www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (3) 31-37 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Özet Yakıt hücre sistemlerinin çalışma prensibi ve denizaltı sistemlerdeki tasarımı Fevzi BEDİR, M.Oktay ALNIAK Süleyman Demirel Ünv., Makine Mühendisliği Böl. 32260 Isparta Uluslararası Kıbrıs Ünv., Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Lefkoşe/Kıbrıs (Geliş Tarihi: 16 Nisan 2004, Kabul Tarihi: 30 Haziran 2004) Yakıt Hücreleri (YH), hidrojen (H) ve oksijen (O) gazlarının elektro-kimyasal bir reaksiyonla birleştirilmesi ile elektrik üreten sistemlerdir. Yakıt hücre sistemlerinin (YHS) ana karakteristiği kimyasal enerjiyi direk olarak elektrik enerjisine çevirirler. Herhangi bir termo-mekanik yöntemle elektrik üreten sistemlere göre oldukça yüksek verimlerde çalışırlar. Böylece aynı miktardaki yakıttan daha fazla elektrik üretebilirler. Sistemde, kimyasal yanma olmadığı için çevreye herhangi bir emisyonları yoktur. Ayrıca sistemde hareketli parçalar olmadığından sessiz çalışırlar. Yenilenebilir enerji yöntemi ile elde edilen H gazının kullanılması ile çalışan YHS, su buharı dışında herhangi bir emisyonu yoktur. Bu çalışmada, mevcut ve devam eden YH teknolojisinin tasarım ve çalışma durumu, enerji yönünden sistemin avantajları araştırılmıştır. Ayrıca YHS lerin güç kaynağı olarak denizaltı sistemlerindeki entegrasyonu incelenecektir. Anahtar Kelimeler: Alternatif Enerji, Yakıt Hücre Sistemleri, Denizaltı Güç Kaynağı 1.Giriş Dünya ülkeleri sahip oldukları doğal enerji kaynakları bakımından aynı imkanlara sahip değillerdir. Bu açıdan dünya ham petrolünün %81 i sekiz ülke tarafından, doğal gaz rezervlerinin %70 i altı ülke tarafından ve kömür rezervlerinin %89 u ise sekiz ülke tarafından paylaşılmaktadır. Artan dünya nüfusu ile beraber bu fosil yakıtların tüketimi ve bunun bir sonucu olarak dünyadaki küresel ısınma gittikçe artmaktadır. Artan enerji talebi ekonomik gelişmelerin artmasına ve büyümesine de neden olmaktadır. Bugün sanayinin oluşturduğu gaz atıklar ve özellikle CO 2 atıkları küresel ısınmaya neden olduğu dünyadaki üç büyük merkez tarafından değerlendirilmektedir. Bunun bir sonucu olarak son 70 yıldaki sıcaklık artışı 1.3 o C den daha fazla olduğu tespit edilmiştir[1]. Dünya genelinde kentsel bölgelerde yaşayan bir milyarın üzerideki insan yoğun hava kirliliğinden dolayı sıkıntı çekmektedir ve Dünya Bankası istatistiklerine göre her yıl 700.000 üzerinde ölümle sonuçlanan insan vakası meydana gelmektedir[2]. Ayrıca içten yanmalı motorlarda kullanılan her bir galon ( 3.78 lt) benzinin üretimi ve tüketimi kabaca 12 kg CO 2 açığa çıkartmakta ve açığa çıkan diğer gazlarla beraber küresel ısınmayı artırmaktadır[3]. Bu durum etkili gelişimlerle ve yakıt değişimi ile azaltılabilir. Bu gelişmeler çevreyle bağlantılı olarak yeni ve temiz enerji kaynaklarına olan ilgiyi artırmaktadır. Enerjinin çevre ve teknolojik gelişmeler arasındaki yakın ilişkisinden dolayı, onun ciddi tartışmalarda yer almasında önemli bir faktör olmuştur. Daha temiz bir enerji teknolojisi için bazı potansiyel çözümler geliştirilmektedir. Örneğin fosil yakıtlardaki kullanımının azaltılması ve su, güneş, rüzgar, biyogaz, jeotermal, H gibi çevre dostu
Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 Yakıt hücre sistemlerinin çalışma prensibi ve denizaltı sistemlerdeki tasarımı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artırılması veya diğer bir alternatif standart enerji kaynağı olan YHS lerinin kullanılmasıdır. Bu çalışmada alternatif enerji kaynağı olan YHS lerinin tasarım ve çalışma durumu, enerji yönünden sistemin avantajları araştırılmış ve savunma sanayi ile ilgili olarak Alman HDW Şirketi tarafından üretilen 212 Tip denizaltı sistemlerdeki YHS lerinin entegrasyonu incelenmiştir. 2. Yakıt Hücre Sistemlerinin Tasarımı Ve Çalışma Prensibi YHS i, elektrotlar ve ortasında iletken bir elektrolit yardımıyla H ve O gazlarının elektro-kimyasal birleşimini temin eden bir enerji dönüştürücüsüdür. H yakıtı YHS nin anot ucundan O ise katot ucundan beslenmektedir. H, katalizatör yardımı ile proton ve elektron iyonlarına ayrılmaktadır. Proton elektrolitin içinden geçerken elektron ise ayrı bir akım oluşturur. Bu kimyasal reaksiyonun sonucunda saf su ve ısı açığa çıkmaktadır (Şekil 1). Şekil 1 YHS nin Tasarımı. YHS leri esas itibariyle anot ve katot olmak üzere iki elektrot ve elektrolitten oluşmaktadır. Elektrotların esas fonksiyonu H ile O arasındaki reaksiyonu aşınma ve korozyon olmaksızın sağlamaktır. YHS nin negatif ucu olan anot H atomlarının katalizatörün yüzeyine eşit olarak yayar ve elektron akımını temin eder. Pozitif uç olan katot ise O atomlarını katalizatörün yüzeyine verir ve harici bir devre üzerinde akan elektronların katoda akmasının temin eder. Bu kimyasal reaksiyon sonucunda bir H 2 /O 2 YH sinin verdiği teorik voltaj 1.48 V tur[4]. Elektronlar, elektrolitten geçerek katoda ulaşan H iyonları ve O atomları ile beraber saf su oluştururlar. YHS lerinin gerekli elektrik voltajını vermesi için kimyasal reaksiyonu şu şekildedir. Anottaki reaksiyon 2H 2 4H + +4e - Katottaki reaksiyon O 2 +4H + +4e - 2H 2 O Hücre reaksiyonu 2H 2 +O 2 2H 2 O 32
Bedir, F., Alnıak, M. O. Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 Katalizatör O ve H reaksiyonunu temin eden özel bir malzemedir. Polimer membranlı YHS lerinde, elektrolit malzeme olarak polimer membran kullanılmakta ve her iki yüzeyine platin katalizatörler kaplanmaktadır. Katı oksitli YHS lerinde ise nikel ve oksitle kaplanmış zirkonyum elektrolitler kullanılmaktadır. Elektrolitler doğada katı veya sıvı olarak bulunabilirler ve YHS lerinin çalışma sıcaklıklarını belirlerler. Elektrolitler, elektronları tutarak elektronik bir temas oluşturur ve iki elektrotun da korunmasını sağlar. YHS leri, kullanılan elektrolitlere çalışma sıcaklığına ve kullandığı yakıt gibi teknik özelliklere bağlı olarak Tablo 1 de sınıflandırılmıştır[5,6]. Tablo 1 Farklı tip YHS lerinin teknik özellikleri Tip Kullanılan Elektrolit Çalışma Sıcaklığı ( C) Kullanılan Yakıt Alkali YHS i Potasyum Hidroksit 50-200 Saf H veya hidrazin(sulu potasyum hidroksit) Direk Metanol YHS ler Polimer 60-200 Sıvı metan Fosforik asitli YHS leri Fosforik asit 160-210 Hidrokarbon ve alkolden elde edilen H Sülfürik asitli YHS leri Sülfürik asit 80-90 Alkol ve saf olmayan H Proton Dönüşümlü YHS leri Dökme Karbonatlı YHS leri Katı Oksitlı YHS leri Polimer, proton dönüşümlü membran Erimiş tuz, nitrat,sülfat, karbonatlar Stabilize edilmiş zirkonyum 50-80 Hidrokarbon ve metanolden saflığı düşük H 630-650 H,karbon monoksit,tabi gaz 600-1000 Propan,dizel tabi gaz veya propan 2.1 YHS nin avantajları 1. Petrol tüketimini azatlığı ve bir ülkenin mevcut elektrik ihtiyacını artırdığı için güvenilir bir enerji kaynağıdır. 2. %90 ı aşan çalışma zamanı ve zamanın %99 unda güç temini sağladığı için güvenilir bir sistemdir 3. YHS nin verimli çalışmasından dolayı düşük çalışma maliyeti sağlar. 4. Yedek jeneratör, dizel motor veya kesintisiz güç temininden farklı olarak sürekli güç üretimi sağlar. 5. YHS nde kullanılan H gibi yakıt doğadan üretilebilir. 6. Konvansiyonel yanmalı güç üniteleri ile karşılaştırıldıklarında çevreyi kirletecek emisyonları yoktur. 7. Hareketli parçalarının olmamasından dolayı oldukça sessiz çalışma şartlarına sahip olduğu için kapalı ortamlarda sistemin entegrasyonu oldukça uygundur. 8. Mevcut yakıttan %50-70 e kadar elektrik üretimi sağlamakta (ısı enerjisinde dahil edilirse %90 [7], yakıt maliyetini azaltmakta ve tabii kaynakların korunmasını temin etmektedir. 33
Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 Yakıt hücre sistemlerinin çalışma prensibi ve denizaltı sistemlerdeki tasarımı 3. Denizaltılarda Kullanılan Yhs leri Konvansiyonel denizaltılar dizel-elektrikli tahrik sistemi ile teçhiz edilmişlerdir. Bu yöntemle üretilen enerji asitli kurşun bataryalara yüklenmekte ve denizaltının dalma operasyonu ve personelin ihtiyaç karşılamaktadır. Denizaltının su altında kalma zamanını bataryaların kapasitesi ile sınırlı olup su üstü (şnorkel) operasyonu ile dizel jeneratörle bataryaların tekrar şarj edilmesi sağlanmaktadır. Denizaltının su üstü periyodunda iken düşman tarafından tespit edilme riski oldukça yüksektir. Bütün bu nedenlerden dolayı denizaltı sistemlerinin su üstü periyoduna geçmeden atmosfere kapalı bir tahrik sistemi ile teçhiz edilmesi ve daha fazla su altında kalması araştırılmıştır[8]. Bu hedefe ulaşmak için Almanlar tarafından geliştirilen kapalı devre dizel motoru, stirling motoru, kapalı çevrimli gaz ve buhar türbinleri ve YHS leri gibi tahrik sistemleri geliştirilmiştir. Fakat YHS lerinin diğer sistemlere göre Uzun periyotlarda su yüzeyine çıkmadan çalışma sağladığı, Çalışırken düşük ses seviyense sahip olduğu, düşük manyetik özelliğe sahip oldukları için, deniz suyuna az miktarda ısı transferi sağlaması gibi daha avantajlı yanlarının olmasından dolayı diğer enerji kaynaklarına göre daha çok tercih edilmektedir. 1980 de ilk defa YHS lerinin denizaltılara uygulanması ile ilgili Howaltswerke-Deutsch Werft AG (HDW), Ingenieurkontrol Lubeck (IKL) ve Ferrostaal tarafından bir konsorsiyum oluşturmuştur. İlk araştırmalarda Polimer elektrolitli YHS lerinin denizaltı sistemlere uygulanması ile ilgili büyük gelişme kaydedilmiştir. Daha sonra Siemens tarafından 16 modülden oluşan 6.2 kw lık YHS geliştirilmiştir. HDW tarafından üretilen ve 212 Tip olarak adlandırılan denizaltılarda YH lerinin enerji çıktısı 300kW kadar ulaşmıştır Sistemin güvenli bir ortamda çalışabilmesi için tüm modüller basınca dayanıklı kompartımanlarda tutulmaktadır. 212 Tip denizaltılar için standart üretilen YHS i 30-50 kw lık modüllerden oluşmaktayken daha sonra modül gücü 120 kw a kadar Siemens tarafından geliştirilmiştir. Polimer membranlı YHS lerinin denizaltı sistemlerdeki entegrasyonu Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2. YHS lerinin denizaltı uygulamaları için genel entegrasyonu. 34
Bedir, F., Alnıak, M. O. Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 Polimer elektrolit membranlı YHS leri; (Şekil 1) polimer elektrolit membranlı YH modülleri, O sistemi, H sistemi, YH kontrol sistemi, yardımcı üniteler ve reaksiyon suyu tankından meydana gelmektedir. 212 Tip denizaltı (Şekil 3) sistemleri için uygulanan bu entegrasyon Alman ve İtalyan Deniz Kuvvetleri için kullanılmıştır. 3.1 Hidrojen depolanması Şekil 3. 212 Tip denizaltılarda kullanılan YHS nin entegrasyonu[11]. YHS lerinin çalışması için H de ihtiyaç duyulmaktadır. H, O den farklı bir şekilde depolanmaktadır. Sıvı H depolanması kara taşımacılığındaki şekliyle yapılmaktadır. Sıvı H, onun düşük kaynama noktasından dolayı çift cidarlı süper yalıtımlı tanklarda yapılmaktadır. Fakat denizaltında meydana gelen yüksek şok darbelerden dolayı uygulama ilave tedbirler gerekmektedir. Bunun yanında deniz suyu ile sıvı H arasındaki sıcaklık farkı onun denizaltında tutma zamanını sınırlamaktadır. Bu durumun H daha güvenli şekilde bir şekilde depolanması konusunu ortaya çıkarmıştır. Alman denizaltı şirketi HDW H i metalhidrit kullanarak depolamaktadır. Bu yöntemle H metal kafes yapısı içine absorbe edilmektedir. TiFe veya TiMn gibi metalhidritler düşük sıcaklıkta H i ağırlık olarak %2 nı kadar absorbe etmektedir. Yükleme esnasında metalhidrit silindirler soğutulmaktadır. Denizaltının dalma operasyonu sırasında H boşaltma işlemi, YHS nin kapalı devre soğutma suyu ile H silindirlerinin belirlenen miktarda ısıtılması ile sağlanmaktadır. Bu işlem bir çok deneylerle gösterilmiştir ki işlem tamamen tersinirdir. Metalhidritler düşük basınçta ve çevre sıcaklığında H depolanmasına imkan sağlar. Sistemde hemen hemen hiçbir kaçak olmadığı için H nin güvenli bir şekilde depolanması sağlanmıştır. H nin maksimum kütle akışı hidrite verilen ısı akışına bağlıdır. H nin metalhidritlere depolanmasının diğer bir avantajı, metalhidritler, hacımsal olarak sıvı H den daha fazla H tutabilmektedirler. Ayrıca sistem bakım gerektirmediğinden denizaltının basınçlı bölmesinin diş yüzeyine sabit bir şekilde monte edilebilmektedir. HDW tarafından tercih edilen metalhidrit alaşımlar 1970 lerin başında Daimler Benz tarafından geliştirilmiştir [8,9,10]. 3.2 Oksijen depolanması 35
Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 Yakıt hücre sistemlerinin çalışma prensibi ve denizaltı sistemlerdeki tasarımı Denizatlılarda uygulanan YHS lerinde H metal hidrit silindirlerde ve O sıvılaştırmış olarak tanklarda depolanmaktadır. O tankı iç içe geçmiş iki tanktan oluşmakta ve ara yüzey tamamen vakum izolasyonu sağlamaktadır. Denizaltılar için depolama tankları şok yüklere ve dalma basıncına dayanıklı özel bir dizayna sahiptir. Tanklar basınca dayanıklı bölmenin dışında kalmaktadır. Sistem üzerindeki güvenlik ve kontrol elemanları, bağlantı elemanları, ve buharlaştırıcı sistemi yüksek basınca ve suya dayanıklı özel bir kabin içinde tutulmaktadır.. Bağlantı elemanları ve buharlaştırıcının ani şok darbelere karşı esnek hareket edebilmesi için ana gövde özel bir kafes yapıya monte edilmiştir. Güvenlik vanaları dalma basıncına dayanabilecek şekilde dizayn edilmişlerdir. Yakıt tankları ana gövdeyi oluşturan basınçlı bölmenin malzemesi gibi manyetik olmayan malzemeden imal edilmiştir. 212 Tip denizaltılarda sıvı O depolanması, gaz sızıntısı olma ihtimaline karşın basınçlı bölmenin dışına alınması askeri bir gereksinim olarak görülmüştür. Fakat gelecekte sıvı O tankının basınçlı bölmenin içine alma fikri düşünülmektedir. 3.3 YH kontrol sistemi YH sisteminde iki farklı kontrol paneli bulunmaktadır. Birisi, YHS nin elektronik modül sistemini kontrol eden kontrol paneli diğeri ise sistemi ve otomatik güvenlik cihazlarını kontrol eden kontrol panelidir. Kontrol sistemi, denizaltı içinde yer alan merkezi kontrol ünitesinden çalışmaktadır. YH modülünün çalışma aralıkları ihtiyaç duyulan elektrik yüküne bağlı olarak değişmekte ve sistem kendini tamamen otomatik olarak kontrol etmektedir. 3.4 Yardımcı üniteler 3.4.1 Soğutma sistemi YHS i çalışırken açığa çıkan atık ısı iki aşamalı kapalı devre soğutma sistemi ile uzaklaştırılmaktadır. Soğutma sistemi, H açığa çıkartmak (dehidrojenize) için gerekli termal enerjiyi hidrit silindirlerine vermektedir. Aynı zamanda sistem sıvı O i buharlaştırmak için gerekli olan ısı enerjisini de temin etmektedir. Atık ısının kullanılması ile YHS nin verimim %70 lere kadar çıkmaktadır. 3.4.2 Azot sistemi Azot, YHS nin uzun periyotta durdurulması durumunda sistemi emniyete almak için kullanılır. Aynı zamanda YH modüllerinin bulunduğu kapalı konteynırların azot gazı ile dolmasını ve H in emniyetli bir şekilde nakil edilmesinde çift cidarlı olarak kullanılan iletim hattının ve bağlantı elemanlarının emniyetle çalışmasını temin etmektedir. 3.4.3 Reaksiyon suyu tankı Denizaltı sistemlerde dalma operasyonu esnasında ve seyir halinde ağırlık dengesini sağlayan ilave herhangi bir ağırlık sistem kullanılmamaktadır. Gerekli dalma dengesini temin eden ağırlık YHS nden üretilen saf atik su ile sağlanmaktadır. Aynı zamanda personelin ihtiyacını karşılamada da kullanılmaktadır[12]. 4 Sonuçlar 36
Bedir, F., Alnıak, M. O. Teknolojik Araştırmalar 2004 (3) 31-37 1. Alternatif enerji kaynağı olan YHS leri, doğal enerji kaynakların tüketimini azalttığı için çevre ve insan sağlığı açısından güvenilir bir enerji kaynağıdır. 2. Sistemde hareketli parçalarının olmamasından dolayı oldukça sessiz çalışma şartlarına sahiptir. 3. YHS li denizaltı sistemlerde uzun periyotta su üstüne çıkmadan çalışma sağladıkları için karşı taraftan tespit edilebilme riski daha azdır. 4. YHS leri daha sessiz ve deniz suyuna daha az miktarda ısı transferi sağladığı için akustik ve ısı detektörleri ile tespit edilme riski de daha azdır. Kaynaklar 1. IEA, (1997) International Energy Agency. 2. WBR, (2000), World Bank Review. 3. Boudghene Stambouli, A, Dadouche F, (2000), Renewable energies, technical and economic developments, Proceeding of the Seminaire International de la Physique Energetique, SIPE, 5. Bechar, Algeria. 4. PEM Fuel Cells, published by Siemens AG, http://www.atd.siemens.de. 5. Boudghene,S.A.,Traversa,E., Fuel Cells, (2002), An Alternative to Standart Sources of Enerji, Renewable and Sustainable Energy reviews, 6, 297-306. 6. Francis, M., (2002) Modeling: driving fuel cells, ISSN :1369 7021, Elsevier Science LTD. 7. Data from The International Fuel Cells, a united technology Company. Fuel Cells. 8. Psoma, A., Sattler,G., Fuel Cell Systems for Submarines: from The First Idea to Serial Production, J.of Power Sources, 106, 381-383,2002. 9. Sattler, G., (2000), Fuel Cells Going on-board, J.of Power Sources, 86, 61-67. 10. Sattler, G., (1998), PEFCs for Naval Ships and Submarined:many tasks, one solition, J.of Power Sources, 71, 144-149. 11. German Submarines Today and Tomorrow, published by HDW, http://www.hdw.de. 12. HDW Fuel Cell Plants for the world s Non-nuclear Submarines, published by HDW, http://www.hdw.de. 37