Elektrikli Otomobil – Yüzyıllık Mücadele
Elektrikli Otomobil ile fosil yakıtlı otomobilin mücadelesi yüz yıl önceye dayanıyor. Elektrikli otomobiller yeni bir teknoloji değil. Hatta üretilen ilk otomobiller elektrikliydi. Elektriğin otomobillerde kullanılma girişimleri 1834 yılında Thomas Davenport’un ilk ticari elektrik motorunu geliştirmesinden sonra başlamıştı. Başlangıçta elektrikli otomobiller şarj edilemeyen pillerle çalıştırılıyordu. Şarj sorunu ticarileşmenin önünde önemli bir engeldi. 1859’da Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından kurşun asit akü icat edilince bu sorunun çözümü için bir umut doğdu. Kurşun asit akülerin seri ve ucuz olarak üretilmesine 1881’de başlanması ve ilk ticari kurşun asitli elektrikli otomobilin o yıl piyasaya sürülmesi tesadüf değildi. 1881’de piyasaya sunulan ilk ticari elektrikli otomobilde toplam 20 Volt gerilimde 10 kurşun asit akü kullanılmıştı, araç saatte yaklaşık 12 km hız yapabiliyordu. İlk ticari örnekten sonra farklı modeller geliştirilmiş ve ticari başarı şansı denenmişti. Teknolojiyi yakından takip edenler için elektrikle çalışan bir otomobil fikri o zamanlar da heyecan vericiydi. Bu heyecan Yıldız sarayında da duyulmuş olmalı ki 1888’de Immisch & Company II. Abdülhamit için bir elektikli otomobil yapmış, araç Yıldız Sarayı’na getirilerek Türk mühendislerce incelenmişti. Araçta 24 kurşun asit akü kullanılmıştı.
Performansı ve menzili artırmak için sonraki ticari elektrikli otomobillerde 77 akü kullanılmaya başlandı. Bu kadar çok akü aracı ağırlaştırıyor ve aküler tarafından sağlanan enerjinin bu ağırlığın taşınması için kullanılmasına sebep oluyordu. Bu durum zaten düşük menzilli ve düşük hızlı olan elektrikli otomobilleri daha da hantal yapıyordu. Profesör Ferdinand Porsche menzil sorununu 1900 yılında Paris Dünya Fuarı’nda sergilediği ve dört yıldır üzerinde çalıştığı hibrit otomabil ile çözmeyi denedi. Paris’te sergilenen bu araç, Porsche’nin kendi ismiyle kurduğu şirketinde geliştirdiği, dünyanın ilk lüks hibrit otomobiliydi. Hibrit Otomobilde 44 akü vardı. Ortasında su soğutmalı 2,6 kW’lık iki benzin motoru bulunuyordu; bu motorların her biri birbirinden bağımsız 1,84 kW’lık elektrik üreteci olarak çalışıyordu. Her üreteç 20 Amper akımda 90 Volt gerilim sağlıyordu ve elektrik üreteçleri ters yönde çalıştırıldığında benzin motorunu başlatabiliyordu. Aracı hareket ettiren elektrik motorları ön tekerlerin göbeğine yerleştirilmişti. Üretilen elektrik önce tekerlerdeki motorlara yönlendiriliyor, fazla enerji ise akülerde depolanıyordu. Bu çözümle Prof. Porsche 200 km menzile ve saatte 35 km hıza ulaşmıştı. 1901’de Ludwig Lohner ve Prof. Ferdinand Porsche ortak üretime geçtiler ve aynı yıl bu araçtan beş tane satmayı başardılar.
1900’lü yılların ilk çeyreği petrole dayalı teknolojilerle elektriğe dayalı teknolojilerin öne geçmek için birbiriyle yarıştığı bir dönemdi. Ünlü mucit Thomas Alva Edison da yakın arkadaşı Henry Ford aracılığıyla konuya ilgi duymuştu. Ford içten yanmalı motor ile çalışan bir araç öneriyordu. Edison ise ağır kurşun asit akülerin yerine kullanılabilecek yeni ve etkin bir yol bulunabilirse elektrikli otomobillerin ticari değeri olabileceğini düşünüyordu. Bu düşünce onu yeni pil geliştirme işine sevk etti ve çözüm olabilmesi umuduyla 1912 yılında geliştirdiği nikel demir pilleri kullanarak elektrikli otomobil üretti. Edison nikel demir pilli elektrikli otomobili ile 1000 mil (yaklaşık 1600 km) yol yapmış, otomobilini ve yeni akülerini fuarlarda sergilemişti. Geliştirdiği pil, kurşun asit aküye göre daha uzun ömürlü ve daha verimliydi ancak ondan daha büyük ve daha pahalıydı. Günümüzde bu piller farklı alanlarda hâlâ kullanılıyor olsa da elektrikli otomobillerde istenen verimi sağlayamadılar ve Edison’un ön gördüğü şekilde kurşun asit akülerin yerini alamadılar.
Elektrikli otomobillerin menzil ve fiyat sorununu çözmeye çalıştığı 1900’lü yılların başında Henry Ford’un Model T ile (1908-1909) benzinli otomobillerde yakaladığı ticari başarı elektrikli otomobillerin pazardaki yarışı kaybederek 1970’li yıllardaki büyük petrol krizine kadar unutulmasına neden oldu. Büyük petrol krizi petrol bağımlılığını azaltan teknolojileri ve elektrikli otomobilleri tekrar gündeme taşıdı ama elektrikli otomobillerdeki ana sorun olduğu gibi duruyordu. Elektrikli otomobillerin ticarileşebilmesi için yüksek verimle çalışacak ekonomik akü veya pil gerekiyordu ve geçen sürede kurşun asitin yerini alabilecek etkin bir çözüm geliştirilememişti.
Elektrikli Otomobil Pil Teknolojisi
Bir elektrikli otomobil için belki de en önemli bileşen pil teknolojisidir. 1970’lerde yeniden başlayan çalışmalarda önce nikel kadmiyum (Ni-Cd) daha sonra nikel metal hidrür (Ni-MH) piller kullanılmaya başlandı. Ancak nikel temelli piller 1,2 V gibi düşük voltajlarda çalışıyordu ve enerji depolama kapasiteleri düşüktü. Yüksek hızda şarja ve deşarja etkin cevap veren Ni-Cd pillerde kullanılan kadmiyumun çevreye kötü etkileri olduğu için kullanımının sınırlanması gündemdeydi. Ni-MH ise elektrikli otomobillerin beklentisini karşılayabilecek düzeyde değildi. Ayrıca nikel pillerde “hafıza etkisi” denen ve pilleri tam boşaltmadan doldurmayı zorlaştıran bir etki görülüyordu. Tüm bu nedenlerle nikel metal hidrür tip pillerden oluşmuş batarya blokları elektrikli otomobillerden çok hibrit otomobillerde yaygın olarak kullanılırken, elektrikli otomobillere uygun olacak bir pil arama çalışmaları devam etti. Alternatif pil teknolojileri konusundaki çalışmalar, 1990’lı yıllara gelindiğinde lityum iyon pillerin ticari olarak üretilmeye başlanmasıyla yeni bir ivme kazandı. 1980’lerde lityum temelli piller Moli Energy firması tarafından piyasaya sürülmüştü. Moli Energy taşınabilir uygulamalar için bir pil geliştirmişti. 1989 yılında Japonya’daki bir firmanın cep telefonu montaj hattında lityum piller yangına sebep oldu. Uygulamadaki sıkıntıyı aşmak için, Oxford Üniversitesi’nden John Goodenough ve Koichi Mizushima tarafından 1979’da duyurulmuş olan LiCoO2 katot ve lityum anot kullanılarak geliştirilen Li-iyon pil, 1991 yılında Sony tarafından ilk ticari Liiyon pil olarak piyasaya sürüldü. Umut veren bu girişim, daha önce Moli Energy’nin ürettiği pil örneğinde olduğu gibi, patlamayla sonuçlanan bir kaza sonucunda başarısızlığa uğradı. Bir kullanıcının cep telefonu, pili nedeniyle patlayınca kullanıcının yüzü yaralandı ve araştırmalar sonucunda Sony o yıl tüm pillerini piyasadan çekmek zorunda kaldı. Lityum metali anot olarak kullanıldığında pilin kapasitesi artıyor ancak şarj esnasında oluşan kararsızlık hücrenin sıcaklığını aniden ve durdurulamaz şekilde artırıyordu. Oluşan ısı kısa bir sürede metalik lityumun erime noktasını geçerek lityumu eritiyor ve patlamaya sebep oluyordu. Bu kötü tecrübe Li-iyon pillerle ilgili güvenlik kaygılarını artırdı ama umutları tamamen yok etmedi. Yaşanan kazadan sonra lityum metalin anot olarak kullanılması risk olarak değerlendirilmeye başlandı. Ancak bu soruna da çok gecikmeden çözüm bulundu. Anotta yüksek kapasiteli lityum yerine grafit kullanılmaya başlandı. Böylece etkin ve güvenli bir pil üretilebilecekti. 2000’lere kadar olan çalışmalar güvenlik problemlerini çözmek, kullanılabilir kapasiteyi arttırmak ve maliyetleri azaltmak üzerine yoğunlaştı. Bu süre boyunca Liiyon piller mobil (dizüstü bilgisayar, cep telefon vb) uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Ama elektrikli otomobillerde kullanılabilicek bir seviyeye ulaşamadı. Günümüzde bir çok firma prototip ve kısmen ticari elektrikli araçlarında Li-iyon pil kullandığını duyuruyor. Bu pillerde kullanılan malzemeler üreticiden üreticiye farklılık gösterebiliyor. Lityum-iyon pillerde genelde %60 Nikel, %20 Kobalt, %20 Manganez kullanılıyor. Kobalt az bulunduğu ve fiyatı sürekli arttığı için yeni pillerde bu oranların değiştirilmesine yönelik çalışmalar yapılıyor. %80 Nikel, %10’ar Kobalt ve Manganez olacak şekilde geliştirilen yeni pillerin çok daha ekonomik ve çevre dostu olması hedefleniyor. Dünyada her yıl pillerde kullanıma uygun 1,4 milyon ton nikel üretilip bunun 85.000 tonu elektrikli otomobillerde kullanılıyor. Mevcut elektrikli otomobil sayısının on katına çıkması durumunda nikel üretim kapasitesinin de hızla artması gerekecek. Bu nedenle üretim kapasitesinde sorun olmayan Lityum-Demir-Fosfat (LFP) gibi pillerin kullanımı için çok ciddi çalışmalar yapılıyor.
Elektrikli otomobillerde kullanılan bataryalar tıpkı cep telefonlarındaki bataryalara benzer bir performans sergiliyor. Diğer bir deyişle, kullanıldıkça kapasitesi düşüyor. 50.000 km sonra pil kapasitesi %95,6’ya, 100.000 km sonra %94’e, 250.000 km sonra da %90’a düşüyor. Sonrasında bu oran çok aşağı inmiyor.
Elektrikli Arabaların Avantajları ve Dezavantajları
Elektrikli arabaların popülaritesi her geçen gün artsa da hâlâ önemli sorunları var. Elektrikli arabaların ticari başarı kazanabilmesi rakiplerinin üstünlükleriyle yarışabilecek çözümler sunabilmesine bağlı. İşin maliyeti de üzerinde düşünülmesi gereken bir konu. Bugün bataryada depolanan enerjinin kWh maliyeti 700-1000 $ civarında. Ticari değeri olan ürünlerde, maliyetlerin 200-350 $/kWh aralığının altına inmesi gerekiyor. Şarjın daha uzun süre dayanması, şarj altyapısının yaygınlaştırılması ve şebekelerin şarj sistemlerine göre analiz edilerek düzenlenmesi ihtiyacı da ayrı başlıklar olarak karşımıza çıkıyor. Ayrıca ağırlık ve yüksek tork bir araya gelince lastikler çok çabuk aşınıyor. Elektrikli otomobil kullanıcıları 15-20 bin kilometrede lastiklerini eskitebiliyor.
Kullanıcıların elektrikli arabadan temel beklentileri bir dolumda en az 400-600 km menzil sağlaması, hızlı (mümkünse 10-15 dk içinde) şarj olması, performansını yüksek hızlarda da koruması, fiyatının rekabetçi olması, şarj istasyonlarının yaygın olması, bozulma oranlarının az olması, kullanım sırasında ve kaza anında güvenlik riski yaratmamasıdır. Bu beklentiler göz önüne alındığında Li-iyon pil teknolojisi henüz müşteri beklentilerini tam olarak karşılayamıyor. Mevcut durumun müşteri beklentilerini karşılayamadığını göstermek için şöyle bir örnek verilebilir: İçten yanmalı motorla çalışan bir otomobil bir depo yakıtla yaklaşık 1000 km yol gidebiliyor. Hatta yeni nesil benzinli arabalar her geçen gün daha az yakıt tüketiyorlar. Elektrikli bir otomobilin 1000 km menzile sahip olabilmesi için yaklaşık 180 kWh’lik bir bataryaya gereksinimi var. Bu batarya kurşun asitle yapıldığında yaklaşık 6000 kg, NiMH ile yapıldığında yaklaşık 2250 kg, lityum iyon kullanılarak yapıldığında ise yaklaşık 1200 kg oluyor. Li-iyonlu pil teknolojisi ile ilgili çalışmaların başarısına bağlı olarak bu ağırlığı 900 kg’a kadar düşürmek mümkün görünüyor. Bizim burdan çıkardığımız anlam şu: Teknolojilerin mevcut durumu bu günkü beklentilerimizi karşılamıyor.
Elektrikli Otomobillerin Geleceği
Bugün için elektrikli araçların pazar payı %2,5 düzeyinde. Elektrikli araçların daha geniş bir pazar payına ulaşmasının önünde bazı engeller var. Ya yeni bir süper pil teknolojisi bulunacak ya da müşterilerin beklentileri yani araç kullanıcılarının alışkanlıkları mevcut duruma göre yeniden şekillenecek. Yeni bir süper pil bulma umuduyla çalışmalar yoğun olarak devam ediyor. Kuramsal kapasiteleri süper pil olmaya uygun olduğu için Li-sülfür ve Li-hava piller araştırmacılar arasında hayli önemseniyor.
Her iki teknolojinin kuramsal kapasiteleri Liiyon pillere göre on kat kadar daha fazla olsa da pratikte bu kapasitenin çok küçük bölümü gerçekleşiyor ve şarj/deşarj çevrim sayıları sınırlı kalıyor. Ayrıca her iki teknoloji de ilk çevrimlerden sonra çok hızlı kapasite kaybediyor ve henüz laboratuvar ölçeğini aşabilmiş değiller. Bununla birlikte sahip oldukları potansiyel, bu sorun giderildiğinde günlük hayatımızı derinden etkileyebilme gücünde olduklarını gösteriyor.
Elektrikli otomobillerin menzili günümüzde yaklaşık 150 km ve bir süper pil geliştirilene kadar da bu durumda önemli bir değişiklik olması beklenmiyor. Bununla birlikte kullanıcı alışkanlıklarıyla ilgili araştırmalar, ortalama kullanıcıların çoğunluğunun şehir içinde ve 80 km’den daha düşük bir menzilde seyahat ettiğini gösteriyor. Bu veri, alışkanlıkların ve beklentilerin yeniden kurgulanması durumunda, elektrikli otomobillerin yakın dönemde şehir içinde kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılayabileceğini gösteriyor.
Elektrikli otomobillerin hayatımıza girebilmesi için ya pil teknolojisinde bir devrim yaşanacak ya da günlük alışkanlıklarımız, bakış açımız ve beklentilerimiz pillerin mevcut durumuna göre şekillenecek. Günümüzdekine benzer pil teknolojisine sahip bir elektrikli otomobilin var olacağı bir geleceğe dair şöyle tahminler yapabiliriz. Elektrikli otomobiller genellikle küçük ve 2 kişilik olacak, şehir içinde kullanılacak. Uzun menzillerde kullanmak üzere ikinci araca ihtiyaç duyulacak. Şarj istasyonları akıllı şebekelerle yenilenebilir kaynaklara yönlendirilecek. Böylece şarjda kullanılacak elektriğin üretiminden kaynaklanan emisyonlar da olmayacak ve şehirlerde gerçekten de sıfır emisyonlu otomobiller dolaşacak. Özellikle kalabalık şehirlerde merkezi bölgelere sadece elektrikli otomobiller girebilecek, kent içinde kısa mesafelerde elektrikli otomobil kiralanabilecek. Bu tahminler gösteriyor ki elektrikli otomobil kavramı şehir insanı için sadece ucuz ve çevre dostu bir çözümü değil yeni bir yaşam tarzını da müjdeliyor.
Kaynaklar
Rudi Volti, Cars and Culture: The Life Story of a Technology (Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press, 2006.)
