Hidrojen ve yakıt hücreleri, ulaşım ve diğer endüstri sektörlerinde karbon azaltımı için hayati ve hızlı büyüyen bir çözümdür.
Yıllardır yapılan Ar-Ge çalışmalarında hidrojen, ulaşım sektöründe karbon azaltımı için önemli bir kolaylaştırıcı olarak ortaya çıktı. Gaz halindeki en hafif ve en bol bulunan kimyasal element, verimli bir enerji taşıyıcısı ve pil benzeri bir depolama ortamıdır. Karbondan arındırılmış kaynaklardan üretildiğinde ve yakıt hücresi sistemlerinde kullanıldığında, hidrojen gerçekten düşük veya sıfır emisyonlu bir elektrik kaynağı olabilir.
Enerji şebekesi uzmanları, hidrojeni, rüzgar ve güneş için bir yük dengeleyici görevi görerek yenilenebilir enerjinin etkinliğini artıran değerli bir “döndürme düğmesi” olarak görüyor. Lityum pillerden 10 kat daha fazla enerji-ağırlık oranına sahip olan hidrojen yakıt hücreleri, araç mühendisleri ve müşteriler için pille elektrikli tahrike göre bazı önemli pratik avantajlar sunar. 350 veya 700 bar’lık yüksek basınçlı depolama tanklarını doldurmak için gereken süre, benzin veya dizel ile doldurmak kadar hızlıdır. GM’nin Hummer EV’sindeki 1360 kg ve Tesla’nın Class-8 Semi’sindeki tahmini 4536 kg büyük EV pil paketlerinin ağır kütlesi ile karşılaştırıldığında, benzer performansa sahip bir yakıt hücreli tahrik sistemi gerçek bir hafiflik sağlıyor.
Sektör uzmanlarına göre, yakıt hücrelerinin performansı ve verimliliği gerçekten de ticari araçlara mantıklı bir şekilde uyuyor. Amaç, zorlu bir yakıt olarak kabul edilen güvenilir ve dayanıklı ağır hizmet dizelinin yerini almaktır. Daimler, Hyundai, Kenworth (bir Toyota yakıt hücresi yığını kullanan), Nikola ve Volvo, nakliye operasyonlarında hidrojen yakıt hücreli Sınıf 8 yarı çekicilerden oluşan pilot filolara sahiptir. Yakıt hücresi gücü, orta hizmet tipi kamyon şasilerinde, otobüslerde (Çin’in öncülük ettiği yerlerde) ve GVW ölçeğinde devasa maden makinelerinde, demiryolu lokomotiflerinde ve gemilerde kendini göstermeye başlıyor. Hafif hizmet kamyonet segmentinde, şimdiye kadar akülü elektrik, temiz tahrik seçimi olmuştur. Ancak Ford, GM ve Rivian’da bu programlar üzerinde çalışan mühendisler SAE Media’ya kamyonlarının taşıma kapasitesi ve çekme işlevi olarak dört mevsim menzilinin IC motor beklentilerinin gerisinde kaldığını söylediler.
Ford Motor Co. CEO’su Jim Farley, geçen sonbaharda 2023 F-250 Super Duty kamyonlarının medya tanıtımı sırasında EV sınırlamaları ve hidrojenin faydaları hakkında pragmatik bir şekilde konuştu. Hidrojenin önemli bir segment olduğunu vurgularken muhtemelen saf elektriğe geçmeden önce hidrojen yakıt hücresine geçileceğini söyledi. CES 2023’te hidrojen depolama tankı tedarikçisi Forvia’nın CEO’su Patrick Koller, Reuters’e 2025 yılına kadar ABD’de bir yakıt hücresi alımının başlatılmasını beklediğini söyledi.
Toyota Araştırma Enstitüsü CEO’su Dr. Gill Pratt, en büyük araçları, tahrik sistemlerini ve güç jeneratörlerini elektriklendirmenin zorluğunun altını çizerek, tipik bir akülü Sınıf-8 kamyonun şarj etmek için ortalama 1 megawatt güce ihtiyaç duyacağını belirtti. Pratt, şarj olmasının da bir saat süreceğini belirtti.
Geçen yıl Toyota ve ortağı Kenworth, Toyota hidrojen yakıt hücreleriyle çalışan bir Kenworth T680 yarı traktör filosu kullanarak, normal nakliye operasyonlarındaki karşılaştırılabilir dizel motorlu kulelere eşit olan araç menzili, taşıma kapasitesi ve yakıt doldurma sürelerini gösterdi. Proje Toyota, PACCAR ve Shell tarafından desteklendi ve California Hava Kaynakları Kurulu tarafından verilen 41 milyon dolarlık bir hibe ile finanse edildi.
Talep, geliştirme, yatırım
Google’da “hidrojen, yakıt hücreleri, araçlar, otomobil üreticileri, tedarikçiler ve pazarlar”ın herhangi bir kombinasyonu ve yatırımlar, ortaklıklar ve ortak girişimler, birleşmeler ve satın almalar, araçlar, teknolojiler, hidrojen üretimi, tesis genişletmeleri ve araştırmalarla dolu ekranlar sunar. GM’nin küresel yakıt hücresi programının eski yönetici direktörü Dr. Byron McCormick, yatırım ve geliştirme açısından ivmenin süper güçlü olduğunu ve arttığını söylüyor. LANL ve GM’deki çalışmaları, bugün endüstri mühendislerine fayda sağlayan katot performansı, özgül güç, soğuk havada çalışabilirlik ve genel yığın dayanıklılığında atılımlara yol açtı.
Boston merkezli BCC Research’ün yakın tarihli bir raporu, tüm uygulamalar için küresel hidrojen yakıt hücreleri pazarının 2022’de 7,5 milyar dolardan 2027’de 19,5 milyar dolara çıkacağını ve bu dönemde %21,0 bileşik yıllık büyüme oranı (CAGR) olacağını tahmin ediyor. Ticari araç OEM’leri arasında geliştirme faaliyetleri daha yüksek bir hızda devam ederken, artan sayıda binek araç üreticisi, elektrikli araç geliştirmelerine paralel olarak hidrojen çalışmalarını hızlandırdı. Bazı analistler, EV satışları, pil kimyasındaki gelişmeler ve stratejik malzeme tedarikinin 2035 elektrifikasyon hedeflerinin altında kalması durumunda bu stratejileri bir önlem olarak görüyor.
Örneğin Honda, yakıt hücresi geliştirme konusunda (50 yılı aşkın bir süredir bu alanda olağanüstü fikri mülkiyet inşa eden) GM ile işbirliği yapıyor. Honda, 2024’te ABD’de hidrojen yakıt hücreli araç üretimine başlayacak; ilk model, yeni CR-V’yi temel alan bir plug-in hibrittir. Honda gibi çok modlu bir tahrik stratejisi izleyen BMW, 100 iX5 Hydrogen SUV’dan oluşan bir pilot filo kuruyor. Yakıt hücresi teknolojisi ve araç geliştirme, endüstri liderleri arasında yer alan Toyota ve Hyundai’de yoğun bir programla devam ediyor. GM’nin kendisi, en büyük ulaşım ve enerji üretimi kullanımları dahil olmak üzere birçok endüstri sektöründe kullanılmak üzere tasarlanmış bir dizi modüler PEM tipi yakıt pili üretmek için hareket eden Hydrotec adlı ayrı bir iş birimi oluşturmuştur.
GM’nin Global Fuel Cell organizasyonunun yönetici direktörü Charlie Freese, “Elektrifikasyon ve hidrojen yakıt hücreleri birbirini çok tamamlıyor” dedi. “Çok iyi bir pil yapmaya giden fizik ve teknolojiler, benim bir yakıt hücresi uygulamasında hibritleştirdiğim şeyle aslında daha iyi hale geliyor. İyi bir yakıt hücresi bir pili daha güçlü yapar ve bunun tersi de geçerlidir. Her birini en iyi şekilde çalıştıkları şekilde optimize edebiliriz. Onları çok büyük bir kamyon için iyi yapan şey, onları diğer uygulamalar için de iyi yapıyor.”
Piller aynı zamanda enerji geri kazanım araçları olarak hizmet ederken, Freese çalışan araçlar için çok gerçek bir sorun olduğunu belirtti. Daha büyük pillerin şarj edilmesi daha uzun sürerken, çok daha yüksek güçlü hızlı şarj cihazları gerektiriyor. Bununla birlikte pil kütlesi de yük azaltımıyla sık sık dengelenmelidir. Hidrojen de burada devreye giriyor.
OEM’lerin hidrojen yakıt hücrelerine yeniden ilgi duyması, Bosch, Schaeffler Group, Faurecia/Forvia, Mahle ve Magna gibi tedarikçilerin ve tedarikçi işbirliklerinin (son zamanlarda Freudenberg ile ZF, Symbio ile Forvia) önemli yatırımlarını ve derin iş modeli eksenlerini teşvik etti.
IC motorlarında H2
Yakıt hücreleri, araç sistemleri, hidrojen depolama ve üretim çözümlerinin geliştirilmesinde önemli bir ilerleme kaydetmiştir. Bununla birlikte birtakım zorluklar da devam etmektedir. Mühendislerin önümüzdeki birkaç yılda bunların üstesinden gelebilir. Ticari araç, sabit ve deniz dizellerinde farklı modifikasyonlarla dizel yakıtın yerine geçen IC motor yakıtı olarak hidrojen tartışmalıdır. Konsept, elektrifikasyon sorunları çözülürken kısa vadeli bir adım olarak hem dizel motor üreticilerine hem de bazı filo/ekipman operatörlerine hitap ediyor. Hidrojenli içten yanmalı motorlar çeşitli OEM’lerin odak noktası olmuştur. Özellikle Daimler (sınırlı sayıda H2 yakıtlı binek otomobil sunmuştur), Toyota ve kendi yakıt hücrelerini geliştiren ancak aynı zamanda dizel motoruyla hidrojen için büyük umut vadeden platformlardır.
Yakıt hücresi öncüsü McCormick, yakıt hücrelerinin H2 ile bu kadar iyi eşleşmesinin bir nedeni olarak, içten yanmalı motorlardan en az 2 kat daha verimli olmalarını öne sürüyor. Böylece daha zorlu yakıt depolamada kaybettiklerini verimlilikte telafi edebiliyorlar.
Foster ise bir sistem olarak bakıldığında zorluklar olduğunu söylüyor. “Bir silindire her sıvı yakıt enjeksiyonu ile gelen gerçekten yüksek enerji yoğunluğunun hidrojen ile kopyalanması çok zordur çünkü bir gaz enjekte ediyorsunuz. Mahle’nin jet ateşleyici ile sınırlamaları aşmaya çalışan devam eden çalışmasına dikkat çekti. Hidrojen aynı zamanda metalin kırılganlaşmasına da neden olur, bu nedenle ele alınması gereken bazı malzeme sorunları vardır. Engelleri küçümsemeye çalışmıyorum ama ben bunları mühendislik zorlukları olarak sınıflandırıyorum. Sonuç olarak, bir IC motorunda hidrojen kullanımını durduracak hiçbir şey yok.” şeklinde sözlerine devam ediyor.
Maliyet azaltma kampanyası
Yakıt hücresi geliştirmede çalışan mühendisler, yığının, kimyalarının ve yardımcılarının teknolojik engellerinin çoğunun aşıldığına inanıyor. Dayanıklılığı kanıtlamaya devam etmek ve maliyeti azaltmak, kaynaktan son kullanıma kadar sağlam ve dayanıklı sızdırmazlık çözümleri gibi yakın vadeli odak noktalarıdır.
Platin içermeyen katalizörler üzerinde çalışırken yenilikçiler, yakıt hücresi başına platin yüklemesini azaltmanın yollarını arıyor. Bunlardan biri, yakıt hücresi katalizörleri ve elektrolizörleri üreticisi olan Pajarito Powder’dır. Şirketin CEO’su ve kurucu ortağı Tom Stephenson, şirketin Albuquerque, New Mexico tesisine yaptığı ziyarette, Pajarito’nun amacının her bir yakıt hücresinde azalan platin miktarını daha verimli hale getirmek olduğunu açıkladı. LANL ve (Pajarito Powder teknolojisini lisanslayan) New Mexico Üniversitesi ile işbirliği içinde geliştirilen siyah katalizör tozu Pajarito, yakıt hücresi endüstrisinde değerlendirme aşamasında yer alıyor. Stephenson, şirketinin patentli teknolojisinin yakıt hücresi katalizörü maliyetlerini yarı yarıya azaltacağına inanıyor. Bir Pajarito yatırımcısı olan Hyundai, şirketin VariPore sürecini kullanacak bir katalizör üretim tesisini finanse etmeye yardım ediyor.
Maliyetler, sistemin özel uygulaması için tasarım mühendisliği yapılarak da azaltılabilir. Pratt, “Her elektrokimyasal hücrenin buna karşı bir direnci vardır, bu nedenle güç çekimi veya akım ne kadar yüksek olursa, hücre içinde meydana gelen direnç kayıpları o kadar büyük olur. Yığının verimliliği, hafif güç çekişinde zirveye ulaşır ve güç çekişi daha da arttıkça azalır. Daha yüksek verimlilik sağlamak için daha büyük bir yığın kullanabilirsiniz. Ya da daha düşük maliyetli, daha düşük kütleli ve araca daha iyi oturan daha küçük bir yığın kullanabilirsiniz, ancak platin yüklemesi artırılmadıkça verimliliği daha düşük olacaktır. Son olarak, dayanıklılığı, maliyeti etkileyen tasarımın farklı yönleriyle değiştirebiliriz.” diye açıkladı.
Uzmanlar, yakıt hücrelerinin sistemi optimize etmek için birçok “döndürülecek kadran” sunduğunu belirtiyor. İşletme maliyetine karşı ilk sistem satın alımında harcamak istediğiniz tutara bağlıdır.
Elektrolizörlerin rolü
Hidrojen, birincil olarak geleneksel hidrokarbonların, tipik olarak doğal gazın yeniden biçimlendirilmesiyle üretilir. Hidrojen ve oksijen gazları üretmek için bir elektrik akımının sudan geçirildiği bir süreç olan elektroliz, yenilenebilir enerji ile karbonsuz gaz üretme kabiliyeti nedeniyle hidrojen üretim pazarında pay kazanıyor. McCormick, hidrojen dekarbonize edilmiş kaynaklardan üretildiğinde, yakıt hücrelerini gerçekten sıfır emisyonlu bir elektrik kaynağı haline getirmede elektrolizörleri “ileriye giden yol” olarak adlandırıyor.
Altyapı
Hidrojenin ve sayısız yakıt hücresi uygulamasının başarılı olabilmesi için, hidrojen üretimi ve dağıtımı için sağlam bir altyapı gereklidir. Halihazırda temel bir elektrik şebekesi ile pazara girmeleri dışında EV’lerle (milyarlarca devlet desteği dahil) aynı senaryoya sahip. Karşılaştırıldığında ise hidrojen sıfırdan başlıyor.
McCormick, altyapı inşasının yalnızca hükümet tarafından yapılamayacağını, kabul edilebilir ve zamanında bir yatırım getirisi üretilebilmesi gerektiği söylüyor. Freese ve Pratt, her yerde bulunan ve erişilebilir bir hidrojen tedarik ağının anahtarının, intermodal demiryolu, deniz terminalleri, kamyon terminalleri, havaalanları gibi bitişik pazarlardan geliştirilen sinerjiler olduğu konusunda hemfikirdir.
McCormick, hidrojen altyapısını inşa etmeye yönelik düğüm stratejisinin, yüksek hacimli kullanım yarattığını ve bunun da yatırımın değerli olmasına yol açtığını belirtiyor. Bununla birlikte, halihazırda fon oluşturan ve ana nakliye koridorlarında bir hidrojen arzı dağıtımını yapılandıran yatırımcılara işaret ediyor.
2030’a doğru ilerleyen hidrojen ve yakıt hücresi teknolojileri, küresel karbonsuzlaştırma çözümlerinin giderek daha kritik bir parçası olacak.
