YÜZYILIN OTOSU ELEKTRİKLİ Mİ HİDROJENLİ Mİ?
Prof. Dr. Mustafa Özcan ÜLTANIR
3 Temmuz 2023
Akademik Anılarımla Temiz Hidrojen Yakıtı ve Bir Tartışma Konusu
1965 yılında akademik çalışmalarıma güneş enerjisi ile başlayıp yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla sürdürdüğüm süreçte tanıdığım önemli bir bilim adamı Miami Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nden Prof. Dr. Turhan Nejat Veziroğlu olmuştu. Çalışmalarını hidrojen enerjisi üzerinde yoğunlaştırmış, Dünya Hidrojen Enerjisi Konseyi Başkanlığı yapmış, ulusal övünç kaynağımız bir Türk bilim insanı. 1974 yılında Hidrojen Enerjisi Miami Enerji Konferansı’nı (THEME) düzenlemiş, dernek statüsünde IAHE “Hidrojen Enerjisi İçin Uluslararası Birlik (International Association for Hydrogen Energy)” oluşturmuş ve başkanlığını üstlenmişti. Sonraki yıllarda ben de birliğe onur üyesi olarak kabul edilmiştim. Birliğin çıkardığı Uluslararası Hidrojen Enerjisi Dergisi (International Journal of Hydrogen Energy) gelişmeleri izlediğim önemli kaynaktı.
Hidrojen enerjisi üzerinde çalışma ve yayınlarıma 1980’li yıllarda başlamıştım. 25 Mayıs 1983 günü fakültemizin bölüm konferans salonunda, “Petrol Ürünleri Yerine Kullanılabilecek Sentetik Motor Yakıtlarındaki Gelişmeler” konulu seminerime Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın değerli ve emekli müsteşarı Tahsin Yalabık da izleyici olarak katılmıştı. Otomotiv endüstrisinde özellikle hidrojen enerjisinin kullanımına yer verdiğim seminerimde, tanınan firmaların hidrojenle çalışan otomobillerini, otobüslerini tanıtmıştım. O gün sentetik yakıt dediğim hidrojen bilimsel olarak enerji taşıyıcı (energy carrier) olarak kabul ediliyordu. Türkiye Enerji Kongrelerinde, dergilerde hidrojenle ilgili yayınlarım sürdü. Şimdi masamın üzerinde TÜBİTAK’ın Temmuz 1996 tarihli Bilim ve Teknik dergisi var. Orada “21. Yüzyılın Yakıtı Hidrojen” yazım yer almıştı.
Emeklilik sonrası hocalığını sürdürebilmesi anlamında 2009 yılında Emeritus Profesör unvanını kazanan Nejat Veziroğlu, IAHE’den önce 1973 yılında “Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü’nü (Clean Energy Research Institute)” kurmuştu. 20 yıl sonra Prof. Dr. Demir İnan Türkiye’de “Temiz Enerji Vakfı” projesiyle bana kurucu üye olmamı teklif edince, Nejat Hocanın yaptıklarını anlatıp, vakfın hidrojen enerjisi için kurulmasını söylemiştim. Bilim dünyası hidrojeni temiz enerji adıyla tanıyordu, ama Demir Hoca hidrojeni değil, güneş başta olmak üzere yenilenebilir enerji kaynaklarını konu alacak vakıf istiyordu. O zaman da adının “Yenilenebilir Enerji Vakfı” olmasını önerince, Türk diline olan hassasiyetiyle, telaffuz edilirken “yenilenebilir” ile “yenilebilir” kelimelerinin karıştırıldığını söyleyerek itiraz etti, oysa hiç de öyle olmadığını zaman gösterdi.
Demir Hoca bir gün, “Özcan Hoca hidrojeni, hidrojenli araçları savunuyorsun, ama hidrojen doğada serbest bulunmuyor, bir kaynaktan üretiliyor. Bence geleceğin araçları elektrikli olacak” demişti. Ben de “Elektrik de doğada serbest olarak yok, o da üretiliyor, ikisi de enerji taşıyıcısı ve bir noktada buluşacaklar, bugün sorun ekonomiklik” yanıtını vermiştim. Demir Hocanın vakfına kurucu üye oldum ve 1994’de “Temiz Enerji Vakfı” (TEMEV) adıyla kuruldu. Vakfın etkinliği için okullararası resim yarışması, yenilenebilir kaynakları tanıtıcı broşür ve yayın yerine enerji politikasına yönelinmesi önerimi Demir Hoca benimsemeyince, eylemsiz ve sessiz kurucu üyesi kaldım. Bu arada elektrikli araçlar yaygınlaşırken hidrojenli araçlar gelişme gösterdi, tartışma konumuz yine de güncel sayılabilir, ama teknolojik gelişimle ikisi birleşme noktasında buluştular.
Koç Grubu Hidrojenli Demonstrasyon Aracı Önerimi Kabul Etmemişti
Avrupa’da ve Amerika’da otomobil firmaları hidrojenli araçlar üzerinde inovasyon (yenilikçi düşüncelerin ekonomikleştirilmesi) çalışmalarından öte teknolojik araştırma-geliştirme (AR-GE) etkinliklerini sürdürüyorlardı. 1999 yılına inerek yine bir anımla değineceğim. Değerli arkadaşım Prof. Dr. Yusuf Zeren bir konuşmamızda, “Özcan Hoca sen holdinglerin patronlarıyla röportajlar yaparak görüşüyorsun, Koç Grubu’na hidrojenli araçları anlatıp, Türkiye’de bir örnek araç yapmalarını önersen iyi olmaz mı? Belki bir hizmet yapmak isterler” diye fikir vermişti. O sıra Uzman Yayıncılık tarafından yayınlanan Enerji dergisinin Yayın Kurulu Başkanlığını yürütüyordum. Koç Grubu’nun enerji çalışmaları bir röportaj için gündemimdeydi. Derginin Haziran 1999 sayısında Koç Enerji Grubu Başkanı Ömer Koç ile yaptığım bir söyleşim yayınlandı.
Ülkemizin ünlü zenginlerinden Vehbi Koç’un kurduğu ve Koç Ailesi’nin yönettiği holdingin bugünkü Yönetim Kurulu Başkanı Ömer Koç, o sıra sadece Enerji Grubu’nun başındaydı. Söyleşimize danışmanı ile katılmış, sorularımı titizlikle yanıtlarken, danışmanının uyarılarını göz önüne alıyordu. LNG pazarlaması, kömür santralları, yenilenebilir enerjiye yaklaşımları ve enerjide tahkim hukuku, yap-işlet-devret, yap-işlet santralları gibi konular üzerinde görüşlerini almıştım. “Enerji Grubu’nuzun bir AR-GE bölümü var mı?” soruma “Hayır yok. Enerji araştırması yapmıyoruz” yanıtı bende soğuk duş etkisi yapmıştı. Çevre dostu yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına ilişkin soruma da “Etüt ettik bir iki defa. Ancak, Türkiye’nin enerji sıkıntılarına cevap verecek nitelikte değil” demişti. Kazanç getirisi yüksek projeleri hedefliyorlardı.
Koç Grubu otomotivde montaj sanayiinde yer almıştı. Yerli halk otomobili, efsane diye sunulan Koç Anadol’un adı Türkçe, ama özü Ford Mustang montajı bir arabaydı. Söyleşimizde Ömer Koç’a hidrojenli araç konusunu şöyle sormuştum: “Koç Grubu olarak, otomotiv sanayiinde Türkiye’de önderlik yaptınız. Bu arada teknoloji konusunda bir müze oluşturdunuz. Teknolojik yenilikleri izliyorsunuz. Biliyorsunuz, çevre sorunu ve fosil yakıt rezervlerinin tükenme olasılığı yeni yakıt arayışlarını başlattı. 21. Yüzyılın yakıtı olarak hidrojen ortaya kondu. Hidrojen enerjisi konusunda pek çok çalışma yapılıyor. Hidrojenli otolar demonstrasyon amacı ile piyasaya sürülmekte. Türk halkı hidrojen yakıtını tanımıyor. Bu konuda da bir önderlik yapıp, Türkiye’de hidrojenle çalışan ilk demonstrasyon aracını ortaya çıkarmayı düşünür müsünüz?”
Hidrojenli demonstrasyon (tanıtım gösterisi) aracı önerimi Ömer Koç şöyle yanıtlamıştı: “Şu anda gösterseniz ne olacak? Daha tam bir alternatif yakıt bulunamadı. Üstelik bu tür çalışmalar ekonomik değil. Dünyada hidrojen trendinin oluştuğu söylenemez. Böyle bir trend ekonomik ve ticari anlamda oluşunca, Koç Grubu tabii ki önderlik yapar. Yeni teknolojilere kapalı değiliz. Ancak, işbirliği yaptığımız Fiat, Ford bu konularda harekete geçmeden, bizim harekete geçmemiz olmaz. Yanlış anlaşılmasın, biz yeni teknolojilere kapalı değil, her bakımdan açığız.” Ardından kömür santrallarında akışkan yatak teknolojisi kullanmaktan söz ederek, yeni teknolojilere açık olduğuna ilişkin örnek veriyordu. Otomotivde dışa bağımlı montaj sanayii ile yenilikçi bir demonstrasyon adımı atmayacaklarını ifade etmişti. Böyle bir gösteriyi kazançsız, gereksiz buluyordu.
Otomotivin Tarihçesinde Elektrikli ve Hidrojenli Otomobiller
Bataryalı elektrikli ilk aracı Thomas Davenport Amerika Vermont’ta 1835’de yaptı. Osmanlı’da ilk elektrikli araç II. Abdülhamit için İngiltere’ye sipariş edilmişti. Bir kilovat (kW) gücündeki bu araç 20 A (amper) akım ve 48 V (volt) gerilimle çalışıyordu, padişah çok beğenmişti. Osmanlı’da zât-ül-hareke (otomatik) denilen otomobil için yollar uygun değildi. Harbiye Nazırı Mahmut Şevket Paşa aracında suikasta uğrayınca, otomobil yasaklanmıştı. 1897’de New York’ta elektrikli taksiler çalışıyor, 1900 yılında elektrikli otomobiller altın çağına ulaşıyordu. 1908’de Amerikalı sanayici Henry Ford benzinli Otto motorlu otomobillerin seri üretimini başlayınca otomotiv çağı açıldı ve elektrikli araçlar terk edildi. Petrol sorunu ve hava kirliliği elektrikli araçları1970’lerde gündeme getirdi. İlk elektrikli ve akaryakıtlı hibrit araç 1997’de Japon Toyota firmasınca yapıldı.
Osmanlı’da ilk elektrikli otomobil Abdülhamit için İngiltere’ye sipariş edilerek yaptırılmıştı. Motoru 1 kW gücünde olan otomobili Abdülhamit çok beğenmişti. Otomobile Osmanlıcada kendi kendine hareket eden cisim (otomatik) anlamında Zât-ül-Hareke adı verilmiştir.
1890-1910 yılları arasında eski elektrikli arabalar altın dönemini yaşadı.
1908 yılında Amerikalı sanayici Henry Ford içten yanmalı benzin motorlu Ford otomobilinin seri üretimine başlayınca elektrikli arabaların sonu geldi. Petrol türevi yakıtlara dayalı otomotiv çağı başladı ve hızla büyüdü. Şimdi ise global ısınmayla iklim değişikliğine karşı petrol türevi yakıtlı içten yanmalı motorlu otomotiv çağı sona erdirilmek isteniyor.
31 Mart isyanının bastırılması, Abdülhamit’in tahttan indirilmesinde rol oynamış, sonrasında Harbiye Nazırı ve Sadrazam olmuş Mahmut Şevket Paşa’nın makam arabası (zât-ül-harekesi) İstanbul’un dar caddelerinden halkın tepki gösterdiği büyük gürültüyle geçerdi. Paşa arabasının içinde 11 Haziran 1913 günü Harbiye Nezareti’nin (bugünkü İstanbul Üniversitesi) büyük kapısından çıkıp Beyazıt Meydanı’na doğru ilerlerken önü bir faytonla kesilir ve arabası durur durmaz, suikastçı tetiğe basınca çevreden kurşun yağmuru başlar. Beş kurşun yarası alan paşa şehit olur. Cinayet büyük yankılar uyandırır, Osmanlı siyaseti karışır. Cinayetten sonra İstanbul’da zât-ül-hareke kullanımı yasaklanır. Kaporta ve Karoseri Viyana’da yapılmış, Alman Daimler firmasının içten yanmalı benzin motoruyla donatılmış aracın zırhlı olduğu biliniyor. Araba bugün İstanbul’da Harbiye Askeri Müzesi’nde paşanın, şoförünün, muhafızının, emir erinin mumya heykelleriyle donatılmış biçimde sergileniyor.
Petrol sorunu, hava kirliliği, iklim değişikliği yeni arayışlara neden oluyor, 60 yıl sonra elektrikli otomobil yeniden akıllara geliyor, ama hemen adım atılmıyordu. 70 yılı aşkın süre sonrası Toyota firması içten yanmalı ve elektrik motorlu ilk hibrid aracı (PRIUS) piyasaya çıkardı. Ancak, hibrid araçların ömrü uzun olmadı, kısa sürede tam elektrikli araçlara evrildi.
Toyota’nın benzin ve elektrik motorlu hibrit aracı akaryakıtın daha verimli kullanılmasını sağlıyordu. Elektrik motoru ve benzinli Otto motoru birbiriyle etkileşimli çalışıyor, yakıt ekonomisi sağlıyor, benzin motoru alternatörle elektrik bataryalarını da şarj ediliyordu. Bataryalar rejeneratif fren sistemiyle sürüş sırasında da şarj edilmekteydi. İki motor arasında ilişkiyi otomatik sürüş sistemi kontrol ediyordu. Bataryaların dışarıdan elektrik kablosuyla şarj edildiği (plug-in) tip hibridler de geliştirildi. 2006 yılında tam elektrikli aracı Tesla yaptı. Dışarıdan şarj edilen (plug-in) tip bu “Bataryalı Elektrikli Araç (Battery Electric Vehicle – BEV)” bir şarjla 200 kilometre gidiyordu. 2013 yılında Hyundai Tucson’un ix35 şarjsız “Yakıt Pilli Elektrikli Aracı (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV), kurşunsuz benzin ve dizel kullanıyordu, hidrojenli yakıt pilli araçla eşdeğer düzeydeydi.
Alman mühendis ve mucit Nikolaus August Otto, kendi adıyla anılan petrol ürünü benzinle çalışan içten yanmalı dört zamanlı Otto motorunu 1876 yılında keşfetmezden önce hidrojenle çalışan motor keşfi çalışmaları yapılmıştı. Dört zamanlı motordan kısa süre önce Belçikalı mühendis Étienne Lenoir 1859 yılında hidrojen yakıtlı iki zamanlı içten yanmalı motor patentini almış, bir arabaya uygulanmasını da tasarlamıştı. Alman makine mühendisi Rudolf Christian Karl Diesel kendi adıyla anılan Dizel (Diesel) motorunu 1892’de keşfetti ve 1893’de patentini aldı. Dizel motoru, petrol ürünü ve benzinden ağır olan dizel yakıtı da denilen motorinle çalışıyordu. Dizel motorunun da iki ve dört zamanlı çevrimleri vardı, ama çoğunlukla dört zamanlı olanı kullanıldı. 20. yüzyılda dünya otomotiv sanayii, Otto ve Dizel motoruna dayalı gelişim göstermiştir.
Otto ve Dizel motorlarının dört ve iki zamanlı olanlarının sıvı hidrojenle çalışanları yapılmış, dört zamanlılar otomotivde tercih edilmiştir. Hidrojen motorları yakıt sevki için enjektörlü motorlardı. Hidrojen enjeksiyonu Otto motorlarında direkt olarak yanma odasına, Dizel motorlarında ön yanma odasına yapılmış, uzun tırnaklı bujiler kullanılmıştır. Otto ve Dizel motoru alternatif hareketli olup, zamanları gerçekleştirirken motor pistonu iki ölü nokta arasında gidip-gelme hareketi yapar. Bu alternatif hareket enerji kaybı oluşturduğundan, teknik açıdan türbinlerde olduğu gibi dönü hareketi tercih edilir. Yine Alman makina mühendisi ve mucidi olan Felix Heinrich Wankel 1954 yılında dönü (rotary) hareketine dayalı Wankel motorunu yapmıştı. Geleceğin motoru da denilen Wankel motoru, homojen sıcaklık dağılımıyla hidrojen için en uygun motordu.
Hidrojenle çalışan iki zamanlı tek silindirli motoru yapan Étienne Lenoir, 1860 yılında Hippomobil adını verdiği üç tekerlekli otomobiline uyguladı. Lenoir’in 350-400 kadar Hippomobil sattığı kaydedilmekte. 1933’de Norveç’in Hydro şirketi hidrojenle çalışan içten yanmalı motorlu bir kamyon yaptı. Ancak o yıllarda benzin ve dizel yakıtlı motorlar artış gösterdiğinden, hidrojenli araçlara ilgi 1970’lere kadar pek yoktu. 1970 sonrası 20 yıllık süreçte alfabetik sıralamayla Ballard, BMW, Buick, Daimler Benz, Ford, General Motors, Honda, Mazda, Suzuki, Toyota gibi otomobil firmalarının deneme ve demonstrasyon amacıyla ürettikleri hidrojenli araçlar vardır. Sıvı hidrojeni yakıt olarak kullanan bu araçların yanında, güvenlik açısından ısıtılınca hidrojeni serbest bırakan metal hidrid kullanan bir araç da Mercedes firmasınca yapılmıştı.
Otomotiv sanayiinin büyük firmaları hidrojenli araç geliştirmeye önem veriyor ve yatırım yapıyordu. Sıvı hidrojenli içten yanmalı motorlu araçlardan sonra yakıt pilli hidrojenli araçların yapıldığı görüldü. Elektrikli araçların tarihçesini açıklarken, bataryalı araçlardan (BEV) sonraki aşamanın yakıt pilli araçlar (FCEV) olduğunu kaydetmiş ve bu aşamanın hidrojenli araçlarla aynı olduğunu vurgulamıştık. Hidrojen yakıt pilleri için ideal yakıt olmakla beraber, başka yakıt kullanan yakıt pilleri de vardır. Bu nedenle her FCEV tipi araç hidrojenli araç değildir. Yakıt pillerinde hidrojen dışında doğalgaz, doğalgaz-hidrojen karışımı, LPG, metanol, nafta, benzin, dizel yakıtı, akaryakıt karışımı ve kömür gazı gibi yakıtlar kullanılabilir. Hidrojen dışı yakıtın kullanılması için cinsine göre sisteme uygun “Yakıt Prosesörü (Fuel Processor)” cihazı eklenir.
General Motors firması 1966 yılında ilk yakıt pilli elektrikli araç (FCEV) olarak General Motors Electrovan aracını yaptı. Electrovan on yıllık bir çalışmanın ürünüydü, minibüs olarak tasarlanmıştı. Aracın 32 ince elektrotlu yakıt pili modülü seri biçimde bağlanmıştı. Yaklaşık çıktısı 32 kW olup, pik yükte 160 kW güç verebiliyordu. Sıvı hidrojen ve oksijen tankları ile 150 mil (241 km) yol gidebiliyordu. General Motors aynı yıl Electrovair II aracını bataryalı (BEV) olarak yaptı. Yukarıda elektrikli araçların tarihçesini açıklarken, BEV sonrası Hyundai’nin 2013’de yaptığı elektrikli araç FCEV tipi olduğunu ve hidrojenli araçla teknolojik açıdan eşdeğer düzeyde bulunduğunu kaydetmiştik, ama hidrojenli FCEV araç karma akaryakıtlı FCEV araçtan 47 yıl önce yapılmıştı. Otomotivde FCEV araçlar son teknolojik aşamayı oluşturmaktadır.
General Motors ELECTOVAN marka minibüs, 1966 yılında yapılan hidrojen yakıt pilli ilk araç olup, 1970’li yılların sonunda başlayan içten yanmalı hidrojen motorlu araçların evrildiği son aşamayı önceden oluşturmuştu. 160 kW gücündeki araç 32 yakıt pili modülüyle çalışıyor.
Otomotiv dışında hidrojenli uçak ABD’de 1956 yılında, eski Sovyetler Birliği’nde 1988 yılında yapılmıştı. Uzay roketlerinde hidrojen zaten yaygın biçimde kullanılmakta. Otobüslerde de hidrojen kullanımı geliştirilmiştir. Kanada ve Almanya’da hidrojenli şehir içi otobüsler yaygınlaşırken, Londra’da çift katlı hidrojenli otobüsler hizmet vermekte. Yeni Zelanda’dan İrlanda’ya, Tokyo’dan Philadelphia’ya kadar çeşitli yerlerde hidrojenli otobüsler kullanılıyor. Güneş enerjisinden üretilen hidrojeni kullanan otobüslere yeşil otobüsler de deniliyor. İçten yanmalı hidrojen motorlu otobüslerin yerini artık yakıt pilli olanlar almış durumda. Demiryolları elektrifikasyonun son aşaması olarak hidrojen yakıt pilli trenler Kanada, Almanya, İngiltere, Hindistan, Çin gibi ülkelerde görülüyor. Hidrojen yakıt pilli tekneler, yatlar, kruvaziyer turist gemileri yapılıyor.
2035 Sınırıyla Elektrikli ve Hidrojenli Araçlara Zorunlu Yöneliş
1970 sonrası artan petrol fiyatları, hidrokarbon (petrol-doğal gaz) kapanlarının sınırlı oluşu ve tükenme olasılığı, dünya global sıcaklığının artış trendine girmesiyle ortaya çıkan iklim değişikliği sürecinin başlaması gerek elektrikli gerekse hidrojenli araçlara yönelmenin başlıca nedeni olmuştur. Dünya global sıcaklığının artışı tüm fosil yakıtların yanmasından ve biyolojik aktivitelerle ortaya çıkan karbondioksit (CO2) emisyonunun atmosferde ısı perdesi oluşturması nedeniyledir. Hidrokarbon yakıt kullanan ulaştırma araçlarının bunda katkısı vardır. 2022 yılında salınan CO2 emisyonunun yüzde 22’si ulaştırma sektöründen kaynaklanmıştır. İnsanlık CO2 emisyonunu azaltıp karbon ayak izini küçülterek silmek istediğinden her sektörde temiz enerji kullanımı öne çıkıyor. Ulaştırma sektörü için temiz kaynaklar ise elektrik ve hidrojen oluyor.
Avrupa Parlamentosu (AP) mart ayında yaptığı toplantıda, Avrupa Yeşil Mutabakatı ile öngörülen emisyonların azaltılmasına ilişkin uyum paketini görüşmüş, Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde yeni benzinli ve dizel otomobillerin satışlarının 2035 yılından itibaren yasaklanmasını öngören yasal düzenlemeyi onaylamıştır. Yeni yasal düzenlemeye göre, 2035 yılından itibaren satılacak yeni otomobiller ve hafif ticari araçlar sıfır karbon emisyonlu olacaklar. Böylece benzin ve dizel yakıtlı araçlar için büyük final yaklaşıyor. Bu bataryalı elektrikli (BEV) ve yakıt pilli elektrikli (FCEV) yeni nesil otomobillerin ve özellikle hidrojen yakıtlı araçların önünü tamamen açacak bir düzenleme. Almanya’nın düzenlemeyi desteklemek için sentetik yakıtlı otomobiller konusunda ayrıcalık isteyip güvence aldığı da belirtiliyor. “Otomotivde 2035 Sınırı” tarihi dönemeç oluşturmakta.
Avrupa Parlamentosu’nun petrol türevli içten yanmalı motorlu araçların 2035 yılından itibaren yasaklanmasını öngören yasal düzenlemeyi onaylaması, otomotivde 127 yıllık bir dönemi kapatıyor, elektrikli- hidrojenli araçların, özellikle yakıt pilli hidrojenli araçların çağını açıyor.
Tam Elektrikli Otomobillere Teknolojik Genel Bakış
Hibrid elektrikli araçlarda otomobili çalıştıracak hem elektrik motoru ve hem de içten yanmalı benzin veya dizel motoru olduğundan, akaryakıtın yanması sonucu çıkan gaz emisyonu egzoz sistemiyle atılır ve atmosfere CO2 salınır. Tam elektrikli bataryalı araçlarda (BEV) ise herhangi bir gaz emisyonu çıkışı yoktur, dolayısıyla bu araçlar sıfır emisyonlu araçlardır. Hibrid araçlar içten yanmalı motorlu araçlarla tam elektrikli araçlar arasında geçiş kademesini oluşturmuşlardır. Tam elektrikli bir otomobilin ana yapı üniteleri aşağıdaki şematik resimde gösterilmiştir. Elektrikli çekiş (traksiyon) motorunu çalıştırmak için gerekli elektrik, otomobilin çekiş bataryası paketinden sağlanır. Batarya bu otomobillerin en önemli, en pahalı ve en kritik bölümünü oluşturur. Otomobilin menzili bataryanın kapasitesine bağlıdır, şarj süreleri önemlidir.
Tam elektrikli (BEV) otomobilin bileşenleri.
Batarya paketini şarj edici elektrik, dış şarj kablosuyla, plug-in olarak soket girişinden verilmektedir. Yerleşik (onboard) şarj cihazı, dışarıdan gelen alternatif akımı (AC) şarj için doğru akıma (DC) dönüştürür, şarj anında voltaj (V) akım (A), sıcaklık (T) ve şarjın diğer özelliklerini kontrol eder. Güç elektroniği kontrol ünitesi çekiş motorunun devrini (hızını) ve ürettiği torku (momenti) denetleyerek, çekiş bataryalarından alınan elektrik akımını yönetir. Otomobilin DC/DC konventörü çekiş bataryaları paketinden gelen yüksek voltajlı DC akımı, otomobilin aksesuarlarını çalıştırmak ve yardımcı bataryayı şarj etmek için düşük voltajlı DC akıma çevirir. Transmisyon ünitesi motorun torkunu tekerleklere iletir. Yardımcı batarya araç aksesuarlarına elektrik sağlar. Soğutma sistemi motor ve diğer bileşenlerin sıcaklık aralığını istenilen düzeyde korur.
Dışarıdan kabloyla şarj edilen yani plug-in beslemeli bataryalı elektrikli araçlar akaryakıta karşı düellonun başlangıcı oluyordu. Akaryakıta düelloyu kaybettirecek çevre ve iklimdi.
Elektrikli otomobillerde kullanılan elektrik motorları; doğru akım (DC) motoru, alternatif akım (AC) asenkron motor, sürekli mıknatıslı (SM) senkron motor, üç fazlı asenkron motor olabilmektedir. Motor güçleri başlangıçta 20 kW’tan başlayıp 100 kW’ın üzerine çıkarken, bugün 100-300 kW aralığı ve üzeri güç kademeleri görülmektedir. Otomobillerin tek motorlu, iki ve dört motorlu olanları vardır. Motorların beslenmesinde 120-345 V gerilim aralığı kullanılıyor. Batarya paketi, elektrik motoru ve diferansiyelli yalın sistemin yanısıra, batarya paketi ile iki veya dört motorlu diferansiyelsiz sistem de uygulanmaktadır. Batarya paketi elektrik motoru zincir dişli veya kayış kasnak hareket aktarma sistemli olanlar bile yapılmıştır. Bu araçlarda yalnızca elektrik motoru kullanıldığı için emisyonsuz oldukları gibi sessiz de çalışmaktadırlar.
Elektrikli otomobilin batarya ve batarya paketleri basit ve pahalı olanlardan çok nikel-kadmiyum (Ni-Cd), nikel-metal hidrit (Ni-MH), lityum-iyon (Li-ion) ve yaygın kullanılanı yüksek nikel içerikli lityum-iyon NMC (nikel-manganez-kobalt) bataryalardır. Lityum-iyon bataryaları NMC eklemesiyle ucuzlatılıp yaygınlaştırılmıştır. Yeni nesil araçların batarya kombinasyonlarında nikel kaçınılmaz tercih olup, bu sektörde öncülüğü yakalamış Çin’in, NMC 811 bataryası sekiz parça nikel ile birer parça manganez ve kobalt bileşiminden oluşuyor. 20 yıl önce elektrikli otomobillerin batarya kapasiteleri 15-30 kWh ve menzilleri 100-200 km arasında iken, bugün 85-100 kWh batarya kapasitesiyle 450-500 km menzil düzeyine ulaşılmıştır. Batarya şarj süreleri yavaş seçenekte 12-24 saat, hızlı şarjda ise yüzde 80 kapasite için 30-40 dakika kadardır.
BEV araçlardan sonraki aşamayı yakıt pilli elektrikli araçlar (FCEV) oluşturmaktadır. FCEV tipi aracın ana yapı üniteleri de karşılaştırmaya uygun aşağıdaki şematik resimde görülüyor. Burada yakıt pili grubu ile çekiş bataryası paketi farkının dışında benzer bileşenler yer alıyor. BEV tipindeki çekiş bataryası paketi kaldırılmış, FCEV tipinde yakıt pili (fuel cell) grubu yerleştirilmiştir. Yakıt pili elektrik üretmek için yakıt ve oksijen kullanan membranla ayrılmış elektrotlardan oluşan bir gruptur. Güç elektroniği kontrol ünitesi, elektrikli çekiş motorunun hızını ve torkunu kontrol ederek yakıt pili ve batarya paketi tarafından sağlanan elektrik akımını yönetir. Yakıt pilinden ve batarya paketinden elektrik alan çekiş motoru bazı araçlarda batarya şarj işlemini destekler. Soğutma sistemi diğer bileşenlerin yanında yakıt pilinin sıcaklık düzeyini de korur.
Yakıt pilli (FCEV) otomobilin bileşenleri. Yakıt pilli hidrojenli araç da aynı yapıda olup, aynı bileşenlerden oluşur, tek farkı yakıt tankının hidrojen tankı olmasıdır.
FCEV otomobildeki batarya paketi yüksek voltajlı bataryadır ve rejeneratif frenlemede üretilen enerjiyi depolayıp elektrikli çekiş motoruna ek güç olarak verir. Düşük voltajlı yardımcı batarya ilk harekette otomobili çalıştırmak için gerekli enerjiyi sağlamakta ve otomobilin elektrikli aksesuarlarına enerji vermektedir. Bu otomobilde elektrikli çekiş motoru yakıt pilinden ve batarya paketinden gelen elektrikle çalışan motordur. DC/DC konvertörü BEV tipi otomobilde olduğu gibi batarya paketinden gelen yüksek voltajlı DC akımı, araç aksesuarlarını çalıştırmak ve yardımcı bataryayı şarj etmek için düşük voltajlı DC akıma çevirir. Elektrikli transmisyon ünitesi de BEV tipi otomobillerle aynı olup, elektrikli çekiş motorundan gelen mekanik enerjiyi tekerleklere aktarır. Yakıt tankı kullanılan yakıtla dışarıdan doldurulan depodur, hidrojenli araçlarda hidrojen tankı olur.
Tam elektrikli bataryalı otolar popüler araçlar olarak yaygınlaşma sürecinde.
Hidrojen Yakıtlı Otomobillere Teknolojik Genel Bakış
Hidrojen yakıtlı araçlarda içten yanmalı olarak Otto (benzin) ve Wankel motorları tercih olunmaktadır. Geliştirilmiş araçlarda ise motor yerine yakıt pilleri kullanılıyor. Son teknolojik aşamalarla içten yanmalı hidrojen motorlu araçların ve hidrojen yakıt pilli elektrikli araçların geliştirilmesi 20. yüzyılın ikinci yarısında hemen hemen aynı zaman dilimi içinde olmuştur. İçten yanmalı motorlarda hidrojenin yanma hücresine sevki karbürasyon sistemiyle olanaklı olmakla birlikte tercih edilmemekte, enjektörle püskürtme yapılmakta, emme monifolduna düşük basınçla veya yüksek basınçla silindire püskürtme yöntemleri kullanılmaktadır. Silindire direkt püskürtme hidrojenin geri tutuşma tehlikesini engellemekte, motordan yüksek güç elde edilmesini de sağlamaktadır. Ateşlemede standart buji, çok deşarjlı buji, akkor buji kullanılır.
Hidrojen yakıtlı dört zamanlı alternatif hareketli pistonlu içten yanmalı motorun çalışması. Sıvı hidrojen tankından pompayla alınan yakıt genleşme hücresinde gazlaştırılıp enjektörle emme monifolduna basılmakta, dışarıdan alınan havayla karışmakta, karışım sıkıştırılmakta ve bujinin ateşlemesiyle yanarken genleşip pistonu iterek güç üretilmekte, yanma sonucu emisyonlar olarak su buharı ve azot oksitler (NOx) dışarı atılmaktadır. Bu emisyonda CO2 olmadığından hidrojen temiz yakıttır, ama NOx olması sıfır emisyon sayılmasına engeldir.
Hidrojen yanmalı dört zamanlı alternatif hareketli motorda zamanlar, benzinli Otto motorunda olduğu gibi pistonun alt ve üst ölü noktalar arasında hareketiyle aynen gerçekleşmektedir.
Hidrojen yakıtlı (Hidrojen Yanmalı) motorlar. Güney Kore Hyundai firmasının HX12 hidrojen yanmalı motoru yeni geliştirilmiş olup, 2025 yılında seri üretimi planlanmıştır. Otomobilden başka, ticari araçlara ve inşaat araçlarına uygulanması kararlaştırılmıştır. FAW motoru ise Çin’in FAW firmasının Pekin Teknoloji Enstitüsü ile işbirliği sonucu geliştirdiği yeni motordur, 120 kW/163 BG bu motor hidrojen yakıt pillerine kıyasla verimliliği düşük olsa da çok daha ucuz olması nedeniyle geliştirilmiştir. Yakıt pilleri gibi saf hidrojen de gerekmemektedir.
Sıvı hidrojeni yakıt olarak kullanan hidrojen yanmalı araçların yapılmasında General Motors ve BMW firmaları öncülük yapmışlardır. 1970’lerin sonlarında ve 1980’lerin başlarında ilk sıvı hidrojenli otomobillerin yapımından sonra bugün diğer büyük otomotiv firmaları da konu üzerinde çalışmakta. Sıvı hidrojenli araçlarda BMW firması başarılı teknolojik aşamalar kaydetmiştir. 2007’de çıkardığı BMW Hidrojen-7 otomobili örnek bir araçtır. 12 silindirli (V12) ve 6 litre strok hacimli 260 HP (194 kW) güçlü motoruyla aracın hızı 9,5 saniyede 100 km/h’ye çıkmaktaydı. Pistonlu alternatif hareketli hidrojen yanmalı motorların yanısıra hidrojen yanmalı dönü (rotary) hareketli Wankel motorlu otomobil yapımına 1991 yılından itibaren Mazda firması öncülük etti. Önce HR-X tipini piyasaya sürdü ve 2003’de de geliştirilmiş RX-8 modelini çıkardı.
Hidrojen yanmalı Wankel motorunun genel ve ana yapısının şematik görünümü,
Döner (rotary) hareketli Wankel motoru içten yanmalı motordur. Silindir bloğu yerine oval bir gövde içerisinde merkezden kaçık olarak dönebilen, kenarları yayvanlaştırılmış üçgen şeklinde döner piston da denilen, göbeğindeki iç ve dış dişli ile motorun ana miline bağlı hareket eden bir rotordan oluşur. Rotorun her bir tam devrinde dört zamanı gerçekleştiren iş oluşur. Motor çalıştığı sürece emme, sıkıştırma, yanma (güç üretimi) ve egzoz zamanları rotorun çevresinde oluşmaktadır. Wankel motorları ile çok düşük hacimlerden çok yüksek güç ele edilebilmesi önemli bir avantajıdır. Ayrıca bu motorlardaki parça sayısı pistonlu alternatif hareketli motorlara göre oldukça azdır. Dolayısıyla eşdeğer güçteki pistonlu alternatif hareketli motorun yarı ağırlığına sahiptir. Parça azlığı nedeniyle Wankel motorları çok yüksek devirlerde çalışabilmektedir.
Wankel motorunda rotorun (döner pistonun) her bir devrinde emme, sıkıştırma, yanma (güç üretme) ve egzoz zamanları yani dört zaman peş peşe gerçekleşmektedir. Alternatif hareketli klasik motorlardaki silindir sayısının yerini Wankel motorlarda rotor sayısı (2-3-4) almaktadır.
İlk kez 1963 yılında Mazda otomobile deneme amacıyla monte edilen Wankel motoru, 1968 ve sonrasında Mazda otomobillerin seri üretiminde kullanılmıştır. NSU 1964-1967, Mercedes Benz 1969-1980, Citroēn 1974-1977, Audi 1976-1977 dönemlerinde Wankel motorlu otomobil üretimi yapmıştır. Ayrıca motosikletlere ve deniz araçlarına da Wankel motoru uygulanmıştır. Wankel motorları özellikle hidrojen yakıtı için mükemmel motorlar diye bilinir. Emme ve yanma alanlarının ayrı olması, erken tutuşma tehlikesini ortadan kaldıran güvencedir. Ayrıca diğer motorlara göre daha fazla olan yüzey alanı ısıyı homojen dağıttığından sıcak noktalar oluşmaması hidrojen motoru olarak avantajı sayılmaktadır. Wankel motorunda zaman bölgelerinin ayrı oluşu, hidrojen alevinin hızına karşın sorun oluşmasını engellemektedir.
Hidrojenli otomobillerin son aşamasını yukarıda açıklandığı gibi yakıt pilli, dolayısıyla tam elektrikli (FCEV) araçlar oluşturmakta. Hidrojen yakıt pilli ilk araç General Motors tarafından 1966 yılında yapılmışken, hidrojen dışı yakıtla çalışan tam elektrikli yakıt pilli (FCEV) araç 47 yıl sonra 2013’de Hyundai tarafından yapılmıştır ve her iki aracın yapı ve bileşenlerinin birbirinin aynı, hatta özdeş yapıda oldukları yukarıda vurgulanarak açıklanmıştı. Elektrikli ve hidrojenli otomobillerin teknolojik gelişimi yakıt pili sayesinde aynı noktada kesişmiş bulunuyor. Ancak hidrojen yakıtı kullanan FCEV araçlara elektrikli araç denilmiyor, son teknolojik aşama olarak hidrojenli araç adını alıyorlar. 2017 yılında dünyada sınırlı hidrojen alt yapısı bulunurken, artık yakıt pilli hidrojenli otomobillerin ve hidrojen yakıt istasyonlarının sayısının arttığı görülüyor.
Ana elemanlarıyla hidrojen yakıt pilli (FCEV) otomobilinin şematik yapısı. Burada yakıt istasyonlarında yer almaya başlayan hidrojen (H2) pompalarından yüksek basınçlı olarak alınmaktadır. Pildeki reaksiyon için gereken oksijen (O2) havadan alınır. Reaksiyon sonucu elektrik, ısı ve emisyon olarak su (H2O) buharı ile çıkan azot oksitler egzozdan dışarı atılır.
Yakıt pilli araçların tankında hidrojen normal LPG tankına göre çok yüksek olan 700 bar (70 MPa veya 690 atm) kadar yüksek basınçta depolanmaktadır. Bu tanklar yüksek iç basınca dayanacak kadar güçlü, aynı zamanda hafif olmaktadır. Hidrojenli araçların menzili beş yıl önce 650 km olarak söyleniyordu, ama 2020 yılında California merkezli Hyperion Motors şirketinin pandemi öncesi piyasaya çıkardığı Hyperion XP-1 hidrojenli otomobilinin dolu depoyla 1016 mil (1635 km) gidebildiği açıklandı. Toyota Mirai 845 mil (1360 km) gidebiliyordu. 2022 yılında Kraftwerk ve Volkswagen şirketlerinin işbirliğiyle patent başvurusu yapılan seramik hücreli yakıt pilli otomobil bir depo hidrojenle 2000 km gidebilecek olup, testlerde 1998 km katedilmiştir. Hidrojen tankı standart akaryakıtlı araba deposu gibi birkaç dakikada doldurulabiliyor.
Araçların hidrojen tanklarının yüksek basınca dayanıklı ve hafif olmaları gerektiğinden, karbon fiber takviyeli polimer liflerle destekli kompozit malzemeden yapılırlar. Güvenlik açısından tankların araçlarda kullanılmadan önce pek çok gereklilik testinden geçmesi zorunlu. Bir araç kazasında hidrojen tankına ne olduğunu anlamak hayati önem taşıyor. Yüksek basınca dayanıklı tanklardan yakıt pili ünitesine hidrojen kompozit borularla sevk edilmekte. Yakıt pillerinde yakıt olarak kullanılan saf hidrojen ile oksijen farklı bölümlerde yer alıyor ve hiçbir şekilde karışma olmuyor. Hidrojen ile oksijenin birleşmeleri bölmeler arasındaki iyon ve elektron aktarımıyla gerçekleşir. Yakıt pilinde yakıtın kimyasal enerjisi doğrudan elektrik enerjisine çevrilmektedir. Yakıt Hücresi (Fuel Cell) de denilen yakıt pilinin hiçbir hareketli parçası yoktur.
Yakıt pili çalışmalarının geçmişi 1830’lu yıllara kadar inmekteyse de ilk kullanımı 1950’li yıllarda gerçekleşmiştir. Amerika’nın Allis Chalmers firması 1951 yılında yakıt pili üzerinde çalışmalara girişmişti. 20 BG güçlü standart tarla tip bir Allis Chalmers traktörünü DC elektrik motoruyla çalıştırmak için her biri dört sıra biçimde 9 hücreli 112 ünitede birleştirilmiş 1008 adet yakıt pilli kullanılan 15 kW’lık traktörü 1958 yılında yapmıştı. Ekim 1959’da Wisconsin yakınlarında West Allis’te, yakıt olarak propan (LPG) kullanan bu yakıt pilli traktörle çekilen çift soklu pullukla bir yonca tarlası sürülmüştü. Allis Chalmers’in yakıt pilli traktörü bugün Ulusal Amerikan Tarihi Müzesi’nde bulunuyor. 1958 yılında NASA’nın uzay araçlarında kullanılan yakıt pilleri hava, kara ve deniz araçlarındaki uygulamalarla giderek yaygınlaşmıştır.
1958 yılında yapılmış yakıt pilli Allis Chalmers standart tarla traktörü.
Yakıt pilinin çalışma prensibi aşağıdaki şematik resimde görülüyor. Yakıt ile oksijenin elektrokimyasal tepkimesiyle kimyasal enerjinin direkt elektrik enerjisine dönüştüğü bir düzenektir. Elektrolizin ters reaksiyonu diye de tanımlanabilecek işlemde doğru akım (DC) elektrik üretilir. Yakıt pilinde yakıtın geçtiği anot (pozitif elektrot), oksijenin veya havanın geçtiği katot (negatif elektrot) olmaktadır. İki elektrot arasında pozitif ve negatif iyon alış-verişinin gerçekleştiği elektrolit bulunur. Önemli olan elektron alışverişi ise anotu ve katodu bağlayan iletken üzerinden gerçekleşir ki bir iletkende elektron akımı demek, elektrik akımı, yani elektrik üretimi demektir. Tepkime sonucu yakıt pilinden yakıtın cinsine bağlı emisyon, H2O buharı, atık hava ve ısı çıkışı olmaktadır. Yakıt pilinde sıcaklığın yükselmesiyle katottan geçen havanın azotu, sera gazı azot oksitlere (NOx) dönüşür.
Hidrojen yakıtlı bir yakıt pilinin elektrokimyasal çalışma prensibi.
Yakıt pillerinde temiz yakıt hidrojenin kullanılması teknik açıdan gerekir. Hidrojen dışında doğalgaz-hidrojen karşımı, doğalgaz, propan, bütan, LPG, benzin-hidrojen (benzilik hidrojen), kömür gazı, metanol, nafta, benzin, dizel yakıtı, benzin-dizel yakıtı karışımı ve sentetik yakıtlar uygun yakıt prosesörünün (işlemcinin) eklenmesiyle kullanılır. Yakıta göre yakıt pili elektrolitinin uygunluğu gerekir ve piller elektrolitine göre ayrılır. Hidrojen yakıt pillerinde polimer elektrolit, seramik elektrolit uygun olmaktadır. Çeşitli yakıt pillerinde bazik solüsyon, fosforik asit, eriyik hidroksitler, hidrojel gibi elektrolitler de görülmekle birlikte, proton geçirgen membranlı (PEM) yakıt pilleri öne çıkmaktadır. Hidrojen dışı yakıtlar kullanılınca dışarı karbondioksit de atılmaktadır. Günümüzde yakıt pilli otomobillerde büyük çoğunlukla hidrojen yakıtı kullanılıyor.
General Motors (ilk) ve Toyota (yeni) otomobillerine monte edilmiş yakıt pili üniteleri.
Yakıt pilli hidrojenli otomobiller bugün otomotiv teknolojisinin zirvesini oluşturuyor.
Temiz Yakıt Hidrojen Kullanımında Devasa Yayılım Süreci Başladı
Otomotiv endüstrisinin otomobilleri kapsamında irdelediğimiz çevre dostu temiz yakıt hidrojen kullanımı otomobillerden başka ticari araçlarda, kamyonet ve kamyonlarda, minibüs ve otobüs gibi diğer karayolu taşıtlarında da yer almaktadır. Artık akaryakıt istasyonlarında hidrojen dolumu yapacak pompaların bulunması olağan görülmektedir. Karayollarının dışında demiryolu ulaşımında hidrojenli trenlerin yaygınlaşmasında önemli adım atılmıştır. Demiryolu elektrifikasyonundan sonraki aşama hidrojen yakıt pilli hızlı tren aşaması olmuştur. Amerika, Kanada, İngiltere, Almanya, Polonya, İtalya ve çeşitli Avrupa ülkeleri ile Japonya, Güney Kore, Hindistan gibi diğer ülkelerde de hidrojen yakıt pilli hızlı tren uygulamaları ulaştırmada yer almaya başlamıştır. Hidrojen yakıt pilli gemi aşaması ise yatlardan kruvaziyer turist gemilerine dek uzanmıştır.
Akaryakıt istasyonlarında yüksek basınçlı sıvı hidrojen pompaları olağanlaşıyor.
1980’li yıllarda Ankara’da doğalgaz öncesi hava kirliliği yaşanırken, TRT Ankara Radyosu’na davetli olduğum programların birinde geleceğin ulaştırmasından, hidrojenli içten yanmalı motorların araçlara uygulanmasından söz etmiş, “Gelecek egzozundan çevre kirletici ve zehirli gaz atan araçların değil, su buharı atan araçların olacak, hatta o su buharını yoğunlaştırarak saf su olarak kullanabilecektir” demiştim. Sözlerimi dikkatle dinleyen TRT muhabiri, “Öyleyse insanlığın önünde daha nemli bir gelecek var” demişti. Hidrojenli içten yanmalı motorların yerine yakıt pilleri evrildi, gelecekte insanlık egzoz emisyonunu sıfırlayarak kurtulacak görünüyor. Artık emisyon havayı rahatlatıcı biçimde nemlendirici olacak. Çok sınırlı azot oksit emisyonu ise sera etkisi artırıcı bir rol oynayamayacak, yakıtta hidrojen çağı gelişerek yaşanacak.
Batı ve Doğu dünyasında pek çok ülke kamuoyunun temiz yakıt hidrojen kullanımıyla tanışmasına karşın, Türk kamuoyu hidrojen yakıtından habersiz. Hidrojen yakıtlı şehir içi ve şehirler arası otobüslere, hidrojen yakıt pilli trenlere binen insanlar, hidrojenli otomobil sahibi olmasalar da çağın temiz yakıtı hidrojeni tanımış oluyorlar. Türkiye’nin büyük kentleri, İstanbul, Ankara, İzmir ve turizm merkezi Antalya’da niçin belediyeler hidrojenli otobüsleri kent için hizmete koymayı akıl edemiyorlar? Bu dört kentin ana muhalefet partili belediye başkanlarının hizmetten çok siyasetle uğraşmalarından yakınan kamuoylarının, çağdaş teknolojik gelişmeleri görüp yaşama hakları yok mu? İstanbul ve Ankara Belediye Başkanları iflas eden Cumhurbaşkanı Yardımcılığı hayallerinden kurtulamadıkları için bu gibi hizmetleri herhalde düşünemezler.
Batı’dan Doğuya pek çok gelişmiş ülke kentlerinde hidrojenli otobüsler kullanılıyor ve kamuoyuna temiz hidrojen yakıtı tanıtılıyor. Türkiye’de öncülük etmeleri gereken İstanbul, Ankara, İzmir belediyeleri siyaset batağından çıkamadıkları için bu hizmeti de veremiyorlar.
Peki, belediye başkanları bu hizmeti göremiyorlar da çağdaş gelişme ve ileri teknolojiden söz eden Ulaştırma Bakanlığı, İstanbul-Ankara elektrikli hızlı tren hattını, hidrojenli yakıt pilli hızlı tren hattına dönüştürmeyi acaba niye akıl edemiyor? İngiliz, Alman ve Japon halkı kadar İstanbul ve Ankara halkı elektrikli tren yerine çağdaş teknolojinin son adımı olan hidrojen yakıt pilli hızlı trenle seyahat etme hakkına neden layık görülmüyor? Cumhuriyetin ilk yıllarında Atatürk demiryolu hatlarına önem vermişti, sonra karayollarına karşı terk edildiler. Şimdi elektrikli hızlı tren hatlarıyla geliştirilmeye çalışılıyor, ama son teknoloji elektrikli trenler değil ki! Almanya’da 2018 yılından beri yaygınlaştırılan hidrojen yakıt pilli tren kademesine geçilmişti, Türkiye geç kalmış sayılmaz, Türkiye Yüzyılı ile birlikte hidrojenli trene adım atılmalı.
Demiryollarında yakıt pilli hidrojenli hızlı tren dönemi başlamış olmasına karşın, henüz hızlı elektrikli treni yaygınlaştırmaya çalışan Türkiye, bu yeni teknolojiye adım atmakta gecikmekte. Türk halkının hidrojen yakıtını duyup öğrenebilmesi için en kısa zamanda Ankara-İstanbul hidrojenli hızlı tren uygulaması yapılarak çağdaş bir adım atılabilmeli.
Hidrojen yakıt pilli tekneler, feribotlar yapılmış, kruvaziyer turistik gemi yapımına geçilmiştir.
Otomobilde Elektrikli Hidrojenli Düellosunun Kazananı Hangisi?
Mühendislikten sonra zevkle ekonomi tahsili yaparken işletme ders kitabında yer alan bir açıklama onlarca yıla karşın hiç aklımdan çıkmadı. O açıklamada inovasyon çalışmalarıyla yenilikler bulunup teknolojik açıdan uygulanabilir duruma getirilse de “otomotiv endüstrisinde 10 yıllık yedek parça üretimi yapılıp stoklandığından, stoklar tükenmedikçe bir başka yeniliğin uygulamaya konulmayacağı” bilgisi yer alıyordu. Bu hocamızın abartarak yazdığı bir cümle miydi yoksa gerçek mi? İncelemem gerçek olduğunu gösteriyordu. 1970-1980 döneminde benzinli içten yanmalı motorları hidrojenle çalıştırma girişimi teknolojik bakımdan başarılı olsa da ekonomik açıdan rekabeti tam kazanamadığından beklemeye alınmıştı. O sıra hidrojenli yakıt pilli otomobil teknolojisi de ortaya çıkmıştı, ama aynı nedenle bekleme sürecine alındı.
Karbondioksit emisyonu global ısınmaya neden oluyor söylemleri sürse de etkisiz kalıyor, petrole dayalı akaryakıt fiyatları ve dünya petrol ticareti sürerken, hatta dolar altın-para sisteminden petrol-para sistemine dayalı biçimde değerini korurken, temiz olsa da alternatif sentetik yakıt hidrojenin yaygın kullanımını beklemek hayaldi. Ancak gelişme durdurulamaz, teknoloji önlenemez olduğundan, otomotiv sektörü yeniliklere yönelmek zorundaydı. Akaryakıtın daha yüksek verimle kullanılmasını hedef alan akaryakıtlı ve elektrikli hibrid otomobil teknolojisi uygulamaya konuldu, ama hedeflendiği gibi uzun erimli olamadı, kısa geçiş süreciyle tam elektrikli otomobillere hızla evrildi. Tam elektrikli otomobillerin evrilebileceği son nokta ise, hidrojenli otomobillerin çok daha önce ulaştığı yakıt pilli otomobiller teknolojisi oldu.
İklim değişikliğinin (global sıcaklık artışının) dünyayı tehdit edici boyutlara doğru bir trend izlemeye başlamasıyla Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi yapılması, sözleşme taraflarının periyodik konferansları, iklim değişikliğine endeksli global enerji senaryoları tüm sektörleri olduğu gibi ulaştırma sektörünü ve dolayısıyla otomotiv endüstrisini etkiledi ve yeni gelişmeleri tetikledi. Akaryakıtlı içten yanmalı motorlu araçlar döneminin sonuna ulaşıldığı varsayılarak, Avrupa Parlamentosu’nun 2035 yılında sıfır emisyonlu araçlara geçilmesi kararına böyle gelindi. Artık sektörün önünde, elektrikli araçlar ve hidrojenli araçlar gibi iki seçenek var. Aslında bu iki seçenek rekabet ortamında teknolojik olgunluğa ulaşarak bugüne gelmiş bulunuyorlar. Bu rekabette tüketici tercihlerinden çok teknolojik ve ekonomik kriterler etken oluyor.
Şu anda rekabet sürüyor gibi görünse de sonuç ortada. Tam elektrikli bataryalı elektrikli araçlara ve hidrojenli yakıt pilli elektrikli araçlara ilişkin teknolojik irdeleme, hidrojenli araçların daha avantajlı olduğunu ve düelloyu kazandıklarını göstermekte. Gelecekte hidrojenli araçların yaygınlaşması kaçınılmaz görünüyor. Şu an elektrikli araçların popüler görünmesi, sonucu değiştirici değil, ama bu popülarite nedeniyle geçiş süreci kısa olmayabilir. Burada elektriğin hidrojen karşısında konvansiyonel oluşu da etkili. Popülarite ekonomik verilerle desteklenmekte. Yakıt pilli hidrojenli araçların avantajına karşın bataryalı elektrikli araçlardan pahalı olması, tüketiciler nezdinde bataryalı araçlar lehine tercih oluşturmakta. Teknolojik gelişmenin hedefi ise ekonomik kriterleri etkilemeye yönelik olup, izafi pahalılık görünümü bir süre sonra silinecektir.
Hidrojenli araçların elektrikli araçlara göre en büyük avantajı bataryaya karşı yakıt pili ve yakıt tankı üstünlüğünden geliyor. Bataryalı elektrikli araçlarda yüksek enerji yoğunluğu, yüksek özgül güç, yüksek özgül enerji, yüksek çevrim ömrü ve ideal çalışma sıcaklığı gibi nedenlerle tercih olunan nikel içerikli lityum-iyon bataryaları veya diğer bataryalar olsun, bunların bir şarj süresi var. Dışarıdaki bir istasyonda yüzde sekseni aşamayacak bir dolum için 25-30 dakika, evinizin şebekesinden alacağınız elektrikle tam şarj etmek için 18-24 saat kadar beklemeniz gerekiyor. Oysa hidrojenli aracın yakıt tankını yakıt istasyonunda 3-5 dakika içinde dolduruyorsunuz. Araç kullanımında enerji yüklemesi ya da yakıt alımı zorunlu olduğu kadar, sürdürülebilirlik önemlidir. Üstelik elektrikli araçların batarya ağırlık yükü hidrojenli araçlarda yoktur.
Bataryalara 500- 800 bin km gibi ömür verilse de garanti süreleri için hangisi daha önce dolarsa diye 5 yıl veya 150-200 bin km verilmekte. Batarya arızalarının onarım gideri yüksek olduğu gibi, yeni batarya fiyatı araba fiyatının yarısından az olmuyor. Ekstrem bir örnek olmakla birlikte, batarya fiyatı için araba fiyatı kadar bedel talep edilebiliyor. Elektrikli araçların en zayıf halkasını hiç kuşkusuz bataryaları oluşturuyor. Bataryaların ömür sınırlamasına karşın yakıt pilleri için bilinen böyle bir ömür sınırlaması yok. Teknik olarak yakıt pilleri gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler. Bataryalı elektrikli araç (BEV) ile hidrojen veya başka yakıt kullanan yakıt pilli (FCEV) aracın batarya ve yakıt pili karşılaştırması yakıt pilinin üstünlüğünü açıkça göstermekte, hidrojenli araç öne çıkmaktadır.
Araçların fiyat karşılaştırmasına gelince, bunu sağlıklı verilerin olmadığı Türkiye iç piyasasına göre değil, dış piyasaya ve en çok rastlanan yani mod değerlere göre yapmak olanaklı olmakla birlikte, geçerliliği de tartışılabilir. Bataryalı elektrikli araçlar için 2022 fiyatlarıyla Avrupa’da 48 bin ABD doları, Uzak doğu Çin ve Güney Kore ‘de ise 10 bin ABD doları daha fazla olarak 58 bin ABD doları görülmekte. Ancak fiyatlar ülkelere göre çok değişkenlik göstermekte. Örneğin Almanya’da elektrikli otomobil yaklaşık 40 bin Euro olup, bazı araba modellerinde 65 bin Euro’ya çıkabilmekte. Hatta yeni geliştirilmiş ve özel yapılı diye 2023 fiyatıyla 164 bin ABD dolar istenebilmekte. Fiyat farklılığı elektrikli otomobil üretim ve satımının yeterince yaygınlaşmamasından, piyasanın oldu-bittilere açık ve oturmamış olmasından kaynaklanmakta.
Hidrojenli araç fiyatları elektrikli araç fiyatlarından daha pahalı. Hidrojenli araçlarda da üretimin ve satışın yaygınlaşmamış olmasının büyük etkisi var. Yakıt pilli hidrojenli araçlarda mod olarak fiyat 58 bin ABD doları çevresinde. Markalara ve modellere göre değişkenlik göstermekte. Örneğin Toyota Mirai’nin fiyatı 50 bin dolardan başlayıp 65 bin dolara kadar çıkmakta. Hyundai firmasının Nexo SUV model hidrojenli otomobilinin fiyatı 60 bin ABD doları dolaylarında. Buna karşın piyasaya yeni arz olunan BMW IX5 hidrojenli otomobilinin fiyatı Almanya’da 145 bin ABD doları iken, aynı aracın bataryalı tipinin fiyatı da 135 bin ABD doları. Gerek elektrikli ve gerekse hidrojenli otomobillerin satış fiyatları aracın özelliklerine, boyutlarına ve performansına bağlı olarak değişiklik göstermekte, yeni modellerin fiyatları ise daima çok yüksek olmakta.
Türkiye Yüzyılı İçin TOGG Otomobilleri Yakıt Pillerine Evrilmeli
1961 Haziran ayında Cumhurbaşkanı Cemal Gürsel Devlet Demiryolları (DDY) Fabrikası’na Cumhuriyet Bayramı’na yetişecek şekilde yerli otomobil yapılması talimatını ve gerekli ödeneği vermişti. Eskişehir DDY Cer Atölyesi’nde 130 günlük geceli gündüzlü çalışma sonucu Devrim adı verilen dört otomobil şasi, karoser ve kaportasından transmisyon sistemine, içten yanmalı karbüratörlü benzin motoruna dek yerli üretimle yapıldı. Motor güçleri 50 HP (37,3 kW), 60 HP (44,8 kW) ve 70 HP (52,2 KW) olarak tasarlanmıştı. 29 Ekim 1961 Bayram günü Cumhurbaşkanı Gürsel siyah renkli Devrim otomobiline TBMM önünden Anıtkabir’e gitmek üzere bindi, ama araba 100 metre sonra durdu. Çünkü aceleyle benzin ikmali yapılmamıştı. Bu basit olay “Biz yapamadık, Türkler yapamaz” algısına dönüştürüldü ve seri üretime geçilemedi.
Türkiye’yi kendi otomobilleri için pazarı olarak gören başta Almanya ve diğer otomobil ihraç eden ülkelerin engellemek istedikleri hareket yerli işbirlikçilerinin desteğiyle akamete uğruyor ve Türk mühendisliğinin başarısı Devrim tarihe gömülüyordu. 1963-1967 dönemini kapsayan Birinci Beş Yıllık Kalkınma Planı’na yerli otomobil üretimi girmiyor, montaj sanayiine zemin hazırlanıyordu. 14 Nisan 1964 tarihli Kararname ile yürürlüğe konulan “Montaj Talimatnamesi”, Türkiye’de otomotiv sanayii için yerli motor ve yerli transmisyon sistemlerinin yapımını engelliyordu. Yerli yapımına izin verilen parçalar ise şasi, karoser, kaporta, aksesuarlarla iki yüze ulaşsa da bunlarla yerli otomobil yapılamayacağı için yerli adlarla montaj sanayii otomobilleri dönemi başladı. Ne yazık ki Türkiye daha uzun yıllar Batı’nın otomobil pazarı olarak kaldı.
56 yıl sonra bu kez Cumhurbaşkanı Recep Tayyip Erdoğan 2017 yılında Türkiye Odalar ve Borsalar Birliği (TOBB) Genel Kurulu’nda işinsanlarına seslenerek “en büyük hayalinin otomobil olduğunu” açıklıyor, yerli otomobil üretiminin gerçekleşmesine önayak olmalarını istiyordu. Bu çağrı olumlu yanıt buluyor, 2018 yılında “Türkiye’nin Otomobil Girişim Grubu (TOGG)” kuruluyordu. Otomobil üretim şirketi olan TOGG’un hissedarları TOBB, Anadolu Grubu, BMC, Turkcell ve Zorlu Holding idi. TOGG Bursa Gemlik fabrikasında üretilen tam elektrikli bataryalı (BEV) otomobiller, Mart 2023’den itibaren siparişler alınarak satışa sunulmaya başlandı. 25 Nisan 2023 günü de yine Gemlik’te TOGG otomobilleri için Siro Batarya Geliştirme ve Üretim Kampüsü temel atma törenine Cumhurbaşkanı Erdoğan kendi kullandığı TOGG otomobiliyle geldi.
29 Ekim 1961 Cumhurbaşkanı Cemal Gürsel içten yanmalı benzin motorlu yerli Devrim otomobilinin içinde. Biraz sonra benzinin bitmesiyle yerli otomobil girişiminin önünün kesileceğinden habersiz mutluluk içinde. Türkiye’nin içten yanmalı motorlu otomobil girişimi ne yazık ki o gün tarihe gömülüyordu. 25 Nisan 2023 Cumhurbaşkanı Recep Tayyip Erdoğan bataryalı elektrikli TOGG otomobilinin içinde, yerli katkıyı artırmak için Batarya Üretim Kampüsü temel atma törenine TOGG aracını da test ederek mutluluk içinde geçiyor.
Cumhurbaşkanı Erdoğan TOGG’u “Devrim otomobilini yaptırmadılar, ama devrin (asrın) otomobilini yaptık” diye tanıttığından, TOGG’a “Asrın Otomobili” denildi. Oysa teknik olarak elektrikli araçlarda asrın otomobili bataryalı değil, yakıt pilli araçlar. TOGG da geçiş kademesi aracı olmakta. TOGG’un varlığı ve gelişimi sürdürülecekse, hidrojenli veya bir başka sentetik yakıtlı, ama mutlaka yakıt pilli otomobil kategorisine evrilmesi gerekmekte. Türkiye Yüzyılı’na yaraşır biçimde önümüzdeki 10 yılın sonunda yakıt pilli TOGG modelleri piyasaya çıkarılmalı. Şu an TOGG otomobillerinde yüksek nikel içerikli lityum-iyon NMC batarya paketleri kullanılıyor. Bu paketleri üreten Siro’nun Türkiye’de üretim tesisinin kurulması önemli bir adım, ama TOGG’un sadece bataryalı modellere bağlı kalması düşünülemez, yakıt pilli araç kademesine evrilmelidir.
TOGG otomobilleri bataryalı elektrikli araçlar (BEV) olarak teknolojik aşamada geçiş dönemi kademesinde kalıyor. Son aşama yakıt pilli elektrikli araçlara (FCEV) evrilmeleri gerekir.
TOGG’un beş modeli var. Piyasadaki C-Segment SUV dışında Sedan, Hatchback, B-Segment SUV ve MPV modelleri piyasaya çıkacak. Piyasadaki TOGG C-SUV modeli 160 kW (218 BG) güçte, diğerlerinde güç 160-320 kW (218-435 BG) kademelerinde açıklanıyor. TOGG otomobilleri konforlu, lüks ve bilgisayar donanımlı akıllı araçlar olarak dizayn edildiğinden beğeniliyor. Beğeninin bir başka nedeni de ilk piyasaya çıkışta yabancı emsallerine göre satış fiyatıyla kendi sınıfının en ucuzu olması. TOGG bataryaları için 8 yıl ömür ve 160 bin km’ye kadar sorunsuz çalışma güvencesi veriliyor. TOGG için kısa menzil 314 km, uzun menzil 523 km belirlenmiş. Hızlı şarjla yarım saatten kısa bir sürede bataryalar yüzde 20’den yüzde 80 doluluk seviyesine çıkabiliyor. Konut şebekesinden 24 saatlik şarjla 300 km menzile ulaşılabiliyor.
Bu “Arayış ve Gündem” makalemiz Aydınlık gazetesinin 10-11 Temmuz 2023 tarihli nüshalarında iki bölüm olarak teknik mühendislik bilgilerinden arındırılmış ve özetlenmiş biçimiyle yayınlanmıştır
http://www.ultanirplatformu.com/83-10-07-2023.html
10 TEMMUZ 2023 PAZARTESİ / ÖZGÜRLÜK MEYDANI sayfası
11 TEMMUZ 2023 SALI/ ÖZGÜRLÜK MEYDANI sayfası
https://www.aydinlik.com.tr/haber/yuzyilin-otosu-elektrikli-mi-hidrojenli-mi-duellonun-galibi-402859