Blog / Dünyada Petrolün Yerini Alacak Stratejik Ürünler: Taşınabilir Enerjiler-Piller ? 2
Dünyada Petrolün Yerini Alacak Stratejik Ürünler: Taşınabilir Enerjiler-Piller – 2
Dr. Mustafa Kemal AKGÜL / Daire Başkanı
Giriş
Değerli okuyucular, geçen sayımızda başladığımız ‘Taşınabilir Enerjiler-Piller’ konusunu bu sayımızda da sürdürmekteyiz. Yakın gelecekte fosil yakıtların yerini alacak olan taşınabilir enerjiler ve piller konusunda dünyada oldukça büyük bir araştırma-geliştirme rekabeti başlamış bulunmaktadır.
Enerji alanında dışarıya olan bağımlılıkta yaklaşık % 30 seviyelerinde olan Amerika Birleşik Devletleri’nin (ABD) 2020’li yılların sonunda da Ortadoğu petrolüne olan bağımlılığını tamamen sonlandırabileceği öngörülmektedir. Bunun iki nedeninden söz edilmektedir, birincisi üretiminin artması, ikincisi de tüketimin azalmasıdır. 2006 yılında G.W. Bush döneminde ABD’de sadece hidrojen kullanılan yakıt pillerinin geliştirilmesi için yaklaşık 1,5 milyar dolar bütçe ayrılmıştı. Obama yönetiminin aldığı “çok önemli ancak fazla bilinmeyen” kararlardan bir tanesinin de, otomobillerin daha da verimli kullanılmasına yönelik çeşitli standartların hayata geçirmesidir.
Şu anki teknolojiyle üretilen yakıt pillerinin maliyetini arttıran en önemli malzeme platinyumdur. Günümüzün hidrojen yakıt piline sahip prototip otomobillerden bazıları bu değerli ve çok pahalı metalden 80 gram taşımaktadır. Uzmanlara göre 2025 yılına kadar bu değer 2 grama kadar inebilecektir. GM´in son çalışmalarıyla ortaya çıkan yeni yakıt pili ise 30 gram platinyumdan yararlanmaktadır ve bu değerin daha da düşmesi için çalışmalar hızla devam etmektedir [1].
Yakıt pilleri diğer yandan ana enerji dağıtım yollarından uzakta yer alan küçük yerleşim merkezlerinin ihtiyaçlarını karşılamakta da kullanılmaktadır. ABD’de devletin açtığı bir yakıt pili temini ihalesinde küçük köy ölçeğindeki her bir yerleşim yeri için hidrojen yakıtlı “yakıt pilleri” için 10.000 ABD doları teklifin geldiği görülmüştür. Bu gelişmeler yakıt pillerinin yakın gelecekte daha çok ucuzlayacağını göstermektedir. Gelecek sayımızda güneş pilleri konusunda sizleri bilgilendirmeye çalışacağız.
Yakıt Pilleri Kullanımı Günümüzde Ne Kadar Yaygınlaşmakta? Yakın Gelecek İçin Öngörüler Nelerdir?
Alternatifli birçok katalizör malzeme ile birlikte hidrojenden de, yakıt pili teknolojisi ile elektrik elde edilmektedir. Geçmiş yıllarda ABD’de yakıt pillerini çeşitli yönleriyle inceleyen 200′den fazla araştırma NASA tarafından desteklenmiştir. NASA’nın önemli projeleri olan Apollo ve Space Shuttle görevlerinde güvenli olarak elektrik (ve su) sağlamış olmaları nedeniyle, yakıt pilleri uzaydaki rollerini ispatlamış bulunmaktadır.
Bu başarılar, 1960’larda, yakıt pillerinin dünyanın enerji problemlerinin tümüne çözüm olabileceği tahminlerine yol açmış ve 1970’li yıllarda çalışmalara başlanmış, 2000′li yıllarda ülkelerin enerji politikalarında önemli yer tutmaya başlamıştır.
Neden hidrojen (yakıt) pilleri?
Hidrojen enerjisi ve yakıt pilleri, saf su açığa çıkarken kullanılan elektronun enerjisidir. Ürettiği atık sadece saf sudur.
Yenilenebilir bir enerji kaynağıdır, çevreye zarar vermez. Bunun için, geleceğin çevre dostu enerji teknolojisidir.
Hidrojenden doğru akım, elektrik enerjisi üreten mekanizmadır.
Petrol kullanılan araçların jeneratörlerinde verim %15-20 arası olup, sesli ve kirli bir enerji kaynağıdır. Hidrojen pilinde ise, verim %30-40 arası olup, sessiz ve temiz bir enerji kaynağıdır.
Yakıt pili istasyonları için 20 m² lik bir alan yeterlidir (bu oran 2MW’lik bir istasyon için gerekli olan alandır). Bu durumda elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmamaktadır. Böylelikle, iletim hatlarının kısalığından dolayı, elektrik kaybı minimum seviyede olur.
Çalışma prensibini, kimya bilgisi olmayanlar için en basit bir biçimde şöyle özetleyebiliriz. Yakıt pilinde gerçekleşen dönüşüm, pil ya da akümülatördeki dönüşüm ile benzerdir. Yakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidir. Diğerlerinde ise bu dönüşüm içlerinde depolanmış enerji ile sınırlıdır. Yakıt pilinde çok sayıda hücrenin bir araya getirilmesiyle “yakıt pili yığını-fuel cell stack” denilen yapılar oluşturulmaktadır. Yakıt pili yığınları ile istenilen oranda voltaj üretebilecek bir sistem geliştirilerek değişik amaçlar için kullanılmaktadır. Bir yakıt pili yığını ve elemanlarının detaylı görünümü Şekil 1’de verilmektedir.
"Mucize Yakıt Pili" Olarak Adlandırılan Yeni Gelişmeler
Amerika Birleşik Devletleri´nde son günlerde girişimci bir bilim adamının alternatif enerji alanındaki buluşu konuşuluyor. İddialı buluş, mucidinin deyimiyle "Dünyanın enerji ihtiyacını en temiz ve ucuz şekilde karşılayacak mucize bir yakıt pili " Çalışma şekli oldukça basit... İçinde elektrik üreten ve hammaddesi kum olan plakalar bulunan pile, bir taraftan oksijen, diğer taraftan yakıt pompalanıyor. İki maddenin kimyasal reaksiyonu sonucu elektrik enerjisi ortaya çıkıyor. Buluşun sahibi, yakın gelecekte yaygınlaşarak, konutların elektrik ihtiyacını sağlayacağına inanıyor.
Pil Teknolojilerinde Son Gelişmeler
Lityum-Iyon Pillerdeki Gelişmeler [4]
Yeni bir Lityum iyon pil teknolojisi sayesinde 1,000 kat daha hızlı şarj olabilen piller üretilebilecek. ABD´nin Illinois eyaletinin Urbana-Champaign bölgesindeki Illinois Üniversitesi´nde çeşitli çalışmalarda bulunan araştırmacılar, Lityum iyon pil teknolojisini kullanarak yepyeni bir pil tasarımı ortaya çıkarmayı başardı. Teknoloji dünyasının geleceği adına büyük önem taşıyan bu soruna çözüm getirmek için faaliyetlerine başlayan araştırmacılar, rakip teknolojilerden 2,000 kat daha güçlü ve aynı zamanda 1,000 kat daha hızlı şarj olabilen bir mikropil geliştirdiklerini açıkladı.
Üç boyutlu bir mikro-mimariye sahip yeni nesil Lityum iyon pil, araştırma ekibinin Profesör Paul V. Braun öncülüğündeki bölümü tarafından geliştirilen bir katot ve anottan meydana geliyor. Kullanılan katot ve anotlar, sıradan iki boyutlu grafit anot ve lityum katottan farklı olarak bir cam yüzey üzerine farklı materyallerle birlikte yerleştiriliyor. Ortaya çıkan üç boyutlu elektrot yapısı, yüzey alanı çok daha geniş olan bir pil oluşturuyor. Böylece diğer piller ile aynı hacim alanda çok daha fazla kimyasal reaksiyon gerçekleşebiliyor, yani enerji ve güç miktarı istenilen seviyeye kolayca çıkarılabiliyor. Sonuç olarak 30 kat daha küçük, 1,000 kat daha hızlı şarj olabilen, kablosuz aygıtların sinyallerini 30 kat daha uzağa aktarabilmesini mümkün kılan bir Lityum iyon güç kaynağı meydana çıkmış oluyor. Bir mikropil boyutlarında üretimi gerçekleştirilen yeni Lityum iyon pil tasarımı, şuan daha büyük hacimlerde üretilebilirliği ve verimli seri üretim aşamasına geçiş ile alakalı testlere tabi tutuluyor.
(a) nikel iskele pil mimari ve aktif maddeler, tek bir alt-tabaka üzerinde, elektrotların kesin entegrasyonu için yapı iskelesi üzerine nikel, elektro-olduğu, tanımlayan üretim sürecinin şematik. (b) Microbattery tasarımı. Nano gözenekli microbattery elektrotlar elektriksel olarak iletken bir çift süreklilikte nikel iskele (mavi) üzerine kaplanır (kırmızı ve sarı) bir elektrolitik olarak aktif bir tabaka oluşur. Nikel iskele dış devresine bağlı olan akım toplayıcı olarak işlev görür. Bir nikel-kalay alaşımı anot (kırmızı) ve katot gibi lityumlaştırılmış manganez oksit olarak kullanılır. (sarı).
(c) Tarama elektron mikroskopi (SEM), iki nokta kapsayan birbirine kenetlenmiş elektrotların kesit. Interdigitated elektrotlar anot ve katot arasında alternatif. Ilaveler, sağ tarafta ve sol lityumlaştırılmış manganez oksit üzerinde nikel kalay ile kaplı nikel iskele ile büyütülmüş elektrotlar gösterir. Ölçek çubukları, 50 um ve 1 um ilavelerde. (d) üst bağlantı anot elektrotlar ile birbirine kenetlenmiş elektrot yukarıdan aşağıya SEM görüntüsü, alt ve orta üst üste birbirine kenetlenmiş anot ve katot elektrotlar bağlantı katot elektrotları. Ölçek çubuğu, 500 mikron.
Şekil 1. Bir Yakıt Pili Yığını ve Elemanlarının Detaylı Görünümü
Nature dergisindeki araştırmaya göre, Massachusetts Institute of Technology´den (MIT) bilim adamları tarafından (Byoungwoo Kang ve Gerbrand Ceder) geliştirilen yöntem, bütün elektrikli cihazlarda kullanılabilecek. Geliştirilen yöntemle, şu anda 6 ila 8 saatte tam şarj edilebilen bir otomobil bataryası sadece 10 dakika, cep telefonu bataryasının da 20 saniyede şarj edildiği söylendi. Bu metotla üretilen piller, elektrikli araçlarda ani hızlanmaların gerektiği durumlar için daha performanslı olacak. İki bilim adamının geliştirdiği metotda, pillerin içerisindeki bir bileşeni lityum demir fosfatla değiştirerek 20 saniyede tam şarj olabilen ve güçlerinden kaybetmeden 1000′den fazla tekrar şaj edilebilen lityum-iyon pillerinin daha küçük, daha hafif ve sadece saniyeler içinde dolmasını sağlayacak. Gelecek vaadeden bu teknolojinin üretim hakkını iki Amerikan şirketinin satın aldığı bildirilirken, yeni teknolojiyle üretilen bataryaların 2 ila 3 yıl içinde piyasaya çıkabileceği kaydediliyor.
Yeni Nesil Piller
Teknoloji bu hızla nereye gidiyor kestirmek oldukça güçleşti. Bir milimetreden daha ince, 1 gramdan daha hafif, üstelik 1,5 V gerilim verebilen bir pil. Science Daily’nin haberine göre bu pil Chemnitz Fraunhofer Elektronik Nano Sistemler (ENAS) Araştırma Ensütüsü (Prof. Dr. Reinhard Baumann yönetimindeki araştırma grubu ve Alman TU Chemnitz ve Menippos LTD şirketleri) tarafından geliştirildi. ENAS grup yöneticisi Dr. Andreas Willert “Amacımız bu pilleri çok ucuza mal ederek seri üretimine geçmesini sağlamaktır” diye belirtiyor.
Pilin karakteristikleri geleneksel pillerden önemli derecede farketmektedir. Mesela basılabilir versiyonunun ağırlığı bir gramdan ağır, kalınlığı bir milimetre bile değil ve bu nedenle de banka kartlarının içine bile yerleştirilebilir. Cıva içermez ve bundan dolayı da çevre dostudur. Gerilimi normal değerlerde 1,5V’tur. Pillerin seri bağlanması durumunda 3V, 4,5V ve 6V’a ulaşılabilir. Çinko Anot ve Mangan Katotlu bu pil farklı katmanlardan oluşmuştur. Çinko ve mangan birbirleriyle reaksiyona girer ve elektrik üretilir. Fakat anot ve katot katmanları kimyasal tepkime sırasında azar azar dağılırlar. Bu nedenle bu piller mesaj kartları gibi sınırlı ömrü olan uygulamalar veya sınırlı güç ihtiyacı olan uygulamalar için uygundur. Bu da bu pilin bir dezavantajıdır. Piller tişört ve imzalar için kullanılan yönteme benzer bir yöntem olan silk screen yöntemi kullanılarak basılır. Bu pillerin çok yakında seri üretiminin yapılarak piyasaya çıkması beklenmektedir [5].
Kısa Pil Ömründen Kurtaracak Teknolojiler
Akıllı ceplerin zayıf noktası kısa pil ömrü, bu yeni pil teknolojileriyle tarih olabilir? University of Maryland’da yeni yapılan araştırmada, bir karbon nanotüp içerisinde küçük silikon damlaları büyüterek lityum-iyon pili fazladan şarj etmenin bir yolu bulundu. Yöntem şuan amacıyla tamamlanmaktan uzak – örneğin katot ve elektrotun da bu ek şarjı kavrayabilmesi gerekiyor. Ancak bu eksiklikler giderildiğinde piller, daha yüksek bir enerji yoğunluğu sunabildiği gibi belki de 5 kat daha fazla şarj/deşarj döngüsü sunabilecek.
Bu Bölümün Hazırlanmasında Yararlanılan Kaynaklar:
1. Geleceğin Yakıtı : Hidrojen Enerjisi ve Hidrojen Yakıt Pilleri
http://bilimtrue.blogspot.com.tr/2014/01/gelecegin-yakiti-hidrojen-enerjisi-ve.html
2. http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/mucize-bir-yakit-pili-uretildi/582#ad-image-0
3. M.A. Bilginoğlu, C. Dumrul; http://journal.yasar.edu.tr/wp-content/uploads/2012/10/26_Sayi_2_makale_cuneyt_dumrul_M_Ali_bilginoglu.pdf
4. http://www.elehttp://www.teknolojioku.com/haber/yeni-nesil-piller-ile-daha-uzun-sarj-sureleri-mumkun-olacak-17239.htmlktrikce.com/yeni-nesil-piller/#ixzz30JHehw4l
5. http://www.fizikportali.com/2013/07/gelecegin-pil-teknolojisi/
6. http://www.eie.gov.tr/teknoloji/h_yakit_pilleri.aspx
7. http://ee.mam.tubitak.gov.tr/tr/ar-ge/yakit-pili-teknolojileri
8. http://www.elektrikce.com/yeni-nesil-piller/#ixzz30JHehw4l
9. http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/fig_tab/ncomms2747_F1.html
3. http://www.teknolojioku.com/haber/yeni-nesil-piller-ile-daha-uzun-sarj-sureleri-mumkun-olacak-17239.html
