IDTechEx’in “Geleceğin Sürdürülebilir Havacılığı 2025-2045: Trendler, Teknolojiler, Tahminler” başlıklı raporuna göre hidrojen, havacılık sektörünün karbonsuzlaştırılmasında ana rakiplerden biri olacak. Rapor, hidrojenli ticari yolcu uçağı pazarının 2045 yılında 20 milyar ABD Dolarını aşacağını ortaya koyuyor. Ancak, sektörün önemli karbon azaltımlarını kutlayabilmesi için uçaklarda kullanılan teknolojinin ve hidrojen kaynağının dikkatle değerlendirilmesi gerekiyor. Eğer yanlış yapılırsa, hidrojen uçakları çevre için mevcut jet yakıtıyla çalışan uçaklardan daha kötü olabilir.
H2ICE ve hidrojen yakıt pili ile çalışan Boeing 777-9’da bir saatlik uçuş için jet yakıtına kıyasla farklı hidrojen kaynaklarının karbon ayak izinin varsayımsal örneği. Kaynak: IDTechEx Hidrojenle çalışan ticari uçakların geliştirilmesi ve işletilmesi söz konusu olduğunda havacılık şirketlerinin göz önünde bulunduracağı üç temel konu ve seçenek vardır:
Hidrojenle çalışacak şekilde uyarlanmış geleneksel jet motorlarının mı yoksa yakıt hücreli elektrikli güç aktarma organlarının mı kullanılacağı Kriyojenik olarak soğutulmuş sıvı hidrojen mi yoksa basınçlı hidrojen gazı mı kullanılacağı Hidrojenin kaynağının ne olması gerektiği, aynı zamanda rengi olarak da adlandırılır. Bu kararların sonucu, bir hidrojen uçağının işletilmesinin karbon ayak izini, uçağın potansiyel menzilini ve dolayısıyla jet yakıtıyla çalışan rotaların yerini alma kabiliyetini etkileyecektir. Her aşamada yanlış kararlar vermek, havacılık sektöründen kaynaklanan sera gazı emisyonlarının azaltılmasında gerçek bir etki ile hidrojen uçaklarının bir yeşil yıkama egzersizi haline gelmesi arasındaki fark olabilir.
Hidrojen içten yanmalı vs hidrojen yakıt pili
Hidrojen içten yanmalı veya H2ICE muhtemelen Pratt & Whitney, General Electric ve Rolls-Royce gibi mevcut motor tedarikçilerine çok cazip gelecektir. Hidrojene uygun hale getirmek için yakıt sistemi ve enjektörlerde nispeten küçük değişikliklerle mevcut jet türbinli motorlarla büyük ölçüde aynı tasarım ve bileşenleri kullanır. İşletme ve bakım mevcut modele çok benzeyeceğinden Boeing ve Airbus için de cazip olacaktır. Dezavantajı ise jet motorlarının yakıt hücreli elektrikli güç aktarma organları kadar verimli olmayacağıdır. Aslında, yakıt hücreli uçak aynı miktarda hidrojen için yaklaşık %50 daha fazla menzil elde edecektir. Başka bir açıdan bakıldığında, her ikisinin de karbon-nötr olmayan bir hidrojen kaynağı kullandığı varsayıldığında, H2ICE uçağı yakıt hücreli elektrikli uçakla aynı yolculuk uzunluğu için %33 daha fazla karbon üretecektir. Aslında verimlilik farkı o kadar büyüktür ki, yakıt hücresiyle çalışan bir uçak, aynı miktarda hidrojen için H2ICE uçağından yaklaşık %50 daha fazla menzil elde edecektir. Bir başka açıdan bakıldığında, her ikisinin de karbon-nötr olmayan bir hidrojen kaynağıyla beslenmesi durumunda yakıt hücreli uçağın karbon ayak izi %33 daha düşük olacaktır.
Yakıt hücreli elektrikli uçakların da kendine has zorlukları olacaktır ve çözülmedikleri takdirde ilk etapta bu uçaklar kullanılamaz hale gelebilir. En önemli zorluklardan biri yakıt hücresinin uzun ömürlü olması. IDTechEx’in “Geleceğin Sürdürülebilir Havacılığı 2025-2045: Trendler, Teknolojiler, Tahminler” başlıklı raporuna göre Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMFC’ler) hidrojen uçaklarında kullanılması en muhtemel yakıt hücresi türüdür. Ana avantajı, diğer yakıt hücresi türlerine göre güç yoğunluğudur. Bununla birlikte, diğer teknolojilere ve jet türbin motorlarına kıyasla çok kısa bir kullanım ömrüne sahiptir. Yakıt hücresinin her 18 ayda bir değiştirilmesi gerekebilir ve bu da havayolları için arıza süresini ve bakım maliyetlerini artırabilir. IDTechEx’in raporunun tamamı, toplam sahip olma maliyeti, ulaşılabilecek potansiyel menziller ve karbon ayak izi farklılıkları da dahil olmak üzere H2ICE ve yakıt hücreli elektrikli seçenekler arasındaki denge ve uzlaşmalar hakkında daha fazla ayrıntıya giriyor.
Sıvı hidrojene karşı basınçlı hidrojen
Bir yakıt olarak hidrojenle ilgili en büyük temel sorun hacimsel enerji yoğunluğudur. Aynı enerji içeriği için jet yakıtından yaklaşık üç kat daha hafif olduğu için bazı insanlar gravimetrik yoğunluğu konusunda çok heyecanlanacaktır. Dezavantajı ise oda sıcaklığı ve basıncında aynı enerji için jet yakıtından yaklaşık 3.000 kat daha fazla yer kaplamasıdır. Bu nedenle, kullanılabilir bir hacimsel enerji yoğunluğuna ulaşmak için basınçlandırılması veya sıvılaştırılması gerekir.
700 bar’da hidrojen, jet yakıtının hacimsel enerji yoğunluğunun yaklaşık 1/6’sına sahiptir, yani aynı tank alanı mevcutsa, sadece yaklaşık 1/6’sı kadar menzile sahip olacaktır, belki bir yakıt hücresi kullanarak biraz daha fazla. Hacimsel enerji yoğunluğu için en iyi seçenek sıvılaştırmadır. Bir sıvı olarak hidrojen, aynı enerji için yaklaşık dört kat daha fazla hacim kaplar. Bir yakıt hücresi ile birleştiğinde bu, normal bir jet uçağının menzilinin yaklaşık %37’sine ulaşarak menzil için en iyi durumu verir. Ancak hidrojenin -250°C’de (-420°F) tutulması gerekmektedir ki bu da havaalanında depolama ve uçağa kriyojenik soğutma sistemlerinin eklenmesi gibi zorlukları beraberinde getirecektir. Uçaktaki herhangi bir sistemin yedeklilik için çoğaltılması gerekeceğinden bahsetmiyorum bile. IDTechEx’in raporunun tamamı, basınçlı ve sıvı hidrojen arasındaki dengeleri ve bunun menzil üzerindeki etkisini daha ayrıntılı olarak açıklıyor.
The color of hydrogen
Hidrojen ve yakıt olarak potansiyel kullanımıyla ilgili bir diğer yaygın tartışma konusu da evrende en bol bulunan element olduğudur. Bu doğru olsa da, diğer bileşiklerin içinde hapsolma veya sadece gaz olarak kaçma gibi sinir bozucu bir alışkanlığı vardır. Durum böyle olduğu için hidrojen üretmek oldukça zor olabilir.
Günümüzde hidrojenin büyük bir kısmı gri ve siyah kaynaklardan elde edilmektedir. Gri kaynakta hidrojen doğal gazdan sıyrılmakta, geriye kalan karbon oksijenle birleşmekte ve atmosfere CO2 salınmaktadır. Siyah renkte, hidrojen kömürden sıyrılır ve bu da atmosfere CO2 salınımına yol açar. Genel CO2 ayak izini azaltmak söz konusu olduğunda bunların her ikisi de korkunç çözümlerdir. IDTechEx’in raporu, yakıt hücresindeki gri hidrojenin jet yakıtına kıyasla %27 karbon tasarrufu sağladığını; gri, siyah, yakıt hücresi ve H2ICE’ın diğer tüm kombinasyonlarının ise daha kötü olduğunu ortaya koyuyor. H2ICE’de kullanılan siyah hidrojen, jet yakıtının iki katı karbon ayak izine sahiptir.
Hidrojenin çevreye jet yakıtından daha fazla zarar vermemesini sağlayan tek gerçekçi seçenekler yeşil ve mavi hidrojendir. Yeşil hidrojende, sıfır emisyonla (üretim noktasında) hidrojen üretmek için yenilenebilir kaynaklardan elde edilen suyun elektrolizi kullanılır. Mavi griye benzer, ancak CO2 üretim sürecinde yakalanır ve griye kıyasla sera gazı etkisinde ~%95’lik bir azalmaya yol açar. Mavi ve yeşil hidrojenin dezavantajı, gri ve siyaha göre önemli ölçüde daha pahalı olmalarıdır. Eğer bu durum düzelmezse, havayolu şirketleri genel sera gazı emisyonlarını benzer seviyelerde tutmak, yeşil ve mavi hidrojenin yüksek fiyatını absorbe etmek veya bilet fiyatlarını artırmak arasında zor bir seçimle karşı karşıya kalacaktır.
Hidrojen, hava yolculuğunun karbonsuzlaştırılması için gerçekçi bir yol sunarken ve bataryalı elektrikli seçeneklere göre önemli bir menzil iyileştirmesi sağlarken, bu yolculuk zorlu olacak. Havacılık ve uzay şirketleri, motor üreticileri ve havayollarının tahrik teknolojisi, depolama durumu ve hidrojen kaynağı konusunda bazı zorlu seçimler yapması gerekecektir. IDTechEx’in “Geleceğin Sürdürülebilir Havacılığı 2025-2045: Trendler, Teknolojiler, Tahminler” raporu, hidrojen havacılığına ilişkin seçeneklerin ayrıntılı bir teknik analizini sunmaktadır. Rapor, bu alanlarda rehberlik sunmakta, IDTechEx’in hidrojen havacılık endüstrisinin nereye gittiğine dair görüşünü vermekte ve bu yeni teknolojilerin alımını tahmin etmektedir.
