HİDROJEN ENERJİSİNİN ARAÇLARDA YAKIT OLARAK KULLANILMASI

1. GİRİŞ

Fosil kökenli yakıtların giderek tükenmesi, 21. yüzyıl ortalarında biterek olması ve yaklaşık 100 yıldan beri kullanılan bu yakıt türünün ekolojik dengeye oldukça zarar vermesi araştırmacıların dikkatini yeni, yenilenebilir ve çevreyle uyumlu alternatif yakıtlar keşfedilmesine çekmiştir. Özellikle motor ve araç teknolojisi açısından alternatif olarak seçilen yakıtın İ.Y.M.'da (içten yanmalı motor) kullanımı, depolanması, doğal dengenin korunması ve fosil yakıt türleri ile yarışabilir karakteristiğe sahip olması gerekir. Bu konuda son yıllarda elektrikli araçların geliştirilmesine yönelik çalışmalar göze çarpmaktadır. Ancak, elektrikli araç teknolojisi de bazı önemli sorunlarla karşı karşıyadır. Bunları yüksek maliyet, sınırlı hareket mesafesi, akülerin ağırlığı ve şarj için uzun zaman gerektirmesi şeklinde sıralayabiliriz. Bununla birlikte, bu araçlar için gerekli elektriğin üretilmesi esnasında en azından elektrik santrallerinin bulunduğu alanlarda çevreye zararlı emisyonların olacağı da göz ardı edilmemelidir.

Bir başka enerji taşıyıcısı olan hidrojenin bir çok yönüyle ekolojik açıdan avantajlı olduğunu rahatlıkla.söyleyebiliriz. Hidrojenin çok geniş aralıklarda hava ile yakılması sonucu (yüksek yakıt/hava oranlan hariç) egsoz emisyonu olarak sadece su buharı çıkmaktadır. İkincil bir enerji kaynağı durumunda olan hidrojenin değişik ve yenilenebilir birincil enerji kaynaklan ile elde edilebilir olması; bu yakıt türünü geleceğin en önemli enerji taşıyıcısı durumuna sokacağı kabul edilmektedir.

Bu gün için egsoz emisyonları üç yollu katalitik konvertörler sayesinde düşürülmektedir. Emisyon problemine alternatif ve daha temel bir yaklaşım motordaki yanma işleminin zayıf karışım kullanılarak düzenlenmesi şeklinde olabilir. Zayıf yanma koşullarındaki en önemli avantaj NOx ve CO emisyonlarının azalmasıdır. Ancak, bu durum eksik yanma nedeniyle hidrokarbon emisyonunun artmasına ve motor performansının ise düşmesine sebep olmaktadır (Jamal ve Wyszynski 1994). Bu nedenle, motorun zayıf yanma koşullarında, sadece fosil yakıt kullanarak NOx emisyonlarını düşürmek mümkün olmamaktadır. Bu sorun, hidrojen ve benzin gibi yakıt karışımları sayesinde aşılabilir. Hidrojenin diğer alternatif yakıtlarla birlikte kullanılması ise bu yakıt türünün enerji sisteminde yaygın kullanımına bir başlangıç teşkil edecektir (Cannon 1995).

Emisyon değeri erindeki azalmanın ilave edilen hidrojen miktarından fazla olması bu konuya olan ilgiyi daha da artırmaktadır. Ayrıca, hidrojenin saf olarak İ.YM. larda kullanımı yerine, hidrokarbon yakıtla birlikte kullanımı sonucunda daha verimli sonuçlara ulaşılmaktadır (Hydrogen Consultant Inc. 1995). İlave edilen hidrojen ile yakıtın zayıf yakıt/hava karışımında yanma sının aşağıya çekilebilmekte ve gerekli alev hızı korunabilmektedir. Böylelikle az miktardaki hidrojenle birlikte esas yakıt daha verimli kullanılabilecektir.

Genel olarak hidrojenin fosil yakıtla birlikte kullanılmasının etkilerini şu şekilde toplayabiliriz:

• Yakıt/ hava karışım sının düşürülmesi sonucu NOx ve CO emisyonlarının azalması ve termal verimliliğin artması

• Çevrimler arasındaki basınç farklılıklarının azalması

• Maksimum güçte azalma

• Karışımın alev hızının artması

Hidrojenin araçlarda kullanımını engelleyen başlıca sorun, hidrojenin depolanması ve bunun sonucu olarak ortaya çıkan yüksek maliyet, ağırlık ve/ oluşturduğu potansiyel tehlikedir. Depolama sorununu çözmenin bir yolu da hidrojenin çeşitli yöntemlerle araç üzerinde kısmen de olsa üretilmesi şeklinde belirlenebilir.

Hidrojen araç üzerinde, hidrokarbon yakıtın buhar yapılandırması ve kısmi oksidasyon gibi yöntemler kullanılarak yeniden yapılandırması (reforming) ile; Al, Si gibi alkali elementlerle suyun termokimyasal reaksiyonu ile; fosil yakıtın parçalanarak (craking) ayrıştırılmasıyla ve araç üzerinde elde edilen elektrik enerjisi sayesinde hidrokarbon yakıtın plasmatron sisteminde işlenmesi veya suyun elektrolizi ile üretilebilmektedir.

Geleneksel araçların emisyonlarını azaltmak ve yakıt tasarrufu sağlayabilmek amacıyla hidrojenin araç üzerinde özellikle taşıtın enerji kayıplarından yararlanarak üretilmesi geleceğin yakıtı kabul edilen hidrojenin hayata geçirilmesinde ilk aşama sayılmaktadır.

Hidrojen, tutuşma sınırları ve alev hızı özellikleri ile hidrokarbon yakıtlardan daha avantajlıdır (Soruşbay ve Arslan 1989).Hidrojenin yaygın ve fosil yakıtlara nazaran daha ucuz üretimi için araştırmalara devam edilmektedir. Bu nedenle araştırmalar, hidrojenin fotobiyolojik, fotoelektrokimyasal ve termokimyasal gibi yenilenebilir enerji kaynaklan ile üretilmesi üzerinde odaklanmaktadır (U.S.DOE 1995).

Aslında hidrojenin uygulanabilirliğini engelleyen en önemli konu hidrojenin depolamasıdır. Bugünün depolama yöntemleri (metal-hidrit, gaz ve sıvı halde) çok pahalı, ağır ve çeşitli uygulamaların ihtiyaç duyduğu performansları karşılamamaktadır (U.S.DOE 1995).

Hidrojenin günümüzdeki motorlarda bazı düzenlemeler yapılarak esas yakıt olarak kullanılması da mümkündür. Ancak motor hidrojenle çalışırken erken tutuşma ve geri yanma gibi hidrojenin özelliğine has bazı problemlerle karşılaşılmaktadır (Jorach ve ark. 1997). Bu durumu önlemek için geliştirilen çözümler vardır; fakat bu çözümler sisteminin karmaşık hale gelmesine ve maliyetin artmasına neden olmaktadır.

Hidrojenin araç üzerinde üretilmesi ve fosil yakıta ilave olarak motorda kullanılması durumunda ise, sadece hidrojenin ana yakıt olarak kullanılmasında karşılaşılan depolama ve silindire gönderme zorluğu gibi sorunlar büyük ölçüde giderilebilmektedir.

Hidrojenin araç üzerinde üretim yöntemlerinden biri olan plastmatron sistemi ile benzin, mazot ve diğer yakıtlardan etkili bir şekilde hidrojence zengin gaz elde edilebilir. Plastmatron, iyonize gazların elektriksel ısıtılması ve böylece hidrokarbon yakıtın işlenmesini sağlamaktadır. Elde edilen hidrojence zengin gaz motorda köklü değişiklik gerektirmeden kullanılabilmektedir (Rabinovich ve ark. 1994).

Parçalama (craking) yolu ile kimyasal yapısı basit ve kolay ayrışabilir durumdaki yakıt türleri (metan, metanol gibi) katalizör yardımıyla ayrıştırılarak yine araç üzerinde hidrojence zengin gaz elde edilebilmektedir. Hydrogen Consultant Inc.(l995) tarafından bu konuda yapılan çalışmalar esnasında elde edilen hidrojence zengin gaz karışımı motorda başarı ile kullanılmıştır.

Egzoz gazı reformasyonu tekniğinde ise yakıt, egzoz manifoldundan motoru terk eden sıcak gazlarla katalitik olarak bir araya getirilerek yeniden yapılandırılmaktadır. Bu şekilde üretilen hidrojen, CO ve nitrojenden oluşan gaz karışımı ile emisyon değerlerini düşürecek zayıf yanma ortamı ve esas yakıttan daha fazla olan motor termal verimi sağlanmaktadır (Wyszynski ve ark. 1994).

Hidrojen üretilmesi için gerekli olan birincil enerji kaynaklarına yeni bir yaklaşım getirilerek, termal santral atıkları alüminyum ve magnezyum sanayinin yan ürünlerini Ga, Pb, Mg gibi aktivatörlerle birlikte suyla termokimyasal reaksiyona sokarak hidrojen elde edilebilmektedir. Bunun için St. Petersburg'da Kolbenev tarafından geliştirilen hidrojen jeneratörü ile araç üzerinde hidrojenin eldesi sağlanarak benzinli ve dizel motorlarda kullanımı başarı ile uygulanmıştır (Kolbenev 1991).

Diğer yöntemlerin haricinde araçta üretilen elektrik enerjisi kullanılarak suyun elektrolizi yolu ile de taşıt üzerinde hidrojen üretimi söz konusudur. Gerekli elektrik enerjisi motora bağlı bir alternatörden sağlanabileceği gibi, çoğunlukla elektrikli veya hibrit araçlarda kullanılan rejeneratif frenleme ile de sağlanabilir(Russell 1992, Uğurlubilek 1996). Frenleme ile geri kazanılacak enerjinin azımsanmayacak ölçülerde olduğu hem elektrikli, hem de fosil yakıtlı taşıtlar üzerinde yapılan testler sonucunda ortaya çıkmaktadır. Uygulanacak olan elektroliz tekniği ile elde edilen hidrojenin, esas yakıtta % 3-4 ilave edilmesi ve buna paralel olarak emisyon değerlerinde azalma sağlanabilmesi mümkün görülmektedir (Sfınteanu 1992).

"Hidrojenin taşıt üzerinde üretilmesi ve petrol kökenli yakıtla birlikle kullanımının incelenmesi” olarak belirlenen tez konusu ile; yukarıda önemi ve

sebepleri çizilen hidrojenin araç üzerinde üretiminde geliştirilen farklı metotlar üzerinde durulacak, yeni bir çözüm yolu olarak "Rejeneratif frenleme ile araç üzerinde hidrojen üretimi" yöntemi detayı ile ele alınacaktır.

Sonuç olarak, bu tez çalışması ile taşıt üzerinde hidrojen üretiminin uygulanabilirliği, yakıt tasarrufuna ve emisyon oranlarını azaltmaya olan katkısı değerlendirilecektir.

 

2. ALTERNATİF YAKIT OLARAK HİDROJEN

2.1 Hidrojen Hakkında Genel Bilgiler

1766'da CAVENDISH "alev alan hava" adını verdiği değişik bir maddeden söz eden bir makale yayınlamıştır. Ama bu maddenin niteliğini, 1783'te suyun bileşimini bulan LAVOISIER ortaya çıkardı ve söz konusu maddeye "Hidrojenyum" adını verdi.

Kokusuz, renksiz, tatsız ve saydam bir yapıya sahip olan hidrojen doğadaki en hafif elementtir. Bir litresi O °C 'de ve l atmosfer basınç altında 0.0898 gram gelir. tL biçiminde iki atomlu moleküller oluşturur. Bu renksiz kokusuz gaz, hava yada oksijen içinde kolayca parlar, patlayarak yanar ve su oluşturur. Çok kolay tepkimeye girdiğinden başka elementlerle birleşmiş halde bulunur. Su, kaya, petrol gibi ortamların ve bütün bitkisel, hayvansal yaşamın temelini oluşturan bir çok organik bileşenin içinde de bulunur. Havanın içinde az miktarda arı halde hidrojen vardır (Hacim olarak havanın %0.00005'i). Güneş dahil bütün yıldızlar da, çok büyük miktarlarda hidrojen içerir.

Hidrojen, doğal gazdan buhar re formasyonu yöntemiyle endüstriyel ihtiyaçlar için üretilebilmektedir. Bu işlemde ısı enerjisi doğal gazın karbon bileşiminden hidrojenin ayrılmasında kullanılır. Hidrojen, petrol rafinerizasyonunun yan ürünü ve kimyasal üretim metotları ile de üretilir. Zamanımızda suyun elektrolizinden sınırlı miktarda üretilmektedir. Bu oldukça pahalı bir işlemdir ve uzay programın da ihtiyaç duyulan saf hidrojenin temini ile sınırlıdır.

Amerika Birleşik Devletlerinin 1993'deki yıllık hidrojen üretimi yaklaşık 5 Milyar m³'tür (178 milyar ft³). Ana kullanım alanları amonyak üretimi ve rafinerizasyon işlemi esnasında petrolde sülfürün ayrıştırılmasıdır. Hidrojen daha çok günlük 1.5 milyon m³ (50 Milyon ft³) üretim seviyelerinden daha fazla kullanılacağı yerde üretilir. Hidrojen, kimyasal işlemlerde, gıda hidrojenasyonunda, çelik ve cam imalatında ve elektronik alanlarında küçük miktarda kullanılır ve bu tür uygulamalar için sıkıştırılmış gaz yada sıvı olarak kamyonlar ile dağıtılır.

Şekil: Hidrojen çevrimi

Dünya nüfusundaki ve uygarlık düzeyindeki artışlarla birlikte toplam enerji gereksiniminin artmasına karşın, günümüzde kullanılmakta olan enerji kaynaklarının hızla tükenmekte olması alternatif enerji kaynaklarına olan gereksinimi zorunlu kılmaktadır. Petrol krizinin ve çevre sorunlarının etkisi altında yakın gelecekte içten yanmalı motorlarda kullanılan benzin, mazot gibi petrol kökenli konvansiyonel yakıtlarında yerini alacak alternatif yakıtların bulunması gerekmektedir.

İçten yanmalı motorlarda kullanılan diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında sıvı hidrojen hidrokarbonlara oranla 10 kez daha hafif, gaz halinde ise metan gazından yine 10 kere daha hafif olduğu görülmektedir. Çizelge 2. l'de İ.Y.M.'da kullanılan çeşitli yakıtların özellikleri karşılaştırmalı olarak verilmiş8tir (Soruşbay ve Arslan 1988).

Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özelliklerinden biri farklı hava/hidrokarbon karışım oranları için hava fazlalık katsayısının 0.3- 1.7 değerleri arasında tutuşma sağlanabilmekte iken, hidrojen, için bu sınır 0.15-4.35 değerlerine ulaşmaktadır. Hidrojen-hava karışımlarını ateşlemek için gerekli enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla çok düşüktür. Bu durum tutuşma garantisi sağlaması açısından Otto ilkesi ile çalışan motorlar da avantaj sağlamakla birlikte erken tutuşma ve geri yanma gibi sorunları da beraberinde getirmektedir.

 

 

 

 

 

 

 

Çizelge 2.1 Çeşitli motor yakıtlarının fiziksel ve kimyasal özellikleri (Soruşbay ve Arslan 1988).

Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığın oldukça yüksek olması ve (1 Atm) basınçta 847-867 K) ve oktan sayısının yüksek olması, hidrojenin Dizel motorlardan çok Otto ilkesi ile çalışan motorlar için daha uygun bir yakıt olacağını göstermektedir. Dizel motorlarda hidrojen tek başına veya mazotla birlikte kullanımının gerçekleştirildiği örneklerde bulunmaktadır.

Hidrojenin yanması sonucu elde edilen alev hızı da oldukça yüksektir. Bu değer stokiometrik karışımlar için benzin-hava karışımlarındaki alev hızının yaklaşık 4 katı düzeyindedir. Hidrojen diğer mevcut İ.Y.M. yakıtlarından çok yüksek ısıl değerlere sahiptir(Alt ısıl değer 119.9 MJ/kg, üst ısıl değer 141.86 MJ/kg). Ancak hacimsel olarak ele alındığında hidrojenin ısıl değerinin öteki yakıtlardan çok daha düşük olduğu görülecektir. Bu durum bazı çözümler sağlanmaması halinde motorun maksimum gücü açısından eşdeğer özellikteki benzin motorlarına göre bazı kısıtlamalar getirecektir. Hidrojenin difuzyon katsayısı da öteki yakıtlardan daha fazladır. Ayrıca gaz halindeki hidrojen; kağıt, kumaş, kauçuk v.b. malzemelerden ve platin, demir, çelik gibi bazı metallerden difuzyon yolu ile geçebilmektedir. Hidrojenin bu özelliği depolanmasında bazı sorunlar oluşturmaktadır.

 

2.2 Hidrojenin Diğer Yakıtlarla Karşılaştırılması

Ulaşımda kullanılan enerji türlerinde hızlı bir değişim çağı yaşanıyor. Hidrojen Yakıt Pili ile çalışan yeni taşıtlar geleceğin farklı yolcu taşımacılığı hakkında köklü bakış sunmaktadır. Çünkü, geleceğin yakıtı yenilebilir ve çevre kirliliğinden bağımsız olarak çalışabilendir.

Batarya ile çalışan elektrikli otomobiller gibi diğer yakıt ve otomobil teknolojileri yanında hidrojenle çalışan taşıtlar ulaşım yakıtı olarak kullanılan petrolün alternatifidir. Bu alternatif çevre ve enerji problemlerine çözümler sunmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen fazla miktarda üretilebilir olması ve kirliliğin çok az olması sebebi ile gelecek için desteklenebilecek bir yakıttır.

Dünya insanlık tarihi, ikinci büyük enerji geçişinin ortasındadır. Birinci geçiş ağaç kaynaklarından kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil kökenli yakıtlara olmuştur. Bu yakıtlar 150 yıl boyunca enerji üretiminde kütlesel bir artış sağlamıştır. Böylece çok büyük gelişmeler kısa bir süreye sığdırılmıştır. İkinci enerji dönüşümü karbonu daha az, hidrojeni daha fazla içeren temiz, nükleer enerjiden daha güvenli ve yenilenebilir enerji kaynaklarına uygun geçişi sağlayıcı olarak göze çarpmaktadır. (Şekil 2.2) (Cannon 1995).

Ulaşım sektöründe hidrojen, kullanılabilecek enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Bugün dünyadaki enerji ve çevre problemlerinde belirgin olanları bu alandadır. Özellikle kent alanlarında otomobil egzoz emisyonları hava kirliliğinin en büyük kaynağıdır. Hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklan kullanılarak üretilebilir. Örneğin güneş enerjisi ile sudan hidrojen elde edilebilir. Üretilen hidrojen bir İ.Y.M. da yakılabilir yada yakıt pillerinden üretilebilecek elektrik, elektrikli taşıtları çalıştırabilir. Her iki yöntemde de yanma ürünü olarak su açığa çıkar. Açığa çıkan bu ürün tekrar kullanılabilir. Hidrojenin üretiminde kullanılan bazı önemli enerji dönüşüm türleri EK A l-4'de sunulmuştur (Hydrogen Program Plan 1992).

Şekil 2.2 Enerji kaynaklarının evrimi

Hidrojen teknolojisi bir kaç yıl sonra kullanılabilir duruma gelecektir. Doğal gaz bu sürecin daha kısa ve kolay olmasını sağlayabilir. Hidrojen; doğal gaz, petrol ve diğer enerji taşıyıcılarına oranla daha kullanışlıdır. Doğal gaz benzine oranla karbon monoksit ve toksik hava kirleticilerinde %95, hidrokarbon emisyonunda %80, azot oksit emisyonunda %30'luk bir azalma sağlar. Böylece küresel iklim değişimlerini azaltıcı özelliktedir. Hidrojen ve doğal gaz ortak yönlere sahiptir (Hydrogen program plan 1992).

• Doğal gaz ve hidrojen İ.Y.M.'da kullanılabilir.

• Hidrojen doğalgazla birlikte temiz kullanım imkanı sağlayabilir.

• Her ikisinde de benzer depolama ve doldurma teknolojileri kullanılabilir.

• Doğal gazdan hidrojen üretimi yapılabilir.

Bu noktalar göz önüne alındığında doğal gaza geçiş konusundaki yatırımlar, hidrojenin de kullanılmasında esas olacak şekilde yapılabilir.

Hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarının taşıyıcısı olarak kullanılırken;

• Güneşin ısıl gücü kullanılarak doğrudan olarak üretilebilir,

• Isıya hassas fotovoltaik hücreler kullanılarak üretilebilir,

• Rüzgardan elde edilecek elektrik kullanılarak üretilebilir,

• Hidrolik güçten elde edilecek elektrik kullanılarak üretilebilir,

• Bio-kütlelerdeki enerjiyi serbest hale getirerek hidrojen elde edilebilir.

Hidrojen, üretim, dağıtım, kullanım ve güvenlik bakımından benzinle karşılaştırıldığında bazı avantajlara sahiptir. Öncelikle temizdir, yenilenebilir şekilde üretilebilir, sağlıklıdır. Güvenlik açısından da tehlikeli olduğu düşünülüyorsa da uzay çalışmalarından elde edilen tecrübelerle böyle olmadığı anlaşılmıştır. Fakat gerçek dünya şartlarında hidrojenin araçlarda kullanılması halinde karakteristiğinin net olarak belirlenmesine ihtiyaç vardır. Böylece teknolojik çözümler geliştirilebilir.

Hidrojenin kullanımının amacı olan çevre sorunları ve enerji problemlerinin çözümünde önemli olan konu hidrojenin üretim, dağıtım, kullanımında seçilecek olan yöntem ve teknolojilerdir. Hidrojenin üretimi göz önüne alındığında; elektroliz, elektrik üretimindeki maliyetlerin yüksek olması sebebi ile yeterince uygun değildir. Ayrıca elektrik üretimindeki yöntem de önemlidir. Amaç hava kirliliğinin azaltılması iken termik santralların kullanılması, güvenilir olmasından bahsederken nükleer enerjiden elektrik üretimi uygun değildir. Kömür ve doğal gazdan hidrojen üretiminde ise emisyon faktörlerinin etkileri az olsa da önemini koruyacaktır. Bu etkilerin minimizasyonu için fotovoltaik piller, doğrudan güneş enerjisi, bio-kütle gibi üretim yöntemleri kullanılabilir.

Hidrojen, rakip yakıtlarla karşılaştırıldığında uygun seçenekler sunmaktadır. Hidrojen - yakıt pili -elektrik motoru sistemi örnek olarak alınırsa; fosil yakıttan kullanan İ.Y.M.'lara göre enerji verimliliğinin yaklaşık 2.5 katının temini mümkündür. Benzer olarak yakıt pili sistemi ile elektrik üretimi fosil yakıt kullanan türbin motorların 2 katı verimlilik elde edilebilir.

 

2.3 Hidrojenin Geleceği

Dünyada birincil enerji kaynağı olarak kömür, doğal gaz ve petrol gibi fosil kökenli yakıtlar, elektrik üreten nükleer güç santrallarında kullanılan uranyum, güneş, rüzgar, bio-kütle, jeotermal ve hidroelektrik güç kaynaklan enerji ihtiyacının karşılanmasında paya sahiptir. Bu birincil kaynaklar enerji temininde doğrudan kullanılabilir. Fakat çoğunlukla hizmete sunulması ve üretim için ihtiyaç olan yerlere ulaştırılması için elektrik gibi bir enerji taşıyıcısına dönüştürülerek kullanılır. Hidrojen, geleceğe yönelik olarak kurulacak enerji sisteminde kullanılacak potansiyele sahip bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen ve elektriğin ortak kullanımı için sistemler geliştirilecektir. Bu yakıtın enerji taşıyıcısı olarak enerji ekonomisine entegrasyonu pratik ve uygulanabilir, yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesine bağlıdır. Bu gelişmeler ile hidrojen, ev ve ofis ısıtmada, elektrik üretiminde, endüstriyel işlemlerde, kara ve hava ulaşımında kullanılacak şekilde depolanacak ve nakledilecektir.

Hidrojen, fosil yakıtlara olan bağlılığı ortadan kaldırılarak kirliliğin önlenmesini sağlayabilir. Bu amaçla ülkeler engellerin aşılması için gereken teknolojilere ulaşabilmek için belli programlar oluşturarak bu yönde araştırma ve geliştirme çalışmaları yapmaktadırlar. Hidrojen ilk etapta fosil yakıtlara ek olarak kullanılabilir. Hidrojen, petrol, etan, metan, doğal gazla birlikte İ.Y.M.'da yakıt olarak birleştirilebilir. Böylece kirliliği azaltıp performans da artırılabilir. Örnek olarak benzin-hava karışımına % 5 hidrojen ilavesi azotoksit emisyonunu % 30-40 azaltabilir, ikinci etapta emisyonu sıfıra indirecek hidrojen-yakıt piline sahip taşıtların geliştirilmesiyle ulaşımda doğrudan hidrojene geçilecek ve bu yaygınlaşacaktır. Üçüncü etapta ise ısıtmada, endüstride, ulaşımda ve evsel kullanımda tamamen hidrojene dayalı bir enerji sistemi geliştirilecektir.

Geleceğe yönelik olarak yapılan programlar hidrojenin üretimi, depolanması, dağıtımı ve kullanımı olmak üzere dört grupta toplanmıştır. Üretim alanında çeşitli yöntemler üzerinde eşgüdümlü olarak çalışılmaktadır. Bu yöntemler, elektroliz, fotokonversiyon, gazifikasyon, ileri ayrıştırma (pyrolosis) vb.'dir. Bu çalışmalarda amaç uygun maliyetlerin ve teknolojilerin . bulunması ve uygulanmasıdır.

Depolama alanında; karşılaştırılabilir maliyete sahip, güvenilir, taşınabilir veya sabit olarak kullanılabilecek, yüksek hacimsel ve kütlesel yoğunluğa sahip, hidrojen maliyetinin %50'sinden düşük maliyete sahip sistemlerin geliştirilmesidir.

Bu amaçla, gaz ve sıvı depolama sistemleri, katı gaz absorbsiyonu, metal hidrit sistemi gibi yöntemler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır.

Dağıtım alanında; ihtiyaç duyulan yerlere zamanında düşük maliyette ve uygun teknolojiler kullanılarak ulaştırılması amaçlanmaktadır. Bunun içinde öncelikle doğal gaz için fakat hidrojenin iletilmesinde de kullanılabilecek dağıtım ağının ve taşıt üstündeki nakliye için kullanılacak sistemlerin geliştirilmesine çalışılmaktadır. Bir diğer alternatif olarak bağımsız hidrojen üretiminde kullanılacak yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesidir. Bu alternatifte hidrojen doğrudan doğruya kullanılabileceği yerde üretilecek ve kullanılacaktır.

Kullanım alanında; hidrojenin diğer yakıtlarla birlikte veya tek başına İ.Y.M.'da kullanılarak kirliliğin azaltılması, petrol kaynaklarına olan bağlılığı azaltarak emisyonu sıfıra düşürecek yakıt pilleri ile taşıtların çalıştırılması, endüstriyel işlemler ve ısıtma gibi kullanım alanlarında uygun teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanmasıdır.

 

2.4 Hidrojenin Üretimi

Bugün hidrojenin üretimi için birçok yöntem mevcuttur. Bunlardan en çok kullanılan yöntem doğal gazın buhar reformasyonudur. Ancak uygulamalarda ihtiyaç duyulan saf hidrojen için göreceli olarak pahalı bir teknik olan, elektroliz kullanılmaktadır (Elam 1996)

Hidrojenin geleceğin yakıtı olması için ileri teknolojiler kullanılarak fosil yakıtlarla maliyet bakımından rekabet edebilecek yenilenebilen enerji kaynaklan ile hidrojen üretimi geliştirilmektedir. Üzerinde çalışılan teknolojiler genel olarak üç kategoriye ayrılabilir.

1. Fotobiyolojik hidrojen üretimi

2. Fotoelektro kimyasal hidrojen üretimi

3. Termokimyasal hidrojen üretimi

Bunların dışında da daha önceden geliştirilen diğer yöntemlerde mevcuttur.

Bunlar:

4. Elektroliz

5. Buhar yapılandırması (Steam reforming)

 

1. Fotobiyolojik hidrojen üretimi: Çoğu fotobiyolojık sistemde, hidrojen üretimi için kullanılan bakteriler ve yeşil yosunlar, klorofil aracılığı ile güneş ışığını absorbe eder ve enzimler sayesinde hidrojenin ayrılması sağlanır. Fotobiyolojik üretim teknolojisi uzun vadede hidrojen üretimi için oldukça ümit vericidir. Ancak iki önemli sınırlama mevcuttur. Birincisi; göreceli olarak düşük solar dönüşüm verimliliğine sahip olmasıdır. Güneş enerjisinin ancak % 5-6'sı hidrojen enerjisine dönüştürülebilir. İkincisi; suda hidrojeni ayıran enzimlerin hemen hemen tümü suyun ayrışmasının sonucu diğer ürün olan oksijeninde açığa çıkmasını sağladığından, hidrojenin saf olarak üretilmesine engel olmaktadır(Rossmeiss 1995).

 

2. Fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi: Fotoelektrokimyasal işlem optik enerjinin kimyasal enerjiye dönüştürülebilmesi için bir fotoelektrokimyasal pil ve yarı iletken elektrotlar kullanılır. Fotoelektrokimyasal sistemin başlıca iki tipi vardır; biri yan iletken kullanım, diğeri erimiş metal karışımlarının kullanımıdır.

Birinci tipte yan iletken bir yüzey suyun ayrıştırılması için hem solar enerjiyi absorbe etmek hem de bir elektrot gibi davranacak şekilde kullanılır. Bu teknoloji ile enerji dönüşüm verimliliği 1974'te % l'den daha az iken bugün % 8'in üstüne yükselmesine rağmen hala gelişmesinin ilk aşamalarındadır. Hatta daha yüksek verimlilik, kimyasal reaksiyonun süresinin azaltılmasına yardımcı olacak bir dış elektrik şarjı ile elde edilir.

Fotoelektrokimyasal sistemin ikinci tipi r katalizör olarak erimiş metal karışımlarını kullanır. Çözülebilir(eriyebilen) metal karışımları enerjiyi absorbe eder ve suyun ayrıştırılmasında kullanılan bir elektrik şarjı oluşturur. Araştırmacılar suyu ayrıştırmada ve hidrojen üretimini daha verimli yapacak katalizörün saptanmasına odaklanmıştır. Bu metot günümüzde yarı iletken işleminden daha az gelişmiştir.

 

 

 

3. Hidrojenin termokimyasal yöntemle üretilmesi: Kömür, şehir katı atıkları ve bio-kütlelerin ısısından yararlanarak hidrojen içeren çeşitli gazlar üretilir. Gazların bileşimi depolama tipine, oksijenin mevcudiyetine, reaksiyon sıcaklığına ve diğer parametrelere bağlıdır. Üretilen gazdaki hidrojen, gaz karışımı içinde çok küçük yüzdelerde dolaşmaktadır.

Yenilenebilir hidrojen araştırmaları, bugün bir yakıt yada kimyasal gaz depolamada kullanmak için bio-kütleden orta ısıl değerde gazlara odaklanmıştır. Bio kütlenin gazifikasyonu için, ya çöpler yada depolayıcı kabul edebilecek bir enerji kaynağı olarak özel olarak yetiştirilen otlar ve ağaçlar kullanılır.

Diğer bir termokimyasal üretim teknolojisi de suyun doğrudan oksijenle hidrojene ayrıştırılmasını sağlayan kapalı çevrimli termokimyasal yöntemdir. Bu teknoloji diğer yöntemlere göre daha ayrıntılıdır. Verimi daha yüksektir. Termokimyasal işlem kısaca geliştirilen çeşitli bileşiklerin suyla doğrudan reaksiyon sonucu hidrojen ve oksijenin açığa çıkartılmasıdır. İşlem iki aşamada gerçekleşir; ilk aşamada bileşik suyla reaksiyona girer ve hidrojen açığa çıkar, ikinci aşamada ilk aşamada elde edilen bileşikler yüksek sıcaklıklarda ayrıştırıldığında ise ilk bileşik ve oksijen gazı elde edilir (Kolbenev 1992). Bu işlem;

H₂O + X à XO + H₂

XO + ısı à X + 1/2 O₂ şeklindedir. Burada "X" Al, Fe gibi su ile reaksiyona giren elementi ifade etmektedir.

 

4. Hidrojenin elektrolizle üretilmesi: Elektroliz, hidrolik, rüzgar, jeotermal güneş yada nükleer enerji ile üretilen elektrik enerjisi ile sudan hidrojen üretilmesinde kullanılmaktadır. Elektrolizle hidrojen üretebilmek için önce elektrik üretim aşamalarına ihtiyaç vardır. Bu aşamalar sonunda orijinal enerjinin yaklaşık yansı kaybedilir, buna rağmen bu işlem günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Suyun elektrolizi elektrotlar aracılığı ile sudan doğru akım elektriğin geçirilmesiyle yapılır. Su gerçekten iletken olmadığı için KOH gibi elektrolitler ilave edilir (Üneri 1978).

Elektroliz işleminin verimliliğini yükseltmek için yeni elektrot malzemeleri üzerinde çalışılmaktadır. Kullanılan elektrolitik hücreler oldukça az bakıma ihtiyaç duyar ve yirmibeş yıldan fazla ömürleri vardır. Bu nedenle hidrojen üretmek için güneş enerjisi ve rüzgar jeneratörleri ile şehirden uzak yerlere uyarlanması mümkündür. Bu sistem 1000 M W in üzerindeki elektrik enerjisi kapasiteli elektroliz fabrikalarında kullanımı planlanmaktadır. Bu tesislerin her birinde yılda yaklaşık 150.000 Ton hidrojen üretme kapasitesine sahip olacaktır (Yalçın ve ark. 1993).

 

5. Buhar yapılandırması ile hidrojen üretimi (Steam reforming): Araçta kullanılacak hidrojenin depolanmasında karşılaşılan zorluklar nedeniyle hidrojen yakıtlı araçların yakıt donanımları ile ilgili çeşitli metotların gelişmesine yol açmıştır. Bu konuda, iki temel fikrin öne çıktığım görmekteyiz.

• Doğal gaz, metanol, etanol gibi diğer alternatif yakıtların depolanarak, araç üzerinde yeniden yapılandırılmasıyla hidrojen üretimi.

• Sabit merkezlerden temin edilecek hidrojenin araç üzerinde depolanması. Hidrojen üretim yöntemlerinden biri olan yeniden yapılandırma (reforming) için üç değişik yöntem uygulanabilir.

1) Katalitik buhar yapılandırma (SR)

2) Non-katalitik kısmı oksidasyon (POX)

3) Katalitik kısmi oksidasyon (veya ototermal yapılandırma) (ATR)

Yapılandım sistemlerinin verimi önemli oranda sistemin işletme sıcaklığına ve basıncına bağlıdır. Yapılandırma sisteminin sıcaklığı da kullanılacak yakıtın cinsine ve sistemin teknolojisine göre değişir.

Buna göre, buhar yapılandırma sistemi (SR) diğerlerine nazaran daha düşük sıcaklıklarda çalışabilmektedir. Yeniden yapılandırma ile hidrojen üretiminde birçok hidrokarbon, yakıt olarak kullanılabilir. Bunların içinde öne çıkan yakıt türleri ise metan, metanol ve etanoldur. Bununla birlikte kullanılan yakıt olarak, metanol en düşük, metan biraz yüksek, etanol en yüksek yapılandırma sıcaklıklarına ihtiyaç duyarlar. Sonuç olarak metanol yakıt olarak yeniden yapılandırılması durumunda en verimli hidrojen üretimini sağlar(Arthur 1994). Yapılandırma yöntemleri hakkında aşağıda ayrıntılı bilgiler sunulmuştur.

1) Katalitik buhar yapılandırma (SR): Hidrokarbon yakıtların buhar yapılandırması yolu ile hidrojen ve bileşikleri üretimi kullanılan en eski ve en çok uygulanmış yöntemdir. SR için yakıt türleri genelde nafta, doğal gaz ve diğer hafif hidrokarbonlardır.

Bu yöntemde, hidrokarbon yakıt katalitik yolla buharla reaksiyona girerek diğer bileşik gazlara (Hb, CO, CO₂) dönüştürülür. İşlem endotermik olduğu için sistem için gerekli ısı yakıtın harici olarak yakılması ile sağlanır. Sanayi uygulamalarında bu işlem 600 °C - 1000 "C'de ve 40-100 Atm. basınç altında, nikel esaslı katalizör kullanılarak gerçekleştirilir (Arthur 1994). Ancak sülfür zehirlenmesini önlemek için nikelin sülfür ile temasının engellenmesi veya sülfür-resistant katalizör kullanılması gerekir. Hidrojen konsantrasyonunu artırmak için bileşik gazın (buhar ile CO reaksiyonu sonunda H? ve CO₂ elde edildiği) su gazı değişim reaksiyonuna girmesi gerekir. Su gazı reaksiyonu ise genellikle bir birine seri iki adyabatik değişim reaktörü tarafından gerçekleştirilir.

Standart nikel esaslı buhar yapılandırma katalizörleri metan ve metanol yapılandırması için uygundurlar.

2) Kısmi oksidasyon ile yapılandırma (POX): Kısmi oksidasyon katalizörsüz bir işlemdir. Reaksiyon için gerekli ısı yakıtın bir kısmının oksidasyonu ile sağlanır. Oksidasyonun miktarı oksijen ilavesinin kontrolü ile ayarlanır. POX işlemi için hava kullanılırsa çok az miktarda amonyak üretimi de söz konusu olur. POX işlemi genellikle ağır hidrokarbonların (Ağır nafta, rafineri artıkları veya kömür gibi') yapılandırılmasında kullanılır.

POX, katalizör olmadığı için avantajlı olsa da katalizörlü yapılandırma işlemlerine nazaran yüksek sıcaklıklarda (1100-1500 °C) çalıştırılmaya ihtiyaç duyulur.

3) Ototermal yapılandırma (ATR): Ototermal yapılandırma teknolojisi, buhar yapılandırma (SR) teknolojisinin katalizör bölümü ile kısmi oksidasyon teknolojisinin (POX) oksidasyon bölümünün bir arada kullanılması sonucu geliştirilmiştir. Oksijen katalizörü kullanılarak bir miktar yakıt kontrollü oksijen ilavesi ile oksidize edilir. Oksidasyon ısısı yakıtın Ha ve CO şeklinde yapılanması için gerekli ısı ve yüksek sıcaklık ihtiyacını karşılar. ATR işlemindeki sıcaklık POX'e göre düşük, fakat SR'e göre ise yüksek durumdadır. ATR işlemi için iki ayrı tip katalizör kullanılır. Biri platin esaslı katalizör, diğeri ise buhar yapılandırma işleminde olduğu gibi nikel esaslı katalizördür.

Buhar yapılandırma işleminde, buhar uygun katalizör yardımı ile hidrokarbonla reaksiyona girerek hidrojence zengin gaz üretimi sağlanır. SR, aynı anda bir yada birkaç reaksiyonun olabileceği endotermik bir işlemdir. Hidrojen üretiminde buhar yapılandırma tekniği için yüksek sıcaklık ve düşük basınç uygun görülmektedir.

Yapılandırma yöntemlerinin birbirine göre tabii farklılıklarına ilave olarak, birçok değişik faktöründe dikkate alınması gerekir. Bütün bu yapılandırma teknikleri hemen hemen aynı düzenek ve aşamalara sahiptir. Bu yöntemleri birbirinden ayıran temel farklılık endotermik reaksiyonlar için gerekli olan ısıyı sağlama teknikleridir.

Buhar yapılandırmasında (SR) ısı. harici bir ısı kaynağı (fınn) vasıtası ile sağlanır. ATR ve POX'te ise bir miktar yakıtın oksidasyonu sayesinde olur. Bu farklılık, ATR ve POX yöntemlerine ağırlık, hacim ve reaksiyon hızı gibi avantajlar sağlar. Yeniden yapılandırma sisteminin dezavantajı, üretilen ürünlerin birbirinden ayrılmasının zorluğundan dolayı hidrojen saflığının düşük olması ve yüksek sıcaklıklara ihtiyaç göstermesidir.

 

 

 

2.5 Hidrojenin Depolanması

Hidrojenin üretilmesinden sonra ihtiyaç olan yerlere ulaştırılması, kullanılması ve kullanımının azaldığı durumlarda da hidrojenin depolanmasına ihtiyaç vardır. Genel olarak hidrojenin kullanıldığı her yerde depolanmasına ihtiyaç vardır. Taşıtlarda hidrojenin kullanılması durumunda depolama daha fazla önem kazanmaktadır. Bu nokta da hidrojenin depolanmasını makro ve mikro olmak üzere ikiye ayırabiliriz. Makro düzeyde merkezi bir jeneratör, güneş hidrojen enerji sistemi, rüzgar hidrojen enerji sistemi vb. gibi merkezi olarak üretilen hidrojenin depolanmasıdır. Mikro düzey ise kullanım yeri (pişirme, ısınma vb.) veya hidrojen yakıtlı taşıtlarda hidrojenin depolanmasıdır. Kullanım yerine ve yöntemine bağlı olarak farklı tipte depolama yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Depolama sistemlerinin maliyet verimliliği geleceğin enerji seçeneklerinden biri olan hidrojen gazının kullanımı için en kritik faktördür.

Bu günün depolama yöntemleri çok pahalıdır ve çeşitli uygulamaların gereksinim gösterdiği performansları karşılamamaktadır. Yüksek enerji yoğunluğuna ve düşük ağırlığa sahip taşınabilir (araç üstü) depolara ihtiyaç duyulmaktadır. Normal sıcaklık ve basınç şartlarında, hidrojen çok düşük enerji yoğunluğuna (benzine göre yaklaşık 1/3300) sahiptir. Bu sebeple depolama konusunda uzun vadede amaç, ağırlık ve hacimsel olarak depolama yoğunluğu açısından benzinle karşılaştırılabilir teknolojilerin gerçekleştirilmesidir. Ekonomik ve pratik hidrojen depolama sistemi kapasiteye, depo malzemelerinin yapısal bileşenlerine toplam maliyet ve hidrojenin emniyetli kullanımı için gerekli olan basınç ve sıcaklık şartlarına bağlıdır. Araçta enerji depolama sistemlerinin özellikleri EK-A5-7'de yer almaktadır (Hydrogen Program Plan 1992).

 

2.5.1 Katı hal depolama

Katı hal depolama (gazı absorbe eden katılar ve metal hidritler) yöntemleri güvenilir teknolojilerdir ve fiziksel depolamaya göre birim hacime daha fazla hidrojen depolanabilir, daha pahalı ve ağırdırlar, katı hal depolamadaki araştırma ve geliştirmeler ticari olarak uygulanabilecek karbon ve zeolitlerin hidrojeni absorbsiyon ve desorbsiyon özelliklerinin belirlenmesine odaklanmıştır. Yüksek performanslı depolama malzemelerinin geliştirilmesi için katı hal depolamanın temel mekanizmalarının tam olarak anlaşılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Belirli araştırmalar planlanmakta ve yürütülmektedir. Bunların bazıları;

• Pratik ve teorik hidrojen depolama kapasiteleri şarj ve deşarj oranlan, ısıl ve mekanik etkilerin oluşumu, uygun malzemelerin belirlenmesi,

• Magnezyum esaslı hidritler ve yüksek alanlı aktifleştirilmiş karbon gibi konvansiyonel katı hal hidrojen depolama malzemelerinin üretilmesi için yöntemlerin geliştirilmesi,

• Karbonun bir formu olan fulleren'lerin, gözenekli silikon, gözenekli metal silisidler, zeolitler, dihidritler ve klasik olmayan polihidritler, hidrojenize amorf alaşımlar, ince film şeklinde metal hidritler, yeni sentetik metotlar, gözenekli ve yapışız (none structure) malzemeler gibi yeni malzeme sistemlerinin araştırılması,

• Yer altında depolamanın jeodinamiği, doğal gaz depolama tesisatlarının uygunluğunun araştırılması ve manyetik soğutma gibi sıvılaştırma maliyetlerini azaltacak teknolojiler hakkında çalışmalar.

 

2.5.2 Fiziksel depolama

Fiziksel depolama sistemleri hidrojenin . fiziksel özelliklerinden yararlanarak yapılan depolama yöntemleridir. Hidrojen gazının güvenilir olarak kullanılabileceği şartlar belirlenerek çeşitli depolama sistemleri geliştirilmiştir. Genel olarak basınçlı gaz ve kriogenik sıvı olarak sınıflandırılabilir, fakat ara uygulamalar da söz konusudur. Sıkıştırılmış gaz yada kriogenik sıvı depolama bu günün uygulamaları için pratik olarak kullanılmaktadır.

Fakat, bugünün teknolojisi gelecekle yaygın olarak kullanım için yeterli değildir. Araştırmalar mevcut teknolojilerin iyileştirilmesine yönelik olarak devam etmektedir. Havacılık teknolojisi için geliştirilen düşük ağırlıklı grafit kompozit malzemeler hidrojen depolama içinde ümit vericidir. Bu malzemeler yüksek basınç (41 Mpa) gereken düşük ağırlığa sahip depoların imalatında kullanılacak potansiyele sahiptir.

 

2.6 Hidrojenin Kullanımı Ve Karşılaşılan Problemler

Hidrojen kullanımı için bugünkü araştırma ve geliştirme çabaları hidrojenin enerji ekonomisinden ilerlemesini kolaylaştıracak teknolojilere odaklanmıştır. Bu teknolojiler yakıt pillerini, içten yanmalı pistonlu motorları, gaz türbinlerini, evsel kullanımı, kazanları v.b. içermektedir.

Kazanlar; hidrojen kazanları elektrik üretiminde, endüstri ve evlerin ısıtılması için kullanılabilir. Havayla bir yakıtın yanması azot oksit emisyonlarının üretilmesine sebep olması nedeniyle, araştırma çabalan bu emisyonların azaltılarak hidrojenin yanmasının optimizasyonuna odaklanmıştır. Yanma sonucu ortaya çıkan azotoksit emisyonunun azaltılması için uygun maliyetli metotlar üzerinde durulmaktadır. Bunlardan bazıları, tepe yanma sıcaklıklardaki harcanan zamanın azaltılması ve hidrojen içeren yakıtlar hakkında ihtiyaç duyulan akışkan yanma dinamiğinin araştırılmasıdır.

Ocaklar ve fırınlar; LPG ve doğal gaz ocakları modifikasyonlar ile hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülebilirler. Fakat doğal gaza göre daha fazla yaklaşık 3 kat, hidrojene ihtiyaç vardır. Bunun için de hidrojen doğal gazın 3 katı bir hıza sahip olması yeterlidir.

Sıradan konvansiyonel bir bek, doğal gazla çalışır iken 35 ppm'lik bir azot oksit konsantrasyonu ölçülmüştür. Bek primer hava olmaksızın hidrojenle çalıştığında ise 250 ppm'lik azot oksit açığa çıkar. Bu konsantrasyon ev içinde çalışma için oldukça yüksektir. Problemin ortadan kaldırılması için basit bir çözüm geliştirilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda paslanmaz çelik, hidrojenin yanmasında mükemmel bir katalizördür. Hidrojen konsantrasyonu katalizör kullanarak kullanıma uygun seviyelere indirilebilir(Das 1990).

Ulaşım; içten yanmalı pistonlu ve gaz türbinli motorlar ulaşım araçlarında hakim olan güç kaynaklarıdır. Alternatif yakıt arayışının temel sebebi olan, çevre kirliği ve petrol rezervlerinin azalmasında en çok etkilenecek alan da ulaşım alanıdır. Bu sebeple, hidrojenin kullanımı konusunda üzerinde en çok araştırma geliştirme çalışmalarının yapıldığı alanda ulaşımdır.

Hidrojenin, hava ulaşımında kullanılması konusunda yapılan araştırmalar sonucunda pek çok avantajlara sahip olduğu tespit edilmiştir. Kalkış esnasında bir uçak kendi ağırlığı, yükün ağırlığı ve gideceği yer için ihtiyaç duyulan yakıtın ağırlığını kaldırması gerekmektedir. Hidrojen birim ağırlıkta jet yakıtına göre 2.5 kat daha fazla enerji içermektedir. Bu bir uçak için daha hafif yakıt yükü olarak açıklanabilir. Uçaklarda hidrojenin basınçlı gaz yada kriogenik sıvı olarak kullanımı mümkündür. Sıvı hidrojenin kullanılması durumunda daha önce de bahsedilen avantajlar yanında, bir sistem teklifi olarak uçak yapısının soğutulmasıdır. Süpersonik uçakların dış yüzeylerinde açığa çıkan yüksek sıcaklıklarda gereken mukavemete sahip malzemelerden olması sebebiyle bu uçaklarda titanyum ve diğer ağır alaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Sıvı hidrojen kullanımı mümkün olduğunda alüminyum ve boron gibi hafif ağırlıklı alaşımlar kullanılabilir. Böylece menzil ve yük arttırılabilecektir (Escher 1994).

Yakıt pilleri de ulaşım araçlarında hidrojenin kullanımı açısından diğer bir alternatif yöntemdir. Bu yöntemde yakıt pili elektrik üretir ve üretilen elektrik, elektrik motorunu çalıştırarak aracın hareket etmesini sağlar. Yakıt pilleri hidrojeni doğrudan olarak düşük voltajlı doğru elektrik akımına dönüştüren cihazlardır. Pilin hareketli parçası yoktur ve basit elektrik prensibiyle çalışır. İşlem esas olarak suyun hidrojen ve oksijene rırminali negatif yüklenmiştir. Bu terminaller PEM "Proton Exchange Membrane" tipi yakıt pilinde, proton değişim plakaları ile birbirinden ayrılmıştır. Hidrojen anotta elektronlar ve protonlara ayrılır (Pozitif Hidrojen İyonları) protonlar membrandân katota geçer, negatif yüklü elektronlar arkasından ayrılır. Bu harici bir devre ile bağlandığında terminaller arasında doğru elektrik akımı oluşturur. Bu akım bir elektrik motorunu çalıştırabilir. Şekil 2.11.

Hidrojen iyonları, elektronlar ve bu temiz işlemin tek yan ürünü olan oksijen suyu oluşturmak için katotla birleşir. Yakıt pilleri kirlilik üretmez ve sessizdir, çok az bakıma ihtiyaç duyar birkaç saniyede çalıştırılabilir. Şekil 2.12. (Escher 1994).

Yakıt pilleri yakıtın enerji potansiyelinin %75'inin üzerinde dönüştürebilecek büyüklükte bir verimlilik potansiyeline sahiptir. Bu günün şartları altında yapımı pahalıdır ve tamamı ile pratik olması için daha fazla teknolojik ilerlemeye ihtiyaç vardır.İçten yanmalı motorlarda hidrojenin yakıt olarak kullanılması konusu aşağıda daha ayrıntılı olarak incelenecektir.

Şekil 2.11. Hidrojen yakıt pili (U.S. DOE. 1995)

Şekil 2.12. Tek hücreli hidrojen hava yakıt pili (Escher 1994)

 

2.6.1 Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımı

İçten yanmalı motorlarda hidrojenin kullanımı konusundaki araştırmalar, 1900'lü yıllarda başlatılmıştır. Enerji kaynaklarının azalması sebebi ile ortaya çıkan enerji krizleri ve çevre sorunlarının önem kazanması, hidrojen üzerinde yapılan çalışmaları arttırmıştır. Geçtiğimiz 15-20 yılda hidrojen üzerine artan çalışmalar standart otomobillerin dönüştürülmesi içindir. Çeşitli üniversiteler, enstitüler, araştırma merkezleri, otomobil üreticileri ve hükümetler bu araştırmaları desteklemekte ve pek çok projeler gerçekleştirilmektedir. Bu projelerin tümünde iki ana unsur bulunmaktadır. Bunlar;

1. İçten yanmalı motorların hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülmesi,

2. Araç üzerinde hidrojenin depolanması için teknolojilerin geliştirilmesi.

İçten yanmalı pistonlu motorlarla çalıştırılan taşıtların büyük bir kısmı benzin ve mazot gibi sıvı yakıtları kullanmaktadır. Bunların yanında çok küçük bir oranda olsa da LPG, propan, doğal gaz gibi yakıtlarla da çalışan taşıtlar vardır. Bütan, propan ve doğal gaz için kullanılan mühendislik prensipleri hidrojen kullanımı içinde uygulanabilir. Ancak bugünün donanımı (teçhizatı), yakıt-hava karışım oranlarındaki farklılık sebebi ile değişiklik yapılmaksızın doğrudan hidrojen sistemine aktarılamaz. Bu yüzden hidrojen için özel tasarımlar yapılması gerekmektedir. İçten yanmalı motorlarda hidrojeni kullanmanın bir diğer yöntemi de motorların çift yakıtlı olarak çalıştırılmasıdır (Kolbenev 1993).

Uygun değişiklikler ile benzin ve dizel motorlar çift yakıtlı olarak çalışabilmektedir. Bu, çevre kirliliğinin azaltılmasına, petrol kaynaklarının daha ekonomik kullanılmasına, fosil kökenli yakıtlardan hidrojen enerjisine bir geçiş dönemi oluşturarak, mevcut ekipmanların ve dağıtım şebekesinin küçük modifikasyonlarla kullanılmasına yardımcı olacaktır.

Araştırmacılar çeşitli uygulamalar ve sistemler üzerinde çalışmaktadırlar. Bu konu sonraki bölümlerde detaylı olarak ele alınacaktır.

 

2.6.1.1 Karışım hazırlama yöntemleri

Hidrojen yakıtlı motorlarda yanma özelliklerini, emisyon özelliklerini ve motor performansını etkileyen en önemli işlem karışım hazırlama yöntemidir. Hidrojenin difüzyon hızının yüksek olması, geniş yanma sınırlarına sahip olması ve yüksek devirlerde bile homojen karışım sağlanması mümkün olduğu için çeşitli karışım hazırlama yöntemleri geliştirilmektedir. Genel olarak:

1. Karbürasyon

2. Emme manifolduna enjeksiyon

3. Emme sübabı portuna enjeksiyon

4. Doğrudan silindire enjeksiyon

Bir gaz karbüratörü ile karbürasyon kullanılan en eski ve basit tekniktir. Benzinli bir motorda yakıtın karışım içindeki hacimsel oranı %1,7 civarındadır. Buna karşılık gaz halindeki hidrojenin stokiometrik koşullarda kapladığı hacım % 30 olacağından eşdeğer motordan alınacak maksimum güç miktarı %15 dolayında bir düşüş görülecektir. Ayrıca güç kontrolü için kullanılan gaz kelebeği sebebiyle de kısılma kayıpları, geri yanma ve erken tutuşma problemleri de mevcuttur. (Şekil 2.13).

Şekil 2.13 1000 cm³ hacimli bir motor için yanma odasındaki yakıt hava karışımlarının maksimum kalorifik değerleri

Bu problemler göz önüne alındığında istenmeyen yanma olayları, güçteki düşüş ve kısılma kayıplarının ortadan kaldırılmasında yakıt enjeksiyon tekniğinin önemli etkisi vardır.

Hidrojenin emme manifolduna enjeksiyonu kısılma ile güç kontrolüne alternatif bir sistemdir. Bu metot hidrojenin tipik özellikleri (Geniş yanma sınırları v.b.) sebebi ile avantajlıdır. Yakıt devamlı olarak gönderilebileceği gibi emiş stroğuna bağlı olarak kesikli gönderilebilir. Geri yanmanın önlenebilmesi için emme manifoldu, içinde yanıcı bir karışımın devamlı olarak bulunması önlenecek şekilde tasarlanmalıdır. Havanın yakıt dağıtımından önce silindire püskürtülmesi çalışma açısından çok önemli iki role sahiptir. Birinci olarak soğutma etkisi sağlayarak yüzeylerdeki mevcut ısı kaynaklarını etkisiz kılmaktadır. İkinci olarak da silindir içersindeki yanma ürünlerinin seyreltilmesine ve soğutulmasına yardımcı olur (Das 1990).

Karbüratörlü bir motor sisteminde egsoz ve emme subaplarımn aynı anda açık olduğu subap bindirmesi esnasında sıcak atık gazlar ile hava dolgusu temas eder. Bu da geri yanmaya sebep olur. Manifolda enjeksiyon sisteminde bu tip geri yanma daha az görülür. Kesikli püskürtme ile bu olay daha da azaltılabilir.

Bazı araştırmacılarda emme portuna (subabın oturma yüzeyinden) enjeksiyon üzerinde araştırmalar yapmaktadır. Böyle bir sistemde hem hava, hem de yakıt emme stroğu esnasında yanma odasına girer. Emme manifoldunda karışma olmaz karışım yanma odasının içinde hazırlanır, geri yanmanın önüne geçilmiş olur. Motorun gücü karbüratörlü ve emme manifoldundan beslenen bir sisteme göre artar. Aynı işlem hidrojenin ayrı bir subaptan yanma odasına gönderilmesiyle de gerçekleştirilir.

Hidrojenin yanma odasına doğrudan enjeksiyonu önceki sistemlerinin kötü yönlerinin ortadan kaldırır. Motordan alınan gücün artmasına yardımcı olur. Geri yanma ve erken tutuşmanın önüne geçer. Fakat yüksek basınçlı püskürtme sistemlerine ihtiyaç duyulur. Piston üst ölü noktaya yaklaştığında yanma odası içindeki basınçtan daha yüksek bir basınçta püskürtmeye ihtiyaç duyulur. Bu noktada sıcaklık kontrollü depolama sistemi kullanılarak ek basınç arttırıcı işleme gerek kalmaksızın doğrudan enjeksiyon işlemi yapılabilir(Krepec ve ark. 1990)

Hidrojenin yanma odasına sıvı olarak gönderilmesi de araştırılan konulardan birisidir. Bu sistemde motordan alınan gücün artmasını sağlar. Hidrojenin sıvı yada gaz olarak silindir içine doğrudan püskürtme sistemlerinin dezavantajı pahalı ve karmaşık mekanizmalar gerektirmeleridir.

Hidrojenin benzin ve mazotla karışık olarak kullanıldığı sistemlerde mevcuttur. Benzinli sistemde hidrojen - benzin - hava karışımı yanma odasına gönderilir ve buji ile ateşleme yapılır. Güç ayarı karışım oranlan değiştirilerek yapılır. Mazotlu sistem normal dizel motor gibi çalışır. Yanma odasına hava-hidrojen karışımı gönderilir. Yanma mazotunun püskürtülmesi ile yapılır.

 

2.6.1.2 İ.Y.M. da hidrojen kullanımında karşılaşılan problemler

İ.Y.M. da hidrojen kullanımı ile ilgili ilk deneylerde propan ve doğal gaz için kullanılan yakıt - hava karışım cihazları hidrojene uygun olarak geliştirilmiş ve motor üzerinde deneyler yapılmıştır. Hidrojen diğer yakıtlar la karıştırıldığında farklı yanma ve ateşleme karakteristiklerine sahiptir. Başlıca karşılaşılan iki problem şunlardır (Jorach ve ark. 1997).

Geri yanma (Back flash) problemi: Hidrojen yakıtlı motorlar üzerinde yapılan çalışmalarda karşılaşılan problemlerin başında geri yanma ve erken tutuşma gelmektedir. Geri yanma, yanma odasına gönderilen yakıt - hava karışımının emme tamamlanmadan çeşitli etkenlerle tutuşması sonucu motorun emme manifoldundan geriye doğru alevin ilerlemesidir. Emme sistemindeki elemanların tahrip olmasına yol açabilecek ve emniyet açısından sakıncalı olan bu olayın önlenmesi gerekmektedir.

Erken tutuşma (Preignition) problemi: Önlenmesi gereken diğer olaylardan biri de erken tutuşmadır. Erken tutuşma yanma odası içinde karışımın hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması sebebi ile bujide ateşleme olmadan önce tutuşmasıdır.

Genel olarak geri yanma ve erken tutuşmanın sebepleri şunlardır:

• Yanma odasındaki sıcak noktalar

• Supap bindirmesi sırasında sıcak egzoz gazlan ile karışımın temas etmesi

• Çok fakir karışımlarda yanma hızının düşük olması sebebi ile yanma süresinin artması sonucu yanmakta olan gazlarla yeni karışımın teması,

• Motor yağından ve yanma ürünü olan sıcak partiküllerin erken tutuşmayı başlatması v.b. dir.

Geri yanma ve erken tutuşmanın önlenebilmesi için;

A. Yanma odasının sıcaklığının düşürülmesi, bu amaçla:

I Karışımın fakirleştirilmesi

II. Egzoz gazlarının resirkülasyonu

III. Emme manifolduna veya yanma odasına su püskürtülmesi

IV. Supap bindirme süresinin azaltılması

V. Giriş havasının sıvı hidrojen kullanımı ile soğutulması v.b.

 

B. Doğrudan enjeksiyon sistemlerinin kullanılması

Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanılmasında bir diğer problem de yanma ürünü olan ve soğutma için püskürtülen suyun yağı kirletmesidir. Yağdaki bu kirlenme yağlayıcılık özelliğinin azalmasına sebep olur ve motorun çalışması açısından potansiyel bir tehlikedir. Genellikle yağ ile suyu ayırmada kullanılan yöntem yağın suyun kaynama noktasına kadar ısıtılmasıdır.

İçten yanmalı motorlarda ortaya çıkan kirletici egzoz gazlan arasında genellikle azotoksitler, karbonoksitler, hidrokarbonlar v.b. bulunmaktadır. Yakıt olarak hidrojen kullanıldığında ise yüksek yanma sıcaklıkları nedeni ile havanın kimyasal reaksiyonu sonucu azotoksitler ve motor yağının yanması sonucunda hidrokarbon açığa çıkar. Azotoksitlerin büyük kısmını oluşturan azotmonoksit egsoz sisteminde veya atmosferde azotdiokside dönüşecektir. Azotoksitler hava fazlalık katsayısının ve karışımın sıcaklığının bir fonksiyonu olarak ortaya çıkar ve hava fazlalık katsayısına bağlı olarak üretilen azotoksit emisyonu Şekil 2.14'de verilmiştir.

Grafikten görüldüğü gibi zengin ve fakir karışımlarda NOx emisyonu önemli ölçüde düşmektedir. Hidrojen yakıtlı motorların fakir karışımlarda çalışabilmesi bu konuda avantaj sağlamaktadır. NO\ emisyonu hava fazlalık katsayısı dışında yanma odası sıcaklığının azaltılması yanma süresinin kısaltılması oksijen konsantrasyonunun azaltılması ile düşürülebilir. Yani, yakıt/hava oranının azaltılması gerekmektedir.

Şekil 2.14 Azotoksit emisyonları (Soruşbay 1988)