Hidrojen ve Yakıt Hücrelerinin Otomotiv Uygulamaları

[schkurpat]

Hidrojen ve Yakıt Hücrelerinin Otomotiv Uygulamaları


ÖZET

Günümüzde otomotiv sektöründe petrol esaslı yakıtlar kullanılmasına rağmen, fosil yakıtların azalması ise önümüzdeki dönemde alternatif yakıtların öne çıkmasını getirecektir. Rüzgar gücü, bioyakıtlar, güneş enerjisi ve diğer yenilenebilir kaynakların kullanım oranı artacak ve hidrojen geleceğin yakıtı olacakıtır.

ABSTRACT

Today’s fuels based on mineral oil have assumed a position of undisputed leadership in the transport sector. However limited fossil resources and environmental issues arise the question of the long-term transition from oil based to alternative fuels. In the long run hydrogen generated from various renewable resources such as wind power, biomass or solar thermal energy has the potential to replace fossil fuels.


GİRİŞ

Enerji ihtiyacının artmasına karşın, çevresel kaygıların öne çıkması ve petrol rezervlerinin azalması yeni ürünlerin, endüstriyel ürünlere dönüştürülmesini hızlandırmaktadır. Kısa bir zaman dilimi içinde ARGE karakterli şirketlerin finansal gruplar tarafından yoğun bir şekilde desteklenmesiyle gündeme giren “Yakıt Pili Teknolojisi” bu çerçevede ele alınmakta, geleceğin, yenilenebilir, temiz ve yüksek verimli enerji çözümlerinden birisi olarak geniş kabul görmektedir.

Yakıt hücreleri ile ilgili çalışmalar 100 yıldan beri yapılmasına rağmen pratik uygulamalar 70'li yıllarda desteklenen uzay programları ile başlamıştır. Son on yılda ise, çevresel kaygılar ve petrole olan bağımlılığı azaltmak amacıyla devlet desteği ile otomotiv endüstrisi yatırımlarına yönelinmiştir. Hedef içten yanmalı motorların yerine yakıt hücresi sistemlerini yerleştirmektir. Ancak yapılan bir çok geliştirme çalışmasına rağmen mevcut içten yanmalı motor birim gücünün maliyetine (0.01 USD / watt) henüz erişilememiştir. Yakıt hücreli otomobillerin büyük miktarlardaki üretiminin 2006 ile 2010 yıllarında gerçekleşmesi beklenmektedir.

Motorsiklet, bisiklet, tekerlekli sandalyeler, yelkenli tekneler gibi endüstriyel araçlar yakıt hücreleri için önemli bir pazardır. Pil’le çalışan araçlara göre avantajları daha fazladır. Ses ve koku sorunu olmadığından yakıt hücreli motorsikletlerin benzinlilerin yerini alması beklenmektedir.


Fotoğraf 1. APRILLA Yakıt Hücreli Motorsikleti.

Bu alandaki araştırma ve geliştirme çalışmaları hızla ilerlemekte ve mevcut güç çevrim teknolojileri ile ekonomik olarak rekabet edebilecek konuma hızla yaklaşılmaktadır. Başlangıçtaki yüksek maliyetler büyük oranda düşürülmüş, ilk prototip ürünlerin sahada uygulanma aşamasına gelinmiştir.

Yapılan araştırmalara göre, günümüzde; yakıt hücreleri toplam pazarı 218 milyon USD olarak tahmin edilmekte olup bu değerin 2004 yılına kadar 2.4 milyar USD ‘a ,2009 yılına kadar ise 7 milyar USD ‘a ulaşacağı öngörülmektedir. Bu çalışmaya göre, 2004 yılındaki yakıt hücresi pazarının, otomotiv uygulamaları bölümünün 750 milyon USD olması beklenmektedir. Yakıt Hücreleri, uzay görevlerinde uzun sürelerdir kullanılarak güvenilirliklerini kanıtlamış olsalar dahi, şu anda kullanılmak üzere dizayn edildikleri uygulamalarda kendilerini kanıtlamamışlardır. Halen en uzun süreli çalışan Yakıt Hücresi ömrü 20,000 saattir. Tasarlanan ömür ise 40,000 – 100,000 saattir.

Bazı Yakıt Hücresi üreticileri, ürünlerinin endüstriyel hedef olan 40,000 saatlik ömrü yakalayacağını ve deneylerinde her 1000 çalışma saatinde yakıt hücresi modülündeki performans kaybının % 0.25 olduğunu belirterek, 40,000 çalışma saati sonrası, sisteminin % 10’luk bir güç kaybına uğrayacağını belirtmektedirler.

Son birkaç yılda çok sayıda yakıt hücresi ile tahrik edilen otomobil, tren, uçak, denizaltı, motorsiklet, ticari araç ve otobüs prototipi geliştirilmiştir. Yakıt hücresi uygulamalarının, uzay çalışmaları kapsamından – otomotiv gündemine girmesinde, uyulması zorunlu emisyon regülasyonlarının etkisi büyüktür. 1992 yılında Birleşik Devletler Enerji dairesi (DOE); FORD, DC ve GM ile rekabet öncesi işbirliği kapsamında bir proje başlatarak öncü olmuştur. Projenin ilk yarısında, her üç firma birer prototip araca sahip olmuş, ikinci yarıda ise prototip üzerinde kendi geliştirme çalışmalarını yapma imkânı bulmuşlardır. Yüksek maliyet ve özellikle yakıt depolanması ile ilgili ciddi sorunlara rağmen, temmuz 2000’ de Hannover’de düzenlenen The First World Engineer’s Congress de, anılan firma üst düzey yöneticilerinin, yakıt hücresi ve hidrojeni geleceğin (2030’lu yıllar) enerji olgusu olarak ilân etmeleri, bu konudaki çalışmaların ve beklentilerin ciddiyetini arttırmıştır.

Yakıt Hücreli Araçların (FCEV), İçten Yanmalı Motorlu Araçlara (ICE ) GöreAvantajları;

• Doğrudan enerji dönüşümü mevcut (kompleks yanma mekanizması yok).
• Enerji dönüşümünde hareketli parça yok. Dolayısıyla kayıplar ve gürültü az.
• Enerji kullanımı çok düşük, emisyon yayınımı çok düşük
• Reformer kullanılarak, farklı yakıtların kullanımı mümkün.
• Verimliliği, sistemin boyutlarına bağlı değil.
• Yakıt hücresi verimliliği yarım yükteki çalışmalarda hissedilir şekilde değişmez.

Yakıt Hücreli Araçların (FCEV), İçten Yanmalı Motorlu Araçlara (ICE ) Göre Dezavantajları;

· Pazara giriş maliyeti yüksek
· Bazı yakıt türleri için bir dağıtım altyapısı gerekli
· Teknik problemleri tamamen çözümlenemedi

OTOMOTİV UYGULAMALARI

Yakıt pili teknolojisinde, günümüzdeki çalışmalar; maliyetin ve ağırlığın/hacmin düşürülmesi ve güvenliğin arttırılması yönünde devam etmektedir. Firmaların önemli bir kısmı da, yakıt pilli sistemlerin, içten yanmalı motor sistemleri ile aynı birim fiata gelmesine çalışmaktadırlar. Otomotiv için PEM yakıt pillerinin en iyi çözüm olduğunda görüş birliği sağlanmıştır. Gerek binek gerekse ticari araçlar için yakıt pili sistemleri geliştirilmekte ve üretilmektedir. Günümüzde; ABD, Japonya ve Avrupa’da 5. jenerasyon prototip yakıt pilli araçlar dolaşmaktadır/test edilmektedir. DaimlerChrysler, Ford ve Honda bu yıl itibarı ile ticari araçlara sahip olmuşlardır. 30 adet Mercedes-Benz Citaro otobüs 10 farklı Avrupa şehrinde kullanıma girmiştir.

How a hydrogen fuel cell engine works


Fotoğraf 2. Ticari Araç İçin Geliştirilmiş Yakıt Pili Sistemi.

Günümüzde çok sayıda komponentin bir araya gelmesi ile oluşan, modüler yapıların geliştirilmesi üzerinde çok ciddi yol alınmış durumdadır. Bu hem servis edilme kolaylığı hemde montaj kolaylığı sağlamaktadır. Fotoğraf 2. de Ballard’ın, Fotoğraf 3. te ise xcellis firmalarının geliştirdiği kompakt yakıt pilleri görülmektedir.


Fotoğraf 3. Yakıt Hücreli Otomobil Modüler Yapısı.


Firmalar bazında gelinen noktanın anlaşılması için son prototiplerine bir bakalım:

Daimler-Chrysler, sıkıştırılmış hidrojeni yakıt olarak kullanan FUEL CELL otobüsünü 2002 de ticarileştirdi. Otobüs 300 km menzile sahip ve saate 80 km hız yapabiliyor.

General Motors: "Precept" modeli ile iddialı. Sistem;
100kW lık PEM (400 cells, 260 - 340 V, 105 kW peak, 75 kW continuous) yakıt hücresi ile tahrik ediliyor ve yakıt olarak Hidrojen kullanıyor. Araç 100 km/h sabit hıza 9 saniyede ulaşabiliyor ve 800 km lik menzile sahip. 2004 başında müşterisi ile tanışmaya hazırlanıyor.

FORD FOCUS FCV (fotoğraf 4) aracında, motor XCELLSiS üretimi. Sistem sadece yakıt hücresi modülünü değil, modül için gerekli yakıt ve oksijeni sağlayacak üniteleri ve kontrol modüllerini de içeriyor. Yakıt hücresi modülü Mark 900 PEM serisi ve Ballard Power Systems üretimi.

Mark 900 serisi; yakın güçlerdeki rakiplerinden daha hafif ve daha kompakt olarak imal edilmiş. Ford Focus FCV, THINK grubu ile yapılan çalışmalar sonucunda ortaya çıkmış bir ürün. Yakıt olarak hidrojen kullanılıyor Hidrojen kaçaklarını tespit edebilmek için özel dedektörlere sahip. En düşük bir kaçak oluşumunda sistem kendini durdurmakta. Sensörler; yolcu bölümü, tankların ve boruların yakınındaki iletim alanları ve yakıt hücresi çevresine monte edilmiş durumda.


Fotoğraf 4. FORD FOCUS FCV.

Aracın ağırlığı 1120kg, PEM Yakıt pili : 7 kW max., H2 yakıt tankları : 720gr @ 200 bar, Hızlanma 0-50 km/h için 8s dir ve maksimum hız 100 km/h e, yakıt dolum zamanı <10 dak’ya, menzil (ECE cycle) ise 100 km’ye ulaşmıştır.

4 adet hidrojen yakıtlı – yakıt pilli ZEbus (zero emission bus) otobüs, Eylül 2001 den bu yana 13 ay Kaliforniyada toplu taşıma aracı olarak kullanıllmış ve yakından takip edilmiştir. Alınan sonuçlara bakıldığında; dizel motorlu bir otobüse gore hem sıfır emisyon yaymıştır hem de, güç, hız, ivmelenme ve konfor açısından bir fark olmadığı gözlenmiştir.

Kaliforniya da hepsi 5. jenerasyon 9 ayrı tip prototip araç test edilmektedir. Bu araçlar ve firmaları şöyledir;

· DaimlerChrysler’in : Necar 4, Necar 4a, Necar 5, ve Natrium fuel cell hybrid minivan,
· Honda’nın FCX-V3 (2 araç) ve FCX-V4,
· Ford’nın P2000 ve Focus FCV,
· Nissan’ın Xterrra FCV (2 araç).

Avrupa’da ise; 2002 yılı sonunda, 30 adet Mercedes Benz – Citaro otobüs, 10 ayrı Avrupa şehrinde halkın hizmetine sunulmuştur. Bu şehirler, deniz seviyesinden yükseklik, iklim farklılıkları ve sosyal farklılıkları içerecek şekilde seçilmiştir. Bu şehirlerden gelecek sonuçların değerlendirilmesi sonucu, optimal bir tasarıma yönlenilecektir.

Kanada da; 1999 – 2001arasında, hidrojen yakıtlı – yakıt piili 6 otobüs, Şikago – Vankover arasında toplu taşımacılıkta kullanılarak test edildi. Bu araçlar yaklaşık 200.000 km yol aldılar. Bu test’ten alınan bilgiler ışığında yapılan yeni tasarımda, bir öncekine gore % 50 ağırlık azaltıldı.

Bu olumlu duruma rağmen, yakıt pili sisteminde gelişimi beklenen konular mevcuttur. Bu konular şöyle sıralanabilir;

* Endüstriyel Teknolojinin Bilinmeyenlerinin Azaltılması
* Büyük Ölçekli Üretim ve Kullanıma Yönelik Alt Yapının Oluşturulması
* Üretim ve Enerji Kaynağı Maliyetlerinin Düşürülmesi
* Membranda su yönetimi
* Membranda ısı yönetimi
* Yetersiz hava ikmâli
* Çevresel standartlar ile uyum
* Modüle gönderilen hidrojen miktarının dengelenmesi
* Sistemin DC voltajı:
* Yakıt hücresi çıkış gücünün artış oranı
* Optimum operasyon şartlarının sağlanması için yardımcı sistemler arası koordinasyon
* Elektrik sinyallerinde parazit ve gürültü.
* Güvenlik regülasyonları için gerekli sızıntı önleme şartlarının sağlanması
* İnverter’ in kapasitörünün şarj edilmesi ve DC taraftaki kapasitörlerin teknolojisi.
* Acil kapatma sistemi ve kapatma sırasında sisteme giren yakıtın etkileri.
* Akünün kullanılmadığı durumlarda , regeneratif enerjinin kullanımı / sistemden

uzaklaştırılması.

* Dişli oranı ve dişli sistemi tipi
* Akünün yakıt hücresinden şarj edilmesi.
* Aküden ve yakıt hücresinden elde edilen gücün dağıtımının koordinasyonu
* (Özellikle DC/DC konverter olmadığı durumlarda)
* Aracın ve yakıt hücresi yardımcı ünitelerinin güç ihtiyacının sağlanması.
* Yakıt hücresi çıkış karakteristiklerinin akü ve tahrik sistemi karakteristikleri ile

beraber seçimi.

* Sevk edilen yakıt özelliklerinin ölçümü, sıcaklık/basınç ayarları, yakıt hücresi içindeki değişken kimyasal reaksiyonları kontrol eden ve ölçen gelişmiş sensörler.



Geleceğe Yönelik Pazar Beklentileri

Önemli firmaların bu konudaki değerlendirmelerini özetlemek gerekirse;

BMW : Geleceğin teknolojisi olarak, hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorları görüyor ve tüm çalışmalarını bu yöne kaydırmış durumda. HEV ve FCEV çalışması yaptı ancak son üç yıldır, bu tür çalışma yapmıyor.

Daimler Crysler: HEV araçlar konusunda ciddi bir çalışma yapmıyor. 2005 yılından itibaren FCEV araçların devreye girmesi gerektiğine inanıyor. Bu anlamda NECAR4a’ yı 2003 te ticarileştirecek. Yakıt olarak metanol üzerinde duruyor. FCEV Citaro otobüslerini ticarileştirmiş durumda. BP gerekli hidrojen yakıtı sağlayacak ve Londra’daki tüm şehiriçi otobüsler bu kapsamda 10 yıl içinde yenilenecek. Dodge Durango ve Mercedes A-class ile 2003 te HEV versiyonlarını üretecek.

FIAT: Seicento, Lancia ve Stilo modellerinde 2005 yılından itibaren %15 HEV’e yer verecek

GM / Mitsubishi: Beklentileri Ford ile hemen hemen aynı, 2005-2008 yılından itibaren bir 10 yıl kadar HEV araçların devrede olacağını bu tarihten sonra ise FCEV araçların pazar liderliğini alıp, 2030 yılında ICE lerin tamamen yerini alacağını düşünüyor ve planlarını buna göre yapıyor. Yakıt olarak hidrojen üzerinde duruyor. 2004 yılında Opel Zafira Minivan ile ticarileşmeyi planlıyor. Yakıt eldesi için Exxon ile birlikte çalışıyor.

HYUNDAI: HEV için bir çalışması yok. 2002 de 2 adet FCEV prototipi hazırlayacak. Özellikle Toyota’nın tecrübelerini izliyor.

HONDA: Sadece HEV Insight üzerine yoğunlaşmış durumda ve çok başarılı, 2020 yılına kadar bu teknolojinin hüküm süreceğini daha sonra FCEV teknolojisinin hakim olacağına inanıyor.

PSA / Renault / Nissan: 2010 yılına kadar bir FCEV otomobili ticarileştirmeyi planlıyor. Citroen Xsara/C4’ü HEV ‘Dynavolt’ aracını 2004 yılından itibaren Brezilya’da üretmeyi planlıyor. Renault Laguna 2005’te FCEV olarak, Renault Scenic, Hypermini ve Twingo modellerinde % 5 oranında HEV üretmeyi planlıyor.

TOYOTA: Prius HEV aracı ile lider durumda, bunu daha güçlendirerek Avrupa ve K.Amerika’da da piyasaya sürdü. 2002 de Previa, 2003 te ise Yaris ile ticarileşecek. Bunun yanısıra 2002’den itibaren, Crown sedan/Athlete/Royal ve Estima modellerinde üretiminin %5’inin HEV olarak gerçekleştirecek. Bunun yanısıra metanol yakıtlı 25 kw cell’li RAV4 bir FCEV üzerinde çalışıyor. GM ile ortak çalışma kararı almış durumdalar.Yakıt eldesi için Exxon ile ortak proje yürütüyorlar.


A. Murat YILDIRIM

FORD OTOSAN, Ürün Geliştirme Departmanı
Motor & Güç Aktarma Grubu
FORD Otomotiv Sanayi A.S., Ankara Asfaltı 4. Km. 81150 Üsküdar-İstanbul
myildiri @ ford.com.tr

[schkurpat]

SONUÇ VE DEĞERLENDİRME - 2020 Yılına Kadar Otomotiv’in Yol Haritası

* Yakıt hücreli prototip araçlar içinde henüz 10 000 saatlik ömür (durability) testini tamamlayan araç yok. Ayrıca kazada güvenlik testleri de eksik. FMEA çalışmaları devam ediyor.
* Firmalar 2004 yılına kadar, 2. Jenerasyon yakıt hücreli prototip araçlarını çıkarıp, belirli sayıda müşterilere verip test edecekler.
* Sistem ile ilgili tüm testlerin 2008 yılına kadar tamamlanması ve ‘’nihai kararın’’ verilmesi hedefleniyor.
* 2012 yılından itibaren; önce üretimin % 15’i ile seri’ye geçilmesi ve 2030 yılına kadar dönüşümün tamamlanması hedefleniyor.
* Yakıt olarak Hidrojenin kullanımı kesinleşti. Depolama ve dağıtım altyapısı için çalışılıyor. Sodyum bor hidrür bu konuda ciddi bir çözüm olarak görülüyor.
* 2008-2030 yılı arasındaki geçiş döneminde hibrit araçların (dizel motorlu) devrede olması planlanıyor.
* Hibrit araçlar; şehir içinde elektrik motoru ile şehir dışında ise dizel motoru ile tahrik olacak. Geliştirilen starter/alternatör sistemi, aracın yavaşlamasında elektrik üretip, depolayacak.
* Hibrit araçlarda kullanılan motorlar, ağırlık hedefi nedeniyle alüminyum ağırlıklı
* ve 2. Jenerasyon common rail enjeksiyon sistemine sahip olacak.

Yakıt hücresi çalışmalarının yüksek maliyetine rağmen, yabancı ortakların geliştirme çalışmalarına devam ettikleri görülüyor. Uluslararası dev şirket patronlarının, çeşitli konferanslarda yakıt hücrelerini hedef olarak göstermeleri ve yatırımlarını, stratejilerini buna göre düzenlemeleri, konunun önemini arttırıyor.

KAYNAKLAR

1. Walzer P., Future Power Plants for Cars, SAE 2001-01-3192.
2. Stan C., Advanced Automotive Propolsion Systems-Alternatives, Combinations and Trends., SAE 2001-01-2521.
3. Report, of the World Engineers Congress, The Future Automobile & Transportations Trends, Hannover, Germany, 19-21 June,2000.
4. Fortnagel M., Internal Combustion Engines and Fuell Cells-Potential and Limitations as Automotive Power Sources, Int. AVL Congress, Graz,Austria, sept.,2001
5. Günter Fraidl., Internal Combustion Engine Concepts for the Future, Int. AVL Congress, Graz,Austria, sept.,2001
6. Günter Fraidl., Internal Combustion Engine Concepts for the Future, Int. AVL Congress, Graz,Austria, sept.,2001
7. Nierhauve B., Alternative Fuels for Future Powertrains, Int. AVL Congress, Graz,Austria, sept.,2001
8. Yıldırım, A.M., Ulaştırma Sektöründe Enerji Kullanımı ve Geleceğe Ait Öngörüler, Türkiye Enerji Forumu, İş Bankası Oditoryumu, 2002.




Armağan Abi yazıyı düzenlediğin için teşekkürler aktarırken bozuldu sanırım, düzeltmeye çalıştım ama tam olmamıştı sanırım...

[schkurpat]

http://www.fuelcells.org

bu konu ile ilgili çok kapsamlı bir site,


http://www.fuelcells.org/info/librar...wers062404.pdf

ayrıca hidrojen yakıt hücreli motorlarla ilgili sorular ve cevaplar (pdf dosyası)... okursanız hidrojenin daha ekonomik ve güvenli olduğunu ayrıca yollarda göreceğimiz günlerin hiç de uzak olmadığını fark edeceksiniz... ama maalesef ingilizce

[blackjack]

Paylaşım ve bilgiler için teşekkürler.