Otomotiv sektöründe yakıt olarak hidrojen kullanılan elektrikli araçlar nasıl çalışır? Bataryalı elektrikli araçlar ya da Plug-in Hybrid araçlar bu günlerde moda. Ancak özellikle Toyota hidrojen yakıt hücreli elektrikli araçlardan vaz geçmiyor. Karbon emisyonlarının düşürülmesi, sera gazı salınımının azaltılması için dünyada elektrikli araçlara geçiş kaçınılmaz olarak görünüyor, bu günlerde sektörün genel yönelimi bu. Toyota ve BMW gibi markalara göre de  otomobil sektöründe elektrikli dönüşüm kaçınılmaz ama elektrik dönüşümünü sadece binek araçlar için düşünmemek gerekiyor.  

Dönüşüm trenler, ağır vasıtalar, gemiler ve uçaklar içinde olması gerekiyor. Taşımacılığın hepsinin toptan dönüşümünü düşünmemiz gerekiyor. Binek araçlar dışında kalan araçlar için elektrik motorlu seçenek şu anki batarya teknolojisi ile mümkün değil. Bir kamyonu uzun mesafe götürecek batarya ile o kamyonun ağırlığı kabul edilebilecek düzeyin çok üstüne çıkıyor. O yüzden elektrikli araçlar ile birlikte hidrojen yakıt hücreli araçlar üzerinde de Ar-Ge çalışması yapılıyor, çok ciddi yatırımlar devam ediyor.

BMW markası Ex5 modelinin hidrojenli türünü 2028 yılında çıkaracağını ilan etti. BMW yakıt hücresi teknolojisinde Toyota'nın Ar-Ge çalışmalarından yararlanıyor. Renault firması, Master modelinin hidrojen yakıtlı versiyonunun prototipini Hanofer taşımacılık fuarında tanıttı. Toyota, son yıllarda hidrojenli araçlar üzerine çok ciddi yatırımlar ve araştırmalar yapıyor ve bu konuda öncü firmaların başında geliyor. Toyota'nın Hilux modeli gibi birkaç tane aracının hidrojenli varyasyonları artık piyasaya sunuldu. Bu arada Bursa'da bulunan Karsan firmamız da Toyota ile ortaklaşa hidrojen yakıtlı araçlar üzerine yatırım yapacağını duyurdu. Özellikle  hidrojen ile çalışan ağır vasıta  araçların ciddi avantajları olduğu için Mercedes, Ford, Scania, İvaco, Man gibi ağır vasıta üretici firmaları hidrojenle çalışan araçlarını tanıtmaya başladılar. Bu firmaların hidrojen yakıt konusunda Ar-Ge yatırımları yoğun olarak devam ediyor.

Yakıt dönüşümü sadece otomobiller için geçerli olmayacak, taşımacılığın diğer kolları olan gemiler, uçaklar, trenler ve tekneler gibi araçlarda bu dönüşümün bir parçası olacaklar. Enerjisini hidrojenden alan tekne, uçak, tren gibi diğer taşımacılık alanlarında Ar-ge faaliyetleri yoğun şekilde  devam ediyor. Stellantis grubunun içinde yer alan Peugeot, Opel, Citroen, ve Fiat'tan oluşan firmalar hidrojenli araçlarını yavaş yavaş tanıtmaya başladı. Güney Kore'nin en büyük üreticilerinden Hyundai de hidrojenle çalışan otobüsler ve ağır vasıta araçlar üzerine yatırım yapmaya devam ediyor. Tüm büyük üretici firmalar piyasada bulunan ürünlerini çeşitlendirmek için hidrojenli araçlara yatırım yapmaya devam ediyor.

Ancak bir kafa karışıklığını gidermek gerekir. Hidrojen yanıcı bir gaz olduğu için bildiğimiz akaryakıtlı motorlarda hiçbir değişikliğe gidilmeden doğrudan yakıt olarak kullanılabilir. Ancak bizim söz konusu ettiğimiz fuel cell electric vehicles denilen Fcev yani yakıt hücreli elektrikli araç bundan tamamen farklıdır. Bu sistemde hidrojen bir ateşleme ile yakılarak enerji elde edilmez. Hidrojen sistemde elektrik üretmek için kimyasal bir tepkime ile kullanılır. Bu tepkimenin sonucunda ortaya elektrik üretimi çıkar, sistem atık olarak sadece su oluşturur ve bu su buharı egzozdan havaya verilir.

Hidrojen yakıt hücresi olarak en yaygın olarak kullanılan tür polimer elektrolit membranlı (PEM) yakıt hücresidir. Bir PEM yakıt hücresinde, bir elektrolit membran, pozitif bir elektrot (katot) ve negatif bir elektrot (anot) arasına yerleştirilir. Hidrojen depodan alınıp anoda, oksijen havadan alınıp katoda verilir. Hidrojen molekülleri, bir katalizörün yardımıyla gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucunda ayrışırlar, bu ayrışmada ortaya çıkan elektronlar harici bir devreden geçmeye zorlanır ve bu elektrik akımını oluşturur, geri kalan atık su olarak dışarıya atılır.

Yakıt hücresinin içerisinde enerji üretimi için hidrojen kullanımının en büyük nedeni evrendeki kütlenin %75'i hidrojenden oluşudur. Akaryakıt, doğalgaz, lityum az bulunur ama hidrojen evrenin %75'ini oluşturduğu için bol bulunan bir kaynaktır. Aynı zamanda kütle başına en yüksek enerjiyi veren yakıt hidrojendir ve havadan 14 kat daha hafiftir. Bu yüzden yeni yakıt türü olarak hidrojeni kullanmak çok mantıklı bir seçenektir, bütün büyük firmaların hidrojenli yakıt sistemlerinde yoğun Ar-Ge çalışması yapması bu yüzden.

Bataryalı bir elektrikli araç ile hidrojen yakıtlı elektrikli (Fcev) araçların farkı nedir? Her ikisi de hareket için elektrikli motor kullanır. Fark elektriğin sağlandığı yerde yatar. Bataryalı araçlarda elektrik dışarıdan alınır ve bataryalarda depolanarak motorda kullanılır. Halbuki hidrojen yakıtlı elektrikli araçlarda elektrik dışarıdan alınmaz araçta depolanan hidrojen elektriğe dönüştürülerek kullanılır. Bu araçlarda da küçük bir batarya bulunur, bu bataryalar araç fren yaptığında, hareket enerjisini yeniden elektrik üreterek depolamak için kullanılır. Diğer bütün enerji hidrojenden elektrik üretilerek sağlanır. Bu şekilde bataryalı araçların en büyük sorunu olan menzil kaygısı ortadan kaldırılmış olur.

Hidrojen yakıtlı elektrikli araçların hep artılarından söz ettik, bu teknolojinin eksileri yok mu? İşte geliştirilmeye çalışılan ve büyük Ar-Ge yatırımları sistemin bu eksilerini ortadan kaldırmak için yapılıyor. Bu araçlarda deponun içerisine sıkıştırılmış hidrojen gazını kullanıyoruz. İlk sorun 700 bar gibi çok yüksek  basınç ile sıkıştırılmış sıvı hidrojenin depolanmasında yatıyor. Bu depolama için karbon fiberden yapılan çok sağlam depolar kullanılıyor. Bu depoların çarpışma anında korunması ve patlamaması için gerekli sağlam yapıların kurulması gerekiyor.

Depolanan 700 bar basıncındaki sıvı hidrojenin sisteme kontrollü olarak geri verilmesi hususu en çok ar-ge yatırımı yapılan konudur. Bu yüksek basınçlı hidrojen, yakıt hücresinin içerisine kontrollü olarak yollandıktan sonra yakıtı kullanacak olan yan yana dizilmiş yüzlerce membran sisteminde elektrik üretiliyor. İşte bu sıralı membran sisteminin birbirinden ayrılması, elektrik üretimi sırasında elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında oluşun ısının soğutulması ve sistemden uzaklaştırılması çok teknik ve karmaşık yollarla yapılıyor. Motorun gücü sıralanan bu membranların sayısına bağlı, her birini güçlü bir elektrik pili olarak düşünebiliriz.

Hidrojenli araçlarda elektrik üretimi aracın içerisine alınıyor. Bunun avantajları olduğu kadar dezavantajları da var. Yakıt hücreli hidrojenli araçlardaki en önemli donanım yakıt hücreleridir. Yakıt hücrelerini daha detaylı incelersek birçok yardımcı sistemin bulunduğunu görürüz. Örneğin sistemde gelişmiş bir soğutma sistemi var, hava filtreleri var yine aynı zamanda havayı sıkıştırmak için kompresörler var. Sıkıştırılmış hidrojenin yakıt hücresine gitmesi için dayanıklı borular var. Sistemin en önemli noktası cells dediğimiz yakıt hücreleridir. Bu yakıt hücreleri yüzlerce birim hücreden oluşan bir sistem. Ne kadar fazla hücre olursa sistem o kadar fazla elektik üretebiliyor. Bu hücreler karmaşık bir sistem, Yakıt hücresinin birim yakıt hücresinin çok farklı çeşidi var. Bunlar membranın cinsine göre ya da  kullanılan yakıt cinsine göre veya çalışma sıcaklığına göre farklılaşabilir. Günümüzde otomotiv sektöründe en yaygın kullanılan tür polimer elektrot membran yakıt hücresidir.

Polimer elektrot membran yakıt hücresi basitçe şu şekilde çalışır. Yüzlercesi yana olan hücrenin içerisine yakıt olarak sıkıştırılmış hidrojeni kontrollü olarak alıyoruz. Hidrojen anotun içerisine doğru hareket ediyor membrana ulaşıyor. Membranda hidrojen elektrokimyasal reaksiyona girerek proton ve elektronlarına parçalanıyor. Protonlar membran içerisinde katot kısmına doğru hareket ediyor ama elektronlar membran içerisinden geçemediği için sistem onları elektrik akımını oluşturacak şekilde hareket ettiriyor ve bu toplanan elektronlardan elektrik enerjisi üretiliyor. Sistem membran içinde hidrojeni elektron ve protona ayırmak ve bu elektronları toplayıp elektrik akımı oluşturmak üzerine kurulu. Üretilen elektrik enerjisi, elektrik motoruna aktarılarak arabanın hareketi sağlanıyor. Sistemde elektrik enerjisi üretildikten sonra kalan kısım havadan alınan oksijen ile birleşip egzoz kısmından bildiğimiz su olarak dışarı atılıyor.

Hidrojen çeşitli elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu protonla ve elektronlara parçalanıyor, elektronlar devreyi tamamlayarak akım oluşturuyor ve elektrik enerjisi oluşturuyor. Daha sonrasında protonlarla oksijenle birleşerek su moleküllerini oluşturmuş oluyor. Bizler hidrojenin içerisindeki kimyasal enerjiyi alıyoruz. Bu kimyasal enerjiden elektrik enerjisini üretmiş oluyoruz. Kabaca bir yakıt hücresinin çalışma mantığı bu şekilde özetlenebilir. Bu sistemde birçok mühendislik detay var, kullanılan membranın çeşitleri, membranın üretim teknolojileri gibi birçok ayrıntı var. ancak sistemin bütün farkı hidrojenden elektrik enerjisi üretmek üzerine. Elektrik enerjisini ürettikten sonra sistem diğer elektrikli araçta olduğu gibi elektrik motorunun çalışmasına dayanıyor. 

Toplam Okunma Sayısı : 4374