Paslanan Piller ile Ucuz Güneş Enerjisi Nasıl Gelecek?
Bilim insanları paslanarak çalışan pil geliştirdiler. Paslanan demir–hava pilleri nasıl çalışıyor? Demir ve çinko piller ucuz güneş enerjisi için depolama sorununu çözecek mi? Pillerin enerji depolama maliyetini kilovatsaat başına 20 doların altına çekersek paslanan piller lityum–iyon pillerin yerini alır mı? Paslanan piller sayesinde doğal gaz, nükleer ve hidroelektrik güç santralleriyle rekabet edecek kadar ucuz güneş enerjisi, yani yenilenebilir temiz enerji üretebilir miyiz? Elektrik faturalarımızın yükünü azaltacak olan demir ve çinko piller hakkındaki son gelişmeleri bu yazıda görelim.
Paslanan piller ucuz enerji depolayacak
Güneş ve rüzgar kaynaklı yenilebilir enerji türleri fosil yakıtlardan daha ucuza üretilmeye başladıysa da temiz enerjinin yaygınlaşmasının önünde büyük bir engel var: Depolama sorunu. Güneş enerjisinin başat olması için piller ve bataryalarda uzun süreli olarak depolanması gerekiyor. Oysa en verimli endüstriyel ürünlerden biri olan lityum-iyon telefon pilleri bile enerjiyi maliyet verimliliği açısından en fazla 6 saat depolayabiliyor. Peki ya sadece bildiğimiz havayı çekip içindeki oksijeni yakıcı olarak kullanan, yani paslanarak çalışan pillerimiz olsaydı ve bunlar enerjiyi 100 saat (!) depolayabilseydi?
Nitekim birçok şirket günümüzde paslı demirle çalışan ve şarj olabilen demir–hava pilleri geliştiriyor. Eh, kirli ya da temiz, Dünya gezegeninde hava bol ve en bol metal de demir. Peki lityum–iyon pilleriyle rekabet edecek kadar verimli paslanan piller geliştirebilir miyiz?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Güneş ve rüzgar enerjisi yaygınlaşıyor
Oysa asla doğal gazdan üretilen elektrik gibi 7/24 şebeke enerjisi sağlamayacak. Buna karşın küresel ısınmaya bağlı yıkıcı iklim değişikliği yüzünden sert fırtınalar ve benzeri gittikçe sıklaşıyor. Doğal afetler en çok güneş panelleri ve rüzgar türbinlerini etkiliyor. Bildiğimiz binadan oluşan termik santraller gibi geleneksel elektrik üretim sistemleri doğal afetlerden daha az zarar görüyor. Ayrıca her yeri güneş paneliyle kaplayarak elektrik üretimini artırmak da çözüm değil. Bir kere endüstriyel enerji ihtiyacı güneş enerjisi ölçeklenebilirliğinden daha hızlı artıyor.
Ayrıca geniş tarlaları tarım ve konut yerine güneş paneliyle kaplamak emlak maliyetlerini çok aşan ekonomik kayıplara yol açıyor. Güneş ve rüzgar enerjisi sistemleri doğal dokuyu bozduğu gibi kuşlara ve kaplumbağalara zarar veriyor. Ne yazık ki daha büyük güneş tarlaları kurmak çoğu zaman yeni bir doğal gaz santrali kurmaktan pahalıya mal oluyor. Oysa güneş enerjisini anlık üretmek ve kullanmak zorunda olmasak rahat ederiz. Enerjiyi geceleyin kullanmak üzere uzun süre depolasak sınırlı yatırımla daha çok güneş enerjisi kullanabiliriz. İşte demir–hava ve çinko piller bu sorunu çözmek istiyor.
Amaç endüstriyel elektrik depolama ihtiyacını karşılayacak kadar ucuz ve verimli ağır sanayi pilleri geliştirmek. Bunları doğrudan güç santrallerine takmak. Öyle ki bu piller doğal gaz santrallerinin ürettiği elektriği bile mahalle bazında depolayarak genel enerji üretim ihtiyacını da azaltabilir! Özellikle güneş ve rüzgar enerjisi durumunda çok büyük avantaj var. Mesela Türkiye gereksiniminin üstünde doğal gaz santrali yatırımı yaptı. Üstüne doğal gaza gelen zamlar yüzünden bu santrallerin büyük kısmı çalışmıyor. Oysa rüzgar enerjisindeki üretim fazlasını yeni model pillerde depolayabiliriz.
En basitinden
..bulutlu ve yağmurlu günlerde güneş enerjisi üretimi azalırken önceden depolanan enerjiyi şebeke elektriğine verebiliriz. Bu da bizi ek ihtiyacı fosil yakıt yakan termik santraller ve doğal gaz santralleriyle karşılama ihtiyacından kurtarır. Hem enerji hem küresel ısınma hem de çevre kirliliği azalır! Tarihte ilk kez güneş enerjisini geniş ölçekte endüstriyel elektrik şebekesine eklemek mümkün olur. Peki yapabilir miyiz? Evet. Bunun için paslanan piller var:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Paslanan piller için yol haritası
Güneş enerjisi endüstrisi depolama sorununu çözmek için bir süredir sanayi tipi lityum–iyon piller kullanıyor. Hatta Japonya’nın havadan bağımsız tahrik sistemli denizaltıları da hidrojen yakıt hücreleri yerine lityum–iyon pil kullanıyor. Türkiye bu konuda yeterince adım atmadığı için güneş enerjisi pillerindeki gelişmeyi somut ve güncel veri sağlayan ABD üzerinden anlatacağım. Amerika’da California eyaleti öne çıkıyor. Özellikle de yazın görülen sıcak dalgalarının şebekeye zarar vermesi yüzünden elektrik kesintisi yaşayan California şirketleri birkaç yıldır lityum–iyon pil kullanıyor.
Şu anda eyalette depolama kapasitesi 1,5 gigavat ama resimde gördüğünüz gibi 2030’da yüzlerce gigavatlık depolama sığışana ulaşacaklar. California pil yarışına daha yeni *ısınıyor*. Geçen yıl Vistra Energy dünyanın en büyük sığalı lityum–iyon pilini geliştirdi. Bu da 300 megavat oluyor. Bunun dışında 100 megavat kapasiteli bir pili daha kullanıma aldı. Öyle ki elektrikler kesilirse veya akşamları 4 saat boyunca pilleri deşarj ederek 300 bin konuta elektrik sağlayacak. İstanbul’da elektrikler kesilince de pilden elektrik çeksek ve hiç kesinti yaşamasak fena olmaz hani. 😉
Buna karşın
Enerji kesintisi 24 saatten uzun sürerse veya enerji gereksinimi birkaç gün artarsa lityum–iyon piller işe yaramaz. Bize büyük miktarda enerjiyi 6 saatten uzun süre depolayan bir pil lazım. Yoksa çok sayıda pil gerekir ve bu da maliyetleri artırır. Nitekim bugün endüstriyel pil depolama maliyetleri çok yüksek ve megavat başına 132 ila 245 dolar. Paslanan piller gibi daha verimli teknolojilere neden gerek olduğunu buradan anlıyorsunuz. Gerçekten de NASA paslanan pil teknolojisini bugünler için sakla samanı gelir zamanı misali *sakladı* diyebiliriz. Yoksa rafa kaldırdı ve unuttu mu desek?
İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?
Paslanan piller nasıl tasarlanır?
Massachusetts merkezli bir girişim, şarj olan demir–hava pili geliştirdi. Bu yeni bir teknoloji değil. NASA, ta 1968’de bir prototip yapmıştı ama pil bileşenlerinde bazı teknik sorunlar çıktı. Özellikle de elektrot ve elektrolit sıvısı engelini aşamadılar. Mesela pilin anot ucunda yeterli hidrojen birikimi sağlayamadılar. Bu yüzden pilin tam sığalı çalışması için elektrotları aşırı yüklemek gerekti. Dolayısıyla hızla yıpranan pil kullanışsız oldu. Form Energy şirketi geçen yılı bunu çözmenin bir yolunu bulduğunu duyurdu. Öyle ki demir–hava pillerle 4 gün elektrik depolayabileceğini söyledi.
Forn Energy 240 milyon dolar D serisi yatırım fonu almayı başardı. Parayı da Jeff Bezos, Bill Gates’in Breakthrough Energy Ventures şirketi ve ArcelorMittal gibi yatırımcılar Verdi. Özellikle de bu sonuncusu çok önemli; çünkü dünyanın en büyük demir üreticisi olup demir–iyon pillerle stratejik bir pazar yakalayacaktır. Yeri gelmişken pil terimini yanlış kullandığımızı belirteyim. Tek depolama hücresine pil denir. İçinde birkaç depolama hücresi olan şeye BATARYA denir. Mesela dizüstü PC pili yoktur, PC bataryası vardır. Ne diyelim? Herkes bir gün PR diliyle tanışacaktır. 😉
Siz de paslanan piller için 10–20 hücreli bir kutu düşünün. Hücreler depolama birimleridir ve hepsinde AA pillere benzeyen bir elektrolit çözeltisi vardır. Elektrolit de katot ve anot uçlar arasında elektron/iyon akışını iyi ileten sıvı veya çözelti demektir. Pilin enerjisinin bir anda boşalmaması ve patlamaması için bu uçlar ince bir tabakayla ayrılır. Öyle ki ayırıcı delinirse paslanan pil de eski Samsung Galaxy pilleri gibi patlayabilir. Demir–hava pillerinde anot uç demir taneciklerinden oluşur. Katot uç ise lityum–polimer piller gibi hava solur.
Nasıl çalışır derseniz
İki uç çalışırken elektrokimyasal redoks tepkimesi olur. Anot uçtaki demir paslanırken enerji açığa çıkarır. Demir tozu havayla temas edince havadaki oksijen demiri paslandırarak demir oksit, yani pas üretir. Bu sırada serbest elektronlar, yani elektrik ortaya çıkar ve siz de bunu şebekeye verirsiniz. Pili (bataryayı) şarj etmek için de işlemi tersine çevirirsiniz. Bu kez anot uca gelen elektronlar oksijeni *kemirir* ve pas katmanını incelterek demiri eski haline getirir. Eski hali derken: Elektronlar demirde kalır ve enerji depolarsınız. Bu e–döngü sistemi 4 gün boyunca yüzde 100 temiz enerji depolar. Peki paslanan piller lityum–iyon pil, kömür ve doğal gaz elektriğinden ucuz mu?
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Paslanan piller Form’a girdi
Forn Energy’nin paslanan pilleri endüstri standardı lityum–iyon pillerden 17 kat uzun gidiyor. Bu durumda 100 saatlik (beş günlük) depolama kapasitesi enerji sektöründe devrim yapacaktır. Form Energy demir pilin üretim ve kullanım maliyetlerini açıklamadı. Yine de bu pil demir ve hava kullanıyor ki biri bedava, diğeri çok bol! Üstelik demir üretimi yaygın ve ucuz… Bu nedenle şirkete göre, paslanan piller lityum–iyon pillerden 10 kat ucuz olacak. Demir–hava piller kilovatsaat başına 20 dolardan ucuza gelirse hiçbir şey güneş enerjisiyle rekabet edemez zaten. Bu iş bitmiştir.
Sadece doğal gaz ve termik santrallere pil takmak bile 10 milyarlarca dolar tasarruf sağlar. Mesela santralleri düşük güçle çalıştırırken şebeke elektriğini yüzde 90 oranında pilden verirsiniz. Böylece santrali aç–kapa maliyetiyle bile uğraşmazsınız. Daha önce defalarca yazdığım gibi… Güneş enerjisi tek başına dünyaya yetmez ama doğal gaz santralleri kadar yaygın entegre olursa enerjinin de ecesi olur. Şöyle düşünün: Dünyadaki en bol dördüncü element demirdir. Bakın metal değil, element diyorum. Lityum ise demirden 2000 kat azdır ve uzun süreli lityum pil üretimini desteklemez.
Dahası paslanan piller patlamaz
…çünkü lityum–iyon pillerdeki patlayıcı lityum tozu ve organik çözücü karışımlarını içermez. Peki lityum–iyon piller demode olacak mı? Asla! Bir kere lityum–iyon piller çok enerjiktir ve hızla boşalır; yani ani tüketim artışında frekans artışını destekleyerek şebekeyi destekler. Unutmayın. Uzun ömürlü depolama, termodinamik yasaları gereği yavaş deşarj demektir. Doğada üç kuruşa beş köfte yok. Ayrıca telefonlar ve diğer bireysel aletler için lityum–iyon piller daha kullanışlıdır. Sırtınıza bir kamyon demir–hava pili vurmayacaksınız değil? Dediğim gibi entegrasyon imparatoriçedir. Oysa Form Energy paslanan pil geliştiren tek şirket değil var:
İlgili yazı: Uzaydan Arkeoloji Yapay Zekayla Nasıl Yapılır?
Lityum–iyon pil alternatifleri
Oregon merkezli ESS şirketi 2019’dan beri paslanan pil üretiyor. Hatta bu pilleri insan hücrelerinin de yaşamasını sağlayan proton pompasıyla daha da geliştirdiler. Proton pompası derken… Pozitif hidrojen iyonları çıplak hidrojen atom çekirdeği, yani protonlar olup pil ömrünü uzatır. Öyle ki redoks tepkimesinde açığa çıkan protonları alıp sıvı faza geri beslerseniz bunlar da elektrolitin kimyasal dengesini yeniden kurar. Kısacası elektrolit yeniden maksimum akım iletim kapasitesine ulaşır. Bu da pilin verimliliğini artırır. Bunu iki türlü kullanırsınız:
Daha yüksek kapasiteli paslanan piller veya neredeyse lityum–iyon pil kadar hızlı boşalan daha küçük piller. Gelecekte bu küçükleri konutlarda güneş enerjisi sistemleri için duvar pili olarak kullanmak mümkün olabilir. Nitekim ESS konutlar veya siteler için 3 megavattan başlayan piller ürettim diyor. Düşünsenize! İstanbul’da her sokağın elektrik kesintisine karşı 100 konutluk kendi yerel bataryası olsa elektrik kesintileri tarihe karışırdı. Buna karşın proton pompalı demir–hava pilleri daha enerjik olduğu için sadece 16 saatte boşalıyor. Yine de konutlar, siteler ve sokaklar için bunu çok esnek buluyorum.
Ben olsam
Form Energy’nin pillerini elektrik santralleriyle organize sanayi sitelerinde, ESS pillerini de yerleşimlerde kullanırdım. Oysa bir de lityum–iyon pillere diğer alternatif olan çinko piller var. Mesela Kanadalı girişim Zinc8’in geliştirdiği çinko–hava pilleri de 100 saat depolama sözü veriyor. Bu kez iri demir tozu parçaları yerine, enerjiyi kum tanesi kıvamında çinko tozunda depoluyorsunuz. Çinko, hava ve su alınca oksijenle tepkimeye giriyor ve zinkat, yani çinko asidi üretiyor. Bu durumda İngilizce bilenler Zinc8’in adının nereden geldiğini fark edecektir. Peki çinko pil demirden ucuz mu?
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Tesla’nın alüminyum–hava pilleri
100 saatlik bir Zinc8 bataryasının maliyeti 60 dolar/kWh ile Form Energy demir–hava pillerinden 3 kat pahalı. Dahası Form Energy daha şimdiden 20 dolar eşiğine ulaştı. İllaki bunu iyileştirecek. Ayrıca çinko piller tekrar şarj olurken çinko yüzeyde iğneler oluşmaya başlıyor. Bunlar da elektrotu bozuyor. Diğer teknoloji ise elektrikli araçların gözbebeği alüminyum–hava piller. Nitekim Türkiye’nin yerli ve milli elektrikli otomobili TOGG için dünya devi Farasis, Gemlik’te 20 gigavatsaatlik bir yatırım yapıyor. Diğer yandan Koç Grubu Manisa’da 500 milyon dolarlık yatırım yapıyor. Kalyon da batarya şirketi kurdu ve tüm bileşenlerini kendi üreteceğini duyurdu.
Kısacası elektrikli araçların daha uzun menzilli olması için lityum–iyon pillerden daha uzun ömürlü pillere yatırım yapmak gerekiyor. Gerçi alüminyum–hava pilleri şarj edilemiyor. Bunlar kullan–at piller ve boşalınca istasyonda değiştirmek zorunda kalıyorsunuz. Bu yüzden alüminyum piller daha pahalıya gelebilir. Özellikle de yeni çevresel atıklara yol açmadan geri dönüşüme girmeleri gerekir. Yine de pil teknolojisi altın çağını yaşıyor desek yeridir. Öte yandan demir–hava pillerini, 10 binlerce hücreyi yan yana getirerek yüzlerce megavatlık güneş enerjisi depolama tesisleri kuracağız.
Hem bunlar modüler sistemler…
İsterseniz üçünü beşini bir araya getirip bir arsaya atarak ihtiyaca göre kullanın. Form Energy paslanan piller için pilot çalışmaya 2023’te başlayacak. Bunun için de Great River Energy şirketinin Minnesota tesisine 1 megavatlık depolama sistemi kuracaklar. Böylece pillerin endüstriyel kullanımını test edecekler. Gerçi mucize beklemeyin; çünkü daha yolun başındayız. Paslanan pillerin lityum–iyon pillerle rekabete girmesi için yüzde 80 verimliliğe ulaşması ve 5000 kez şarj edilmesi gerekiyor. Umarım başarırlar!
İlgili yazı: Uzaydan Arkeoloji Yapay Zekayla Nasıl Yapılır?
Paslanan piller için sonsöz
Güneş, rüzgar ve fosil yakıt enerjisi depolama çözümleri sunan şirketler çok çalışıyor. Sonuçta New York eyaletinde 2010-19 yıllarında yapılan bir araştırmaya göre, 4 gün elektrik sağlayan bataryalar eyaletteki güç santrallerinin yüzde 83’nde ekonomik olarak kullanılabilecek. Demir–hava pilleri lityum–iyon pilleriyle birlikte kullanıldığında tüketimin tavan yaptığı dönemlerde çok işe yarayacak. İkisi bir arada, sadece pik tüketiminde devreye giren güç ünitelerinin yerine 4 kat fazla kullanılacak. Bu da pik tüketimi karşılamak için gereken üretimi azaltacak. Böylece elektrik üretiminde gigavat başına yılda 27 milyon dolar tasarruf edeceğiz.
Paslanan pillerin ekonomik olup olmadığını 5 yılda göreceğiz ama başarılı olursa temiz enerjide atılım yaparız. Güneş ve rüzgar enerjisi yaygınlaşırken ilk kez bu sistemleri (pillerde enerji depolayarak) doğal gaz santralleri, termik santraller ve nükleer güç santrallerini desteklemekte kullanırız. Ayrıca enerjinin bir kısmını pillerden karşılayarak fosil yakıtlı enerji üretimini de azaltırız. Bu da küresel ısınma ve çevre kirliliğini azaltır. Ayrıca elektrikli araçları şarj eden elektriğin daha büyük kısmını güneş enerjisinden üretmeye izin verir. Böylece bu araçlar gerçekten temiz teknoloji olur.
Yapay zekada yeni fırsat
Her durumda pil geliştirmek bir tasarım ve bilgisayar simülasyonu işidir. Bu yüzden kodlama öğrenmek isteyen arkadaşların veri biliminde uygulamalı istatistik görmesini öneririm. Böylece canlı enerji sektöründe çalışabilirler. Siz de güneş rüzgarından 1000 yottawatt enerji üreten uyduyu şimdi görebilir ve uzaydan güneş enerjisi ışınlamak ekonomik mi diye sorabilirsiniz. Elektrikli araç şarj eden akıllı yollara ve dünyanın ilk elektrikli yük gemisine bakabilirsiniz.
Temiz nükleer füzyon enerjisinin ne zaman geleceğine ise girdaplı atomik helyum ışını ile füzyon ve ITER nükleer füzyon reaktörü nasıl çalışıyor yazılarında göz atabilirsiniz. Hızınızı alamayarak NASA’nın Mars üsleri için geliştirdiği kilopower mini nükleer reaktörleriyle ve atomu temiz parçalayan toryum reaktörlerini de hemen inceleyebilirsiniz. Telefonun pil ömrünü uzatmak için de şimdi kontrollü gücü araştırabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.
Temiz nükleer füzyon enerjisi nedir?
1The design space for long-duration energy storage in decarbonized power systems
2Zinc Electrode Shape-Change in Secondary Air Batteries: A 2D Modeling Approach
