ALTERNATİF YAKIT SİSTEMLERİ

Dünyadaki petrol rezervlerinin aşırı kullanımı sonucu azalması ve buna bağlı olarak fiyatının artması, ayrıca çevreye vermiş olduğu zararlar bilim adamlarını doğada bol miktarda bulunan ve çevreci olan alternatif yakıtlar üzerinde araştırma yapmaya itmiştir.İçten yanmalı motorlarda kullanılan fosil yakıtlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarının çevreye verdiği zararların çok büyük boyutlara ulaşması ülkeleri bu konuda önlemler almaya itmiştir.Bunun için bilim adamlarına çevre dostu olan alternatif yakıtların araştırılması için destekler verilmiştir. Yapılan çalışmalar evrende bol miktarda bulunan hidrojenin, bir yakıt için gerekli özelliklerin bir çoğuna sahip olduğunu göstermektedir.Hidrojen, suyun ve temiz güç kaynağının olduğu her yerde potansiyel olarak mevcuttur.Diğer yakıt türlerine kıyasla daha verimli yanma özelliğine sahiptir.Hidrojen, karbon ve sülfür içermediği için yanma ürünleri arasında CO, CO2 ve HC yoktur.Teorik olarak hidrojen yandığı zaman sadece su oluşur.


Özellikle motor ve araç teknolojisi açısından alternatif olarak seçilen yakıtın içten yanmalı motorlarda kullanımı, depolanması, doğal dengenin korunması ve fosil yakıt türleri ile yarışabilir karakteristiğe sahip olması gerekir.

Hidrojenin birçok yönüyle ekolojik açıdan avantajlı olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. İkincil bir enerji kaynağı durumunda olan hidrojenin değişik ve yenilenebilir birincil enerji kaynakları ile elde edilebilir olması, bu yakıt türünü geleceğin en önemli enerji taşıyıcısı durumuna sokacağı kabul edilmektedir.

Ayrıca hidrojen diğer fosil yakıtlarla kullanılabilme özelliğine sahiptir.Bu özelliğiyle de bir çok avantajlar sağlamaktadır. Bunlar:

- Yakıt/hava karışım sınırı düşürülmesi sonucu NOX ve CO emisyonlarının azalması ve termal verimliliğin artması

- Çevrimler arasındaki basınç farklarının azalması

- Karışımın alev hızının artması

Hidrojen Hakkında Genel Bilgiler

Kokusuz, renksiz, tatsız ve saydam bir yapıya sahip olan hidrojen, doğadaki en hafif kimyasal elementtir. Sıvı hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri 141.9 MJ/kg olup, petrolden 3.2 kat daha fazladır. Sıvı hidrojenin birim hacminin ısıl değeri ise 10.2 MJ/m3 tür ve petrolün % 28'i kadardır. Gaz hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri sıvı hidrojenle aynı olup, doğal gazın 2.8 katı kadarken, birim hacminin ısıl değeri 0.013 MJ/m3 ile doğal gazın % 32.5'i olmaktadır. Metal hidridlerin kütlesel enerji içeriği 2-10 MJ/kg ile sıvı hidrojene göre çok küçükken, hidridlerin hacimsel enerji içeriği 12.6-14.3 MJ/m3 ile gaz ve sıvı hidrojenden büyüktür.

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 konvansiyon el yakıtlarında yerini alacak alternatif yakıtlarında bulunması gerekmektedir.

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 motorlarda avantaj sağlamakla birlikte erken tutuşma ve geri yanma gibi sorunları da beraberinde getirmektedir.

Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının oldukça yüksek olması (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 stokiyometrik karışımlar için benzin- hava karışımlarındaki alev hızının yaklaşık dört 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 duruma bazı çözümler sağlanmaması halinde motorun maksimum gücü açısından eşdeğer özellikteki benzin motorlarına göre bazı kısıtlamalar getirecektir. Hidrojenin difüzyon katsayısı da öteki yakıtlardan daha fazladır. Ayrıca gaz halindeki hidrojen; kağıt, kumaş, kauçuk vb. malzemelerden ve platin, demir, çelik gibi bazı metallerden difüzyon yolu ile geçebilmektedir. Hidrojenin bu özelliği depolanmasında bazı sorunlar oluşturmaktadır.

Hidrojenin Diğer Yakıtlarla Karşılaştırılması

Ulaşımda kullanılan enerji türlerinde hızlı bir değişim çağı yaşanır. Hidrojen Yakıt Pili ile çalışan yeni taşıtlar geleceğin farklı yolcu taşımacılığı hakkında köklü bakış sunmaktadır.Çünkü, geleceğin yakıtı yenilenebilir 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.

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

- 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.

- Doğalgazdan hidrojen üretimi yapılabilir.

Hidrojeni 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 sebebiyle yeterince uygun değildir. Ayrıca elektrik üretimindeki yöntemde önemlidir. Amaç hava kirliliğinin azaltılması iken termik santrallerin kullanılması güvenilir olmasından bahsederken nükleer enerjiden elektrik üretimi uygun değildir. Kömür ve doğalgazdan 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 Üretimi

Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak değişik hammaddelerden üretilebilen bir sentetik yakıttır. Hidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Kullanılan hammaddeler ise su, fosil yakıtlar ve biomas materyaldir.

Bugün dünyada teknolojik gereksinimlerle yılda 500-600x109 m3 hidrojen fosil yakıtlardan üretilerek kullanılmaktadır.

Hidrojen, benzinin 3…4 katı daha fazla enerji içeren mükemmel bir yakıttır ve birçok başka enerji kaynağı ile üretilebilmekte ya da birçok endüstriyel işlemin yan ürünü olarak alınmaktadır. Hidrojen gücü, Jules Verne'in suyu yakıt olarak kullandığı eski bir rüyanın gerçekleşmesidir. Hidrojen üretiminde genellikle şu iki metot uygulanmaktadır.

- Elektroliz,

- Buhar ıslahıyla sentez gazı üretimi veya kısmi oksitleme.

Elektroliz:Yakıt hidrojenin temelde, sudan yenilenebilir enerjilerle üretilmesi ana ilkedir. Hidrojen üretim yöntemlerinin başında suyun direkt elektrolizi gelir. Elektroliz için elektrik gereksinimi fosil yakıtlardan, hidroelektrik kaynaktan, nükleer güçten, jeotermal enerjiden, güneş, rüzgar ve deniz dalga enerjilerinden elde olunabilir.

Elektrolizde, su moleküllerini hidrojen ve oksijene ayrıştırmak için elektrik enerjisi kullanılır. Elektrik enerjisi, yenilenebilir yakıt dahil, herhangi bir kaynaktan sağlanabilir. Elektrolizin, gelecekte fazla miktarlardaki hidrojen üretiminin esas yöntemi olması beklenmemektedir.

Günümüzde araştırmalara göre hidrojenli motorların araca sadece su konulmak kaidesi ile çalışabileceği düşünülüyor. Bu yöntem suyun elektroliz edilmesi yöntemiyle sağlanıyor. Elektrik motoru kullanılarak suyun elektroliz edilmesiyle hidrojenin açığa çıkıyor, fakat bu işlem için kullanılan elektrik gücü çok fazla bunu üretecek bir motorun bulunması durumunda bu güç sadece motoru bile çalıştırabileceği için kullanılmasının bir avantajı bulunmamaktadır.

İzlanda üç yıl önce, dünyanın ilk petrol bağımsız ülkesi olacağını açıkladı. Daimler Chrysler ve Shell Hydrogen gibi firmaların da içinde bulunduğu kamu-özel sektör konsorsiyumu tarafından yürütülen proje kapsamında ülkedeki fosil yakıt tüketimi sıfıra indirilecek, yerine hidrojen kullanılacak. Projenin gerçekleştirilmesinde İzlanda'nın üzerinde kurulu olduğu doğal enerji kaynağının önemli bir rolü olacak. Bu kaynak volkanik topraklardan fışkıran sıcak sudan başka bir şey değil. Otomobiller ve otobüsler topraktan fışkıran buharla çalışmayacak tabii ki. Bunun yerine buhar, suyu elektrik enerjisi kullanarak hidrojen ve oksijen atomlarına ayrıştıran hidrolayzır isimli bir makineyi çalıştıracak elektriğin elde edilmesinde kullanılacak. Bu işlem sonucunda elde edilen hidrojen ise binek araçlarına yakıt olarak pompalanacak. Ülkedeki araçların motorlarının değiştirilmesine 2005'te başlanacak. 2030'da ise petrol ürünüyle çalışan ulaşım aracı kalmamış olacak.

Hidrojenin Depolanması ve Taşınması

Üretilen hidrojen depolanabilmekte, boru hatları ve/veya tankerlerle taşınabilmektedir. Doğal gaz boru hatlarının gelecekte hidrojen taşınması için kullanılabileceği belirtilmektedir.

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 sitemi vb. 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 bileşenine toplam maliyet ve hidrojen emniyetli kullanım için gerekli olan basınç ve sıcaklık şartlarına bağlıdır..

Hidrojen Depolanma Yöntemleri

Hidrojenin üç çeşit depolama yöntemi vardır.Bunlar;

1. Hidrojenin basınçlı gaz olarak depolanması

2. Hidrojenin sıvı olarak depolanması

3. Hidrojenin metal hidrid şeklinde depolanması


Hidrojenin Basınçlı Gaz Olarak Depolanması

Bu yöntem en ekonomik çözüm şekli olmakla birlikte hidrojenin enerji yoğunluğunun oldukça düşük oluşu ve taşıt boyutlarına bağlı olarak basınçlı kapların belirli boyutlarda yapılma zorunluluğu nedeni ile depolanan hidrojen miktarı ağırlık olarak yetersiz kalmaktadır. Üstelik kullanılan basınçlı kapların emniyetli olmaları gereği nedeniyle kap içindeki hidrojenin az olmasına karşın kabın boş ağırlığı da fazla olmaktadır. Bu durum küçük boyutlardaki taşıtlar için önemli sorunlar yaratmakta ve taşıtın bir depo yakıtla kat edebileceği mesafe kısalmaktadır.

Depolama ve taşıma çevre sıcaklığında yapılabilir.Yüksek basınçtan dolayı depo içerisinde sıvı hale geçen kısmın enerji kaybı söz konusu değildir.

Hidrojenin Sıvı Olarak Depolanması

Sıvı hidrojen bilinen yakıtlar içerisinde kaynama noktasındaki yoğunluğu en küçük ve özgül itme kuvvetinin en yüksek olması sebebiyle roketler, süpersonik ve hipersonik uzay araçlarında yakıt olarak kullanılır.

Hidrojen yaklaşık 20 0K ve 2 bar'da sıvılaşır. Sıvı hidrojen ısı transferini ve kaynama olayını minimize eden süper izoleli dizayn edilmiş çift cidarlı kriojenik kaplarda depolanır. . Taşıtlar için gerekli yakıt hem sıvı hem de gaz fazdan çekilerk motara sevk edilir. Hidrojen taşıtları için sıvı hidrojenin (LH2) tankları Japonya, Almanya ve Amerika'da demostrasyon amacı ile başarı ile kullanılmaktadır.

Hidrojenin Sıvı Halde Depolanmasının Bir Takım Yararları Ve Zararları Vardır:

a) Ağırlık olarak nispeten hafif bir depolama şeklidir.

b) Hidrojen yakıtı, yüksek basınç sıvı hidrojen pompası yardımı ile silindire, direkt olarak püskürtülebilir. Eğer gaz silindire ölü hacmin tam merkezinden püskürtülürse sıkıştırma oranı dizel motorlarındakine yakın bir değere çıkartılabilir.

c) Taşıtta eğer klima ünitesi varsa sıvı hidrojen soğutma amaçlı kullanılabilir.

d) Kontrolsüz yanma önlenebilir ve NOx emisyonlarında azalma sağlanır.

e) Sıvılaştırma için gerekli enerji büyüktür. Sıvılaştırma için hidrojen gazı kullanılmaktadır. Hidrojenin gaz halden sıvı hale geçerken bir kısmı buharlaşır bu sebeple faz değişiminin hızlı bir şekilde gerçekleşmesi gerekmektedir.

f) Sıvı olarak hidrojenin tanklarda depolanması ve kullanılması sırasında buharlaşma kayıpları meydana gelir. hidrojenin tanklarda depolanması, düşük sıcaklıklarda gerçekleştiğinden kullanılacak yakıt tankının, ısı yalıtımının çok iyi yapılması germektedir. Depo yalıtımının tam anlamı ile yapılması nedeni ile oluşan ısı transferi, depo basıncının artmasına neden olur. Basıncın artmasını önlemek için buharlaşan hidrojenin atmosfere atılması gerekir.

Hidrojenin Taşıtlarda Metal Hidrid Şeklinde Depolanması

Küçük miktarlardaki hidrojenin depolanması için önerilen yöntemdir. Hidrojen hidrid metallerle veya bu metallerin alaşımlarıyla kimyasal kombinasyon oluşturarak depolanır.

Hidridler, bir tank içinde hidrojen gazının metal alaşım parçacıkları ile bileşik oluşturmuş şekilde depolanmasıdır. Hafif kütleli metal hidridler tercih edilmektedir. Hidridlere ısı verildiğinde hidrojen serbest kalmaktadır. Hidrid oluşturan metaller ve alaşımlar, bir süngerin suyu absorblaması gibi hidrojeni absorbe eder. Bir başka deyişle, bunlar hidrojeni çok yoğun bir şekilde depolayabilirler. Gaz hidrojen katı metallerin kafes şeklindeki iç yapılarına nüfuz edecek kristal yapının çeşitli yerlerine bağlanır.

HİDROJEN DEPOLAMA YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Hidrojenin binek otomobillerinde kullanılması yönünden depolama şekli ile ilgili karşılaştırmada bir dolum sırasında en fazla hidrojen miktarı ve bu miktarla taşıtın kat edebileceği azami mesafeler önemlidir. Aşağıda çeşitli depolama sistemlerinin kapasiteleri ve özellikleri ile bu depolama sistemleri ile yapılan deneylerde taşıtın gidebildiği en büyük uzaklıklar gösterilmiştir.

-Aşırı soğutulmuş sıvı olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde:

1 kg sıvı hidrojenle ortalama 43-46 km,

- Sıkıştırılmış gaz olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde:

1 kg gaz hidrojenle ortalama 35 km,

-Hidridli gaz olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde:

1 kg hidrojenle ortalama 43 km,

mesafeye ulaşıldığı görülmektedir.

Yukarıda hidrojenin binek otomobillerinde kullanımı için en uygun yöntemin aşırı soğutulmuş sıvı olarak depolama olduğu anlaşılmaktadır.

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 vb. içermektedir.

Biz hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımını inceleyeceğiz.

Hidrojenin İçten 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. Günümüzde yakıt seçiminde ölçüt olarak alınan ulaştırma yakıtı olma özelliği, çok yönlü kullanıma uygunluk, kullanım verimi, çevresel uygunluk, emniyet ve maliyet açısından yapılan değerlendirmeler hidrojen lehine sonuç vermektedir. 1970'lerde hidrojenin alternatif motor yakıtı olarak kullanılması yeniden gündeme gelmiştir. Egzoz emisyon değerlerinin düşük olması, petrole olan bağımlılığı azaltması hidrojenin uzun yıllar önceden tespit edilmiş olan avantajlarıdır.

Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığı yüksek olmasına rağmen, hidrojen-hava karışımlarının tutuşturulabilmesi için gerekli enerji miktarı düşüktür. Tutuşma aralığının geniş olması, hidrojenin daha geniş karışım aralığında düzgün yanmasını sağlar ve yanma sonucunda daha az kirletici oluşur.Benzin motorları ise stokiyometrik orana daha yakın oranlarda yada zengin karışım oranlarında çalıştırılmak zorunda olduklarından egzoz gazlarında önemli miktarda azot oksit (NOx,), karbonmonoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC)'lar oluşur. Hidrojen motorları, maksimum yanma sıcaklığını azaltacak biçimde fakir karışım ile çalıştırılabilirler. Böylece daha az NOx oluşurken, HC ve CO emisyonları oluşmaz. Alev hızının yüksek olması ise Otto motorlarında ideale yakın bir yanmanın oluşmasını sağlayarak, ısıl verimi arttırır. Geniş tutuşma aralığı sayesinde, gaz kelebeğine gerek kalmadığından, karışımın silindirlere kısılmadan gönderilmesi sonucu pompalama kayıpları azaltılmış olur.

Hidrojenin yüksek sıkıştırma oranlarında, fakir karışım ile yanabilmesi yakıt tüketimini azalttığı gibi, yanma sonucu oluşan maksimum sıcaklığı da azaltır. Yanma sonucu partikül madde oluşmadığından bujiler kirlenmez. Alev parlaklığının düşük olması, diğer karbon esaslı yakıtlara göre radyasyon yolu ile olan ısı kaybını azaltacağından daha yüksek verim sağlar.

Hidrojenin alev hızının yüksek olması, buji kıvılcımından sonra karışımın başka noktalardan tutuşma (detenasyon) ihtimalini azaltır. Bu durum sıkıştırma oranının arttırılmasını sağlayacağından motorun gücü de artar.

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 projenin tümünde iki ana unsur bulunmaktadır. Bunlar;

- İçten yanmalı motorların hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülmesi,

- Araç üzerinde hidrojenin depolanması için teknolojilerin geliştirilmesi

- Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanılmasına ilişkin yapılan ilk incelemelerde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.

- Bazı küçük değişikliklerle benzin motorları hidrojen ile çalışır duruma getirilebilirler. Isıl verimleri benzin motorununkine yakındır.

- Stokiyometrik çalışma şartlarında hidrojen motorunda yüksek miktarda NOx oluşur. Fakat silindirlere gönderilen karışım fakirleştirilerek NOx oluşumu azaltılabilir.

- Benzin motorundan hidrojen motoruna çevrilmiş motorda, stokiyometrik hidrojen-hava karışımında %20 güç kaybı meydana gelir.

- Karbüratörlü motorlarda emme manifoldundaki alev tepmesi önemli bir problemdir.

Hidrojen motorunun bu dezavantajları, onun benzin motoru ile rekabet etme şansını azaltmaktadır. Fakat günümüze kadar yapılan çalışmalar ile bu problemler çözülerek, hidrojenin motor verimine ve hava kirliliğinin azaltılmasına olan katkıları görülmüştür. Hidrojenin sıkıştırma oranı yüksek olan motorlarda kullanılması ile de sebep olduğu güç kaybı azaltılabilir. Ayrıca aşırı doldurma uygulanarak ilave güç sağlanabilir. Sıkıştırma oranının arttırılması ve fakir karışım ile hidrojen motorunun ısıl veriminde, benzinli motora göre %25'lik bir artış sağlanabilir. Fakir karışım ile alev tepmesi önemli miktarda azaltılır.

Akaryakıt motorlarında görülen buhar tıkacı, soğuk yüzeylerde yoğuşma, yeterince buharlaşmama gibi sorunlar hidrojen motorlarında yoktur. Hidrojen motorları 20,13 °K' de (-253°C) ilk harekete geçerken bile sorun çıkarmaz.

Hidrojen, Günümüz Taşıtlarının İçten Yanmalı Motorlarında Kullanılabilir mi?

Sorunun cevabı, hidrojen kullanımı için dönüşümlerinin yapılması halinde "evet" olacaktır. Halen, bir başka gaz olan doğal gazı kullanan içten yanmalı motorlar mevcuttur. Hidrojen kullanıldığında, egzoz hemen hemen tamamen su buharı olduğu için taşıt çevreci olacaktır.

Önce kimyasal bakımdan bir değerlendirme yapılabilir. Motorda hidrojen kullanılması halinde, benzine oranla motora hacimsel olarak daha fazla hidrojen gönderilirken (aynı basınç ve sıcaklıkta, 1 dm3 H2 için ~2,38 dm3 hava), yakıt ve karışım kütlesi daha az olmaktadır (1 kg H2 için ~35,5 kg hava). Bu durum, yanmada daha az basınç artışı olacağı ve aynı enerjiyi üretmek için daha fazla daha fazla hidrojen gerekeceği anlamına gelmektedir. Bu değerlendirmeye göre, hidrojen yakıtın çalışabileceği yegane motor, havanın silindire normalden daha yüksek basınçla pompalanarak verim ve gücün artırılacağı türboşarjlı motor gibi gözükmektedir.

İ.Y.M.'larda 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 yakıtlarla karşılaştırıldığında farklı yanma ve ateşleme karakteristiklerine sahiptir.

Hidrojen yakıtlı motorlarda yanma açısından ortaya çıkan en önemli iki sorun, geri tutuşma ve erken ateşleme olaylarıdır. Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması bu iki sorunu ortaya çıkarmaktadır.Hidrojenin yakıt olarak kullanılabilmesi için bu sorunların ortadan kaldırılması gerekir.

Geri yanma (Back flash) problemi: Geri yanma, yanma odasına gönderilen yakıt-hava karışımının emme tamamlanmadan çeşitli etkenlerle tutuşması sonucu motorun emme manifoldundan geriye doğru alevin ilerlemesidir. Bu olay emme sistemi elamanlarını tahrip etmekte ve emniyet açısından sorun oluşturmaktadır. Geri tutuşma hava fazlalık kat sayısının(l) 2 ila 3 arasında olduğu durumlarda oluşmaktadır.

Geri tutuşmanın sebeplerinden biri benzin ile kıyaslandığında hidrojenin tutuşturulabilmesi için daha düşük iyonlaşma enerjisine ihtiyaç duymasıdır. Dolayısıyla hidrojen yakıtlı motorlarda buji kıvılcımından sonra ateşleme sisteminde kalan artık enerji miktarı daha fazla olur. Egzoz zamanı genişleme periyodundan sonra silindir içi basıncının atmosfer basıncına yakın olduğu durumlarda, sistemdeki artık enerji bujide kıvılcım oluşmasına sebep olur. Kıvılcımın oluştuğu nokta çevrimden çevrime farklılık gösterir. Eğer buji kıvılcımı emme zamanında oluşursa, diğer bazı etkenlerle birlikte geri tutuşmaya sebep olur. Artık enerji oluşumunu önlemek için ateşleme sistemi modifiye edilmelidir.


Erken tutuşma (Preignition) problemi: Önlenmesi gereken diğer olaylardan biri de erken tutuşmadır.Yanma odasına gönderilen karışımın bujide kıvılcım çakmadan önce sıcak odaklar tarafından tutuşturularak yanmayı istenilenden önce başlatması da erken tutuşma olarak tanımlanmaktadır.

Yüksek yük altında, yanma odasındaki sıcak noktalar karışımın erken ateşlenmesine sebep olur. Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması nedeniyle; yanma odasındaki sıcak noktalar, supap bindirmesinde sıcak egzoz gazları, çok fakir karışımlarda yanma hızlarının düşük olması nedeni ile yanma süresinin artması sonucu yanan gazlarla yeni karışımın teması, motor yağından gelen sıcak partiküller, yanmayı istenilenden önce başlatabilmektedir.

Bu amaçla yanma odası sıcaklığının düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için; Karışımın bir miktar fakirleştirilmesi, egzoz gazları resirkülasyonu (EGR), yanma odasına su püskürtülmesi, supap bindirmesi süresinin azaltılması, giriş havasının sıvı hidrojen kullanımı sonucu soğutulması gibi çeşitli yöntemler uygulanabilir. Ancak karışıma EGR uygulanması veya gönderilen hidrojenin azaltılması sonucu fakirleştirilmesi çevrimden çevrime olan farklılıkları artıracak ve motorun düzenli çalışmasını önleyecektir. Ayrıca EGR sonucu ortalama efektif basınçta düşecektir. Hidrojen yakıtlı motorlarda hava-yakıt oranı 0,8 olduğunda egzoz gazları içindeki NOx miktarı maksimum olur. NOx oluşumunu azaltmak için hidrojene saf oksijen ilave edilmelidir. Bu durum ise sisteme daha karmaşık hale getirir ve taşıt ağırlığını arttırır. Bu sorunun çözümü için kullanılan yöntemlerden biri; taşıt üzerinde suyu elektroliz ederek, açığa çıkan hidrojen ve oksijenin basınç altında depo edilmesidir. Aşağıdaki şekilde böyle bir sistem görülmektedir.

340 - Alternatif Yakıt Olarak Hidrojen

Hidrojen-hava karışımı içindeki su buharı yanma sıcaklığını azaltacağından maksimum basıncın, dolayısıyla gücün azalmasına sebep olur. Bunun için karışım içindeki su buharı bir yoğuşturucudan geçirilerek su deposuna geri döndürülür. Yanma odası içinde bırakılan su buharı miktarı ayarlanarak yanma hızı ve vuruntu oluşumu kontrol edilebilir.

Genel olarak geri yanma ve erken tutuşmanın sebepleri şunlardır:

i. Yanma odasındaki sıcak noktalar

ii. Supap bindirmesi sırasında sıcak egzoz gazları ile karışımın temas etmesi

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

iv. Motor yağından ve yanma ürünü olan sıcak partiküllerin erken tutuşmayı başlatması vb. dir.

Hidrojenini Yeni Sistem Motorlarla İlişkisi

Hidrojen geleceğe damgasını vuracak bir alternatif yakıt sistemidir.

Hidrojenin en yararlı olarak kullanılmasını sağlayacak motorlarda geleceğin motorları olarak görülen Wankel motorları olabileceği düşünülmektedir.

Bunun için mazda firması "Miata" motor kapağı altında,şirketin RX-7 spor arabaları üretmiştir.Bu araçlarda iki rotorlu bir döner motor vardır. Mazda'nın diğer modellerinden tek farkı bu aracın hidrojenle çalışmasıdır.

Wankel motoru ele alındığında, hidrojen ve Wankel'in birbirine çok uygun olduğu görülmektedir. Wankel rotorlarının döndüğü odacık içerisinde hareketli bir yanma hacmi meydana gelmekte ve diğer motorlara oranla daha fazla olan yüzey alanı ortaya çıkan ısıyı dağıtmaktadır. Hiç bir bölgesinin daha fazla sıcak olmaması veya sıcak noktalar oluşmaması nedeniyle motor hidrojen kullanımına uygundur. Wankel'in emme, kompresyon, genişleme ve ekzos bölgelerinin birbirinden farklı olması sonucu, hidrojenin hızlı hareket eden alevi hiç bir problem yaratmamaktadır ve gerçekten de Wankel motor hidrojen kullanımına çok yatkındır.

Hidrojenli Miata'nın Dezavantajları

Bu arabanın performansı her gün kullandığımız bir benzinli motora çok yakın bir performans gösterir,fakat bu arabanın yakıt deposu diğer arabalardan biraz daha farklı olacağından ilave bir ağırlık olacaktır.

- Bu arabanın yakıt deposu 225 kg civarındadır.

- Bu aracın bu nedenle normal bir Wankel motordan performansı biraz daha düşük olacaktır.

- Son olarak hidrojenle ilgili bir sorunda yakıt tankının doldurulmasıdır.

- Hidrojen gazının depoya beslenmesi,bu günkü benzinli,taşıtlardaki deponun dolum sürecinden yavaştır(oldukça yavaştır).

- Örneğin 90 km'lik bir yol için gerekli hidrojen,bu günkü metotlarla ancak 10 dakikada doldurulabilmektedir.

- Bu arada gördüğümüz bu güzel arabanın seri üretimi 2020 yılından önce olacağı tasarlanmaktadır.