Derin Okuma — Telekom Bataryası

Odanın en ağır sessizliği

Klimanın uğultusu kesildiğinde duyulan ilk şey rölelerin metalik tıkırtısıdır. Ardından gelen sessizlik, aslında bir batarya bankasının devreye girdiğinin işaretidir. Hiçbir jeneratör bu kadar hızlı değildir. Şebeke voltajı eşik değerin altına düştüğü andan itibaren geçen süre, çoğu tesiste 8 ila 12 milisaniye aralığındadır. Jeneratörün yağ basıncını kurup tam yüke ulaşması ise 15 saniyeyi bulur. Aradaki o kritik boşluğu dolduran şey, rafın alt katında sessizce bekleyen kurşun-asit bataryalardır.

Telekom ekipmanı bir anlık voltaj düşümünü dahi tolere edemez. Bir baz istasyonu kontrol kartı, 48 volt nominal gerilimin 42 voltun altına inmesiyle birlikte servis dışı kalır. O yüzden batarya, yedek değil, birincil kesintisizlik elemanıdır.

Süngerin içindeki asit nehrinin fiziği

Telekom bataryasının çalışma prensibini anlamak için bir bulaşık süngerini düşün. Süngeri suya batırdığında gözeneklerine sıvı dolar, sıktığında boşalır. Kurşun-asit bataryada elektrolit, süngerin iskeleti gibi davranan kurşun dioksit ve süngerimsi kurşun plakaların içine hapsolmuş durumdadır. Deşarj sırasında sülfürik asit çözeltisi plakaların derinliklerindeki gözeneklere nüfuz eder, kurşun sülfata dönüşürken asit tüketilir. Şarjda ise sülfat iyonları çözeltiye geri verilir. Telekom bataryasını otomotiv aküsünden ayıran temel fark, bu döngünün neredeyse hiç yaşanmamasıdır.

Batarya ömrünün yüzde 99'unda tam şarjlı halde, şamandıra geriliminde bekler. Beklerken bozulur. Buna "float ömrü" denir ve telekom bataryasının tasarımındaki bütün mühendislik, bu bekleme sırasında oluşan yıkımı yavaşlatmak üzerine kuruludur.

Kurşun ızgaranın metalürjik saati

### Alaşımın içindeki kalsiyum dengesi

Bataryanın kalbi, aktif malzemeyi taşıyan kurşun ızgaradır. Saf kurşun yumuşaktır, mekanik dayanımı düşüktür ve şarj sırasında oksitlenmeye yatkındır. O yüzden alaşıma antimon ya da kalsiyum katılır. Otomotiv akülerinde kullanılan antimonlu alaşımlar, su kaybını hızlandırdığı için telekomda tercih edilmez. Telekom bataryalarında ızgara alaşımı neredeyse istisnasız kurşun-kalsiyum-kalaydır. Kalsiyum oranı ağırlıkça binde 0,6 ila 1,2 aralığında tutulur.

Oranın binde 0,3 altına düşmesi, ızgaranın döküm sırasında yeterince sertleşmemesine yol açar. Binde 1,5'in üzerine çıkması ise tane sınırlarında kalsiyumca zengin intermetalik fazların birikmesine neden olur. Birikim, zamanla ızgara yüzeyinde pasif bir tabaka oluşturarak şarj kabulünü düşürür. Izgara alaşımındaki kalay ise yüzde 0,8 ila 1,2 arasında eklenir ve kalsiyumun yol açtığı bu pasifleşmeyi geciktirir. Kalay atomları, kurşun oksit tabakasının iletkenliğini artırarak korozyon katmanının altındaki ızgaranın elektrokimyasal olarak erişilebilir kalmasını sağlar.

### Dökümden sonra gelen yaşlanma

Izgara döküldükten sonraki ilk 72 saat, bataryanın kaderini belirleyen en kritik penceredir. Kurşun-kalsiyum alaşımları döküm sonrası hızlı bir çökelme sertleşmesi geçirir. Kalsiyumca zengin ikincil fazlar, tane sınırları boyunca çökelirken ızgaranın mekanik dayanımı artar.

Ancak bu süreç kontrolsüz bırakılırsa, çökelti partikülleri zamanla irileşir ve korozyon direnci düşer. Üreticiler, dökümden hemen sonra ızgaraları 80 ila 100 santigrat derece arasında, 8 ila 24 saat süren kontrollü bir yaşlandırma fırınında tutar. Fırın sıcaklığının 5 derece sapması, nihai bataryanın float ömründe 1 yıla varan fark yaratabilir. Yaşlandırma sonrası ızgaranın Brinell sertliği 14 ila 18 aralığında ölçülür. 12'nin altındaki sertlik, aktif malzeme ile ızgara arasındaki temasın zamanla gevşeyeceğinin habercisidir.

Macunlama ve plaka oluşumu

### Aktif malzemenin yoğrulması

Izgara hazır olduğunda sıra macunlama aşamasına gelir. Aktif malzeme, kurşun oksit tozu, sülfürik asit, su ve genleştirici katkıların karıştırılmasıyla elde edilen koyu kıvamlı bir hamurdur. Pozitif plaka için kullanılan macunun yoğunluğu santimetreküp başına 3,8 ila 4,2 gram aralığındadır. Negatif plaka macunu ise 4,2 ila 4,6 gram aralığında, biraz daha yoğundur. Yoğunluk farkı, pozitif plakanın ömrü boyunca daha fazla genleşme-korozyon döngüsüne maruz kalacak olmasından kaynaklanır. Daha düşük yoğunluk, daha yüksek gözeneklilik demektir ve pozitif aktif malzemenin nefes almasını sağlar.

Macunlama makinesi, ızgarayı iki silindir arasından geçirirken hamuru gözeneklere bastırır. Fazla macun sıyrılır, plaka yüzeyi düzgün bir kalınlıkta çıkar. Telekom bataryalarında pozitif plaka kalınlığı 2,8 ila 4,5 milimetre arasında değişir. Kalın plaka, daha fazla aktif malzeme ve dolayısıyla daha uzun ömür demektir.

Ancak kalınlık arttıkça iç direnç de yükselir. 4,5 milimetrenin üzerindeki plakalar, yüksek deşarj oranlarında voltaj düşümüne yol açar. Tasarımcı, ömür ile anlık performans arasında bir denge kurar.

### Kürleme odasında geçen saatler

Macunlanmış plakalar, kontrollü nem ve sıcaklık altında kürlenir. Kürleme odasında sıcaklık 40 ila 60 santigrat derece, bağıl nem ise yüzde 85 ila 95 aralığında tutulur. Ortamda plakalar 24 ila 72 saat bekletilir. Kürleme sırasında macundaki serbest kurşun, oksitlenerek kurşun monoksite dönüşür ve macun içinde birbirine kenetlenen iğnemsi kristaller oluşur. Kristal ağ, plakanın mekanik bütünlüğünü sağlayan iskeledir. Kürleme süresi yetersiz kalırsa, kristal ağ tam oluşmaz ve plaka ilk formasyon şarjında çatlar.

Süre aşılırsa, macun aşırı kurur ve ızgaradan ayrılmaya başlar. Kürleme sonrası plakaların nem içeriği ağırlıkça yüzde 4 ila 6 aralığında olmalıdır. Yüzde 2'nin altındaki nem, tozuma ve kapasite kaybı demektir.

Formasyon ve sızdırmazlığın kimyası

### İlk şarjın dönüştürücü gücü

Kürlenmiş plakalar henüz batarya değildir. Pozitif plakadaki macun kurşun monoksit ağırlıklıdır, negatif plaka ise kurşun monoksit ve genleştirici katkılar içerir. Plakaları elektrokimyasal olarak aktif hale getiren sürece formasyon denir. Plakalar seyreltik sülfürik asit banyosuna daldırılır ve kontrollü bir akım profili uygulanır. Formasyon akımı, plakanın amper-saat kapasitesinin 0,1 ila 0,2 katı aralığında başlar. 100 amper-saatlik bir batarya için bu, 10 ila 20 amperlik bir başlangıç akımı demektir. Akım, pozitif plakada kurşun monoksiti kurşun dioksite dönüştürürken, negatif plakada süngerimsi kurşun oluşturur.

Formasyon sırasında elektrolit sıcaklığı 50 santigrat dereceyi aşmamalıdır. 55 derecenin üzerindeki sıcaklıklar, pozitif aktif malzemede iri, gevşek bağlı kurşun dioksit kristallerinin oluşmasına yol açar. Kristaller, ilerleyen döngülerde kolayca koparak kapasite kaybına neden olur. Formasyon sonunda plakalar yıkanır, kurutulur ve separatörlerle birlikte hücrelere monte edilir. Telekom bataryalarında separatör olarak genellikle absorban cam elyafı kullanılır. Cam elyafın yüzey alanı gram başına 1 ila 2 metrekare aralığındadır. Devasa yüzey alanı, elektrolitin kılcal kuvvetle tutulmasını ve bataryanın sızdırmaz çalışmasını mümkün kılar.

### Valfin ardındaki basınç dengesi

Telekom bataryası, VRLA yani valf regüleli kurşun-asit bataryadır. Hücrenin içinde serbest sıvı elektrolit yoktur. Asidin tamamı cam elyaf separatörün içine ve plaka gözeneklerine emdirilmiştir. Şarj sırasında pozitif plakada oksijen, negatif plakada hidrojen gazı oluşur. VRLA bataryanın en kritik mühendislik başarısı, oksijenin negatif plakaya taşınıp orada yeniden suya dönüştürülmesini sağlayan iç rekombinasyon döngüsüdür. Oksijen, cam elyafın boşluklarından difüze olarak negatif plakaya ulaşır ve süngerimsi kurşunla reaksiyona girerek kurşun oksit oluşturur.

Kurşun oksit de sülfürik asitle reaksiyona girerek kurşun sülfata ve suya dönüşür. Döngü sayesinde su kaybı minimuma iner.

Ancak rekombinasyon hiçbir zaman yüzde yüz verimli değildir. Yüzde 95 ila 99 aralığında bir rekombinasyon verimliliği tipiktir. Geriye kalan yüzde 1 ila 5'lik gaz, hücre içinde basınç oluşturur.

İşte bu noktada valf devreye girer. Valf, hücre içi basınç 0,07 ila 0,35 bar aralığına ulaştığında açılacak şekilde kalibre edilmiştir. Basınç tahliye olduktan sonra valf tekrar kapanır ve dışarıdan oksijen girişini engeller. Valfin açılma basıncı çok düşük ayarlanırsa, gereksiz gaz tahliyesiyle su kaybı hızlanır. Çok yüksek ayarlanırsa, hücre içinde aşırı basınç birikerek kapak contasını zorlar. Telekom bataryasının 10 ila 15 yıllık tasarım ömrüne ulaşıp ulaşamayacağı, büyük ölçüde bu minik valfin tutarlılığına bağlıdır.

Piyasa Hafızası

Olay, Vietnam’da bir kurşun izabe tesisi yangını, 2021 Tarih, Ağustos 2021

Ağustos 2021'de Vietnam'ın kuzeyindeki bir kurşun izabe tesisinde çıkan yangın, küresel telekom bataryası tedarik zincirinde şok dalgası yarattı. Tesis, Güneydoğu Asya'daki batarya üreticilerine yılda yaklaşık 80 bin ton rafine kurşun sağlıyordu. Yangın sonrası tesisin üretimi 4 ay boyunca durdu. 450 dolara sıçradı. Telekom bataryası üreticileri, maliyetin yüzde 60'ını oluşturan kurşundaki bu ani artışı sözleşme fiyatlarına yansıtamadı. Baz istasyonu kurulum projelerinde batarya teslim süreleri 8 haftadan 16 haftaya uzadı.

Olaydan çıkan ders nettir. Kurşun-asit batarya endüstrisi, geri dönüşüm altyapısına rağmen birincil izabe kapasitesindeki yoğunlaşmaya karşı kırılgandır. Tek bir tesisin devre dışı kalması, kıtalar arası proje takvimlerini altüst edebilir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. 100 amper-saatlik, 12 volt nominal gerilime sahip bir VRLA telekom bataryası için maliyet ve değer zinciri aşağıdaki gibidir.

Batarya, bir baz istasyonunda 48 voltluk bir banka oluşturmak için 4 adet seri bağlanır. Banka başına toplam kurulum maliyeti 240 dolar civarındadır. Banka, 10 amperlik bir baz istasyonu yükünü yaklaşık 5 saat besleyebilir. Şimdi duyarlılık twistini ekleyelim. Kurşun fiyatındaki yüzde 10'luk bir artış, bataryanın üretici maliyetini yalnızca yüzde 6 artırır.

Ancak aynı yüzde 10'luk artış, üreticinin brüt marjını yüzde 20 daraltır. Maliyetin büyük kısmını emtia oluşturduğu için, batarya üreticisi aslında bir kurşun fiyatı spekülatörüdür. Farkında olsa da olmasa da.

Bekleyenin anatomisinden çıkan dersler

Telekom bataryası, mühendislikle ekonominin aynı valf basıncında buluştuğu nadir nesnelerden biridir. Birinci ders, asıl yükün görünmez olanda olduğudur. Batarya ömrünün neredeyse tamamını bekleme modunda geçirir, ancak bozulma da tam olarak bu bekleme sırasında gerçekleşir. Float ömrü, kullanım ömründen daha acımasızdır.

İkinci ders, toleransların katlanarak biriktiğidir. Izgara alaşımındaki binde birlik bir kalsiyum sapması, kürleme fırınındaki 5 derecelik bir hata ve valf basıncındaki 0,1 barlık bir kayma, 10 yıllık tasarım ömrünü 4 yıla indirebilir. Üçüncü ders ise tedarik zincirinin sertliğidir. Bir batarya, periyodik tablodaki en sıradan element olan kurşundan yapılır. Ancak o kurşunu rafine eden tesislerden biri devre dışı kaldığında, dijital altyapının kesintisizlik garantisi de onunla birlikte yanar.

Klima tekrar çalışmaya başladığında batarya bankası sessizliğe gömülür. Şamandıra geriliminde beklemeye devam eder. Bir sonraki kesintiyi, bir sonraki frekans sapmasını, bir sonraki milisaniyelik boşluğu bekler. Beklerken de yavaş yavaş tükenir. Telekom bataryasını anlamak, aslında beklemenin de bir yük olduğunu anlamaktır.