HİDROJEN YAKIT PİLLİ ELEKTRİKLİ OTOMOBİLLERİN GELECEĞİ

HİDROJEN YAKIT PİLLİ ELEKTRİKLİ OTOMOBİLLERİN GELECEĞİ

Benzin ve dizel gibi yakıt ile çalışan içten patlamalı araçlar insan taşımacılığının 2 asırdan bu yana şüphesiz en önemli yardımcılarındandır. İlk buharlı aracın 1679 yılında Çin imparatoru için yapılan bir oyuncak olduğu ve bundan tam 100 yıl sonra ilk buharlı otomobilin Fransız Nicholas Cugnot tarafından yapıldığı bilinmektedir. İlk dört zamanlı otomobilin Alman Mühendis Otto tarafından 1832 – 1891 yılları arasında geliştirildiği tahmin edilmektedir. Teknolojinin buharlıdan içten patlar motorlara geçişi yaklaşık 1 asır sürmüş ve 1 asırdır hala kullanmakta olduğumuz araçlar aynı prensip ile çalışmaktadır. Bu çalışma prensibinin değişme zamanı artık gelmiştir.

İlk döneme ait otomobilleri üreten ülkeler o dönemin teknolojik olarak gelişmiş ülkeleri konumunda bulunmakta ve otomobil motorunun üretilmesi yüksek teknoloji olarak görülmekteydi. Günümüzde en fakir ülkenin sanayisinde dahi otomobil motorları ile ilgili nitelikli insan bulunmaktadır. Zamanında teknolojik üstünlük olarak görülen sistemler yaygınlaşınca sıradan bilgi ve teknoloji durumuna gerilemektedir. Bu nedenle ilgili yaygın olmayan teknolojik bilgiyi zamanında gerçekleştirmek oldukça önem arz etmektedir. Böylece o bilginin öncüsü olarak diğer ülkelerin size yetişmesi zaman almakta, o teknolojinin kaymağını bulan ve yaygınlaştıran ülkeler yemektedir. Ülkemizde havacılık örneğinde son 10 yılda İHA sistemlerinde Baykar ve Tusaş firmalarının çalışmaları bizi bulunduğumuz coğrafyada bu alanda öncü haline getirmiştir. Şuanın bilgi birikimi gelecek 10 yılda insansız jet’ler, insansız hava taksileri ve benzeri teknolojilerin öncüsü olacak ve bu alanda dünyada önemli bir güç unsuru haline gelmemize yardımcı olacaktır. Fakat tek başına havacılık alanındaki atılımlar ülkemize ihracat girdisi sağlamakta yetersiz kalabilir. Dolayısı ile teknoloji ve Ar-Ge’nin sivil alana uygulanabilir uygulamalarının da hızlandırılması oldukça önem arz etmektedir. Yani günümüzde lüks olmaktan çıkan, vaktimizin önemli bir kısmını içinde geçirdiğimiz akıllı ve çevreci elektrikli otomobiller de bu alanda yeni bir çağın başlangıcını oluşturmaktadır.

Günümüzde üretilen otomobillerin motor ve mekanik aksamı atalarının aynı çalışma prensibine sahip olsa da motor hacmi ve ağırlığı azaltılırken üretilen güç miktarları arttırılmış, yakıt tüketimleri ve egzoz atıkları minimize edilmiştir. Otomotiv sektörünün en önemli gelişimi elektronik ve yazılım alanındaki gelişmelerin bu alana konfor ve güvenlik olarak katkısı ile altın çağını başlatmıştır. Bu alandaki rekabet birçok firmanın birbirleri ile etkileşim içerisinde çalışmasını sağlamıştır. Dolayısı ile herhangi bir ülkenin markası olarak bilinen birçok otomobil firması dünyanın dört bir yanında fabrikalar kurmuş ve yerel mühendis ve işçilerle üretimin yanı sıra yeni modellerin ilgili bölgelerde de tasarlanmasını ve markanın globalleşmesini sağlamıştır. Otomotiv sektörünün kaderi ülkeler arası rekabetin de ötesine geçtiği bu dönemlerde alınan bazı emisyon kararları otomobil sektörünün de yol haritasını belirlemede etkin olmuştur. Bu kararlardan en önemlisi Avrupa ülkelerinin karbon salınımı ve çevre kirliliğini azaltmak amacı ile aldığı bir dizi yasaklardır. Günümüz otomobillerinde yaygın olarak kullanılan yakıtlar dizel, benzin, LPG ve doğalgazdır. Bunlardan çevreye gürültü ve karbon kirliliğine neden olan dizel yakıtının 2030 yılından sonra Almanya’da kullanılması yasaklanmıştır. Ayrıca Avrupa ülkelerinin birçoğu dizelin yanında benzini de yasaklayan bir dizi kararları ilan etmiş ve 2025’den başlamak üzere bu yasakların uygulanacağı bildirilmiştir. Avrupa da karbon salınımı ile alınan ve belirli aralıklarla sınır üst değerinin azaltılması otomobil üreticilerinin şartları sağlamak için hibrit otomobillere geçmelerini sağlamıştır. Geçiş sürecinin son kısmı içten patlar motorların doğrudan yasaklanması ile Avrupalı üreticilerin tamamen elektrikli modellerini çıkarmalarını sağlamıştır. AB bu yasak kararlarını elektrikli araçların alt yapı ve teknoloji olarak olgun seviyeye ulaşmasa alabilir miydi? Ya da şunu da sormak lazım AB’de petrol olsaydı çevre aşkına bu yasaklar yine de alınır mıydı? Çünkü petrol üreten ülkelerde bu tür kısıtlamaların olmadığı bilinmektedir. Ülkeler stratejilerini tek bir nedene bağlayarak almazlar, Norveç petrol rezervlerine sahip olmasına rağmen içten patlar motorlara yasak kararları alan ülkeler arasında bulunmaktadır. Bu durum ülkelerin gelişmişlik seviyeleri, stratejik planları ve teknolojik yatırımları ile değişkenlik gösterebilir.

Petrol ve doğalgaz gibi yeraltı kaynakları olmayan teknolojik olarak gelişmiş ülkelerde (Almanya, Japonya vb.) otomobil alanındaki yatırımların hidrojen yakıt pillerine daha çok yönelim olduğunu gösteriyor. Bunun nedenini açıklamanın en etkin yolu yeraltı zenginliklerinin hangi ülkelerde olduğuna bakmaktan geçiyor. Dolayısı ile lityum rezervi kimin elinde ise o ülkelere bağımlı kalırsınız. Dünyada petrol rezervleri Kuveyt, ABD, Suudi Arabistan, Rusya, Venezuela, Katar, Çin, Vietnam, Azerbaycan, Kazakistan, Kanada ve Kolombiya gibi farklı kıtalarda çok çeşitli ülkelerden elde edilebilmektedir. Buna rağmen birçok ülke dışa bağımlı olarak enerji politikalarını yürütmek zorunda kalmaktadır. Lityum ise dünyada en çok Güney Amerika ülkesi Şili’de yer alıyor. Ülke, 8 milyon ton ile dünya lityum rezervinin yüzde 57,5’ine sahip. Onu, 2 milyon 700 bin ton rezerv ile Avustralya, 2 milyon tonla Arjantin ve 1 milyon ton lityum rezervi ile Çin izliyor. Otomobiller petrol ile çalışırken nispeten 11 ülkeden yakıt tedarik edilebilirken lityuma döndüğünüz zaman bu sayı 4’e düşüyor. Dolayısı ile Japonya gibi hem doğalgazda hem de petrolde dışa bağımlı olan teknolojisi yüksek ülkelerin Hidrojen Yakıt Pillerine daha çok yatırım yapması yadsınacak bir durum oluşturmamaktadır. Dünyanın birçok ülkesinde Hidrojen yakıtının özellikleri, verimliliği, kullanım şekli ve petrolün yerini nasıl alabileceği ile ilgili yeterince bilginin dahi olmadığını düşünüyorum. Ülkemiz özelinde ise bu bilgi akademik camiada az bir grup tarafından bilinmekte, hidrojenin önemi devlet yöneticilerine aktarılacak bir kanal bulunmamaktadır.

Japon otomotiv devi Toyota firması 2016 yılında hidrojen yakıt pilli elektrikli aracını seri üretime sokarak Japonya, ABD ve Avrupa’da satışına başlamıştır. 2017 yılında Honda, 2019 yılında Hyundai seri üretim araçlarını piyasaya sunmuşlardır. Son 5 yılda bu üç markanın toplam araç satışı sadece ABD’de 70 bin adeti geçmiştir. Dünyada otomotivinin lokomotifi kabul edilen Japon üreticilerin elektrikli araçlarda öncelikli tercihlerini hidrojen yakıt piline yaptıkları görülmüştür. Bu ülkeler uzun yıllara dayanan Ar-Ge çalışmaları sonucunda içten patlara ve bataryalı araçlara rekabet edebilecek ürün çıktılarına ulaşmış ve gelecekteki dönüşüm için bilgi birikimlerini oluşturmuşlardır. Otomotiv sektörünün diğer en önemli aktörü olan Alman üreticiler ise bu konuda reaksiyon göstermekte geç kalmıştır. Bunun yanı sıra 2020 yılı Haziran ayında Almanya Ulusal Hidrojen Belgesini meclisten geçirmiş ve otomotivde hidrojen yakıt pilleri konusunda dünya lideri olma hedefleri olduğunu bildirilmiştir. Bu kapsamda alt yapı olarak ilk etapta 2 yılda 100 adet hidrojen dolum istasyonu kuracaklarını açıklamışlardır. Dünya otomotiv piyasasında uzunca bir süre satış ve ciro birinciliği Toyota’da iken 2020 yılı itibari ile bu derece piyasada 10 yıl öncesinde ismi bilinmeyen 2003 yılında kurulmuş Tesla’ya geçmiş ve bu durum otomotivde dönüşüm çağının artık başladığının resmi bir göstergesi olmuştur.

2021 yılı Ekim ayına kadar Avrupa elektrikli araç satışları %25 artmış ve dizel araç satışları ciddi oranda düşmüştür. Artık otomotivde elektrikli araç devri başlamıştır. Önümüzdeki yıllarda yollarda yoğunlukla elektrikli araçları göreceğiz. Bu araçların çoğunluğunu konvansiyonel batarya ile çalışan araçlar oluşturacak. Bunlar genellikle şehir içi ulaşımda kullanılabileceği ön görülmektedir. Bataryalı araçların olası olumsuzlukları; şarj süresinin uzun olması, aynı anda şarj olan araç sayısının artması ile yeterince şarj istasyonu bulma zorluğu, petrolün yerine şehir elektrik şebekesine aşırı yüklenilmesi yeni enerji kaynakları ile şehir enerjisinin desteklenmesi gereksiniminin artması, uzun yollarda batarya menzillerinin yetersiz kalması ve dünyadaki lityum rezervlerinin tüm otomobillere yetecek kadar bulunmaması sayılabilir. Aslında en önemli nokta lityum rezervinin tekelleşmesindedir. Şuanda bile 2025 yılına kadar batarya üreticilerinin rezervasyonlarının dolu olması gelecekte lityuma alternatif pillerin paralelde geliştirilmesi gerekliliğini göstermektedir. Akademide alternatif malzemelerle ilgili pil çalışmaları devam etse de Lityuma rakip olabilecek özelliklerde bir materyal henüz ön plana çıkmamıştır. Konvansiyonel bataryalara göre üstünlükleri olan hidrojen yakıt pilleri bu noktada devreye girmektedir. 300 km menzile sahip bir konvansiyonel bataryalı bir aracın batarya modülü 550 kg iken (Tesla Model S) aynı menzile sahip hidrojen yakıt pilli bir aracın yakıt pili+hidrojen deposu 150 kg (Toyota Mirai) ağırlığındadır. Ağırlık avantajının yanı sıra yakıt pilinin ömrü lityuma göre daha uzundur. Ayrıca hidrojenin depoya dolum süresi otomobiller için 3-5 dk’dır. Hidrojen basınçlı kompozit tanklara gaz olarak 700 bar basınçta depolanmaktadır. Dolayısı ile menzili uzatmak için depo hacmini/sayısını arttırarak 1000 km menzil üzerine çok rahat çıkılabilmekte ve bu menzile sahip olan araçlar piyasada bulunmaktadır. Hidrojenin yüksek basınçta depolanması tehlikeli olarak görülebilmekte ve bazen önyargı oluşturabilmektedir. Geliştirilen kompozit tanklar patlamaya dayanıklı olup olası kaza anında patlamak yerine kompozit tankın yapısı gereği yırtılmakta ve hidrojenin hafif olması nedeniyle ile hızlıca yukarı yönde tahliyesi gerçekleşmektedir. Bu esnada hidrojenin tutuşması oldukça zordur. Yapılan deneysel çalışmalarda hidrojen deposu ile benzin deposu olan iki aracın deposu yakılarak test edilmiştir. Deney kapsamında depolarından yakıt sızdırılarak yakılan araçlardan hidrojenli olan aracın daha güvenilir olduğu ortaya konulmuştur (Şekil 1).

Şekil 1. Hidrojen ve Benzinli Aracın yanma testi

Hidrojen yakıt pillerinde en önemli maliyet gideri yakıt  pilinde hidrojen ve havanın reaksiyona girdiği katalizör olarak kullanılan Platinyum (Pt) elementidir. Bu element lityum kadar bol bir element olmamakla beraber bir otomobilde kütlece lityum kadar çok kullanılan bir element değildir. Hidrojen/hava ile çalışan düşük sıcaklıklı bir yakıt pilinde 0,03 mg/cm2– 0,5 mg/cm2 aralığında Pt katalizör kullanılmaktadır. Buna göre Toyota’nın Hidrojen yakıt pilli otomobilinde kullanılan 100 kW’lık yakıt pili için 7,5 gram ile 120 gram arasında bir Pt katalizörüne ihtiyaç duyulmaktadır. Platin gram fiyatı 30 Dolar iken katalizör haline getirilmiş halinin gram fiyatı 147 dolardır. Pt katalizöre göre bir otomobil için maliyet gereksinimi 1100 Dolar ile 17000 Dolar arasında değişmektedir. Buradaki püf nokta az katalizör ile yüksek performans alınabilecek bir yakıt pili tasarımından geçmektedir.  Toyota’nın hidrojen yakıt pili ile çalışan Mirai isimli otomobilinin ABD satış rakamının (59.000 Dolar) Tesla Model S ile aynı olması daha az miktarda katalizör ile yüksek performans aldıkları (3 kW/kg) yakıt pili tasarımlarından kaynaklanmaktadır. Bugünkü rakamlara göre bataryalı araçların batarya paketleri yaklaşık 14.500-17.000 dolar arasında değiştiği bilinmektedir. Mezili arttrımak için batarya maliyetinin orantılı bir şekilde artması gerekmektedir. Yakıt pillerinde ise menzili arttırmak için pile göre çok daha ucuz olan depo hacminin arttırılması yeterlidir. Yakıt pillerinin bazı yönleri ile üstünlükleri olduğu ve bu üstünlüklerin artık maliyet etkin bir şekilde ön plana çıkarılması için yaygınlaştırılması ve maliyetlerin düşürülmesi gerekmektedir. Alman otomotiv devi Mercedes son çalışmalarında otomobilleri için geliştirdikleri yakıt pillerinde katalizör maliyetlerinin düşürüldüğünü ve daha yüksek performansı daha ucuza sağladıklarını bildirmişlerdir. 100 kW lık yakıt pili için 1.000 dolarlık katalizör maliyetinin yanı sıra pili oluşturan hücreleri ve depolarıda dahil ettiğimizde seri üretim maliyetinin 15.000 Doları geçmeyeceği öngörülmektedir. Bu maliyet daha da aşağı çekilebileceği bilinmektedir. Tüm bu bilgiler gözönünde tutulduğunda hidrojen yakıt pilleri ile ilgili ülkemizde de çalışmaların hangi doğrultuda olduğu sorusu sorulabilir. Öncelikle batarya için kullanılan lityum rezervinin MTA raporu ile ülkemizde olmadığını fakat Pt için bir çalışmanın yapılmamış olduğunu söyleyebilirim. Bunun yanı sıra Platinyum rezervi noktasında resmi olmayan fakat bazı akademik çalışmaları yaparken tesadüfen keşfedilen platinyum rezervlerinin dünya ortalamasının üzerinde olduğu, yine altın aramalarında kullanılan toprak analizlerinde yüksek miktarda altınla beraber platinyum rezervinin de çıktığı, bazı bilim insanlarının geçmiş saha çalışmalarında yine bu elementin belirli bölgelerde Platinyum’un oldukça bol bulunduğuna dair bilgiler bulunmaktadır. MTA’nın resmi olarak bu alanda bir araştırma raporuna web sayfasından ulaşılamamıştır. Tüm bu ifade edilen rezervlerin var olmaması bile yakıt pillerini maliyet etkin bir noktada tutarken ekstradan madenine sahip olduğunuz bir pil teknolojisi ile otomotiv sektörüne yapacağı katkı ile ülke ekonomisine olan katmadeğeri çok kritiktir seviyelerde olacaktır.

Ülkemizde yerli otomobil girişimi ile TOGG markası adı altında doğuştan elektrikli SUV modeli ile 2022 yılında piyasaya bataryalı elektrikli otomobil çıkarılması planlanmakta ve çalışmalar takvime uygun olarak ilerletildiği yetkililerce bildirilmektedir. Yerli markamızın stratejisini oldukça yerinde bulduğumu söyleyebilirim. Dönüşüm çağını tam zamanında yakalayarak yüz yılda bir gelen fırsatı ucundan yakalamış görünüyoruz. İstikrarlı bir şekilde yerli elektrikli aracımızın çıkarılacağından şüphem bulunmamaktadır. Devamında farklı versiyonda sedan, kamyon, otobüs gibi versiyonlarında çıkarılması olası görünmektedir. Bunun yanı sıra Honda Türkiye fabrikasını Habaş firmasına devretmiş ve üretimi Türkiye ve İngiltere’de bitirmiştir. Habaş firması İngilterede bulunan Honda fabrikasındaki makineleri de Türkiyeye getirdiği bildirilmiştir. Yine yapılan bir açıklamaya göre bu fabrikalarda yeni bir marka ile hibrit araç üreteceklerini açıklamışlardır. Bu sürpriz gelişme ile ülkemizde ikinci bir yerli otomobil markasının geleceğini görüyoruz. Bataryalı elektrikli otomobiller ile %90 parçalarının aynı olduğu hidrojen yakıt pilli elektrikli araçların Ar-Ge’sinin de paralelde çalışılmasının TOGG ve Habaş ekibine bir zaman kaybı ve ciddi bir maliyet getirmeyecek aksine olası dönüşümde gelecekte bataryalı araçlarla yollarda göreceğimiz hidrojen yakıt pilli araçlarda da üretime hazır modellerle çağı yakalama noktasında kaybedilen zamanın hızlı bir şekilde giderilebileceği düşünmekteyim.

Hidrojen yakıtı güneş enerjisi ile su’dan emisyon olmadan çevreci olarak elde edilmekte ve yakıt pilinde kullanılan hidrojen tekrar su olarak egzozdan çevreye verilmektedir. Bu çevrime su döngüsü (Şekil 2) adını veren Prof. Dr. T. Nejat Veziroğlu hocamızın stratejisi ve öngörüsü tüm dünyaya yıllarca yol haritası olmuştur. Vizyonu ve çalışkanlığı ile tüm dünyada Hidrojen Baba olarak tanınmıştır. Geleceğin yakıtı olarak görülen Hidrojenin dünyaya bir Türk akademisyen tarafından tanıtılması ülkemiz adına gurur vericidir. Bize düşen görev ise hidrojen yakıtına sahip çıkarak yaygınlaşmasına öncülük etmek ve enerjideki dışa bağımlılığımızı bu yakıtın yaygın kullanılması ile düşürebileceğimizi unutmamaktır.

Şekil 2. Prof. Dr. T. Nejat Veziroğlu’nun Su Döngüsü

Nejat hocamızın su döngüsü referans alınırsa her ev bireysel olarak güneş ve rüzgar enerjisi ile hidrojen yakıtını elde edebilecek ve evlerinde araçlarına hidrojeni depolayabilecek, ocakta ve ısınmada da hidrojeni kullanabilecektir. Hidrojenin temiz enerji ile sudan üretiminin şuanki yapılan maliyet analizlerine göre 1 asırlık geçmişi olan petrolden 2 kat daha pahalıya mal olduğu raporlanmaktadır. Dünya petrol devi firmalardan Shell’in yaptığı bir çalışmada 2030 yılında topraktan elde edilen dizel ile sentetik olarak hidrojenden elde edilen dizelin maliyet olarak aynı seviyede olacağı ve firmanın gemiler için bu yakıtı sağlarken ortam atmosferindeki karbonu kullanarak çevredeki zararıda indireceği bildirilmiştir. Petrol devleri dahi Hidrojen ile ilgili geleceğe hızla hazırlanmaktadır. Geleceği şimdeden gören gelişmiş ülkelerin reaksiyonundan önce stratejik adımlar atarak hidrojen alanında dünya lideri olmak için önemli girişimlerin hem devlet nezdinde hemde güçlü şirketlerimiz nezdinde sağlanması umuduyla….

Doç. Dr. Selahattin Çelik

(01.10.2021)