12 Temmuz 2007
GÜNÜMÜZDE IÇTEN YANMALI MOTORLARDA HIDROJEN YAKITININ KULLANILMASI
ÖZET
Fosil kökenli yakitlarin teknolojinin gelismesi ve asiri kulanim sonucu hizla tükenmesi, arastirmacilari alternatif yakit arayisina itmistir. Sudan elde edilebilirligi sayesinde sonsuz bir enerji kaynagi olan hidrojen günümüz teknolojisi ile motorlu tasitlarda yakit olarak kullanilabilme sinirina gelmistir. Hidrojenin çevre dostu olmasi ve geleneksel yakitlara göre avantajlarinin bulunmasi, yakin gelecekte en gözde enerji kaynagi olmasini saglamaktadir. Bir takim isletim problemleri bulunsa da yapilacak çalismalarla bu problemler giderilebilir. 1. GIRIS Çevre kirliligine sebep olan önemli etkenlerden birisi de içten yanmali motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonlaridir. Fosil kaynakli yakitlarin asiri kullanimi sonucu azalmasi ve artan çevre kirliligi, çevre bilincine uygun ve yenilenebilir alternatif yakitlarin arastirilmasini gündeme getirmistir. Arastirilacak alternatif yakitin içten yanmali motorun performansini fazla düsürmemesi ve egzoz emisyonlarini olumlu yönde etkilemesi gerekmektedir. Ayrica bu yakitin elde edilebilirligi, maliyetinin düsük olmasi, kullanilabilirligi, bulunabilirligi ve motorda fazla degisiklik gerektirmeden kullanilmasi da önem tasimaktadir. Yüksek verim, çevre sorunlari ve fosil yakit rezervlerinin azalmasi gibi sorunlar 21.yy enerji tercihinin elektrik ve hidrojenden yana olmasi sonucunu dogurmaktadir. Bu iki alternatif yakit birbirine dönüstürülebilmektedir. Ayrica hidrojen elektrikten daha iyi depolanabilmekte ve uzun mesafelere tasinabilmektedir. Bu özelligi hidrojenin uçaklar ve motorlu tasitlar içinde yakit olarak kullanilabilmesini saglamaktadir (Tekin, 1997) Elektroliz ile sudan elde edilebilmesi, fiziksel ve kimyasal özellikleri, benzine göre motordan daha yüksek güç elde etme imkani saglamasi ve çevreye olumlu etkileri hidrojeni önemli bir alternatif yakit durumuna getirmektedir. Motor yakiti olarak hidrojen kullanimi 1920li yillarda baslamis ve günümüze kadar yapilan çalismalarla hidrojen kullanim sinirina ulasmistir. Uygulamanin yayginlastirilmasinin önündeki engeller; ekonomik faktörler ve mevcut enerji sistemleri ile geleneksel motorlarin demodelesmesinin getirebilecegi sakincalardir. Ancak çevresel kosullar bir an önce kullanimin baslamasini zorunlu kilmaktadir (Ültanir, 1997). 2.HIDROJEN YAKITININ ÖZELLIKLERI Atomik sembolü H olan hidrojenin atom agirligi 1,00797, atom sayisi 1 olan en basit ve en hafif elementtir. Hidrojen dogada en çok bulunan element olmasina ragmen, hafifligi sebebi ile atmosfere yükselip orada serbest kaldigindan, yeryüzünde serbest halde çok az bulunur. Görünmez ve kokusuz bir gaz olan hidrojene yer yüzünde diger elementlerle bilesik yapmis halde rastlanir. 0 °Cdeki yogunlugu 0,08987 g/lt ve havaya göre özgül agirligi 0,0695dir. Hidrojenin yanma isisi oldukça yüksektir ve zehirli etkisi yoktur. Yanma sonucunda ise sadece su buhari meydana gelir. Ayni agirliktaki benzine göre sivi hidrojenin enerjisi 2,75 kat daha fazladir (Stout, 1984, Veziroglu, AÖF). Hidrojen çok amaçli bir yakittir. Hava yada oksijen ile birlikte yakilarak isitma amaçli olarak kullanilabilir. Motor yada gaz türbiniyle bir jeneratörü tahrik ederek veya yakit pili olarak kullanilmasiyla yüksek bir verim ile elektrik üretilebilir. Tasitlarda; basinç altinda, sivi halde ve metal hidrid seklinde depo edilerek motor yakiti olarak yararlanilir. Kimya endüstrisinde ham madde olarak kullanilir (Anonymous, 1992). Hidrojen sahip oldugu birim enerji basina üretilmesi en ucuz sentetik yakittir. Sentetik yakit sisteminde 1Gj’lük enerji 18,65$’a mal olurken, solar enerji ile üretilen hidrojen 13,02$’a mal olmaktadir (Acaroglu, 1998). Ayrica çevreyi hemen hemen hiç kirletmez ve sentetik yakitlar (metanol, amonyak vb.) içerisinde en temiz olanidir (Veziroglu, 1981). Hidrojeni geleneksel olmayan birincil enerji kaynaklari ile karsilastirdigimizda su farkli üstünlükleri görürüz; kolay tasinabilir, tükenmezdir, yenilenebilir, depolanmasi mümkündür, ekonomik sekilde üretilebilir, en az kirlilik olusturandir, birincil enerji kaynaklarina bagimli degildir, üretiminde en uygun bilesik çok bol olan sudur, hidrojenin yüksek alevlenme hizi ve genis tutusma araligi, hafifligi ve yakit olarak ideal özellikleri nedeniyle hidrojen tasitlar için iyi bir yakittir (Özer, 1991). 2.1. Motor Yakiti Olarak Hidrojen Uzunca bir süreden beri hidrojenin motorlarda yakit olarak kullanilma imkanlari arastirilmaktadir. Günümüzde yakit seçiminde ölçüt olarak alinan ulastirma yakiti olma özelligi, çok yönlü kullanima uygunluk, kullanim verimi, çevresel uygunluk, emniyet ve maliyet açisindan yapilan degerlendirmeler hidrojen lehine sonuç vermektedir (Ültanir, 1997). 1970lerde hidrojenin alternatif motor yakiti olarak kullanilmasi yeniden gündeme gelmistir. Egzoz emisyon degerlerinin düsük olmasi, petrole olan bagimliligi azaltmasi hidrojenin uzun yillar önceden tespit edilmis olan avantajlaridir. Bu önemli özelliklerinin yaninda hidrojeni üstün bir alternatif yakit yapan özellikler asagidaki tabloda gösterilmistir. Tablo 2.1 Degisik Yakitlarin Yanma Özellikleri (Vorst, 1975) Yakit Kendi kendine tutusma sicakligi (0C) Min. Tutusma enerjisi (MJ) Tutusma araligi (%hacim ) Max. Laminer alev hizi (cm/s) Difüzyon katsayisi (cm2/s) Hidrojenin kendi kendine tutusma sicakligi yüksek olmasina ragmen, hidrojen-hava karisimlarinin tutusturulabilmesi için gerekli enerji miktari düsüktür. Tutusma araliginin genis olmasi, hidrojenin daha genis karisim araliginda düzgün yanmasini saglar ve yanma sonucunda daha az kirletici olusur. Benzin motorlari ise stokiyometrik orana daha yakin oranlarda yada zengin karisim oranlarinda çalistirilmak zorunda olduklarindan egzoz gazlarinda önemli miktarda azot oksit (NOx,), karbonmonoksit (CO) ve yanmamis hidrokarbon (HC)lar olusur. Hidrojen motorlari, maksimum yanma sicakligini azaltacak biçimde fakir karisim ile çalistirilabilirler. Böylece daha az NOx olusurken, HC ve CO emisyonlari olusmaz. Alev hizinin yüksek olmasi ise Otto motorlarinda ideale yakin bir yanmanin olusmasini saglayarak, isil verimi arttirir. Genis tutusma araligi sayesinde, gaz kelebegine gerek kalmadigindan, karisimin silindirlere kisilmadan gönderilmesi sonucu pompalama kayiplari azaltilmis olur (Vorst, 1975). Hidrojenin yüksek sikistirma oranlarinda, fakir karisim ile yanabilmesi yakit tüketimini azalttigi gibi, yanma sonucu olusan maksimum sicakligi da azaltir. Yanma sonucu partikül madde olusmadigindan bujiler kirlenmez. Alev parlakliginin düsük olmasi, diger karbon esasli yakitlara göre radyasyon yolu ile olan isi kaybini azaltacagindan daha yüksek verim saglar (Kondo, 1997). Hidrojenin alev hizinin yüksek olmasi, buji kivilcimindan sonra karisimin baska noktalardan tutusma (detenasyon) ihtimalini azaltir. Bu durum sikistirma oraninin arttirilmasini saglayacagindan motorun gücü de artar (Vorst, 1975). 2.2.Buji ile Ateslemeli Motorun Hidrojen Motoruna Dönüstürülmesi Yakit besleme sistemleri açisindan hidrojen motorlari 4 kategoriye ayrilmaktadir. Karbürasyon, emme manifolduna püskürtme, emme supabinin arkasina püskürtme ve dogrudan silindir içine püskürtmedir (Tekin, 1997). Hidrojen ile hava karisimi, sirasiyla dahili ve harici olarak adlandirabilecegimiz yöntemlerle motorun yanma odasi içerisinde veya motorun emme manifoldunda hazirlanmaktadir. Harici karisim hazirlama yönteminde, basit bir gaz karistirici içerisinde düsük basinçlarda hava ile karistirilmasi veya hidrojenin yine düsük basinçlarda motorun emme manifolduna sürekli veya kesikli olarak gönderilmesi mümkündür. Kesikli olarak yakit gönderme durumunda, dizel ilkesi ile çalisan motorlardaki gibi yüke göre karisim ayari yapilabilir. Bu durumda karbüratördeki gaz kelebegi ortadan kalkacagi için motorun kisilma kayiplari da kaldirilacak ve hacimsel verim dolayisiyla motorun maksimum gücü artacaktir (Sorusbay, 1988). 3. IÇTEN YANMALI MOTORLARDA HIDROJEN KULLANIMI Hidrojenin içten yanmali motorlarda yakit olarak kullanilmasi konusunda bir çok çalisma yapilmaktadir. Fakat bu çalismalarda benzine göre tasarlanmis olan motorlar kullanilmaktadir ve bu motorlar hidrojen kullanima imkan saglayacak sekilde modifiye edilmislerdir. Hidrojenin içten yanmali motorlarda kullanilmasina iliskin yapilan ilk incelemelerde asagidaki sonuçlar elde edilmistir (Vorst,1975). · Bazi küçük degisikliklerle benzin motorlari hidrojen ile çalisir duruma getirilebilirler. Isil verimleri benzin motorununkine yakindir. · Stokiyometrik çalisma sartlarinda hidrojen motorunda yüksek miktarda NOx olusur. Fakat silindirlere gönderilen karisim fakirlestirilerek NOx olusumu azaltilabilir. · Benzin motorundan hidrojen motoruna çevrilmis motorda, stokiyometrik hidrojen-hava karisiminda %20 güç kaybi meydana gelir. · Karbüratörlü motorlarda emme manifoldundaki alev tepmesi önemli bir problemdir. Hidrojen motorunun bu dezavantajlari, onun benzin motoru ile rekabet etme sansini azaltmaktadir. Fakat günümüze kadar yapilan çalismalar ile bu problemler çözülerek, hidrojenin motor verimine ve hava kirliliginin azaltilmasina olan katkilari görülmüstür. Hidrojenin sikistirma orani yüksek olan motorlarda kullanilmasi ile de sebep oldugu güç kaybi azaltilabilir. Ayrica asiri doldurma uygulanarak ilave güç saglanabilir. Sikistirma oraninin arttirilmasi ve fakir karisim ile hidrojen motorunun isil veriminde, benzinli motora göre %25lik bir artis saglanabilir. Fakir karisim ile alev tepmesi önemli miktarda azaltilir (Vorst, 1975). Akaryakit motorlarinda görülen buhar tikaci, soguk yüzeylerde yogusma, yeterince buharlasmama gibi sorunlar hidrojen motorlarinda yoktur. Hidrojen motorlari 20,13 °K de (-253°C) ilk harekete geçerken bile sorun çikarmaz (Ültanir, 1998). 3.1. Hidrojenin Depolanmasi