HIDROJEN VE YAKIT HUCRELERININ OTOMOTIV UYGULAMALARI
HİDROJEN VE YAKIT HÜCRELERİNİN OTOMOTİV UYGULAMALARI
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 kaynaklar kullanılmaktadır.
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.ım 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.oranı artacak ve hidrojen geleceğin yakıtı olacakıtır.
YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARIN (FCEV), İÇTEN YANMALI MOTORLU ARAÇLARA (ICE ) GÖRE AVANTAJLARI
• 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.
YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARIN (FCEV), İÇTEN YANMALI MOTORLU ARAÇLARA (ICE ) GÖRE DEZAVANTAJLARI
· 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.
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.
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 kordinasyonu
* (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
