Hidrojen Enerjisi 3

MAKALELER / Hidrojen Enerjisi 3

1--Hidrojen Enerjisi:

1--Dünya enerji rezervinin %75'ini Kömür, %14'ünü petrol, %ll 'ini ise doğal gaz oluşturmaktadır.

2--Bugünkü bilgilere göre, linyitin 240 yıl, petrolün 30 yıl, doğalgazın 8O yıl yeteceği bilimnektedir. Dünya enerji tüketiminin %25 'i taşıtlar için kullanılmaktadır

3—Hidrojen Enerjisi:

1—Hidrojenin Elektrolizle Üretilmesi:

1--Sanayide sıklıkla kullanılmasına rağmen ticari olarak bu elktrolizle hidrojen üretimi ekonomik değildir.1 ton suyun elektrolizi için saatte 4480 kilowatt elektrik harcanır.

2--Elektrik fiyatını 3 cent/kWs olarak kabul edersek bunun hidrojen maliyetine etkisi 0.42 lt.b.e.’dir. Elektroliz cihazının fiyatının 800 $/kW olması durumunda bunun hidrojen maliyetine katkısı diğer işletme giderleri ile beraber 0.26 lt.b.e. olmaktadır.

3-- Elektroliz işleminin verimi %70 dolayında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir.

3.1--Pratikte kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.

3.2-Sulu çözelti-elektrolit içindekiler sülfirik asit veya çamaşır sodası (Na2CO2) olabilir.

3.3--Suyun elektrolizinde katotta ( - ) “hidrojen, anotta( + ) ise oksijen gazı toplanır.

Elektroliz hücresinin ticari olarak %80 verimde çalıştığı düşünüldüğünde, fosil yakıtlardan elektroliz yoluyla hidrojen elde etmede toplam verim %25-30 olmaktadır.

3.4--Hidrojenin genel olarak sıvı halde taşınıp depolanması uygun olmaktadır. Hidrojenin sıvı hale getirilmesi ise 0.1$/lt.b.e. bir yük getirmektedir.

3.5--Elektrolizle üretilen sıvı hidrojenin maliyeti 0.78 $/lt.b.e.’dir.

4--Baz olarak kullanılan benzinin maliyeti ise 0.3$/lt (1.25$/gallon) olarak alınmıştır. Doğalgazdan buharla reaksiyon yöntemi ile elde edilen gaz haldeki hidrojenin maliyeti 0.53$/lt.b.e. (litre benzin eşdeğeri)’dir.

5-- Hidrojenin üst ısıl enerji değeri 33,2 kWh/kg’dır.Dolayısıyla 1 kg hidrojen direk olarak yakıldığında bize 33,2 kWh’lık enerji verebilmektedir.Bu değer benzinden 2.8, doğalgazdan ise 2.1 kat daha fazladır.

5.1--1 kg H2 üretmek için gerekecek enerji aşağıdaki şekilde hesaplanabilinir. Elektrolizör Tüketimi = ή elektrolizör x H2 (1) 41,5 kWh/kg ή elektrolizör = % 80 ,H2 Enerji Değeri = 33,2 kWh/kg

6--1 mol ideal gaz, normal şartlarda (25 derece sıcaklık 1 atm basıç) 22.4 lt hacim kaplar. Bu durumda 1950 litre/ 22.4 litre mol-1=87 mol eder. 1 mol H2 2 gr ettiğine göre 87*2=174 gr Hidrojenle bu sistem 1 saat boyunca 5 kW enerji sağlar.

6.1-- Suyun elektrolizi için, 25 °C sıcaklık ve 1 atm basınçta gerekli gerilim 1,24 volttur.Fotovoltaik panellerden elde olunacak elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden hidrojen üreten bu yöntemde, 1 m3 sudan 108.7 kg hidrojen elde olunabilir ki, bu 422 litre benzine eşdeğerdir

6.2--Güneş pillerinin verimi, ortalama % 15, elektroliz hücresi verimleri ise % 75’den büyük alınabilir. Örneğin, Güneş pilleri konusunda son 15 yıl içinde % 4 civarında olan verim 7 kat artarak % 28-30’lara çıkmış, watt başına 18 dolar olan üretim maliyeti ise 3-4 dolar civarına düşmüştür.

2—Hidrojenin Güç Üretiminde Kullanımı:

1--yakıt pilli arabalar için gereken elektrik tahrik düzenleri ve elektrik bataryasının 2010 yılı fiyat hedefi 32$/kW’dır.

2--Hidrojen motorlu modellerde ise hidrojen motoru ve hareket iletim sisteminin 2015 yılı hedef maliyeti ise 30$/kW’dır.

3--Eğer hidrojen, yakıt pilinde elektrik üretimi için kullanılacaksa verimlilik daha da artmaktadır, çünkü içten yanmalı motorun %30 verimliliğine karşı yakıt pilinin verimliliği %60’dır.

3.1--Ancak buna karşın yakıt pillerinin halihazırdaki maliyetleri çok yüksektir. Arabalar için üretilen 5000 saat ömürlü yakıt pillerinin yaklaşık maliyeti 300$/kW’dır.

4-- Günümüzde, imal edilen yakıt hücrelerinin imalatları, oldukça yüksektir. (5000 $/kw civarındadır.) Mebran, katalizör, İki kutuplu levhaya bağlı olarak, malzeme fiyatlan değişir.Taşıtlarda kullanabileceğimiz bir yakıt hücresi 1 2000 $/kw dır.

5-- Ticarileşmiş bir 1 kW’lık PEM tipi yakıt hücresi saatte 60-65 gr H2 tüketimi yapmaktadır.

5.1--Ortalama bir binek otomobilin elektrikli motor kullanması durumunda 40-50 kW arası bir elektrik motoruna sahip olacağı düşünülür ve de aracın tam yükte 200 km/saat hıza sahip olduğu göze alınırsa 100 km’de H2’li bir elektrikli aracın tüketiminin 1,2 -1,4 kg arasında olacağı hesaplanabilir.

6--1 kg hidrojen gazı ile elde edilen enerji 2 kg doğalgaz, 3 kg petrol ile elde edilecek enerjiye eşdeğerdir.

8--Yakıt Pilleri:

1—Yakıt pilleri hidrojen kullanarak elektrik üretir.

1.1--Katı NaBH4, su ve hidroklorik asit çözeltisi ile gerçekletirilen tepkimede 10 ml/dak hızında hidrojen üretilmiş, yakıt pilinde 720 Wh/kg performans sağlanmıştır.

1.2--2007‘de yapılan çalışmada ise NaBH4‘ten H2 üretim sisteminde %50 verimle çalışan 1 KW elektrik üretimi amaçlanmıştır. Reaktör olarak dolgulu yatak reaktör kullanılmıştır.

1.3--Kim ve arkadaşları ise, 400 W PEM yakıt pilini çalıştırmak için bir hidrojen üretim sistemi kurmuşlardır. Katalizör olarak CoxB/ Ni köpüğü kullanılmıştır. Hazırlanan sistem 6 l/ dak hidrojen üretimi sağlanmıştır.

1.4--Reaktör tasarımındaki farklı arayışların son ürünleri ise kararlı NaBH4 çözeltisi yerine katı NaBH4 kullanan reaktörlerdir. Daha yüksek hidrojen depolama kapasitesine stokiyometrik oranlarda su ve katı NaBH4 kullanılarak ulaşılacağı fikrinden yola çıkarak Gislon ve arkadaşları 3 farklı reaktör kullanarak en iyi reaktör geometrisi ve hidroliz süreci tasarlamışlardır. Toplam açığa çıkan hidrojen 20 saatte 0,1-0,3 l/dak olarak ölçülmüş ve yakıt pilinde 10-20 W üretilmiştir.

9—Suyla Çalışan Kombi:(Suyun elektroloizi ile üretilen hidrojenin yakılması ile)

1--Fikret Özçelik’in ürettiği kombi günde sadece 1 litre suyla 100 metrekarelik bir evi ısıtabiliyor.

2--Bu kombinin bacası olmadığı için montesi çok kolay. Ödenecek faturaysa, doğalgaza göre yüzde 35 daha tasarruflu. Eğer evinizde elektrik üreten bir güneş paneliniz varsa ısınma gideriniz sadece 8 kuruşa düşüyor.

3--Fikret Özçelik’in yaptığı suyla çalışan ocak da dünyada bir ilk. 20 litrelik çeşme suyuyla yaklaşık 10-15 gün çalışabiliyor. İs, duman yok, güvenle yemek pişirebiliyorsunuz. Bu ocağın bir diğer farkı ise yemeklerinizi doğalgazlı ocaklara göre iki kat daha hızlı pişirmesi.

10—Suyla Çalışan Araba:

1—Suyu elektrolizle üretip,üretilen hidrojeni yakıt piline verip elektrik ürettiğimizde sistem verimi ne olur.

1.1—33,2 kw elektriği elektroliz ünitesine verdiğinizde 1000 gr hidrojen üretirsiniz.Bu Hidrojeni yakıt piline verdiğinizde(65 gr H2 den ticari yakıt pili ile 1 kw elektrik üretilir) ise 15,4 kw elektrik üretirsiniz. Sistem verimi n=15,4/33,2=%50 yani çıkandan daha fazla elektrik sisteme vermeniz gerekir ki bu sistem verimsiz sistemdir.

2—Ürettiğiniz hidrojeni içten yanmalı motora verir onunla sağlanan güç ile bir elektrik üreteceini çevirirseniz-1 kg hidrojeni içten yanmlı motorlu jeneratörde kullanmaniz halinde 7,4 kw elektrik üreteceğiniz varsayılırsa bu durumda sistem verimi n=7,4/33,2=%22 .Çok düşük.

3—Sonuç olarak hidrojeni elektrolizle üretip,ondan elektrik üreten ve bu elektriği tekrar sistem-girişe sokup,çıkışta fazla enerji üreten bir sistem mevcut sistemlerle mümkün görünmüyor.Böyle bir sistemin verimli olması verimin % 100 üstünde olmasıyla mümkün olabilir.Buna karşın çevre dostu (çıkan su buharı çevre dostu mu) hidrojen enerji taşıyıcı ve destek olarak iyi iş görebilir mi.

2—Hidrojenin Fiziki-Kimyasal Özellikleri:

1-- Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg.,

2.1--1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir.

3--Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat daha verimli bir yakıttır.,

4--Evrende %90 dan fazla hidrojen bulunmaktadır. 0°C’deki yoğunluğu 0,08987 g/lt ve havaya göre özgül ağırlığı 0,0695’dir.

5--Hidrojen havayla % 4 – 75 hacimsel oranlarında yanar (Hava fazlalık katsayısı = 0,15 – 4,35). Çok geniş bir yakıt karışım oranı ağırlığını ifade eden bu değerler, hidrojenin motorlarda kullanımı için avantaj sağlayacak en önemli özelliklerdendir.

6--Hidrojen benzin, propan veya doğal gazdan daha hafiftir. Benzin veya doğal gaz ile karşılaĢtırıldığında hidrojenin patlama yapması için havada daha yüksek derişimde bulunması gerekir.

6.1--Patlama için yakıt / hava oranı hidrojen için %13-18'dir ve bu oran doğal gazın sahip olduğu orandan 2 kat, benzinin sahip olduğundan 12 kat büyüktür.

7--Yakıtlar içerisinde hidrojen, depolanan birim enerji başına en düşük patlama enerjisine sahiptir. Belirli bir hacimdeki hidrojen aynı hacimdeki benzin buharından 22 kat daha az patlama enerjisine sahiptir.

8--Hidrojenin yanması için havada hacimce %4 - %75 arasında olması gerekir. Bu aralık diğer yakıtlarda düĢüktür. Örneğin doğal gaz için %5,3–15, propan için %2,1–10 ve benzin için %1–7,8'dir.

8.1--Herhangi bir kaçak anında hidrojenin en düşük tutuşma sınırı benzininkinden 4 kat, propanınkinden 1,9 kat ve doğalgazınkinden de çok az büyüktür

3—Hidrojenin Depolanması:

1----Sıvı hidrojen büyük tanklarda depolanmışsa günlük %0,06’sı, küçük tanklarda depolanmışsa günlük %3’ü buharlaşarak kaybolmaktadır. Bu oranın azaltılması izolasyona bağlıdır.

2--Hidrojen, günümüzde genellikle 50 litrelik silindirik depolarda 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır (bu basınç değeri 600-700 bar’a kadar çıkabilir).

3--yüksek basınç sebebiyle depolama tankları çok ağır olmaktadırlar. hidrojenden alınacak olan verimi düşürür.

3.1--Örneğin, basınçlı depo malzemesi olarak ostenitik çelik ve bazı alüminyum türleri kullanıldığında, depolanan hidrojenin, tüm depo ağırlığına oranı %2-3 civarında kalmaktadır.

3.2--Ancak bu malzemelerin yerine karbon kompozit kullanılmasıyla, ağırlık oranı daha da artmış ve %11,3 seviyesine yükselmiştir.

4--Basınçlı hidrojenin, çelik tüpler içine yerleştirerek taşınması, bugüne kadar geliştiren bir çok deneme amaçlı hidrojenle çalışan taşıtta kullanılan yöntem olmuştur.

4.1--Burada görülen en bük sorun çelik tüplerin kendi ağırlıklarıdır. Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre (47 kg) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.

4.2--Hidrojeni sıvı olarak depolamak ağırlık sorununu çözmekle birlikte, tank hacmini yükseltmektedir. Diğer bir sorun ise, hidrojenin gaz haline geçmesi ile oluşan kayıplar ve yakıt ikmali zorluğu.

4.3--Metal hidritler hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın, bunlarında kendi ağırlıkları ciddi sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Daha önce belirtilen üç metal hidritten, Magnezyum-Nikel, en fazla hidrojen depolaması ve en ucuz olmasına karşın, yine ağırlık olarak taşıta 500kg gibi bir ek yük getirmektedir.

5--Bir diğer sorun da, hidrojen gazını belli basınç da elde edebilmek için, metal hidritin, 250°C ye ısıtılması gereğidir. Bu sıcaklık araç çalışırken egzoz çıkışından elde edilen sıcak gazla sağlanabilmekle beraber, motorun ilk başta soğukken çalıştırılması sorun yaratmaktadır.

5.1--Bu sorun, Almanya da otobüslerde denen yeni bir yöntemle çözülmüştür. Bu otobüslerde, düşük sıcaklıkta hidrojen sağlayan Demir-Titanyum alaşımı ile Magnezyum-Nikel alaşımı birlikte kullanılmıştır. Buna göre, ilk alaşım motor soğukken devreye girmekte daha sonra ikinci alaşım devreye girerek süreklilik sağlanmaktadır. Birinci alaşımda depolanan hidrojen, daha sonraki bir ilk çalıştırma için yedekte tutulmaktadır

6--Bütün bu sorunlara karşın, hidrojenin özellikle, otobüs, kamyon ve traktör gibi ağır taşıtlarda kullanımı gittikçe artmakta ve gelişen teknoloji ile birlikte sorunlar giderek çözülmektedir.

4—Hidrojenin İçten Yanmalı Motorlarda Kullanılması:

1--Benzin motorundan hidrojen motoruna çevrilmiş motorda, stokiyometrik hidrojen-hava karışımnda %20 güç kaybı meydana gelir. Karbüratörlü motorlarda emme manifoldundaki alev tepmesi önemli bir problemdir.

2--Hidrojenin sıkıştırma oranı yüksek olan motorlarda kullanılması ile de sebep olduğu güç kaybı azaltılabilir. Ayrıca aşırı doldurma uygulanarak ilave güç sağlanabilir. Sıkıştııma oranının arttırılması ve fakir karışım ile hidrojen motorunun ısıl veriminde, benzinli motora göre %25'lik bir artış sağlanabilir. Fakir karışıın ile alev tepmesi önemli miktarda azaltılır

3--Hidrojenin alt ısıl değeri de öteki mevcut motor yakıtlarından daha yüksektir

hidrojen için …………119.93 kj/g

benzin için…………… 43.4 kj/g

3.1--Ancak hacimsel olarak ele alındığında hidrojenin alt ısıl değeri diğer yakıtlara göre daha azdır

(hidrojen için ……….....8.41 Mj/litre,

benzin için…………… 31.8Mj/litre

metanol için…………. 15.9Mj/litre

metan için…………….. 20.8 Mj/litre).

4--Hidrojenin adyabatik alev sıcaklığı ise benzinle aynı mertebelerdedir

Hidrojen………… 2318 K

Benzin…………… 2470 K

Metan…………….. 2148 K

5—Araştırma:Dizel ve benzinli motorlarla yapılan bir deneysel çalışmada Motor moment değerleri incelendiğinde, motorin ve % 10 hidrojen ilaveli olarak yapılan çalışmada maksimum moment değeri 2200 min-1’ de elde edilirken, % 5, % 15 ve % 20 hidrojen ilaveli yakıtlarla ise maksimum moment 1800 min-1’ de ölçülmüştür.

5.1--Hidrojen oranı artırıldıkça volümetrik verim kötüleşmekte ve devir arttıkça moment azalmaya başlamaktadır.

5.2--Aynı şekilde güç te, düşük motor devirlerinde artmış, devir yükseldikçe ise düşmeye başlamıştır.

5.3--Çalışma ile belirlendiğine göre hidrojen ilaveli yakıtlar düşük devirlerde motor momentinde ve gücünde artışa yol açarken yüksek devirlerde ise olumsuz sonuçlar vermiştir.

5.4--Düşük devirlerde hidrojen ilaveli yakıtlarla elde edilen özgül yakıt tüketimi değerleri standart yakıtla elde edilen değerlerden daha iyi elde edilmiştir.

5.5--% 20 hidrojen ilaveli yakıtla elde edilen özgül yakıt tüketimi değeri en düşük seviyesine inmiştir.

5.6--Devir yükseldikçe ise özgül yakıt tüketimi kötüleşmiştir. Bulgular dikkate alındığında, hidrojen ilavesi düşük ve orta motor devirlerinde özgül yakıt tüketimini iyileştirici yönde etki yapmıştır. Volümetrik verim ise hidrojen oranı artışına bağlı olarak kötüleşmektedir.

5.7--Bu hidrojenin motora havayla birlikte gaz halinde verilmesinden ileri gelmektedir. Bu kötüleşme devir artışı ile daha belirgin hale gelmektedir. Denenen bütün hidrojenli karışım oranlarında, 2600 min-1 üzerinde şiddetli vuruntu olduğu görülmüştür.

5.8--Bu nedenle yüksek motor devirleri için hidrojenli karışımların dizel motorları için uygun olmadığı kanaatine varılmıştır.

5.9--Hidrojen oranı % 20’ nin üzerine çıkarıldığında motor momentinde aşırı derecede azalma görülmüştür. Bu nedenle kullanılan hidrojen yüzdesi % 20’ yi geçmemelidir.

5.10--Hidrojen ilavesi durumunda motorun çalışmasında görülen vuruntu, volümetrik verim düşmeleri ve motorun aşırı ısınması gibi problemlerin motorda yapılacak bazı yapısal düzenlemelerle giderilebileceği düşünülebilir.

6--Benzin motorundan hidrojen motoruna çevrilmiş motorda, stokiyometrik hidrojen-hava kanşırmnda %20 güç kaybı meydana gelir. Karbüratörlü motorlarda emme manifoldundaki alev tepmesi önenı.li bir problemdir

6.1--Sıkıştııma oranının arttırılması ve fakir karışım ile hidı·oj en motorunun ısıl veriminde, benzinli motora göre %25'lik bir artış sağlanabilir. Fakir karışımın ile alev tepmesi önemli miktarda azaltılır

2. Hidrojen Motorunda Bulunması Gereken Özellikler:

1-- Konvansiyonel bir motorda hidrojenin yakıt olarak kullanılabilmesi için bazı değişikliklerin yapılması gerekir. Bu değişiklikler, motorun işletim sisteminde ve birtakım konstrüktif tadilat olmak üzere iki grupta toplanabilir.

1.1--Konstrüktif değişiklikler büyük ölçüde yakıt sisteminde yapılmaktadır. Hidrojen yakıtlarda erken tutuşma ve alev geri tepmesi önemli sorunlardandır.

1.2--Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda egzoz supabının soğutulması gerekebilir. Sodyum soğutmalı silikrom supap kullanılabilir. Supapların oturma yüzeyleri genişletilerek silindir kapağına kondüksiyonla ısı transferi arttırılabilir.

2--Bir başka önlem de yanma odasına su püskürtülmek suretiyle sıcaklığın düşürülmesidir. Böylece NOx teşekkülünün de önüne geçilmiş olur.

3--Yanma odasında sıcak noktalar oluşmaması için karterden yağ sızmayacak şekilde segman sayısı ve segman yükseklikleri arttırılabilir.

3.1--Hassas supap kılavuzları ve sızdırmazlık contaları ile özel yağ segmanı kullanılabilir.

4--Yağlama yağına bir miktar kurşuntetraetil (Pb(C2H5)4) ilave edilirse karterden sızan yağın su buharı ve karbondioksit olarak yanabileceği öngörülmüştür. Böylece hidrojen-hava karışımı için alev hızı ve dolayısıyla vuruntu azalacaktır.

5--Otto çevrimine göre çalışan motorlarda hidrojen-hava karışımının silindire karbüratör vasıtasıyla verilmesi alev geri tepmesi riskini artıracaktır. Bunun yerine hidrojenin silindire direk püskürtülmesi daha iyi netice verecektir.

5.1--Hidrojen püskürtülmesi emme supabının kapanmasını takiben ve sıkıştırma stroku süresince yapılır, sıkıştırma sonu ve ateşlemeden önce tamamlanır.

5.2--Hafif bir ateşleme avansı indike verim ve gücün artmasını sağlar. Ancak daha fazla ateşleme avansında NOx teşekkülü artar.

5.3--Emme ve egzoz supaplarının birlikte açık kalma süreleri kısaltılmalıdır. Bunun için özel imal edilmiş kam mili kullanılmalıdır.

5.4--Her şeye rağmen karbüratörlü bir sistem kullanılacaksa hidrojen ve hava karbüratöre gelmeden önce özel bir karıştırıcı ile karıştırılmalıdır. Eğer hidrojen yakıt deposundan basınçlı geliyorsa bir regülatör aracılığı ile basıncın düşürülmesi gerekir.

5.5--Egzoz gazı resirkülasyonu yapılarak karışımdaki fazla oksijenin azalması sağlanabilir. Böylece yanma yavaşlatılmıĢ olacaktır.

5.6--Sonuçta emme manifolduna doğru geri tutuşma, vuruntu ve NOx teşekkülü önlenmiş olur.

6--Buji tırnak aralıkları oldukça düşük olmalıdır. Bu sayede rölantide daha düzgün bir çalışma sağlanır ve düşük hızlarda moment önemli ölçüde artar.

7--Dizel çevrimi esasına göre çalışan bir hidrojen motorunda ateşleme buji ile sağlanmalıdır. Çünkü hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığı yüksektir ve yüksek sıkıştırma oranlarında dahi kendiliğinden tutuşma gerçekleşmez.

8--Emme manifoldu geri tutuşması, erken tutuşma, darbeli yanma, yüksek sıcaklıklarda NOx teşekkülü gibi problemlerin önüne geçmek için karışım seyreltilebilir. Ancak bu seyreltmenin motor performansını olumsuz etkilediğini de unutmamak gerekir.

8.1--Karışım seyreltmenin olumsuz etkileri, egzoz gazı resirkülasyonu, su ilavesi, direk püskürtme, benzin-hidrojen ya da dizel-hidrojen karışımı kullanmak gibi yöntemlerden biri ya da bir kaçı kullanılarak azaltılabilir.

9--Motorda karşılaşılan işletme güçlükleri motorun sıkıştırma oranı ve karışım oranı gibi büyüklüklerini etkiler. Bununla birlikte hidrojenin kendine özgü özelliklerinden kaynaklanan işletme güçlükleri önemli bir yer tutar.

9.1--Örneğin erken tutuşma ve emme manifoldu geri tutuşması hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması, geniş yanma sınırları ve küçük sönme mesafesinin bir sonucudur.

9.2--Hidrojenin yanması benzine nazaran çok hızlıdır. Bunun sonucu olarak bujide kıvılcım oluşur oluşmaz silindir içerisinde basınç çok ani yükselir.

10--Normal artış 2.068-2.67 bar/KMA aralığında iken hidrojende bu değerin üç katı kadar olmaktadır. Hava fazlalık oranının 0.85‘den büyük değerleri için hidrojen motorunda vuruntu ve darbeli yanma baş gösterir. Bunun önlenmesi için su püskürtülmesi etkili bir yöntemdir.

11--Konvansiyonel bir içten yanmalı motorun hidrojen yakıtla işletilebilmesi için motorun temel yapısı ve ana boyutları üzerinde büyük değişiklikler yapmaya gerek yoktur. Diğer motorlara göre en belirgin değişiklikler yakıt donanımında olacaktır. Hidrojenin yanma odasına girişi karbürasyon veya direk püskürtme şeklinde olabilir.

11.1--Normal karbüratörler hidrojen için uygun değildir ve üzerinde bazı değişikliklerin yapılması gerekir. Yinede hidrojenin doğrudan yanma odasına püskürtülmesi daha ideal bir yöntemdir. Bu metotta emme manifoldu geri tutuşması olmaz ve erken tutuşma kontrol altına alınabilir. Ancak püskürtme zamanı iyi ayarlanamazsa yanma veriminin düşmesine neden olabilir.

11.2--Püskürtme ÜÖN dan çok önce olamaz ve ateşleme avansının da buna uygun olarak seçilmesi gerekir. Özellikle zengin karşımda fazla ateşleme avansı erken tutuşma ve dalgalı yanmaya neden olacaktır.

12--Hidrojenin hafif bir elementtir ve bu nedenle hacimsel enerji kapasitesi diğer yakıtlardan düşüktür. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak ve dolayısıyla hacimsel verimi arttırmak için aşırı doldurma uygulanabilir.

12.1--Hidrojen motorlarına su püskürtme sistemleri eklenebilir. Karışıma su ilavesi darbeli yanmayı düzgünleştirir, geri tutuşma ve NOx emisyonunu engeller.

12.2--Dizel tipi ateşleme hidrojen yakıt için uygun değildir. Çok yüksek sıkıştırma oranlarında bile ateşleme sağlanamamıştır.

13--Yüksek sıkıştırma oranlarında akkor buji kullanılması daha idealdir. Buji tırnak aralığı normalden üç kat daha küçük seçilmeli ve yüksek sıkıştırma oranlarında bu aralık daha da küçültülmelidir.

14--Geri tutuşmayı önlemek amacıyla supap bindirmesi en düşük seviyeye getirilmelidir. Bu da yeni bir kam konstrüksiyonu gerektirir. Yanma odasındaki sıcak noktalar erken tutuşmayı tetikler. Bunun için sodyum soğutmalı supaplar kullanılması tavsiye edilir. Buna ek olarak soğutulmuş buji kullanılmalıdır.

15--Hidrojen motorunda hava ile soğutma uygun değildir. Hidrojen motorlarında normal motorlardan daha fazla ısı açığa çıkar. Hidrojen yakıtın hassas yapısından dolayı bu ısının olabildiğince çabuk uzaklaştırılması gerekir. Bu nedenle su ile soğutma daha idealdir.

16--Motorlarda yakıt olarak hidrojen kullanılması halinde teorik olarak CO, CO2 ve yanmamış HC emisyonları olmaz. Duman, sis, kurum gibi karbon ihtiva eden maddeler de bulunmaz. Ancak yine de yağlama yağının yanması sonucu az da olsa bu egzoz emisyonlarına rastlanır.

16.1--Bunun dışında egzoz gazları azot, artık oksijen, yanmamış hidrojen, azot oksitleri ve su buharından oluşur. Bunların içerisinde çevre sağlığı açısından en zararlısı azot oksitleridir.

17--Fakat benzinli bir motorda oluşan azot oksitlerinden daha fazlası oluşmaz.

18--Hidrojen motorları çok fakir karşımla çalıştırılabilir ve hidrojenin ısıl verimi çok yüksektir. Ancak yoğunluğu çok az olduğu için birim hacimdeki enerjinin düşük olmasından dolayı hacımsal verim düşüktür. Bu da motorda güç ve performans düşmesine neden olur. Bu dezavantaj aşırı doldurma ve direk püskürtme gibi yöntemlerle nispeten dengelenebilir.

19-- Bugüne kadar yapılan çalıĢmalar hidrojenin içten yanmalı motorlarda büyük bir sorun oluşturmadan rahatlıkla kullanılabileceğini göstermiĢtir.

20--Hidrojen, egzoz emisyonlarının oldukça düşük olması sebebiyle çevre dostu bir yakıttır. Sadece hidrojen yakıtla çalışan optimal bir hidrojen motoru bir benzin veya dizel motorundan daha pahalı olmayacaktır.

20.1--Bununla birlikte hidrojenin kimyasal ve fiziksel özelliklerinden kaynaklanan zorunluluktan ötürü bazı ilave tedbirlerin alınması gerekir. Bunlar motorun yakıt ve egzoz sisteminde yapılması gereken bazı değişikliklerle işletim sistemine yönelik önlemlerdir.

20.2--Örneğin emme ve egzoz supabı bindirmesinin azaltılması için yeni bir kam konstrüksiyonu düşünülmelidir.

20.3--Yakıt sistemine su ilavesi için bir ünite eklenebilir. Egzoz gazı resirkülasyonunun gerekli görüldüğü durumlarda bunu sağlayacak bir ilavenin yapılması gerekir.

20.4--Hacimsel verimi arttırmak için aşırı doldurma ünitesi düşünülebilir.

21--Yağlama yağının yanma odasına geçmesini önlemek için ilave segman kullanılabileceği gibi sızdırmazlık önlemleri arttırılabilir.

22--Yanma odasında başka sıcak noktaların önüne geçmek için egzoz supabının ve bujilerin soğutulması gerekebilir.

22.1--Önerilen değişiklikler motorun temel boyutlarını ve parçalarını etkilemeyecek olan ve mevcut teknolojilerle, fazla zorlama olmadan yapılabilecek olan değişikliklerdir.

2--1--Hidrojen Enerjisi Sitemi:

1--Hidrojen fosil yakıtlarda % 26 daha randımanlı.

2--Enerjisini elde etmede hidrojen % 20 daha randımanlı.

3--Hidrojenin enerji yoğunluğu 142 kj/g; iken sıvı hidrokarbonların enerji yoğunlukları ise 47 kj/g civarındadır.

4--Enerji içeriğinin yüksekliği göz önünde tutularak gaz yerine sıvı hidrojen depolama teknikleri üzerinde daha çok durulmaktadır.

5--1 ton kömür benzine dönüştürülerek otobüs çalıştırılsa 708 km; elektriğe dönüştürülse 772 km; hidrojene dönüştürülse 1030 km yol yapabilmektedir.

6--Yakıt pillerinde elektrokimyasal çevrimle direkt elektrik üretilmektedir.

6.1--2MW lık yakıt pilli bir santral 20 m2 den daha az yere gereksinme duymaktadır.

7--ABD 2025 yılında toplam enerji tüketimindin %10 unu hidrojenden karşılamayı ve petrol dışalımını yarı yarıya azaltmayı planlamaktadır.

8--Günümüzde konutlar için 1 kW 2 kw 5 kw ve 10 kw lık paket yakıt pili sistemlerin üretilip , satılmakta olduğu ve bu pazarın hızla gelişeceğinin tahmin edildiği belirtilmektedir .

9--Suyun elektrolizinden 1 m3 sudan 108,7 khf hidrojen elde edilmektedir ve bunun enerjisi 422 litre benzin enerjisine eşdeğer olmaktadır.

10—Hidrojene geçişin 10 – 15 yıl içinde tamamlanması beklenmektedir.

11—Hidrojen Motorlarda kullanılırsa yüzde 18 daha randımanlı.ses üstü uçaklarda yüzde 28 daha randımanlI.

12--Mercedes,hidrojenli otobüsler imal ediyor ve satıyor

13--Hidrojenin fiyatı benzin ve doğalgazdan 3 defa daha pahalı

14--Yakıt pilleri 3kat daha verimli.

15--15 yıl içinde yolcu uçkları hidrojen ile uçubilir.hidrojen hafif olduğu için uçak daha çok yakıt ve kargo taşıyacak ve bilet fiyatları düşecek dedi.

16--Türkiye de hidrojen enerjisinin sudan elde edilebilir ve aynı zamanda Karadeniz deki Hidrojen sülfür yatakları da bu açıdan elverişli .

17--Karadeniz in tabanında doğal hidrojen deposu bulunması Türkiye nin geleceği açısından bir fırsat olabilir;Karadeniz sahil kesimlerinde 125 – 150 m den açık denizde 100 – 125 den daha derin kesimlerinde çözünmüş oksijen tükenmekte ve yerini hidrojen sülfür ( H2S) almaktadır. Derinlik arttıkça ortamın hidrojen sülfür konsantrasyonu da artmaktadır. Bu konuda Bulgaristan ın proje geliştirmeye çalıştığı belirtilmektedir.

2--Hidrojen Enerji Sistemi-Küresel-Enerji Üretim ve Tüketiminde:

1--Amerikalıların tahminine göre 2025 yılında petrol ve doğalgaz üretimi zirveye erişecek, ondan sonra düşüşe geçecek.

1.1-- Aşağı yukarı 200 yıl sonra bütün fosil yakıtlar tükenmiş olacaktır

1.2-- Kırk sene kömür alacağız.Artık kalkınmış memleketlerde, kömür ve linyit ile çalışan elektrik santralleri kurulmuyor. Çünkü bunların çevreye verdiği zarar, ürettikleri elektriğin

bedelinden fazla.

2-- Atmosferin % 21'i oksijendir,% 79'u nitrojendir. Halbuki şehirlerdeki oksijen miktarı

% 21 değil,%18. Çünkü o oksijenin çoğunu otomobiller, kamyonlar, otobüsler ve motosikletler emiyor, insanlara kâfi oksijen kalmıyor. Baş ağrısı, migren gibi birçok hastalıklara sebep oluyor.

2.1—Rio Dünya zirevsinde varılan nokta enerji çevre vs sorunların çözümü Hidrojen enerjisidir.

3--Evrenin % 90'ı hidrojendir. Güneşimiz dahil bütün yıldızlar, birçok gezegen,Jüpiter, Uranüs hidrojen. Fakat dünyamızda serbest hidrojen çok azdır.Onun için bizim hidrojen madenimiz:Su.

3.1--Suyu kullanıp herhangi bir primer enerji kaynağı-rüzgar-güneş kullanacağız.

Yenilenebilir enerji kaynakları, nükleer enerji, hatta fosil yakıtlar kullanıp hidrojen üreteceğiz. Bunu elektrik üretiminde,ulaşımda, konut, işyeri ve sanayide kullanacağız.

3.2-- Miami Üniversitesinde yaptığımız çalışmalara göre, dünyaya bir yılda verilen zarar -fosil yakıtların verdiği çevre zararlarının toplamı- 5 trilyon dolar civarındadır.

Burada petrolün payı……… %42,

kömürün payı……................ % 37,

doğalgazın payı…............….% 20,

Türkiye'ye düşen faturanın payı da yılda 5 milyar dolar.

3.3-- Fosil yakıtlar 200 yıl ihtiyacımızı karşılıyor.Nükleer doğurgan reaktörler ise binlerce… Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları 5 milyar yıl ihtiyacımızı karşılayabilecektir.

3.4-- birincil enerji kaynaklarından bir sentetik yakıt üretirsek bu kusurların çoğunu ortadan kaldırabiliyoruz.

3.5--Sıvı yakıtlar içinde en iyisi hidrojen; sonra benzin geliyor,sonra doğalgaz, petrol, sıvı petrol gazı,ve etanol; metanol de en kötüsü.

3.6—Gaz yakıtlar içinde en iyisi hidrojen, sonra doğalgazdır.

4—Hidrojenin Kullanım Alanları:

4.1--Japonya hidrojenden elektrik üreten 11 MW'lık santral kurulmuştur,

4.2--Toyota'nın hidrojenli arabaları.Dünyanın en büyük otomobil firması General Motors bu dizayn için 1 milyar dolar sarf etmiştir. Umumiyetle, otomobil şirketleri "Petrol bitince ne kullanacağız,etil alkol mü, metil alkol mü, amonyak mı kullanacağız?", diye

düşünürler, tecrübeler yaparlar.

4.2.1—GM karar verdi; hidrojen kullanılacak diye ve hidrojenin niteliklerine uygun bir otomobil tasarımı için bir milyar dolar sarf etti.

4.3--Nükleer reaktörlerde bugün elektrik üretimi verimi % 30'dur. Yani o reaktördeki enerjinin % 70'i ziyan olur.Halbuki atom reaktörlerindeki ısıdan istifade edip termokimyasal yöntemlerle hidrojen üretirsek, atom enerjisinin %60 ını kullanmak mümkün oluyor.

4.3.1—Bu durumda bir reaktörde şimdi ürettiğimiz enerjinin faydalı enerji kısmıbı 2 mislini

Üretebileceğiz

4.4--Alman denizaltıları hep hidrojenle yapılıyor. Yunanistan Almanya'dan 4 tane satın aldı.Çok sessiz.

4.5—Airbus şirketi hidrojenle çalışan uçak üzerinde uğraşıyor. 15 sene sonra bu uçuşa geçecek. Bunlar uçtuğu zaman, sıvı hidrojen jet yakıtından daha pahalı olmasına rağmen, uçak biletleri ucuzlayacak.

4.5.1--Niye? Çünkü böyle bir uçak Ankara'dan New York'a kalktığı zaman ağırlığının % 60'ı jet yakıtıdır. Fakat bu uçak hidrojenli olduğu zaman ağırlığının sadece % 20'si yakıt olacak. Onun için yolcu sayısı iki misline çıkacak.

4.5.2--Kargo ağırlığı iki misline çıkacak. Atmosferezarar vermeyecek, gürültü olmayacak.

Uçak hafif olduğu için motor küçük olacak. Gürültü de az olacak.New York'tan Tokyo'ya iki saatte gidecek

4.6--Avrupa "NaturalHy"'ı başlattı. Türkiye de dahil buna. Şimdiki doğalgaz boru hattına isteyen ülke hidrojen enjekte edebilecek. Mesela Türkiye güneşten hidrojen enerjisi elde edecek boru hattına verecek. Isveç su enerjisinden hidrojen elde edecek, doğalgaz hattına verecek.

4.6.1--Tabii başlangıçta boru hattındaki doğalgaz - hidrojen karışımındaki hidrojen çok az olacak. Bu yavaş yavaş artacak. Bu şekilde Avrupa 40 - 50 yılda hidrojene geçmiş olacaktır

4.7--Eğer birincil enerji kaynaklarının hepsi; güneş, rüzgar, su gibi yenilenebilir olursa, bütün sitem yenilenebilir oluyor.

4.7.1--Hidrojen enerji sisteminin maliyeti hesaplandığında, bugün için bile en ucuz sistemin güneş hidrojen sistemi olduğu görülmektedir. Kişi başı 19 dolar. Şimdiki sitem 22 dolar.Sentetik 27,5 dolardır.

4.8--Termal enerjide, alevli yanmada oran fosil yakıt verimi hidrojen verimi oranı 1;katalitik yanmada-yakıt pili, buhar üretiminde hidrojen % 20 daha randımanlıdır.

4.8.1--Elektrik üretiminde yakıt pilleri kullanınca hidrojen % 46 daha randımanlı.Karayolu taşımacılığında içten yanmalı motor kullanırsak hidrojen % 18; yakıt pili elektro-motor kullanırsak

% 60 daha randımanlıdır

4.8.2--Hidrojen daha temiz olduğu için değil, daha randımanlı olduğu için. Sesten yavaş jet uçaklarında hidrojen % 18; sesten hızlı uçaklarda % 28 daha randımanlı.

4.8.3--Dünya ortalaması, hidrojen fosil yakıtlardan % 26 daha randımanlı.

4.9--Hidrojen, doğalgaz ve benzini emniyet açısından mukayese ettiğimizde,muhtelif nitelikleri göz önüne alındığında,en emniyetlisinin hidrojen olduğu

görülmektedir. Sonra doğalgaz,sonra benzin.

4.10--En hafif yakıt hidrojen,en iyi araç yakıtı hidrojen, en verimli yakıt hidrojen, en temiz, çevreye hiç zarar vermeyen hidrojen. En ekonomik,yani vatandaşa maliyeti en az olan hidrojen, en dönüşebilir hidrojen

5—Yorum:

5.1—Hidrojen enerji üretiminde-naklinde kaynağı bol iyi seçenek ancak hidrojenin yanmasıyla oluşan su buharu doğrudan aracın egzosundan atmosfere atılmakta.

5.2--Bütün sistemler hidrojene geçtiğinde atmosferdeki su buharı oranı sanayi öncesi döneme göre çok yüksek seviyelere çıkacağı tığkı atmosferde 400 ppm(sanayi öncesi 280 ppm ) seviyesine çıkan karbondioksit seviyesi gibi sera gazı olarak küresel iklim değişimine yol açabilecektir.

5.2—Kısaca hidrojenli yanmanın ürettiği sera gazı olan su buharı,hidrojen ekonomisi önünde büyük engel olarak görünmekte.

5.3—Bu probleme karşı acaba atmosferdeki su buharı oranının artması tıpkı karbondioksitin artması gibi sera etkisi oluşturur mu.veya hangi oranda oluşturur.Bunun araştırılması ve simüle edilmesi gerekir.

5.4—Atmosferdeki su buharı artışına karşın 2.bir çözüm üretilen su buharını bulunduğu sistemde sıvı hale yani suya çevirmek olabilir.Bu belki termik santrallerde mümkün olabilir yada araçlardan çıkan su buharı uygun katalizör olarak atmosfere su partikülleri olarak da atılabilir mi.

5.4.1--Yada araçta sıvı halde depolanabilir mi.Bu konuların araştırılması hidrojen enerji sistemine gitmek için gereken çaba dünya çapında organize olarak harcanabilir.

5.5—Eğer dış uzaya gidilecekse uzay araçlarının yakıt ihtiyacı yine dış uzaydan hidrojen olarak herhalde karşılanabilir.

Kaynak: Prof. Dr. Nejat VEZİROĞLU - Hidrojen medeniyeti -BM, Millitlerarası Hidrojen Enerjisi Teknolojileri Merkezi Kurucusu ve Direktörü-2007

3--Hidrojen Enerjisi:

1--Dünya enerji rezervinin %75'ini Kömür, %14'ünü petrol, %ll 'ini ise doğal gaz oluşturmaktadır.

2--Bugünkü bilgilere göre, linyitin 240 yıl, petrolün 30 yıl, doğalgazın 8O yıl yeteceği bilinmektedir. Dünya enerji tüketiminin %25 'i taşıtlar için kullanılmaktadır

3—Hidrojen Enerjisi:

1—Hidrojenin Elektrolizle Üretilmesi:

1--Sanayide sıklıkla kullanılmasına rağmen ticari olarak bu elktrolizle hidrojen üretimi ekonomik değildir.1 ton suyun elektrolizi için saatte 4480 kilowatt elektrik harcanır.

3-- Elektroliz işleminin verimi %70 dolayında olmaktadır. Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir.

3.1--Pratikte kullanılan elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.

3.2-Sulu çözelti-elektrolit içindekiler sülfirik asit veya çamaşır sodası (Na2CO2) olabilir.

3.3--Suyun elektrolizinde katotta ( - ) “hidrojen, anotta( + ) ise oksijen gazı toplanır.

3.3.1--Elektroliz hücresinin ticari olarak %80 verimde çalıştığı düşünüldüğünde, fosil yakıtlardan elektroliz yoluyla hidrojen elde etmede toplam verim %25-30 olmaktadır.

3.4--Hidrojenin genel olarak sıvı halde taşınıp depolanması uygun olmaktadır. Hidrojenin sıvı hale getirilmesi ise 0.1$/lt.b.e. bir yük getirmektedir.

3.5--Elektrolizle üretilen sıvı hidrojenin maliyeti 0.78 $/lt.b.e.’dir.

5-- Hidrojenin üst ısıl enerji değeri 33,2 kWh/kg’dır.Dolayısıyla 1 kg hidrojen direk olarak yakıldığında bize 33,2 kWh’lık enerji verebilmektedir. Bu değer benzinden 2.8, doğalgazdan ise 2.1 kat daha fazladır.

6.1-- Suyun elektrolizi için, 25 °C sıcaklık ve 1 atm basınçta gerekli gerilim 1,24 volttur.

Fotovoltaik panellerden elde olunacak elektrik enerjisi ile suyun elektrolizinden hidrojen üreten bu yöntemde, 1 m3 sudan 108.7 kg hidrojen elde olunabilir ki, bu 422 litre benzine eşdeğerdir

2—Hidrojenin Güç Üretiminde Kullanımı:

1--yakıt pilli arabalar için gereken elektrik tahrik düzenleri ve elektrik bataryasının 2010 yılı fiyat hedefi 32$/kW’dır.

2--Hidrojen motorlu modellerde ise hidrojen motoru ve hareket iletim sisteminin 2015 yılı hedef maliyeti ise 30$/kW’dır.

3.1--Ancak buna karşın yakıt pillerinin halihazırdaki maliyetleri çok yüksektir. Arabalar için üretilen 5000 saat ömürlü yakıt pillerinin yaklaşık maliyeti 300$/kW’dır.

4-- Günümüzde, imal edilen yakıt hücrelerinin imalatları, oldukça yüksektir. (5000 $/kw civarındadır.) Mebran, katalizör, İki kutuplu levhaya bağlı olarak, malzeme fiyatlan değişir

T'aşıtlarda kullanabileceğimiz bir yakıt hücresi 1 2000 $/kw dır.

5-- Ticarileşmiş bir 1 kW’lık PEM tipi yakıt hücresi saatte 60-65 gr H2 tüketimi yapmaktadır.

6--1 kg hidrojen gazı ile elde edilen enerji 2 kg doğalgaz, 3 kg petrol ile elde edilecek enerjiye eşdeğerdir.

8--Yakıt Pilleri:

1—Yakıt pilleri hidrojen kullanarak elektrik üretir.

1.1--Katı NaBH4, su ve hidroklorik asit çözeltisi ile gerçekletirilen tepkimede 10 ml/dak hızında hidrojen üretilmiş, yakıt pilinde 720 Wh/kg performans sağlanmıştır.

1.2--2007‘de yapılan çalışmada ise NaBH4‘ten H2 üretim sisteminde %50 verimle çalışan 1 KW elektrik üretimi amaçlanmıştır. Reaktör olarak dolgulu yatak reaktör kullanılmıştır.

9—Suyla Çalışan Kombi:(Suyun elektroloizi ile üretilen hidrojenin yakılması ile)

1--Fikret Özçelik’in ürettiği kombi günde sadece 1 litre suyla 100 metrekarelik bir evi ısıtabiliyor.

10—Suyla Çalışan Araba:

1—Suyu elektrolizle üretip,üretilen hidrojeni yakıt piline verip elektrik ürettiğimizde sistem verimi ne olur.

3.1--Böyle bir sistemin verimli olması verimin % 100 üstünde olmasıyla mümkün olabilir.Buna karşın çevre dostu (çıkan su buharı çevre dostu mu) hidrojen enerji taşıyıcı ve destek olarak iyi iş görebilir mi.