TAŞITLARDA KULLANILAN ALTERNATİF YAKIT TÜRLERİNİN
KARŞILAŞTIRMALI OLARAK GENEL DEĞERLENDİRMESİ
Ahmet Çağlar*, İbrahim Atmaca*, Ayla Doğan*, Mesut Düzgün**
*
Akdeniz Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Antalya
Gazi Üniversitesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Ankara
**
ÖZET
Nüfus artışı, sanayileşme ve teknolojik gelişmeler enerji ihtiyacını artırmakta, bu ihtiyacın karşılanmasında temel enerji
kaynağı olan fosil yakıtlarsa yetersiz kalmakta hatta tükenmektedir. Bu durum, yenilenebilir alternatif enerji
kaynaklarına olan ilgiyi artırmakta ve bu kaynakların etkin kullanımını gerektirmektedir. Benzer şekilde, fosil yakıtların
taşıt motorlarında yoğun olarak kullanılması küresel ısınma ve hava kirliliği gibi pek çok sorunu beraberinde
getirmekte, alternatif yakıtların kullanımını ve geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu çalışmada taşıt motorlarında
kullanılan alternatif yakıtlar açıklanarak genel bir değerlendirmesi yapılmaktadır. Yakıtların sahip oldukları avantaj ve
dezavantajları karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Çalışmanın amacı, farklı yakıt türleri üzerine çalışacak araştırmacılar
için ön bir rehber hazırlamaktır.
Anahtar Kelimeler: Taşıt yakıtları, Fosil yakıtlar, Alternatif yakıtlar, Egzoz emisyonları
COMPARATIVE OVERALL ASSESSMENT OF ALTERNATIVE FUELS
USED IN VEHICLES
ABSTRACT
Population growth, industrialization and technological advancements increases energy demand and fossil fuels that are
the primary energy source fail to meet this demand even they run out. This situation increases the interest for alternative
energy resources and requires an effective use of these resources. In the same way, the intensive use of fossil fuels in
vehicles causes the global warming and air pollution, and this requires extremely the use and improvement of
alternative fuels. In this study, alternative fuels used in vehicle engines are explained making an overall assessment. The
advantages and disadvantages of the alternative fuels are presented comparatively. The aim of the study is to prepare a
preliminary guide for the researchers working on different types of fuels.
Keywords: Vehicle fuels, Fossil fuels, Alternative fuels, Exhaust emissions
1
filmini ve böylece motor yağını bozduğu bilinmektedir
[2]. Metanol kullanan araçlar bu nedenle özel ve pahalı
bir yağlayıcı kullanırlar.
1. GİRİŞ
Artan enerji tüketimi ve enerjinin büyük oranda
yenilenemez fosil yakıtlardan üretilmesi çevre ve insan
sağlığı konusundaki endişeleri artırmaktadır. Diğer
yandan konvansiyonel enerji kaynakları olan fosil yakıtlar
gün geçtikte tükenmektedir. Tüketim hızının sabit olduğu
kabul edilirse, mevcut kömür rezervlerinin 200-300 yıl,
petrol bazlı yakıt rezervlerinin ise 40-50 yıl sonra
tükeneceği öngörülmektedir. Taşıtlarda kullanılan
yakıtlarının birim hacimde yüksek enerji sağlayabilmesi,
kolay tutuşabilmesi ve buharlaşabilmesi, hava ile kolay
karışabilmesi istenir. Bununla birlikte kolayca elde
edilebilmeleri ve her yerde bulunabilmeleri de bu
yakıtlardan beklenen özelliklerdir. Bu nedenle ulaşımda
en çok tüketilen yakıtlar olan benzin ve motorin uzun bir
süre rakipsiz kalmıştır. ABD'de kişisel araçların %98 i
benzin veya dizel yakıt kullanmaktadır [1].
2.2. Etanol
Etanol mısır, buğday ve patates artığı, peynir suyu, mısır
lifi, pirinç sapı ve kentsel atıklarda bulunan tanecik
halindeki şekerin fermantasyonundan elde edilen temiz,
renksiz bir alkol yakıtıdır. Biyokütlelerden etanol elde
edilmesinin birkaç yöntemi vardır. Bugün en çok
kullanılan yöntem şekeri fermente etmek için maya
kullanmak ve hammadde içerisinde nişasta kullanmaktır.
Yeni bir yöntemde de ağaçlardan, otlardan ve ürün
artıklarından etanol elde etmek için ağaç liflerinde
bulunan selüloz, enzimler kullanarak parçalanmaktadır.
1970'lerdeki petrol ambargoları alternatif yakıt olarak
etanole ilgiyi artırmıştır. ABD'de %10 etanol karıştırılmış
benzin -E10- kentsel alanlarda çok yaygın olarak
kullanılmaktadır. Etanol oksijen içerdiğinden, benzinin
daha temiz ve daha verimli yanmasını sağlar ve böylece
daha düşük karbonmonoksit emisyonu açığa çıkar. Etanol
karışımlı benzin, benzine göre %25 daha az
karbonmonoksit salar. Etanol aynı zamanda ozon yapıcı
emisyonları, partikülleri ve azot oksitleri benzinden
uzaklaştırmak için kullanılabilir. Enerji yoğunluğunun
metanole göre daha yüksek olması, daha küçük boyutta
yakıt deposunun kullanılmasına imkân vermektedir [2].
Benzinli ve dizel araçlar ortama CO, CO2, NOx, SOx,
VOCs ve OH- emisyonları salmaktadır. Bu emisyonların
insan ve çevre sağlığına olan zararlı etkileri bilinmektedir.
Petrole bağımlılığın azaltılması ve ekolojik dengelerin
korunması için mevcut enerji kaynaklarının daha verimli
ve etkin kullanılması gerekmektedir [2]. Bu sorunlara bir
çözüm getirmek amacıyla, taşıtlarda alternatif yakıt
kullanımına yönelik araştırma ve çalışmalar hızla artarak
devam etmektedir. Alternatif yakıt arayışları taşıtların
varlığından itibaren devam etmektedir. Isıl değer, yakıt
ekonomisi,
maliyet,
bulanabilirlik,
taşınabilirlik,
depolanabilme ve emisyonlar alternatif yakıtların
geliştirilmesindeki önemli faktörlerdir. Taşıtlarda
kullanılan alternatif yakıtlar metanol, etanol, propan,
doğal gaz, elektrikli hibrid, biyodizel ve hidrojen yakıt
hücreleri olarak sıralanabilir. Bu çalışmada içten yanmalı
motorlarda kullanılabilecek alternatif yakıt türlerinin
genel bir değerlendirilmesi yapılmaktadır. Çalışmanın
amacı, farklı yakıt türleri üzerine çalışma yapan
araştırmacılara yardımcı olacak ön bir hazırlamaktır.
2.3. Propan
Propan enerji açısından zengin bir fosil yakıttır ve
genellikle sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) olarak
adlandırılır. Renksiz ve kokusuzdur, uyarıcı olması
açısından içine merkaptan denilen bir koku maddesi ilave
edilir. Propan petrolün rafine edilmesiyle elde edilir.
Diğer bütün fosil yakıtlar gibi yenilenemez bir yakıttır.
Kimyasal formülü C3H8'dir. Normal şartlar altında gaz
halindedir. Orta basınç seviyesinde veya düşük sıcaklıkta
sıvı hale dönüşebilir ve basınçlı tanklarda depolanır. Sıvı
halde gaz haldekinden 270 kat daha yoğundur ve bu
nedenle taşıması kolaydır. 50 yılı aşkın bir süredir
ulaşımda yakıt olarak kullanılmaktadır. Alternatif yakıtlar
arasında en kolay ulaşılabilen ve en yaygın kullanılan
yakıttır. Tüketilen toplam propan miktarının %3'ü
taşıtlarda özellikle de filolarda kullanılmaktadır. Filolarda
kullanımında, maliyeti benzine göre %5-30 daha düşüktür
[3].
2. ALTERNATİF YAKITLAR
2.1. Metanol
Metanol veya odun alkolü, renksiz, kokusuz, zehirli bir
sıvıdır. Metanol, hidrojen atomunun hidroksil radikali
(OH) ile yer değiştirmesinden oluşan en basit alkoldür
(CH3OH). Doğal gaz, kömür, atık yağ veya
biyoyakıtlardan elde edilebilir. Metanol saf halde de yakıt
olarak kullanılabilmesine rağmen uygulamada yaygın
olarak %15 kurşunsuz benzin ile karıştırılarak (M85)
kullanılır. Metanol sıvı bir yakıt olduğundan, araç
motorunda ve dağıtım sisteminde önemli bir değişiklik
gerektirmez, buna rağmen M85 uyumlu araçlar pek
üretilmemektedir. M85 birim hacimde daha az enerji
miktarına sahiptir, yani daha az mesafe yapar, fakat güç,
ivme ve yük kapasitesi bakımından benzine yakındır.
Diğer yandan, sıvı yakıtın silindir cidarlarındaki yağ
2.4. Metan
Ortam ve su ısıtmada, ocakta ve çamaşır kurutmada
kullanılan doğal gaz, taşıtlarda da sıkıştırılmış halde
(CNG) veya sıvılaştırılmış halde (LNG) temiz bir yakıt
olarak kullanılabilir. CNG'li taşıtlar benzinlilere göre
%85-90 daha az karbonmonoksit, %10-20 daha az
karbondioksit ve %90 daha az reaktif metan dışı
hidrokarbon salınımına sahiptir (Reaktif hidrokarbon
emisyonları ozon gazı oluşumuna yol açan ve solunum
2
problemine neden olan kirli hava bileşenlerinden biridir).
Bu avantajlı emisyon oranlarının nedeni, yanma ürünü
olarak sadece su buharı açığa çıkaran ve doğal gazda
ağırlık olarak %25 oranında bulunan hidrojen gazıdır.
Doğal gaz basınçlı kaplarda depolanarak taşıtlarda yakıt
olarak kullanılır. 2400-3600 psi basınca sıkıştırıldığında
bile, bir galon benzinin enerjisinin ancak üçte birine sahip
olabilir. Bu nedenle, ek yakıt deposu olmadığı sürece,
doğal gazlı taşıtlar ancak kısa mesafeli yolculuklarda
tercih edilir. Oktan sayısı yüksek olduğundan (120+) güç,
ivme ve hız bakımından diğerleriyle rekabet edebilen bir
yakıttır [3].
2.7. Biyodizel
Dizel motorlarda kullanmak için yenilenebilir biyolojik
maddelerden biyodizel veya biyomotorin denilen yakıt
elde edilir.
Benzinli araçlarda da biyoyakıtlar
kullanılabilir, fakat yüksek sıkıştırma oranı ve
performansa sahip olmaları bakımından dizel motorlarda
kullanımı tercih edilir [4]. Biyodizel, bitkisel yağların
(kolza, soya, mısır, pamuk ve ayçiçek yağı gibi),
hayvansal yağların veya atık yağların alkol ile kimyasal
reaksiyona girmesinden elde edilen bir yakıttır [5]. Dizel
yakıtla karışım oranına göre B5, B20, B50 ve B100
(%100 biyodizel) olarak adlandırılırlar. Biyodizel dizel
araçlarla uyumludur, herhangi bir modifikasyon
gerektirmeden, yakıt fitresinde ve yakıt pompasında
herhangi bir probleme yol açmadan direkt olarak
kullanılabilirler. Verim ve motor performansı bakımından
motorine eşdeğer bir yakıttır. ABD'de en hızlı büyüyen
alternatif taşıt yakıtıdır. En büyük üretim burada
yapılmaktadır. ABD'de üretilen biyodizelin %90'ı soya
fasulyesi esaslıdır [4]. Biyodizel neredeyse hiç kükürt
içermez. Bu nedenle kükürt oksit salınımı yoktur. Petrol
bazlı dizel yakıttan sülfürü ayrıştırmak yağlamayı azaltır.
Ancak biyodizel olağanüstü bir yağlayıcıdır ve dizel
yakıta sadece %1-2 oranında ilave edildiğinde bile dizel
yakıtın yağlayıcı özelliğini artırır [3].
2.5. Elektrik
1891'de William Morrison of Des Moines ilk elektrikli
arabayı geliştirdi. Elektrikli aracın en önemli elemanı
bataryadır. Araştırmacılar ilk yıllardan bugüne kadar daha
verimli bir batarya üzerine çalışmalarını sürdürmektedir.
Araçların gidebileceği mesafe, bataryada depolanan enerji
miktarıyla sınırlanmaktadır. Araç ne kadar çok batarya
taşırsa gidebileceği mesafede o oranda artmaktadır. Diğer
yandan, çok fazla batarya kullanımı aracı ağırlaştırır,
aracın daha fazla enerji harcamasına ve yük taşıma
kapasitesi ile gidiş mesafesinin azalmalarına neden olur.
Elektrikli araçlar dolu şarj ile sadece 30-150 mil arasında
bir mesafe gidebilir. Fakat bu mesafe mükemmel araç
bakımı ve sürüş koşullarında geçerlidir. Hava koşulları,
arazi şartları ve bazı donanımlar bu mesafeyi önemli
derecede azaltabilir [3].
2.8. Hidrojen
Hidrojen, geleceğin yakıtı olarak alternatif yakıt arayışına
etkin bir çözüm getirebilir. Günümüzde özellikle uzay
mekiklerinde yakıt olarak kullanılan hidrojen taşıtlarda da
kullanılabilmektedir. Hidrojen yakıtlı motorlar güç üretim
yöntemi bakımından ikiye ayrılır: hidrojen yakıtlı içten
yanmalı motorlar ve hidrojen yakıt pilli motorlar [6].
Hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlarda hidrojen,
benzin ve dizel yakıtları gibi direkt olarak kullanılır.
Sahip olduğu yüksek tutuşma sıcaklığı, yüksek alev hızı
ve yüksek oktan sayısı gibi özelliklerinden dolayı benzin
motorlarında kullanılması daha uygundur. Benzin
motorları küçük değişiklikler yapılarak hidrojenle çalışır
duruma getirilebilir. Hidrojenle çalışan motorların ısıl
verimleri benzin motorununkine yakındır. Stokiyometrik
çalışma şartlarında hidrojen motorunda oluşan yüksek
miktarda
NOx
silindirlere
gönderilen
karışım
fakirleştirilerek
azaltılabilir.
Hidrojen
motoruna
dönüştürülmüş benzin motorunda %20 güç kaybı
meydana gelir [7].
2.6. Hibrid Araçlar
Hibrid araçlar yakın gelecekte özellikle binek araç
kullanıcıları için en uygun seçenek olabilir. Bu araçlar
herhangi bir dezavantajı olmadan elektrikli araçların
sunduğu enerji ve çevre avantajlarına sahiptir. Elektrikli
araçların kısa menzil problemini ortadan kaldırmıştır.
Hibrid araçlar iki enerji kaynağından güç alır: birisi enerji
dönüşüm sistemi (içten yanmalı motor yakıt hücresi veya
gaz türbini), diğeri enerji depolama aygıtı (batarya, volan
veya ultrakapasitör). Bugün standart hibrid motor olarak
bir elektrik motoru ve bir içten yanmalı motordan oluşan
sistem düşünülmektedir. Şehir içi düşük hızlarda ve egzoz
emisyonu salınımını azaltmak için elektrik motoru
kullanılmakta, şehir dışı ulaşımda ve yüksek hızlarda ise
benzin motoru kullanılmaktadır. Hibrid aracın içten
yanmalı motoru benzin, metanol, sıkıştırılmış doğal gaz
(CNG), hidrojen veya diğer alternatif yakıtlarla
çalıştırılabilir. Hibrid araçlar konvansiyonel araçlardan 23 kat daha büyük yakıt-verimli olma potansiyeline
sahiptir. Bataryası dışarıdan şarj edilmek zorunda
değildir. Batarya azaldığında, içten yanmalı motordan güç
alan bir jeneratör yardımıyla bataryalar şarj edilir.
Rejeneratif fren sistemi sayesinde frene basıldığında
gerekenden fazla enerjiyi yakalar ve bu enerjiyi
bataryaları şarj etmekte kullanarak bir bakıma enerji geri
kazanımı yapar [3].
Hidrojenin yakılmasından açığa çıkan ürün sadece sudur.
Doğal su kaynaklarında elektroliz vb. yöntemlerle elde
edilen hidrojenin yanması sonucu açığa çıkan su, bu
kaynakları tekrar besleyebilmektedir. Bu nedenle
hidrojenin yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğu oldukça
açıktır. Ayrıca hidrojen, kimyasal yapısı itibariyle karbon
ve kükürt içermediğinden, hidrojenin yanması sonucu,
hidrokarbon esaslı yakıtların yanmasıyla oluşan CO, CO2,
SO2 emisyonları ve yanmamış hidrokarbonlar açığa
çıkmaz. Bu nedenle asit yağmuru, sera etkisi ve sis
3
oluşumu görülmez [1]. Hidrojen normal şartlarda gaz
halinde olduğundan sıvılar gibi taşınması ve depolanması
kolay değildir. Şu an mevcut bir dağıtım sistemi yoktur.
Fosil yakıtlardan, biyokütleden ve sudan (elektroliz
yöntemi ile) hidrojen üretilebilir. Hidrojen üretiminde şu
an kullanılan en yaygın yöntem doğal gazın buhar
reformasyonudur [8].
yerine, kimyasal enerjinin doğrudan elektrik enerjisine
dönüşümü gerçekleştirilmektedir. Böylece motorun hem
ortama zararlı emisyonlar atmadan hem de gürültüsüz bir
şekilde çalışması sağlanır [6].
2.9. Karşılaştırma
Taşıtlarda kullanılan alternatif yakıt türleri ve bu
yakıtların özellikleri yukarıda verilmiştir. Bu yakıtların
avantaj ve dezavantajları maddeler halinde özet olarak
Tablo 1'de verilmektedir. Böylece alternatif yakıt türleri
arasında karşılaştırmalı olarak bir değerlendirme
yapılabilir.
Hidrojen yakıt pilli motorlarda ise, yakıt pili sistemleriyle
üretilen ve bir güç dönüştürücü ile DC'den AC'ye
dönüştürülen elektrik akımı kullanılarak, AC elektrik
motorları vasıtasıyla araç tahrik edilir. Bu motorda klasik
araç teknolojisindeki yanma işlemi ile gerçekleşen
kimyasal enerji-ısı enerjisi-mekanik enerji dönüşümü
Tablo 1. Taşıtlarda kullanılan alternatif yakıtların avantaj ve dezavantajları.
Yakıt türü
Metanol
Etanol
Propan (LPG)
Metan
Elektrik
Avantajları
Dezavantajları
 Motorda benzine göre %10 güç artışı
 Konvansiyonel motorlara uyumlu
 Oktan sayısı yüksek olduğundan yüksek
sıkıştırma oranı ve performans
 Fakir karışımla çalışabilme
 Benzine göre daha güvenli ve çevre dostu
 Düşük emisyon miktarıyla benzine göre daha
çevreci
 Kolay elde edilebilirlik
 Metanole göre daha yüksek enerji yoğunluğu
 Benzine göre pahalı
 İlk hareket zorluğu
 Havadan nem kaptığı için yakıt tankı
yenilenmeli
 Yakıt sisteminin bazı bileşenleriyle uyumsuz

















Hibrid




Yüksek oktan sayısı
Daha iyi bir karışım ve yanma
Uzun motor yağı ömrü
Kolay ulaşılabilirlik
Düşük işletme ve bakım masrafı
Yakıt sisteminin kontrolünde kolaylık
Uygun dağıtım sistemi
Düşük maliyet
Çevre dostu, benzine göre daha düşük emisyon
miktarları
Yüksek oktan sayısı
0 emisyon
Gürültüsüz çalışabilme
Düşük hızlarda bile yüksek güç elde edebilme
Daha az bakım ihtiyacı
Çevre dostu, düşük emisyonlar
Yüksek yakıt ekonomisi, uzun menzil
gidebilme
Bataryaların içten yanmalı motorla şarj
edilebilmesi
Motorun yerleşimi bakımından daha iyi araç
dengesi sağlama
İçten yanmalılara göre daha iyi ilk hareket
karakteristiği
Sessiz çalışma
Rejeneratif fren sistemi sayesinde enerji geri
4
 Benzine göre düşük enerji yoğunluğu ve
yakıt ekonomisi
 Benzine göre pahalı
 Aynı miktar benzine göre daha az yol kat
etme
 Taşıma, dağıtım ve depolanmasındaki
zorluklar
 Düşük motor verimi
 Kuru yanmaya bağlı aşınmalar
 Düşük enerji yoğunluğu ve büyük depo
gereksinimi
 Kısa menzil
 Kısa menzil
 İçten yanmalı motorlara göre daha pahalı
 İçten yanmalı motorlara göre daha pahalı
 Uzun şarj süresi (motordan bağımsızken)
 Elektrik motoruyla kullanımında düşük hız
ve güç
Biyodizel






Hidrojen





kazanımı
Tarımsal atıklardan üretilebilme
Kolay üretilebilme
Motorinle karıştırılabilme
Tarımın geliştirilmesi
0 kükürt oksit salınımı, düşük emisyonlar,
çevre dostu
Dizel motorda modifiye olmadan
kullanılabilme, sisteme uyum
Yakıt sisteminin kontrolünde kolaylık
Yüksek oktan sayısı
0 egzoz emisyonu
Kolay elde edilebilirlik
Yakıt pili teknolojisiyle üretilen elektrikle
gürültüsüz bir şekilde çalışabilme
 Yüksek maliyet
 Yüksek viskoziteden kaynaklanan yanma
problemleri ve birikintiler
 Dönüştürülmüş benzin motorunda %20 güç
kaybı
 Depolama ve taşıma problemleri
alınmıştır. Alternatif yakıtların özellikleri, benzin ve dizel
yakıta göre avantaj ve dezavantajları karşılaştırmalı olarak
sunulmuş, bu konuda çalışacak araştırmacılar için ön bir
analiz yapılmıştır.
3. SONUÇ
Bu çalışmada taşıtlarda kullanılan alternatif yakıtlar
(metanol, etanol, propan, metan, biyodizel, hidrojen) ve
alternatif sistemler (elektrikli ve hibrid araçlar) ele
[8] Güvendiren, M., Öztürk, T., 2003, “Enerji
Kaynağı Olarak Hidrojen ve Hidrojen Depolama”,
Mühendis ve Makina, 523.
KAYNAKLAR
[1] Kahraman, N., Akansu, S.O., Albayrak, B., 2007,
“İçten Yanmalı Motorlarda Alternatif Yakıt Olarak
Hidrojen Kullanılması”, Mühendis ve Makina,
48/569, 9-15.
[2] Öğüt, H., Kuş, R., 1999, “Motorlu Taşıtlarda
Alternatif Yakıt Kullanımı”, II. Ulaşım ve Trafik
Kongresi, 149-161.
[3] U.S. Department of Energy, Energy Efficiency &
Renewable Energy, “Alternative Fuels Used in
Transportation”,
http://www1.eere.energy.gov/education/pdfs/transporta
tion_alternativefuels.pdf
[4] MEGEP, MEB, 2006, “Motorlu Taşıtlar
Teknolojisi, Alternatif Motorlar ve Yakıtlar”,
Ankara.
[5]
U.S.
Department
of
Energy,
“http://www.fueleconomy.gov/feg/current.shtml”
[6] Oral, E., Çelik, V., 2005, “Hidrojen Yakıtlı Motor
Teknolojisi”, Mühendis ve Makina, 46/540, 30-40.
[7] Vorst, W.D.V., Finegold, J.G., 1975, “Automotive
Hydrogen Engines, and Onboard Storage Methods,
Hydrogen Energy Fundamentals”, Miami Beach,
Florida U.S.A.
5
Download

taşıtlarda kullanılan alternatif yakıt türlerinin karşılaştırmalı