Otomotiv sektörü elektrikli araçlara neden geçiyor?

Otomotiv’de elektrikli araçların yaygınlaşması sürecini doğru yorumlamakla ilgili ilk önemli aşama neden böyle bir dönüşüm yaşıyor olduğumuzu anlamak.

Bu soruyu birçok şekilde yanıtlamak mümkün. Örn: Global ısınma kaynaklı baskılardan dolayı mecbur kaldık, ya da Elon Musk diye bir çılgın ve çıktı dünya takip etti gibi açıklamalar yapılabilir. Bunlar kısmen doğru da olabilir. Ama aslında yaşadığımız bu hareketin çok daha temel bir nedeni var. Oldukça da basit bir neden bu: Elektrikli araçlara geçiş otomotiv sektörü için doğal bir gelişim, hatta bir evrim. Değişimin neden doğal olduğunu açıklamak için ise otomotiv teknolojisine ait iki temel karakteristiği netleştirmek gerekiyor: İlki otomobilde kullandığımız motorun türü. İkincisi ise enerjinin depolanma yöntemi.

Önce motor ile başlayalım: Motor potansiyel enerjiyi kinetik enerjiye (hareket enerjisine) çeviren bir mekanizma. Çok sayıda motor çeşidi olduğu sanılır ama gerçekte sadece iki tür motor var: Isı motoru ve elektrik motoru. Tarih boyunca icad edilmiş tüm motor türleri bu iki kategoriden biri altında girer.

Geleneksel içten yanmalı motorlar (ısı motoru)

Isı motoru yanma ile enerji üretir, yani yakıtın içinde bulunan kimyasal enerjiyi ortaya çıkarır. Yanma ile oluşan ısı (ve patlama) havada ani bir genleşme yaratır, bu ani genleşme yarattığı etki ile kimi parçaları (piston, krank vs) harekete geçirir. Dizel, benzinli, wankel vs tüm motorlar bu şekilde çalışır.

İçten Yanmalı Motor (ısı motoru)

Bu hareketi bisiklet pedalına basmaya benzetebiliriz: Basılan pedal ile oluşan enerjinin bisiklete hareket vermesi, motorun pistonu aşağı indiğinde önce krank miline, sonra şanzımana iletilen gücün otomobile hareket vermesine benzer. Grafiktekteki Dört zamanlı klasik motor aslında son derece akıllı ve hatta dahiyane bir tasarımdır ama içten yanmalı motorda o kadar çok sürtünerek çalışan parça vardır ki sürekli bir aşınma ve ciddi bir güç kaybı, yani enerji israfı olur. Yaklaşık 150 yıldır sürekli geliştirilmekte olan geleneksel otomobil motoru tüm bu çabaya rağmen ortalama %25 verimlilikle çalışır; yani ürettiği üretttiği enerjinin %75’i ısı olarak uçar gider. Hatya motor hacmi büyüdükçe israf edilen enerji oranı da artar: Örn: Bugatti Veyron’un 8 litre hacmindeki motorunda üretilen enerjinin %95’i israf olur. Yani daha büyük motor yaptıkça daha fazla enerji israf edersiniz.

Elektrik Motoru

Gelelim elektrik motoruna: Değişik türleri olsa da temel olarak bilmek gereken manyetik alan prensibi ile çalışıyor olmasıdır. Şöyle ki: Elektrik akımı verilen herhangi bir kablo sargısı doğası gereği bir mıknatıs haline gelir. Eğer siz bu sargıyı farklı kutupları (biri eksi biri artı) olan mıknatıslar arasına yerleştirir ve her turda kutupların yerini (akımı verip keserek) değiştirirseniz eksi kutup artıyı çektiği için sargı sürekli bir tarafa dönmeye başlar.

Basit Direkt Akım (DC) motor

Son derece basit olan bu mekanizmaya ‘direkt akım motoru’ (DC Motor) denir. Bu motorun en önemli avantajı içinde sürtünen parça olmadığı için veriminin çok yüksek, hatta teorik olarak %100 olabileceği gerçeğidir. Yani içten yanmalı bir motor ortalama olarak %25 verimlilikle çalışırken elektrik motoru %100’e yakın bir verimliliğe sahiptir. Dahası motor kapasitesi büyüdükçe verimi düşmez. Yenilenebilir bir enerji olan elektrik kullanır ve motor kaynaklı hiç emisyonu yoktur (elektrik üretmekten kaynaklanan emisyonu ayrıca konuşacağız). Tasarımsal olarak hafif, basit bir yapıdır. İçten yanmalı motorda yüzlerce hareketli parça varken elektrik motorunda sadece bir parça hareket eder: Rotor. Manyetik alan yumuşak bir etki olduğu için onunla çalışan elektrik motoru hemen hemen hiç aşınmaz (çamaşır makinenizin motoru hiç bozuluyor mu?)

Peki madem elektrikli motor bu kadar verimli idiyse nasıl oldu da geleneksel motorlar 100 yılı aşkın süredir otomotiv sektörüne hakim oldu? Çünkü tek kritik konu motor değil. İşin içine elektrik girdiğinde asıl kritik olan enerjinin depolanması konusu; bu konu iyi anlamamız gereken ikinci sektörel karakteristik. Enerji depolaması konusunda elektrikli oto, içten yanmalı motorlara göre çok geride. Benzin ya da dizel arasındaki farkları gözardı ederek konuşacak olursak: 1 kg fosil yakıt yakarak yaklaşık 12,000 Wh enerji elde edebiliyoruz. 1 kg li-ion pilin depolayabildiği enerji ise bugün için sadece 250Wh civarı. Yani elektrikli araç bataryası enerjiyi depolama kapasitesi açısından neredeyse 50 kat daha verimsiz.

Bu durumu teknik açıdan anlamak neden içten yanmalı motorların yakın tarihte otomotiv sektörüne hakim olduğunu büyük ölçüde açıklıyor. Ama aynı şekilde özellikle son 10 yıldır batarya tarafındaki gelişmeleri dikkate alırsak durumun hızla değişmekte olduğunu görürüz. Bir örnekten yola çıkalım diyelim ki otomobilinizle 500km yol kat etmeniz gerekiyor. Elektrikli otomobillerin ilk kullanıldığı 1900’lü yıllarda kullanılan kurşun-asit bataryalı bir araçla bu seyahati yapmak için 10,000 kg ağırlığında bir pile ihtiyacınız vardı. 1970’li yıllarda gelişen nikel-metal bataryalarla bu ağırlık 1000 kg’nin altına indi. Şu anda kullandığımız lityum ion pillerle aynı mesafeyi yaklaşık 400kg’lık bir pil pakedi ile yapabiliyoruz, 10 yıl sonra ise bu ağırlık 200kg’a inecek gibi görünüyor. 200 kg bile hala ağır diyebiliriz ama şöyle düşünün: Tek ciddi kısıtı ağırlık olan elektrikli otomobilin son derece sade ve basit bir motor ve aktarma organları düzeneği var: Küçük ve hafif bir motoru var, şanzıman yok, radyatör yok, eksoz yok, sürtünerek çalışan hiç bir parça yok. Yani gelişim devam ettiği sürece elektrikli oto hafiflemeye devam ediyor, er ya da geç geleneksel araçlardan da daha da hafif olma potansiyeli taşıyor.

Uzun lafın kısası: Otomotivde elektrikli otoya geçiş doğal bir evrim. Bunca zamandır olmadı çünkü enerji depolama konusuna makul bir çözüm yoktu. 21.yy ile beraber girdiğimiz li-ion pil devri ile ihtiyaca oldukça yakın bir çözüme sahibiz. Şu aralar tartışılmakta olan katı halli pil, kobaltsız batarya alternatifleri gibi yeni yöntemlerle daha da yaklaşacağız. Diğer taraftan pil teknolojisinden daha da önemlisi akıllı ve yüksek hızlı şarj seçeneklerinin yaygınlaştığı bir altyapıya ulaşıyor olmamız. Bu konuyu, yani şarj altyapısının elektrifikasyon açısından anlamını ve şebeke konusunu tartışmayı başka bir sefere bırakıyorum; zira başlı başına derya deniz bir alan bu: Şebekeden şarj olan araçlar olduğu kadar kullanılmadığı anlarda şebekeye enerjiyi geri veren araçlar olabileceğini söylersem özellilkle enerji sektörü açısından nasıl devasa bir teknolojik dönüşümden bahsettiğimiz hakkında küçük bir fikir vermiş olurum sanırım.

Bu açıdan baktığımızda elektrifikasyon konusu otomotiv aşan, enerjinin global sürdürülebilirliği açısından çok daha geniş bir perspektifi anlamak ve yorumlamak gereken bir konu olarak çıkacak karşımıza. Yakında sohbetimize buradan devam ederiz.

Not: Bu yazı Yalçın Arsan’ın 19 Ağustos 2020 tarihli aşağıda linki olan Tweet dizisinden alınmıştır:

Bir Cevap Yazın