YAKIT PİLLERİNİN TAŞITLARDA KULLANIMI VE HİDROMOBİL PROJESİ USİNG FUEL CELLS IN THE VEHICLES AND HYDROMOBİL PROJECT

Transkript

1 YAKIT PİLLERİNİN TAŞITLARDA KULLANIMI VE HİDROMOBİL PROJESİ Salim SOLMAZ 1, Anıl Can TÜRKMEN 2, Prof. Dr. Halil İbrahim SARAÇ 3, Yrd. Dr. Cenk ÇELİK 4, 1 Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü 41380, Kocaeli, 1 salim.solmaz@hotmail.com, 2 anilcan.turkmen@hotmail.com, 3 sarac@kocaeli.edu.tr, 4 cenkcelik@kocaeli.edu.tr Özet: Yakıt pilleri temiz, verimli ve yakıt türüne karşı esnek enerji dönüştürücülerdir. Hidrojence zengin herhangi bir madde potansiyel bir yakıt kaynağı olabilir. Olasılıklar; doğal gaz, petrol türevleri, sıvı propan ve gazlaştırılmış kömür gibi fosil kökenli yakıtlar veya etanol, metanol ya da hidrojen gibi yenilebilir yakıtlar olabilir. Başlangıçta uzay araçlarını güçlendirmek için geliştirilen yakıt pilleri, temiz enerji üretimi ve yüksek verimleri ile enerji tasarrufu sağlayan bir güç kaynağı olarak, gelecekteki otomotiv kullanımı için ümit vermektedir. Benzin motorlarının 2-3 katı olan %60 ın üzerindeki termik verimlerine ek olarak, düşük gürültü düzeyi, düşük egzoz emisyonları ve düşük ısı atma talebi bakımından da avantajlıdır. Sistemin rekabet edebilmesi için, parçaların ucuz, imalat yöntemlerinin kolay, yakıt depolama sistemlerinin derli toplu ve ucuz olması gerekmektedir. Yakıt pillerinin temiz taşıt teknolojisinde devrim yapacağı iddia edilmektedir. Anahtar Kelimeler: Yakıt pili taşıt USİNG FUEL CELLS IN THE VEHICLES AND HYDROMOBİL PROJECT Abstract: Fuel cells are clean, efficient and fuel flexible energy converters.any hydrogen-rich material can serve as a potential fuel source for this devoloping technology.possibilities include fossil-derived fuels, such as natural gas,petroleum distillates,liquid propane and gasified coal or renewable fuels,such as ethanol,methanol or hydrogen.originally devoloped to power space craft,with their cleaner and efficient power production,fuel cells now hold the promise of wider applications in automotive area.the energy conversion efficiency of the fual cell system is over 60 percent,two to three times that of gasoline engines.other advantages are low noise,low atmospheric emissions and low heat rejection requirements.low-cost components,low-cost high-volume manufacturing methods, lightweight,compact and affordable hydrogen storage system are necessary for the system to be competitive Fuel cell electric vehicle revolutionizes clean vehicle technolog. Keywords: Fuel cell vehicle GİRİŞ Dünyadaki enerji gereksinimin %80 i fosil yakıtlardan (doğalgaz, petrol, kömür) karşılanmaktadır. Ancak fosil yakıtların çevreye vermiş olduğu zarar ve fosil yakıtların aşırı kullanımı sonucun rezervlerinin giderek azalması sebebiyle bilim adamları doğada bol miktarda bulunun ve çevreye olan alternatif enerji kaynakları üzerine araştırma yapmaya başlamıştır (TÜBİTAK, 2004). Yapılan çalışmalar evrende bol miktarda bulunan hidrojenin, bir yakıt için gerekli özelliklerinin birçoğuna sahip olduğunu göstermekdir. Hidrojen diğer yakıt türlerine kıyasla daha verimli yanma özelliğine sahiptir. Hidrojen, karbon ve sülfür içermediği için yanma ürünleri arasında CO, CO 2 ve HC yoktur. Teorik olarak hidrojen yandığı zaman sadece su oluşur. Bilinen tüm konvansiyonel yakıtlar içerisinde hidrojen, birim kütle başına en yüksek enerjiye

2 sahiptir. Sıvı hidrojenin birim kütlesinin ısıl değeri 141,9 MJ/KG olup, petrolden 3.2 kat daha fazladır (Ersöz vd, 2009). Hidrojenin diğer yakıtlardan önemli bir farkı, güneş veya rüzgar enerjisi yardımıyla sudan üretilebilmesi ve kullanıldığında tekrar suya dönüşebilmesidir. Yapılan araştırmalar sonucunda, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan yaklaşık 3 kat pahalı olduğu ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımının, hidrojen üretiminde maliyeti düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı olduğu ortaya çıkmıştır (Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, 2012). Hidrojenin depolanması konusu çok geniş ve çeşitli araştırmalara uygundur. Hala büyük miktarda enerji depolamak için uygun bir yöntem bulunamamış olması, hidrojen teknolojilerine yönelik araştırmaları oldukça cazip kılmaktadır. En iyi bilinen depolama yöntemleri arasında; sıkıştırılmış gaz halinde, sıvı halde, katı halde (hidrokarbon, metalhidrür, karbonnanotoplar) depolama sayılabilir. Günümüzde kullanılan en yaygın depolama yöntemi hidrojenin katı halde metal hidrit tanklarda depolanmasıdır (Zhang, 2004). Özellikle geçtiğimiz yılda hidrojen üzerine yapılan çalışmalar standart otomobillerin dönüştürülmesi içindir. Hidrojenin otomobillerde kullanımı üretim ve depolama gibi maliyeti direkt olarak etkileyen koşulların optimum koşullara ulaştırılmasından sonra daha da artacaktır (Gazi Üniversitesi, 2012). Yakıt pilleri ise, sisteme dışarıdan sağlanan yakıtın ve elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan oksitleyicinin kimyasal enerjisini, doğrudan elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye çeviren güç üretim elemanlarıdır. Temiz olmaları, çevreye zarar vermemeleri ve yüksek verimde enerji dönüşümü sağlayabilmeleri sahip oldukları teknolojinin en önemli avantajlarıdır. dönüştüren güç üretim elemanlarıdır. Yakıt ve oksitleyicinin kimyasal enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda enerjiye çevirir. Termik makinalarda, Carnot çevirimine göre verim ƞ c=1-t/t 0 dır. (1) Yani işlem sıcaklığı arttıkça verim artmaktadır. Fakat bu sıcaklık, malzeme dayanım limitleri ile sınırlandırılmıştır. Yakıt pillerinde ise bu sınırlama yoktur. Yakıt pili genel verimi ƞ fc=δg/δh (2) şeklinde ifade edilir (Temelci, 2007). Temel olarak yakıt pili, anot, katot ve elektrolit kısımlarından oluşur. Ayrıca reaksiyonu hızlandırmak için yakıt pili tipine göre farklı katalizörler kullanılır. Sistemde, anoda gönderilen yakıttan ayrılan elektronlar, bir dış devre üzerinden katoda doğru devam ederler. Elektronları ayrılan yakıt ise iyonlar halinde elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder. Burada iyonlar yakıttan ayrılan elektronlar ve hava ile reaksiyona girerek devreyi tamamlarlar. Böylelikle dış devrede dolaştırılan elektronların bulunduğu akım kolunda elektrik akımı oluşur. Yakıt pilinin tipine göre sistemde, farklı katalizörler kullanılır. Örneğin; taşıt uygulamalarında daha çok tercih edilen PEM yakıt pilinde, elektrolidin her iki yüzeyinde de preslenmiş olarak, genellikle platinyum malzemeden yapılmış katalizör kullanılır. Bu elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürün ise sadece su ve ısıdır (yakıt olarak hidrojen kullanılması halinde). Bu sistemi pilden ayıran en önemli fark ise, güç üretimi için şarja gerek olmaması ve yakıt sağlandıkça güç üretiminin devam ediyor olmasıdır (Oral, 2004). Hidromobil projesi için en ideal yakıt pili tipi olarak, proton değişim membranlı (PEM) yakıt pili seçilebilir. PEM yakıt pilleri ince, geçirgen bir polimer elektrolit ile çalışır (Şekil 1). PEM yakıt pilleri düşük sıcaklıklarda çalışabilir. HİDROJEN YAKIT PİLLİ MOTORLAR Yakıt pili enerji üretiminde kullanılan verimli, sessiz, çevre ile uyumlu ve elektrokimyasal prensipte yakıt enerjisini elektrik enerjisine

3 Şekil 2. 1.tip drivetrain Şekil 1. Yakıt pili elemanları Genel olarak yakıt pillerinin diğer güç üretim sistemlerine göre avantaj ve dezavantajları; Avantajları: Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu, geniş yakıt yelpazesi, düşük emisyon, yüksek güvenilirlik, kolay kurulun, hızlı enerji dönüşüm, düşük bakım maliyeti, düşük gürültü seviyesi. Şekil tip drivetrain Dezavantajları: Yüksek maliyet, özellikle taşıt uygulamaları için avantaj sağlayan dağıtım ağının kurulu olmaması ve hidrojenin depolanma sorunu olarak sıralanabilir. Yakıt pillerinin genel yapısı hemen hemen aynıdır, esas olarak kullanılan elektrolide göre sınıflandırılırlar. PEM yakıt pilleri düşük sıcaklık seviyesinde çalışma (80 C), çabuk cevap hızı, yüksek güç yoğunluğu, komponent yapı ve optimum verim (%40-50) gibi avantajlarıyla diğer yakıt pillerinden üstündür(karaosmanoğlu, 2003). Hidromobil konsept aracın tasarımında PEM yakıt pilinin bu avantajları göz önünde bulundurulmuştur. HİDROMOBİL KONSEPTİ VE SİSTEM TASARIMI Hidrojen yakıtlı ya da standart bir taşıt yapmak için bilinmesi gereken belli başlı konular ve bilgiler olması gerekir. Bu konular aerodinamik, yakıt kullanımı, sistem tasarımı, kullanılacak motor tipi ve prensipleri, depolama üniteleri, olarak sayılabilir. Sistem tasarımı, motor tipi, yakıt depolama üniteleri dışındaki konular bu makalenin konusu dışındadır. Şekil 4. 3.tip drivetrain 1.tip drivetrainde (Şekil 2) motor ihtiyacı olan gücü direkt bataryadan alır. Bu sistemin avantajı, sistem öngörülmeyen şekilde zorlanma akımından daha yüksek bir akıma gereksinim duyması halinde bataryadan karşılayabilir. Bataryasız bir sistemde bu tarz ekstrem durumlarda yakıt pilinin hasara uğrama riski vardır. Bu avantajına karşın batarya aynı anda sisteme güç sağlayıp yakıt pili tarafından şarj edildiğinden dolayı ömrü oldukça kısalmaktadır. 2.tip drivetrainde (Şekil 3) batarya ve yakıt pili paralel bağlanır ve bu durumda araç hareket etmezken yakıt pilinin çalışma süresi boyunca bataryanın şarjda kalması sağlanır. Araç hareket halindeyken ise motor gücün bir bölümünü yakıt pilinden bir bölümünü de bataryadan çeker. Bu durum bataryanın daha uzun ömürlü olmasını

4 sağlamasına karşın, çekilebilecek yüksek akımın yakıt pilini hasara uğratmasına sebep olur. 3.tip drivetrainde (Şekil 4) 2.drivetrain sistemi kullanılmış ancak ondan farklı olarak regülatör ve güç dağıtım ünitesi eklenerek daha verimli hale getirilmiştir. 3.tip drivetrainin avantajları; Güç dağıtım ünitesi sayesinde bataryadan yalnızca gerektiğinde güç çekildiği için daha uzun ömürlü olur. Frenleme anında motorun üreteceği güç, güç dağıtım ünitesi sayesinde bataryanın şarj edilmesinde kullanılır. Böylece enerji tasarrufu sağlanarak sistem daha verimli bir hale getirilir. Regülatör kullanımı sayesinde yakıt pilinden gelen akımdaki düzensizlik giderilir. Böylece motor sürücüsü, dolayısıyla motor kararlı ve verimli çalışır. Bu drivetrainin diğerlerine göre maliyetli olması dezavantaj olarak görülebilir. Öncelikle sistem tasarımında kullanılacak yakıtın hidrojen oluşu ve motoru tahrik eden enerjinin ise yakıt pillerinden alınan elektrik enerjisi olduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Sistem açık bir çevrimdir. Depolama ünitesi olarak kullanılan metalhidrit yakıt tanklarından alının hidrojenin PEM cinsi yakıt pilinden geçirilerek elektrik elde edilmektedir. Yan ürün olarakta sadece su açığa çıkmaktadır. Yakıt pilin çıkışına ani akım yükselmelerinden yakıt pilini koruması ve enerjinin depo edilmesi çin paralel bağlı bir batarya grubu bağlanmıştır. Araç konsept bir araç olduğundan ve verimin olabildiğince yüksek tutulması amaçlandığından motor olarak doğru akım motoru seçilmiştir. Böylece AC/DC dönüştürücü masrafından ve verim kaybından kaçınılmıştır. DC motorun sürülebilmesi için batarya grubu ile motor arasına sürücü devresi koyulmalıdır (Şekil 5). Şekil 5. Bir yakıt pilli aracın bileşenleri Aracın tasarımı yapılırken belli matematiksel hesaplar yapmak gerekmektedir. Bu hesaplarda önceliği aracın tahrik kısmına yani elektrik motorunun güç hesaplarına vermek gerekir. Yakıt pili ve batarya grubu bu hesapların ardından seçilmelidir. Aracın harekete geçebilmesi için yuvarlanma direncini aşması gerekir (Özdalyan, 2011). R Ro = m.g.f Ro (3) Bunun yanında harekete geçtikten sonra ortamda herhangi bir dış kuvvet (rüzgar gibi) olmasa dahi aracın kendi hızından kaynaklanan karşıt kuvvetlere karşı da hareketine devam etmesi gereklidir (Yükselen, 2011). R L = 0,0386.ρ ortam.c w.a.(v mak) 2 (5) Araç konsept bir araç olduğundan diğer etkiyen kuvvetler hesaba katılmamıştır Demircioğlu, 2007). Toplam kuvvet hesaplanırsa: F t = R Ro+ R L (7) Buradan gücü hesaplarsak: P m = F t.v mak (8) Kullanılacak tekerleğin boyutları hub motorun el verdiği ölçüde olmalıdır. Bu sebepten piyasa da var olan ve standartlar çerçevesinde uygun çapa sahip bir tekerlek kullanılmalıdır. Buradan erişilmesi istenen hıza göre gerekli hesaplar yapılırsa devir sayısına kolayca ulaşılabilir. RPM = v(km h ).1000 (Devir/dk) (9) 2ᴨr(m).60 Gerekli kuvvetlerin hesaplaması yapıldıktan sonra motorun torkunu ve devrini hesaplamak gerekmektedir. Kullanılan motor hub motor (tekerlek içine monte edilen) olduğundan transmisyon verimi söz konusu değildir. Dolayısıyla moment hesabı;

5 M m = P(hp) n( devir dk )Nm (10) Motorun voltajı yakıt pilinin çıkış voltajıyla aynı seçilmesi kayıpların ve fazladan masrafların önüne geçmiştir. Buradan gerekli akım değeri ve batarya grubunun motoru tahrik edebileceği süre, dolayısıyla aracın menzili hesaplanabilir. P t = I.V (11) t = C I, (12) Batarya grubu hesaplanan değere en yakın şekilde 48V 100Ah olarak seçilmiştir. Böylece yakıt pili devreden çıksa dahi ( örn: Depodaki hidrojenin tükenmesi durumunda) araç 1 saat süre boyunca seyahat edebilir. Aracın tek şarj-deşarj süresince, maksimum hızda, menzili; X = v mak.t, (13) Aracın dış dizaynı yapılırken aerodinamik ilkeler de göz önünde bulundurulmalıdır. Deneysel olarak bilinen en verimli aerodinamik model damla modelidir. Aracın dizaynı bu model göz önünde bulundurularak yapılmaya çalışılmıştır. Tüm bu nedenlerle, hidrojen yakıtlı motorlar ve yakıt pili teknolojisine yönelik teorik ve pratik çalışmaların ülkemizde de yaygınlaşması, teknoloji üretiminde pay sahibi olmak ve gelişmelere seyirci kalmamak için gerekli görülmektedir. KAYNAKÇA Demircioğlu T. K., Bir Araç Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ersöz A., İlhan N., Akar E., Hidrojen Üretim Teknolojileri, Tübitak MAM Enerji Enstitüsü, Karaosmanoğlu F., Çetinkaya M., Yakıt Pilleri, MMO Tesisat Mühendisliği Dergisi, Mayıs-Haziran Sayısı, Oral E., Çelik V., Hidrojen Yakıtlı Motor Teknolojisi, MMO Mühendis ve Makina Dergisi, Cilt: 46, Sayı: 540, Özdalyan B., Motorlu Taşıtlar Mekaniği, Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, SONUÇ Başlangıçta uzay araçlarını güçlendirmek için geliştirilen yakıt pilleri, temiz, gürültüsüz ve yüksek verimli bir güç kaynağı olarak, gelecekteki otomotiv kullanımı için ümit vermektedir. Yakıt pili sistemlerin geleneksel sistemlerle rekabet edebilmesi için; -Düşük fiyatlı sistem elemanlarının geliştirilmesi için imalat teknolojisinin geliştirilmesi, -Hafif, derli toplu ve ekonomik yakıt depolama sistem teknolojilerinin geliştirilmesi gibi problemlerin çözülmesi gerekmektedir. Üstün özellikleriyle hidrojenin diğer yakıt türlerine alternatif olabileceği artık pek çok bilim adamı ve politikacı tarafından dile getirilmektedir. Hidrojen enerjisinin kısa vadede ekonomik olmayacağı bellidir, ancak uzun vadede ve küresel çevre sorunlarını düşünürsek hidrojenin yakıt olarak kullanılması diğer yakıtlara göre çok daha avantajlıdır. Temelci F. E, Taşıtlarda Alternatif Yakıt Olarak Hidrojen Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, TÜBİTAK Enerji ve Çevre Teknolojileri Strateji Grubu, Enerji ve Çevre Teknolojileri Stratejisi Raporu, son erişim: Temmuz son erişim: Mayıs Yükselen M. A., Aerodinamik Kuvvetler ve Momentler, İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Zhang J., Fisher T. S., A Review of Heat Transfer Issues in Hydrogen Storage Technologies, Journal of Heat Transfer, 127, p , 2004.