Hidrojen arabaları “halka iniyor”.

Stanford’dan ucuz yakıt müjdesi …
Hidrojen arabaları “halka iniyor”.
Herkesin rüyası, hidrojen yakıtı kullanan elektrikli bir arabaya sahip olmak. Japonya’da, Avrupa’da ve
ABD’de belli başlı otomotiv şirketleri de hidrojen yakıt hücreleriyle çalışan, atmosferi kirleten, küresel
ısınmaya yol açan egzos gazları yerine yalnızca su üreten bu “yeşil” arabaların yeni modellerini piyasaya
sürmeye hazırlanıyorlar. Japon otomotiv devi Toyota, iddialı konsept modeliyle başı çekmeye aday.
Sedan sınıfı Toyota FCV’nin (yukarıda) hidrojen dolum tesisleri bulunan bölgelerdeki satışının Nisan
2015’ten önce başlaması planlanıyor.
Fiyat etiketinin hayallerinizi yıkmaması
için gözlerinizi kapamakta acele etmeyin.
On yıl öncesine kadar ancak 1 milyon
doları gözden çıkaracak kadar zengin,
mevcut birkaç arabadan birine el
koyabilecek kadar hatırlıysanız
alabileceğiniz bu arabanın Japonya’daki
fiyatı 70.000 doları geçmiyor.
Rüya “kaç zamanda” gerçekleşir?
Stanford Üniversitesi araştırmacılarınca yeni geliştirlen bir
teknikse, bu rüyanın yalnızca zenginler için değil, herkes için
gerçekleşmesini sağlayabilir: Suyu minimum enerji kullanarak
ve oda sıcaklığında ayrıştırmak. Araştırmacılarca oluşturulan
yeni ve ucuz katalizatörler sayesinde bu işlem için 1,5 voltluk
bir kalem pil bile yetiyor!
Bundan on yıl önce, General Motors 2020’lerin
ortasında 1 milyon hidrojen itkili otomobil satan firma
olacağı iddiasında bulunuyordu. Ancak, Toyota, Honda,
Mazda, Ford, Mercedes, BMW gibi tanınmış markaların
giderek daha da gelişkin hidrojen arabaları üretmelerine
ve ABD, Japonya, Avrupa Birliği ve Çin’in bu alana
çapları yüz milyonlar ile milyar dolarlar arasında değişen
yatırımlar yapmalarına karşın mühendislik, maliyet,
altyapı darboğazları, bu arabaların yaygın
kullanımlarının 2030’lu yıllardan önce mümkün
olamayacağını gösteriyor. Sorunlara birkaç örnek:
- ABD’de (benzin rafinasyonu ve kimya fabrikaları için)
yıllık hidrojen üretimi 9-10 milyon ton. Bu, “hidrojen
ekonomisi”ne gerekenin çok küçük bir yüzdesi.
- Argonne Ulusal Laboratuarı (ABD) araştırmacılarına
göre hidrojenin petrol ürünlerinin yerini alması ve
ülkedeki toplam otomobillerin %40’ına itki sağlaması
için en az 600 milyar dolar yatırım gerekli. Şimdiye
kadarki kamu/özel sektör yatırımlarıysa 5 milyar dolar.
- Tavuk mu, yumurta mı sorunu: Önce uygun fiyatlı
hidrojen arabaları mı hidrojen dolum istasyonlarını
yaygınlaştıracak, yoksa yakıt istasyonları ağı mı hidrojen
arabalarının seri üretimine start verecek? Birçok araç
sahibi, “Her köşe başında bir hidrojen dolum istasyonu
olmadıkça, arabamı değiştirmem” diyor. Oysa ABD’nin
temiz enerji teknolojilerine en açık eyaleti California’da
bile bu istasyonların sayısı 20-30’u geçmiyor.
- Depolama sorunu: Hidrojen çok uçucu bir gaz olduğu
için, aynı hacimdeki benzinden 3000 kat fazla yer
istiyor. Dolayısıyla bir arabaya uzun mesafe yolculuklara
yetecek kadar hidrojen yakıtı doldurabilmek için
depoların 700 atmosfere kadar basınca dayanıklı olması
gerekiyor. Bu dayanıklıkta depolar bile, benzinli
araçtakilerin sekiz katı hacimde oluyor.
- Taşıma: Bir tanker dolusu benzinin enerji içeriğine
eşdeğer hidrojeni 21 tanker taşıyabiliyor. Tanker de
hidrojenle çalışıyorsa, 500 km gitmek için taşıdığı yakıtın
%40’ını kullanması gerekiyor! Soğutup sıvı olarak
taşımak çok fazla enerji harcanmasını gerektiriyor. Boru
hatları için her 150 km’de bir pompa istasyonu gerek.
Bunların her biri de taşınan hidrojenin %1.4’ünü
tüketse, birkaç bin km’lik boru hattı, taşıdığı yakıtın
%30-40’ını kendi kullanmış olacak. Hidrojenin
taşınmayıp dolum istasyonlarında suyun
ayrıştırılmasıyla üretilmesi için (2000 araca servis için)
80 megawatt elektrik kullanımı gerekiyor.
Dünyamız atmosferinde neredeyse hiç bulunmayan (en hafif
element olduğu için çoktan uzaya dağılmış) hidrojen,
denizleri, okyanusları dolduran suyun iki temel bileşiminden
biri. Dolayısıyla sudaki oksijenden koparılmasıyla, yani suyun
bileşenlerine ayrıştırılmasıyla ya da başka moleküllerle
tepkimeye girmesi yoluyla elde edilebiliyor. Ancak bu
yöntemlerin her ikisi de mühendislik, maliyet ve altyapı
darboğazlarının aşılması gerekliliği bir yana, hem fosil yakıt
kullanımına dayanıyor hem de sera gazı üretiyor!
Dolayısıyla günümüz araçlarında hidrojen kullanımı için
geliştirilen teknolojinin iki ana yönteminden biri, hidrojen
dolum istasyonlarından arabanızın deposuna doldurulacak
yakıtı, benzin gibi içten patlamalı motorlarda yakmak.
Ötekiyse, yakıt hücrelerinde kullanmak. Yakıt hücreleri
teknolojisinde, (sudaki) hidrojeni ayrıştırma işleminin tam
tersi yapılıyor. Yakıt hücrelerinde depolanmış olan hidrojen
havadaki oksijenle birleşirken eneriji üretiyor ve sürecin çıktısı
da fosil yakıt kullanan motorların atık ürünü karbondioksit
yerine saf su oluyor.
Gelgelelim bu araçlar, fosil yakıt kullanan sıradan
otomobillere göre pahalı. Nedeni, yakıt hücrelerinin kritik
malzemeleri kadar, hücrelerde depolanan hidrojen yakıtının
da (mevcut teknoloji nedeniyle) pahalı olması.
Günümüz teknolojisinde hidrojen, doğal gaz ya da metanın
(CH4) genellikle nikel olan bir metal tabanlı katalizörle birlikte
700-1100 ⁰C sıcaklıktaki buhara maruz bırakılması sonucu
karbon monoksit ve hidrojene ayrışmasıyla elde ediliyor.
Karbon monoksit zehirli bir gaz olmasının yanı sıra, süreçte
suyla (buhar) tepkimeye girip hidrojen üretimine katkı
yaparken, bir yandan da sera gazı karbondioksite dönüşüyor.
Bu teknolojide temiz yakıtın hammaddesi olan doğal gazın
fosil yakıt olması bir yana, üretim sürecinde kullanılan buharın
Su mu, ateş mi?
ısıtılması için de fosil yakıta dayalı
santraller tarafından üretilen enerjiden
yararlanılıyor.
Son derece patlayıcı bir gaz olan
hidrojenin arabalarda kullanılmasının
yolu, hidrojenin gaz ya da (-252,87
⁰C’ye soğutulmasıyla) sıvılaştırılmış
gazın, tıpkı benzin, mazot ya da LPG
gibi yakıt pompalarından araca
doldurulması. Ancak, bunun için
arabalarda yüksek basınca dayanıklı
(dolayısıyla pahalı) yakıt tankları
gerekiyor.
Su mu, ateş mi?
Hidrojen arabalarına itki sağlamak için iki konsept yarışıyor. Bunlardan biri, benzinli
araçlardaki gibi çalışan, ancak benzin-hava karışımı yerine hidrojen-hava (oksijen)
karışımını yakan “içten patlamalı motorlar”. Bunlara İngilizcesinin (Internal
Combustion Engine) kısaltılmış haliyle H2 ICE deniyor. Ötekiyse, hidrojeni platin
katalizörler aracılığıyla oksijenle birleştirerek elektrik (ve su) üreten yakıt hücreleri.
Artıları-eksileri:
Hidrojende depolanmış kimyasal enerji benzindekinden çok yüksek olduğundan, H2
ICE motorlarının verimi yüksek. Yakıttaki enerjinin %70 kadarını kullanabiliyor.
(Yakıt hücrelerinde bu oran yarıya kadar düşüyor; benzinli motorlardaysa %25
kadar.) Ancak, hafif hidrojen yakıtı çok hacim kapladığı için, silindirin içine yeterli
oranda hava (oksijen) giremiyor. Ayrıca hidrojen çok kolay ateşlendiğinden , daha
bujiye yaklaşırken bile ateşleniyor ve motorun “öksürmesi” ya da geri tepmesi gibi
aksaklıklar oluyor. Bunun önüne geçmek için Ford, “supercharger” denen bir
düzenekle silindirin içine normalin 1,5 katı hava ve yakıt karışımı basıyor. Başka bazı
üreticiler de, silindir içinde havayı pistonla sıkıştırdıktan (dolayısıyla ısıttıktan) sonra
hidrojeni pompalayarak ateşleme sağlıyorlar. H2 ICE motorlarının avantajı, daha
güçlü itki sağlamaları, alışılmış, denenmiş, güvenilir bir teknoloji olması.
Karbondioksit ve karbonmonoksit gibi zararlı atıkları olmaması, ayrıca, daha düşük
sıcaklıklarda da çalışabildiği için zehirli azot oksit emisyonunu sınırlaması.
Hidrojen yakıt hücrelerinin avantajı, daha “yeşil” olmaları. Depodaki hidrojenle
havadaki oksijeni birleştirme sürecinde elektrik üreten bu motorların tek atık
ürünü, “su buharı”. Dezavantajları, motorda kullanılan her yakıt hücresinde (sayıları
100’ü aşabiliyor) katalizör olarak platin ve benzeri kıymetli metaller kullanıldığı için
pahalı olmaları. İçten patlamalı motorların ürettikleri gücün her kilovatı 30 dolara
malolurken, yakıt hücrelerinin maliyeti bunun yaklaşık 100 katı. Daha çok yer
tutuyorlar ve H2 ICE’lara göre daha az güç üretiyorlar. Avantajları, sessiz olmaları ve
tek atık ürünleri olan su nedeniyle daha çevreci olmaları. Maliyetlerinin giderek
ucuzlaması nedeniyle, içten patlamalı kuzenleriyle olan rekabette de öne geçmiş
görünüyoırlar.
Gerçi, hidrojenin deniz suyundan elde edilmesi ya da hidrojen üretiminde fosil yakıt kullanan
santrallerin yerini alacak nükleer santraller için tasarımlar geliştiriliyor; ama bunlar henüz mühendislik ve
maliyet sorunlarını aşabilmiş
değiller.
Stanford Üniversitesi’nde kimya profesörü Hongjie Dai ve master öğrencisi Ming Gong yönetimindeki bir
ekibin Nature Communications dergisinde yayımladıkları teknoloji, suyu ayrıştırmak için nikel ve demir
gibi bol ve ucuz metallerden yapılmış bir katalizöre dayanıyor. Dai, “Nikel ve demir gibi ucuz malzemeler
kullanarak suyu, 1,5 voltluk tek bir pille oda sıcaklığında ayrıştırabilecek kadar etken elektrokatalizörler
yapmayı başardık. Bu, böylesine düşük bir voltajla suyu ayrıştırmak için sıradan metallerin kullanıldığı ilk
uygulama oluyor. Önemi, bu voltaj düzeyinden yararlanabilmenin normal olarak platin ve iridyum gibi
kıymetli metaller gerektirmesi” diyor.
Lawrence Teknoloji Üniversitesi (Michigan, ABD) öğrencilerince 2008 yılında Formula Zero Hidrojen Arabaları Yarışı için
geliştirilen Element One (1. Element, yani hidrojen) adlı aracın tasarımı. Yarışmada tasarım ödülü kazanan araç, görkemli
görünüşüne karşın, bir go-kart büyüklüğünde.
Ekibin geliştirdiği düzenekte pil, iki elektrottan geçen bir akımla suyu oksien ve hidrojen gazlarına
ayırıyor.
Suyun ayrıştırılması için gereken voltajın düşürülmesinin, endüstriyel ölçekte hidrojen üretiminin
maliyetini milyarlarca dolar azaltacağı, araştırmacılarca vurgulanıyor.
Buluşun sahibi olan Ming Gong, elektrokatalizöre bu etkinliği sağlamak için saf metalik nikel ya da saf
nikeloksit yerine, hidrojen elektrokataliz sürecini kolaylaştıran nikel ve nikeloksit bileşimi karma bir yapı
kullanmış.
Düzenek, 1,5 voltluk pilin sağladığı enerjiyle birkaç gün süreyle hidrojen üretebiliyor. Gong’un yeni
hedefi, bu süreyi haftalar ve aylar ölçeğine çıkarmak ve akımı da güneş enerisiyle sağlamak.
Raşit Gürdilek
KAYNAKLAR:
“Stanford scientists develop a water splitter that runs on an ordinary AAA battery”, Stanford University,
22 Ağustos 2014-08-22
“Fire and ICE: Revving Up for H2”, Science, 13 Ağustos 2004
http://www.technologyreview.com/news/516711/why-toyota-and-gm-are-pushing-fuel-cell-cars-tomarket/
http://www.technologyreview.com/news/402584/hype-about-hydrogen
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_production
ETİKETLER:
Hidrojen, hidrojen arabası, yakıt hücresi, elektroliz
Lawrence Teknik Üniversitesi (michigan, ABD) öğrencileri tarafından geliştirilen ve Formula Zero hidrojen arabaları yarışında ödüller
kazanan, yakıt pilli hidrojen arabasının çizimi. Görkemli görünüşüne karşı araç, aslında bir go-kart boyutlarında.