Hidrojen arabaları “halka iniyor”.
Transkript
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.