GİRİŞ

       Artan nüfus ile günümüzde enerji tüketimi her geçen gün artmakta ve artmaya devam etmekte bunun ile birlikte artan enerji ihtiyacını temin etmek her geçen gün daha da zor bir hal almaktadır. Bağımlısı olduğumuz fosil yakıtlarında bir gün biteceği gerçeğini göz önüne alarak bu en önemli soruna alternatif yakıtlar aranmaktadır.

      Fosil yakıtların en önemli sorunlarından biri geri dönüşümsüz olup yanma işlemi sonucu CO,CO2,SOx ve NOx gibi sera etkisi(CO2) oluşturan doğa düşmanı gazların açığa çıkarmasıdır. Önemi son yıllarda anlaşılan ve giderek yaptırımlar haline gelen doğa koruma yasaları ile açığa çıkan bu gazların miktarlarını belli sınırlar altında tutulması gerekmekte ve bu soruna da çözüm aranmaktadır. Günümüzde bu sorunları çözmeye en el elverişli yakıt tabi ki hidrojendir.

      Hidrojen, ana kaynağı olan suyun, elektrolizi ile elde edilip (daha farklı yöntemlerde mevcuttur örneğin kömürün özel işlemlerden geçirilmesiyle de elde edilebilmektedir ancak bu kaynakta geri dönüşümlü değil, geri dönüşümlü olan yöntemlerde vardır ), yanma işlemi sonucu tekrar ana kaynağına yani suya dönüşmektedir. Pistonlu İçten yanmalı motorlarda direkt yakıt olarak kullanıldığında yanma işlemi sonucu diğer yakıtlarda olduğu gibi CO,CO2 ve SOx gibi sera etkisi yapan gazlarının(CO2) oluşumu söz konusu değildir. Fakat açığa çıkan yüksek sıcaklık sonucu havada bulunan azot(N) ile oksijen(O) reaksiyona girip NOx bileşiklerini meydana getirmektedir. NOx oluşumunun temel sebebi yanma sonu oluşan yüksek sıcaklığın etkisiyle havada ki N2’nin O2 ile reaksiyona girerek NOx tipi bileşikler oluşturmasıdır. Bu bileşiklerin oluşumunu değişik tip önleme mekanizmaları ile azaltmak mümkündür.  Bu yöntemlerden biri SCR (yani üreyi) yanmış olan egzoz gazları üzerine püskürterek (katalitik konvertörde) NOx oluşum miktarı ciddi oranda azaltılmakta bir diğer yöntem ise EGR(Egzoz Gazı Resürkülasyonu ) ile yanma sonu gazlarının bir kısmı manifolda (bir başka değişle silinidir içine) gönderilir böylece yanma verimi düşürülerek maksimum yanma sonu sıcaklık azaltılmış olur. Yanma sonu sıcaklığının azaltılması NOx miktarının da azalması yönünde etki edecektir.

     Hidrojenin daha yaygın olarak kullanıma geçmesi için en önemli sorunlarının çözülmesi gerekmekte bu sorunların bir kaçı;

-Üretim maliyetini azaltmak

-Çok miktarda üretim

-Depolama vs…

GELECEĞİN YAKITI OLARAK HİDROJEN

Hidrojen evren de en çok var olan elementtir[1]. Bilinen tüm yakıtlar içerinde birim ağırlık başına (özgül enerji miktarı) depoladığı enerji miktarı en çok olan yakıttır[2]. Ancak yoğunluğu düşük olması nedeniyle birim enerji başına hacmi çok fazladır. Çevre koşulları altında hidrojen gazı doğa dostudur. Yoğunluğu 1.00794 gr/cm³  tür. Hidrojenin, diğer petrol türevi yakıtlarla rekabet edebilmesi için bazı önemli yakıt özelliklerine sahip olması gerekir. Bunlardan bazıları;

Motor yakıtlardan beklenen özellikler;

1) Kolay buharlaşabilme

2) Hava ile kolay karışabilme

3) Kolay tutuşabilme

4) Birim hacimde yüksek enerji depolayabilme

5) Emisyon değerinin düşük olması

6) Tutuşma aralığı geniş olmalıdır.

7) Vuruntu mukavemeti yüksek olmalı (Oktan sayısı)

8) Yanma sonu gazlarının ve yakıtın korozif olmaması

9) Parlama ve alevlenme sıcaklıkları yüksek olmalı

10) C/H oranın düşük olması

11) Laminer alev hızının yüksek olması

Bu özellikleri tek tek ele alalım;

1)Kolay buharlaşabilme:

Fosil yakıtların kaynama noktaları, hidrojene nazaran oldukça yüksektir[3].Sıvı hidrokarbon yakıtların buharlaşma yani uçuculuk özellikleri iyi değildir bu nedenle uçuculuğu arttırıcı katkı maddeleri eklenmekte olup bu katkı maddeleri yakıtın alt ısıl değeri düşürerek yakıt kalitesini azaltmaktadır. Yakıtların uçuculuk özellikleri iyi olması istenir. Çünkü; özellikle soğuk havalarda veya soğuk iklimlerde motorun ilk çalışması zordur bu süreci hızlandırmak, yakıt hava karışımının daha iyi gerçekleştirmek için yakıtın uçucu olması böylece ilk tutuşmanın daha kolay gerçekleşmesini sağlamaktır. Ayrıca motorun daha çabuk rejim sıcaklığına ulaşıp sürücünün istediğine sürüş moduna (örneğin sportif sürüş modu gibi…) çabuk uyum sağlamsı, böylece özgül yakıt sarfiyatının azalmasını  sağlar.

[1] )Evrenin %99.98 hidrojendir.

[2] )Petrol ve türevleri olan yakıtlardan en az ortalama olarak 1.33 kat daha fazla verimlidir.1 kg hidrojen 2,1 kg doğalgaz veya 2,8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir.

[3] )Benzinin kaynama noktası ortamla 30-200 , dizelin kaynama noktası 200-250  dir.Hidrojenin ise kaynama noktası oldukça düşük olup -2

• İs ve HC emisyonlarının azalması, motor performansının artmasını sağlar.
• Diğer yandan aşırı uçuculuk ise istenemez. Aşırı uçucu moleküller hava moleküllerinin yerini daha çok alır ve volümetrik verimi düşürür. Az uçucu olan yakıtta istenmez bunu nedeni ise sıvı fazda yakıt kalır ve emme supapının açılmasıyla beraber manifolddan yakıt+hava silindir içene alınır ve gaz fazına geçemeyen yakıt silindir cidarlarından karter de bulunan yağın içine sızarak yağın seyrelip vizkozitesini düşmesine neden olur, seyrelen yağ daha çabuk yüzeylerden kayar ve yağlama düzgün olarak gerçekleşemez ve motor yatak sarar. Bu yatak sarma olayları krank mili kol muyluları ile biyel arasında gerçekleşir ve piston segmanları ile cidarlar arasında pistonun aşırı sürtünmeden dolayı ısınıp genişlemesine neden olur ve görevini yerine getiremez en sonunda cidarla piston birbirine kaynar. Yağ filmi[4] biyele gelen yükü veya pistona gelen yükleri taşıyan film tabakasıdır bu tabaka oluşmaz ise motor yatak sarar.

Buhar basınç ölçme yöntemi Reid buhar basıncı ölçme yöntemiyle yapılıp yakıtların Reid buhar basıncının 0.7-0.8 bar arasında olması arzu edilir. Hidrojenin kaynama noktası[5] oldukça düşük olması nedeniyle buharlaşma çok fazla meydana gelmekte ve bunun sonucu olarak da motorda volümetrik verimin azalmasına neden olmakta. Volümetrik verimin motor çıkış gücüne direk etki eden parametredir. Bundan dolayı motorda direkt güç düşüşüne sebebiyet vermektedir.

      Yakıtın kolay buharlaşmasının avantajı yakıt+hava karışımının bir biriyle daha iyi karışmasına olanak sağlar, yakıt+hava karışımı homojen olarak dağılmaması silindir içinde veya manifold da fakir bölgelerin fakir, zengin bölgelerin ise zengin kalmasına neden olur. Fakir bölgeler de hava fazlalığı oluşur ve bu hava kullanılamadığından motorun volümetrik verimini düşürür. Diğer yandan zengin bölgelerin havadan yoksun kalmasıyla boğulma olur ayrıca yanmayan çiğ yakıt egzoz işlemiyle dışarı atılır buda HC karbon emisyonlarını[6] arttır. Manifold da homojen olarak karışımın meydana gelmemesi ise bir başka sorun olan motorun dengesiz çalışması problemini tetikler her silindire H/Y ayını oranda gitmez ve silindirlerin dengesiz alışmasına neden olur. İçten yanmalı hidrojen yakıtlı motorların hidrojenin havayla homojen karışması diğer sıvı hidrokarbonlu yakıtlara (Benzin, Dizel) göre daha dengeli çalışmasını sağlayan özelliktir.

2) Hava ile kolay karışabilme:

Bu özelliği yukarıda da bahsettiğimiz gibi kolay buharlaşabilme özelliğinin sonucu olup bu özellikte motor verimini artırır.

3)  Kolay tutuşabilme:

Sıvı hidrokarbon yakıtların havada ateşlenme özelliği hidrojenden daha düşük olup[7] bu özellik bakımından hidrojen dezavantajlı görünse de aslında avantajlı konumdadır çünkü bu istenen özelliğin çok düşük olması vuruntu[8] olma olasılığını artırmaktadır. Vuruntu motorun sıkıştırma oranını belirleyen en önemli konstüriktif parametredir. Sıkıştırma oranı artırılarak motor verimini direkt olarak artırabiliriz ki bizi bu önemli parametrenin olan sıkıştırma oranının artırılmasında sınırlayan en önemli olay vuruntudur.

    Hidrojen yakıt olarak kıvılcım ateşlemeli(Buji ateşlemeli) motorlara yakıt olarak kullanmak daha elverişli ve ideal Otto çevrimine daha uygundur. Bu motorlarda verim formülü;

  Ƞ=1- r^(1-k) sıkıştırma oranı olup grafikten de anlaşılacağı üzere r arttıkça verim artar.

[4] Piston-Silindir arasındaki yağ filmi maksimum 10µm kalınlığındadır.

[5] )Hidrojenin kaynama sıcaklığı -259ºC’dir.

[6] ) HC emisyonları %50 oranında yakılamayan veya yanmamış çiğ yakıttan kaynaklanmaktadır. (bakınız: Crevice Volume)

[7] )Havada ateşlenme sıcaklığı Benzin için 228-471ºC’ dir. Hidrojende ise 585ºC’dir.

[8] )Vuruntu: Krank mili üst ölü noktaya son gaz bölgesine geldiğinde sıkıştırma işlemi sonucu yakıtın kendi kendine tutuşması ve buji çevresinde oluşan alev cephesine karşı ilerlemesi sonucu oluşan bir olaydır.

4) Birim Hacimde Yüksek Enerji Depolayabilme:

Hidrojen atmosfer şartları altında gaz olup sıvılaşma sıcaklığının oldukça düşük olması nedeniyle sıvı olarak depolamak oldukça maliyetlidir. Atmosfer şartları altında ortalama sıcaklığın 25   olduğu bir günde sıcaklık farkı yaklaşık olarak 300  olması nedeniyle sisteme ısı transferi miktarı oldukça yüksek olmaktadır. Yakıt tankının süper yalıtım malzemeleri ile kaplanması durumunda ise maliyeti oldukça artırmaktadır. Hidrojen uzun sure düşük sıcaklıklarda tutulamadığı ve sistemde kaçak miktarı önemli seviyede olması nedeniyle hidrojeni sıvı olarak depolamak önemli bir sorundur. Yaz aylarında ve çöl ikliminin etkili olduğu Arap yarım adası ve ekvatora yakın olan ülkelerde bu sorun daha da artmakla birlikte bu yakıtı ve motoru kullanan araç markalarının önemli bir pazar payından vazgeçmesi gerekir. Bu durumu hiçbir marka kabul edemez. Bu nedenle bu soruna değişik çözümler sunulmuştur. Bunlardan bazıları;

a)Hidrojeni Bor ile Birleştirip Depolama:

Hidrojen bor ile bileşme reaksiyonu ekzotermiktir olup depolanan bu bileşikteki hidrojeni saf olarak elde etmek gerekir. Hidrojeni tekrar saf olarak elde etmek için ise enerji vermek yani reaksiyonu ters çevirip ısı enerjisi vermekle tekrar hidrojen elde edilebilmektedir. Bu ısı enerjisinin nerden alınacağı ise mevcut sistemler de çözülmüş ve sıcak egzoz gazlarının hidrojen bromür bileşiği üzerinden geçirilerek hidrojenin bordan ayrılması sağlanmaktadır.

5) Birim hacim başına depoladığı kullanılabilir enerji miktarı:

Bu özelliği molekül ağırlığının düşük olmasından kaynaklanır. Düşük yoğunluğa sahiptir. Bu özellik istenmez araçlarda benzin depoları ortalama 60-65 lt olmaktadır. Bir depo yakıt ile olabildiğince çok mesafe almayı arzularız. Böylece yakıt deposunun boyutları küçültüle bilir ve yer sorunu çözülmüş olur aşağıda bazı yakıtlar için aynı mesafeyi kat edebilmek için gerekli yakıt miktarları verilmiştir.

Bu tabloda dikkat edilirse hacimsel olarak en büyük depo H2 için gereklidir. Dikkat çeken bir diğer husus ise kütlesel enerji içeriği en yüksek olan hidrojen olmasına rağmen depolamak için büyük bir kütleye ihtiyaç vardır. En az bir otomobil kadar ihtiyaç vardır. Bu da H2’nin çekiciliğini zayıflatır.

6) Emisyon değerlerinin düşük olması:

Hidrojen emisyon açısından en zararsız neredeyse sıfır emisyon değerine sahiptir yapısında C,S elementleri içermediğinden CO,CO2,SOx gibi emisyonları oluşmaz. Hidrojenin silindir içinde yakılması sonucu havada bulunan ve inert olarak değerlendirilen fakat yüksek sıcaklık durumlarında O2 ile tepkimeye girerek NOx emisyonlarına sebep olan N2(Azot) gazı nedeniyle NOx emisyonları oluşur. Hidrojenin yanma sonu sıcaklığı diğer tüm yakıtlardan daha yüksektir. Azot bu sıcaklığın etkisiyle ortamdan ısı çeker ve oksijen ile reaksiyona girer. Isıl parçalanma denen bu olay hidrojeni yakıt olarak kullanan diğer motorlarda daha etkilidir ve bu durum termik verimi önemli ölçüde düşürür ve teorik verimden uzaklaştırır. Aşağıdaki grafikten de anlaşılacağı üzere c  bölgesin de teorik durumdan uzaklaştıran en önemli sebep ısıl parçalanmadır.

Bugün NOx emisyonlarını azaltmak için değişik yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar SCR veya EGR(Egzoz Gazı Resürkülasyonu) gibi uygulamalar ile istenilen seviyelere indirgenebilir.

7) Vuruntu mukavemeti yüksek olmalı (Oktan sayısı):

Öncelikle vuruntu mukavemetini anlatmadan önce vuruntudan bahsetmek gerek.

Peki nedir vuruntu?

Vuruntu buji ateşlemeli (Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda görülen vuruntu farklı olup burada ona değinilmeyecektir) motorlarda görülen ve motor çalışma esnasında istenmeyen bir olaydır. Silindir içindeki yakıt hava karışımının bir şekilde kendi kendine tutuşup piston üst ölü noktaya gelirken yüksek karşı basınç oluşuma neden olan ve motorun güç kaybetmesine yakıttan maksimum seviyede enerji almamızı engelleyen olaydır.

Bir başka ifadeyle;

Şekilden de anlaşılacağı üzere buji ateşleme yapmış ve oluşan bu alev cephesi silindir içinde ilerlerken yakıt+hava karışımının bir nedenden ötürü tutuşup bujide oluşan alev cephesine zıt yönde ilerleyerek çakışma noktasında girişim meydana getirip silindir içi basıncın aşırı artık aşırı düşmesine neden olur. Bu durumda pistona tablasına aşırı zarar vererek eritebilir hatta delinebilir. Bu nedenden dolayı vuruntu istenmez.

Peki vuruntu mukavemeti nasıl ölçülür?

Vuruntu mukavemeti kısaca CFR[9] olarak adlandırılan sıkıştırma oranı değiştirilebilen motor yardımıyla deneysel olarak tespit edilmektedir. Bu deney şu şekilde yapılmaktadır;

Denenecek olan yakıtı bir numaralı karbüratörden beslenerek yakıt alan CFR motoru çalıştırılır ve çalışma esnasında sıkıştırma oranı sürekli değiştirilerek vuruntu metre ölçeğinin 50 taksimatı gösterince bu sıkıştırma oranında motor sabitlenir ve çalışma durumu sabitlenir. Bu esnada 2 numaralı karbüratörden motora n-heptan i-oktan karışımı ile motor beslenmeye başlanır ve vuruntu metre ölçeğinin tekrar 50 taksimata geldiği durumda ki n-heptani-oktan karışımının hacimsel olarak içeriği i-oktan oranına verilen isim olup mutlak sınırı yoktur.

Vuruntu ve vuruntu mukavemeti açıklandıktan sonra sıvı HC(Hidro karbon) yakıtlarla Hidrojeni kıyaslamak daha kolay olacaktır. Sıvı HC(özellikle Benzin) katıksız halde vuruntu mukavemetleri H2 göre oldukça düşüktür. Örneğin benzinin vuruntu mukavemet numarası 85 olup bu değer H2’e göre oldukça düşüktür. Benzinin oktan sayısını artırmak için çeşitli katkı maddeleri eklenir bunlar;

-Kurşun tetra etil

-Kurşun tetra metil

-Demir penta karbonil

-Anilin

-Etanol(Etil Alkol)

-Metanol(Metil Alkol)

-Fenol

-Metil eter

gibi katkı maddeleridir. Bunlardan en önemlisi ve en çok kullanılanı Kurşun tetra-etil  olup burada sadece isminden bahsedilecektir.

H2 oktan sayısı 140 olup katkısız benzinin yaklaşık 1.65 katıdır. Bu durumda üstünlük gene hidrojendedir.

8) Yanma sonu gazlarının ve/veya yakıtın korozif olmaması:

Bu özellik daha çok sıvı hidrokarbon yakıtlarda görülür ve temelde iki nedeni vardır. Sıvı yakıtlar az da olsa yapılarında su bulundururlar ve yanma sonu oluşan SOx, NOx gibi yapılar sudaki H2 ile birleşerek H2SO4(Sülfirik asit),HNO3(Nitrik asit veya Kezzap) gibi aşırı aşındırıcı maddeler oluşturur ve buda silindir cidarlarına, pistonla tablasına, piston segmanına emme ve egzoz (EGR ‘li sistemlerde özellikle daha tehlikelidir) supaplarına zarar vermekte ve belli süre sonra işlevlerini yerine getirmesine engel olmaktadır. Örneğin piston segmanlarının aşınma sonucu motorun kompresyon kayıplarının artacağı yakıt+hava karışımının karter bölmesine daha çok kaçmasına motordan alınan gücün azalmasına yakıt israfına (günümüz motorlarında bu sorun çözülmüştür) HC emisyonlarını arttırmaya kadar bir problemler dizisi beraberinde getirmekte. Keza supaplarında aşınması beraberinde problemler dizisini getirmektedir.

Hidrojen yakıtının su, emme veya tutma özelliği olmayıp sadece dışarıdan alınan hava ile beraberinde nem de içeri alınmış olacaktır fakat yakıt olarak H2 yapısında S,N gibi bileşikler olmadığından aşındırıcı bileşiklerin oluşma olasılığı yoktur. Havadaki N ile NOx oluşumu söz konusudur fakat sıvı HC yakıtlara göre miktarı azdır ayrıca H2SO4 oluşmaması da avantajdır.

9) Parlama ve alevlenme sıcaklıkları yüksek olmalı:

Parlama noktasını söyle izah edebiliriz; yakıtın bulunduğu kabın altından sürekli olarak yakıt ısıtılmaya başlanır ve yakıt kabının üst kısmından ateş kaynağı sürekli olarak yakılır ve buharlaşan yakıt buharının tutuştuğu sıcaklığa parlama noktası, yakıtın bulunduğu kabında alevlenmesine de alevlenme sıcaklığı denir. Başka bir ifadeyle; sıvı bir yakıtın yüzeye yakın havayla ateş alabilir bir karışım oluşturmaya yetecek buharlar çıkardığı minimum sıcaklık değeridir. Bu Yakıtların parlama noktası yüksek olması arzu edilir çünkü yakıt sisteminde herhangi bir kaçak olması durumunda havayla karışıp alevlenmesi istenmez bu durum önemli bir güvenlik problemini teşkil eder. Örneği benzinin parlama sıcaklığı 25 ’dir. Bu sıcaklık herhangi bir yaz günü sıcaklığının oldukça altında bir sıcaklık değeridir ve yakıt sisteminde ki herhangi bir nedenden dolayı kaçak oluşur ve yakıt hava karışır ise parlayıp alev alma olasılığı çok yüksektir. Bazı benzinli araçların seyir halindeyken kendi kendine aracın yanmaya başlamasının ana sebeplerindendir. Bu bakımdan hidrojen daha güvenlidir çünkü parlama noktası benzinden yüksektir.

10) C/H oranın düşük olması:

Yakıtlarda karbon is(C),CO ve HC gibi kirletici egzoz emisyonlarının kaynağını karbon teşkil eder bu nedenle bu oranın düşük olması istenir. Bu değer sıvı HC’ lardan olan benzinde en yüksek değerde olduğundan benzinli(Buji ateşlemeli), motorlarda HC,is, karbonmonoksit, karbondioksit salınıma en fazla olan yakıttır. Bu değer kütlesel baz da yüzde oranlar cinsinde yine sıvı HC yakıtlardan olan dizel(teorik olarak ) olan yakıtta maksimum seviyededir. Bu durumda ise kül ve partikül emisyonlarını artırıcı yönde etkiler ve en çok kül ve partikül emisyonuna sahip yakıt dizeldir.

Oysa hidrojende bu gibi bir problem olmayı çevrecidir.

11) Laminer Alev Hızının Yüksek Olması:

Bu hız değeri yüksek olması durumunda teorik çevrime yaklaşılır bu değer hidrojende, diğer HC yakıtlarına göre daha yüksektir.

Sonuç olarak hidrojenin bazı noktalarda üstünlüğü nedeniyle kullanımı gerekli ve bazı noktalarda da zayıflığı nedeniyle geliştirilemeye açık potansiyel bir yakıttır.

[9] CFR (Coordinating Fuel Research) Ayrıntılı bilgi için