İçten Yanmalı Motorlarda Hidrojen Kullanımı

Hidrojen içten yanmalı motorlar için çok iyi bir yakıttır. Hidrojen güçlü içten yanmalı motorlar benzinli motorlara göre %20 daha verimlidir.

İçten yanmalı motorlarda ideal termal verim oranı:

Burada;

r = sıkıştırma oranı

k = Spesifik ısılar oranı (Cp/Cv)

Bu denklem termal verimin spesifik ısılar oranı ya da sıkıştırma oranını arttırmakla arttırılabileceğini gösterir. Hidrojen motorlarında, hidrojenin düşük kendinden ateşleme sıcaklığı ve fakir karışımlarda yanma yeteneği dolayısıyla bu oranlar benzin motorlarına göre daha yüksektir.

Hidrojen Motoru Emisyon Oranı

Benzin Motoru Emisyon Oranları

Hidrojen yakıtının içten yanmalı motorlarda yani otobüs, kamyon, traktör, ile tarım makineleri gibi tüm taşıtlarda kullanılabilmesi, sınırlı rezerve sahip petrol ürünlerinin yerini alması ve çevreye dost bir enerji olması, son yıllarda araç üreten şirketlerin büyük ilgisini çekmiştir. Benzin veya mazot yerine motorlarda hidrojen gazı kullanılması motorların yakma sisteminde bir takım değişiklikler gerektirmektedir. Hidrojen yakıtlı motor tasarımlarında bugüne kadar kullanılan 3 temel yöntem aşağıda verilmiştir.

1-Hidrojen-hava karışımı, değişmez bir oranda silindirlerin giriş manifolduna verilmekte olup, motor gücü hidrojen-hava karışım miktarlarını değiştiren bir valf vasıtasıyla ayarlanmaktadır. Sistemde özellikle yüksek hızlarda düzgün çalışmayı sağlamak için, hidrojen-hava karışımına su buharı ilave edilmesi gerekebilir.

2-Hidrojen gazı basınç altında silindirlere enjekte edilir. Hava ise başka bir giriş manifoldu aracılığı ile ayrı olarak silindirlere geldiği için, hidrojen-hava patlayıcı karışımı silindirlerin dışında oluşmaz. Bu yöntem ilk yönteme göre daha emniyetlidir.

3-Bu yöntemde de ikinciye benzer şekilde silindirlere ayrı ayrı hidrojen-hava karışımı verilmesine karşın hidrojen yüksek basınç yerine normal veya orta basınçta tutulur ve motor gücü hidrojen miktarını değiştirmekle ayarlanır. Burada silindirlere giden hava tutarı değişmediği için değişim sadece hidrojen-hava karışımında meydana gelir. Böyle bir ayarlama hidrojen-hava karışım oranının oldukça geniş bir aralıkta patlama özelliğine sahip olması nedeniyle kolayca gerçekleştirilebilir.

Hidrojen ve Benzin Motorları için Yanma Odası Hacimsel ve Enerji Karşılaştırmaları

İster içten yanmalı, isterse yakıt pilli olsun taşıtlara temel sorun hidrojenin depolanmasıdır. Bu konuda yapılan çalışmalarda yine 3 ayrı yöntem geliştirilmiştir.

1-Basınçlı hidrojenin, çelik tüpler içine yerleştirerek taşınması, bu güne kadar geliştiren bir çok deneme amaçlı hidrojenle çalışan taşıtta kullanılan yöntem olmuştur. Burada görülen en bük sorun çelik tüplerin kendi ağırlıklarıdır. Benzin li bir otomobil ortalama olarak 65 litre (47kg) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir.

2-Hidrojeni sıvı olarak depolamak ağırlık sorununu çözmekle birlikte, tank hacmi ve maliyeti yükseltmektedir. Diğer bir sorun ise, hidrojenin gaz haline geçmesi ile oluşan kayıplar ve yakıt ikmali zorluğudur.

3-Metal hidritler hidrojen depolamak için çok uygun bir yöntem olmasına karşın, bunlarında kendi ağırlıkları ciddi sorun olarak ortaya çıkmaktadır.

Daha önce belirtilen üç metal hidritten, Magnezyum-Nikel, en fazla hidrojen depolaması ve en ucuz olmasına karşın, yine ağırlık olarak taşıta 500kg gibi bir ek yük getirmektedir. Bir diğer sorun da, hidrojen gazını belli basınç da elde edebilmek için, metal hidritin, 250 0C ye ısıtılması gereğidir. Bu sıcaklık araç çalışırken egzost çıkışından elde edilen sıcak gazla sağlanabilmekle beraber, motorun ilk başta soğukken çalıştırılması sorun yaratmaktadır. Bu sorun, Almanya da otobüslerde denen yeni bir yöntemle çözülmüştür. Bu otobüslerde, düşük sıcaklıkta hidrojen sağlayan Demir-Titanyum alaşımı ile Magnezyum-Nikel alaşımı birlikte kullanılmıştır. Buna göre, ilk alaşım motor soğukken devreye girmekte daha sonra ikinci alaşım devreye girerek süreklilik sağlanmaktadır. Birinci alaşımda depolanan hidrojen, daha sonraki bir ilk çalıştırma için yedekte tutulmaktadır.

Bütün bu sorunlara karşın, hidrojenin özellikle, otobüs, kamyon ve traktör gibi ağır taşıtlarda kullanımı gittikçe artmakta ve gelişen teknoloji ile birlikte sorunlar giderek çözülmektedir. Petrolün sınırlı ömrü ve artan çevre kirliliği, hidrojen yakıtı kullanımının yaygınlaşmasına yol açmaktadır.

Hidrojen yakıtının ilk kullanım alanlarından biri jet uçakları olup, bu konuda ilk olarak 1957 yılında yapılan denemelerden sora yapılan çalışmalar artık ticari uygulama aşamasına gelmiştir. Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi uçakların yakıt olarak hidrojen kullanması 2007 yılında başlayacaktır. Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanılabileceği için, yüksek hızı supersonic uçaklar için ideal bir yakıt olarak görülmektedir.

Hidrojen İçten Yanmalı Motoru

Buhar Üretimi

Hidrojen saf oksijen ile yakıldığında sonuç olarak ;

2H2+O2 » 2H2O elde edilir.

Üstteki reaksiyon 3. 000 ºC üzerindeki sıcaklıklarda elde edilir bu yüzden harici bir su buhar sıcaklığı istenen düzeyde kalabilsin diye ilave edilir.

Hidrojen buhar jenaratörleri güç santrallerinde buhar üretmek, elektrik üretiminde tepe değerlere ulaşmak ve tıbbi teknoloji ile biyoteknolojide kullanılır.

Tipik Bir Buhar Jenaratörü

Katalitik Yanma

Hidrojen ve oksijen uygun bir katalizör eşliğinde normal alevli yanmadan daha düşük sıcaklıklarda yanabilirler. Bu prensip katalitik yakıcılar ve ısıtıcılarda kullanılır. Katalitik yakıcıların kullanılabileceği yerler arasında yemek pişirme, mekan ısıtma gibi evsel uygulamalar yer alabilir.

Katalitik Yakıcı

Metal Hidritler

Hidrojenin metal hidritler ile bileşik oluşturabilme özelliği sadece hidrojen depolamasında değil ayrıca farklı enerji dönüşümlerinde de kullanılabilir. Bunlara örnek olarak aşağıdaki maddeleri verebiliriz.

1-Isı Depolama

2-Elektrik Depolama

3-Isıtma ve Soğutma

4-Elektrik Üretimi

5-Pompalama

6-Hidrojen Saflaştırılması

7-Döteryum Ayrıştırılması