Hidrojenin İçten Yanmalı Motorlarda Kullanılması:
1-- Hidrojen Yakıtının Özellikleri:
1-- Hidrojen, hava içerisinde %4 ile %75 oranları
arasında bulunduğunda tutuşabilmektedir.
1.1--Benzin-hava karışımlarında, hava fazlalık katsayısının 0.3-1.7 değerleri arasında tutuşma sağlanabilmekte iken, hidrojen-hava karışımları için bu sınır 0.14-4.35 değerlerine ulaşmakta
2--
Hidrojenin alt ısıl
değeri de öteki mevcut motor yakıtlarından daha yüksektir (hidrojen için 119.93
kj/g, benzin için 43.4 kj/g).
2.1--Ancak
hacimsel olarak ele alındığında hidrojenin alt ısıl değeri diğer yakıtlara göre
daha azdır (hidrojen için 8.41Mj/litre, benzin için 31.8Mj/litre, metanol için
15.9Mj/litre,metan için 20.8 Mj/litre).
2.2--Hidrojenin
adyabatik alev sıcaklığı ise benzinle aynı mertebelerdedir (Hidrojen 2318 K,
Benzin 2470 K, Metan 2148 K)
2.3—Tablo-
Özellik……..Benzin…..Metan….Hidrojen
Yoğunluk, (kg/m3)……..4.40……..0.65…….0.084
Hava içindeki
Difüzyonu (cm2/s)………0.05…….0.16………0.61
Sabit basınçta
özgül ısısı,(J.g/K)……….1.20……..2.22……..14.89
Hava da ateşlenme
sınırı (%hacim)…………..1.0-7.6….5.3-15.0….4.0-75.0
Havada ateşlenme
enerjisi (mJ)………………0.24……..0.29……..0.02
Ateşlenme
Sıcaklığı (0C)……………..228-471…540………585
Hava da alev
Sıcaklığı (0C)……………….2197 ….1875……..2045
Patlama enerjisi
(g.TNT . k/j)…………………0.25……0.19…….0.17
Alev yayılması
(emissivitesi), (%)…………….34-42…25-33 …..17-25
2-- Hidrojen Üretimi:
1--Günümüzde
sanayide kullanılan hidrojen büyük miktarlarda,doğal gaz, petrol ürünleri veya
kömür gibi fosil yakıtlardan elde edilmektedir.
1.1--En
çok kullanılan yöntemler, doğal gazın katalitik buhar ıslahı, petrolün kısmi
oksidasyonu, buhar demir işlemi ve kömür gazlaştırılması şeklindedir.
2—Diğer bir yöntem ise suyun elektrolizidir.
2.1—Suyun elektrolizinde elektrolit içindeki su,
katottan çıkan hidrojen ve anottan çıkan oksijene ayrışacaktır. Burada yalnız
suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir iletken olmadığı için elektrolit'in
içine iletkenliği artırıcı olarak genelde potasyum hidro-oksit gibi bir madde
eklenir.
2.2--Suyun
elektrolizi için, normal basınç ve sıcaklıkta, ideal olarak 1.23 volt yeterlidir.
2.3—Pratikte suyun ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim genelde 2 volt dolayındadır.
2.4--Kuramsal olarak, her metreküp oksijen için 2.8kW-saat elektrik enerjisi yeterli olmakla birlikte, yukarıda özetlenen nedenlerle pratikte kullanılan elektrik enerjisi miktarı bir metreküp hidrojen üretimi için 3.9-4.6 kW-saat arasında değişmektedir.
2.5--Buna göre elektroliz işleminin verimi %70 dolayında olmaktadır.Ancak, son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji sayesinde %90 verim elde edilmiştir.
2-- Hidrojenin Yakıt Olarak Kullanılması:
2.1--Hidrojen
ise, hemen her yerde kolaylıkla kullanılabilir. Evlerde, ısıtma amacı ile
kalorifer, fırın ve şofbenlerde doğal gaz yerine rahatlıkla
kullanılabilmektedir.
2.2--Yalnız hidrojenin doğal gaza göre daha az olan yoğunluğu nedeniyle, daha fazla miktarda hidrojenin kalorifer sistemindeki yakıcıya gelmesi gerekir.
2.3--Hidrojenin oksijenle birleşerek doğrudan yakıldığı bu sistemlerde, atık ürün suyun yanında, alevin yüksek sıcaklığa çıkmasından dolayı az bir miktar azot oksit oluşabilmektedir.
2.4--Katalitik
yüzeylerde alevsiz yakma mümkün olduğundan, bu tür ısıtıcılarda güvenli olarak
ve azot oksit oluşmasına yol açmadan da kullanılabilir.
3—Hidrojenin İçten yanmalı motorlarda kullanımı:
1--Benzin
veya mazot yerine hidrojen gazı kullanılması ile motorların yakma sisteminde
bazı değişiklikler gerekmektedir
2--
Hidrojen ve hava
karışımı, değişmez bir oranda silindirlerin giriş manifolduna verilmekte olup,
motor gücü hidrojen-hava karışım miktarlarını değiştiren bir valf vasıtasıyla ayarlanmaktadır.
3--Sistemde,
özellikle yüksek hızlarda düzgün çalışmayı sağlamak için, hidrojen hava
karışımına su buharı ilave edilmesi gerekebilir.
4--
Hidrojen yakıtlı
motorların, benzinli motorlara göre bir çok üstünlüğü bulunmaktadır. Bunlardan
biri, hidrojenli motorların yüksek verimi, diğeri, belki de en önemlisi, atık ürün
olarak sadece su buharı olmasıdır.
5--
Yanma sıcaklığını,
atık su buharının bir kısmını yeniden silindire vermek suretiyle düşürmek ve
böylece azot oksitlerin miktarını daha azalma olanağı vardır
4—Hidrojenin Taşıtlarda Depolanması:
1--taşıtlarda
temel sorun, hidrojenlerin güvenli olarak depolanmasıdır. Bu konuda yapılan
çalışmalarda, yine 3 ayrı yöntem geliştirilmiş olup, her birinin kendine göre üstünlükleri
bulunmaktadır.
1.1--Basınçlı
hidrojenin, çelik tüpler içine yerleştirerek taşınması, bugüne kadar
geliştirilen birçok deneme amaçlı hidrojenle çalışan taşıtta kullanılan yöntem
olmuştur.Burada görülen en büyük sorun çelik tüplerin kendi ağırlıklarıdır.
Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre (47kg) benzin almakta olup, bu
da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.
1.2--Hidrojeni
sıvı olarak depolamak ağırlık sorununu çözmekle birlikte, tank hacmi ve
maliyeti yükseltmektedir.
1.3--Diğer
bir sorun ise, hidrojenin gaz haline geçmesi ile oluşan kayıplar ve yakıt
ikmali zorluğudur.
1.4--Metal
hidritler hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın,
bunlarında kendi ağırlıkları ciddi sorun olarak ortaya çıkmaktadır.
1.5--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.
1.5.1—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.
1.6--Bütün
bu sorunlara karşın,hidrojenin özellikle, otobüs, kamyon ve traktör gibi ağır taşıtlarda
kullanımı gittikçe artmakta ve gelişen teknoloji ile birlikte sorunlar giderek
çözülmektedir.
1.7--Petrolün sınırlı ömrü ve artan çevre kirliliği, hidrojen yakıtı kullanımının yaygınlaşmasına yol açmaktadır.
Kaynak:
Mühendis ve Makina •
Cilt : 48 Sayı: 569--İçten Yanmalı Motorlarda Alternatif Yakıt Olarak Hidrojen
Kullanılması--Nafiz KAHRAMAN, Selahattin Orhan AKANSU-Yrd.Doç.Dr., Erciyes
Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü--Bilge
ALBAYRAK--Araş.Görv., Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine
Mühendisliği Bölümü