Gelecekte hangi tür bataryalar rekabetçi olacak?

– Gelişmiş ülkeler karbonu azaltmak için çalışmalarını artırırken, özellikle otomotiv endüstrisinde ucuz, güvenli, yüksek performanslı ve uzun ömürlü bataryalara talep artıyor. Önümüzdeki 10 yılda bataryalarla ilgili tedarik zincirinin sorun yaşama riski var. Dünyada üretim yapan ve yatırımı devam eden batarya fabrikalarını beslemek için düşük maliyetli, işlenmesi kolay hammaddelerin kıtlığı, tedarik güvenliğine yönelik büyük tehdit var.

-Bataryadan elektrik kullanan (BEV) taşıtlara olan taleplerin daha da artarken,  işlenmiş batarya malzemelerinin kıtlığı nedeniyle önümüzdeki yıl geçici ama ciddi bir küresel batarya darlığı yaşanabilir. Bunu önlemek için batarya endüstrisinde yeni malzemeler ve pil teknolojileri geliştirilmeye çalışılıyor. Aynı zamanda küresel bir batarya geri dönüşüm endüstrisi yaratılarak darlığın sürekli bir tehdit haline gelmesini önleyecek büyük yatırımlar yapılıyor.

-Çin’in madenler ve maden işleme tesislerinin yanı sıra, batarya komponentleri ve hücrelerini üreten tedarikçiler dahil tüm küresel tedarik zincirini kontrol etmesi giderek artan bir jeopolitik sorun haline geliyor. ABD ve Avrupa ülkeleri, 2030 yılına kadar batarya tedariğinde Çin’e olan bağımlılığı azaltmaya çalışıyor. Batarya geri dönüşümüyle ilgili yatırımları sürdürülebilirlik ve jeopolitik yönleriyle destekliyor.

-Şu çok net ki döngüsel batarya ekonomisi, enerjinin fosil yakıtlardan yenilenebilir kaynaklara geçişi için kritik öneme sahip olacak. Batarya üniteleri birçok kimyasal unsuru, farklı hücre tiplerini ve alternatif teknolojileri bünyesinde bulunduruyor. Bataryanın yapısı, kimyasal enerjinin elektriğe dönüştürüldüğü bir veya daha fazla elektrokimyasal hücreden oluşan bir üniteyi oluşturuyor. Bu da bir güç kaynağı olarak kullanılıyor.

-Katı hal hücreleri, enerjiyi geleneksel hücrelerle depolamak ve boşaltmak için genellikle aynı lityum iyon bazlı kimyasal reaksiyonu kullanıyor.  Aradaki fark, anot ve katodu ayırmak için kullanılan elektrolitte ortaya çıkıyor. Geleneksel hücreler sıvı bazlı bir elektrolit kullanıyor. Bu da genellikle organik bir çözücü içinde asılı bir lityum tuzundan oluşuyor.

-Katı hal hücreleri, sıvı bazlı muadillerinden daha hafif ve daha az yer kaplar, yani paket ağırlığı azaltılabilir veya enerji kapasitesi artırılabilir. Batarya takımının kullanım ömrünü uzatmanın yanı sıra güç deşarj performansını artıracak ve potansiyel şarj hızlarını artıracak şekilde lityum dendrit oluşumuna karşı daha dayanıklı.

-Hidrojen yakıt hücreli taşıtların, faydalarına rağmen BEV taşıtlarla rekabet edebilmeleri için iyileştirilmesi gerekiyor. Hidrojen üretme maliyeti şu anda benzin üretme maliyetinden daha yüksek. Bu durum yakıt ikmalini pahalı yapıyor. Ayrıca, BEV taşıtlar için şarj noktaları hızla artarken, hidrojen yakıt hücreli taşıtları destekleyecek altyapı henüz yok. Hidrojen dolum istasyonları yaygınlaşmak ve bireysel temin edilmek için henüz çok pahalı.

-Hidrojen yakıt hücresi teknolojisi ağır ve ticari taşıtlar için avantajlı olabilir. Bataryaların ağırlığı uzun menzilli kamyonlar için uygun değil, zira ihtiyaç duyulan bataryaların ağırlığı kamyonların paralı yük ağırlığını önemli ölçüde azaltıyor. Öte yandan uzun menzilli kamyonların bilinen rotalarda çalışması halinde daha az hidrojen yakıt ikmali istasyonu ihtiyacı olabilir ve hidrojen yakıt hücresini daha avantajlı kılabilir.

Geçtiğimiz on yılda batarya endüstrisi; taşınabilir tüketici elektroniği, mobil internet, bataryadan elektrik enerjisi kullanan (BEV) taşıtlar ve yenilenebilir enerjiyi depolamaya dönük yatırımlarla birlikte büyük gelişme kaydetti.  Özellikle depolanan yenilenebilir enerjinin iklim değişikliğiyle mücadelede stratejik rolünü düşündüğümüzde, önümüzdeki on yıl içinde batarya endüstrisinin dünyanın en önemli endüstrilerinden birisi haline geleceğini söylemek yanlış olmaz.

Şimdi, https://www.globaldata.com/newsletter tarafından kısa süre önce yayınlanan bir araştırmanın yardımıyla bataryanın rekabetçi geleceğini analiz edelim.

ARTAN YATIRIMLAR İÇİN YETERLİ BATARYA VAR MI?

Dünya gelişmiş ülkeleri ekonomilerini karbondan arındırma konusunda önemli ilerlemeler kaydettikçe, özellikle otomotiv endüstrisinde ucuz, güvenli, yüksek performanslı ve uzun ömürlü bataryalara talebin artacağını görüyoruz. Sonuç olarak, önümüzdeki on yılda bataryalarla ilgili tedarik zincirinin sorun yaşama riski var. Dünyada halen üretim yapan ve yatırımı devam eden batarya fabrikalarını beslemek için düşük maliyetli, işlenmesi kolay hammaddelerin kıtlığı, tedarik güvenliğine yönelik en büyük tehdit olarak karşımızda duruyor. Ayrıca, stratejik madenlere yapılan yatırımın azalması bir yana, çevresel, sosyal ve yönetsel faktörler de yeni kapasite yatırımlarını kısıtlayabilir.

CİDDİ BİR KÜRESEL BATARYA DARLIĞI YAŞAYABİLİRİZ

Bataryadan elektrik kullanan (BEV) taşıtlara olan taleplerin daha da artmasının yanı sıra, işlenmiş batarya malzemelerinin kıtlığı nedeniyle önümüzdeki yıl geçici ama ciddi bir küresel batarya darlığı yaşayabiliriz. Bunun önüne geçebilmek için batarya endüstrisinde yeni malzemeler ve pil teknolojileri geliştirilmeye çalışılıyor. Aynı zamanda küresel bir batarya geri dönüşüm endüstrisi yaratarak bu darlığın sürekli bir tehdit haline gelmesini önleyecek büyük yatırımlar yapılıyor.

Bu arada, Çin’in madenler ve maden işleme tesislerinin yanı sıra, batarya komponentleri ve hücrelerini üreten tedarikçiler dahil tüm küresel tedarik zincirini kontrol etmesi giderek artan bir jeopolitik sorun haline geliyor. ABD ve Avrupa ülkeleri, 2030 yılına kadar batarya tedariğinde Çin’e olan bağımlılığı azaltmaya çalışıyor. Batarya geri dönüşümüyle ilgili yatırımları sürdürülebilirlik ve jeopolitik yönleriyle destekliyor. Şu çok net ki döngüsel batarya ekonomisi, enerjinin fosil yakıtlardan yenilenebilir kaynaklara geçişi için kritik öneme sahip olacak.

BATARYALARIN KİMYASI…

Batarya üniteleri birçok kimyasal unsuru, farklı hücre tiplerini ve alternatif teknolojileri bünyesinde bulunduruyor. Bataryanın yapısı, kimyasal enerjinin elektriğe dönüştürüldüğü bir veya daha fazla elektrokimyasal hücreden oluşan bir üniteyi oluşturuyor. Bu da bir güç kaynağı olarak kullanılıyor. Bataryalar, modern mobil yaşam tarzının ve elektrik enerjisi ile hareket eden taşıtların (BEV) seri üretiminde temel rol oynuyor. Sıfır karbon salımı yapan taşıtların kullandığı elektrik enerjisini depolayan hücrelerden meydana gelen güç ünitesi olarak kullanılıyor.

İki tür batarya hücresi bulunuyor: Birincil hücreler ve ikincil hücreler.

Birincil hücreler, geri dönüşü olmayan bir kimyasal reaksiyonla bir elektrik akımı üreten tek kullanımlık özelliğe sahip.

İkincil hücreler elektrik akımını tersinir bir kimyasal reaksiyonla oluşturur. Bunlar şarj edilebilir olup elektrik enerjisini depoluyorlar. Yakıt hücresi ise başka bir enerji kaynağıdır. Batarya değildir. Bataryalar, içinde bulunan kimyasalları kullanarak enerji üretir. Bir yakıt hücresi ise, elektrik üretimi için kimyasalların kaynağı olarak içinden akan sürekli, harici bir yakıt kaynağı kullanır. Sıfır karbon salımı için bu yakıt kaynağı bilindiği gibi hidrojendir.

BATARYALARIN ÖZELLİKLERİ

Bataryalar, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Bunu yaparken kimyasal enerjiyi depolar ve elektrokimyasal reaksiyon yoluyla elektrik enerjisine dönüştürürler. Bataryalarda üç ana bileşen bulunur. Bunlar: pozitif elektrot (katot), negatif elektrot (anot) ve elektrolit. İki elektrot farklı malzemelerden yapılmıştır. Elektrotlar, yarı geçirgen bir ayırıcı ile birbirinden ayrılır. Batarya bir dış hasarlardan koruyan bir mahfaza içine yerleştirilir.

Batarya bir elektrik devresine bağlandığında, bir elektrokimyasal reaksiyon meydana gelir. Elektronlar anottan katoda akar.

Her batarya hücresi sınırlı miktarda reaktif malzeme içerir. Şarjın sonunda, batarya içindeki elektrokimyasal işlemler negatif elektrota elektron vermeyi durduracak ve elektriğin akması duracaktır. Bu nedenle, bir bataryada bulunan güç sınırlıdır.

ŞEBEKE ELEKTRİĞİ GİBİ HARİCİ KAYNAKLARDAN ŞARJ EDİLEBİLİR

İkincil hücreler; güneş panelleri, rüzgâr türbinleri, taşıtın fren yapması veya şebeke elektriği gibi harici bir kaynaklardan şarj edilebilir. Yeniden şarj sırasında, elektrokimyasal reaksiyonlar tersine gerçekleşir. Hücreyi ve bileşenlerini orijinal hallerine yakın hale getirir. Bununla birlikte, batarya sertleşmesi ve iyonların anota düzenli tutunamaması (dendrit) oluşumu gibi olaylar, bataryanın sonsuz sayıda şarj olmasını engeller. Dendritler tehlikeli kısa devrelere yol açabilir, yangın tehlikesi yaratabilir. Bu sorunu çözmek için seramik ayırıcılar geliştiriliyor.

Lityum iyon (Li-ion); akıllı cihazlar (örneğin dizüstü bilgisayarlar ve akıllı telefonlar), elektrikli taşıtlar (BEV) ve yenilenebilir enerji depolaması için günümüzün dominant teknolojisidir. Daha uzun kullanım ömrüne sahip daha küçük, daha güçlü bataryalara olan talep arttıkça, tehlikeli yangınlara ve patlamalara yol açabilecek kısa devre ve aşırı ısınma probleminin çözülmesi gerekiyor. Halen bu alanda yoğun çalışmalar var.

Lİ-İYON HÜCRELERİN ENERJİ DEPOLAMA AVANTAJI

Li-iyon hücreler, belirli bir ağırlık ve hacim için kurşun asit veya NiMH bazlı bataryalardan daha fazla enerji depolayabilir. Daha hızlı şarj ve deşarj sağlar. Bu özellikler, onları ağırlığı oranında büyük enerji yoğunluğunun gerekli olduğu BEV taşıtların enerji depolaması için ideal kılar.

Lityum demir fosfat (LFP) bataryalar ise, günümüzün taşınabilir elektronik cihazlarında kullanılan başka bir batarya türüdür. LFP bataryalar, Li-ion olanlardan daha düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Dolayısıyla Li-iyon bataryalar yüksek güç isteyen elektronik aygıtlar için de tipik bir tercihtir. Bununla birlikte, LFP bataryalar minimum bozulmaya ve yüksek sıcaklıklara dirençlidir. Şarj edilmeden önce uzun süre çalışması gereken aygıtlar için uygundur. Ek olarak, LFP bataryalar tipik olarak Li-ion olanlardan daha fazla yaşam döngüsüne sahiptir. Yani, daha fazla kez şarj edilebilir ve deşarj edilebilirler. LFP bataryaların Li-ion olanlara göre en büyük avantajlarından biri güvenlik olarak nitelendirilebilir. İyileştirilmiş termal ve kimyasal stabiliteye sahiptirler.  Bu özellikleri, LFP bataryaların yüksek sıcaklıklarda çok ısınmaması, hızlı şarj veya deşarj sırasında ya da kısa devre durumunda yanmaması (alev almaması) anlamına gelir.

BEV ÜRETEN MARKALAR, TAŞITLARIN GÜVENLİ OLDUĞU GÜVENCESİNİ VERMELİ                

Ticari hayatta bulunan bataryalara nazaran ek avantajlar sağlayabilecek gelişmiş bataryalar üzerinde çalışıldığını biliyoruz. Performans avantajları deyince, daha hafif olması, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha geniş sıcaklık toleransı, daha uzun kullanım ömrü ve daha iyi güvenlik şartı aranıyor. Örneğin, Li-ion bataryalardaki sıvı elektrolit, bir çarpışma veya hücrenin yapısının bozulması gibi dış havaya maruz kaldığında inanılmaz derecede uçucu hale gelebilir. Lityum batarya yangınları özellikle şiddetli ve söndürülmesi zor kazalar olarak biliniyor. Tamamen etkisiz hale gelmesi için genellikle birkaç gün boyunca tamamen suya daldırılması gerekiyor. BEV taşıt yangınlarının diğer içten yanmalı motora sahip taşıt yangınlarından daha sık meydana geldiğini gösteren hiçbir kanıt mevcut değil. Hatta istatistiksel olarak daha az olasılık taşıdığını söyleyelim.

Bununla birlikte, BEV üreten markaların, ürettikleri taşıtların güvenli olduğuna dair kullanıcılara güvence vermesi gerekiyor. Örneğin Samsung’un Li-ion batarya yangınları çıkaran akıllı telefonu Galaxy Note 7’yi kontrolsüz şekilde piyasaya sürmesi, batarya kimyasının potansiyel tehlikelerini kullanıcının bilincine yerleştirmiş oldu. Böyle bir olumsuzluğun tekrarını hiçbir otomobil üreticisi istemez mutlaka.

KATI HAL BATARYALAR EN UYGUN SEÇENEK Mİ?

Katı hal hücreleri, enerjiyi geleneksel hücrelerle depolamak ve boşaltmak için genellikle aynı lityum iyon bazlı kimyasal reaksiyonu kullanıyor.  Aradaki fark, anot ve katodu ayırmak için kullanılan elektrolitte ortaya çıkıyor. Geleneksel hücreler sıvı bazlı bir elektrolit kullanıyor. Bu da genellikle organik bir çözücü içinde asılı bir lityum tuzundan oluşuyor. Katı hal hücreleri ise bunu genellikle seramik, polimer veya camdan yapılmış gofret inceliğinde bir katı elektrolit ile gerçekleştiriyor.

KATI ELEKTROLİTLER, SORUNLARI TAMAMEN ORTADAN KALDIRIYOR

Katı hal hücreleri, sıvı bazlı muadillerinden daha hafif ve daha az yer kaplar, yani paket ağırlığı azaltılabilir veya enerji kapasitesi artırılabilir. Batarya takımının kullanım ömrünü uzatmanın yanı sıra güç deşarj performansını artıracak ve potansiyel şarj hızlarını artıracak şekilde lityum dendrit oluşumuna karşı daha dayanıklıdırlar.

Katı hal hücrelerinin batarya güvenliği alanında sunduğu daha net avantajlar da var. Arızalı veya hasarlı lityum iyon hücrelerin neden olduğu yangınları geniş çapta biliyoruz. (Örneğin Chevrolet Bolt ve LG kaynaklı batarya yangınları). Çoğunlukla bu yangınlar, taşıt içindeki arızanın veya dış etkenli bir hasarın uçucu lityum elektrolitiğini dış havaya maruz bırakması sonucu tutuşmayla ve tüm bataryayı tahrip edebilecek bir zincirleme reaksiyon başlatmasıyla ortaya çıkıyor. Katı elektrolitler bu sorunları tamamen ortadan kaldırıyor. Delinmeleri veya dış ortamdan etkilenmeleri durumunda bile yangına ve patlamaya karşı oldukça dirençli oluyorlar.

HİÇBİR ÜRETİCİ, KATI HAL HÜCRELERİNİN SERİ ÜRETİMİNE GEÇMEDİ

Pek çok teorik faydasına rağmen, hiçbir üretici şirket henüz hafif taşıtlar için katı hal hücrelerinin seri üretimine geçmedi. Halen test aşaması içindeler. Katı elektrolit ve elektrotların tüm yüzeyleri boyunca eşit bir şekilde arayüz oluşturarak tasarlanması da dahil olmak üzere çözülmesi gereken bazı sorunlardan söz ediliyor. Zira herhangi bir çözgü hücre verimliliğini sınırlayan boşluklar yaratabilir. Ek olarak, elektrolitin kırılganlığının hücre performansını sınırlayan mikroskobik kırıklara yol açmasıyla malzeme stabilitesinin sorun yaşayacağı değerlendiriliyor.

Ayrıca, isteğe bağlı olarak katı hal batarya ünitesinin önceden 50C ile 80C arasında nispeten yüksek bir çalışma sıcaklığına kadar ısıtılması söz konusu. Bu işlemin pratikte artıları ve eksileri halen araştırılıyor.

HİDROJEN YAKIT HÜCRELERİ…

Yakıt hücreli elektrikli taşıtlar, hidrojen yakıtını bir yakıt hücresi zarından oksitleyerek güç üretiyor. Buradaki emisyon ise sadece sudur. Bu güç doğrudan elektrik motoruna gönderilebilir veya daha sonra kullanılmak üzere ayrı bir bataryada saklanabilir. Yakıt hücreli taşıtların tankını hidrojenle doldurarak içten yanmalı motora sahip taşıtlara benzer şekilde hızlı bir yakıt ikmali yapılabilir. Böylece BEV taşıtlardaki şarj için uzun süre bekleme gereği yoktur. Hidrojene doğru yönelim, kısmen döngüsel enerji ekonomisinin bir parçası olarak da algılanıyor. Burada, deniz suyundan hidrojeni almak için yenilenebilir rüzgâr veya hidroelektrik enerji kullanılıyor.

HİDROJEN DOLUM İSTASYONLARINI YAYGINLAŞTIRMAK ÇOK PAHALI

Hidrojen yakıt hücreli taşıtlar birçok potansiyel faydalarına rağmen BEV taşıtlarla rekabet edebilmeleri için iyileştirilmeye gerek duyuyorlar. Hidrojen üretme maliyeti şu anda benzin üretme maliyetinden daha yüksek. Bu durum yakıt ikmalini pahalı yapıyor. Ayrıca, BEV taşıtlar için şarj noktaları hızla artarken, hidrojen yakıt hücreli taşıtları destekleyecek altyapı henüz yok. Hidrojen dolum istasyonları yaygınlaşmak ve bireysel temin edilmek için henüz çok pahalı.

Hidrojen yakıt hücresi teknolojisi ağır ve ticari taşıtlar için avantajlı olabilir. Bataryaların ağırlığı uzun menzilli kamyonlar için uygun değil, zira ihtiyaç duyulan bataryaların ağırlığı kamyonların paralı yük ağırlığını önemli ölçüde azaltıyor. Öte yandan uzun menzilli kamyonların bilinen rotalarda çalışması halinde daha az hidrojen yakıt ikmali istasyonu ihtiyacı olabilir ve hidrojen yakıt hücresini daha avantajlı kılabilir.

Özünde, hidrojen yakıt hücresi teknolojisi uzun vadede ulaşım için muhtemel bir çözüm tercihi olarak görülüyor. Ancak, uygulamanın başlangıçta kapalı devre ulaşım yapısında olması ve ağır ticari taşıtlarla yapılması söz konusu olacak görünüyor.

İbrahim AYBAR

Vesiile A.Ş. Yönetim Kurulu Başkanı

aybar@turcomoney.com