol, doğal gaz ve nükleer (uranyum ve toryum) enerji yenilenemez yani sınırlı kaynaklardan örnek verilebilir. Yenilenemez kaynaklardan nükleer enerji kaynakları çekirdek kaynaklı iken kömür, petrol gibi yakıtlar fosil kaynaklıdır. Dönüştürülebilirlik açısından incelenmesi ise biraz farklı bir konu denilebilir. Bazı kaynakların kullanılması için iki işlem ya da daha fazlası gerekir, buna da doğal gazdan hidrojen üretimi örnek verilebilir. Bu enerji kaynağı direkt olarak enerji kaynağı olarak kullanılabiliyorsa birincil (primer) kaynak, hidrojen gibi fazladan işlem gerektiriyorsa da ikincil(sekonder) ya da üçüncül de olabilir[1]. Örneğin, hidrojen birincil dereceden enerji depolaması olarak kullanılabilirken ikinci dereceden bir enerji kaynağıdır.
Günümüzde araçlarda en çok kullanılan ve en ulaşılabilir yakıtın fosil yakıtlar olduğunu belirtebiliriz, bunun dışında LPG gibi gazlar da enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Dünya’da ekosisteme olan zararın artması ve bununla yüzleşmeye başladığımız günümüzde fosil yakıt gibi karbon salınımı fazla kaynaklar yerini yenilenebilir ve daha az zararlı kaynaklara yavaşça bırakmakta. Pazarlamasının farklılığı ve kurucusunun hayatı ayrıca başarılı girişimiyle tanıdığımız en ünlü örnek olarak elektrikli araç üreticisi Tesla burada rahatça örnek verilebilir [2]. Öncelikle Avrupa ülkeleri ve diğer gelişmiş ülkeler hızla fosil yakıtlı ve dizel araçların hem üretimini hem de kullanımını kısıtlamakta. Paris şehir merkezinde 2024'ten itibaren dizel araç, 2030 yılında itibaren ise benzinli araçların girişi yasaklanacak.[3].
Alternatif yakıtlı araçlarda da kullanılan yakıt hücreleri (fuel cells), kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Ethanol ve methanol fuel cell yakıtı olarak kullanılabilse de en yaygın olarak hidrojen kullanılmakta. Örnek olarak ise kimyasal reaksiyon kaynağı olarak hidrojen kullanıldığında ise bu kimyasal reaksiyonun sonucunda ısı, su ve elektrik açığa çıkmakta. Bu teknoloji sadece ulaşımda değil, depolama ve şarj ünitelerinde de kullanılabilmektedir.[4].
Yakıt pilleri tükenmez bir yapıdadır ve elektrikli araçlar (Electric Vehicles-EV) gibi şarj olmaya ihtiyaç duymazlar. Fakat elektrik enerjisine çevirmek için kimyasal bir kaynağa ihtiyaç vardır, kaynağı tükendiğinde bunun takviyesi yapılır. Bu açıdan batarya çeşitlerine benzerlik gösterdiğini de düşünebilirsiniz , bu da anot ve katot parçalardan da kaynaklanmaktadır [5]. Yakıt hücreli araçlara kaynaklarda “Fuel Cell Vehicle (FCV) ” ya da “Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) ” isimleriyle de rastlayabilirsiniz.
Avantaj ve Dezavantajları
Yakıt hücresinin hidrojen ile birlikte kullanılmasını destekleyen veya herkes tarafından kullanılmamasını açıklayan bazı yönleri var:
Neden Destekleniyor?
1. En Büyük Sorunlardan Enerji Depolanma
Hidrojen, günümüzün teknolojisi ile birlikte enerji kaynağı olarak kullanıldığında ikincil -sekonder- kaynak olabiliyor. Fakat fiziksel özellikleri sayesinde çok başarılı bir depolama kaynağı. Jeneratör ve farklı enerji depolama sistemlerinde kritik zamanlarda önemli roller oynayabiliyor. Diğer enerji kaynaklarında kullanılmadığı durumlarda bile zaman içinde aşınıma uğrayıp yeniden şarj olması gerekirken bu durumda böyle bir eylem gerekmiyor. Bu da NASA gibi kuruluşların uzay yolculuklarında hidrojen ve yakıt hücresi kullanmasına neden sağlıyor [4].
2. Enerji Verimliliği
Araçlarda kullanılan içten yanmalı motorlar %25 gibi bir verimlilik sağlarken güç ve ısı sistemleri ile birlikte kullanıldığında yakıt hücreleri ile %80'e varan bir verim oranı elde edilebilir [6]. Bu rakamların çok yaygın olmadığını burada da açıkça belirtmek gerekiyor. Araştırmalara göre tipik bir yakıt hücresinin verimliliği araçlarda %22 civarında. Bu da enerjinin yaklaşık %78'inin kaybolduğunu ya da farklı bir enerji türüne dönüştüğünü -ısı- belirtebiliriz. Bu konuyla ilgili kısıtlama için aşağıdaki tabloyu da inceleyebilirsiniz.
3.Çevre Etkileri
Yakıt hücrelerinin kullanılırken ürettiği lokal emisyon neredeyse sıfırdır. Hidrojen gibi kaynaklar da yenilenebilir ve gezegenimizde çokça bulunuyor. Ayrıca içten yanmalı motorlar gibi farklı rakipleriyle kıyaslandığında çok daha az sera gazı ortaya çıkarmakta. Hidrojen kullanıldığında ise enerji verimliliğinin artmasının yanında sadece su ve ısı ortaya çıkarmakta. Dünyanın daha çevreci bir yaklaşım izlemeye çalıştığı bu günlerde gelişen yakıt hücreleri , küresel ısınma hızını azaltmada yardımcımız olabilir [6].
Tercih Edilmeme Nedenleri Neler?
- Yüksek Maliyetler
Hidrojen veya oksijen, bilinen yakıt hücresi kaynakları, oldukça fazla bulunsa da ikincil enerji kaynakları olduğu için kullanılmadan bazı işlemlerden geçmesi gerekiyor. Örneğin hidrojen doğal gaz ya da sudan elde edilebiliyor. Ayrıca bu teknolojiyi kullanan arabaların (FCV) de fiyatları piyasaya göre oldukça fazla. Amerika’da 2020 model Nissan Kicks S 20.000$ gibi bir fiyattan satılmaya başlanırken elektrikli araç olan Nissan Leaf 32.000$ dolardan başlamakta. Yakıt hücresi ve kaynak olarak da hidrojeni kullanan araçların piyasa fiyatlarının ise 60.000$ civarında olduğu biliniyor. Bunun sebeplerine ise üretimin ve talebin az olması da örnek verilebilir [7]. Tıpkı batarya sistemleri ve elektrikli araçlar gibi, talebin artması ve araştırmaların yoğunlaşması ile yakıt hücrelerinin ucuzlayacağı ve veriminin artacağı düşünülmektedir.
2.-Henüz- Tamamen Yenilenebilir Değil
Kullanılan hidrojenin farklı kaynaklardan elde edilmesi gerektiğini daha önce belirtmiştim. Bu kaynak elektrolit kullanılarak su da olabileceği bol miktarda hidrokarbon içeren fosil yakıtlar da üretimde ön planda. Doğal gaz gibi kaynaklardan üretimi, enerji verimliliği ve fiyat bakımından sudan daha tercih edilebilir olduğunu söyleyebiliriz. Bu da emisyonun değil de lokal emisyonun düşük olmasını söylememizin nedeni. Fakat global enerji hedeflerinin ulaşım ve ısıtma sistemlerinde elektrifikasyon, yenilenebilir enerjinin entegrasyonu ve enerji verimliliği üçgeninde birlikte ilerlediğini unutmamalı, hidrojenin yenilenebilir enerjinin depolanması sorununa büyük bir çözüm olabileceğini hatırlamalıyız.
3. Kaynağa Ulaşım
Kendi elektrik enerjisini üretse de bunun için FCV’lere Hdrojen gerekmekte. Hidrojen ise fiziksel ve kimyasal özellikleri sebebiyle depolama bakımından oldukça pahalı, iletim bakımından ise günümüzde çoğu ülkenin yetersiz olduğunu belirtebiliriz. Elektrikli araçlarla kıyaslamak gerekirse Tesla ve diğer araç şirketleri birbirine yakın mesafelerde şarj istasyonlarına sahip, üstüne gerekli ekipmanlarla binalarda da bu imkana sahip olabilirsiniz. Bu önemli farklılık hem araç şirketlerinin hem de alıcıların elektrikli araçlar gibi farklı seçeneklere yönelmesine sebep açıyor.
Yapısı ve Çalışma Prensibi
Basitçe yakıt pillerini anladıktan sonra biraz da içerdiği maddelerden ve çalışma prensibinden de basitçe bahsetmek gerekiyor.
Bir enerji kaynağından daha çok kendi enerjilerini ürettiklerini söylenebilir. Bir çeşit pile benzetebilsek de zaman içinde enerjisi azalmaz veya şarj olmaya ihtiyaç duymaz. Bir hücre anot ve katot iki elektrolitten oluşur. Enerji kaynağı, bizim örneğimizde hidrojen, anot kısmından ; katot kısmından ise hava verilir. Anot -negatif taraf- elektrolitte yerleşik kimyasal tepkimeyi hızlandıracak maddeler -katalist- bulunur, bu kısım hidrojen moleküllerini proton ve elektronlarına ayırır. Protonlar anot ve elektrotun arasında bulunan gözenekli zardan geçerken elektronlar ise zoraki bir şekilde üst tarafta bulunan elektrik devresinden karşıya gönderilir. Elektronlar devreden geçerken ise ortaya ısı ve elektrik akımı ortaya çıkar. Katot kısmına geçen proton ve elektronlar burada havadan gelen oksijenle birleşerek su oluşturur [8].
Proton zarlı sistemde (PEMFC, PEFC)gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar şöyledir:
Anot tepkimesi: H2 → 2H+ + 2e-
Katot tepkimesi: ½O2 +2H+ + 2e- → H2O
Genel tepkime: H2 + ½O2 → H2O
Araçlarda kullanıldığındaki farklılıkları ve çalışma prensibinden de bahsetmek istedim. Yakıt hücreli araçlar hidrojen enerjisini elektrik motorunu çalıştırmak için kullanır. Bu da aslında FCV araçları da bir çeşit EV( Electric Vehicle) yapar, bu kısımda gidilebilen mesafe ve şarj olmaması açısından elektrikli araçlardan daha çok geleneksel olarak tanımladığımız benzinli gibi araçlara benzerler. Aldığı ‘yakıt’ olan hidrojen ile birlikte şarj olmasına gerek olmadığı için yaklaşık 480 kilometre mesafe gidebilirler, elektrikli arabalar ise yeniden şarj olmadan ortalama 320 kilometre gidebiliyorlar [9].
Aynı zamanda alkalin ve sülfürik asit bazlı yakıt hücreleri de hazırlanmaktadır fakat bununla birlikte kimyasal tepkime ve çalışma prensibinde farklılıklar ortaya çıkar [10]. Daha detaylı bilgi için farklı çeşitlerde gereken kaynakları ve ortaya çıkan ürünleri bulabileceğiniz şablonu aşağıya ekliyorum.
Enerji konularını ve trendlerini takip eden kişiler hatırlayabilir, hidrojen kaynaklı yakıt hücreli araçların uzun yıllardır benzinli araçların yerini alacağı hatta elektrikli araçları geçeceğini düşünenlerin sayısı epey fazla. Toyota, Hyundai gibi araba firmaları ise üretimlerini arttırma kararlarına yıllık raporlarında devam ediyorlar. Kısa süreli bakıldığında günümüzdeki hidrojen ihtiyacını ülkelerde ve bölgelerde günlük yaşamda karşılayacak miktara ve sisteme sahip değiliz. Buna rağmen Çin Halk Cumhuriyeti, Avrupa ülkeleri ve bilimsel çalışmaların istikrarı sayesinde dünyada FCV kullanımının artacağını tahmin edebiliriz.
Mayıs 2019 itibariyle Amerika Birleşik Devletleri alternatif enerjili araç teknolojilerinde bir çok ülkeyle kıyaslandığında hızla gelişmekte. Dünya ortalamasından çok daha büyük araçlar kullanmalarına rağmen çevreci anlayışla birlikte özellikle elektrikli araç kullanımı oldukça hızlı bir şekilde artıyor. Ülkede bu tarihte yaklaşık 20.000 elektrikli şarj istasyonu bulunmasına rağmen sadece 45 adet hidrojen istasyonu bulunmaktaydı, günümüzde ise bu sayılar çok da değişmiş değil [11]. Küçük bir kıyaslama ile benzinli veya dizel araç kullanmak istemeyen bireylerin niye FCV yerine EV çeşitlerine yöneldiğini de görebiliriz. Teknolojinin gelişmesiyle hidrojenin ve araçların maliyetleri azalırsa FCV’ye olan ilginin de artacağını söyleyebiliriz.
Farklı bir fikriniz var ise yani karşıt görüşe sahipseniz Elon Musk ile görüşleriniz ortak. Musk, sosyal medya hesaplarında ve verdiği röportajlarda yakıt hücresi ve hidrojen teknolojisinin başarısız olacağını söylemekten çekinmiyor- Çoğu ekonomi sitesi ve yorumcu bu durumun FCV teknolojisinin Tesla’ya rakip olduğu için yaşandığını da söylüyor- [12].
Konu hakkında eklediğim videoyu da izlemenizi tavsiye ederim!
Referanslar
[1]NRELPR, .. (2020, August 31). NREL Energy Basics: Hydrogen. Retrieved Dec 26, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=yQHVARBje-c
[2]Energy.gov, .. (2020, December 12). Alternative Fuel Vehicles. Retrieved December 26, 2020, from https://www.energy.gov/public-services/vehicles/alternative-fuel-vehicles
[3]Science X, .. (2017, October 12). Paris wants to phase out diesel cars by 2024. Retrieved December 26, 2020, from https://phys.org/news/2017-10-paris-phase-diesel-cars.html
[4]Office of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY, .. (2020). Fuel Cells. Retrieved December 26, 2020, from https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells
[5]Graham, R. (2020, February 14). Hydrogen fuel cell vs electric cars: What you need to know. Retrieved December 26, 2020, from https://www.euronews.com/living/2020/02/13/hydrogen-fuel-cell-vs-electric-cars-what-you-need-to-know-but-couldn-t-ask
[6]National Geographic, .. (2019, June 17). Fuel Cells Can Offer Clean and Portable Energy. Retrieved December 26, 2020, from https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warming/fuel-cells/
[7] Nissan Usa. Retrieved December 26, 2020, from https://cars.usnews.com/cars-trucks/nissan
[8]OFFICE of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY, .. (2020). Parts of a Fuel Cell. Retrieved December 26, 2020, from https://www.energy.gov/eere/fuelcells/parts-fuel-cell
[9]UCSUSA, .. (2018). How Do Hydrogen Fuel Cell Vehicles Work? Retrieved December 27, 2020, from https://www.ucsusa.org/resources/how-do-hydrogen-fuel-cell-vehicles-work
[10]University of Cambridge, .. (2013, November 14). Types of Fuel Cells. Retrieved December 26, 2020, from https://www.ceb.cam.ac.uk/research/groups/rg-eme/Edu/fuelcells/types-of-fuel-cells
[11]Gonçalves, A. (2020, March 09). Hydrogen Cars Are Coming: Are They More Sustainable Than Electric Cars? Retrieved December 26, 2020, from https://youmatter.world/en/hydrogen-electric-cars-sustainability-28156/
[12]Businessinsider, .. (2019, December 19). Why Hydrogen Cars Will Be Tesla’s Biggest Threat. Retrieved December 26, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=DbojSLdgs50
