Elektrikli otomobil teknolojisi hakkında bir değerlendirme

Öncelikle, günümüzde kullandığımız çoğu arabaya hareket kabiliyetini veren içten yanmalı motorlara bir övgüyle başlayalım. Bu motorlar gerçekten de övgüyü hak ediyor, çünkü mühendislik kökenli çoğu insanın hemfikir olacağı üzere, kusursuz bir orkestra ahengiyle çalışan, muhteşem bir makineden bahsediyoruz: Dakikada yapılan binlerce devir sırasında kusursuz bir ahenkle açılıp kapanan valfler, çakan kıvılcımlar, pistonların inanılmaz devinimi ve krank biyel mekanizmasıyla, çıplak gözle çalışmasına tanık olduğunuzda hayran kalacağınız, yıllar boyu süren çalışmalarla bugünkü performansına ulaşmış bir teknoloji var karşımızda.

Fakat bu mühendislik harikasının, maalesef pek harika olmayan yönleri de var. Her şeyden önce, yakıttan gelen enerjiyi devinime dönüştürmek için tasarlanan bu teknoloji çok karmaşık. Ve bu karmaşıklık, motor içinde açığa çıkan enerjinin çoğunun ziyan olmasına yol açıyor. İyi bir verimle çalışan bir içten yanmalı motorda bile, yakıttan gelen enerjinin sadece yaklaşık %30’luk bir kısmının kullanılabildiğini görüyoruz. Enerjinin geri kalan kısmı ısı ve ses halinde harcanıp gidiyor. Bu kayıplar aslında o kadar ciddi bir boyutta ki, motorun arabayı hareket ettirebilecek kadar tork üretebilmesi için, yani kendi içindeki kayıpların üstesinden gelip de arabayı hareket ettirebilmesi için, bir dakika içinde yüzlerce defa devinim yapabileceği bir hızda çalışıyor olması gerekiyor. Bu nedenle arabanızı çalışır vaziyette durduğunuzda, yani rölantide, motorun 750-900 RPM gibi bir devirde çalıştığını görüyorsunuz.

Bir başka problem ise, motorun üretebildiği en yüksek torkun, sadece dar bir devir aralığında elde edilebiliyor olması. Bu maksimum tork değerini elde edene kadar, motorun birkaç bin RPM’lik bir devire çıkması gerekiyor. Bu devire ulaştıktan sonra ise, torkun tekrar düştüğünü görüyoruz.

Elektrikli motorda farklı olan ne?

Her şeyden önce çok daha basit bir teknoloji var karşımızda. Elektriği mekanik enerjiye çeviren basit bir elektrik motorunda, içten yanmalı motorun aksine, sadece tek bir dönen parça bulunuyor: Rotor. Rotorun zaten dönerek çalışıyor olması, içten yanmalı motorda olduğu gibi doğrusal piston hareketini dönme hareketine çevirmek için ekstra bir tasarım yapılmasına gerek bırakmıyor. Ayrıca içten yanmalı motorda olduğu gibi senkronize çalışması gereken parçalar da bulunmuyor. İş basitleştikçe, kayıplar azalıyor. Tesla’nın yayımladığı değerlere göre, Roaster modeli ortalama %88 gibi, oldukça yüksek bir verim değerinde performans gösterebiliyor.

İçten yanmalı motorun aksine, elektrikli motorlar herhangi bir devir değerinde tork üretebiliyorlar. Çünkü elektrik motorlarında sürtünmeye dayalı kayıpları görmüyoruz. Gaza dokunduğunuz anda, üretilen devinim harekete aktarılabiliyor. Yine Tesla’dan bahsedecek olursak, Roadster modeli için açıklanan değerlere göre, 6000 RPM gibi yüksek motor devirlerine kadar tork en yüksek değerinde kalabiliyor. Elektrik motorundan elde edilen tork aralığı bu kadar geniş olunca, ister istemez vites de gereksiz bir teknoloji haline geliyor. Arabayı kaldırdıktan sonra en yüksek hıza çıkana kadar sadece tek bir vites kullanmanız yeterli oluyor.

Aşağıdaki videoda, Tesla’nın 85D modelinin sahip olduğu bu hızlanma becerisinin insanlar üzerinde nasıl bir etki yarattığını görebilirsiniz.

İçten yanmalı motorlara haksızlık etmeyelim: Yukarıda bu makinelerin ihtişamına kısa bir vurgu yapmıştık. Ama görünen o ki bu ihtişam, aynı zamanda bu görkemli makinelerin performansına olumsuz yansıyor. Bu kadar karmaşa, ister istemez artan enerji kayıplarına ve sınırlı performans becerisine yol açıyor.

İki farklı motor, iki farklı çalışma prensibi

Elektrikli motora sahip bir araçla, içten yanmalı motora sahip bir araç arasındaki fark sadece motorlarından ibaret değil. Örneğin az önce, elektrikli motorun üretebildiği geniş tork aralığı sayesinde vitese gerek olmadığını söylemiştik. Sadece fark bile, koca bir vites kutusunun, debriyaj balatasının ortadan kalması anlamına geliyor. Eksilen parça sayısı bunlarla sınırlı da değil: Motorun çalışması için gereken pistonlar, biyel kolları gibi parçalar bir yana, gaz tankı, egzoz sistemi, yağ ve su pompaları gibi birçok parçaya da elektrikli motora sahip araçlarda gerek kalmıyor. Yani ilk bakışta değişen sadece motormuş gibi görünse de, aslında elektrikli araçlarda, yakıtla çalışan araçlara göre ciddi miktarda bir parça değişikliğinin söz konusu olduğunu anlıyoruz. Bu parça değişikliğinin aslında ne kadar ciddi bir boyutta olduğunu anlamak için, aşağıda resme bir göz atalım:

Yukarıdaki resimde üstte, içten yanmalı bir motora sahip bir dört çeker bir jipin, altta ise Tesla’nın X modelinin şaşisi gösteriliyor. Bu görsel üzerinde Tesla’yı bir dört çeker ile kıyaslamayı tercih etmemin nedeni, altta resmi gösterilen Tesla X’in de bir dört çeker olması (ön ve arkadaki motorlara dikkat ediniz). Bir binek arabayı bile dört çeker haline getirebilen bu teknolojinin ne kadar yalın ve basit olduğu herhalde bu resimlerde açıkça görülüyor. Bu basitlik sayesinde hem arabanın hafiflemesi, hem de sistemin yalınlaşması sağlandığı için elektrikli araçlarda enerji kayıpları ciddi oranda azaltılabiliyor.

Elektrikli araçlar gerçekten çevre dostu mu?

Elektrikli araçlar yakıt kullanmadıkları ve karbon dioksit salınımı yapmadıkları için, doğal olarak benzinli ya da dizel araçlara kıyasla çok daha çevre dostu bir teknoloji olarak kabul ediliyor. Fakat bu görüntünün yanıltıcı olduğunu iddia eden bazı çevreler de var. Elektrikli araçlara yöneltilen bu eleştirinin temel argümanı şu şekilde: Elektrikli araçlar fosil yakıt tüketmiyor ve dolayısıyla karbon dioksit salmıyor olsalar da, özellikle kömür santrallerinde üretilen elektrik dikkate alındığında, bu santrallerde salınan karbon dioksit nedeniyle, aslında elektrikli araçlar da çevreye benzer şekide zarar veriyor.

Çevre hassasiyetleri nedeniyle elektrikli araçlardan soğumaya başlayanlar için hemen söyleyelim: Bu tam anlamıyla doğru bir argüman değil. Sağlıklı bir değerlendirme yapabilmek için, bu noktada arabanın tükettiği enerjiyi, enerjinin üretildiği andan itibaren takip etmemiz lazım (well-to-wheel). Yani elektrikli araç hareket halinde karbon dioksit üretmiyor olsa da, aracın kullandığı enerjinin üretimi sırasında üretilen karbon dioksit miktarına da dikkat etmemiz gerekiyor.

Eğer araç kömür santralinde üretilen elektriği tüketiyorsa, o zaman elbette çevreye karbon dioksit emisyonu gerçekleşiyor. Fakat bu noktada bile, elektrikli araçların daha avantajlı olduğunu söylememiz gerek: İçten yanmalı motorlar küçük hacimleri ve karmaşık yapıları nedeniyle %20 ila %30 gibi çok düşük verim değerlerinde çalışıyorlar. Bu da, araca koyduğunuz yakıttaki enerjinin büyük çoğunluğunun ısı ve ses olarak harcandığı ve çevreye boş yere karbon dioksit salındığı anlamına geliyor.

Arabanızı bir kömür santralinde üretilen elektrik ile şarj ettiğinizde ise, daha yüksek enerji verimi nedeniyle, üretilen birim elektrik başına salınan sera gazı salınımında bir düşüş gerçekleşiyor. Fakat gerçekçi konuşmamız gerekirse, kömür santrallerinin veriminin daha yüksek olması, bu şekilde üretilen enerjnin çok daha verimli ve temiz olacağı anlamına gelmiyor: Örneğin dünyada en yüksek verimle çalıştığı söylenen Danimarka’daki Avedøre güç santralinde bile, yakıttaki enerjinin %49’u elektrik enerjisine dönüştürülebiliyor.

Eğer kullandığınız elektrik, güneş panelleri ya da rüzgar türbini gibi yenilenebilir bir enerji kaynağıyla üretiliyorsa, üretim sırasında çevreye herhangi bir sera gazı salınımı gerçekleşmiyor. Tabii bu noktada bu güneş panellerinin ya da rüzgar türbinlerinin üretimi sırasında gerçekleşen salınımı da dikkate almak durumundayız. Fakat işi daha fazla uzatmadan söyleyelim: Bu değerlendirme sonucunda bile, elektrikli araçların uzun vadede daha düşük sera gazı salınımı yaptıklarını görüyoruz. Farklı bir tartışmanını konusu olsa da, merak edenler için belirtelim: nükleer santrallerde de elektrik üretimi sırasında sera gazı salınımı gerçekleşmiyor.

Petrol bir gün bitecek. Peki ama yeterince Lityum var mı?

Elektrikli araçların şarj edilebilir pillerinde, tıpkı cep telefonlarında olduğu gibi, lityum-iyon piller kullanılıyor. Dünya rezervlerinde bulunduğu varsayılan lityum miktarından yola çıkarak, bu lityumun bize ne kadar bir süre yeteceği konusunda fikir sahibi olmak için, kaba bir hesap yapalım.

Öncelikle, elektrikli araç üreten çoğu şirketi şimdilik bir kenara bırakalım. Sadece Tesla bile 2020 yılına gelindiğinde yılda 500.000 elektrikli araç üretecek kapasiteye ulaşmayı planlıyor. Ortalama 65 kW.h kapasiteli piller üzerinden bir hesaplama yapıldığında ve pil başına yaklaşık 10 kilogram lityuma ihtiyaç olacağı varsayıldığında, yine sadece Tesla üretimini dikkate alacak olursak, yılda 5.000 ton lityum tüketimi olacağını öngörebiliyoruz. Şu anda elektrikli araçlar için pil üretme işine giren çok fazla sayıda firma olmamasına rağmen, biz biraz iddialı bir tahminle 2020 yılına geldiğimizde bu kapasitede pil üretmek isteyen toplam 100 firmanın ortaya çıkacağını varsayalım: Bu iddialı tahmin bile, elektrikli araç pilleri için yılda 500.000 ton lityum tüketileceğini gösteriyor. Yine iddialı bir varsayım yapıp, bir bu kadar lityumun da diğer sektörler için gerekli olacağını varsaysak, 2020 yılında yılda bir milyon ton lityum tüketeceğimiz sonucuna varabiliyoruz.

Amerikan hükümetinin 2015 yılında yaptığı jeolojik tetkiklerin sonuç raporuna göre, dünyada erişilebilir durumda 39,5 milyon ton lityum rezervi bulunuyor. Burada “erişilebilir durumda” ifadesini kullanıyoruz, çünkü gerçek rezerv miktarının bu değerin çok daha üzerinde olduğu tahmin ediliyor. Diğer bir deyişle, yukarıda yaptığımız iddialı senaryo gerçekleşse bile, erişimi mümkün olan kaynakların bizi 2060’lı yıllara kadar idare edeceğini görebiliyoruz. Bu bir açıdan şaşırtıcı bir tahmin, çünkü dünyada kalan 1,3 trilyon varil petrol rezervinin de bizi 40-50 yıl kadar bir süre idare edeceğini tahmin ediyoruz. Biraz manidar, fakat bu kaba hesaplara göre, lityum ve petrol rezervlerinin sonu yaklaşık aynı döneme denk gelecek gibi görünüyor.

Tabii bu noktada lityumun geri dönüşümü olan bir element olduğu gerçeğini de göz önüne almamız gerekir. Bugün sahip olduğumuz teknolojilerle bu geri dönüşüm süreci oldukça masraflı. Fakat lityuma olan talep yukarıda açıkladığımız nedenlerle artacak olursa, bu konuda yapılacak ar-ge yatırımları sayesinde bu geri dönüşüm sürecinin daha da ucuzlaması mümkün olabilir. Yani burada son bir nokta olarak, lityumun pahalı da olsa bir geri dönüşüm süreci olabileceğinin altını çizmemiz lazım. Benzinde ise böyle bir durum elbette ki söz konusu değil. Ayrıca ilerleyen yıllarda şarj edilebilir pil teknolojisinin alternatiflerinin çıkması da, bir diğer muhtemel senaryo olarak görülebilir.

Sanayi perspektifinden elektrikli araç teknolojisinin yankıları

Elektrikli araçlar yavaş yavaş gündelik hayatımızın bir parçası olacak. Bu geçiş süreci genellikle enerji perspektifi ve petrokimya sektörü açısından ele alınsa da, konunun pek gündeme gelmeyen bir de sanayi yönü var. Özellikle Türkiye özelinde düşünecek olsak bile, örneğin otomotiv parçaları üretimiyle öne çıkan bir döküm sektörümüz var. Bu sektörün elektrikli araçların yaygınlaşmasından etkilenmemesini beklemek mümkün değil. Fren diski ve kampana gibi parçalar üreten firmaların bu geçişten etkilenmesini beklemiyoruz elbette ama içten yanmalı motor teknolojisine ait parçaları üreten firmalar için elektrikli motor teknolojisinin pek hayırlı olmayacağı açıkça görülüyor.

Son söz

Elektrikli araçlar dediğimiz zaman, konu ister istemez işin enerji ve çevre boyutunda takılıp kalıyor. Önceki yıllarda, bu araçların performansına dair insanların kafasında pek çok kuşku da vardı. Fakat Tesla, bu teknoloji konusunda yaptığı öncülükle, bu kuşkuları büyük ölçüde temizlemiş durumda.

Bu yazının önemli bir kısmında, elektrikli araç teknolojisinin öncülüğünü yapan Tesla üzerinde durduk. O zaman kapanışı da Tesla’nın CEO’su Elon Musk ile yapalım. Enerji kaynakları ve çevre kirliliği konularında elektrikli araçların pek bir yenilik getirmediğini söyleyenlere, Elon Musk oldukça ikna edici bir argümanla yanıt veriyor:

Küresel ısınma tartışması bana kalırsa yanlış bir eksende sürüyor. Sormamız gereken esas soru, küresel ısınmanın gerçekten fosil yakıtlardan kaynaklı olup olmadığı değil.

Sorun şu ki, kullandığımız fosil yakıtların nasıl olsa bir gün sonuna geleceğiz. Ve o gün geldiğinde, başka enerji kaynaklarını zaten çoktan geliştirmiş olmamız gerekecek. Sormamız gereken esas soru şu: küresel ısınma gerçekten fosil kaynaklara bağlı mı bilmiyoruz, ama bu kumarı gerçekten oynamak istiyor muyuz? Eğer küresel ısınma gerçekten de fosil yakıtların atmosfere salınımına bağlıysa, geri dönülmez bir felaketin eşiğine gelene kadar bu riski almaya devam etmeli miyiz? İleride farklı enerji kaynaklarına nasıl olsa ihtiyaç duyacağımız ortadayken, bu kumara devam etmek yerine, temiz enerjiye geçişi şimdiden yapmak için çalışmak daha akıllıca bir çözüm gibi görünüyor.