Hidrojen Enerjisinin Yakıt Olarak Kullanılması Hakkında Bilgi

'Trafik Bilgisi & Teknik Bilgiler' forumunda SeLeN tarafından 28 Aralık 2010 tarihinde açılan konu

  1. SeLeN

    SeLeN Site Yetkilisi Editör

    Sponsorlu Bağlantılar
    Hidrojen Enerjisinin Yakıt Olarak Kullanılması Hakkında Bilgi konusu hidrojen nedir - hidrojen enerjisinin kullanım alanları - hidrojenin araçlarda yakıt olarak kullanımı - hidrojen üretimi - hidrojen kullanımında karşılaşılan problemler


    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.

    Hidrojen Hakkında Genel Bilgiler

    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.

    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)

    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.

    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).


    alıntı
     
  2. ustat

    ustat Yeni Üye

    arkadaşlar konu ile ilgili resimler yokmu....?
     
  3. SeLeN

    SeLeN Site Yetkilisi Editör

    Konu ile ilgili resim olarak bunu bulabildim

    [​IMG]
     

Bu Sayfayı Paylaş