BOR ĠÇEREN YAKIT PĠLLERĠ VE SAVUNMA SANAYĠSĠNDE KULLANILABĠLĠRLĠĞĠ Dr. Çiğdem KARADAĞ 14 Haziran 2011 SSM, ANKARA
SUNUġ PLANI Enerji Enstitüsü Tanıtımı Yakıt Pilleri Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pilleri Savunma Sanayisinde Yakıt Pilleri TÜBĠTAK MAM EE Yakıt Pili Projelerinden Örnekler Sonuç 2
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ GÖREVĠ Enerji teknolojileri alanında, Türkiye'nin sürdürülebilir kalkınma hedefleri doğrultusunda, çağdaģ bilgi ve teknolojik yöntemlerle araģtırma ve geliģtirme yapmak olarak belirlenmiģtir. ÜLKÜSÜ Enerji teknolojileri alanındaki uygulamalı Ar-Ge çalıģmaları ile tanınan öncü ve yetkin bir araģtırma merkezi olmak olarak belirlenmiģtir.
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Stratejik ĠĢ Birimleri (SĠB) İleri Enerji Teknolojileri Yakıt pili teknolojileri Gaz teknolojileri Yakma ve gazlaştırma teknolojileri Yakıt teknolojileri
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Stratejik ĠĢ Birimleri (SĠB) Güç Elektroniği Teknolojileri Güç elektroniği teknolojileri Araç teknolojileri Batarya teknolojileri
Laboratuvarlar TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Yakıt Pili Teknolojileri DüĢük Sıcaklık Yakıt Pilleri Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili Doğrudan Sodyumborhidrür Yakıt Pili Doğrudan Metanol Yakıt Pili Yüksek Sıcaklık Yakıt Pilleri ErgimiĢ Karbonatlı Yakıt Pili Katı Oksit Yakıt Pili Yakıt pili modül bileģenlerinin geliģtirilmesi ve üretimi Yakıt pili sistem alt bileģenlerinin geliģtirilmesi ve üretimi Yakıt pili uygulamalarında sistem entegrasyonu Sistem entegrasyonu ve güç koģullandırma Yakıt pili sistem testleri
YAKIT PĠLLERĠ -TANIM Fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz vb.) Kimyasal ürünler (amonyak, metanol vb.) Alternatif kaynaklar (biyogaz, atık malzemeler vb.) Bir reformer yardımıyla elde edilen hidrojenin veya doğrudan hidrojenin oksijen ile elektrokimyasal reaksiyonu elektrik üretilen cihazlardır
YAKIT PĠLLERĠ Yakıt pilleri yakıttaki kimyasal enerjiyi herhangi bir enerji dönüģüm prosesi gerekmeksizin elektrik enerjisine yüksek verimle dönüģtüren cihazlardır. Klasik çevrim teknolojisinde, Verim düģmekte, Kalabalık bir makina topluluğu gerekmekte ve Çevre kirletilmektedir Yakıt pil teknolojisinde Yakıt sağlandığı sürece elektrik enerjisi üretebilmektedir
Yakıt pili hücresi baģlıca oluģur YAKIT PĠLĠNĠN YAPISI iki elektrot (anot (yakıt elektrodu) ve katot oksijen elektrodu ) elektrotlar arasına konulan elektrolitten
YAKIT PĠLĠ MODÜLÜ 12
YAKIT PĠLĠ MODÜLÜ
YAKIT PĠLĠNĠN AVANTAJ/DEZAVANTAJLARI Avantajlar: Yüksek verim ve güç yoğunluğu ġebekeden bağımsız elektrik üretimi Enerji dönüģtürücüde hareketli parça olmaması Kompakt modüler yapılı olması Sessiz olması Yakıt esnekliği Uzaktan iģletim Ölçü/boyut esnekliği Hızlı yük takip edebilme yeteneği Dezavantajlar: Halen maliyeti yüksektir Boyut ve ağırlık problemleri Yüksek sıcaklık birimlerinin güvenilirliği gösterilememiģtir Güç üretim endüstrisi için tanıdık olmayan bir teknolojidir Yakıt üretim, depolama ve dağıtım problemleri
YAKIT PĠLĠ TÜRLERĠ Yakıt pilinin iģletim sıcaklığına göre DüĢük sıcaklık : 25-100 o C Orta sıcaklık : 100-500 o C Yüksek sıcaklık : 500-1000 o C Çok yüksek sıcaklık : 1000 o C Kullanılan elektrolite göre Alkali yakıt pili (AYP), Fosforik asit yakıt pili (FAYP), Polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMYP) Doğrudan metanol yakıt pili (DMYP) Sodyum borhidrürlü Yakıt Pili (SBHYP) ErgimiĢ karbonatlı yakıt pili (EKYP), Katı oksit yakıt pili (KOYP)
YAKIT PĠLĠ TÜRLERĠ
YAKIT PĠLĠ - SODYUM BORHĠDRÜR Yakıt pillerinde önemli sorunlardan biri H 2 üretmek ve depolamaktır. Sodyum borhidrür katalitik olarak H 2 verir. Avantajları * Ağırlıkça % 20 hidrojen depolayabilir * Yanıcı/patlayıcı değildir * Reaksiyon kolayca kontrol edilebilir * Hidrojenin yarısı hidrürden, diğer yarısı sudan gelmektedir * Katalizör ve sodyum metaborat tekrar kullanılır
AVANTAJLARI Enerji Yoğunluğu (kwh/kg) KurĢun-Asit Batarya 30 Nikel-Metal Hidrür Batarya 100 Lityum-Ġyon Batarya 150 Lityum-Polimer Batarya (Hedeflenen) 300 Hidrojen Beslemeli PEM tipi yakıt pili 350 Doğrudan Metanol Yakıt Pili 1200 Sodyum Borhidrür Yakıt Pili(%30) 2500 18
SODYUM BORHĠDRÜR YAKIT PĠLĠ BH 4 - NaBH 4 H2O 4 2 H NaBO Anot: BH 4 - + 8OH - BO 2 - + 6H 2 O + 8e- Katot : 2O 2 + 4H 2 O + 8e- 8OH - Toplam: BH 4 - + 2O 2 BO 2 - + 2H 2 O 2 2
SODYUM BORHĠDRÜR YAKIT PĠLĠ 20
KULLANIM ALANLARI Yakıt pilleri cep telefonlarında kullanılabilecek kadar az ve bir kente yetebilecek kadar fazla güç üretilebilir.
Kara Araçları SAVUNMA SANAYĠSĠNDE YAKIT PĠLLERĠ Hava Araçları Deniz Araçları Savunma Elektroniği Ġnsansız Araçlar Tek er (dismounted soldier) 22
SAVUNMA SANAYĠSĠNDE YAKIT PĠLLERĠ telsiz batarya Ģarjı robot zırhlı araç IHA denizaltı 23
SAVUNMA SANAYĠSĠNDE YAKIT PĠLLERĠ 24
Daha uzun çalıģma süresi Daha az termal iz Sessiz Modüler yapı AVANTAJLARI 25
EE YAKIT PĠLĠ PROJE ÖRNEKLERĠ
Doğrudan Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pili Üretimi ve Entegrasyonu 2004-2007 Destekleyen TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ : Ulusal Bor Enstitüsü-BOREN Amaçlar Projenin baģlıca amacı doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pilinin geliģtirilmesi ve son kullanıcı entegrasyonunun yapılmasıdır. ĠĢ paketleri: Modül ve sistem bileģenlerinin üretimi, geliģtirilmesi ve/veya temini, Tek ve üç hücreli yakıt pili ve performans testleri, 70-100 W lık yakıt pili modülü oluģturulması ve performans testleri, 70-100 W lık yakıt pili için sistem alt bileģenlerinin üretimi ve/veya temini, Sistem entegrasyonu ve performans testleri
Doğrudan Sodyum Bor Hidrürlü YAKIT PĠLĠ - BORCELL
AĞIRLIK VE FĠYAT ANALĠZĠ Ağırlık Analizi Fiyat Analizi 29
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Sabit Uygulamalar için Doğrudan Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pili Sistemi GeliĢtirilmesi 2008-2010 Destekleyen Amaçlar Projenin baģlıca amacı küçük ölçekli sabit uygulamalar için sodyum borhidrürlü yakıt pili sisteminin geliģtirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda öncelikle doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili modül ve sistem bileģenleri geliģtirilerek üretilmiģ ve entegrasyon çalıģmaları sonucunda 1 kw lık sodyum borhidrürlü yakıt pili sistem prototipi için entegrasyon çalıģmaları yapılmıģtır. Sonuçlar (Çıktılar, Kazanımlar) :Ulusal Bor Enstitüsü-BOREN 1 kw lık doğrudan sodyum bor hidrürlü yakıt pili sistem prototipi Türkiyede bu yakıt pili türünde ve bu güçte ilk yakıt pili sistemidir. Yakın gelecekte teknolojinin yaygınlaģması ile yakıt pili sistemlerinin kullanımı artacaktır. Bu aģamada sodyum borhidrür kullanımı için pazar payı artacak ve böylece enerji alanında kendi kaynaklarımızın kullanımı mümkün olacaktır.
Destekleyen TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pilli Araç 2009-2011 : Ulusal Bor Enstitüsü-BOREN Amaçlar Projenin amacı araç uygulamaları için Borhidrürden hidrojen üretecek 3kWe gücünde Polimer Elektrolit Membran (PEM) tipi yakıt pili teknolojisine dayalı sistemi geliģtirmektir. Projede Bordan hidrojen üretmek için küçük ölçekli hidrojen üretim sistemi, yakıt pili bileģenlerinin ve modülünün üretimi, güç Ģartlandırma ve kontrol sistemleri ile yakıt pili ve hidrojen üretim sisteminin araç içine entegrasyonu konularında detaylı uygulamalı Ar-Ge çalıģmaları gerçekleģtirilecektir. Böylece istendiğinde hidrojen üretimini, ĠHÜ, yakıt pili ve hibrid araç konularında gerekli bilgi birikimi oluģturularak, Türkiye de de bu alanda katma değeri yüksek teknolojik bir ürün üretilebilir duruma gelinmesi amaçlanmıģtır. Sonuçlar (Çıktılar, Kazanımlar) Borhidrürden hidrojen üretim sistemi (50 L/dak) 3 kw PEM yakıt pili Ġlk yerli araç 31
Amaçlar TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ TARAL 1007- Yakıt Pili Mikro Kojenerasyon Sistemi 2006-2010 Destekleyen : TÜBĠTAK BaĢkanlık MüĢteri KuruluĢ: EĠE Ortaklar : ĠTÜ, Kocaeli Üniversitesi, Demirdöküm Projenin amacı, yakıt pili ve katalitik yakıcı sistemlerini kullanarak doğal gazdan 5 kw elektrik ve 30 kw ısı enerjisinin üretilmesidir. Bu kapsamda hidrojen üretimi için ototermal reformer ve gaz temizleme, elektrik üretimi için polimer elektrolit tipi yakıt pili, ısıl güç üretimi için doğal gaz-hidrojen gaz karıģımı yakan katalitik yakıcı, doğru akımı alternatif akıma dönüģtürebilmek için güç Ģartlandırma ve kontrol ünitelerinin tasarımı, imalatı, sistem entegrasyonu üzerine çalıģmalar yapılmaktadır. Sonuçlar (Çıktılar, Kazanımlar) Projenin çıktısı, evsel bir yakıt pilli mikro kojenerasyon sistemi olacaktır. Yakıt pilli mikro kojenerasyon projesi bu alanda ülkemizde gerçekleģtirilecek ilk projedir.
Yakıt Pilli Mikro Kojenerasyon Sistemi Projede Optimum akıģ kanalı tasarımı AkıĢ tasarımına göre bipolar plaka üretimi Membran elektrot ünitesi üretimi ve Temin edilen modül ve sistem alt bileģenleri ile 5 kw yakıt pil modülü üretimi yapılmıģtır
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Temiz Enerji Üretimine Yönelik Yakıt Pili Teknolojilerinin GeliĢtirilmesi 2003-2004 Destekleyen : Konsorsiyum Amaç: 1.5 kw Polimer Elektrolit Membran (PEM) Tipi Yakıt Pili Sisteminin Kurulması, performans testlerinin ve sistem entegrasyonu çalıģmalarının yapılması, yakıt pili analizi ile matris oluģturulması ĠĢ paketleri: 1.5 kw PEM Yakıt pili sistemi kurulumu, PEM yakıt pili sistemi geliģtirilmesi Ürüne yönelik sistem entegrasyonu 44,6 C 40 SP0 1 35 30 25 20 19,1 C
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili Modül BileĢenlerinin GeliĢtirilmesi ve Üretimi 2004-2006 Destekleyen : Konsorsiyum Amaç: Özgün bir yakıt pilinin yerli imkanlarla üretilmesine yönelik PEM yakıt pili bileģenlerinin geliģtirilmesi ve 15x15 cm aktif alana sahip 3 hücreli ÖZGÜN yakıt pilinin oluģturulması prototip üretimlerinin gerçekleģtirilmesi. ĠĢ paketleri: Bipolar plaka ve son plaka üretimi, Membran elektrot ünitesi üretimi, Elektrokatalizör üretimi ve testleri
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili Modelleme, Membran ve Bipolar Plaka Üretimi 2006-2008 Destekleyen : Konsorsiyum Amaç: 1. PEM tipi yakıt pilinin modellenmesi ve optimum akıģ kanalı tasarımının yapılması, 2. PEM yakıt pillinde kullanılmak üzere membran üretimi ve 3. bipolar plaka üretimi için patent baģvurusunun yapılabilmesi için mevcut patentlerin değerlendirilmesi ve patent baģ vurusunun yapılması ĠĢ paketleri: Modelleme ve 1 kw yakıt pili üretimi, Membran üretimi, Bipolar plaka patentleme
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ TARAL 1001- Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pilleri için Sprey Piroliz Yöntemi ile Katalizör Üretimi Destekleyen : TÜBĠTAK BaĢkanlık Amaçlar Yüksek performansa sahip anot ve katot elektrokatalizörlerinin sprey piroliz yöntemi ile üretimi, yöntem parametrelerinin belirlenmesi, karakterizasyon çalıģmalarının yapılması Sonuçlar (Çıktılar, Kazanımlar) Nano boyutlu katalizör üretimi Üretim yöntemi konusunda parametrik çalıģmalar Doğrudan sodyum borhidrür sistemlerinin etkin kullanımının sağlanması Bor konusunda bir adım daha ileri gidilmesi sağlanacaktır
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ TARAL 1001- UPS Uygulaması için 1 KWe Yüksek Sıcaklık Yakıt Pili Yakıt ĠĢleme Sistemi GeliĢtirilmesi Destekleyen : TÜBĠTAK UĠDB Ortaklar: UMDE Mühendislik, RWTH ISEA, Testing Service Amaçlar Doğal gaz kullanan gaz iģleme sisteminin geliģtirilmesi Yüksek sıcaklık yakıt pili modülü geliģtirilmesi Toplam sistem entegrasyonu HTPEM karakterizazyon yöntemi geliģirilmesi
LABORATUAR ALT YAPISI
LABORATUAR ALT YAPISI
LABORATUAR ALT YAPISI
LABORATUAR ALT YAPISI
SONUÇ Türkiye, bor minerallerince % 70 in üzerindeki payla dünyadaki en zengin ve kaliteli rezervlere sahip ülkedir. Bu nedenle yakıt pil teknolojisinde sodyum borhidrürün kullanımı ülkemiz için stratejik bir öneme sahiptir. Savunma sanayisinde yakıt pillerinin kullanımı birçok avantaj sağlamaktadır. 43
TÜBĠTAK MAM ENERJĠ ENSTĠTÜSÜ TEġEKKÜRLER TÜBĠTAK MAM PK. 21, 41470 GEBZE - KOCAELĠ Tel: +90-262-677 20 00 Faks: +90-262-641 23 09 www.mam.gov.tr