Gerçekte tek bir otomobilin çevreye yaydığı gazların tutarı çok da fazla değildir. Ne var ki otomobil sayısı artınca durum değişiyor. Bugün büyük kentlerdeki hava kirliliğinin birinci nedeni milyonlarca taşıtın çıkardığı gazlardır.

Bir taşıt, yakıtın motorda yanması sonrasında zararlı yan ürün olarak birtakım gazlar oluşturur. Bu gazlar da hava kirliliğine ve küresel ısınmaya yol açar.

Benzin ve dizel yakıtları, hidrokarbon olarak anılan, hidrojen ve karbon içeren bileşiklerdir. Kuramsal olarak kusursuz bir motorda, havadaki oksijenle yakıttaki hidrojen birleşerek suya dönüşürken yakıttaki karbonla birleşen oksijen de karbondioksite (CO2) dönüşür. Motorda gerçekleşen bu yanma sürecinden havadaki azot (N) hiç etkilenmez. Ne var ki gerçekte yanma süreci kusursuz değildir ve bu sırada motorda birkaç çeşit zararlı gaz da ortaya çıkar. Bu gazlar, hidrokarbonlar, azot oksitler ve karbon monoksittir. Hidrokarbonlar, motorda yanmayan ya da kısmen yanan yakıt molekülleridir.

Motorun yüksek basınç ve sıcaklık altındaki ortamında, havadaki azot ve oksijen atomları da tepkimeye girerek değişik azot oksit bileşikleri oluşturur. Bunlar kısaca NOx biçiminde gösterilir.

Taşıtların egzoz borularından çıkan bu gazlardan başka, bir de yakıt depolarında buharlaşan yakıtın oluşturduğu gaz salımı vardır. Bu yakıt buharı, sıcak günlerde havadaki hidrokarbon kirliliğinin önemli bir bölümünü oluşturur. Park halindeki taşıtların yakıt depolarındaki yakıt, çevre sıcaklığının artmasıyla buharlaşmaya başlar. Gitmekte olan taşıtlardaysa ısınan motorlar, az da olsa yakıt buharlaşmasına yol açar.

Yakıt Pilleri

• Dünyanın önde gelen otomobil şirketleri 1990’lı yıllarda elektrikli taşılar üzerinde yapılan Ar-Ge çalışmalarına hız verdiler. Bu çalışmalarda bilim adamları, üç tür elektrikli taşıt üzerinde yoğunlaştı :
• Akümülatör’lü taşıtlar
• Hibrit (elektrikli/ benzinli) taşıtlar
• Yakıt pilli taşıtlar
• Yakıt pilleri elektrokimyasal bir süreç sonunda yakıtta depolanmış enerjiyi doğrudan doğru akıma dönüştürüyor hareketli parçalar yoktur. Bu süreçte, geleneksel taşıtlarda olduğu gibi bir yanma evresi de bulunmuyor. Bu nedenle temiz bir çevre ve insan sağlığı açısından eşsiz bir teknoloji. Yakıt pillerinde yakıt olarak metanol, etanol, doğalgaz , LPG ya da hidrojen kullanılabilir. Ama tüm bu yakıtlar arasında enerji verimi en yüksek olanı hidrojendir. Ayrıca hidrojen, yan ürün olarak yalnızca su baharı çıkartır. Öteki yakıtlarsa, az da olsa zehirli ya da sera etkisine yol açan gazlar yaymaktadırlar. Bunların enerji verimi de hidrojeninki kadar yüksek değildir. Şekil de bir yakıt pilinin elemanlarını göstermektedir.

Bütün yakıt pilleri aynı temel ilkelerle çalışır. Yakıt pillerinde iki ince elektrot ve bunların arasına sıkıştırılmış bir elektrolit bulunur. Anoda gelen yakıt, orada iyonlara ve elektronlara ayrışır. İyonlar elektrolitten geçip katoda ulaşırken elektronlar da bir elektik devresi üzerinden OC motoruna gönderilir. Katotta iyonlar oksijenle birleşip su buharı ve karbondioksit üretir. Yakıt pilinde kullanılan yakıta ve elektrolite bağlı olarak farklı tepkimeler olur. Farklı tepkimelerde de değişik yan ürünler ortaya çıkar.

Kullanılan elektrolite göre dört çeşit yakıt pili vardır:

• Fosforik asit
• Ergimiş karbonatlı
• Katı oksitli
• Proton geçiren zarlı (PEM)s

Bu dört farklı yakıt pili arasında, taşıtlarda kullanıma en uygun olanı PEM’li yakıt hücreleridir.

PEM’li yakıt hücrelerinde elektrolit olarak ince bir zar (PEM) kullanılıyor. Zarın iki tarafında iki plaka (elektrotlar)  bulunuyor. Bu elektrotlardan birine oksijen ötekine de hidrojen veriliyor. Doğal olarak bileşme eğilimindeki iki gazın arasındaki zar, birleşme sürecini değiştiriyor. Bu zar yalnızca hidrojen atomu çekirdeklerinin (tek proton) geçmesine izin veriyor. Elektronlarsa elektrotta kalıyor. Böylece bu elektrot (anot) eksi yükleniyor. Öte yandan karşı tarafa geçen protonlar da o elektrotu (katot) artı yüklüyor. Bu iki elektrot arasında kurulan bir elektrik devresinde de akım oluşuyor. Bu olayın yan ürünü olarak oksijenin hidrojenle birleşmesinin sonucunda su ortaya çıkıyor. Eğer yakıt pilinde yakıt olarak hidrojen yerine doğalgaz kullanılırsa yan ürün olarak az bir miktar CO2 oluşuyor. Ama doğalgazdan elde edilen enerjinin verimi hidrojenin ki kadar yüksek değildir.

Yakıt Pilli Araç Geliştirme Çalışmaları

Daimler-Benz : 1990’ların başında hemen hemen bütün büyük otomobil şirketleri yakıt pilleriyle işleyen otomobillere yönelik araştırma programı başlattılar. Ballard  Daimler-Benz ortaklığı neticesinde 1994 yılı mayıs ayında PEM’li yakıt pilleriyle çalışan ilk otomobili birlikte ürettiler ; NACAR I (New Electric Car) . NECAR I iki kişi taşıyabiliyordu. Menzili de yalnızca 130 km’ydi. İki yıl sonra yine Mayıs ayında NECAR II üretildi. NECAR  II altı kişi taşıyabiliyordu ve menzili de iki katına çıkarılmıştı : 250 km. NECAR I ‘den %20 daha hafif olan bu minibüsün erişebildiği en yüksek hız da 90 km/Saat’ti. 1997 başlarında NEBUS adlı otobüs üretildi. 250 km menzilli bu otobüs kent içi ulaşımında geleneksel otobüsler gibi rahatlıkla kullanılabiliyor. NEBUS çatısındaki güneş panelleri sayesinde ek bir elektrik üretimi daha gerçekleştirebiliyor. Bu elektrik de otobüsün havalandırma sisteminde kullanılıyor. Aynı yılın Eylül’ünde NECAR III halka gösterildi. NECAR III önceki üç taşıttan da farklıydı. Yakıt olarak hidrojen değil metanol kullanıyordu. Metanol deki hidrojen , otomobilin seyri sırasında ayrıştırılıp yakıt pillerine veriliyordu. Yakıt olarak benzin ve dizel de düşünülmüş ama bunların verimleri düşük olduğundan metanol tercih edilmiş. NECAR III bir depo (40 litre) metanol’le 400 km gidebiliyor. Daha önceki modeller gibi NECAR III’ün de egsoz borusundan yalnızca su buharı çıkıyor. Otomobil çok sessiz ilerliyor.  İçindeyken bir kompresörün hafif mırıltısı duyuluyor; dışarıdansa hiç ses duyulmuyor

Öyle görünüyor ki 21. Yüzyılda dünya dengeleri petrol üzerine değil de yeni ve temiz bir enerji kaynağı olan hidrojen üzerine kurulacak. Dünyanın en büyük petrol şirketleri, otomobil üreticileri ve elektrik şirketleri hidrojenden elektriği en verimli biçimde üretecek yakıt pillerini geliştirmeye çalışıyor. Gelişmelere bakılırsa iki binli yıllara yakıt pilli taşıtları kullanarak gireceğiz. Yüzyılın ortalarına doğra da evlerimizde, işyerlerimizde kullandığımız elektrik yine yakıt pilli santrallerde üretiliyor olacaktır. [28,34]

Necar I ve Necar II yakıt olarak doğrudan hidrojeni kullanıyorlardı. Yakıt deposunun ve öteki aygıtların büyüklüğü nedeniyle bu taşıtlar minibüs tipindeydi. Ancak Necar III’te yakıt olarak metanolün kullanılması yakıt deposunu çok küçülttü. Donanımın geri kalanındaki küçülme sonucunda da günümüz otomobillerinden hiçbir farkı olmayan bir elektrikli otomobil ortaya çıktı. [27]

Necar 4 Mercedes – Benz’in A serisi baz alınarak yapılmış ve sıvı hidrojen ile çalışan bir arabasıdır. Yakıt pili hidrojen ve oksijeni reaksiyona sokarak arabanın gitmesi için gerekli elektriği üretiyor. Necar 4 sıfır emisyona sahip ve bir tank yakıtla 280 mil (450 km) gidebiliyor. Araç 90 mpH (145 km/s) hıza ulaşabiliyor ve 5 kişi taşıyabiliyor. Necar 4’ün bir önceki modeli Necar 130 mpH hıza ulaşabiliyordu. Daimler Chrysler 2004 yılında aracı az miktarda da olsa seri üretim olarak üretmeyi düşünüyor. Şirket 2004 yılına kadar 11.4 milyon doları yakıt pili teknolojisinin geliştirilmesine harcamayı düşünüyor.

Necar 4, aracın arkasında bulunan ve termosa benzeyen cryogenic silindirde saklanan sıvı hidrojen ile çalışmaktadır. Yakıt daha sonra (proton değişim zarlı yakıt hücresi)(Proton Exchange Membrane Fuell Cell) PEMFC’in içerisinde platinyum kaplı zar hidrojeni proton ve elektronlarına ayrılır, daha sonra bunlar oksijenle birleştirilerek su oluşturulur. Su oluşturulurken, elektron ve protonlar, negatif ve pozitif terminaller meydana getirir ve elektrik üretilmiş olur. Arabanın diğer bir özelliği de normal arabalarda daha sessiz çalışmasıdır.

Taşıtlarda Kullanılabilecek Alternatif Yakıt Tiplerinin Karşılaştırılması

Tutuşma sınırları bir yakıtın içten yanmalı motorlarda kullanımında önem teşkil etmektedir. Tutuşma sınırları sayesinde bir yakıtın fakir karışımlarda ve zengin karışımlarda motorda kolaylıkla yanıp yanamayacağı sonucuna varılabilir. Yukarıdaki verilere göre hidrojen gazının farklı hava yakıt karışım oranları için tutuşma sınırlarının çok geniş olduğu ve bunun da hidrojenin motorlarda kullanılması durumunda yarar sağlayacak önemli bir özellik olduğu sonucuna varılabilir.

Tutuşma sınırları bakımından alternatif yakıtları bir sıralamaya sokarsak:

1. Hidrojen  2. Metanol 3.Etanol  4. Doğalgaz  5. Benzin 

Benzin motorlarında iyi bir yanma ve yanma sonu basıncı elde edebilmek için karışımın sıkıştırılması ve sıkıştırıldıktan sonra ateşlenmesi gerekir. Sıkıştırılma anında meydana gelen ısı, yakıt ve havayı daha iyi karıştırarak yanmanın düzgün ve kolay olmasını sağlar. Aynı zamanda silindir içerisinde bulunan karışımdan en fazla yanma sonu basınca elde edebilmek için karışımın sıkıştırılabildiği kadar sıkıştırılması gerekir. Fakat benzin motorlarında sıkıştırma oranı istenildiği kadar arttırılamaz. Çünkü yükselen sıcaklık nedeni ile yakıt kendi kendine tutuşmaya başlayabilir. Bu bakımdan benzin motorlarında kullanılacak yakıtın kendi kendine tutuşma sıcaklığının ve oktan sayısının yüksek olması motorun sıkıştırma oranınının arttırılması bakımında önem teşkil etmektedir kendi kendine tutuşma sıcaklığı en yüksek olan yakıt doğalgazdır.

Kendi kendine tutuşma sıcaklığı bakımından alternatif yakıtları bir sıralamaya sokarsak:

1. Doğalgaz  2. Hidrojen  3.Metanol   4. Etanol   5. Benzin  

Laminar alev hızının yüksek olması benzin motorlarında performans açısından güç ve verim değerlerin de bir miktar azalmaya neden olur. Hidrojenin laminar aleve hızı diğer alternatif yakıtlara göre daha yüksektir.

Performansları Yönünden Karşılaştırılması

Yukarıdaki tabloda ABD’de kullanılan alternatif yakıtlara sahip örnek taşıtların genel olarak performansları karşılaştırılmıştır. Yukarıdaki değerlere göre yakıt tüketimi bakımından benzin ve dizele alternatif olarak kullanılabilecek yakıtlar arasında LPG en iyi durumdadır.

Tabloda belirtilen taşıtlar arasında metanol ve etanol yakıtlı taşıtların hızlanma kabiliyetlerinin diğer taşıtlara göre daha iyi olduğu görülmektedir.

Tabloda taşıtların menzilleri kriter alınarak da karşılaştırmak mümkündür. Bütün taşıtların 57 litre hacminde yakıt deposu olduğu kabul edilmiş ve 1 depo yakıt ile taşıtların ne kadar menzile sahip oldukları belirtilmiştir.

Egzoz Emisyonu Yönünden Karşılaştırılması

Hidrojenin hava ile yanması sonucunda, yakıtta karbon bulunmaması nedeni ile çok az miktarda oluşan HC’lar egsoz gazları arasında bulunacaktır. Diğer yandan bu motorlarda, yüksek yanma sıcaklıkları nedeni ile havanın kimyasal reaksiyonu sonucu azot oksitler, NOx, bol miktarda üretilmektedir. Hidrojen yakıtlı motorlarda egzoz gazları içerisinde hava kirliliğini etkileyecek tek ürün olarak bulunan NOx’lerin miktarı, yanma odası sıcaklıklarının azaltılması, oksijen konsantrasyonunun azaltılması ve yanma süresinin kısaltılması sonucu düşürülebilmektedir.

Doğalgazın yakıt olarak motorlu taşıtlarda kullanımı, özellikle şehir trafiğinde seyreden, dizel motorlarında NOx ve HC emisyonlarında, benzin motorlarında da CO ve HC emisyonlarında azalmalar temin edecektir. Doğalgazın karbon oranının, diğer petrol yakıtlarına göre, düşük olması egzoz gazlarındaki karbondioksit oranının azalmasına sebep olacaktır. Ayrıca doğalgaz kullanımı, benzinli taşıtların egzoz emisyonlarındaki zehirli kurşun türevlerini tamamen yok edecektir. Benzin motorlarında ve dizel motorlarında doğalgaz kullanılması durumunda yanma sonu sıcaklığında bir düşme olmaktadır. Bu da NOx emisyonlarında bir azalma sağlayacaktır. Alternatif yakıtlar içerisinde egzoz emisyonları en düşük yakıttır. Metanolün yanması sonucu CO, CO2 ve NOx gazları oluşmaktadır. Ayrıca metanolün benzine göre daha düşük alev sıcaklığının olması, yanmanın iyileşmesini, yanma ürünleri içindeki azot oksitlerin NOx ve CO’nin azalmasını sağlamaktadır. Metanol benzinin aksine yanmamış hidrokarbonlar üretmez. Metanolün yanması ile oluşan ısı azdır; dolayısıyla çok fazla miktarda NOx meydana gelmesi için gerekli koşul oluşmaz. Diğer taraf dan metanol yandığında benzine göre iki kat daha fazla formaldehit üretilir

LPG benzine nazaran üniform bir hava – yakıt karışımı sağlayabilmesi ile yanmanın stokiyometrik orana yaklaşması sonucunda temiz egzoz gazı çıktısı vermektedir. Bu sebeple LPG’nin egzoz emisyonları oldukça düşüktür.

Hava Kirliliği ve Güvenlik Etkileri Bakımından Karşılaştırılması

Ekonomiklik Yönünden Karşılaştırılması

Bu karşılaştırma kullanılan alternatif yakıtların 100 km’lik bir menzil içersin deki enerji tüketim fiyatına bakılarak bulunur. Şu anda piyasada bulunan alternatif yakıtlar içerisinde en ucuz birim fiyatı olan LPG ve doğalgazdır. Bu iki yakıt günlük hayatımızda kullandığımız taşıtlarda kullanılmaktadır.

Diğer alternatif yakıtlar ise çok az kullanıldığı için birim fiyatları daha yüksektir. Örnek vermek gerekirse metanol, etanol ve hidrojen günlük hayatımızdaki araçlarda cok az kullandığımız için birim fiyatları çoktur.

Ayrıca motorun dönüşümü LPG ve doğalgazda kolay bir şekilde yapılabilmektedir. Ancak diğer yakıtlarda aynı şeyi söylemek mümkün değildir. Bu  sebeple ilk maliyet yönünden bakıldığında da LPG ve doğalgaz öne çıkmaktadır.