Teorik olarak havacılık endüstrisinin tamamen karbondan arındırılarak sıfır emisyonlu hale dönüşebilmesinin önündeki engellerin tamamı batarya teknolojisinin geliştirilmesiyle aşılabilir görünüyor. Başta otomotiv olmak üzere, neredeyse tüm endüstri dalları için batarya teknolojisini hızlı geliştirebilmek için çalışmalar tüm hızıyla sürüyor. Yirmi yıldan kısa bir süre içinde elektrikli otomobiller, oldukça zayıf performans değerlerinden başlayarak, birçok pazarda fosil yakıtla çalışan muadillerini geride bırakacak noktaya gelmeyi başardı. Ancak tonlarca ağırlıktaki bir uçağı havalandırmak, saatler boyunca gökyüzünde hızlı bir şekilde seyrederek uzak diyarlara uçmasını sağlayacak bir batarya teknolojisi geliştirmek, otomobillerdekine göre çok daha büyük bir zorluk. Tipik orta boy bir uçağın, Tesla benzeri bir versiyonunu arıyorsanız, biraz daha sabırlı olmanızı tavsiye edebilirim.
Günümüz pil teknolojisinin sağladığı enerji yoğunluğu, kısa menzilli uçuşlar yapabilen, boyutu küçük elektrikli uçaklardan daha ötesini, bir hayalden öteye geçirmeye yetmiyor. Ancak hemen umutsuzluğa kapılmayın. Tüm gelişen endüstrilerde olduğu gibi, bilimsel ilerlemeler ve endüstriyel öğrenme eğrilerini bir araya getirdiğimizde, bugün ulaşabildiğimiz teknolojik sınırın daha ileriye taşınabileceğine dair umut beslemek mümkün. Sonuçta mikroçiplerden elektrikli otomobillere kadar pek çok ileri teknolojide aynı yollardan geçildi.
İnsanların akıllarında hep benzer sorular var: Batarya endüstrisi, elektrikli uçaklarla ilgili beklentileri gerçekten karşılayabilecek durumda mı? Havacılık endüstrisinin geleceği için bugünlerde üzerinde çalışılan pillerin kimyasal yapıları farklı mı? Bataryaların bir gün gerçekten kısa menzilli uçuşlar yapan hafif uçaklar ve henüz rüştünü ispat edemeyen şehir içi kısa mesafe taşımacılıkta kullanılması planlanan otonom hava araçları dışında büyük ticari uçakların ihtiyacı olan tüm gücü sağlayabilme ihtimali var mı?
Madem sorularımız ortak; o zaman havacılıkta batarya endüstrisinin bugün itibariyle hangi noktada durduğuna bakalım ve hayata geçmesi en yakın beklentilere ilişkin gerçekçi, nitelikli bir değerlendirme yapalım. Hazırsanız başlayalım…
Silikon Anot mu Lityum Metal mi?
Pillerin kimyasına baktığımızda göze çarpan en temel gerçeklerden biri şu: Elektrikli otomobil devrimini hızlandırma konusunda çok etkili olan Lityum-İyon pillerin performansı, bugünlerde doğum sancıları yaşayan elektrikli havacılık endüstrisine güç sağlamak için yetersiz.
Lityum-İyon kimyası için elbette yolun sonu gelmedi. Ama bu pillerin performansını artırmanın umut verici yeni bir yolu var. Grafit olan anotları silikonla değiştirmek. Bu hamle, Lilium gibi elektrikli havacılık endüstrisinin önde gelen bazı oyuncularının benimsediği bir yaklaşım. eVTOL geliştiren Alman şirket, Nisan 2024’te, silikon anotlarla donatılmış Lityum-İyon hücrelerden oluşan pil paketlerinin montajına başladığını duyurdu. Aynı ay içinde, silikon anot teknolojisine yatırım yapan bir başka firma olan Electric Power Systems (EPS), EPiC 2.0’ı duyurdu. Firma bu ürünü, havacılık endüstrisinin ihtiyaçları göz önünde bulundurularak özel olarak tasarlanmış batarya sistemi olarak özetliyor.
Yatırımcıları arasında JetBlue Technology Ventures’ın da bulunduğu Utah merkezli bu girişim, pil performansını artırmak için silikon anot teknolojisini kullandı ve hücre seviyesinde 330 Wh/kg’a (Watt hour) kadar enerji yoğunluğu elde etmeyi başardı. Yeni EPiC 2.0 sistemi ile donatıldığında, iki koltuklu hafif bir elektrikli uçağın potansiyel uçuş süresinin 60 dakikadan 90 dakikaya çıkarılabileceğini söylemek mümkün.
Bu kademeli iyileştirme hamleleri çok dikkat çekici gelmeyebilir. Ancak ABD Federal Havacılık İdaresi (FAA) tarafından genel havacılık ve eğitim uçaklarının dahil olduğu Chapter 23 kapsamına giren uçaklar için belirlenen enerji rezervi gereksinimlerini karşılamak için bu teknoloji muhtemelen yeterli.
Şu anda Chapter 23 kategorisi için FAA tarafından sertifikalandırılmış bir batarya yok. Haziran 2024 itibarıyla seri üretim yapılan tek elektrikli uçak Pipistrel Velis Electro. O da bu üretimi, Avrupa Birliği Havacılık Emniyeti Ajansı EASA sertifikası ile yapıyor. Zaten EPS şirketi de 2025 yılına kadar piyasaya sürmeye çalıştığı EPiC 2.0 ile uçuş okulu pazarını hedefleyecek. Teknolojisini eğitim uçakları için vazgeçilmez hale getirmeye çalışacak.
Silikon anotlu yüksek enerjili piller yaklaşık 350 Wh/kg’a kadar ulaşabiliyor. Ancak şu anda gelişim aşamasındaki gelecek vaat eden diğer teknoloji olan Lityum-Metal pillerle 450 Wh/kg seviyelerine ulaşabilir.
Silikon anotlar ve lityum-metal piller, önümüzdeki birkaç yıl içinde endüstriyde aktif kullanılma potansiyeli en yüksek olan iki yeni teknoloji olarak görüyor. Bu iki teknoloji arasında da önemli farklılıklar var. Silikon anot piller hızlı şarj olmasıyla; lityum-metal piller ise daha uzun sürede şarjının bitmesiyle öne çıkabilir.
Silikon anot teknolojisinin gelişim açısından Lityum-metale göre küçük de olsa bir avantaja sahip olabileceği ve muhtemelen 2025/26 yıllarında hizmete gireceği, lityum-metal pillerin ise 2027/28 yılına kadar hizmete girme ihtimalinin düşük olduğu düşünülüyor. Lityum-metal piller ticarileştirildiğinde, silikonla maliyet ve performans açısından rekabet etmesinin zor olacağı ve pazar fırsatının vaat edilenden daha niş olacağını iddia edenlerin sayısı da bir hayli fazla.
Bunlar haricinde farklı potansiyel pil kimyaları da var. Bunlardan biri, umut verici olmasına rağmen şimdiye kadar çoğunlukla akademik araştırmalarla sınırlı kalan Lityum-Kükürt piller. Bir diğer alternatif, NASA, çok sayıda araştırma kurumu ve havacılık firmasıyla işbirliği yapan bir havacılık ve uzay girişimi Wright Electric’in üzerinde çalıştığı Alüminyum piller. ABD Enerji Bakanlığı da 1000 Wh/kg’a ulaşmayı hedefleyen bir araştırma programına ciddi yatırım yapıyor.
Batarya geliştiriciler elbette sadece pilin kimyasal yapısında değişiklik yapmakla ilgilenmiyor. Aynı zamanda pil paketi mimarisi ve pilleri oluşturan temel hücrelerin şekli gibi diğer detaylar için de farklı yaklaşımlar üzerinde çalışıyor.
Bataryalarda Silindirik Hücreler mi Kese Hücreleri mi?
Archer veya Vertical Aerospace gibi eVTOL geliştiricileri ve Tesla da dahil olmak üzere birçok şirket bataryalarında silindirik hücreler kullanıyor. Dikdörtgen şeklindeki kese hücreleri de birçok pil geliştiricisinin radarında. Havacılık uygulamaları için batarya tasarlayan Barselona merkezli Bold Air de geliştirdiği 285 Wh/kg pil paketinde kese hücreleri kullanıyor. eVTOL pazarının önde gelen oyuncularından biri olan Joby Aviation da lityum iyon bataryalarında kese hücrelerini kullanmayı tercih etti.
Silindirik hücrelerin paket halinde bir araya getirilmesi daha kolay. Ancak performansları grafit ağırlıklı anotlarla 270 Wh/kg civarında zirveye ulaşıyor. Silikon ağırlıklı veya lityum metal anotlar gibi gelişmiş yeni nesil kimyalara entegre olmakta zorlanıyorlar. Kese hücreleri daha fazla enerji yoğunluğuna sahip ve tekli hücreler olarak üretilmesi daha kolay. Ancak onların da paket halinde bir araya gelmeleri daha zor görünüyor. Birbirine yakın istiflendiğinde pil hücrelerinin aşırı ısınması, üretim kusurları veya çalışma sırasında yanlış kullanım nedeniyle alev alması riski yükseliyor.
Isı yönetimi konusunda dikkat edilmesi gereken başka bir boyut daha var. Isınmanın büyük kısmı şarj sırasında oluyor. Bu nedenle Joby Aviation, şarj sırasında oluşan ısının yönetilmesine yardımcı olması için soğutma sistemine entegre özel bir şarj cihazı geliştirdi. Şarj cihazı standartları savaşının, bataryada kullanılan hücre tipi ve pil paketlerini etkileyeceği kesin.
Sektör Dinamikleri Sürekli Değişiyor
Pil hücrelerinin imalatı ve bir paket haline getirilmesi genellikle ayrı şirketler tarafından yapılıyor. Örneğin EPS, pil hücrelerini birleştirmeden önce kendi spesifikasyonlarına göre üreten farklı hücre üreticileriyle çalışıyor. Pil hücrelerinin üreticileri ile birleştiricilerinin farklı olması, istenen özellikleri karşılayacak en iyi çözümlerin ortaya çıkması için esneklik sağlıyor. Ancak bazı pil hücresi üreticileri, kendi ürettikleri hücrelerin bir araya getirilmesini en iyi kendilerinin optimize edebileceğine inanıyor. Bu durum bazı hücre üreticilerini değer zincirinde yukarı çıkmaya ve aynı zamanda paket entegratörü olmaya teşvik ediyor.
Sektör dinamiklerindeki bu değişim, elektrikli havacılık pazarının olgunlaştıkça dikey olarak daha entegre hale gelmesinden de kaynaklanıyor. Bu daha önce otomotiv gibi diğer sektörlerde de yaşanan bir senaryo.
Batarya Geliştirmek Pahalı ve Yatırımlar Azalıyor
Tabi işleri sadece kağıt üzerinde planlamak yeterli değil. Batarya üretimindeki endüstriyel zorluklar hepimizin malumu. Yeni bir kimyasal yapıyı pil üzerinde laboratuvarda çalışmak işin en kolayı. Ama geniş ölçekte üretim yapmak hem operasyonel hem de finansal açıdan göründüğünden çok daha zor.
Seri üretim aşamasına geçmek için çok ciddi bir yatırıma ihtiyaç var. Ayrıca bir yandan da ürünü doğrulama süreci de yürütmeniz gerekiyor. Bu adımların hepsi çok ciddi maliyetleri de beraberinde getiriyor.
Prototip aşamasına göre 10 ila 20 kat daha fazla pil hücresi üretmeniz gerekiyor. Basit bir hesapla, endüstriyel üretim için 100$/kWh feasible kabul edilirse, küçük hacimli üretim seviyeleri 10.000$/kWh ve 1 MWh’lik ürün doğrulama süreci ise yaklaşık 10 milyon Dolar’a mal olabilir. Günümüzde batarya teknolojisinin gelişimi için sağlanan fonlar da büyük ölçüde tükenmiş durumda. Bu rakamlar, batarya teknolojisindeki gelişimin, başlangıçta tahmin edildiği kadar hızlı ilerleyememesinin en büyük nedenlerinden biri.
Hem eVTOL hem de batarya teknolojisindeki ilerleme beklendiği kadar yankı bulamadığı için, hala birçok fırsat olmasına rağmen iş insanları bu konuya yatırım yapma konusunda biraz isteksiz görünüyor.
Özetlemek gerekirse, havacılık endüstrisinin tamamen elektrikli hale gelmesi ve ticari uçakların elektrikli hale dönüştürülmesi için batarya teknolojisinin yeterli olgunluğa erişmediğini söylemek mümkün. Uzmanlar, en iyi senaryoda bile ticari uygulamaların gerçek bir olasılık haline gelmesinin en az on yıl alabileceği konusunda hemfikir.
Kaynak: AeroTime HUB
