Hidrojen Yakıt Hücreli Elektrikli Araçlarda Yakıt Hücresi

Türkiye’de hidrojen ilk kez 2 Mayıs 2007 tarihli Resmi Gazete ’de Enerji Verimliliği Kanunu’nda yakıt olarak resmi belgelere girmiştir. 2011 yılında da hidrojen yakıtlı araçlara ilişkin bir yönetmelik oluşturulmuştur.

Ulaştırma ve Altyapı Bakanlığı tarafından projelerinde fosil enerji kaynaklarına alternatif bir temiz enerji yakıt olarak hidrojeni de içeren “Ulaştırmada Enerji Verimliliğinin Artırılmasına İlişkin Usul ve Esaslar Hakkında Yönetmelik” 2 Mayıs 2019 tarihinde yayımlanmıştır [1]. 2053 net sıfır karbon emisyon hedefleri kapsamında Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından “Türkiye Ulusal Enerji Planı” yayınlanmış doğal gazın karışımı ile ilgili yapılacak çalışmalarda hidrojenin payının %3,5 olacağı belirtilmiştir.

Ayrıca Cumhurbaşkanlığı Strateji ve Bütçe Başkanlığı tarafından hazırlanan 12. Kalkınma Planı (2024-2028) ve ETKB 2024-2028 Stratejik Planı çalışmalarında da yeşil hidrojen öncelikli alan olarak yer verilmiştir.

Diğer bir yandan Avrupa Birliği’nin 55’e Uyum Paketi (AB’nin 2030 ve 2050 iklim hedeflerini oluşturan İlk İklim Yasası 9 Temmuz 2021 tarihinde AB Resmî Gazetesi’nde yayımlanmıştır).

Avrupa İklim Kanunu ile yasalaşan hedefleri yerine getirebilmek amacıyla Avrupa Komisyonu tarafından 14 Temmuz 2021’de belirli yasal düzenlemeleri içeren “Fit For 55” yeşil paket düzenlemesi ortaya koyulmuştur [2].) kapsamında 2030 yılına kadar 5.6 milyon ton hidrojen üretimine ihtiyaç duyulacağı öngörülürken, açıklanan son verilere göre sadece Türkiye’deki talebin 1.5 milyon tonun üzerinde olacağı beklenmektedir.

Türkiye’de 2 Mayıs 2007 tarihli Resmi Gazetede, 5627 Sayılı Enerji Verimliliği Kanunu’nda hidrojenden alternatif bir enerji kaynağı olarak bahsedilmiştir. 2011 yılında ise hidrojen yakıtlı araçlarla ilgili olarak çıkarılan yönetmelik de hidrojene dair atılan adımlardandır [4].

Paris İklim Antlaşması ve devamında COP21’in ardından dünya üzerindeki çoğu otomobil üreticisi, petrol yerine alternatif enerji kaynaklarının kullanımına doğru rotayı kaydırmıştır. Özellikle otomotiv üretiminde öncü ülkeler 2030-2040 planlamalarında hidrojen yakıt hücreli araçların üretiminin planlandığını belirtmişlerdir [3].

Bu anlamda Türkiye’de hidrojen alanında yürütülen hidrojen çalışma ve kuruluşlara bakarsak: Birleşmiş Milletler Sınai Kalkınma Örgütü (UNIDO) liderliğinde kurulan ICHET ve ICHET ile “Yakıt Pilli Yolcu Taşıma Aracı”, “Yakıt Pilli Hibrit Scooter”, “Hidrojen Enerjili Otobüs” projeleri bunlardan bazılarıdır [4].

Tüm ulaşım sektörlerinde (deniz, hava kara) hidrojenin kullanımı ile planlanan proje ve çalışmalar gün geçtikçe önemli hale gelmektedir.

Araştırmacılar alternatif çevre dostu araçlar olarak Hidrojen Yakıt Hücreli Elektrikli Araçları (HFCEV’ler) dikkate almaktadır. HFCEV‘ler, yakıt kaynağı olarak hidrojen gazı kullanan bir elektrikli araç türüdür. Yerleşik bataryada elektrik depolayan bataryalı elektrikli araçların (BEV) aksine, HFCEV‘ler bir yakıt hücresi yığını kullanarak talep üzerine elektrik üretir [5].

Hidrojen yakıt hücreli elektrikli araçların (HFCEV’ler) gelişimi yıllar içinde ilerleme göstermiştir, ancak HFCEV‘lerin benimsenmesi ve pazara girişi bataryalı elektrikli araçlara (BEV’ler) kıyasla daha yavaş olmuştur.

HFCEV’lerin geliştirilmesindeki bazı önemli kilometre taşları ve ilerlemeler şunlardır:

1. Erken Gelişim (1960’lar-1990’lar) : Yakıt hücresi teknolojisi kavramı ilk olarak 1960’larda araştırıldı. 1990’larda otomobil üreticileri ve araştırma kurumları, geleneksel benzinle çalışan araçlara potansiyel bir alternatif olarak HFCEV’leri geliştirmeye başladı.
2. Prototipler ve Tanıtım Araçları (2000’ler): 2000’lerin başında, birkaç otomobil üreticisi HFCEV prototiplerini ve tanıtım araçlarını tanıttı. Bu araçlar, elektrikli tahrik için hidrojen yakıt hücrelerinin kullanılmasının fizibilitesini sergiledi. Bununla birlikte, teknoloji henüz başlangıç aşamasındaydı ve önemli teknik ve altyapı sorunları devam ediyordu.
3. Ticari Dağıtım (2010’lar): 2010’larda, ticari olarak temin edilebilen ilk HFCEV’ler piyasaya sürüldü. Bu araçlar geliştirilmiş performans, artırılmış sürüş menzili ve gelişmiş yakıt hücresi teknolojisi sunuyordu.
4. 4. 2020’ler, hidrojen yakıt hücreli elektrikli araçlar (HFCEV’ler) alanında daha fazla ilerleme ve gelişmeye tanık oldu. İşte bu on yıldaki bazı dikkate değer eğilimler ve ilerlemeler:

Artan Araç Modelleri

2020’ler, piyasada bulunan HFCEV modellerinin sayısında bir genişleme gördü. Otomobil üreticileri HFCEV tekliflerini iyileştirmeye ve yeni modeller sunmaya devam ettiler. Bu çeşitlilik, tüketicilere araç boyutu, özellikleri ve sürüş menzili açısından daha fazla seçenek sunmaktadır.

Geliştirilmiş Sürüş Menzili

HFCEV’ler, sınırlı menzilin ilk zorluklarından birini ele alarak sürüş menzilinde iyileştirmeler gördü. En yeni HFCEV modelleri, genellikle tek bir hidrojen deposuyla 300 mili (480 kilometre) aşan genişletilmiş sürüş menzili sunar. Bu geliştirilmiş menzil, artan kullanılabilirliğe ve sürücü güvenine katkıda bulunur.

Teknolojik Gelişmeler

Araştırma ve geliştirme çabaları, yakıt hücresi yığınlarındaki ilerlemeler, sistem verimliliği ve dayanıklılığı dahil olmak üzere yakıt hücresi teknolojisini geliştirmeye odaklanmıştır.

Bu iyileştirmeler, daha verimli ve güvenilir HFCEV’lere yol açarak maliyetleri düşürmekte ve genel performansı artırmaktadır.

Hidrojen Altyapısının Genişletilmesi

Belirli bölge ve ülkelerde hidrojen yakıt ikmali altyapısının genişletilmesine yönelik çalışmalar devam etmektedir.

Japonya, Almanya, Güney Kore ve Amerika Birleşik Devletleri’nin bazı bölümleri gibi ülkeler, hidrojen altyapı ağlarını genişletmek için önemli yatırımlar yaptı. Hidrojen yakıt ikmal istasyonlarının sayısı, genel mevcudiyet hala bölgeye göre değişmekle birlikte kademeli olarak artmaktadır.

Devlet Desteği

Hükümetler ve düzenleyici kurumlar, çeşitli yollarla HFCEV’lerin geliştirilmesini ve benimsenmesini desteklemeye devam etmektedir.

Bu destek, hidrojenin alternatif bir yakıt olarak kullanılmasını teşvik eden finansal teşvikleri, sübvansiyonları, araştırma fonlarını ve politika çerçevelerini içerir. Bu önlemler, HFCEV pazarının büyümesini hızlandırmayı ve sürdürülebilir bir hidrojen ekonomisinin kurulmasını desteklemeyi amaçlıyor.

İşbirlikleri Ve Ortaklıklar

Otomobil üreticileri, enerji şirketleri ve hükümetler arasındaki işbirliği, HFCEV teknolojisini ve altyapısını geliştirmeye devam etmektedir. Uzmanlığı paylaşmak, araştırma ve geliştirmeye yatırım yapmak ve HFCEV’lerin yaygın olarak benimsenmesi için gerekli ekosistemi oluşturmak için ortaklıklar oluşturulmuştur. Elektrikli araçlarda hidrojenin nasıl kullanıldığı aşağıda açıklanmıştır [6]

1. Hidrojen Üretimi: Hidrojen, buhar metan reforming, elektroliz veya biyokütle gazlaştırma gibi çeşitli yöntemlerle üretilebilir. En yaygın endüstriyel yöntem, ham madde olarak doğal gazı kullanan buhar metan reformasyonudur. Bununla birlikte, yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin daha sürdürülebilir olduğu düşünülmektedir.
2. Yakıt Pili Yığını: HFCEV’ler, birden çok yakıt hücresinden oluşan bir yakıt pili yığını ile donatılmaktadır. Her yakıt hücresi arasında bir anot, bir katot ve bir elektrolit membran bulunur.

Anoda hidrojen gazı verilirken, havadaki oksijen katoda beslenir. Anotta, hidrojen molekülleri protonlara ve elektronlara ayrılır. Protonlar elektrolit zarından geçerken, elektronlar bir elektrik akımı oluşturarak harici bir devreden geçmeye zorlanır.

3. Elektrik Üretimi: Hidrojen yakıt hücresi yığını, yukarıda açıklanan kimyasal reaksiyon yoluyla elektrik ürettiğinden, aracın elektrik motoruna güç sağlar. Elektrik motoru, aracın tekerleklerini hareket ettirerek gerekli itişi sağlar.
4. Su Buharı Emisyonu: Yakıt hücresi yığınındaki kimyasal reaksiyonun yan ürünlerinden biri su buharıdır. Hidrojenin oksijenle birleşerek elektrik üretmesiyle saf su (H2O) oluşur. Bu, HFCEV‘lerin yalnızca su buharı yaydığı ve hiçbir zararlı kirletici madde yaymadığı anlamına gelir, bu da onları çevre dostu yapar.
5. Hidrojen Depolama: Hidrojen, araçta yüksek basınçlı tanklarda veya kriyojenik (aşırı düşük sıcaklıkta) depolama sistemlerinde depolanır. Bu tanklar, güvenliği sağlayacak ve depolama sırasında hidrojen kaybını en aza indirecek şekilde tasarlanmalıdır.

Hidrojen Yakıt Hücreli Elektrikli Araçların Avantajları

• Uzun Sürüş Menzili: HFCEV’ler genellikle bataryalı elektrikli araçların çoğuna kıyasla daha uzun menzillere sahiptir.
• Hızlı Yakıt İkmali: Bir hidrojenli araca yakıt ikmali yapmak, geleneksel bir benzinli araca yakıt ikmali yapmakla aynı süreyi alır, tipik olarak 3-5 dakika içinde.
• Sıfır Emisyon: HFCEV’ler sıfır egzoz emisyonu üreterek sera gazı emisyonlarını ve hava kirliliğini azaltır.
• Çok Yönlülük: Hidrojen, yenilenebilir enerji de dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan üretilebilir ve yenilenebilir enerjinin ulaşım sektörüne entegre edilmesine yardımcı olabilir.

Dezavantajları/Zorlukları

• Sınırlı Altyapı: Hidrojen yakıt ikmal istasyonlarının mevcudiyeti, özellikle belirli bölge veya ülkeler dışında şu anda sınırlıdır.
• Maliyet: Hidrojen yakıt hücreli araçların üretimi genellikle bataryalı elektrikli araçlara kıyasla daha pahalıdır. Bu maliyetin bu konudaki yatırımların artması ile rekabetçi bir fiyata geleceği düşünülmektedir.
• Hidrojen Üretimi Ve Dağıtımı: Hidrojen üretimi önemli miktarda enerji girdisi gerektirebilir ve bir hidrojen dağıtım altyapısı oluşturmak zor olabilir.

Hidrojen yakıt hücreli araçlar elektrikli hareketliliğe yaklaşımlardan biri olsa da, pil teknolojisindeki ve şarj altyapısındaki gelişmeler nedeniyle pilli elektrikli araçların (BEV’ler) daha yaygın bir şekilde benimsendiğini belirtmekte fayda var.

Bununla birlikte, özellikle ağır hizmet taşımacılığı gibi uygulamalar için hidrojen yakıt hücreli araçlar araştırılmaya ve geliştirilmeye devam etmektedir. Ayrıca [1]’de belirtilen yıl bazlı planlamalara bakıldığında tüm ulaşım araçlarında hidrojen yakıt hücreleri kullanılır duruma gelecektir.

Hidrojen yakıt hücreli elektrikli araçlar (HFCEV’ler) ile bataryalı elektrikli araçlar (BEV’ler) gibi diğer elektrikli araçlar arasındaki temel fark, enerji depolama ve güç üretim sistemlerinde yatmaktadır.

Temel Farkları Sıralayacak Olursak

1. Enerji Depolama:

• HFCEV’ler: Hidrojen gazı, araçtaki yüksek basınçlı tanklarda depolanır. Hidrojen gazı, talep üzerine elektrik üreten yakıt hücresi yığını için yakıt olarak kullanılır.
• BEV’ler: Elektrik, araçtaki şarj edilebilir pillerde depolanır. Batarya aracı hareket ettiren elektrik motoruna güç sağlar.

2. Güç Üretimi:

• HFCEV’ler: Hidrojen gazı, elektrik üretmek için yakıt hücresi yığınındaki havadaki oksijenle reaksiyona girer. Üretilen elektrik, aracın elektrik motoruna güç sağlayarak itiş gücü sağlar. Tek yan ürün su buharıdır.
• BEV’ler: Bataryalarda depolanan elektrik, doğrudan aracı çalıştıran elektrik motoruna güç sağlar. Tahrik sırasında hiçbir kimyasal reaksiyon gerçekleşmez. BEV’ler egzoz emisyonu üretmez.

3. Yakıt Doldurma/Şarj Etme:

• HFCEV’ler: Bir hidrojen aracına yakıt ikmali, özel bir hidrojen yakıt ikmal istasyonunda sıkıştırılmış hidrojen gazı ile doldurmayı içerir. Yakıt ikmali işlemi, geleneksel bir benzinli araca yakıt ikmali yapmaya benzer ve tipik olarak 3-5 dakika sürer.
• BEV’ler: Bir bataryalı elektrikli aracın şarj edilmesi, aracın bir elektrik prizine veya bir şarj istasyonuna takılmasını içerir. Şarj süresi, şarj altyapısına ve bataryanın kapasitesine göre değişiklik gösterebilir. Hızlı şarj istasyonları yaklaşık 30 dakikada önemli bir şarj sağlayabilirken normal şarj birkaç saat sürebilir.

4. Sürüş Menzili:

• HFCEV’ler: Hidrojen yakıt hücreli araçlar, çoğu bataryalı elektrikli araçla karşılaştırıldığında genellikle daha uzun bir sürüş menziline sahiptir. HFCEV‘ler, yakıt ikmali gerektirmeden önce tipik olarak birkaç yüz mil yol alabilir.
• BEV’ler: Bataryalı elektrikli araçlar, sürüş menzilinde önemli ilerleme kaydetmiştir, ancak menzilleri hala genel olarak HFCEV’lerinkinden daha düşüktür. Ancak, BEV’ler aralık yeteneklerini sürekli olarak geliştirmektedir.

5. Altyapı

• HFCEV’ler: Hidrojen yakıt ikmali altyapısı, bataryalı elektrikli araçlar için şarj altyapısına kıyasla daha az kuruludur. Hidrojen yakıt ikmal istasyonları şu anda belirli bölge veya ülkelerle sınırlıdır ve bu da birçok alanda yakıt ikmal istasyonu bulmayı zorlaştırmaktadır.
• BEV’ler: Halka açık yerlerde, işyerlerinde ve evlerde şarj istasyonlarının sayısının artmasıyla, bataryalı elektrikli araçlar için şarj altyapısı genişlemektedir. Bu altyapı büyümesi, BEV’lerin daha geniş çapta benimsenmesini kolaylaştırdı.

6. Üretim ve Maliyet

• HFCEV’ler: Yakıt hücrelerinin üretimi ve hidrojen üretimi ve dağıtımı için gereken altyapı maliyetli olabilir. HFCEV’lerin üretimi genellikle BEV’lerden daha pahalıdır.
• BEV’ler: Batarya üretim maliyetleri düşüyor ve bu da daha uygun fiyatlı bataryalı elektrikli araçların ortaya çıkmasına neden oluyor. Pil üretiminin genişleyen ölçeği ve gelişen teknoloji, maliyetlerin düşürülmesine katkıda bulunmuştur.

Görüşmek dileğiyle…

Referanslar:

[1] https://enerji.gov.tr/Media/Dizin/SGB/tr/Kurumsal_Politikalar/HSP/ETKB_Hidrojen_Stratejik_Plan2023.pdf

[2] https://www.gaib.org.tr/tr/haberler/avrupa-birligi-fit-for-55-55e-uyum-paketi-aym-6-raporu-393.html

[3] https://www.hidrojenteknolojileri.org/blog/ulasim-sektoru-icin-hidrojen-ile-calisan-yakit-hucreli-elektrikli-araclar/

[4] Ersoy, G. (2022). Geleceğin Enerji Kaynağı: Yeşil Hidrojen Ekonomisi. KAYES-2022, 84.

[5] Şefkat, G., & Özel, M. A. (2022). Experimental and numerical study of energy and thermal management system for a hydrogen fuel cell-battery hybrid electric vehicle. Energy, 238, 121794.

[6] Pramuanjaroenkij, A., & Kakaç, S. (2023). The fuel cell electric vehicles: The highlight review. International Journal of Hydrogen Energy, 48(25), 9401-9425.

[7] Aminudin, M. A., Kamarudin, S. K., Lim, B. H., Majilan, E. H., Masdar, M. S., & Shaari, N. (2023). An overview: Current progress on hydrogen fuel cell vehicles. International Journal of Hydrogen Energy, 48(11), 4371-4388.

[8] https://www.pcmag.com/how-to/hydrogen-powered-cars-fuel-cell-electric-vehicles-explained