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 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.

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.

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.

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.

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

Hidrojen Yakıt Pilinin Kullanım Alanları ve Dünya Üzerindeki Gelişimi

 - Hidrojen ve Yakıt Pili Kullanımı İle Dünya Üzerindeki Gelişimi -

Daha önce de belirtildiği gibi hidrojenden, yakıt pili teknolojisi ile elektrik elde edilmektedir. Bugüne kadar, yakıt pillerini çeşitli yönleriyle inceleyen 200′den fazla araştırma NASA tarafından desteklenmiştir. Bugün, Apollo ve Space Shuttle görevlerinde güvenli olarak elektrik (ve su) sağlamış olmaları nedeniyle, yakıt pilleri uzaydaki rollerini ispatlamış bulunmaktadır.

Bu başarılar, 1960′larda, yakıt pillerinin dünyanın enerji problemlerinin tümüne çözüm olabileceği tahminlerine yol açmış ve 1970′li yıllarda çalışmalara başlanmış, 2000′li yıllarda ülkelerin enerji politikalarında önemli yer tutmaya başlamıştır.

ABD Başkanı G.W. Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmada hidrojen enerjisini hürriyet yakıtı olarak tanımlamış ve bu alandaki çalışmalara destek amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir. ONSI Corp. adında bir Amerikan firması 200 kW enerji sağlayan fosforik asit tipi (PC25) yakıt pilinin pazarlamasını yapmaktadır. 

Japonya’da WE-NET (World Energy Network) projesi ile Tokyo metropolitan bölgesinde hidrojen kullanımı ile oluşacak azot oksit emisyonundaki azalma potansiyeli araştırılmaktadır. WE-NET Programı Japonya’nın Uluslar Arası Ticaret ve Endüstri Bakanlığınca desteklenmektedir. Bu programda Japonya hidrojen enerji sistemini geliştirmek üzere 2020 yılına kadar 4 milyar $’lık bir bütçe ayırmıştır. Gelecekte de Pasifik denizinin ekvator bölgesinde yapay bir adada solar radyasyon kullanarak deniz suyundan elektrolizle hidrojen üretmeyi planlamaktadırlar.

Halen Japonya’da Tokyo Electric Company tarafından kurulan 11 MW’lık elektrik santralı Rokko adasının elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamakla birlikte, kapasiteleri 50 ile 500 MW arasında değişen yüzlerce yakıt pilli tesis bulunmaktadır. Sadece Tokyo’da şehrin elektrik ihtiyacının 40.000 kW’lık bölümü hidrojen enerji sistemlerinden sağlanmaktadır.

Japonya’da Tokyo Electric Company’nin yanısıra Sanyo, Hitachi, Toshiba, Kawasaki, Fuji Electric, Kansai Electric, Amerika’da, Westinghouse, Institute of Gas Technology (IGT), Unocal, San Diego Gas and Electric, Avustralya’da Seramic Fuell Cell Ltd, Avrupa’da Siemens KWU, Dornier System, Sulter Innotec, dünyada yakıt hücreli sistemleri kullanan ve gelişimi için çalışmalar yapan şirketlerden bazılarıdır.

Siemens Kaliforniya’da 200 konutun elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamak üzere 250kW’lık gaz türbinli, yakıt hücreli bir kojenerasyon sistemi kurmuştur .

Avrupa merkezli Alstom, Asya merkezli Japon Ebora firmaları ile ortak çalışan Kanada’nın Ballard firması PEM tipi yakıt pili kullanan, 250 kW elektrik, 230 kW ısısal güce sahip jeneratörleri satışa sunmuştur.
Honda araştırma ve geliştirme bölümü doğal gazdan yakıt pilli araçlar için hidrojen üreten, elde edilen elektriğin ve sıcak suyun yine üretildiği evde kullanımını sağlayan “Hidrojen Ev Enerji İstasyonu” (HES) adlı proje başlatmıştır. Proje çerçevesinde California’da deneysel amaçlı kurulan evde çalışmalar hidrojen üretimi, depolanması ve yakıt olarak kullanılması gerçekleştirilecektir.

Almanya’da Münih havaalanında çalışan otomobil ve otobüslerin hidrojen enerjisi kullanması yönündeki projenin yanısıra Neurenburg yakınlarında mini bir hidrojen enerji sisteminin kurulduğu bir program yürütülmektedir. Solar-Wasserstoff-Bayern burada güneş hidrojen tesisi, depolama sistemi ve hidrojen kullanma sistemleri kurmuştur. Almanya ayrıca Suudi Arabistan ile ortak yürüttüğü Hysolar programı ile Suudi Arabistan’ın Riyad yakınında güneş hidrojen üretim tesisi kurmayı planlanmaktadır. Suudi Arabistan hidrojeni ihraç edecektir.

Avrupa ve Kanada arasındaki Euro-Quebec diğer uluslar arası başarılı programdır.

İzlanda’da hükümet, üniversiteler, taşıma şirketleri, fabrikalar ve çok uluslu otomobil ve petrol şirketleri konsorsiyumu oluşturulmuş ve 2030 yılına kadar İzlanda’nın tamamen hidrojen enerjisine geçmesi planlanmıştır. Dünyanın ilk hidrojen dolum istasyonu Shell tarafından İzlanda’da açılmıştır.

Hidrojen Dolum İstasyonu

Bunlara ilave olarak İspanya’da INTA solar hidrojen tesisi, İtalya, Almanya, Norveç’te SAPHYS küçük ölçekli fotovoltaik-hidrojen enerji sistemi ve Almanya’da PHOEBUS pilot tesisi gibi birçok proje yürütülmektedir.

Ayrıca araçların %65′inin scooter (küçük motosiklet) olduğu Tayvan’da yakıt hücreli skoter kullanımı desteklenmekte ve ZES (sıfır emisyonlu scooter) Asya Pasifik Yakıt Pili Teknolojisi Ltd. ve Kwang-Yang Motor Co. işbirliği ile üretilmektedir.

Ulaşım sektöründe, yakıt pili ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini de minimum düzeye indirecektir. Yakıt pilli otobüs üretimini gerçekleştiren Kanada’nın Ballard Şirketinin yanısıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW, Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek çabasındadırlar. 1993′ten bu yana çok sayıda prototip araç üretilmiştir. Alman Daimler Chrysler’in ürettiği, yakıt pilini Ballard’dan sağladığı, NECAR4 (sıvı hidrojenle çalışır) ve metanol dönüştürücülü NECAR5, General Motors’un Opel, “Zafira” adı verilen ve 75 kW’ lık Ballard “tescilli” yakıt pili taşıyan aracı, Ford tarafından üretilen “Think FC5″ler, Toyota’nın RAV-4 ve Fine-N’i, Nissan Renessa ve Mitsubishi, Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV, Renault’un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir.

Taşıtlarda hidrojenin içten yanmalı motorlar veya yakıt pilleri aracılığıyla kullanımı konusunda da, Daimler-Benz şirketinin sıfır emisyonlu minibüs’ü, BMW, Dodge, Buick, Suzuki firmalarının deneme otomobilleri, Macchi-Ansoldo”nun ve MAN firmasının SL202 otobüsleri, Kanada demiryollarının Lokomotifi ile Almanya, Avustralya ve Kanada donanmaları için imal edilen deniz altılar sayılabilir.

Mercedes-Crysler firması, büyük şehirlerde çevre kirliliğini önlemek için, 30 adet hidrojen ile çalışan 70 kişilik toplu taşım araçlarını 10 Avrupa başkentinde, her türlü iklim ve arazi şartlarında denemektedir. Bu araçlarda sistem elektrik motoru ile hareket eder, motor, piston, krank ve şanzıman yoktur.

General Motor hidrojen enerji teknolojisinin kullanıldığı, 20 cm kalınlığında, 120 cm eninde, 240 cm boyunda bir platform ile dört tekerden oluşan bir otomobil üretimi projelendirmiştir. Projeye göre bu platforma sahip olan kişi istediği kaportayı takarak otomobilini kullanabilecektir. Bu otomobillerde içten yanmalı motor, piston ve krank bulunmadığından bunun yerine her tekerleğin göbeğinde 20 kW’lık müstakil elektrik motorları arabaya gerekli hareketi sağlayıp, yüksek emniyet içinde sistemin süper kompakt bir yapıya kavuşmasına olanak sağlanmaktadır.

Bunların dışında, %15-20 hidrojen ve %80- 85 doğal gaz karışımından oluşan hytane adlı yaktı ile çalışan yeni bir otobüs 1993 yılından beri Montreal’de (Kanada) denenmektedir.
Hidrojen, uzun yıllardır uzay mekiği ve diğer tüm roketlerde rakipsiz bir yakıt olarak kullanılmaktadır. Ancak, bunların dışında uçaklarda ilk kullanımı 1956 yılında B-57 Canberra deneme uçağında gerçekleştirilmiştir. Sovyetler Birliği de 1988 yılında Tupolev-155 deneme uçağında yakıt olarak hidrojen kullanmıştır. Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi uçakların yakıt olarak hidrojen kullanması 2007 yılında başlayacaktır. Hidrojenin ticari uçaklarda yaygın kullanımı konusunda Avrupa Airbus konsorsiyumu ile Almanya-Rusya ortak çalışmaları sürmektedir.

 Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanılabileceği için, yüksek hızlı supersonic uçaklar için ideal bir yakıt olarak görülmektedir.

Amerika’nın Duffy Boats firması elektrikle çalışan ilk tekneyi geçtiğimiz aylarda üretmiştir. Her biri 1.5 kW gücünde 4 yakıt piliyle hareketlendirilmiş olan bu tekne yakın gelecekte, sahillerde, nehirlerde, kanal ve boğazlarda yani ulaşımın su üzerinde yapıldığı her yerde taksi görevini görecektir.

Hidrojen enerjisi son yıllarda daha çok taşınabilir cihazlarda yakıt olarak kullanılmak üzere tasarlanmaya başlanmıştır.İlk olarak laptoplar için tasarlanan yakıt hücreleri günümüzde cep telefonlarının da yakıt ihtiyacını karşılayacak kadar minimalize edilmiş durumdadır.Minyatür yakıt pilleri henüz prototip aşamasında olup birkaç yıl içerisinde satışa çıkmaları beklenmektedir.Günümüz nikel-kadmiyum pilleriyle en fazla 4-5 gün dayanan cep telefonu yakıt pilleri teknolojisinin piyasaya çıkmasıyla beraber 1 ay şarj edilmeden kullanılabilecek hale gelecektir.Ayrıca şu anda ortalama 3-4 saatlik batarya süreleri ile kullanılabilen laptoplar da 2-3 gün kesintisiz olarak hizmet sunabilecek duruma gelecektir.Cep telefonu ve laptoplar için düşünülen yakıt hücreleri tipleri metanol yakıt pilleri ile tasarlanmaktadır.