Yeni Enerji Çağı, Elektrikli araçlar ve Enerji Depolama Sistemleri

1.      Giriş

Vizontele filminin o meşhur sahnesini hepimiz hatırlayacaktır, Altan Erkekli belediye balkonundan halka son teknoloji olan televizyonun şehirlerine geleceğini müjdelemekte, televizyonun tam olarak ne olduğunu bilmeyen halkada, bunun radyonun resimlisi olduğunu ve Zeki Müren’i hem dinleyip hem izleyebileceklerini söyler, buna karşılık aklımıza kazınan o meşhur cevap ise “Peki Zeki Müren’de bizi görecek mi?” sorusudur. Bir zamanlar belki mümkün olamayacağını düşünmüş olsak da teknolojinin hızlı ilerlemesi sayesinde artık birini dinleyip, onunla konuşup hem de onu görebiliyor ve bunu cebimize sığacak kadar küçük bir aletle yapabiliyoruz. Teknolojinin bu denli hızlı ilerlemesi ve hayıtımızın vazgeçilmez bir parçası olması bizi “Elektrik Kullanımı Çağı” adı verebileceğimiz yeni bir devre sürüklemekte. Bu yeni devirde teknolojinin hızlı ilerlemesiyle beraber yaşadığımız yüzyılda artan büyük çevre felaketleri, küresel ısınma, iklim değişiklikleri; aynı zamanda dünyanın birçok yerinde çevreci kaygıları da artırarak bir “Yeşil Devrim”i de beraberinde getirmektedir. “Elektrik Kullanımı ve Yeşil Devrim” çağında teknolojik yenilikleri üretmeye ve kullanmaya devam ederken, çevrenin de korunması ve daha “yeşil” ve “çevreci” yöntemlerin uygulanması istenmektedir.

Hem yeni teknolojiler için gerekli artan enerji ihtiyacının bir şekilde karşılanması ve bunu yaparken de çevrenin gözetilmesi gerekliliği özellikle güneş, rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi arttırmıştır. Gerçekte de sadece güneş enerjisi bile dünyanın enerji ihtiyacını fazlasıyla karşılayabilecek niteliktedir. Forbes dergisinin[1] yayınladığı bir makalede 2015 yılında dünya toplam enerji tüketiminin 17.3 TeraWatt (günümüzde 18.6 TeraWatt[2] mertebesindedir) olduğu ve sahra çölünün yalnızca %1.2 si olan 335 km ye 335 km’lik bir alanın günümüzde sahip olduğumuz güneş enerji panelleri ile kaplanmasının, dünya enerji ihtiyacının tamamının karşılanmasına yeteceğinden bahsedilmiştir. Bir diğer kaynakta[3] ise dünyamıza düşen 71 dakikalık güneş ışığının tüm dünyanın 1 yıllık enerji ihtiyacını karşılayacak düzeyde olduğundan bahsedilmiştir. Elbette bunu yapmak mümkün olsa bile, 71 dakikada üretilen enerjinin 24 saatlik kullanıma ve dünya geneline yayılması ya da özellikle enerji tüketiminin en çok olduğu fakat güneşin olmadığı akşam saatlerinde de kullanılabilir olması gerekir.

Bunun dışında yine çevreci kaygılarla en çok ön plana çıkan karbon salınımının azaltılması gerekliliği ve bu salınıma en çok katkı yapan içten yanmalı motorlu (İYM) dizel ve benzinli araçların yerine, yine elektrik enerjisinin kullanıldığı Elektrikli araçların kullanılması ön plana çıkmaktadır. Bu amaçla özellikle Avrupa birliğinde İYM’lerin zaman içerisinde yasaklanmasını da içeren bazı düzenlemelerde yapılmaktadır. Elbette elektrikli araçlarda kullanılan enerjinin de yenilenebilir kaynaklardan elde edilmesi durumunda karbon salınımının azaltılması mümkün olabilmektedir.

Tüm bunların sonucu olarak, güneş ve rüzgâr varken üretilen enerjinin bunlar yokken de kullanılması, araçlar için gerekli enerjinin sağlanması, günlük kullandığımız cep telefonu, dizüstü bilgisayar gibi elektronik ürünlerin çalıştırılması, enerjinin depolanması zorunluluğunu ortaya çıkarmaktadır.

2.     Enerji Depolama

Enerji depolama sistemleri dendiğinde teknik olarak Mekanik, Elektrokimyasal, Elektriksel, Kimyasal ve Termal olarak çeşitli ayrımlar yapılabilse de esas olarak dikkat çeken lityum ve vanadyum redoks bataryaları da kapsayan Elektrokimyasal enerji depolama sistemleridir.

Elektrokimyasal enerji depolama sistemleri;

• İkincil bataryalar olarak adlandırılan şarj edilebilir Lityum bataryalar, Kurşun-asit, Ni-Cd, NiMH, Sodyum Sülfür bataryalar ile
• Akış Bataryaları olarak adlandırılan Vanadyum Redoks, Çinko-Bromin akış bataryaları olarak karşımıza çıkmaktadır.

Kullanım alanları olarak incelediğimizde ise belli başlı 3 önemli kulanım alanından söz edebiliriz;

• Tüketici Elektroniği ürünleri; Cep telefonları, Laptoplar, şarjlı el aletleri gibi ürünlerde kullanılan bataryalar
• İstasyoner/Sabit Depolama sistemleri; Bir yerde sabit olarak kurulan ve genelde şebeke elektriğini depolamak için kullanılan lityum bataryalar, vanadyum redoks akış bataryaları, UPS cihazlarındaki batarya gruplarıyla, bireysel tüketicilerin kullandıkları microgrid sistemler
• Elektrikli araçlar; Elektrikli araçlarda kullanılan özellikle lityum iyon bataryalardır.

Tüketici elektroniği ürünlerinde genelde nispeten olgunlaşmış ve sabit bir pazardan bahsetmek mümkündür. Bunun dışında sabit depolama sistemleri de önemli bir büyüme potansiyeline sahip olmakla birlikte, son yıllarda özellikle Çin hükümetinin tüketiciler lehine uyguladığı teşvik politikaları sebebi ile artan elektrikli araçlar talebi, bu pazarın hem günümüzde hem de öngörülebilir gelecekte en önemli pazar olacağını göstermektedir.

3.     Elektrikli Araçlar

Genel bir tanım olarak elektrikli araçlar, elektrik enerjisini depolayabilen bir bataryaya sahip ve hareket etmek için gerekli kinetik enerjiyi tamamen ya da kısmen depoladığı bu enerji ile üreten araçlardır. Elektrikli araçların sadece otomobilleri değil, kamyonları, otobüsleri, motosikletleri, bisikletleri ve hatta trenleri ve gemileri de kapsayan oldukça geniş bir yelpaze olduğunu belirtmek gerekir.

Elektrikli bir aracı diğer araçlardan ayıran 3 temel farklılıktan bahsedilebilir bunlar;

• Elektrik Motor; Elektrikli araçlarda içten yanmalı motorlar yerine Nadir toprak elementlerinin ağırlıkla kullanıldığı kalıcı mıknatıslardan yapılan güçlü elektrik motorları kullanılır.
• Batarya; Motorun gerek duyduğu enerjiyi sağlayan, genellikle lityum bataryadan oluşan bir batarya paketi
• Yazılım – Batarya Yönetim Sistemi (BMS – Battery Managemen System); Bir elektrikli aracın donanımının yanı sıra en önemli unsurlarından bir tanesi; sahip olduğu yazılımıdır. Elektrikli araçlarda kullanılan Lityum bataryalar aşırı şarj, ısınma, darbe konularında oldukça hassas ve tehlikeli olabildikleri için hem aracın tüm sistemleri ile entegresi sağlanırken hem de bataryayı oluşturan her bir hücrenin çok iyi kontrol edilmesi ve izlenmesi gerekmekte, bu da özel olarak geliştirilen yazılımlar ile yapılmaktadır.

Elektrikli araçlar her ne kadar yeni bir konu gibi görünse de, aslında 1828 yılına kadar uzanan oldukça eski bir tarihe sahiptir. İlk küçük ölçekli elektrikli araç geliştirme çalışmaları Macar, Hollandalı ve Amerikalı mucitler tarafından başlatılmış, 1832 yılında İskoç mucit Robert Anderson ilk basit Elektirikli aracı yapmış, fakat prakitleşip yaygınlaşması 1870’leri bulmuştur. Elektrikli araçlar iyi bir pazar payı yakalamış, 1900-1912 yılları arasında Amerika’da satılan her üç araçtan biri elektrikli olmuştu. Fakat 1908 yılında Ford’un petrol yakıtlı aracı Model T’yi üretmeye başlaması ve oldukça düşük satış fiyatı, yolların daha iyi hale gelmesi ve insanları daha uzak mesafelere seyahat etmeye başlamaları, Texas’ta petrolün bulunup, petrol fiyatlarının çok ucuzlaması, yeteri kadar elektrik üretiminin olmaması gibi nedenlerle 1935 yılına gelindiğinde elektrikli araçlar artık yollarda görülemez olmuştu.[5]

Günümüzde ise elektrikli araç denilince Hibrid (Hybrid Electrical Vehicle = HEV), Kablolu Hibrid (Plugin Hybrid Electrical Vehicle = PHEV) ve bataryalı electrikli araç (Battery Electrical Vehicle = BEV) ya da Çin’de genel kabul gören ismiyle Yeni Enerji Araçları (New Energy Vehicle = NEV) terimleri ile karşılaşılmaktadır. Hibrid araçlarda hem içten yanmalı bir motor hemde elektrikli motor bir arada bulunur. Araç düşük hızlarda genelde elektrik motor ve batarya ile, yüksek hızlarda ise içten yanmalı motorla çalışır, bataryalar içten yanmalı motorun çalışması sırasında elde edilen enerji ile şarj edilir. Kablolu hibrid elektrikli araçların bundan farkı, bataryalarının aynı zamanda harici olarak şebekeden de şarj ediliyor olabilmesidir. Bataryalı Elektrikli Araçlar (BEV) ise tamamen elektrikli bir motor ile hareket eden ve gerekli enerjinin tamamını sahip olduğu harici şarj edilebilir bir bataryadan alan araçlar olarak karşımıza çıkmaktadır. Son dönemlerde de ayrıca Hafif Hibrid olarak adlandırılan (Mild Hybrid Electrical Vehicle = MHEV) araçlarda karşımıza çıkmakta, bu araçlarda ise araç hiçbir zaman elektrikli olarak çalışmamakla birlikte içten yanmalı motora yardımcı bir elektrikli motora yer verilmekte, gerekli enerji aracın çalışması sırasında elde edilmektedir. Bu uygulamada asıl amaç %10 lar civarına bir yakıt tasarrufu sağlamaktır.

2019 yılı 1.yarısı Elektrikli araç satışları
Tür	Adet	%
BEV	820,000	27%
PHEV	296,000	10%
HEV	1,370,000	45%
MHEV	564,000	18%
Toplam	3,050,000	100%

Genel olarak elektrikli araç satış rakamlarına bakıldığında Elektrikli araç satışları içerisinde 2019 yılı ilk yarısında Hibrid araçların özellikle Japonya’da %90 ları bulan Pazar payının da katkısıyla dünya genelinde elektrikli araçlar toplam pazarın %45 ini oluşturduğunu, bataryalı elektrikli araçların da %27 seviyesinde olduğu görülmektedir. İlgili dönemde Tesla Model 3, 128 bin adetlik satış rakamıyla en çok satışı yapılan elektrikli araç olmuştur[6]. Bunun yanı sıra Çin’in öncülüğünde Çin, Kanada, Finlandiya, Fransa, Japonya, Meksika, Hollanda, Norveç, İsveç ve Hindistan’ın oluşturduğu Temiz Enerji Bakanlığının (The Clean Energy Ministerial – CEM) başlattığı EV30@30 kampanyası ile 2030 yılında elektrikli araçların Pazar paylarının tüm araç satışları içinde en az %30 olması, bir başka ifadeyle 2030 yılında 43 milyon adet yıllık elektrikli araç satışına ulaşılması hedeflenmektedir[7]. 2018 yılı itibariyle elektrikli araçların tüm araçlar içeresindeki Pazar payı sadece %2,2’dir (ev-volumes.com verileri). Bunun yanı sıra başta Avrupa ülkeleri olmak üzere birçok ülke, daha çevreci olarak kabul ettikleri elektrikli araçlara geçiş için bazı düzenlemeler yapmakta, benzinli ve dizel araçların satışlarını kısıtlamakta, hatta belli bir gelecekte bu araçların satışlarını ve üretimini de durdurmaya yada yasaklamayı planlamaktadırlar.

2030 yılına kadar planlanan başlıca Elektrikli araç ve Lityum Pil yatırımları

	Ülke	Toplam EV (Milyar $)	Sadece Piller (Milyar $)
Volkswagen/Audi/Porche	Almanya	34	57
Daimler (Mercedes/Smart)	Almanya	12	30
Hyundai/Kia	Güney Kore	20
Changan	Çin	15
Toyota	Japonya	0	13.5
Ford	Amerika	11
Fiat Chrysler	Italya/Amerika	10
Nissan	Japonya	10
Renault	Fransa	10
Diğer		64.23	13.3
	Toplam	186.23	113.8

Elektrikli araçlara yapılan yatırımlar son dönemde oldukça dikkat çekici boyutlardadır. Kamuoyuna duyurulan farklı projelerde önümüzdeki on yıl içerisinde elektrikli araçlar ve bataryalarına 300 milyar doları aşan bir yatırım planlanmakta, bunun yaklaşık 114 milyar dolarlık kısmı sadece batarya yatırımlarından oluşmaktadır. Geçtiğimiz aylarda Manisa’ya dizel ve benzinli araç üretmek için 1.4 milyar[8] Euro’luk yatırım yapacağı açıklanan Volkswagen grubunun, 2025 yılana kadar 12 markasına ait 300 farlı modelde elektrikli araçları piyasa sunmak için 34 milyar dolarlık elektrikli araç yatırımı ve 57 milyar dolarlık lityum batarya yatırımı yapacağı, ve bu yatırımın yarısının Çin’e yapılacağı bilinmektedir[9]. Özellikle Avrupalı şirketlerin Elektrikli araçlar ve karbon emisyonunu düşürme yönündeki yatırımlarının hızlanmasında Avrupa birliğinin 2021 yılında uygulamaya başlayacağı emisyon cezaları da etkili olmaktadır. Emisyon standartlarına uymayan araç satışlarından dolayı sadece Volkswagen firmasının Avrupa birliği tarafından 10 milyar dolarlık bir ceza ile karşı karşıya kalacağı hesaplanmaktadır[10].

Elektrikli araçlar konusunda Çin, oldukça agresif bir strateji izlemekte ve özellikle tüketicilere verdiği elektrikli araç satın alma teşvikleri ile başlangıçta araç bedelinin %40 larına varan tutarları karışlayarak bu sektörü, talebi tetikleyerek hızlı bir şekilde büyütmeyi başarmıştır. Dolayısı ile elektrikli araçlar için sadece üreticilerin değil tüketicilerinde desteklenmesi bu sektörün hızlı büyümesini sağlamaktadır. Çin’de yaklaşık 500 şirketin elektirikli araç üretmek için tescil edildiği bilinmekte ve bunların arasında BYD gibi (BYD = Built Your Dreams / Hayallerini inşa et) Waren Buffet gibi yatırımcılarında ortak olduğu oldukça büyük boyutlu şirketler de yer almaktadır[11].

Çin son yıllarda sektörün gelişmesi ve olgunlaşması için uyguladığı tüketici teşviklerini kaldırmakta, buda satışların azalarak devam etmesine sebep olmaktadır. Şüphesiz bu durumun yeni bir rekabet ortamı yaratacağı, rekabet avantajı yada üstünlüğü olmayan firmaların piyasadan silinebileceği, rekabet üstünlüğü olan firmaların yavaşta olsa artan talepten aslan payını alarak gelirlerini arttıracakları sonucunu doğurabilir.  Bunun yanı sıra bir elektirikli aracı oluşturan tipik maliyetler ve payları nelerdir diye bakacak olursak, batarya hücrelerinin yaklaşık %25’lik pay ile araç maliyetlerinin en önemli unsuru olarak karşımıza çıkmakta, bunu %15 ile elektrik motor, %10 ile yazılımıda içine alan batarya entegrasyonu oluşturmaktadır[12]. Diğer maliyet unsurlarının bir çoğu konvansiyonel araçlarda da bulunan kaporta gibi genel maliyet unsurlarıdır. Dolayısı ile bir elektrikli aracın en önemli unsuru sahip olduğu bataryadır ve bu bataryada ağırlıklı olarak Lityum bataryadır.

Elektrikli araçlarda lityum bataryalar bir batarya paketi halinde bulunurlar. Öncelikle cep telefonlarımızda gördüğümüz dikdörtgen şeklindeki prizmatik yada kalem pil şeklindeki lityum bataryaların her birine hücre adı verilir. Bu hücreler belli bir sayıda bir araya getirilerek daha yüksek kapasitedeki batarya modülü üretilir, bu modüllerinde ihtiyaç duyulan kapasiteye göre belli sayıdakileri bir araya getirilip, batarya yönetim sistemi, soğutma sistemi gibi ilgili diğer parçalarda eklenerek batarya paketi haline getirilip, elektrikli araca monte edilir. Dolayısı ile aslında eletrikli araçlarda kullanılan bataryalar, yüzlerce hatta binlerce küçük bataryanın bir araya getirilmesi ile oluşmuştur. Emniyet açısından herhangi bir patlama yada olumsuzluğu engellemek adına her bir hücrenin tek tek şarj, deşarj, ısınma gibi bir çok kriter dikkate alınarak izlenmesi ve kontrol edilmesi gerekir, bu da bahsettiğimiz gibi batarya yönetim sistemi dediğimiz sistemler ve yazılımlarla yapılmamaktadır.

4.     Lityum Bataryalar

Lityum bataryalar temel olarak 4 ana unsurdan oluşmaktadır;

• Bataryanın türüne göre Nikel, Kobalt, Mangan gibi farklı materyallerin boya kıvamına getirilip, özel bir alüminyum folyonun üzerine kaplanmasıyla oluşan “Katot”
• Genellikle sentetik ya da doğal grafitin ya da her ikisinin karıştırılarak boya kıvamına getirilip, özel bir bakır folyonun üzerine kaplanması ile oluşan anot,
• Anot ve katodun birbirine doğrudan temas ederek kısa devre oluşmasını önleyen elektron geçişine izin vermeyen fakat iyon geçişine izin veren poroz/geçirgen yapılı ince seperatör
• Son olarak da lityum iyonlarının katot ve anot arasında geçişini sağlayan genellikle sıvı bir elektrolitten oluşmaktadır.

Lityum bataryalarda anot ağırlıklı olarak grafittir, doğal ve sentetik grafit ayrı ayrı ya da her ikisi birlikte karıştırılarak anot olarak kullanılmaktadır. Anot olarak kullanılacak grafitin çok yüksek saflıkta (>99.9% C) ve çok ince tane boyutunda (10-25 mikron) olması gerekir. Son yıllarda %5-10 arasında silikon da batarya kapasitesini arttırmak için anoda karıştırılmaktadır. Fakat silikonun şarj ve deşarj esnasında aşırı derecede genleşmesi ve sönümlenmesi silikonun kullanımını kısıtlamaktadır.

Lityum bataryalar farklı katot kimyasal bileşimlerine sahiptirler ve genellikle kullanılan katoda göre isimlendirilirler. Hatta son dönemlerde aynı kimyasal bileşimde fakat bu kimyasalların farklı oranlarda kullanıldığı bataryalarda ortaya çıkmış ve bu durum isimlendirmeye de yansımıştır. Örneğin NMC 622 lityum batarya denildiğinde, kullanılan katodun nikel, mangan ve kobalttan oluştuğu, bu katot bileşiminde de 6 birim (%60) nikel, 2 birim mangan (%20) ve 2 birim kobaltın (%20) yer aldığı anlaşılmaktadır. Çok çeşitli katot kimyasalları bulunmakla birlikte başlıca kullanılan katotlar, LCO, LNO, NCA, NMC, LMO, LFP, LTO olarak sıralanabilir. Katot tercihlerini genelde bataryanın kullanım alanına göre bataryadan beklenen emniyet, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, çevrim sayısı ve maliyet gibi unsurlar belirlemektedir. Örneğin LFP bataryalar diğer türlere nazaran daha emniyetli ve ucuz oldukları buna karşın daha düşük kapasitede oldukları için genelde uzun mesafe çalışmayan şehir içi toplu taşıma araçlarında tercih edilmektedir.

İsim	LCO	LNO	NCA	NMC (Yada NCM)	LMO	LFP	LTO
Tam isim	Lityum Kobalt Oksit	Lityum Nikel Oksit	Lityum Nikel Kobalt Aluminyum Oksit	Lityum Nikel Mangan Kobalt Oksit	Lityum Mangan Oksit	Lityum Demir Fosfat	Lityum Titanat
Katot	LiCoO2	LiNiO2	Li(Ni0,85Co0,1 Al0,05)O2	Li(Ni0,33Mn0,33Co0,33)O2	LiMn2O4	LiFePO4	e.g.: LMO, NCA, …
Anot	Grafit	Grafit	Grafit	Grafit	Grafit	Grafit	Li4Ti5O12

LCO (lityum kobalt oksit) birim hacim başına enerji yoğunluğu en fazla olan katot bileşimidir ve daha küçük batarya boyutlarında daha yüksek kapasite sağlar, bu yüzden genelde cep telefonu, laptop gibi cihazlarda kullanılır. NCA (Nikel Kobalt Alüminyum) bataryalar 1990’ların başında geliştirilmiştir, oldukça iyi enerji ve güç yoğunluğuna sahip oldukları için otomobil bataryası olarak özellikle Tesla tarafından tercih edilmektedir. Diğer birçok otomobil üreticisi de genelde NMC türü bataryaları kullanmakta, nikel içeriğinin fazla olması enerji yoğunluğunu arttırmakta ve dolayısıyla aracın daha uzun menzile ulaşmasını sağlamakta, buna karşın bataryayı daha kararsız hale getirerek emniyet risklerini arttırmaktadır.

Katotları Pazar payları olarak incelediğimizde de Nikel, Mangan, Kobalt karışımının ağırlıklı olarak kullanıldığını görmekteyiz. Elektrikli araçların tek şarj ile daha uzun mesafelere gidebilmesini sağlamak için daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryaların üretilmesi gerekliliği özellikle Nikel ve Kobalt ağırlıklı bataryaların üretimine bir yönelmeyi ortaya çıkarmaktadır. Kobalt üretiminin önemli bir kısmının Demokratik Kongo Cumhuriyeti’nden karşılanıyor olması kobalt arz güvenliği konusunda kaygıları da beraberinde getirdiği için NMC katotlarda nikelin ağırlığını arttırarak, kobaltın ağırlığını azaltmakta, fakat yine de artan nikel içeriği ile kararsızlığı artan bataryanın kobalt ile dengelenmesinden ve kobaltın sağladığı emniyet gibi birçok özelliği sebebiyle kullanımını zorunlu kılmaktadır. Katot kimyasalı olarak da kullanılacak Nikel, Kobalt, Mangan gibi materyaller grafitte olduğu gibi yüksek saflıkta ve ince tane boyutunda olmalıdır. Bataryalarda kullanılan Nikel “Sınıf 1” (Class 1) nikel olarak adlandırılır ve kaynaktan itibaren bir kimyasal ürün üretme prosesine tabi tutulur. Bilindiği gibi nikelin önemli bir kısmı ferronikel olarak üretilmekte, fakat ferronikelden batarya kalitesinde nikel üretilmesi hem zor hem de oldukça maliyetli bir prosestir.  Nikel, kobalt, mangan, lityum gibi katot olarak kullanılacak ön maddeler (prekursör) metal olarak değil genelde hidroksit, sülfat, karbonat ve bazı durumlarda da nitrat olarak kullanılırlar. Örneğin NMC bataryalarda kullanılan Nikel ön maddesi, nikel sülfattır. Bu sülfatlar genelde lityum ön maddesi olan lityum karbonat ya da lityum hidroksit ile işleme tabi tutulup, “Lityum Nikel Mangan Kobalt Oksit” katodu elde edilir. Lityum; katot kimyasalların tamamında, ana iyon verici olduğu için bulunmaktadır. Katot kimyasalları farklılıklar gösterse de genel olarak bataryaların, kWh bazında ele alındığında, ağırlıkça yaklaşık yarısını grafit anot, diğer yarısını da katot karışımı oluşturmaktadır. Her bir kWh için gerekli grafit miktarı, gerekli lityum miktarından yaklaşık on kat daha fazladır.

Batarya Katotları element gereksinimleri kg/kWh

	Li	Co	Ni	Mn	C (Grafit)
LCO	0.113	0.959	0	0	1.2
NCA	0.112	0.143	0.759	0	1.2
NMC 111	0.139	0.394	0.392	0.367	1.2
NMC 622	0.126	0.214	0.641	0.2	1.2
NMC 811	0.111	0.094	0.75	0.088	1.2

Her ne kadar farklı katot türlerinden bahsetmiş olsak da, lityum, Kobalt, Nikel, mangan ve grafite ihtiyaç elektrikli araç piyasasının gelişmesi ve talebin artması ile artacaktır. Bu konuda çok çeşitli öngörüler geliştirilse de genel olarak yapılan yatırımlar ve açıklamalara bakıldığında, 2023 yılında lityum pil üretim kapasitesisin 1235 GWh/yıla, 2030 yılında da yaklaşık 2027 GWh/yıl olacağı tahmin edilmektedir, bu kapasite 2018 yılı sonu itibariyle sadece 294 GW civarındadır[14]. Burada en büyük kaygı; hammadde talebinin, hammadde arzından daha hızlı büyüyeceği beklentisidir. Bu durumda hammadde arz güvenliği, yani batarya üretebilmek için gerekli hammaddeleri tedarik edebiliyor olmak, firmaların çözmesi gereken en önemli sorun olarak gözükmektedir.

5.    Diğer Sistemler ve Beklentiler

Yukarıda bahsedilen beklentilere karşın özellikle Bataryalı elektrikli araçlara olan talebin artsa da kısıtlı kalacağını gösteren bazı araştırmalarda bulunmaktadır. KPMG’nin her yıl yaptığı ve 2019 yılı başında 41 ülkeden 981 üst düzey yöneticinin katıldığı “Global Otomotiv Yöneticileri Araştırması[15]” özellikle fiyat, elektrikli araç şarj deneyimleri ve tek şarjla gidilebilecek mesafe gibi kaygılardan dolayı tüketicilerin bataryalı elektrikli araçlara (BEV) yeteri kadar rağbet etmeyeceği dolayısı ile 2040 yıllarında BEV talebinin %30 larda olacağı, kablolu hibrid araçların ve yakıt pili kullanan araçların her birinin pazar paylarının da BEV e yakın %25’ler seviyesinde olacağı sonucundan bahsetmektedir. 2018 yılı itibariyle tüm elektrikli araç türlerinin toplam araç satışları içerisindeki Pazar paylarının sadece %2,2 olduğu göz önüne alındığında bu her halükârda BEV ve PHEV talebinden dolayı batarya talebinin artacağı dolayısı ile hammadde konusunun hala bir sorun olarak karşımıza çıkacağı gerçeğini değiştirmemektedir.

Bunun yanı sıra yakıt pili teknolojilerinin dolayısı ile hidrojenin de önemli bir yer tutacağı beklentisi üzerinde durulması gereken bir konudur. Yakıt pilleri birçok farklı türleri olmasıyla beraber temelde; hidrojenin, oksijen ile reaksiyona girmesi sonucunda enerji üreten cihazlardır. Yakıt pilleri çevre ve gürültü kirliliğine neden olmamaları, hareketli parça içermemeleri ve fosil yakıtlardan daha yüksek dönüşüm elde edilebilmeleri gibi avantajlara sahiptir. Yakıt pili sistemleri yakıt pili türüne bağlı olarak yaklaşık %40¬60 verime sahiptir, açığa çıkan ısının değerlendirildiği durumlarda ise toplam verim %80’e kadar artmaktadır. Yakıt pili, teorik olarak yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece elektrik enerjisi üretme yeteneğine sahiptir[16]. Buradan da anlaşılacağı üzere yakıt pili teknolojisi bir enerji depolama sisteminden daha çok hidrojen kaynaklı bir enerji üretme sistemidir. Bilindiği üzere 2009 yılında BOREN’in desteği ile Tübitak MAM’da başlayan çalışmalar neticesinde 2011 yılında bor ile çalışan yerli otomobil tanıtımı yapıldı[17]. Burada kullanılan sistem yine yakıt pilinin yer aldığı, hidrojen kaynağı olarak da Sodyum Borhidrür’ün kullanıldığı bir sitemdi. Bor bilindiği gibi iyi bir hidrojen depolayıcısıdır, bordan elde edilen sodyum bor hidrür kimyasalı bir efervesan tablet gibi suya atıldığında çözünerek bünyesindeki hidrojeni serbest bırakmakta, hatta sudaki hidrojenin bir miktarını da açığa çıkararak yüksek potansiyelli hidrojen kaynağı oluşturmaktadır. Bu sistemin atığı ise hidrojen ve oksijenin birleşiminden oluşan bir su buharı ve Bor hidrürün reaksiyonundan arta kalan sodyum metaborattır, atıkların tekrar değerlendirilmesi de mümkün olabilir. Bu sistemin ekonomik olarak çalışması sağlanabildiğinde sadece elektrikli araçlar değil, genel enerji ihtiyacını karşılamakta da önemli olabileceği düşünülebilir. Dünya bor rezervlerinin önemli bir kısmının da ülkemizde olduğu düşünülecek olursa, yakıt pili teknolojileri ülkemiz için önemli olabilecek bir teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır.

Bunun dışında özellikle şebeke seviyesinde enerji depolama sistemi olarak Vanadyum Redox bataryalarda ön plana çıkmaktadır. Gerek bakım gerektirmemesi, oldukça emniyetli olması ve gerekse uzun ömürlü olması nedeniyle vanadyum pentoksit kullanılarak yapılan akış bataryaları yenilenebilir enerji kaynakları ile birlikte kullanıma sunulmaktadır.

Bunların dışında da farklı batarya türleri, farklı kimyasal anot ve katot karışımları araştırma seviyesinde hatta belli bir ölçekte uygulama seviyesinde de karşımıza çıkmaktadır. Fakat yeni bir teknolojinin ya da mevcut sistemlere alternatif bir sistemin (özellikle elektrikli araçlarda kullanımı için) belli koşulların yerine getirilmesi gerekmektedir;

• Yeni bir teknoloji ya da alternatif anot ve katot teknolojileri mevcut teknolojilere nazaran çarpıcı bir yenilik ya da buluş içermeli, örneğin diğer tüm batarya özelliklerini koruyarak sadece birkaç dakikada şarj olabilen bir pil çarpıcı bir yenilik olarak kabul edilebilir
• Bu çarpıcı yenilik ya da buluşla birlikte bu yeni teknolojinin maliyet anlamında da mevcut teknolojilerle aynı ya da daha düşük maliyetlere sahip olması gerekir.

Tüm bu koşullar oluşsa dahi yeni bir teknolojinin mevcut teknolojinin yerini alması ve endüstrileşmesi oldukça uzun bir süre almaktadır. Ayrıca otomotiv endüstrisinde normalde de çok sıkı olan kalite onay süreçleri, batarya grubunda hem daha katı hem daha uzundur. Bilindiği üzere Tesla’nın ABD’de bulunan fabrikası için batarya tedarikçisi Panasonic, Panasonic’in katot tedarikçisi Hitachi Chemical, anot tedarikçisi Mitsubishi Chemical’dır. Daha önceki tecrübemde Tesla araçlar için ürettiğimiz yarı işlenmiş anot malzemenin Mitsubishi ile yaptığımız kalite onay süreçleri 4 yılı aşan bir sürede gerçekleşebilmişti. Sizin tedarik ettiğiniz anot ya da katot ile önce düğme boyutunda batarya, sonra hücre boyutunda, en son ise araçta kullanılan boyutta batarya paketi yapılıp test edilir ve bu testler birkaç defa tekrar edilir. Sadece şarj deşarj testi yapmak isteseniz ve 7000 çevrim için bu test edilse, ortalama 1 saatte tam şarj ve deşarj yapılabilse bile sadece bu test 7000 saat yani yaklaşık 10 ay sürmekte. Üstelik sadece ürün değil, ürünün üretildiği fabrika, üretim prosesi, üretimde kullandığınız makinalar ve bu üretimden sorumlu üretim, kalite kontrol mühendisleri de bu süreçte onay alır. Bunlardan bir tanesinin dahi değişmesi kalite onay sürecinin kısmen ya da tamamen yenilenmesi demektir. Dolayısı ile tamamen yeni teknolojilerin uygulanması yerine öncelikle mevcut teknolojilerin verimliliklerinin arttırılması, bazı küçük değişikliklere tabi tutulması daha yaygın olarak karşımıza çıkmaktadır. Örneğin lityum bataryalarda daha yüksek enerji yoğunluğu ve kapasite için sıvı elektrolitin yerine katı elektrolitin kullanılması ile daha iyi sonuçlar elde edilebileceği ortaya konarak, bir sonraki aşamada “Solid State Battery” denilen katı elektrolitli bataryalar ile karışlama olasılığımız daha yüksek görünmektedir.

6.    Sonuç

Gelişen teknoloji ile hayatımıza giren birçok teknolojik ürün elektrik kullanımı çağı adı verilen yeni bir dönemi ortaya çıkarmış ve elektriği de hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline getirmiştir. Artan elektrik ihtiyacının bir şekilde karşılanması gerekliliği ile birlikte küresel ısınma, karbon emisyonu, artan büyük doğa olayları (fırtınalar, seller) aynı zamanda çevreci kaygılarında arttığı bir dönemle birleşerek yeşil devrim denilebilecek bir dönemi de yaratmıştır. Tüm bunların bir sonucu olarak yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelme ve bunun gerektirdiği enerji depolama ihtiyaçları, karbon emisyonunun azaltma yönünde elektrikli araç kullanımının yaygınlaşması ve yine bu araçlar tarafından ihtiyaç duyulan enerji depolama sistemleri batarya teknolojilerinin de hızlı bir gelişimini ve bu alana yüzlerce milyar dolarlık yatırımları da beraberinde getirmiştir.

Tüm bunların gerçekleşebilmesi için de yine bu teknolojilerin üretilmesini ve kullanılmasını mümkün kılan gerekli altyapıların ve hammadde kaynaklarının da aynı hızda geliştirilmesi gerekmektedir. Elektrikli araçların satışlarının artışı ile birlikte, şarj altyapılarının ve istasyonlarının da aynı hızda geliştirilmesi gerekir. Ülkemizde de örneğin 20 adet elektrikli aracın aynı noktada araçlarını şarj etmesi şebekeye büyük bir yük getirip tüm şebekenin çökmesine sebep olabilecek vahim sonuçlar doğurabilir. Bunun bir önlemi olarak bu tip istasyonlara da süperkapasitör ve büyük boyutlardaki bataryalardan oluşan sistemler kurulmakta, araçlar için gerekli şarj doğrudan şebekeden yapılmayıp büyük boyutlu bataryaya depo edilen elektrikten yapılmakta dolayısı ile bir teknolojinin gelişimi diğer teknolojilerin kullanımını da arttırmaktadır.

Söz konusu teknolojilerin gelişmesi ve üretilmesini mümkün kılan diğer bir önemli hususta hammaddelerdir. Daha önce de bahsedildiği gibi bir elektrikli aracın en hayati parçası bataryası ve motorudur. Bataryaların üretilebilmesi için grafit, nikel, kobalt, lityum gibi hammaddelerin de üretilmesi ve sadece üretiminden ziyade bataryalarda kullanılabilecek yüksek saflık ve kaliteye çıkarılması gerekmektedir. Dolayısı ile madencilik anlamında gerekli hammaddelerin bulunup çıkartılması ile birlikte bunları işleyecek teknolojilerinde geliştirilip uygulanması gerekmektedir. Çin’in uyguladığı katmadeğeri yüksek ürünler üretme stratejisi bu yaklaşımın bir sonucudur.

Nadir Toprak elementleri konusunda uzman Curtin Universitesinden Prof. Dudley J. Kingsnorth nadir toprak elementleri konusunda buna oldukça iyi bir örnek vermektedir[18].

Bu örnek bataryalarda kullanılan bir çok hammadde içinde geçerlidir, buna göre eğer sadece nadir toprak elementleri oksitlerini üretir ve satarsanız 4 milyar dolarlık bir Pazar büyüklüğünden bahsedilebilir, fakat bu nadir toprak elementlerini mıktanıs gibi bir ürüne dönüştürürseniz 40 milyar dolarlık bir pazardan, mıknatıslada kalmayıp bir komponent bir parça üretirseniz örneğin elektrik motor gibi 400 milyar dolarlık bir pazardan, elektrik motorlada kalmayıp örneğin bu motorla bir araba yaparsanız 4 trilyon dolarlık bir pazardan bahsetmek mümkün olabilir.

Kaynakları geliştirerek 1000 kata kadar bir katma değer yaratmak hem finansal kazanç hemde sağlayacağı rekabetçi üstünlük açısından oldukça önemlidir.

27 Aralık günü ülkemizde de Yerli Elektrikli Otomobilin ilk tanıtımı ve gösterimi yapıldı, her ne kadar teknik detay verilmese de bataryalarının da TOGG tarafından geliştirildiği açıklandı. Bu ülkemiz için oldukça önemli bir adım ama daha öncede bahsettiğimiz gibi bir elektrikli aracın en büyük maliyet unsuru bataryası ve motorudur, bu süreçte batarya ve motor üretiminin ana bileşenlerinin de hammaddeden nihai ürüne varıncaya kadar mümkün olduğunca yerli kaynakların geliştirimesi ile sağlanması, yerli eletrikli otomobile hem rekabetçi bir üstünlük sağlayacak hemde yerli kaynakların katma değeri yüksek ürünlere dönüştürülmesini bebarerinde getirecektir. Tüm bunların bir bütün olarak beraber ele alınması gerekir. Bilindiği gibi ülkemizde cep telefonları da üretilmekte, yurtiçinde belli Pazar payları ve satış rakamları yakalanmış olsa da uluslararası tercih edililirlikleri maalesef diğer dünya markalarına nazaran oldukça düşüktür. Fakat elektrikli araçlar pazarı hala gelişme aşamasında olan, hızlı büyüyen ve oldukça büyük bir potansiyele sahip yeni bir pazar olarak durmakta. Yerli otomobilin nikel, kobalt, grafit, lityum, nadir toprak elementleri gibi yerli kaynakların geliştirilmesi ve üretilmesi ile desteklenmesi, hem rekabetçi üstünlük yakalanması hemde uluslararası piyasadan önemli bir Pazar payı elde edilebilmesi için önemli bir fırsat olarak önümüzde durmaktadır.

Kaynaklar

---

[1] https://www.forbes.com/sites/quora/2016/09/22/we-could-power-the-entire-world-by-harnessing-solar-energy-from-1-of-the-sahara/#492b1d84d440

[2] https://yearbook.enerdata.net/total-energy/world-consumption-statistics.html

[3] https://www.theworldcounts.com/counters/interesting_facts_on_energy/solar_energy_facts_and_information

[4] https://www.navigantresearch.com/reports/energy-storage-tracker-2q19

[5] https://energy.gov/articles/history-electric-car

[6] http://www.ev-volumes.com/country/total-world-plug-in-vehicle-volumes/

[7] International Energy Agency, Global EV Outlook 2019, Mayıs 2019.

[8] https://www.dunya.com/sirketler/volkswagenden-manisa-sonrasi-bir-hamle-daha-haberi-455934

[9] https://graphics.reuters.com/AUTOS-INVESTMENT-ELECTRIC/010081ZB3HD/index.html

[10] https://www.kitco.com/commentaries/2019-12-20/Clean-energy-might-be-the-future-but-there-is-no-game-plan-how-the-PGMs-stand-to-break-out.html

[11] https://knowledge.wharton.upenn.edu/article/chinas-ev-market/

[12] https://drivetrain-symposium.world/typical-manufacturing-costs-of-a-battery-electric-vehicle-did-you-know-3/

[13] Olivetti A., Ceder G., Gaustad G., Fu X. “Lithium-Ion Battery Supply Chain Considerations: Analysis of Potential Bottlenecks in Critical Metals”, Joule, Cilt 1, Sayı 2, Sf 231

[14] Benchmark Mineral Intelligence, “Battery Raw Material Supply Chains in the Age of the Megafactories”, US Dept of Energy Roundtable, NREL, 25 Eylül 2019

[15] https://automotive-institute.kpmg.de/GAES2019/megatrends-beyond-the-obvious

[16] http://ee.mam.tubitak.gov.tr/tr/arastirma-alanlari/yakit-pili-teknolojileri

[17] https://www.sabah.com.tr/otomobil/2011/11/07/bor-ile-calisan-ilk-yerli-oto-test-edildi

[18] https://investorintel.com/investorintel-video/rare-earths-exports-from-china-will-cease-someday-and-we-need-to-prepare-says-kingsnorth/