Havacılık Yakıtında Hidrojen Depolama Sürdürülebilir Uçmanın Yeni Yollarını Açıyor

Havacılık, küresel bağlantının ve ekonomik büyümenin köşe taşıdır, ancak aynı zamanda iklim değişikliğine önemli ölçüde katkıda bulunur. Sektör, küresel karbondioksit emisyonlarının yaklaşık %2.5'inden ve CO2 dışı etkiler hesaba katıldığında %3.5'inden sorumludur (Lee ve diğerleri, 2021). Dünya, yüzyılın ortasına kadar net sıfır karbon emisyonunu hedeflerken, havacılık sektörü hızla yenilik yapmak için baskı altındadır. Geleneksel yakıt türleri uzun vadede sürdürülebilir değildir ve elektrik, sentetik yakıtlar ve hidrojen gibi alternatifler aranmaktadır.

Bu alternatifler arasında, hidrojen özellikle bir taşıyıcı veya katkı maddesi olarak havacılık yakıtında depolandığında umut verici hibrit bir çözüm olarak öne çıkıyor. Bu makale havacılık sektörünün karşı karşıya olduğu zorlukları araştırıyor, sürdürülebilir havacılığı tanımlıyor, stratejileri ve hidrojenin rolünü değerlendiriyor ve havacılık yakıtında hidrojen depolamanın yeşil gökyüzüne köprü oluşturmadaki önemli başarısını inceliyor.

Hidrojenle çalışan Tupolev 155 prototip uçağı 15 Nisan 1988'de ilk uçuşunu gerçekleştirdi.

1. Küresel Havacılık Problemleri ve Sorunları.

Çevresel Etki.

• Küresel havacılık, 2019 yılında 918 milyon metrik ton karbondioksit salınımı yaptı.

• Uçaklar NOₓ gazı, su buharı, kurum ve aerosoller yayarak iz bulutu oluşumuna ve atmosferik ısınmaya katkıda bulunur.

• CO2 dışı etkiler, havacılığın iklim üzerindeki etkisini iki katına çıkarabilir.

Bir Shell havacılık yakıtı kamyonu.

Fosil Yakıtlara Ekonomik Bağımlılık.

• Havacılık sektörü yılda yaklaşık 300 milyar litre havacılık yakıtı tüketir.

• Yakıt maliyetleri, hava yolu işletme giderlerinin %20-30'unu oluşturur.

Hava Yolculuğuna Artan Talep.

• Hava yolcu sayısının 2045 yılına kadar iki katına çıkması bekleniyor.

• Müdahale edilmezse, emisyonlar yüzyılın ortasına kadar %300 artabilir.

2. Sürdürülebilir Havacılık Konsepti.

Tanım.

Sürdürülebilir havacılık, çevresel etkiyi en aza indirmek, enerji verimliliğini artırmak, gürültü ve kirliliği azaltırken güvenlik ve ekonomik yaşayabilirliği sürdürmek için hava araçlarının tasarımı, destek sistemleri, operasyonları ve yeniliklerini ifade eder.

Sürdürülebilir havacılık yakıtı.

Hedefler.

• 2050 yılına kadar net sıfır karbon emisyonuna ulaşmak (Uluslararası Hava Taşımacılığı Birliği (IATA) ve Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) hedefleri).

• Düşük emisyonlu teknolojiler ve yakıtlar geliştirmek ve entegre etmek.

• Operasyonel verimliliği ve hava trafiği yönetimini geliştirmek.

3. Sürdürülebilir Havacılık İçin Yaklaşımlar ve Stratejiler.

A. Sürdürülebilir Havacılık Yakıtı.

• Alg, atık yağlar ve tarımsal atıklardan elde edilen biyoyakıtlar.

• Geleneksel yakıtlara kıyasla %80 daha düşük yaşam döngüsü emisyonu.

• Zorluk: Halihazırda küresel havacılık yakıtı kullanımının %1'inden daha azını oluşturmaktadır.

Hidrojenle çalışan Boeing Phantom Eye İHA, 1 Haziran 2012'de ilk kez uçtu.

B. Elektrik.

• 500 km'nin altındaki kısa mesafeli uçuşlar için uygundur.

• Pil enerji yoğunluğu (yaklaşık 250 Wh/kg), uzun mesafeli uçuşlar için yetersizdir.

• Ağırlık ve menzil sınırlamaları, ölçeklenebilirliği engellemektedir.

C. Hidrojen Yanması veya Yakıt Hücreleri.

• Hidrojen, türbinlerde yakılabilir veya yakıt hücrelerinde kullanılabilir.

• Yenilenebilir enerji ile elektroliz yoluyla üretildiğinde (yeşil hidrojen), karbon içermez.

• Enerji yoğunluğu: 120 MJ/kg (kerosenin üç katı), ancak çok düşük hacimsel yoğunlukta.

D. Operasyonel İyileştirmeler.

• Rota planlaması, hava trafiği yönetimi ve uçak ağırlığının azaltılması.

• Emisyonları %5-10 oranında azaltabilir.

4. Sürdürülebilir Havacılık Stratejilerinin Uygulanabilirliği.

Strateji                                          Teknik Hazırlık          İklim Faydası         Maliyet         Ölçeklenebilirlik

Otonom Uçaklar                                    Orta                          Yüksek                 Yüksek          Orta

Elektrikli Uçaklar                                 Düşük (Uzun Menzil)    Orta            Orta      Düşük

Hidrojen Uçaklar                                 Düşük-Orta             Çok Yüksek           Çok Yüksek       Düşük

Hibritler (Hidrojen Yakıt Karışımı)   Orta-Yüksek                   Yüksek                 Orta        Yüksek

• Otonom uçaklar halen maliyetlidir: litre başına yaklaşık 1.50-2.00 dolar, bu yaklaşık 0.70 dolara kıyasla Jet A-1 için.

• Hidrojen yakıtlı uçaklar, yeni altyapı, kriyojenik depolama ve yeniden tasarlanmış uçak yapıları gerektirir.

• Hidrojeni kimyasal olarak sıvı yakıtlarda depolamak pratik bir alternatif olarak ortaya çıkıyor.

5: Sürdürülebilir Havacılık İçin Hidrojen Yaklaşımı.

Hidrojen, sürdürülebilir üretildiğinde karbon içermeyen bir enerji taşıyıcısıdır. İki ana yaklaşım vardır:

A. Modifiye gaz türbinlerinde hidrojen yanması.

B. Yakıt hücreleri kullanarak elektrikle itki.

Hidrojen, karbondioksit değil sadece su ve küçük miktarda NOₓ yayar, ancak aşağıdaki yollarla depolanmalıdır:

• 700 bar basınçta sıkıştırılmış gaz,

• -253°C'de kriyojenik sıvı, veya

• Taşıyıcı medya içinde kimyasal olarak bağlı.

6: Havacılıkta Hidrojen Kullanımının Zorlukları.

A. Depolama Zorlukları.

• Sıvı hidrojen, birim enerji başına jet yakıtından (Jet-A) dört kat daha büyüktür.

• Kriyojenik soğutma tankları ağır ve karmaşıktır, uçak tasarımını etkiler.

B. Altyapı ve Maliyet.

• Küresel hidrojen altyapısı hâlâ geliştirilmektedir.

• Yeşil hidrojen maliyeti: 2023'te kilogram başına 4-6 dolar; rekabetçi olabilmesi için kilogram başına 2 doların altına düşmesi gerekiyor.

C. Uçak Yeniden Tasarımı.

• Airbus ZEROe (hidrojen uçağı) konsepti 2035'ten önce piyasaya sürülmesi beklenmiyor.

• Hidrojen, tamamen yeni uçak tasarım konseptleri gerektirir.

7: Havacılık Yakıtında Hidrojen Depolama: Hibrit Bir Başarı.

Konsept.

Hidrojen açısından zengin moleküller kullanarak sıvı havacılık yakıtında hidrojen depolamak, sıvı organik hidrojen taşıyıcılar (LOHC'ler) veya emülsifiye edilmiş yakıtlar olarak bilinir; mevcut altyapıyı hidrojenin faydalarıyla birleştirir.

Mekanizma.

• Havacılık yakıtı, kimyasal olarak bağlı hidrojeni taşımak üzere modifiye edilir veya hidrojen fiziksel olarak emülsifiye edilir.

• Yanma sırasında veya katalitik reaksiyonda, hidrojen serbest bırakılır ve daha düşük emisyonlarla yanar.

Avantajlar.

• Mevcut uçak motorlarını küçük modifikasyonlarla kullanır.

• Soğutulmuş veya yüksek basınçlı hidrojen depolamayı gerektirmez.

• Yakıtın enerji içeriğini artırır.

• Taşıyıcı sistemine bağlı olarak karbondioksit emisyonlarını %30-50 oranında azaltabilir.

8: Sürdürülebilir Havacılık İçin Hidrojen Depolamanın Uygulanabilirliği.

Ekonomik Uygulanabilirlik.

• Yeni altyapıya olan ihtiyacı azaltır.

• Hidrojen uçakları tamamen hazır olana kadar geçiş stratejisi.

• Masraflar, saf hidrojen sistemlerine dönüşümden %30-40 daha az olabilir.

Teknolojik Hazırlık.

• Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR), MIT ve Shell'den araştırmalar umut verici sonuçlar göstermektedir.

• Hidrojen taşıyan yakıtlar üzerine askeri ve araştırma uçaklarında deneysel testler şu anda yürütülmektedir.

Emisyon Etkisi.

• Hidrojen konsantrasyonu ve yanma verimliliğine dayalı olarak:

• Karbondioksit emisyonlarında %30-70 azalma,

• Azot dioksit ve partikül emisyonlarında azalma,

• İz bulutu oluşum potansiyelinde azalma.

9: Sürdürülebilir Havacılıkta Hidrojen Depolamanın Geleceği.

Önümüzdeki 5-10 Yıl.

• Hidrojen karışımlı jet yakıtı kullanılan deneysel uçuşlar.

• Karışımlı yakıt sertifikasyonu için Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) ve Amerikan Test ve Malzemeler Derneği (ASTM) tarafından düzenleyici standartlar.

• Kargo ve askeri filolara entegrasyon.

2030-2040.

• Hidrojen karışımlı yakıt, havacılık yakıt karışımının %20-30'unu oluşturabilir.

• Pazar potansiyeli: 2040 yılına kadar 50-70 milyar ABD doları.

• Tam hidrojen ve sentetik yakıt sistemlerine doğru kademeli altyapı geçişi.

Uzun Vadeli Vizyon.

• Havacılık yakıtında hidrojen depolama etkili bir strateji haline gelir:

• Kapsamlı yeniden tasarım olmadan karbon salınımını mümkün kılar.

• Hidrojen ekonomisinin genişlemesi için zaman tanır.

• Teknoloji, maliyet, güvenlik ve performans arasında denge sağlar.

Sonuç.

Havacılık yakıtında hidrojen depolama, sürdürülebilir havacılıkta dönüştürücü bir yenilik temsili. Günümüzün karbon yoğun altyapısı ile geleceğin temiz hidrojen sistemleri arasında bir köprü kurar. Saf hidrojen havacılığı teknik ve ekonomik engellerle karşılaşsa da, hidrojeni havacılık yakıtına entegre etmek, emisyonları azaltmak için pratik ve maliyet etkin bir yol sunar. Havacılık sektörü büyümeye devam ederken, bu hibrit yaklaşım, havacılığı küresel iklim hedefleriyle uyumlu hale getirmenin pratik ve ölçeklenebilir bir yolunu sunar ve en kirletici sektörlerden birini yenilik ve sürdürülebilirlikte bir işaret noktasına dönüştürür.