Otomobil üreticileri, içten yanmalı motorlar olsun elektrikli motorlar olsun bir şekilde araçlarını hareket ettirmenin en uygun yollarını araştırmaktadırlar maalesef ki bu konuda birden fazla parametrenin oluşu bu sorunu gerçekten bazen içinden çıkılmaz bir hale sokmaktadır. Evet bizler yıllardır araçlarımızı fosil yakıtların farklı formlarını kullanarak hareket ettirmeye çalıştık fakat günümüz dünyası için küresel ısınma, insan nüfusunun artması ve bu küresel ısınmaya araçlarımızın egzozundan salınan emisyon oranının yükseltici etkisi gibi problemler bizleri alternatif yakıtları kullanmaya itmiştir. Bunun yanında, hali hazırda fosil yakıtlarının da rezerv miktarı olarak sonuna geldiğimizin gerçeğiyle yüzleşilmesi tabi ki farklı yakıt tiplerinin kullanımını son yıllarda insanoğlunun gündemine önemli bir konu olarak getirmiştir.

Peki içten yanmalı otomobilin ilk seri üretim bandından inmesinin ve insanoğlunun hizmetine sunulmasından bu yana yüzyıl gibi bir süreden fazlası geçtiği halde bizler neden hala fosil yakıtlara mahkumuz, işte bunun cevabı değerli arkadaşlar tabi ki petrol gücünü elinde bulunduran ülkelerin dayatmaları ve halihazırda zaten bu yöntemle çalışan araçlara rakip olacak bir yakıt türünün olmaması diyebiliriz. Sizde takdir edersiniz ki petrolün dünya ekonomisine etkisi inanılmaz boyutlardadır ve hiç bir ülke bu ekonomik gücü elinden alınsın istemez fakat son yıllarda zaten istesek de rezervimizin kalmayacağı gerçeği bizleri farklı alternatif yakıtların kullanımına itmiştir.

Elektrikli araçlara baktığımızda ise geçmişi çok yeni değil hatta belki de içten yanmalı motorlar kadar eski bir tarihe sahiptirler fakat bizler bu sistemleri belki de son 15 yıldır yollarda görebiliyoruz ya da medya organlarında izleyebiliyoruz, tabi ki elektrikli araçlar hakkında bir çok teknolojik testler ve gelişimler yapılmaktadır, elektrikli sistemlerin altyapısının çok yeni olmadığı bu sistemlere geçişin yıllar öncesinden planının yapıldığı gayet ortadadır. Konumuza dönecek olursam bugün herkes tarafından hayatı boyunca muhakkak hidrojenle çalışan arabalar gelecek ya da suyla çalışan arabalar gelecek öyle olacak böyle olacak gibi yazı ya da haber karşımıza çıkmıştır benim ise bu yazımda ki amacım bu kadar popüler olan bir konunun biraz daha en azından gelecekte kullanımının tartışmalı olmasına rağmen nasıl çalıştığı ve ya nedir bu hidrojenle çalışan araba sorusunun cevabını sizlere aktarmaktır umarım severek okursunuz

İçten Yanmalı Motorlarda Kullanılan Alternatif Enerji Yöntemleri

Hidrojen yakıtına geçmeden önce bizler malumunuz araçlarımızda yaygın olarak benzin, mazot, LPG (Liquified Petroleum Gas) gibi yakıtları kullanmanın yanı sıra birde hibrit otomobillerde hem elektrikli motorun hem içten yanmalı motorun birlikte çalıştığı, tamamen elektrikli araçlarda ise yalnızca elektrik motorunun, bataryalar vasıtası ile hareketinin sağlandığı sistemleri günümüz dünyasında sıklıkla kullanıyoruz. Elektrikli otomobiller dışında kullanılan yakıtların çevreye verdikleri tahribat ve bu yakıtların zaten ileride mecburen kaynağının bitecek olması insanoğlunu farklı yakıt tipleri ve alternatif enerji konularında Ar-Ge çalışmaları yapmaya zorlamıştır. Mevcut motor çalışma tiplerinde aşırı farklılığa gitmeden petrole alternatif olabilecek yakıt tipleri araştırması sonucu ise en yaygın kullanılma olasılığı olan alternatif yakıtlar ise alkol(Metanol-Etanol), doğalgaz(Compressed Natural Gas-CNG), sıvılaştırılmış petrol gazı(LPG), hidrojen ve biyokütle olarak sıralanabilir.

Hidrojen Yakıt Sistemi Nedir ?

Doğadaki en hafif element olarak bilinen Hidrojen elementi 1766 yılında İngiliz bilim adamı Sir Cavendish tarafından bulunmuştur. Renksiz, kokusuz, tatsız bir yapıda olan hidrojen elementi periyodik tabloda H simgesi ile kendine yer etmiştir. Atom ağırlığı 1,00797 kg/kmol ve atom sayısı ise 1 olan elementtir. Hidrojen doğada en çok bulunan element olmasına rağmen hafifliği sebebi ile yükselip atmosferde bulunması nedeni ile serbest halde çok az olarak bulunur. Hidrojenin doğada oldukça çok miktarda bulunması ve otomobil yakıtı olarak kullanılması sonucunda araç egzozundan su buharı olarak dışarı atılması gibi özellikleri ile yakıt arayışında olan biz otomotiv ve makine mühendisleri için ve dünyada otomobil üreticiliği yapan kuruluşlar için aslında bulunmaz bir kumaştır diyebiliriz tabi ki bu yönleri ile sadece  Hidrojenin yanma ısısı oldukça yüksektir ve aynı ağırlıktaki benzine göre sıvı hidrojenden elde edilen enerji miktarı, benzine göre 2.75 kat daha fazladır. Doğada bol miktarda bulunması, yüksek yanma ısısına ve benzine göre daha fazla enerji miktarına sahip olması ve tabi ki sıfır emisyon değerine sahip olması sebepleri ile hidrojen elementini alternatif yakıt konusunda yıllardır tartışılan ve geliştirilip kullanılmasının düşünüldüğü yakıt türleri arasına girmiştir.

Hidrojenin İçten Yanmalı Motorlarda Kullanılması

Hidrojen tıpkı bugün kullandığımız içten yanmalı motor yakıtları olan benzin, mazot, motorin LPG, doğalgaz(CNG) yakıtlar gibi içten yanmalı motorlarda aynı prensiple kullanılabilirler. Hem buji ile ateşlemeli hem de enjeksiyonlu motorlarda, sistemde büyük bir değişiklik yapmadan kullanılabilmektedir. Yakıt içerisindeki kimyasal bağ enerjisi yanma sonrasında mekanik enerjiye dönüşmektedir ve bizde bu sayede aracımızın tekerleklerinin ihtiyacı olan hareketi karşılamış olmaktayız. İçten yanmalı motorlarda hidrojen yakıtının kullanımı sonrası ise büyük avantajlar elde edilebilmektedir, bunlar ise yüksek alev hızı, tutuşma yeteneğinin artması, düşük ateşleme enerjisi gerekmesi, yüksek ısıl değer ve termik verim, geniş tutuşma ve yanma sınırları, sıfır emisyon oranı ile çevreye kötü emisyon gazlarının salınımının önüne geçilmesi ve sahip olduğu yüksek oktan sayısı ile vuruntuya karşı direnç göstermesi hidrojenin güçlü bir alternatif yakıt adayı olduğunun göstergesidir.

Hidrojenin benzin ve dizel yakıtlar ile çeşitli karışım oranlarında, çift yakıtlı karışım olarak kullanılabilmesi durumu ve bu yakıt tipine geçiş döneminde içten yanmalı motorlarda büyük değişimler yapılmaması ve olağan sistemin korunması avantajı, hidrojeni önemli bir yakıt alternatifi durumuna getirmiştir. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının 1 atm. basınçta 574-595 C gibi bir değere sahip olmasının ve oktan sayısının yüksek olması gibi özellikleri ile hidrojenin otto motorlarında kullanımını avantaj sağlamaktadır. Çok fakir karışımlardan, çok zengin karışımlara kadar uzanan geniş yakıt-hava karışım oranları aralığında tutuşabilir ve hava fazlalık katsayısının 0.15-4.35 değerleri arasında olup yine tutuşma sağlayabilme avantajlarına sahip olması hidrojenin avantajlı yönlerindendir.

Evet buraya kadar çok güzel yönlerini anlattık her güzelin bir kusuru olduğu gibi hidrojen yakıt türümüzün de belki de şu an bu kadar yaygın olmamasının asıl nedenlerinden olan eksi yanlarına bakalım şimdi isterseniz. Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımı sonrasında ise bir takım problemler vukuu bulmaktadır. Bunlar ise geri tutuşma ve erken ateşleme, yanma odasına gönderilen yakıt-hava karışımının erken tutuşması sonucu motor emme manifoldu içinde geriye doğru alev tutuşması meydana gelmesi ve motorun yüksek devirde çalışması durumlarında yanma odasındaki sıcak noktalarında karışımın erken ateşlenmesine sebebiyet vermesi gibi nedenler motor mekanik aksamlarına ciddi zararlar verebilir bunların minimuma indirilmesi için gerekli Ar-Ge çalışmalarının yapılması gerekmektedir. Bunları engellemek için ise EGR(Exhaust Gas Recirculation) gibi sistemlerin kullanılması sonucu yanma odasında ki yakıt-hava karışımının fakirleştirilip bu sorunların ortadan kalkması hedeflenebilir fakat yine de bu sistemlerde verimi düşürmesi ve yakıt sarfiyatını arttırması sebebi ile istenilen oranda iyileştirme sağlamamaktadır.

Hidrojenin Yakıt Pilli Motorlarda Kullanılması

Günümüzde gördüğümüz ya da hidrojenle çalışır denilerek satışı yapılan otomobillerdeki hidrojen kullanım sistemi aslında bu şekildedir. Hidrojenle çalışan araçlara yakıt hücreli elektrik araçları(Fuel Cell Electric Vehicles) denmektedir ve günümüz verilerine göre bu sistemi en çok kullanan ülke ise Danimarka’dır. Yakıt pili dediğimiz şey aslında otomobillerde ve diğer enerji üretimi konularında kullanılan sessiz, verimli, çevreyi kirletmeyen ve elektrokimyasal prensip ile yakıt enerjisini elektrik enerjisine döndüren sistemlerdir. Otomobillerde kullanılan hidrojen yakıtlı, yakıt pillerinin ana çalışma amacı burada üretilen ve DC’den AC’ye dönüştürülen elektrik akımının kullanımı neticesinde AC (Alternatif Akım) elektrik motorlarından elde edilen enerji ile tekerlerin hareket ettirilmesi sistemine dayanır.

Elektro-kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ile aracımız hareket etmiş olur yani burada içten yanmalı motorlar gibi bir yanma işlemi yoktur ve aslında günümüzdeki kullanılan hidrojenli araçlar bu şekilde çalışır. Evet yakıt olarak hidrojen kullanılıyor bir deposu da var fakat bilinenin aksine dediğim gibi bir araç içinde benzin ya da dizel araçlar gibi içten yanmalı motor bulunmamaktadır. Bu sistemin böyle olması neticesi ile yüksek araç sıcaklığı, yüksek basınç ya da hareketli parçaların fazla olmasının bir sorunu olan parça yıpranması, aşırı gürültü gibi parametreler ortadan kaldırılmış oluyor. Hidrojen yakıtının yakıt pili(batarya) teknolojisi ile entegre bir şekilde kullanılması sonucu ise az titreşimli, daha az gürültülü, daha verimli bir sürüş geri bildirimleri ortaya çıkmaktadır. Bunlar da bizim bir otomobilde olmasını istediğimiz parametrelerdir.

Yakıt hücresi sistemine baktığımız zaman aslında çok karmaşık bir yapısı bulunmamaktadır. Bir tarafında platinden oluşan bir bölüm bulunmakta ve hidrojen bu platine gönderilmektedir. Çalışma sıcaklığının 80 C olması ve bu sıcaklık ortamının bulunmasından dolayı reaksiyon hızının yavaş olmasına çözüm olarak katalizör kullanılması gerekir ve bu nedenle platinyum plakalar tercih edilmektedir. Burada hidrojen molekülü elektrona ayrılıyor hidrojen formunda iken parçalanarak iki tane H atomuna dönüşmüş oluyor. Bu sırada boşa çıkan elektronlar elektrik üretmek için kullanılıyorlar bu elektronlar, elektrik motoruna gönderilip direkt elektrik enerjisine dönüştürülmüş oluyorlar. Yakıt hücresinde bulunan bir filtre bölümü vardır aslında bu mekanizma katı polimer membran zardan meydana gelmektedir bu membran zarın görevi protonları(+) karşıya tarafa geçirirken, elektronları(-) ise karşıya geçirmeme görevini üstlenmektedir. Bu filtre sayesinde yalnızca pozitif yüklenmiş elementlerin geçişine izin verilmesi ile az önce pozitif yüklenmiş olan hidrojen atomlarının da buradan geçmesine olanak tanınmış oluyor. Bu filtreden sadece pozitif yüklü hidrojen atomlarının geçmesi ile bu atomlar yakıt hücresinin karşı tarafında normal hava ile karşılaşıyorlar ve havanın içindeki oksijen ile hidrojen tepkimeye girerek ortaya H2O yani bildiğimiz su çıkmış oluyor. Bu nedenle hidrojen ile çalışan araçların egzozlarından su çıkmasını yadırgamamak gerekiyor.

GÜNÜMÜZDE HİDROJEN YAKITLARA BAKIŞ AÇISI

Aslında çoğu yaygın görüşe baktığımızda gelecekte hakimiyetin elektrikli otomobillerde olacağını söylemek mümkün fakat yine de azımsanmayacak bir kesime baktığımızda ise hidrojen ile çalışan araçların gelecekte daha çok kullanılacağı yönünde fikirleri mevcut. Aslında bizde bir kıyaslama yaptığımızda ortaya nasıl bir sonuç çıkacak bunu siz değerli okuyuculara bırakmak istiyorum.

Son zamanlarda Honda, Toyota, Hyundai gibi uzak doğu ülke firmalarının hidrojen ile çalışan otomobillerin Ar-Ge çalışmasına büyük yatırımlar yapmaktadırlar ve bu firmaların yanı sıra Avrupa ve Amerika menşeili birçok firma da yine bu sistemler hakkında geliştirici çalışmalar yürütmektedirler. Aslında hidrojen yakıtların kullanımı kesinlikle bir takım düzeltmelere ihtiyacı vardır çünkü yakıt olarak kullanımını düşündüğümüzde avantajlı yönü gerçekten çok cazip ve azımsanamayacak bir etkide iken dezavantajları da bir o kadar kötü seviyede olmaktadır ve bu sorunlara çözüm bulunup ortadan kaldırılması kesinlikle gereklidir.

Hidrojen ve Elektrikli Otomobillerin Karşılaştırılması

Hidrojen ile çalışan araçlar ile elektrikli araçların avantaj ve dezavantajlarına baktığımızda ilk göze çarpan özellik her iki yakıt tipinin de sıfır emisyon değerleri ile çalışmasıdır ve bu da bizim gerçekten ihtiyacımız olan ve olması gereken kriterlerimizden biridir. Araçla gidilen menzil konusuna geldiğimizde ise burada hidrojen ile çalışan sistemlerin elektrikli araçlara göre biraz daha avantajlı olduğunu söylemek mümkün. Bu menzil konusunu somut örneklerle ortaya koymak istediğimizde ise Hyundai’nin kendi sitesine baktığımızda hidrojen yakıtı ile çalışan Hyundai Nexo model aracın 156 litrelik hidrojen deposunu kullanarak toplam 800 km’lik menzile sahip olması gerçekten inanılmaz bir yol mesafesi ortaya koymaktadır.

Elektrikli araçlardan örneğimiz ise Tesla model S Long Range Plus aracına baktığımızda, tek dolum ile gidilebilen menzil ise 650 km olarak belirtilmekte, bu menzil konusu hakkında hidrojenli yakıtların daha uzun mesafeler gidebildiğini söylemek mümkündür. Sürüş kalitesi ve motor sesi konularına geldiğimizde ise burada avantajlı ya da dezavantajlı olan yoktur çünkü iki sistemde de itiş gücü tamamen elektrikli olduğu için hidrojenli ve elektrikli araçların sürüş kaliteleri ve karakteristikleri aynıdır. Bir diğer karşılaştırma başlığımıza geçelim burada ise karşılaştırdığımız konu şarj stilleri ve süreleri, hidrojenli araçlar yine burada ön plana çıkmaktadır çünkü elektrikli araçlarla kıyaslandığında bir deposunun 5 dakika gibi bir sürede dolumunun sağlanabiliyor olması onu gerçekten öne çıkarıyor.

Elektrikli araçlarda bu süre hızlı şarj istasyonlarında yarım saat gibi bir süre de %80 dolum sağlar iken, normal hızlı şarj istasyonlarında ise bu süre 2.5-4 saat gibi rakamları bulmaktadır. Evet dolum süresi olarak hidrojen sistemli araçların önde olduğu aşikardır fakat perspektifimizi değiştirdiğimizde ise şu olayla karşılaşmaktayız. Hidrojen yakıtının dolumunu yapabileceğimiz istasyon bulmak gerçekten çok zor, bu soruna neden olan sıkıntı ise hidrojenin en hafif element olmasının depolama açısından zorluklar çıkartmasıdır. Hidrojen gaz fazında depolanmasının petrole göre 4 kat daha fazla yer kapladığından dolayı hidrojenin sıvılaştırılarak depolanması gerekir bunu sağlamak için ise yüksek basınç ve soğutma işleminin sağlanması gerekmektedir. Bu nedenler ise bizim hidrojene ulaşmamızın önünde büyük engeller oluşturarak yakıt istasyonlarında hidrojen gazı temin etmeyi neredeyse imkansız hale getirmektedir.

Halihazırda bu sistemi kullanmak isteyen otomobil üreticisi markaların birinci Ar-Ge öncelikleri konusu ise tamamen bu depolama yöntemleri üzerinedir, elektrikli araçlarda ise artık dolum istasyonları popülerliğini kullanarak artmakta ve elektrikli araç kullanan insanlar istasyon bulamama sıkıntısını neredeyse çekmemektedirler ve ayrıca kendi evlerinde de elektrik dolumu yapabilme avantajıyla sanırım bu yakıt dolumu kıyaslamasında elektrikli araçlar daha önde diyebiliriz. Şu konuya da parantez açmak istiyorum gelecekte tabi ki insanların elektrikli araçların kullanım sıklığı artacağı için her tip araç modeli için bu dolum sürelerinin azaltılması kesinlikle gerekmektedir çünkü insan taşımacılığı ve lojistik alanlarında kullanılacak elektrikli araçlarda bu dolum süreleri gerçekten problem yaratabilecek nitelikte olabilir.

Karşılaştırma kriterlerimize devam edecek olursak, FCEV sistemlerin menzil uzunlukları dış sıcaklığa göre değişiklik göstermemesi ile elektrikli araçlara göre daha avantajlı konumdadır diyebiliriz. Yani hidrojen yakıtı ile çalışan araçların menzili soğuk havalardan olumsuz şekilde etkilenmemektedir bu konuda hidrojenli araçları yine bir tık öne taşımaktadır. Şimdi gelelim birazda hidrojen yakıtı kullanan araçların dezavantajlı oldukları kısımlara. İlk olarak en büyük handikabı olan dolum istasyon sayılarının azlığından bahsetmiştik şimdi ise fiyat karşılaştırması yaptığımızda hidrojen ile çalışan araçların, elektrikli araçlara göre daha pahalı olduğu açıkça ortadadır. FCEV teknolojilerinde kullanılan değerli materyallerden biri olan platinin kullanımı ve halihazırda sanayileşmemiş üretim alışkanlığı gibi parametreler bu maliyet miktarını arttırmaktadır, şöyle özetlemek gerekirse yakıt istasyon azlığından dolayı insanlar hidrojen ile çalışan araçları tercih etmiyor, tercih edilmeyen bu araçlar ise çok üretilmiyor bunun getirisi olarak da fiyatları elektrikli otomobillere göre gerçekten çok yüksek seviyede oluyor.

Hidrojen ile çalışan araçların ebat olarak büyük üretilme zorunluluğu ise yine bu fiyat konusunu tetiklemektedir çünkü FCEV sistemli araçlarda bir hidrojen tankı bulunuyor ve bu tank ekstra olarak bir alan kaplıyor bu nedenden dolayı bir Renault Zoe örneği gibi bir araç tasarlamak gerçekten çok zor ve bu sebeplerde hidrojen ile çalışan otomobillerin satış stratejisi için büyük bir dezavantaj sağlamaktadır. Elektrikli araçlarda ise böyle bir dezavantaj yoktur her batarya tipine göre fiyat seçeneği ile elektrikli araçların fiyatları hidrojenli araçlara göre daha düşük maliyete sahiptirler ve bu özelliği ile de geleceğin lideri konumunda bulunmaktadırlar. Bir diğer kriterimiz ise yine maliyet ile alakalı, ülkemizde araç kullanıcılarının belki de en çok merak ettiği konulardan biri olan ne kadar yakar bu araçlar sorusunun karşılaştırmasını yapacak olursak eğer hidrojen yakıtının depolanması ve hidrojen istasyonlarının azlığı gibi nedenler ile hidrojenli araçlar, elektrikli araçlara göre neredeyse 2 kat daha fazla yakıt maliyeti ortaya çıkarmaktadırlar. Bu da gerçekten hidrojenin maliyetini etkilemektedir bu nedenle hidrojenle çalışan araç sistemlerini kullanmak isteyen markaların öncelikli çalışma alanı ise bu yakıtların nasıl depolanacağı ve kullanılacağı yönünde olmaktadır.

Elektrikli araçların ise belki de en önemli artısı olan bu yakıt tasarrufu konusu ile hidrojenli araçlara büyük bir fark atmaktadır zira elektrikli araçların ortalama yakıt masrafının normal araçlara göre %80 azalttığı yönünde veriler mevcuttur. Son olarak bir karşılaştırma yapacak olursak eğer bu karşılaştırma ise emisyon değerleri hakkında olacaktır evet iki sistemde sıfır emisyon mantalitesi ile çalışmakta fakat burada hidrojenin üretilmesinde kullanılan elektriğin nasıl elde edildiği sorusunun önemi çok büyüktür çünkü bu elektriğin üretiminde fosil yakıtların kullanımı söz konusu ise bizim kullanacağımız bu hidrojen yakıtının da öyle ya da böyle doğaya bir karbon salınımı yapma etkisinin olduğu ortadadır. Yine de dediğim gibi bu konu tamamıyla hidrojenin nasıl elde edildiği ile alakalıdır evet sıfır emisyon mantalitesine uysa da yine de üretim şekli bu parametreyi belirlemektedir. Bu konuda yine çok az da olsa elektrikli araçlara göre dezavantajlı konuma düşmektedirler diyebiliriz.