İ klim değişikliği probleminin giderek ciddi olarak ele alınmaya OTAM AYLIK BÜLTEN İÇİNDEKİLER. Elektrikli Taşıtlarda CO 2 nin Geleceği

Transkript

1 SAYI 49 EKİM 2013 OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA GELİŞTİRME A.Ş. İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ VAKFI OTOMOTİV SANAYİİ DERNEĞİ TAŞIT ARAÇLARI YAN SANAYİCİLERİ DERNEĞİ OTOMOTİV ENDÜSTRİSİ İHRACATÇILAR BİRLİĞİ İÇİNDEKİLER Elektrikli Taşıtlarda CO2 nin Geleceği 1 Electric Powertrain Development (OTAM) 4 Prof.Dr. Metin ERGENEMAN (*) Elektrikli Taşıtlarda CO 2 nin Geleceği İ klim değişikliği probleminin giderek ciddi olarak ele alınmaya başladığı tarihlerden (1997 Kyoto protokolü) bu yana CO 2 üretiminde dişe dokunur bir azalma (hem mutlak hem de göreceli) sağlanamamış olduğu görülmektedir. Her ne kadar, başlıca rüzgar ve güneş enerjisi kaynaklarının giderek daha çok devreye girmesiyle enerji üretiminde daha belirgin bir iyileşme başlamış olmakla birlikte bu iyileşme, ön sıralardaki sera gazı kaynağı olan ulaşım sektörüne henüz yansımamıştır. Bugün hala ulaştırma sektöründe kullanılan yakıtlar, dünya çapında, % oranında fosil yakıtlar olup, kara yolu taşımacılığının bu tüketimdeki payı da % lar mertebesinde olmaya devam etmektedir. Gerçi gerek içten yanmalı motorların verimlerinde elde edilen iyileşmeler (özellikle dizelleşme ve boyut küçültme downsizing- ile), taşıt ağrılıklarındaki düşmeler ve daha ekonomik çalışan vites kutuları kullanılması sonucu g/km olarak CO 2 üretiminde belirgin bir azalmaya ulaşılmış ise de, henüz 2020 yılından itibaren devreye girmesi planlanan 95 g- CO 2 /km (3,6 l/100 km) lik sınırın hayli uzağında olduğumuz açıktır. Her ne kadar üretici firmaların hemen hepsi birer veya ikişer tane daha şimdiden 95 g-co 2 /km sınırını sağlayan modelleri daha şimdiden üretmiş iseler de, bütün sınıflar (ve özellikle bu sınıfların üretiminin tüketici tarafından talep edilmekte olduğu ve edileceği gerçeği) dikkate alındığında bu sınıra erişilmesi üreticileri zorlayacağa benzemektedir. Örneğin, beklenmeyen bir şekilde, daha şimdiden Almanya dan bu konuda tereddütler ifade edilmeye başlamıştır. Bu problemin çözümüne katkı sağlayacak ilave önlemler çerçevesinde, fosil kökenli olmayan, dolayısıyla karbon içermeyen (Hidrojen gibi) veya karbon içerse bile yenilenebilir olma özelliği nedeniyle net CO 2 üretimi olmayan (Biyodizel, Biyoetanol gibi) alternatif yakıtların kullanımının arttırılması yönünde çalışmalar hızlanmaktadır. Bu çerçevede, halen mevcut yakıt standartlarına (Avrupa Birliği) göre % 7 olan en yüksek biyodizel içeriğinin ve % 10 olan en yüksek biyoetanol içeriğinin arttırılması söz konusudur. Bu şekilde 2020 yılında toplam yenilenebilir yakıt tüketiminin, biyodizelin % 6.6, etanolün ise % 2.2 olmak üzere, %10 a çıkarılması planlanmaktadır. Bu oran Avrupa Birliği ülkelerinde (27 ülke ortalaması) 2010 yılı itibarıyla % 5 kadardır. Hidrojenin ise bu evrede gündeme gelmesi beklenmemektedir. Biyoyakıtların bu mertebelerde kullanılmasında teknik açıdan bir problem yoktur. Üretilen motorların % 10 biyoetanole (E10) olan uyumu daha şimdiden % 85 sağlanmış olup, bu oran 2020 yılından sonra, kümülatif olarak, %96 yı geçecektir (Şekil 1). Amerika Birleşik Devletlerinde bir çok eyalette, motor üzerindeki minör değişiklikle, E15 kullanılmaktadır. Biyodizelde de %10 hatta %15 lik (B10, B15) yakıt kullanımında bir problem yaratmayacak şekilde motor uyumu sağlamak mümkün görünmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları konusunda yatırımlar ve buna bağlı olarak bunların üretimleri de hızla artmaktadır (Şekil 2). Şekil 1- Taşıt-yenilenebilir yakıt uyumu (Bringing Biofuels On the Market, Report, July 2013, Delft)

2 Elektrikli Taşıtlarda CO 2 nin Geleceği Şekil 2- Yenilenebilir enerji kaynaklarında kapasite artışının gelişimi [Renewables 2011 Global Status Report REN21]. Taşıtların elektrikle tahrik edilmesi yönünde yoğun çalışmalar yapılmakta ve bu konuda hızlı ilerlemeler elde edilmekle beraber, elektrikli taşıtların da ticari açıdan hızla yayılması için, özellikle menzil problemlerinin çözülerek ve maliyetlerinin (öncelikle batarya maliyeti) düşürülerek talep edilebilirliğinin artması için bir sürenin geçmesi gerektiği açıktır. Bu problemlerin yanında elektrikli araçların bir handikabı da, CO 2 yönünden getireceği avantajların elektrik üretim faktörlerine, dolayısıyla büyük ölçüde yine fosil yakıt kullanım oranına olan bağlılığıdır. Özellikle 2020 li yıllarda yaklaşık 20 kw elektrik motorlu, şarjlı (plug-in) tam hibrid ve kuru kavramalı otomatik vites kutusu kullanılması ile CO 2 üretiminin 60 g-co 2 /km (depodan-tekere) olabileceği dikkate alındığında, konvansiyonel tahrikle rekabette, elektrik üretim faktörlerinin oynayacağı rolün önemi anlaşılabilir. Burada önemli husus çeşitli yakıt ve tahrik alternatiflerinin karbon ayak izlerinin gerçekçi ve doğru olarak belirlenmesidir. Elektrikle tahrikte kaynaktan-tekere verimi, büyük ölçüde elektrik üretiminin nasıl yapıldığına bağlıdır. Elektrikle tahrikte CO 2 emisyonunun (g-co 2 /km) bulunabilmesi için elektrik üretimi emisyon faktörünün (g-co 2 /kwh veya g-co 2 /MJ) ülkeler bazında bilinmesi gerekecektir. Örneğin İngiltere de bu değer 430 g-co 2 /kwh olarak verilmektedir (elektrik üretimi için başlıca kömür, doğal gaz ve nükleer enerji kullanılmaktadır); Üretiminin %80 den fazlasını fosil yakıtlarla sağlayan ABD de ise 600 g-co 2 / kwh civarındadır. Üretiminin büyük bir kısmını (%70) nükleer enerjiden sağlayan Fransa için de bu değerin düşük olacağı söylenebilir. Analiz için kullanışlı parametreler ise kaynaktan depoya ve depodan tekere ve verimidir. Bugün için, yakıt tüketimi 7 litre/100 km olan bir benzin motorlu araç için enerji tüketimi 231 MJ/100 km veya depodan-tekere etkinliği 0,43 km/ MJ dur. Eğer, ortalama bir değer olarak benzin için kaynaktan-depoya verimi (rafinasyon, nakliye vb.) 0,81 alınırsa kaynaktan-tekere etkinliği 0,35 km/mj olur. Bu ise, benzinin yanmasından kaynaklanan emisyon 72 g-co 2 /MJ olduğuna göre, toplam kaynaktan-tekere 206 g-co 2 /km ye (depodantekere 134 g-co 2 /km) karşılık gelmektedir. Elektrikli araç halinde ise, depodan-tekere CO 2 üretimi sıfır olup kaynaktan-depoya verimi sadece üretiminden kaynaklanan CO 2 Emisyonu Faktörü içindedir. Elektrikli araç için ortalama olarak geçerli depodan-tekere enerji tüketimi 0,2 kwh/km (batarya şarj, deşarj ve elektrik motoru verimleri vb. dikkate alınarak) alınırsa farklı ülkeler için farklı araç CO 2 emisyonları (örneğin ABD için 126 g-co 2 /km, İtalya için 92 g -CO 2 /km) ortaya çıkacaktır. Bu analizlerden çıkarılabilecek sonuç, elektrik üretiminin bileşenlerinin taşıt CO 2 üretimindeki belirleyiciliğinin önemidir. Ancak rüzgar ve güneş gibi kaynaklardan giderek artan oranlarda elektrik elde edilmesi ve tam elektrikli taşıtların yaygınlaşması durumunda ortalama CO 2 üretimlerinin g-co 2 /km ve altına kadar inmesi beklenebilir. Bu açıdan bakınca, elektrikli araçların menzil ve maliyet problemlerinin yanında rüzgâr enerjisinden elektrik üretiminin oranının da eşit ağırlıklı olarak dikkate alınması gerekmektedir. Şekil 3 de dünya rüzgar enerjisi elektrik üretiminin gelişimi verilmiştir. Değişimin logaritmik geliştiği görülmektedir dan sonraki ilk on senedeki artış yaklaşık 7 misli iken, ikinci 10 senedeki atış 17 misli olmuştur yılı itibarıyla dünyadaki rüzgar enerjisi üretiminin paylaşımında ülke bazında ABD % 26.2 ile birinci sırada yer almaktadır. ABD yi % 19.3 ile Çin, % 11.6 ile Almanya, % 9.2 ile İspanya ve % 5.4 ile Hindistan takip etmektedir. Geri kalan ülkeler ise bu üretimde ancak % 28.3 paya sahiptir. Kümülatif kurulu güç açısından ise gelişim Şekil 4 de görülmektedir yılı itibarıyla kurulu güçteki pay açısından ülke bazında Çin % 26.7 ile birinci sırada yer almaktadır. Çin i % 21.2 ile ABD, % 11.1 ile Almanya, % 8 ile İspanya ve % 6.5 ile Hindistan takip etmektedir. Geri kalan ülkeler ise bu üretimde ancak % 26.4 paya sahiptir. Şekil 3- Dünyada rüzgar enerjisinden elektrik üretimin yıllara göre değişimi [Wikipedia] 2

3 Elektrikli Taşıtlarda CO 2 nin Geleceği Şekil 4- Dünyada rüzgar enerjisi kurulu gücünün gelişimi [Wikipedia] Mümkün bir senaryoya göre ise kurulu gücün 2020 yılına olan projeksiyonu yaklaşık 8-9 misli artışı öngörmektedir (Şekil 5). Bazı ülkeler ise daha şimdiden (2011) gerçekten oldukça yüksek oranları yakalamıştır. Örneğin Danimarka elektrik ağına dağıtılan miktar olarak rüzgar enerjisi payını % 28 e çıkarmıştır. Rüzgar enerjisinden üretilen elektriğin süreksizliği ve depolama imkansızlığı dikkate alındığında bu oranın oldukça iyi bir oran olduğu söylenebilir. Bu pay Portekiz de % 19, İspanya da % 16, İrlanda da %16 ve Almanya da % 8 olmuştur. Halen dünya çapında 83 ülke rüzgar enerjisini ticari olarak kullanmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi (fotovoltaik üretim) ise, dünya çapında, kuruluş ve üretim maliyetinin daha yüksek oluşu ve rüzgara göre daha değişken karaktere sahip olması nedeniyle rüzgar enerjisinin oldukça altında kalmıştır. Ancak yine de halen yenilenebilir enerji sınıfında, 2010 yılı itibarıyla, 40 GW ile (Şekil 6) toplam dünya yenilenebilir kaynaklardan elektrik üretiminin kabaca % 20 lik kısmını oluşturmaktadır. Ancak güneş enerjisinin bir diğer artı yönü ise, rüzgar enerjisinin düşük olduğu yaz aylarında ortaya çıkan açığı kapatma kapasitesidir [Renewables 2011 Global Status Report REN21]. Şekil 5- Dünyada rüzgar enerjisi kurulu gücünün gelişimi [Wikipedia] Rüzgar enerjisinden elde edilen elektriğin, 2010 yılı itibarıyla, dünya toplam elektrik üretimindeki payı % 2,5 (460 TWh) olmuştur. Mevcut gelişim eğiliminde göre bu oranın 2018 de % 8 e ulaşması beklenmektedir. Şekil 6- Dünyada güneş enerjisi kurulu gücünün gelişimi [Renewables 2011 Global Status Report REN21]. Sonuç olarak elektrikle tahrikte eğer, dünya ortalaması olarak, 95 g-co 2 /km nin altına inilecekse, elektrik üretim faktörünün yaklaşık 450 g-co 2 /kwh nın altına inmesi, bunun için de, yenilenebilir enerjiden elektrik üretimi payının en az %36 yı bulması gerekmektedir. Eğer gelecekte nükleer enerji payının sıfır olacağını ve hidrolik enerji payının % 16 [Renewables 2011 Global Status Report REN21] civarında olduğunu düşünecek olursak rüzgâr ve güneş enerjisi kullanım oranının, dünya ortalaması olarak, en az %20 i bulması gerekecektir. Bunun da, mevcut gelişme eğilimine göre, 2020 yılını oldukça aşacağı söylenebilir. (*) OTAM A.Ş. Danışman ergene@itu.edu.tr İletişim Bilgileri : İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesi, Motorlar ve Taşıtlar Laboratuarı, OTAM A.Ş Maslak / İstanbul Tel: Eposta: info@otam.com.tr Faks: Web: 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19