Otomotiv endüstrisinde kara taşımacılığının geleceğinin elektrikli tahrik olduğu konusunda giderek artan bir fikir birliği var. Ancak e-mobilite bir kavram olarak yeniden ortaya çıktıkça (otomotiv çağının başlangıcında içten yanmalı motorlarla elektrikli otomobillerin bir arada var olduğunu unutmayın), elektrik motoruna nasıl elektrik sağlanacağı konusunda bir tartışma var mı? İlk seçenek, arabadaki akü paketlerini kullanmaktır; bu günlerde açıkça daha popüler olan seçenek. Ancak hidrojen yakıt hücrelerinde başka bir yol daha var.
Yakıt hücresi nedir?
Mevcut pil teknolojisinin düşük enerji içeriğini fark eden bazıları farklı bir yaklaşım önerdi. Ağır ve hacimli akülere ihtiyaç duymadan elektriğin araç üzerinde üretilmesi. Teknoloji aslında yeni değil, çünkü ilk kez 60'lı yıllarda NASA tarafından Ay'a yapılan Gemini ve Apollo görevlerinde elektrik üretmek için kullanıldı. Yakıt hücrelerinin bazı farklı türleri vardır, ancak otomotiv endüstrisinde proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC) neredeyse yalnızca kullanılır.
Peki yakıt hücresinde nasıl elektrik üretebiliriz? Bu nispeten basit bir süreçtir. Yakıt hücresinin üç ana parçası vardır. Anot, katot ve ayırıcı. Anotta H2 bir tanktan beslenir. H2 iki elektron ve iki protondan oluşur. Pozitif yüklü protonlar ayırıcıdan geçerken, negatif yüklü elektronlar harici bir devreden geçerek elektrik akımı oluşturur.
Katotta atmosferik hava oksijeni, daha önce ayırıcıdan geçmiş olan hidrojenin protonları ve dış devrenin elektronlarıyla buluşur. Bu kombinasyon, daha sonra arabanın egzoz borusundan dışarı atılan suyu oluşturur. İçebileceğiniz bir egzoz borusu!
Hidrojen üretimi
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir ancak Dünya'da serbest formda mevcut değildir. Bu, onu elde etmenin bir yolunu bulmamız gerektiği anlamına geliyor. Şu anda hidrojen üretmenin 3+1 yolu var.
Gri hidrojen, doğalgazın buharla reformasyonuyla elde ediliyor. Doğal gaz çok sıcak ve yüksek basınçlı su buharı ile bombardıman edilir. Bu reaksiyon H2 ve CO2'yi oluşturur. Hidrojen üretmenin bu yolu en az çevre dostu olanıdır.
Mavi hidrojen, karbon yakalama ve depolama (CCS) sistemlerinin üretim sürecine entegre edilmesi ve salınan CO₂'nin atmosfere ulaşmasını engellemesi dışında gri hidrojene çok benzer.
Üçüncü üretim yolu yeşil hidrojen üreten elektrolizdir. Bu yöntem, yakıt hücresinin tersi şekilde çalışır: bir elektrik akımı, su moleküllerini kendilerini oluşturan gazlara (hidrojen ve oksijen) ayırır.
“+1” yaklaşımı turkuaz hidrojen olarak bilinir. Bu teknikte doğal gaz, erimiş metal banyosundan geçirilerek hidrojen ve katı karbon elde edilir. Konsept umut verici görünse de henüz ticari ölçekte dağıtıma ulaşmadı.
Mevcut seçenekler arasında yeşil hidrojen, sürdürülebilir, düşük etkili üretim için en büyük umudu taşıyor; süreci yönlendiren elektriğin rüzgar veya güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan gelmesi şartıyla.
Hidrojen durumları
Kullanılacak hidrojenin iki olası durumu vardır. Gaz ve sıvı formlarının her ikisinin de avantajları ve dezavantajları vardır.
Hidrojen evrendeki en az yoğun element olduğundan, onu bir arabada kullanmak için ciddi şekilde sıkıştırılması gerekir. Mevcut uygulamalarda hidrojen 700 bara kadar sıkıştırılmaktadır. Bu çok fazla baskı demektir ve bunun için özel ve pahalı tanklara ihtiyaç vardır.
Diğer alternatif ise sıvı formdur. Ancak hidrojeni sıvılaştırmak için mutlak sıfırın 20°C üstüne, yani eksi 253°C'ye kadar soğutulması gerekir. Hidrojenin her iki formunu da elde etmek için, süper yüksek sıkıştırma veya soğutma amacıyla enerji kullanmamız gerektiği açıktır.
Hidrojen kullanmanın avantajı muazzamdır; 1 kg hidrojen 33,3 kWh enerji taşır. Bu, mevcut en gelişmiş akü paketinden kg başına 167 kat daha fazla enerji taşıdığı anlamına gelir!
Piller ve Hidrojen
Peki en çok tercih edilen yol nedir? Elektriğinizi taşıyacak mısınız yoksa arabada mı üreteceksiniz? Otomotiv endüstrisi şu anda birkaç nedenden dolayı akü paketlerini tercih ediyor gibi görünüyor.
Öncelikle PEMFC'nin verimliliği %60 civarındadır. Doğal gazın buharla reformasyonu %70, elektroliz ise %75 verimlidir. Hidrojenin sıkıştırılması %89 civarında, sıvılaştırılması ise %66 civarında verimlidir. Aşağıdaki tabloda akü grupları ile hidrojen arasındaki tüm kayıplar özetlenmiş ve karşılaştırılmıştır. Hidrojen için en verimli senaryolar kullanılmıştır.
| Verimlilik karşılaştırması | Hydrogen | Pil paketi |
|---|---|---|
| Elektroliz (%) | 75 | - |
| Hidrojen Sıkıştırması (%) | 89 | - |
| Yakıt/Şebeke taşımacılığı (%) | 80 | 93 |
| Yakıt hücresi (%) | 60 | 94 |
| Kalıcı mıknatıslı motor (%) | 94 | 94 |
| DC/AC dönüşümü (%) | 93 | 93 |
| Şarj (%) | - | 94 |
| İletim (%) | 95 | 95 |
| Toplam verimlilik (%) | 27 | 73 |
Önceki tablodan elde edilen veriler, yakıt hücresi teknolojisinin, içten yanmalı motorlu (ICE) benzinli araçlarla neredeyse aynı verimlilik profilini sağladığını göstermektedir. Mevcut durum göz önüne alındığında, binek araçlarda yakıt hücrelerinin kullanılması çok az pratik avantaj sağlıyor. Sonuç olarak otomobil üreticilerinin çoğunluğu, doğasında var olan kısıtlamalara rağmen akü paketi yaklaşımını tercih ediyor.
Eşdeğer bir mesafe kat etmenin, hidrojen yakıt ikmalinin evde elektrikli bir aracı şarj etmekten yedi ila sekiz kat daha fazla maliyete yol açtığını da vurgulamakta fayda var. Hidrojen, olağanüstü enerji yoğunluğu nedeniyle ağır hizmet kamyon taşımacılığında bir yer bulabilirken, bu potansiyel, üretimi için sürdürülebilir yöntemlerin geliştirilmesine bağlıdır.
