Motorlu Taşıtlardan Kaynaklanan Sera Gazı Emisyonları ve Önleme Yöntemleri

Transkript

1 Motorlu Taşıtlardan Kaynaklanan Sera Gazı Emisyonları ve Önleme Yöntemleri İ. Mutlu, H. Bayrakçeken, İ. Yavuz *, E. Çengelci, M. Kunt Afyon Kocatepe Üniversitesi, Türkiye, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Türkiye, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Türkiye, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Türkiye, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Türkiye, Özet Teknolojideki gelişmeler sonucunda, insan davranışlarındaki özellikle enerji tüketimdeki artış ile birlikte iklim değişikliği kaçınılmaz hale gelmektedir. İklim değişikliğinin en temel sebebi sera gazlarıdır. Sera gazı salınımlarının önemli bir bölümü enerji üretimi ve kullanımıyla ilişkilidir. Bu sebeple yeni teknolojiler, fosil yakıt çevrimi verimliliğinin iyileştirilmesine, enerji tasarrufunun ve verimliliğinin arttırılmasına yöneliktir. Sera gazı emisyonlarında büyük bir payda taşıtlardır. Her geçen gün taşıt imalatlarında emisyon kriterleri en aza indirilmeye çalışılsa da nüfus artışı sebebiyle trafikteki araç sayısı çoğalmaktadır. Bu çalışmada motorlu taşıtlardan kaynaklanan sera gazı emisyonları, çevresel etkileri ve önleme yöntemleri üzerine detaylı bir literatür taraması yapılarak incelenmiştir. Anahtar Kelimeler Sera gazı, çevre, emisyon, taşıt 1. GİRİŞ Atmosfer çeşitli gazlardan oluşur. Atmosferdeki CO 2, CH 4, N 2 O, O 3, CFC (kloroflorokarbon) gibi gazlar yeryüzüne gelen ısının bir kısmını tutarak yeryüzünün belirli sıcaklık derecesinde sabitlenmesini sağlar. Atmosferin ısıyı tutma özelliğinden dolayı denizlerin, okyanusların donmamasını sağlar [1]. Sera etkisi yapan kükürt ve azot oksitleri gibi gazlar aynı zamanda yağmurlarla asit oluşturup asit yağmurları şeklinde yer yüzüne döndüklerinden zararları daha erken anlaşılmış olup salınmaları uzun yıllar önce yasaklanan gazlardır. Havadaki miktarları Dünya Sağlık Örgütü (WHO) ve her ülkenin hava kalitesini koruma yönetmelikleri ile sınırlandırılmış olup, sürekli ölçülerek kontrol altında tutulur. Ayrıca toplam miktarları çok az olmak zorunda olduğundan küresel ısınmaya neden olacak sera etkisindeki payları daha düşüktür. Su buharının miktarı ise suyun doğal çevrimi ile sabit kalırken, karbon dioksit miktarı sanayi devriminden bu yana sürekli artmış ve artmaya devam etmektedir [2]. Başlıca Sera Gazı Etkisi yapan ve Kyöto protokolünde sera gazı olarak kabul edilen bileşikleri Karbon dioksit (CO 2 ), Metan (CH 4 ), Nitröz Oksit (N2O), Hidroflorür karbonlar (HFCs), Perfloro karbonlar (PFCs), Sülfürhekza florid (SF6) Gibi gazlarlardır [1]. Günümüzde dünya enerji ihtiyacı büyük oranda fosil yakıttan karşılanmakta ve bu enerjinin %26 sı ulaşımda kullanılmaktadır. Bu enerji kullanımına bağlı olarak kara yollarında %26 emisyonu oluşmaktadır. Avrupa Birliği, 2020 yılı için tüm sera gazı emisyonlarını, 1990 yılı seviyesine göre %20 oranında azaltmayı hedeflemektedir. Bu hedefe ulaşmada, özellikle emisyonu ve yakıt tüketimi, geleneksel içten yanmalı motorlu araçlara göre büyük avantajlara sahip olan elektrikli araçlar aday gösterilmektedir. Gelişen teknoloji sayesinde otomobil dünyasında da önemli değişiklikler yapılmaya çalışılmaktadır. Otomobillerde çok uzun süredir kullanılan içten yanmalı motorların yerine elektrikli motorlar kullanılarak elektrikli araçlar üretilmektedir [3]. Sera gazı yoğunluğundaki artışın nedeni bilim adamları tarafından şu şekilde belirtilmektedir; karbondioksit oranının artışında temel faktör, fosil yakıtların yakılması ve diğer insan faaliyetleridir. Bitkilerin solunumu sonucu ve organik maddelerin yapısal değişiklikleri sonucu, insan faaliyetleri sonucunda üretilen miktarından 10 kat daha fazla üretilmektedir. Ama, bu üretimi, bitkilerin fotosentezi ve okyanusların depolama yetenekleri sayesinde yüzyıllardır dengede kalmayı başarmıştır; fakat sanayi devriminden itibaren bu denge değişmektedir. Son birkaç yüzyılda değişen ise insan faaliyetleri sonucunda oluşan miktarının artmasıdır. Örneğin ABD de fosil yakıtların yakılması sonucu oluşan gazlar, toplam ABD emisyonunun %98 i, metan emisyonunun %24 ü, emisyonunsa %18 ini oluşturmaktadır. Gelecekteki emisyon miktarını tahmin etmek kolay değildir; çünkü demografik, ekonomik, teknolojik, siyasi ve kurumsal gelişmelere bağlıdır. Bu bahsedilen faktörlerin ön plana alınmasıyla çok çeşitli projeksiyonlar geliştirilebilmektedir. Örneğin, 2100 yılında, emisyon kontrol kanunları olmaması durumunda, emisyonları bugünkü değerin % katı daha fazla olacağı öngörülmektedir. Bu orandaki değişim diğer faktörlerin değişimine göre en iyi %30 en kötü %150 seviyelerinde olabilir [4]. Amerika Birleşik Devletleri Kaliforniya Eyaleti 1950 li yıllarda karayollarındaki yoğun hava kirliliği nedeniyle ciddi 240

2 sokak gösterilerine sahne olmaktaydı. Günümüzde ise Çin şehirlerinde sokak gösterileri ve protestolara meydan verilmeden ulusal ve yerel hükümetler, yeni otomobillerde azot oksit ( ) emisyonları, hidrokarbonlar ve ince is parçacıklarının kısıtlanması ile yok edilmesi konularında Amerika ve Avrupa Birliği tarafından uygulanan yasal düzenlemeleri ve yönetmelikleri yürürlüğe koymaya çalışmaktadır. Çin hava kirliliği profili hem küresel ısınma ve küresel iklim değişiklikleri mekanizmaları sorunları açısından hem de insan sağlığı ve çevre güvenliği perspektifleri bağlamında son derece büyük kaygılar doğurmaktadır. Çin hava kirliliğinin önlenmesi için kara taşıt araçları karbondioksit emisyonlarının azaltılması ve sınırlandırılmasına dair evrimsel otomobil imalatçıları üzerinde baskı kurmaya ve yaptırım uygulamaya başlamaktadır. Diğer taraftan, tüm dünyada gelecek yıllarda yenilikçi yeşil otomobillerin dikkat çekici biçimde daha çevreci ve doğa dostu olmaları beklenmektedir. Yeni kuşak çevre dostu yeşil otomobil üretimi Avrupa Birliği doğa dostu ve ekolojik dengenin korunması perspektifleri yönünden önem taşımaktadır. Evrimsel otomobil üreticileri gelecekte düşük karbon teknolojileri içeriğinde yoğun yatırımlar yapmaları gerektiğini çok iyi bilmektedir. Günümüzde km başına 130 gr olan ortalama karbondioksit emisyonu sınır değerinin 2020 yılında 95 gr / km olacağı tahmin edilmektedir. Hatta 2025 yılında karbondioksit salımı miktarının 70 gr / km e kadar düşürülmesi bile olası görülmektedir. Bu arada ileri teknoloji yakıt enjeksiyonu ve diğer yakıt verimliliğini artıran cihazlar üreticisi Bosch Firması, hibrid otomobiller ve diğer düşük karbon salınımlı güç aktarım organları göz önüne alınmadan benzin ve dizelli motorlar üzerinde yukarıda belirtilen sıkı emisyon miktarlarının gerçekleştirilebileceğini dair değerlendirmeler yapmaktadır [5]. Sera gazı emisyonlarında en büyük payı enerji kaynaklı emisyonlar oluşturdu Türkiye de 2013 yılında toplam sera gazı emisyonu; arazi kullanımı, arazi kullanım değişikliği ve ormancılık hariç olmak üzere 459,1 milyon ton CO 2 eşdeğeri olarak hesaplandı. Toplam emisyonun %67,8 i enerji sektöründen, %15,7 si endüstriyel işlemler ve ürün kullanımından, %10,8 i tarımsal faaliyetlerden, %5,7 si ise atıktan kaynaklandı. Küresel ısınmaya neden olan sera gazları; sera etkisini destekleyen, atmosferde bulunan ve en çok ısı tutma özelliğine sahip bileşiklerdir. Bu bileşikler; doğrudan sera gazları olan karbondioksit (CO 2 ), metan (CH 4 ), diazotmonoksit (N 2 O) ve F-gazları ile dolaylı sera gazları olan azotoksitler (NO x ), metan dışı uçucu organik bileşikler (NMVOC), karbonmonoksit (CO) ve kükürtdioksiti (SO 2 ) içermektedir[6]. Türkiye kişi başına en az sera gazı salımı yapan OECD ülkelerinden biridir OECD 2012 yılı sera gazı emisyonu verilerine göre, OECD ülkeleri arasında CO 2 eşdeğer emisyonu en yüksek üye ülke 6,5 milyar ton ile ABD iken, Türkiye 464,2 milyon ton ile 8. sıradadır yılı kişi başı sera gazı emisyon değerleri incelendiğinde, OECD ortalaması 12,5 ton CO 2 eşdeğeridir. Avustralya kişi başına 23,97 ton CO 2 eşdeğeri ile birinci sırada iken Türkiye 6,17 ton CO 2 eşdeğeri ile OECD ülkeleri arasında kişi başına en az sera gazı salımı yapan ülkeler arasındadır yılında ise ülkemiz kişi başı CO 2 eşdeğer emisyonu 6,04 ton/kişi olarak hesaplanmıştır [6]. Şekil 1. Sektörlere göre toplam sera gazı emisyonları [6] Şekil 2.Kişi başı sera gazı emisyonu [6] 2. EURO EMİSYON STANDARTLARI Birçok ülke emisyon değerlerini azaltmayı amaçlayan Kyoto Protokolünü onayladığından, otomobil firmaları ve bilim adamları hava kirliliğinin azaltılması için çalışmalar yapıyor. Hava kirliliğini önlemek amacıyla motorlu araçlara getirilen AB ülkelerinin ardından, 2009 yılından itibaren ülkemizde de zorunla hale geldi [7]. Otomobiller için, ağırlığı Tablo 1 de 1305 kg dan küçük veya eşit olan hafif ticari taşıtlar için, Tablo 2 de ağırlığı 1305 ile 1760 kg arasındaki hafif ticari taşıtlar için ve maksimum ağırlığı 3500 olan hafif ticari taşıtların emisyon standartları Tablo 3 de gösterilmiştir [7]. Tüm tablolardan da görüleceği gibi özellikle azot emisyonlarının sınırları azaltılmaktadır. 241

3 TABLO 1. OTOMOBİLLER İÇİN EUROEMİSYON STANDARTLARI (G/KM) [7,8] Euro 1 Temmuz 2.72(3.16) (1.13) 0.14(0.18) Euro 1 Temmuz 2.72(3.16) (1.13) - TABLO OLAN HAFİF TİCARİ TAŞITLAR İÇİN EURO EMİSYON STANDARTLARI (G/KM) [7,8] Euro 1 Temmuz (1.13) 0.14(0.18) TABLO KG 1760 KG ARASINDAKİ HAFİF TİCARİ TAŞITLAR İÇİN EURO EMİSYON STANDARTLARI (G/KM) [7,8] Euro 1 Temmuz 2.72(3.16) (1.13) 0.14(0.18) 242

4 TABLO 4. MAX AĞIRLIĞINDAKİ HAFİF TİCARİ TAŞITLAR İÇİN EURO EMİSYON STANDARTLARI (G/KM) [7,8] Euro 1 Temmuz 2.72(3.16) (1.13) 0.14(0.18) 3. EMİSYON ÖNLEME YÖNTEMLERİ Son yıllarda artan çevre bilinciyle hava kirliliği sorunu ön plana çıkmıştır. Hava kirliliğinin başlıca sebepleri sanayi gazları, santraller ve motorlu taşıt emisyonlarıdır. Motorlu taşıtların emisyonları hava kirliliğinin büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Günümüzde hava kirliliğinin büyük bir kısmını oluşturan emisyonları önlemek için çalışmalar yapılmaktadır [7]. Motorlu araçlarda egzoz emisyonlarının azaltılmasına yönelik olarak alınan önlemler üç temel kısımda toplanabilir: 1. Motor öncesinde alınan önlemler; yakıt bileşiminin iyileştirilmesi, alternatif yakıtların kullanımı; 2. Motorda alınan önlemler; motorda yapısal olarak alınan önlemler, 3. Motor sonrasında alınan önlemler; egzoz gazındaki emisyonların arıtılmasına yönelik alınan önlemler olarak sıralanabilir [9,10]. Motor sonrasında hava kirliliğini azaltmaya yönelik önlem olarak kullanılan teknikler; egzoz gazı resirkülasyonu (EGR), termal reaktörler, oksidasyon katizörleri, üç yollu katalitik konvertörler (TWC) ve dizel motorlarında partikül tutuculardır. Bunlar arasında ise günümüzde ilgileri üzerine toplayan üç yollu katalitik konvertörlerdir [11, 12]. 3.1 KATALİTİK KONVERTÖR Katalitik konvertörler araçların egzoz emisyonlarındaki yanmamış hidrokarbonları azaltmak, oluşan azot oksitleri parçalamak amacıyla kullanılmaktadır [13]. Özel olarak tasarlanmış metal muhafaza içinde, içinden egzoz gazının geçtiği yapı olarak susturucuya benzer parçalardır. Katalitik konvertörler; petek şeklinde, yüzey alanı çok geniş, seramikten (magnesyum-alüminyum silikat) veya metalden yapılmış (monolith) taşıyıcı eleman içermektedir [11]. Karayolu taşıtları için sınırlandırılmış değerlere ulaşılmasında taşıt üzerindeki önlemlerden olan katalitik konvertör kullanımı oldukça etkili olmaktadır. li araçlarda katalitik konvertör kullanmanın avantajları CO, NOx, CH gibi zararlı gazlarla tepkimeye girerek CO2, N2, O2, H2O gibi gazlara dönüştürmektir [14]. Buji ateşlemeli motorlarda egzoz gazı sıcaklığı rölantide ºC seviyelerindeyken, yüksek güçte çalışmada 900 ºC civarında yükselmektedir. Egzoz gazı sıcaklığı genellikle ºC arasındadır. Buji ateşlemeli motorlar çoğunlukla hava fazlalığı arasında çalışmaktadır. Böylece egzoz gazı; fakir karışımda bir miktar oksijen veya zengin karışımda yüksek miktarda karbonmonoksit (CO) içerir [11]. Egzoz gazlarının silindiri terk etmesinden sonra gaz kirleticilerin temizlenmesi termal veya katalitik olabilir. Katalizör kullanmadan hidrokarbonları oksitlemek (oksijen ile tepkimeye sokmak) için sıcaklıklar 600 ºC nin üzerinde olmalıdır. Karbonmonoksiti oksitleyebilmek için ise sıcaklıkların 700 ºC nin üzerinde olması gerekmektedir. Egzozdaki karbonmonoksit ve hidrokarbonların katalitik oksidasyonu 250 ºC kadar düşük sıcaklıklarda mümkün olmaktadır. Böylece, bu kirleticilerin temizleme etkinliği termal oksidasyonda olduğundan daha geniş sıcaklık aralığında oluşmaktadır. Egzoz gazından azotoksitleri temizlemek için uygulanabilecek tek yöntem katalitik yöntemleri kullanmaktır. NO nun (azotmonoksit) arıtılmasında egzoz gazında bulunan CO, HC veya H2 kullanılarak N2 e indirgenilen katalitik sistemler tercih edilmektedir. Buji ateşlemeli motorlarda katalitik konvertörler oldukça yaygın şekilde kullanılmaktadır [11, 15] 3.2. EGR Emisyonları önlemek için kullanılan diğer yöntem EGR (Egzoz gazları resürkilasyonu) dir. Egzoz gazlarının bir ksmını yanma odasına göndererek yanma odasının ısısını düşürmek ve azot gazı emisyonlarını azaltmaktadır[16]. EGR oranına bağlı olarak NOx emisyonlarının değişimi üzerine yapılan bir çalışmada, standart değerler ile %10 ve %20 EGR uygulandığı durumdaki değerler arasında, sırasıyla yaklaşık olarak ortalama %35 ve %75 lik bir azalma olduğu tespit edilmiştir [17] KARTER HAVALANDIRMA Karter havalandırma sisteminde ise silindir içine alınmış hava yakıt karışımı sıkıştırma ve iş zamanında ya yanmamış 243

5 olarak ya da kısmi yanmış olarak segmanlar arasından sızarak kartere iner. Bu yöntemle bu sızan gazlar emme manifoldu vakumu yardımıyla silindir içerisine gönderilerek yanma olayına tekrar dahil edilir. Bu yöntemle hem yakıt sarfiyatı hem de zararlı gazların azalımı sağlanmış olur [8] SCR (SEÇİCİ KATALİTİK İNDİRGEME) Avrupa da 2006 da uygulanmaya başlanmış Euro IV ve 2009 da kabul edilmiş olan Euro V düzenlemeleri, motorun yakıt yanma işlemi, atık egzoz gazlarının işlenmesi ve dizel motorlar için yeni standartlar getirmektedir. Euro IV ve Euro V düzenlemelerine uymak amacıyla, düşük emisyon ve daha etkili yanma ile çalışan yeni dizel motorlarda adblue katkı maddesi ve SCR (seçici katalitik indirgeme - selective catalytic reduction) sistemi bulunmaya başlamıştır. SCR, NOx emisyonlarını kontrol altına almada kullanılan bir yöntemdir. Seçici Katalitik indirgemenin avantajı bu katalizörlerin yakıttaki sülfür veya yağlayıcılarla kirlenmemesidir. İki tip SCR vardır: HC-SCR: NOx indirgeyicisi HC dir Üre-SCR: indirgeyici etmen ürenin ürettiği amonyaktır. SCR sistemi egzoz emisyonlarında % 90 HC, CO ve partikül indirgenmesi sağlarken aynı zamanda % arası NOx 74 indirgemesi sağlamaktadır. Yasal olarak talep edilen sınır değerlerini karşılamak günümüzde yalnızca SCR yöntemi ile gerçekleşebilmektedir. 4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Hava kirliliğinin dünyada hızla artması sebebiyle insan sağlığı ve çevre kalitesi önemli derecede olumsuz etkilenmektedir. Hava kirliliğinin oluşumunda motorlu taşıt emisyonlarının rolü büyük olup bu gazlardan en önemlisi sera gazlarıdır. Bu nedenle emisyon kontrol sistemlerinin motorlu taşıtlarda geliştirilmesi ve yasal yollarla kontrol edilmesi gerekmektedir. Ayrıca araç tasarım aşamasında kütle azaltımı için boyut küçültülmesi, lastik performansının artırılması ve rüzgâr direncinin daha az etkiye sahip olması için aerodinamiğin iyileştirilmesi gibi yöntemlerle yakıt tasarrufu elde edilerek egzoz emisyonlarının da azaltılması sağlanmalıdır. Dahası hidrojen, doğalgaz, biyodizel gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının petrol kökenli yakıtlara göre egzoz emisyonlarının daha az olmasından dolayı bu kaynaklara ilginin artması sağlanmalıdır. Bunların sonucunda daha temiz bir gelecek ve daha temiz bir çevreye sahip olunabilir. [6](2018) [7] S. Yolun, Emisyon Önleme Yöntemleri, Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Konya, [8] F. Kelen, Motorlu Taşıt Emisyonlarının İnsan Sağlığı ve Çevre Üzerine Etkileri, Journal of The Institute of Natural & Applied Sciences 19 (1-2):80-87, [9 ]Kutlar, O.A., Ergeneman, M., Arslan, H., Mutlu, M., Taşıt Egzozundan Kaynaklanan Kirleticiler, Birsen Yayınevi, İstanbul, [10] N. Y. Çolak, D. Şimşek, Emisyon Kontrol Uygulamalarında Saf Pomza Taşı Kullanabilirliğinin Deneysel Olarak Araştırılması, Bitlis Eren Üniversitesi, Fen Bilimleri Dergisi, 6(1), 31-41, 2017 [11] N. Dinler, N. Yücel, Karbüratörlü Bir Motora Üç Yollu Katalitik Konvertör Uygulanması Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der.Cilt 18, No 1, 57-70, 2003 [12] T. Koruvatan, O. Anket, S. Yıldırım, İnsan Sağlığını Tehdit Eden Kirletici Gazlar ve Katalitik Konvertörler, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 4, No: 1, (37-47), 2012 [13] M.Y. Pamukoğlu, N. Gönen, Atık Katalitik Konvertörden Safsızlıkların Giderilmesinde Kullanılan Parametrelerin Optimizasyonu, Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech. 7(1): , [14] Z. Öztürk, Motorlu Araçlardan Oluşan Kirlilik Ve Egzoz Emisyon Regülasyonları IV. Ulaşım Ve Trafik Kongresi Sergisi, [15] E. Kızılaslan Katalitik Konvertörlerden Platin Geri Kazanımı Ve Optimizasyonu İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Y. Lisans Tezi, 2008 [16] H. Açıkalın., Biyodizel Kullanan Bir Motorunda Püskürtme Avansı Ve Egr Oranlarının Motor Performansı Ve Emisyona Etkisinin Teorik İncelenmesi, Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Y. Lisans Tezi, 2013 [17] C. İlkılıç, R. Behçet, S. Aydın, H Aydın., Motorlarında Azot Oksitlerin Oluşumu ve Kontrol Yöntemleri, Karabük, Türkiye 5. Uluslararası Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs [18] G. Demiröz, Seçici Katalitik İndirgeme Sisteminin Ağır Taşıt Motorlarında Kullanımının Optimizasyonu, Fen Bilimleri Enstitüsü İstanbul Teknik Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, 2010 KAYNAKÇA [1] G. Akın Küresel Isınma, Nedenleri Ve Sonuçları, Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi Dergisi Ankara, Türkiye: 46, 2, 2006, [2] (2018) [3] Y. Gürbüz, A. A. Kulaksız Elektrikli Araçlar ile Klasik İçten Yanmalı Motorlu Araçların Çeşitli Yönlerden Karşılaştırılması, GÜFBED/GUSTIJ, 6 (2): , 2016 [4] M. A. Pekin, Ulaştırma Sektöründen Kaynaklanan Sera Gazı Emisyonları Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, [5] A. C. Taner ve F. M. Odası, Küresel Karayolu Ulaşım Araçları Global Karbondioksit Emisyonları Düşürülmesi ve Yeni Nesil Düşük Karbon Emisyonlu Evrimsel Otomobiller, Ahmet Cangüzel Taner, Fizik Mühendisleri Odası, Faydalı Bilgiler,