Havacılıkta hidrojen teknolojileri

Son yıllarda havacılıkta hidrojen teknolojilerine ilgi artmaya başlamıştır. Bu teknolojiler içerisinde hidrojen yakıt pilleri ayrı bir öneme sahip olup yakıt pili kullanılan projelerin sayısında artışlar görülmektedir. Bilindiği üzere uzay mekiklerinde itki için kullanılan yakıt türü de hidrojendir. Ayrıca 1960’lı yıllarda uzaya gönderilen Apollo serisi ilk uzay mekiklerinde General Electric tarafından geliştirilen, hem elektrik üretmek hem de oluşan suyun astronotlara içme suyu sağlaması amacı ile yakıt pilleri kullanılmıştır. Bunun dışında günümüzde enerji üretim ihtiyacının olduğu her alanda özellikle ulaşım, telekomünikasyon, medikal, tarım ve hayvancılık gibi birçok farklı alanlarda da hidrojen yakıtı hem yakılarak hem de elektrokimyasal dönüşüm aracı olarak kullanılmaktadır.

Havacılıkta hidrojen kullanımının tarihi 1950’li yıllara dayanmaktadır. Motorlarda hidrojen kullanılmış ve bazı uygulamalarda da yakıt pilleri kullanılmıştır. 1957 yılında B-57 uçağının bir motoru hidrojenle çalışacak şekilde modifiye edilmiştir. Daha sonra Tu-154 uçağının motorlarından birisi de sıvı hidrojenle çalıştırılmıştır. Özellikle AIRBUS ve BOEING sıvı hidrojenle ve yakıt pilleriyle çalışan motorlar kullanarak uçuş denemeleri gerçekleştirmişlerdir. AIRBUS, 27 Temmuz 2007’de Hamburg’da gerçekleştirdiği test uçuşlarında gerekli elektrik ve hidrolik gücün bir kısmını yakıt pilleri vasıtasıyla sağlamıştır. 2008 yılında DIMONA, BOEING tarafından yakıt pili kullanılarak başarıyla uçurulmuştur. Bu doğrultuda çalışmalar devam etmekte fakat ilerleme oldukça yavaştır. Daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğunu düşünüyorum. Bilindiği üzere çevre kirliliği konusunda uçaklar çok büyük etkiye sahiptir. Zaman zaman uçakların atmosfere verdiği zarar gündemin konusu olmaktadır. Bu yönde yapılan başarılı çalışmalar çevre kirliliği konusunda çok büyük bir adım olacaktır. Temiz bir atmosfer ve temiz bir dünyaya destek sağlayacaktır.

Hidrojen teknolojileri konusunda son yıllardaki en çok ilgi gören alan İnsansız Hava Araçları (İHA) sektörüdür. Bu sektörde hidrojen kullanımı hususunda ciddi çalışmalar yapılmaktadır. İHA’lar hidrojen yakıt piliyle daha uzun süre havada kalabileceklerdir. Bildiğimiz üzere İHA’lar ortalama 5000 – 15000 m aralığında uçmaktadırlar. Özellikle yüksekliğe bağlı olarak görüntü alma ve silah kullandığında hedefi vurma konusunda başarılar elde edilmektedir. Mevcut İHA’larda genellikle içten yanmalı motorlar kullanılmakta ve bu durum hava aracının sesli çalışmasına neden olmaktadır. Çoğu zaman motor sesi aşağıdan duyulmaktadır. Doğal olarak yere yakın mesafelerde içten yanmalı motor ile çalışan İHA’nın konumu tespit edilmektedir. Bu sebeple mini İHA sistemlerinde içten yanmalı motora göre çok daha sessiz olan batarya ile çalışan elektrikli motor kullanılmaktadır. Fakat batarya ile havada kalma süresi oldukça sınırlı olmakla beraber bu süre mini elden atılabilir İHA’lar için 1 saat civarındadır. Batarya yerine hidrojenle çalışan yakıt pilleri kullanıldığında da hem sessizlik sağlanmakta hem de havada kalma süresinde önemli derecede artış söz konusu olmaktadır. Amerika Birleşik Devletlerinde (ABD) Naval Research Laboratory (NRL) tarafından geliştirilen Ion Tiger isimli İHA sistemi Hidrojen yakıt pili sistemi aracılığıyla son on yılda İHA sistemlerinde hidrojen yakıt pillerinin kullanımında önemli çalışmalara imza atmıştır. Ion Tiger, 2009 yılında 26 saat havada kalma rekorunu 2013 yılında sıvı hidrojen kullanarak 48 saate çıkararak aynı kategorideki batarya ile çalışan İHA sistemlerine büyük bir üstünlük sağlamıştır. Ion Tiger’da yakıt pili yerine batarya kullanılmış olsaydı sadece 4 saat havada kalabilecekti. Yine Lockheed Martin firmasınca geliştirilen Stalker-XE isimli aynı kategorideki mini İHA, propan gazını (çakmak gazı) yakıt pilinde kullanarak 8 saatin üzerinde uçuş süresine ulaştığı bildirilmiştir. Firmanın propan gazı kullanma gerekçesi ise saf hidrojenin operasyon sahasına taşıma gereksinimi olduğudur. Fakat kendi İHA sistemlerinin ihtiyaç duyduğu yakıtı dünyanın her yerinde bulabileceklerini iddia etmişlerdir. Askeri açıdan düşünülürse operasyon sahasında daha uzun süre kalabilen düşük irtifalı taşınabilir sistemler sayesinde askeri üstünlük sağlanacaktır. Yine döner kanat sistemlerin en önemli sorunu havada kalma sürelerinin çok kısıtlı olmasıdır. Bugün tüm İHA sınıfı döner kanat kategorisinde bulunan hava araçlarında havada kalma süresi ortalama 30 dakikadır. Hylium Industries tarafından geliştirilen sıvı hidrojen ile çalışan yakıt pillerinin havada kalma sürelerinin 12 saate kadar çıktığı belirtilmiştir. Bu çalışma süreleri, hidrojenin hava araçlarında neden kullanılması gerektiğini ispat eden niteliktedir. Hidrojen yakıt piliyle İHA’lar daha fazla süre havada kalarak, kullanım alanına göre daha etkin olacaktır. Diğer önemli avantaj ise hidrojen yakıt pilinin diğer güç kaynaklarına göre daha hafif olacağından dolayı İHA’nın faydalı yük kapasitesi artacaktır. Bu durumda İHA’nın fonksiyonelliği artacaktır. Ülkemizde de bu alanda hızlı bir ilerleme sağlamak için bu alanda Ar-Ge projelerine desteklerin arttırılması önem arz etmektedir. Hidrojen-yakıt pilleri özellikle askeri alanda kullanılan İHA sistemlerinde, akıllı füze sistemlerinde, denizaltı torpido sistemlerinde, otonom kara araçlarında, denizaltı ve otonom mini deniz altı sistemlerinde enerji sorununu çözebilecek ve bu sistemlere daha uzun süre enerji sağlayabilecek kritik sistemlerdir.

Ülkemiz genelinde hidrojen konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Araştırma merkezleri kurulmuştur. Araştırma konusunda belli mesafeler alınmıştır. Ürüne yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Hidrojen yakıtlı ürünler piyasada yerini almaya başlamıştır. Bu doğrultuda çok hızlı bir şekilde yakıt pilli İHA’lar geliştirilmeye başlanmalıdır. Sessizlik sağlayacak, faydalı yükü arttıracak İHA’ları en kısa zamanda semalarımızda görmek dileğiyle….

Hidrojen yakıtını tanıyalım

Hidrojen (H) evrende oldukça fazla bulunan ve tüm elementler içerisinde en hafifi olan, renksiz, kokusuz, metalik olmayan, oldukça yanıcı bir gazdır. Tabiatta bileşikler halinde bulunan hidrojen ikincil enerji kaynağı grubundadır. Dünyada en çok su ile bileşik halinde olan hidrojen, güneş ve yıldızların termonükleer tepkimeye göstermiş olduğu ısının da yakıtıdır. Hidrojen, suyun yanı sıra, bütün hayvansal ve bitkisel maddelerde, petrolde ve kömürde bulunur. En önemli özelliklerinden biri sıvı haldeki hacminin gaz halindekinin yaklaşık 1/800’ü kadar olmasıdır. Atmosfer basıncında -253°C’ye soğutulduğunda sıvı hale gelen hidrojenin sıvılaşması helyum elementinden sonra en güç gazdır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılabilmesi için doğadaki bileşiklerden ayrıştırılması gerekir. Günümüzde hidrojen diğer yöntemlere göre ucuz olduğu için en çok doğal gazdan üretilmektedir. Üretilmesi göz önünde bulundurulduğunda günümüz şartlarında petrol gibi hazır yakıtlar kadar kârlı değildir. Yapılan bilimsel araştırmalar hidrojen yakıtının ve hidrojenden üretilen sentetik yakıtların üretim maliyetlerinin 2030’dan sonra petrol ile eşdeğer olacağını göstermektedir.

Günümüzde üretimi petrole göre pahalı olsa da fazla enerjinin depolanmasında en iyi yöntem olarak gösterilmektedir. Örneğin enerjinin çok yoğun kullanıldığı gündüz saatlerinde tüm enerji üreteçleri (rüzgâr, güneş, hidroelektrik santral, nükleer, termik vb.) enerji dağıtım hatlarını beslemektedir. Enerjinin az kullanıldığı zaman dilimlerinde ise kapatılması en kolay olanlar kullanım dışı bırakılmaktadır. Bunlardan hidroelektrik, güneş ve rüzgâr gibi tamamen kapatılmayan ve enerji üretmeye devam eden sistemlerin dağıtım hattının arzına göre devreye alınıp alınmaması durumları söz konusu olmaktadır. Bu santrallerin ürettikleri enerjinin bataryalara depolanması maliyet açısından mümkün olmadığı için bu zaman diliminde kullanım dışı olan fazla enerji, suyun elektrolizi ile hidrojen üretiminde kullanılması son yıllarda uygulanan yöntemlerden bir tanesidir. Hidrojenin çevreci olarak su döngüsü içerisinde olması için yenilebilir enerji ile hidroelektrik, güneş ve rüzgâr enerjisi ile sudan üretilmesi gerekmektedir. Üretilen hidrojen gazı büyük dolum santrallerinde sıvı olarak depolanır, son kullanıcıda ise çelik tüplerde veya çok hafif karbon kompozit tanklarda kullanılması mümkündür. Hidrojenin sıvılaştırılması ve gaz halinde depolanması için birçok teknolojik çalışmalar yapılmaktadır. Yapılan çalışmalarda önemli başarılar elde edilmiş ve eskiden bilinen depolama sorunlarının ticari kısmı aşılmıştır. Fakat bu sahada araştırma ve geliştirmeler halen devam etmektedir.

Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji değerine (142 MJ/kg) sahiptir. Buna göre hidrojenin benzinden kütlece 3 kat daha fazla enerji yoğunluğu bulunmaktadır. Fakat hidrojen elementi yapısı ile sıvı halde hacimce benzinden 3 kat daha az enerjiye (10 MJ/L) sahiptir. Bu dezavantajını yüksek enerji dönüşüm verimine sahip olması ile kapatmaktadır. Hidrojen elementi yakıt olarak içten yanmalı bir sistemde kullanılarak yararlı enerjiye dönüştürülebileceği gibi elektrokimyasal olarak da doğrudan elektrik enerjisi dönüşümü sağlayabilmektedir. Bu özelliği hidrojeni diğer yakıtlardan ayıran en önemli avantajlarındandır. Hidrojeni elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlara yakıt pili denilmektedir. Çalışma sıcaklıklarına ve kullandıkları elektrot/elektrolit yapılarına göre çeşitli yakıt pilleri bulunmaktadır. Bunlardan PEM yakıt pilleri (Proton Exchange Membrane) piyasada ticari olarak satılan ve birçok üreticisinin olduğu düşük sıcaklıklarda çalışan (80°C) yakıt pili türüdür. Diğer popüler yakıt pili türü olan katı oksit yakıt pillerinde (KOYP) PEM yakıt pilinin kullandığı pahalı ve saf hidrojen gerektiren platinyum katalizörünün aksine nispeten ucuz ve doğada çok bulunan metaller kullanılmaktadır. Fakat yüksek sıcaklıklarda (500 – 800°C) çalışması geliştirilmesi gereken mühendislik problemlerini de beraberinde getirmektedir. Buna rağmen KOYP evsel uygulamalar için Japonya’da ve Avrupa’da pilot bölgelerde kullanılan ve gelecek vaat eden önemli bir yakıt pili türüdür.

Yakıt pilleri içten yanmalı motorlara göre enerji dönüşüm işlemini mekanik kayıp olmadan, sessiz ve yüksek verimde yapmaktadır. Hidrojenin elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüşüm verimi %60’ın üzerinde olup petrol yakıtlarına göre ortalama %33 daha verimlidir. Yakıt pilleri birleşik ısı ve güç sistemlerinde (kojerenasyon) kullanılmaya müsait olup bu durumda ısı ve güç verimi toplam olarak %85’in üzerine çıkmaktadır. Hidrojenden elektrokimyasal olarak elektrik enerjisi elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde üretimi söz konusu değildir. Hidrojenin yakılarak kullanılması durumunda yanma sonucu yine su buharı ve yanma sıcaklığına bağlı olarak az miktarda azot oksit gazı ortaya çıkmaktadır. Bu özellikleri ile hidrojen kullanımı birçok sektöre heyecan vermektedir. Özellikle otomotiv sektörü bu alanda önemli atılımlara imza atmıştır. Japon otomotiv devleri Toyota ve Honda son kullanıcıya satmak üzere yakıt pili ile çalışan otomobillerini ABD, Avrupa ve Japonya da 2016 yılından bu yana satmaktadırlar. Bu araçların menzilleri yaklaşık 500 km olup 700 bar basınçta sıkıştırılmış hidrojen gazı kullanmaktadırlar. İlgili firmalar yeni model araçlarının menzillerini iki kat artıracaklarını da belirtmişlerdir. Satış rakamları batarya ile çalışan elektrikli Tesla ile rekabet edebilecek fiyatlarda olup her iki Japon firmasının sadece ABD’de toplam satış rakamları 4 yılda 45 bin adeti geçmiştir. Kore markası Hyundai ise SUV kategorisi ile hidrojen yakıt pilli aracını son kullanıcı için ticari olarak satmaya başlamıştır. Mercedes yeni tip katalizörleri ile araçlarda kullandıkları yakıt pillerinin maliyetini rekabet edebilir seviyeye indirdiğini belirtmiş ve hidrojen dolum istasyonu noktalarını açmaya başlamıştır. Diğer otomotiv devleri de hidrojen yakıt pili ile çalışan araçlarının prototiplerini her yıl güncellemekte ve geleceğe ayak uydurmak ve rakiplerinden geride kalmamak için çalışmalarını sürdürmektedir. Başta otomotivin merkezi olan Almanya olmak üzere birçok Avrupa ülkesi 2025 yılından başlayarak dizel araçların yasaklanması, daha sonra içten yanmalı motorların yasaklanması şeklinde kararlarını almış durumdadır. Buna göre birçok otomotiv üreticisi günümüzde hibrit ve/veya elektrikli araçlarını son kullanıcı için piyasaya sürmüştür.

Ülkemizde de yerli otomobilin elektrikli SUV olarak çıkarılacak olmasının oldukça isabetli bir karar olduğunu düşünüyorum. Fakat yerli markamız tarafından hidrojen yakıt pili ile çalışan otomobil ile ilgili bir çalışma olmadığı görülmekte olup bu alanda da çalışma yapmanın gerekli olduğu kanaatindeyim. İçten yanmalı devrinin elektrikliye dönüşümünün devamında hidrojen yakıt pili ile çalışan elektrikli araçların gelecekte daha yaygın olacağı öngörülmektedir. Bu öngörüyü dünyadaki toplam lityum rezervinin tüm araçlara yetmeyeceği tezi desteklemektedir.

Kaynak: https://haber.aero/surmanset/hidrojen-yakitini-taniyalim/