Hidrojen yakıt hücreleri elektrikli araç bataryalarının yerini alabilir mi?

[Feneroin]

Otomotiv endüstrisinde, kara taşımacılığının geleceğinin elektrikli güç sistemleri olduğu konusunda giderek artan bir fikir birliği var. Ancak e-mobilite bir konsept olarak yeniden ortaya çıktıkça (otomotiv çağının başlangıcında içten yanmalı motorlar ve elektrikli otomobillerin bir arada var olduğunu unutmayın), elektrik motoruna nasıl elektrik sağlanacağı konusunda bir tartışma başladı. İlk seçenek, araçta yerleşik batarya paketleri kullanmak...ki bu, günümüzde açıkça en popüler seçenek. Ancak başka bir yol daha var; djdhdhdhidrojen yakıt hücreleri.

Yakıt hücresi nedir?
Mevcut pil teknolojisinin düşük enerji içeriğini fark eden bazıları farklı bir yaklaşım önerdi. Ağır ve hacimli pillere ihtiyaç duymadan, aracın içinde elektrik üretmek. Bu teknoloji aslında yeni değil, çünkü ilk olarak 60'larda NASA tarafından Ay'a yapılan Gemini ve Apollo görevlerinde elektrik üretmek için kullanıldı. Birkaç farklı yakıt hücresi türü vardır, ancak otomotiv endüstrisinde neredeyse yalnızca proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC) kullanılır.

(Honda Clarity - Yakıt Hücreli Araç)

 

Peki, bir yakıt hücresinde elektrik nasıl üretilir? Bu nispeten basit bir işlemdir. Yakıt hücresi üç ana bölümden oluşur: 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 protonlarıyla ve harici devrenin elektronlarıyla buluşur. Bu kombinasyon, aracın egzozundan atılan suyu oluşturur. İçebileceğiniz bir şeydir!

(Nafion proton değişim membranlı yakıt hücresi)

 

Hidrojen üretimi
Hidrojen, evrendeki en bol bulunan elementtir, ancak Dünya'da serbest halde bulunmaz. Bu da onu elde etmenin bir yolunu bulmamız gerektiği anlamına gelir. Şu anda hidrojen üretmenin 3+1 yolu vardır.

Gri hidrojen olarak adlandırılan bu yöntem, doğal gazın buhar dönüşümüyle üretilir. Doğal gaz, çok sıcak ve yüksek basınçlı su buharıyla bombardıman edilir. Bu reaksiyon H2 ve CO2 üretir. Bu hidrojen üretim yöntemi, en az çevre dostu olanıdır.

Mavi hidrojen, temel bir farkla gri hidrojenle büyük ölçüde aynıdır. Çıkarma işleminde karbon yakalama ve depolama teknolojileri uygulandığından, CO2'nin Dünya atmosferine girmesi engellenir.

Hidrojen üretmenin üçüncü yolu elektrolizdir. Yeşil hidrojen bu şekilde elde edilir ve bu işlem, yakıt hücresinde gerçekleşenin tam tersidir. Suyu, yapı taşları olan hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik akımı kullanır.

+1 yolu, turkuaz hidrojen olarak adlandırılan yöntemdir. Bu işlemde, doğal gaz, hidrojen ve karbon üreten erimiş metalden geçer. Bu son teknoloji umut verici görünse de henüz yaygın kullanıma hazır değil.

Mevcut yöntemler arasında yeşil hidrojen, sürdürülebilir ve çevre dostu üretim açısından en büyük potansiyele sahip, ancak bunun için gerekli elektriğin rüzgar veya güneş gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilmesi gerekiyor.

(Sürdürülebilir elektroliz yoluyla hidrojen üretimi)

 

Hidrojen durumları
Hidrojenin iki olası kullanım hali vardır: Gaz ve sıvı form. Her ikisinin de avantajları ve dezavantajları vardır.

Hidrojen, evrendeki en düşük yoğunluğa sahip element olduğundan, bir arabada kullanılabilmesi için ciddi şekilde sıkıştırılması gerekir. Mevcut uygulamalarda hidrojen 700 bara kadar sıkıştırılır. Bu çok fazla basınçtır ve bunun için özel ve pahalı tanklara ihtiyaç vardır.

Diğer alternatif ise sıvı formdur. Ancak hidrojeni sıvılaştırmak için mutlak sıfırın 20°C üzerine, yani eksi 253°C'ye soğutulması gerekir. Her iki hidrojen formunu elde etmek için de enerji kullanmamız gerektiği açıktır - ya çok yüksek sıkıştırma için ya da soğutma için.

Ancak hidrojen kullanmanın avantajı muazzamdır - 1 kg hidrojen 33,3 kWh enerji taşır. Bu, mevcut en gelişmiş pil paketinden kg başına 167 kat daha fazla enerji taşıdığı anlamına gelir!

(Toyota Mirai'nin gazlı H2 tankları polyamid ve karbon fiberden yapılmıştır)

 

Bataryalar ve Hidrojen
Peki, en çok tercih edilen yöntem hangisi? Elektriğinizi taşımak mı yoksa aracınızda üretmek mi? Otomotiv endüstrisi şu anda birkaç nedenden dolayı akü gruplarını tercih ediyor gibi görünüyor.

Öncelikle, PEMFC'nin verimliliği yaklaşık %60'tır. Doğal gazın buharla dönüştürülmesi %70, elektroliz ise %75 verimlidir. Hidrojenin sıkıştırılması yaklaşık %89, sıvılaştırılması ise yaklaşık %66 verimlidir.

Yakıt hücresi çözümü, benzinli bir içten yanmalı motorlu araçla neredeyse aynı verimliliği sunuyor. Şu anki durumda, yakıt hücrelerinin binek araçlarda hiçbir anlamı yok. Bu nedenle çoğu üretici, sınırlamalarına rağmen batarya paketi çözümünü tercih ediyor gibi görünüyor.

Ayrıca, aynı mesafe için hidrojen yakıt ikmalinin, evde bir elektrikli aracı şarj etmekten 7-8 kat daha pahalı olduğunu da belirtmek gerekir. Belki de çok yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle ağır kamyonlarda hidrojene yer vardır, ancak bunu sürdürülebilir bir şekilde üretmenin bir yolunu bulmak lazım yine de...