En temiz enerji: Yakıt pilleri

Günümüzde fosil yakıtlar hızla tükenirken benzin,dizel,kömür ve doğal gaz kullanımının yol açtığı küresel ısınma ile çevre kirliliği artıyor. Gelecek kuşaklara yaşanabilir bir Dünya bırakmayı hedefleyen Avrupa birliği ülkeleri,Türkiye,Çin ve ABD ile birlikte dünyanın en temiz teknolojilerinden biri olan yakıt pillerine odaklanıyor.

Süngersi yapısında bulunan mikro gözeneklere güvenle emdirilmiş hidrojen gazını oksijenle kontrollü bir şekilde yakan yakıt pilleri 1970’lerden bu yana uzay araçları ve denizaltılarda kullanılıyor,ancak günlük hayatta daha yeni yaygınlaşıyor.

New Tork Times Square meydanındaki Morgan Stanley genel merkezi ve diğer plazalar son 5 yılda elektrik kesintisine karşı yedek enerji sağlamak üzere yakıt pilleri kullanmaya başladı ama asıl atılım Avrupa’dan geldi.

Norveç ve Almanya’nın 2025-2030 yılları arasında fosil yakıt kullanan araçların satışının durdurulması için harekete geçmesiyle birlikte hem şebeke elektriği ile şarj olan hem de yakıt pili kullanan hibrit araçların önü açılmış oldu.

Türkiye yakıt pili geliştiriyor

Avrupa Birliği’nin Grafen Amiral Gemisi Projesi’ne Türkiye’den katılan tek kurum olan Sabancı Üniversitesi,dünyanın en gelişmiş yakıt pilinin 2023 yılında kullanıma girmesi için çalışıyor. Güneş paneliyle elektrik üretiminin Tesla elektrikli otomobillerin yaygınlaştığı bir dünyada Avrupa Birliği neden yakıt pili geliştirmeye büyük bütçe ayırıyor?

Basında sihirli malzeme olarak tanıtılan grafen,yakıt pili üretiminde neden kritik öneme sahip? Yakıt pili ile mobil cihazlarda kullanılan lityum-iyon piller arasındaki fark nedir?

Yakıt pilleri güneş enerjisinin yerini alacak mı?

Dünyada çok sayıda alternatif temiz enerji kaynağı var. İçlerinde en gelecek vaat erden iki çözüm ise güneş enerjisi ve hidrojen yakıt hücreleri;çünkü rüzgar ve dalga enerjisi için gereken büyük tesislerin tersine,bu ikisini hem konutlarda hem de taşıtlarda kullanabiliriz.

Bugün büyük bir bahçeniz yoksa ve ciddi yatırım yapmıyorsanız rüzgar gücü kullanamazsınız.Öte yandan, çatınızda güneş paneliyle veya bahçenizdeki yakıt piliyle eviniz için gereken elektriği lokal olarak çok daha ucuza üretebilirsiniz.

Bu nedenle yakıt pilini güneş enerjisi altyapısının yaygın olmadığı ülkeler ve yeterli gün ışığı elde edilmeyen durumlarda güneş panellerinin tamamlayıcısı olarak düşünmekte fayda var. Ancak,yakıt pillerini gerektiren başka faktörler de söz konusu:

Altyapı maliyetlerini optimize etmek açısından baktığımızda;tarih bize hidroelektrik ve doğal gaz santralleri gibi farklı enerji tesislerini bir arada kullanmanın ekonomik açıdan avantajlı olduğunu gösteriyor. Ayrıca yakıt pilleri birkaç kritik noktada standart lityum-iyon pillerinden daha avantajlı özelliklere sahip bulunuyor.

Ne tür avantajlar?

Öncelikle yakıt pillerini neredeyse deopaya benzin doldurur gibi hızlı şarj ediyoruz. Lityum-iyon pilleri bu kadar hızlı şarj edemezsiniz. İkincisi hidrojen yakıt hücreleri lityum-iyon pillerden ve dizel yakıtlı jeneratörlerden daha uzun ömürlü. En basitinden,hidrojen yakıt hücresi ve elektrik motoru kullanan bir otomobil,yakıt pilini tekrar doldurmaya gerek kalmadan daha uzağa gidebilir.Bu konuda hibrit araçlar salt elektrikli veya fosil yakıtlı araçlardan daha uzun menzilli.

Yakıt pillerinin lojistik avantajları da var. Örneğin,elektrik kesildiğinde jeneratör yerine duvar pili kullanabilirsiniz. Hatta gün ışığını elektriğe çeviren güneş panelleriyle duvar pillerini her gün yeniden şarj edebilirsiniz. Ancak,ister duvar pili kullanın ister güneş enerjisi santraline kaynak yapın,gündüz üretilen elektriği gece için depolamak zorundasınız.

Örneğin Tesla yılda 35 gigawatt saatlik pil üretim kapasitesine sahip Gigafactory tesisini inşa ediyor. Hatta enerji maliyetlerini düşürmek için çatısını güneş panelleriyle kaplıyor. Elbette güneş panelleri de fabrikalarda üretiliyor. Bu nedenle yakıt pillerinde kullanılan hidrojenin üretim ve dağıtım maliyeti hızla güneş enerjisiyle eşitleniyor.

Kara taşımacılığı için pratik alternatif

Şimdi bunu kamyonlar,tırlar,hatta elektrikli gemiler ve şehirlerarası yük trenleri için düşünün. Elektrikli bir yük treninin pilini şarj etmek için garda sekiz saat beklemek istemezsiniz. Öte yandan,sırf buna gerek kalmasın diye New York-Los Angeles arasına tümüyle elektrikli raylarla döşemek de pratik değil. Elektrik motorlu bir yolcu gemisinin limanda şarj olmak için kaç saat beklemek zorunda kalacağını ise düşünmek bile istemezsiniz.

Oysa yakıt pili taşıyan bir gemi inşa etmek,kamyonlarda ve yük trenlerinde yakıt pili kullanmak çok daha kolay: Bugüne dek tüm yük trenleri dizel ve elektrik motorlu hibrit araçlar olarak üretildi;ama dizel motor yerine çevreye kirletmeyen yakıt pili kullanarak daha uzağa,daha uygun maliyetlerle yük taşıyan trenler üretebiliriz. Dizel yerine hidrojen yakan yakıt pilleri çevreyi kirletmeden çok daha verimli çalışıyor.

Peki hidrojen üretmek çok maliyetli değil mi?

Eskiden hidrojen üretmek maliyetli bir süreçti;çünkü hidrojen evrende bilinen en hafif element ve Dünya gezegeninin yerçekimi atmosferde büyük miktarda serbest hidrojen tutacak kadar güçlü değil. Zaten öyle olsaydı Dünya kayalık bir gezegen yerine,Jüpiter gibi bir gaz devi olurdu.

Bununla birlikte dünyada uygun teknolojiyle ulaşılabilecek büyük bir hidrojen kaynağı var: Okyanuslar. Sonuçta okyanuslar su içeriyor ve su molekülleri iki hidrojen atomuyla bir oksijen atomundan oluşuyor. H₂O şeklinde yazdığımız su moleküllerini ayrıştırarak serbest hidrojen ve oksijen üretebiliriz.

Bu ne işe yarayacak?

Yakıt pilleri süngersi yapısına emdirilen hidrojeni oksijenle yakarak enerji üretiyor. Bunun için havadan oksijen çekmesi gerekiyor. Ancak atık olarak ne üretiyor biliyor musunuz? Su,sadece sıvı su.

Geleceğin en temiz enerji kaynaklarından biri olarak gösterilen nükleer füzyon reaktörleri bile karbondioksitten yüzde 60 daha etkili bir sera gazı olan su buharı üretecekler;ancak yakıt pilleri sadece su çıkarıyor.

Kısacası yakıt pilleri çalışırken,hidrojen üretmek için parçaladığımız suyu gezegenimize geri kazandırıyor ve bu sırada açığa çıkan oksijeni de yanma döngüsünde kullanarak atmosferdeki oksijen miktarını koruyoruz. İklim çevrimi açısından kapalı ve dengeli bir sistemden söz ediyoruz.

Yine de hidrojen üretim ve dağıtım tesisleri kurmak gerek

Elektrikli otomobiller için pil fabrikası kurmak gerektiği gibi,yakıt pilleri için de hidrojen üretim tesisleri kurmamız gerekiyor. Hatta elektrikli araçların en büyük avantajının mevcu elektrik şebekesinden yararlanmak olduğu söyleniyor. Ancak bu işin gizli bir maliyeti var. Elektrikli araçları şebeke elektriğiyle şarj ederseniz elektrik tüketimini artırmış olursunuz.

Son araştırmalara göre,Dünya 2040 yılına kadar enerji ihtiyacının yüzde 70’ini fosil yakıtlardan karşılayacak ve çevre kirliliği açısından bu büyük bir sorun ve Güneş enerjisi veya yakıt pili olmadan elektrikli otomobil kullanmanın çevre kirliliğini o kadar da azaltmadığını gösteriyor.

Hidrojeni nasıl üretiyoruz?

Artık elimizde hidrojen üretmek için birçok ucuz,teknoloji var. Bunlardan biri yukarıda anlattığım gibi elektroliz yoluyla,yani elektrik vererek su moleküllerini parçalamak ki bu aslında yakıt pilini çalıştıran elektrokimyasal reaksiyonun tam tersil! Bu yöntem için enerji maliyetlerini düşürmek amacıyla güneş enerjisi santrallerini kullanıyoruz.

Bu santraller California ve İsrail gibi ülkelerde o kadar verimli çalışıyor ki bir yandan tuzlu suyu arıtıp içme suyu üretiyor,diğer yandan tuzlu suyu artırıp içme suyu üretiyor,diğer yandan konutlara elektrik sağlıyor ve bu sırada suyun bir kısmını ayrıştırıp hidrojen depoluyor.Ancak,hidrojen üretiminde kullanılan kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için birçok verimli katalizör geliştirdik. Böylece maliyetleri daha da azalttık.

Örneğin, Fransız kimyacı Paul Sabatier tarafından 1910’larda keşfedilen Sabatier tepkimesinden yararlanarak keşfedilen Sabatier tepkimesinden yararlanarak doğal gazın ana bileşeni olan metan moleküllerini parçalayıp hidrojen üretebiliriz.

Bu yöntemler hidrojen üretmek kelimesi kelimesine sudan ucuza gelebilir. Güneş ışığının yüzde 40’ından fazlasını elektriğe dönüştüren yeni güneş panellerine rağmen hidrojen yakıt hücreleri rekabet gücünü koruyacaktır.

Telefon pilleri ile yakıt pilleri arasındaki fark nedir?

Öncelikle Türkçede yakıt pili olarak karşılasak da yakıt pillerinin tam çevirisi hidrojen yakıt hücresi ve bu detayı bilmek önemli. Sonuçta marketten satın aldığımız piller enerji üretmiyor. Bunlar enerjiyi depoluyor.

Örneğin akıllı telefon pillerini tekrar tekrar şarj edip kullanıyoruz. Yakıt pilleri de enerji üretiyor ama enerji depolamıyor. Hibrit otomobillere takılan tüplerdeki hidrojen gazını kullanarak çalışıyor.

Her ne kadar yakıt pillerini önce uzay mekikleri,denizaltılar ve nihayet hibrit otomobillerle tanımış olsak da aslında telefon pili üretmekten daha kolay. Yakıt pillerinin verimliliğini artırmak için çalışıyor. Böylece çakmak doldurur gibi hızla şarj olan,ama aynı zamanda güvenli olan mini yakıt hücrelerini mobil cihazlarda kullanabiliriz.

Yakıt pilleri nasıl çalışıyor?

Yakıt pilleri tıpkı diğer pillerde olduğu gibi katot ve anot kısımların özel bir katman aracılığıyla birbirine temas etmesiyle çalışıyor. Grafen modern yakıt pillerinin daha fazla enerji üretmesi için ara katman olarak kullanıyor. Pildeki hidrojen gazının oksijenle doğru şekilde karışmasına ve düzenli şekilde elektrik üretmesine izin veriyor.

Grafenin yakıt pillerinde son derece iletken bir elektrol olarak kullanılmasının sebebi tümüyle mikroskobik yapısıyla alakalı: Sadece tek atom kalınlığında olan grafen yakıt pilinde elektronların engellenmeden geçişini hızlandırarak elektrik tüketimini artırıyor.Ayrıca grafenin bal peteği gibi küçük altıgenlerden oluşan mikroskobik gözenekli bir yapısı bulunuyor.

Bal peteği düzeni en kısa kenarlı bir çerçeve içinde enerjiyi işe dönüştürmek için en büyük yüzey alanını sunuyor. Böylece pil içinde hidrojen ve elektron akışı hızlanıyor.Grafen kullanan en küçük yakıt pilleri bile aynı boy lityum-iyon pillerden daha fazla enerji açığa çıkarıyor.

Yakıt pilleri lityum-iyon pillerden daha güvenli mi?

Yakıt pilleri benzinli araçlar gibi içten yanmalı motorlar değil. En azından hidrojeni oksijen yoluyla yanma odasında yakmıyorsunuz. Bu sebeple kötü üretilen pillerde olduğu gibi aşırı ısınma,patlama ve yangın çıkarma riski yok. Çakmağa gaz doldurmaktan çok daha güvenli.

Yine de yakıt pillerinin enerji depolamadığını ve bu yüzden bunları lityum-iyon piller ve özellikle de lityum-hava pillerle birlikte kullanmamız gerektiğini hatırlatmalıyız. Bununla birlikte pillerde kullanılan lityum metali havayla ve suyla temas edince patlayan veya alev alan son derece reaktif bir element. Zaten bu yüzden enerji depolamakta kullanılıyor.

Lityum-iyon pillerin kaliteli olmasına çok dikkat etmek gerekiyor. Örneğin pilin anot ve katot tarafının birbirinden ayıran yaprak çok önemli. Bunu ucuz olsun diye ince üretirseniz akıllı telefondaki en ufak bir sarsıntıda delinebilir veya kendiliğinden aşınabilir. Son zamanlarda duyduğumuz pil kazası haberlerinin sebeplerinden biri bu tür üretim hataları.

Öyleyse yakıt pilinin ürettiği enerjiyi depolamak ve elektrik olarak kullanmak için daha güvenli pillere ihtiyacımız var. Ülkemizde Sabancı Üniversitesi’nde yakıt pili gibi solunum yaparak çalışan lityum-hava pilleri alanında araştırmalar yapılıyor.

Bunlar tıpkı yakıt pili ve insan vücudu gibi nefes alarak solunum yapacak. Lityumun elektrik üretmesi için gerekli oksijeni havadan çekecek. Ancak,uzun menzilli elektrikli otomobillere izin veren bu teknoloji 10 yıl sonra yaygınlaşacak.

Yakıt pilleri güneş enerjisi kadar verimli mi?

İlk bakışta öyle görünmese de evet. Gerek güneş panelleri gerekse yakıt pilleri aslında enerji üretmiyor. Bunlar enerji çevrim teknolojileri. Örneğin Dünya gezegeninde üç ana enerji kaynağı var: Jeotermal enerji,yerkabuğundaki radyoaktif elementlerin yol açtığı ısı ve güneş enerjisi.

Güneş panelleri güneş enerjisinin bir kısmı olan gün ışığını elektriğe çeviriyor. Güneş hücreleri Einste’in 100 yıl önce geliştirdiği fotoelektrik etkiyle elektrik üretiyor ve bunu doğrudan pilde depoluyor. Yakıt pili ise hidrojeni oksijenle yakarak enerji üretiyor;ama bunun için önce hidrojen üretmemiz gerekiyor.

Güneş panelleri güneş enerjisinin bir kısmı olan gün ışığını elektriğe çeviriyor. Güneş hücreleri Einstein’ın 100 yıl önce geliştirdiği fotoelektrik etkiyle elektrik üretiyor ve bunu doğrudan pilde depoluyor.Yakıt pili ise hidrojeni yakarak enerji üretiyor;ama bunun için önce hidrojen üretmemiz gerekiyor.

Besin zinciri

Özetle güneş panelinde tek bir çebrim basamağı varken yakıt pilinde en az iki çevrim basamağı var. Bunu insanların besin döngüsüne yaptığı için doğrudan güneş enerjisi kullanıyor ve bunun yüzde 70 kadarını işe dönüştürebiliyor.

Biz insanlar bitkileri yiyen besi hayvanlarından alınan eti yediğimiz zaman güneş enerjisinin sadece yüzde 20’sini kullanıyoruz. Bu sebeple ilk yakıt pilleri güneş panelleri kadar verimli değildi. Ancak elektrot,katalizör ve hidrojen üretim tekniklerindeki iyileştirme ile yakıt pillerinin verimliliğini artırmaya başladık.

Grafen Amiral Gemisi Projesi

Doç Dr. Selmiye Alkan Gürsel’in Sabancı Üniversitesi’nde yürütücüsü olduğu projede tam da buna,yani grafen elektrotlar kullanarak yakıt pili verimliliğini artırmaya odaklanılıyor.Üniversite Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 projesinin bir ayağı olan ve Avrupa Komisyonu tarafından toplam 1,2 milyar avro bütçeyle desteklenen uluslararası Grafen Amiral Gemisi Projesi bunun için katıldı.

Grafen bakırdan daha iletken bir elektrot ve yakıt pili verimliliğini artırıyor. Yoksa bu 1965 yılında geliştirilmiş bir teknoloji. Sabancı Üniversitesi’nin amacı ise günlük hayata,evlerin bodrumuna otomobilin kaputuna girmesini sağlamak.

Neden en temiz enerji?

Fosil yakıtların çevreyi kirleterek karbondioksit ve metan gibi sera gazlarıyla küresel ısınmaya yol açtığını biliyoruz. Özellikle Türkiye’de yaygın olan kurşun bazlı akülerin sebep olduğu ağır metal zehirlenmesi tehlikesi mevcut. Nükleer santraller de radyoaktif atıklara Fukuşima kazasında olduğu gibi nükleer sızıntı riskine yol açıyor. Oysa yakıt pilleri egzoz olarak sadece arı su çıkarıyor.

Fabrikalar yakıt pili kullanacak mı?

Fabrikalar en azından elektrik kesintisine karşı kullanmaya başladı bile. Aslında yakıt pilleri açısından en can alıcı nokta bu. Yukarıda dünyanın 2040 yılına kadar yüzde 70 oranında fosil yakıt kullanacağını söyledik.

Bunun en büyük sebebi ise? Fabrikalar ve enerji santralleri! 2040 yılında bazı ülkeler neredeyse tümüyle elektrikli otomobile geçmiş olacaklar.

Ancak,gemiler ve trenler dizel yakmaya devam edecek. Uçaklar kerosen ve termik santraller de zehirli kömür kullanmayı sürdürecekler. Petrolden üretilen plastiğin yerini kısmen hint kenevirinden üretilen plastikler alacak;ama bunları üreten fabrikalar büyük ölçüde fosil yakıtlardan üretilen elektriği kullanacaklar.

Öte yandan yakıt pili yaygınlaşınca termik santraller ve doğal gaz santrallerini emekliye ayırabileceğiz. Yakıt pilinde yakılan hidrojeni metan gazını parçalayarak üretebileceğimiz için,atmosfere karbondioksitten 30 kat daha etkili olan metan gazı salan kaya gazı üretiminin yol açtığı küresel ısınmanın ikinci sebebinin hayvancılık olduğunu unutmayalım.

Tezek gibi organik atıklardan üretilen metanı parçalayıp hidrojen üretmek de bir çözüm. Yakıt pilleri,özellikle güneş enerjisi üretiminin sınırlı olduğu ülkelerde ağır sanayiye büyük katkı sağlıyor.

Ayrıca endüstri 4.0 bağlamında geleceğin fabrikaları büyük ölçüde robotların çalıştığı ve içinde yöneticiler dışında çok sayıda işçi barındırmayan dijital sistemlere dönüşecek.

Bu dönüşüm önce ağır sanayide gerçekleşecek ve bu da fabrikalarda elektrik ihtiyacını büyük ölçüde artıracak. Özetle yakıt pilleri ağır sanayiyi fosil yakıt bağımlılığından kurtaracak ve güneş enerjisiyle küresel ısınmayı azaltacak.

Kaynak : hurriyet.com.tr