Daha Fazla Enerji, Daha Az Karbon Dioksit – Yeni Pil Teknolojisinin Sürdürülebilirliğe Çok Yönlü Yaklaşımı

Pil mi Yoksa Karbon Yakalama mı? Neden İkisi Birden Değil?

Yeşil enerji ve elektrifikasyon çabası, büyük ölçüde iklim değişikliği bağlamında karbon emisyonlarını azaltma ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Ancak, güneş ve rüzgar enerjisi doğası gereği kesintilidir.

Dolayısıyla, şebekeyi besleyen yeşil enerji ne kadar çok olursa, pik üretim sırasında enerjiyi depolamak ve daha sonra şebekeye yeniden dağıtmak için o kadar çok hizmet ölçeğinde pil gerekecektir. Hizmet ölçeğinde piller, aynı kısıtlamalar altında çalışmadıkları için elektrikli araçlardan (EV) çok farklı kimyasal bileşimler kullanacak muhtemeldir:

• Yüksek yoğunluklu veya hafif olmaya gerek yok; hizmet pilleri, enerji santrallerinde ya da özel alanlarda yere yerleştirilebilir.
• Toplam maliyete (inşaat + işletme) karşı aşırı duyarlılık.
• Büyük ölçekte dağıtılabilmesi için ucuz ve bol bulunan malzemeler kullanılmalı, kobalt, platin, paladyum gibi metaller (veya ideal olarak lityum bile) terk edilmelidir.
• Kapasite kaybı olmadan çok uzun bir ömür gereklidir; ideal olarak birkaç on yıl aralığında.

Bu konuyu daha önce “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” başlıklı makalemizde derinlemesine incelemiştik; burada bu uygulama için geliştirilen olası kimyasal bileşimlerin çoğunu listelemiştik.

Bu pillerin hepsi, yeşil enerjiyi daha ekonomik hâle getirip yaygınlaştırmak için çalışır; bu da karbon emisyonlarını azaltır. Ancak, hiçbiri doğrudan emisyonları azaltmaya ya da karbon yakalamaya katkı sağlamaz.

Hatta sözde CO2 pilleri, elektrik boşaldığında CO2’yi yeniden yayar.

Bu, çığır açan yeni bir pil tasarımı sayesinde değişebilir; bu tasarım sadece enerji depolamakla kalmaz, aynı zamanda hidrojen üretebilir ve karbonu kalıcı olarak yakalayabilir.

Karbon Yakalama Pilleri

Karbon yakalama, normalde atmosfere salınan CO2’yi alıp faydalı ürünlere dönüştürme fikridir. Energy Tracker tarafından hazırlanan bu makalede çeşitli karbon yakalama teknolojileri hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Kaynak: EnergyTracker

Şimdiye kadar, bu süreç endüstriyel süreçlerin üzerine ek bir şey olarak görülmüş ve sadece karbon yakalama dışında pratik bir ürün sunmayan ek bir maliyet oluşturmuştur. Sürecin kendisi faydalı değildi.

Karbon yakalamanın mevcut durumunu daha ayrıntılı olarak “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In” başlıklı makalemizde tartıştık.

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları, karbon yakalamayı yeşil enerji şebekesi ve ilgili pillerin ayrılmaz bir parçası haline getirmenin bir yolunu bulmuş olabilirler. Bulgularını Journal of Power Sources dergisinde “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage” başlığıyla yayınladılar.

Önceki Konsept Geliştirildi

Karbon yakalama pili, geleneksel metal-CO2 pilinin bir geliştirmesidir; bu pil, bir metal (M) oksitlenirken CO2’yi içeri ve dışarı döndürür; metal sodyum (Na), lityum (Li) veya magnezyum (Mg) olabilir: CO2 ↔ MxCO3.

Metal-CO2 pillerinin tekrarlayan bir sorunu, M2CO3(s) (M = Li veya Na), Al2(C2O4)3(s) veya MgCO3(s) gibi katı deşarj ürünlerinin elektrot yüzeyine birikmesidir; bu genellikle gözenekli elektrot yapısının tıkanmasına yol açar.

Bu tıkanma pil üzerinde olumsuz etki yapar ve kapasitesini hızla azaltır.

Bu sorunu aşmak için araştırmacılar, biri sodyuma diğeri alüminyuma dayanan iki potansiyel pil geliştirdi; her ikisi de bol ve düşük maliyetli malzemelerdir.

Na-CO2 pili, endüstrideki çoğu katalizörden çok daha ucuz olan demir-nikel bir katalizöre dayanır.

Önceki tasarımların aksine, yeni CO2 pili CO2’yi gaz halinde salmaz; bunun yerine karbonat yan ürünü sıvı elektrolitte çözünür.

Bu karbonatlar daha sonra pilde tutulabilir veya birikerek katı formda çöktüklerinde toplanabilir. İlaç veya çimento endüstrisi bunları kullanabilir.

Sadece oksijen ve hidrojen gazları salınır; bunlar iklim değişikliğine katkıda bulunmaz ve hatta enerji ya da yakıt üretmek için yakalanabilir.

Kaynak: Oak Ridge National Laboratory

Mühendislik Zorluklarının Üstesinden Gelmek

Bu fikir o kadar etkileyici görünüyor ki, daha önce yapılmamış olması şaşırtıcı olabilir.

Sebep, pratikte hayata geçirmenin birkaç teknik sorunu aşması gerektiğidir.

İlk olarak, elektrotlar ıslak ve kuru odalar arasında bir katı iyon iletkeni ile ayrılmalıdır. İletken, elektron hareketini yavaşlatarak pil verimliliğini düşürür.

İkinci olarak, bu tip Na-CO2 pili, elektrot üzerindeki film birikimi sorununa bağışık değildir. Ancak araştırmacılar, çok gelişmiş mikroskoplar ve X-ışını cihazları kullanarak, düzensiz şarj ve deşarj darbelerinin elektrot üzerindeki film birikimini önlediğini buldular.

“İlk kez devre dışı bırakılan hücrenin yeniden etkinleştirilebileceğini rapor ediyoruz.

Ve devre dışı bırakmanın ve etkinleştirmenin kaynağını bulduk. Pil’i simetrik olarak çok uzun süre şarj-deşarj ederseniz, bir aşamada ölür. Hücremiz için belirlediğimiz protokolü kullanırsanız, arıza ihtimali çok düşüktür.”

Ruhul Amin – projenin baş araştırmacısı

Daha da etkileyici bir şekilde, bu piller depolanan enerjiyi kullanarak CO2’yi yakalayabilir; yani yenilenebilir enerji üretiminin zirve yaptığı anda değil, bu da ona daha fazla esneklik kazandırır. Ayrıca, rüzgarın zayıf olduğu veya güneşin parlamadığı zaman fosil yakıtlara dayanan tepe yük santrallerinden karbon yakalamak için mükemmel bir eşleşme olabilir.

Ticari Tasarıma Geçiş

Yeniden etkinleştirilebilen bir CO2 pilinin kavram kanıtı elde edildikten sonra, ekip performansı iyileştirerek hizmet ölçeğinde uygulanabilir bir pilin gereksinimlerine uymayı hedefledi.

Bunun için, Na-CO2 prototipiyle aynı prensipte bir Al-CO2 pili geliştirdiler.

Prototip, özellikle şu etkileyici sonuçları elde etti:

• Kapasite kaybı olmadan 600 saat (25 gün) çalışma.
• Daha sonra kullanılmak üzere 10 saatten fazla elektrik depolama kapasitesi.

Sıradaki Ne?

Deniz suyunu sulu ortam olarak kullanmak, bataryanın hızını ve suyun klor atomlarından klorür (bleach) üreterek hidrojen+oksijen üretimini büyük ölçüde artırabilir. Bu nedenle, bu pil başlangıçta beklenenden daha faydalı yan ürünlerle çalışabilir.

Başka bir zorluk, alüminyum-CO2 pil tasarımını gerçek bir hizmet ölçeği dağıtımına uygun daha büyük bir ölçeğe getirmektir.

Devam eden bir diğer çalışma ise Sodyum-CO2 piline geri dönerek, pil odalarını ayırmak ve pili ticari olarak rekabetçi hâle getirmek için çok ince, yoğun ve mekanik olarak stabil bir seramik membran geliştirmektir.

Pil Şirketleri

Önceki sınırlamaları nedeniyle CO2 pil şirketleri çok azdır. Ancak, yeni teknolojileri hızlıca benimseyen yenilikçi pil şirketleri, gerektiğinde alandaki ilerlemelerden yararlanarak yeni kimyasal bileşimler geliştirebilir.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD, 2022’de 1.860.000 araç satışı, 2022’de 20 milyar € gelir ve ülkenin en büyük özel şirketlerinden biri ile Çin’in önde gelen EV şirketidir.

Şirket, 2000 yılında Motorola’ya lityum-iyon pil tedarikçisi olarak başladı ve 2003’te otomotiv sektörüne girdi. Bugün otobüs, tren, yarı iletken ve pil enerji depolama alanlarında da aktiftir.

Kaynak: Byd Company

Büyük ölçeği sayesinde, “BYD, LG’yi geride bırakarak dünyanın ikinci büyük EV pil tedarikçisi oldu”

EV pazarının ötesinde, BYD de Tesla gibi, büyük pil arzını diğer pazarlarda da kullanmayı hedefliyor. Özellikle konut kullanımı için Battery-Box adlı ürünü, kobalt içermeyen Lityum Demir Fosfat kimyasıyla piyasaya sürdü. Ayrıca New Energy paketini sunarak güneş ve depolama çözümlerini birleştiriyor.

Battery-Box ve New Energy’ı birleştirerek, BYD Enerji Depolama Sistemi (ESS) 14 GWh’den fazla depolama kapasitesi sevk etti.

BYD, mineral pil hücrelerinden pil paketlerine kadar tam bir tedarik zinciri düzenine sahiptir. Bu, eski otomobil pillerini sabit depolama olarak kullanarak ya da yeni bir 2022’de kurulan alt bölümü aracılığıyla tam pil geri dönüşümünü sağlayan kendi özel geri dönüşüm çözümünü kurmasına yardımcı oldu.

BYD şu anda yurt dışına genişliyor, özellikle Avrupa’da, hâlâ küçük olan pazar payını dört katına çıkarmayı ve Macaristan’da yerel üretim yapmayı planlayarak, yıllık 150.000 araç kapasitesini 300.000’e çıkarma potansiyeli. Bu, yerel üreticileri ve Tesla’yı, fiyatları artık benzinli araçlarla rekabet edebilecek seviyelere getirecek bir baskı oluşturabilir.

ABD’deki genişleme, ABD-Çin rekabetinin artması nedeniyle daha temkinli ilerliyor; 2024 baharında Çin araçlarına %100 gümrük vergisi uygulanmıştır.

Kaynak: BYD

Güney Amerika, Asya ve Avrupa’da güçlü büyüme beklentileri ve Çin’de, EV’lerin lider pazarı olan hâkim konumuyla, BYD hissesi Tesla’ya göre daha az bilinen ve daha düşük değerleme çarpanlarına sahip bir alternatiftir.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

Çinli CATL, pil hacmine göre değerlendirildiğinde dünyanın en büyük pil şirketidir. 2022’de dünya pil üretiminin neredeyse yarısını GWh bazında üretti.

Ayrıca, düşük maliyetli EV’ler için daha ucuz ve “yeterince yoğun” piller yaratmak adına çözüm olabilecek en gelişmiş lityum demir fosfat pillerine de sahiptir.

CATL’nin pil kimyası konusundaki uzmanlığı diğer seçeneklere de uzanıyor. Özellikle, 2021’de duyurulan etkileyici 160 Wh/kg sodyum iyon pil. Lityumu bol ve ucuz sodyumla değiştirmek, son yıllarda çok dalgalı ve yüksek fiyatlı lityuma bir alternatif sunar. Ve hâlâ lityum gerektiren uygulamalar için, CATL, Bolivya’da lityum üretimini geliştirmek için 1,4 milyar dolar yatırım yapıyor.

Ancak pil performansına gelince, CATL ilerlemenin en ön safhasında. İlk olarak, 5 dakikada %80 şarj olabilen 330 Wh/kg ultra dayanıklı “milyon mil” pil duyurdu ve ticarileşmeye hazır. Bu pil gelecekte Tesla tarafından kullanılacak ve yüksek performanslı EV’ler için yeni standart olacak.

Ayrıca, uzun menzilli EV’ler ve uçakları çalıştırabilecek kadar yoğun bir 500 Wh/kg “konsantre” pil duyurdu. Pillerin soğuk havada daha iyi çalışmasını sağlayan bir yol bulduklarını da iddia ediyor, ancak bu hâlâ teknolojinin bir zayıflığı ve soğuk ülkelerdeki EV’ler için bir sorun.

Tesla ve BYD gibi EV liderleri ya da Toyota gibi iddialı yeni girişimler, kendi pil teknolojilerini geliştirmeyi benzersiz bir avantaj olarak görebilir. Ancak, Alman, Amerikan ve Japon otomobil üreticileri de dahil olmak üzere otomotiv endüstrisinin geri kalanı, gelişmiş pil yarışında ayakta kalmak için ortaklar arıyor. Bu, özellikle Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda ve Mercedes Benz gibi şirketleri içerir.

CATL, pil üretiminde ölçek ekonomilerinden en çok fayda sağlayacak üretim hacmine sahiptir. Büyük satış hacmi, doğrudan bilimsel uzmanlık ve büyük bir Ar-Ge bütçesine katkıda bulunur, bu da daha fazla atılım sağlar. Otomobil üreticisi olmaması, BYD ve Tesla gibi doğrudan rakiplerine kıyasla sektördeki çoğu şirket için daha iyi bir ortak olmasını sağlar.

Şu anda şirket ağırlıklı olarak EV’lere odaklanmıştır. Çin’in yenilenebilir enerji üretimi arttıkça ve teknoloji olgunlaştıkça hizmet ölçeğinde pillere yönelme ihtimali vardır.

Tüm bunlar, CATL’nin dünya pil üretiminde lider konumunu sürdürmesi için güçlü bir argüman oluşturur. Ancak, ABD ve Çin arasındaki artan gerilimler tamamen göz ardı edilmemeli ve hissesi dünyanın iki en büyük ekonomisi arasındaki güç mücadelesinin ortasında kalabilir.