DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ

DENİZCİLİK FAKÜLTESİ

HİDROJEN ENERJİLİ TEKNE PROJESİ

 

                   

DANIŞMAN ÖĞRETİM GÖREVLİLERİ

                        Öğretim Görevlisi Mustafa NURAN

(Gemi Makineleri İşletme Mühendisi

Gemi Makineleri İşletme Müh. Odası İzmir Şubesi Başkanı)

 

 Yrd Doç Dr. K.Emrah ERGİNER

(Gemi İnşa Mühendisi -DEU Denizcilik Fakültesi Öğr. Gör.

Gemi Müh. Odası İzmir Şubesi Başkanı)

 

 

 

Takım Öğrenci Lideri

                                       Bayhan ÇIĞIRTKAN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DEÜ YAKIT PİLLİ TEKNE TAKIMI

 

 

  • Bayhan Çığırtkan
  • Yiğit Gülmez
  • Özgün Nalbantoğlu
  • Olgun Konur
  • Ersin Topaloğlu
  • Erhan Bayın
  • Murat Pamık
  • Mesut İçge
  • Mehmet Turgut
  • Kaan Keleş
  • Önder Güven
  • Barış Tingeldi
  • Selim Durmak
  • Mehmet Ali Ögür
  • Mesut Şahin
  • Samet Aycan
  • Yavuz Ali Işık
  • DEÜ DENİZCİLİK FAKÜLTESİ GEMİ MAKİNELERİ İŞLETME MÜHENDİSLİĞİ ÖĞRENCİLERİ

 

HİDROJEN ENERJİLİ TEKNE PROJESİ

   

Dünyada bir çok taşıt araçlarında olduğu gibi gemi motorlarında ve marine tipi motorlarda, enerji kaynağı olarak fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Fosil yakıtlar, araçların motorlarında bulunan yanma odalarında yanma reaksiyonuna girer ve bu reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı enerjisi mekanik ve kinetik enerjiye dönüştürülerek kullanılmaktadır. Ancak, bilindiği üzere, mineral yakıtlar olarak da adlandırılan fosil yakıtlar hidrokarbon içermektedir ve yanmaları sonucu CO2 gibi zehirli gazlar açığa çıkmaktadır. Araçların egzoz çıkışlarından, yanma reaksiyonu sonucu açığa çıkan emisyon gazları çevreye salınmaktadır. Çevreye yayılan bu zararlı emisyon gazları, başta küresel ısınma olmak üzere bir çok kalıcı çevresel zararın ortaya çıkmasında önemli rol oynamaktadır. 

     Son yıllarda, gelişmiş ülkelerin birçoğunda, emisyonların azaltılması ve kontrol altına alınması için yoğun yasal düzenlemeler yapılmaktadır. İstatistiklere göre, çevreye yayılan CO2 gazının 2/3’ünün, taşıt araçlarının egzozlarından çıkan emisyon gazlarından kaynaklanmaktadır ve özellikle taşıt araçlarının çevreye yaydığı bu emisyon gazlarının azaltılması bir ihtiyaç halini almıştır.

    Emisyon gazlarının azaltılması amacıyla, araçların yakıt sistemlerinde bazı düzenlemelere ve değişikliklere gidildiği bilinmektedir. Bu konuda, sıklıkla üzerinde durulan çözüm, yakıt olarak hidrojen gazının kullanılmasıdır. Hidrojen gazı, yanma etkisi aynı ağırlıktaki benzinden 2,75 kat daha fazla olan, zehir etkisi bulunmayan ve yanma reaksiyonu sonucu sadece su buharı açığa çıkan bir gazdır. Dolayısıyla, hidrojen, emisyonu azaltmasının yanı sıra, enerji verimini arttırması amacıyla da tercih edilmektedir. Zira, fosil yakıtlar gibi doğal enerji kaynaklarının hızla tükendiği günümüzde, yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak hidrojen oldukça cazip enerji çözümüdür.

Hidrojenin kendi kendine tutuşması için gereken sıcaklık değeri çok yüksek iken, hidrojen-hava karışımlarının tutuşması için gereken sıcaklık miktarı oldukça düşüktür. Hidrojenin tutuşma aralığı geniştir ve dolayısıyla geniş aralıktaki karışım oranlarında, düzgün bir biçimde yanabilmektedir. Benzin ve benzeri yakıtlar ise, ancak zengin karışım oranlarında düzgün yanmaktadır ve önemli miktarda, azot oksit (NOx), karbon monoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbonlar (HC) gibi zehirli emisyon gazları açığa çıkartırlar.

YÜK
-
+
HAVA veya OKSİJEN
HİDROJEN
Toplam Reaksiyon : 2H2 + O2 ® 2H2O + Enerji
ANOT
ELEKTROLİT
KATOT

 

                                     Şekil 1:Yakıt pili akış şeması

Hidrojen   enerjisi kullanımı için geliştirilen en yaygın metot  ,yakıt pili düzenekleri kullanılarak hidrojenin elektrik enerjisine dönüştürerek taşıtların elektrikli motor ile hareketinin sağlanmasıdır. Bu mekanizma daha sessiz emisyon oluşturmayan ve ısı  enerjisine dönüşüm olmadan doğrudan elektrik üretilen yeni bir sistemden oluşmaktadır

Bu proje ile yakıt pili kullanarak küçük bir teknenin hareket  etmesi sağlanacak ve geliştirilen demo düzenek üzerinde geliştirmeler yapılmasına  zemin oluşturulacaktır.Dünya çapında ilgi gören deniz taşımacılığı için en önemli alternatif olarak gözüken hidrojen enerjisi kullanımının  yaygınlaşması için gerekli bilgi birikimi sağlanmış olacaktır.

Hidrojen  Enerjili Tekne Projesinde yapılması planlanan tekne aşağıdaki kısımlardan oluşacaktır ;

  1. Tekne
  2. Yakıt pili ve hidrojen bataryaları
  3. Devir İleticiler ve Devir Değiştiriciler
  4. Pervane ve Motorlar
  5. Aküler
  6. DC Controller Ünitesi
  7. Skipper Kabini ve Kontrol Sistemleri
  8. Haberleşme Ekipmanları

9.Hız Ölçer

1. TEKNE :

 

Teknemizin boyu 6  m, eni ise 2.4 m ve 0,8 metre yüksekliğinde  yararlanılarak katamaran tip tekne gövdesi yapılacaktır. Tekne gövde kalıbı İzmir/İndeks Yapım aşamasındadır. Gerekli epoksi malzemen ve elyafın temini sonrasında en kısa süre içerisinde öğrenci-sektör işbirliği ile tekne yapım çalışmalarına başlanacaktır. Teknenin rengini verebilmek için jelkot kullanılacaktır. Omurga, üzerinde en çok çalışma yapılacak parçalardan birini oluşturmaktadır; Çünkü hidrodinamik sürtünmeyi olabildiğince alt noktalara çekerek süratimizin arttırılması ve enerji kaybının önlenmesi sürüşte çok büyük avantajlar sağlayacaktır.

  Pürüzsüz yüzey için dış tarafta 300 gr /mkeçe elyaf ve dıştan içe doğru sırasıyla 450gr/m2  keçe elyaf, mukavemet için 600 gr/m2 örgü elyaf. İki örgü elyaf arasınada 300 gr/m2 keçe elyaf kullanılacaktır. Örgü elyafın üzerine de pürüzsüz bir yüzey için 300 gr/m2 keçe elyaf kullanılacaktır.

Tekne modeli olarak katamaran yani çift gövdeli tekne kullanılmıştır. Teknenin ağırlık merkezi paralel iki gövdenin arasındaki boşluğa düşer böylece tek gövdeli teknelere göre hayli bir yapı oluşur. Stabilitesi yüksek bir dizayn söz konusudur.

Tekne konusunda aşağıda fotoğrafı ve teknik özellikleri bulunan tekne kullanılacaktır. Teknenin temini üreticisi olan İndeks tarafından karşılanacaktır.

Aşağıda fiziki yapısı bulunan teknemiz 8 KW’lık bir yakıt pili ile 6-8 deniz mili hızına çıkabilecek şeklinde tasarlanmıştır.Teknemizde sürat ikinci planda tutulmuş, konforlu ve güvenli bir şekilde seyri amaçlanmıştır.

Katamaran tipi gövde yapısıyla konforu ve sağlamlığı bir arada sunan geniş iç havuzluğunda günlük gezintiler yapılabilinecektir.

Tekne inşasına mart ayı içerisinde başlanacak olup üst güverte tasarımı üzerinde çalışmalarımız devam etmektedir.

 

 

 

TEKNİK ÖZELLİKLER

TAM BOY:
6m.
EN:
2.4m.
SU KESİMİ:
0.25 m.
AĞIRLIK :
1200kg.
MAX.YOLCU SAYISI:
4+1Kişi
Yükseklik
0.8m

 

 

2.YAKIT PİLİ VE BATARYA SİSTEMİ :

Yakıt pili yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Yakıt pilinde doğrudan birincil enerji kaynağı olarak hidrojen kullanılmakla birlikte yakıt pili UNIDO-ICHET tarafından sağlanmış olup üzerinde her geçen gün yeni bir şey öğrenip çalışmalarımız hızla devam etmektedir.

Pilde gerçekleşen dönüşüm pil ya da akümülatördeki dönüşüm ile benzerdir.Yakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise,yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidir. Yakıt hücreleri ürettikleri elektriği DC (doğru akım) olarak üretirler. Hidrojenin ve oksijenin belli bir sabit değerde reaksiyona girebileceği şekilde sistemin akışını sürekli kontrol eden güvenlik mekanizması tasarlandıktan sonra elde edilen gücün düzenli olarak bataryalarda toplanıp teknenin kontrolü sağlanacaktır. Sistemin en basit işleme şeması aşağıda gösterildiği gibidir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hidrojenin kimyasal açıdan enerjiye dönüşümü

Yakıt pili,platin ile kaplanmış iki elektrotun arasına preslenmiş perflorlu sülfönik asit polimerler gibi proton ileten bir katı elektrolitten oluşur.Buradaki elektrolit anot ile katot arasında bir gaz sütunu oluşturarak anottan katoda doğru hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlar.Polimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluşur.Aynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenir.PEM’lerin çalışma sıcaklığı 80-90 ºC gibi çok düşük sıcaklıklarda ve çalışma basınçları da 1-8 atm basınç arasındadır.Bu tip yakıt hücreleri belli bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalışabilmektedir.

Yakıt hücresi çalışma mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt
hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir.
 

 

 

 

Fiziksel Özellikleri

Yakıt pili 785 mm uzunluğunda, 446 mm genişliğinde, 301 mm yükseklikte olmakla beraber ağırlığı 78 kg dır.

 

 

 

 

 

 

 

 

Teknik Özellikler

HyPM HD-8

Yakıt pilinin bütün parçaları birleştirildikten sonra yapılan bilgisayarlı ortamdaki test sonuçlarına göre aşağıdaki ayrıntılı veriler elde edilmiştir. Bu test sonuçları bize hangi yakıt pili çeşidi kullanmamız gerektiği hakkında bilgi sağlamıştır ayrıca bulduğumuz sonuçlara göre yakıt pillerinden elde edeceğimiz 8,5 kw lık güce göre  motora ve pervaneye  ait gerekli parçalar tasarlanacaktır.Ürünün çalışma sıcaklık basınç ve teknik verileri aşağıda açıklamaya çalıştık.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     

 

 

 

 

 

 

 

 

Yakıt Hücre Çeşitleri

Elektroliti dışında tüm yakıt pillerinin dizaynı neredeyse aynıdır. Kullanılan elektrolit malzeme çeşidine göre 5 çeşit yakıt pili tanımlayabiliriz.
1- Proton değiştirici membranlı yakıt pilleri
2- Fosforik asitli yakıt pilleri
3- Alkalin yakıt pilleri
4- Eriyik karbonatlı yakıt pilleri
5- Yoğunlaştırılmış oksitli yakıt pilleri

 Proton değiştirici membranlı yakıt hücreleri diğer yakıt hücre çeşitleri içinde en çok gelecek vaad eden gruptur. Bu yakıt hücrelerine özellikle denizcilik sektöründen büyük talep gelmiştir. Yüksek güç yoğunluğuna sahip olmaları ve düşük sıcaklıklarda çalışıp hızlı bir şekilde bu sıcaklık değerine ulaşmaları proton değiştirici membranlı yakıt hücrelerini cazip hale getirmektedir. Ayrıca kullanım alanları arasında evlerde kullanılan elektrikli cihazları da katabiliriz. Çok yakında proton değiştirici membranlı yakıt hücreleriyle çalışan birçok cihaz  piyasaya sunulacaktır. Halen ticari teknolojide geçerli tek pil çeşidi fosforik asit pilleridir. Bunlar savunma bölümü yakıt pili geliştirme programında kullanılmaktadır. Fosforik asit teknolojisi yüksek uygulama derecelerinde sıvı asiti kontrol edebilmek için düşük dereceli destek sistemlerinde, çok pahalı materyallerin kullanımında ve daha iyi durumda muhafazasında başarıyla uygulanır. Alkalin pil teknolojisi uzay mekiği uygulamalarında ve NASA’nın diğer uygulamalarında geniş kullanım alanı bulur. Alkalin yakıt pilleri genelde iletim için kullanılırlar. Fakat havada bulunan karbon oksitlere karşı çok duyarlı olduğu için yer uygulamalarında kullanmak zordur. Eriyik karbonat teknolojisi daha yüksek derecelerde çalışırlar ve en çok 1-20 MV kapasite aralığına uygundur. Büyük güç santralleri ile yeniden üretme tesislerinde kullanılırlar. Dünyada sınırlı sayıda uygulama alanları vardır. Yoğunlaştırılmış oksijen teknolojisi de yüksek derecelerde kullanılır. Bu yüksek işlem dereceleri sayesinde tasarı ve uygulama dalları çok özendiricidir. Plakaları soğutmak için basınçlı katot havasını kullanır. Yakıt pili dizileri sıcaklık, su ve basıncı kontrol eden ve sistemin kendi başına çalışmasını sağlayan pek çok alt sisteme sahiptir. Bu alt sistemler; su pompaları, su arıtma istasyonları, hava kompresörleri, soğutma pompaları ve radyatörler olabilir. Bir yakıt pilinin gücü ve verimi çok farklı değerlerde olabilir. Bir çoğunun ebatları küçük olup 0,5 ve 0,9 volt arasında DC elektrik üretirler. Bazı piller düşük ve orta voltajlı sistemlere daha yüksek voltaj üretmek için bir grup halinde “yığın” adı ile çalıştırılabilirler. Yakıt pili üretim tesisinde güç bölümünün en önemli kısmı “yığın” kısmıdır. Diğerleri ise yakıt alıcısı ( işleyicisi ) ve güç düzenleyicisidir.

 

 

Güç sistemi için gerekli  gücü sağlayacak yakıt pili  sistemi UNİDO-ICHET tarafından sağlanmıştır.Kullanılacak olan yakıt pilinin talep edeceği hidrojen gazı muhtemel metal hidrür depolardan sağlanacak ve sistemin sürekli akışını denetleyen bir denetim ve güvenlik mekanizması tasarlanacaktır.Elde edilen güç bir batarya sisteminde toplanacak ve teknenin sürekli ve kontrollü hareketi sağlanacaktır.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PEM –FC YAKIT PİLİ ÖZELLİKLERİ

 

Zar-Elektrot Yapısı (MEA)

 

Elektrot

  •  Karbondan yapılmış gaz difüzyon tabakası ve platin katalizörün birleşimine denir.
  •  Reaksiyona giren gazların reaksiyona girmesini ve zara iletilmesini sağlar.
  •  Elektrik iletkenliği vardır.

 

Zar

  •  Protonları iletir, gazları ve elektronları geçirmez.
  •  Nafion, SPEEK, SPES, PBI

 

Gaz Akış Kanalları

 

  • Grafit veya grafit-metal karışımı maddelerden yapılır.
  • Gazların akışı zıt yöndedir.
  • Akım toplayıcısı olma görevi de vardır.
  • Basınç düşmesi ve su yönetimi en kritik husulardır.

 

 

 

 

3.DEVİR İLETİCİLER VE DEVİR DEĞİŞTİRİCİLER:

 

Elektrik motorundan elde edilen torku ve devri, pervaneye ileten sistemi tek başlık altında topladık. Motor devri ile pervane devri arasında gerekli olan aktarma katsayıları birçok dış etkene göre değişir. Bu sebeple bu sistemlerin tasarımı konusunda farklı takım dişlileri tasarlanacaktır ve bu tasarımlar tekne suya indirildikten sonra denenecektir. Aktarma konusunda kayıpların daha aza indirebilmek için %20 kayıpla aktarma yapabilen ve çok hafif bir sistem olan kayış tipi aktarma  sistemi kullanılacaktır. Şaft teknenin kıç aynasından çıkacak olup, açı derecesi opsiyonel olarak ayarlanabilecek şekilde aşağıda görülen tasarım yapılmıştır. Aynı zamanda teknede kıçtan takmalı klasik dümen sistemi kullanılmayacak olup uzak doğuda bulunan eski tip kanolarda da kullanılan tüm sistemi 35 derece sancak-iskele döndürebilen sistem hidrolik kollarla güçlendirilerek kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarım dümen yelpazesinin yapısından kaynaklanan hidrodinamik kaybı ortadan kaldırarak teknenin hız kaybının önlenmesinde önemli bir yer tutmaktadır. Dişlilerin tasarımı kendimiz tarafından yapılmış olup üretimi ve malzeme temini konusunda çalışmalarımız sürmektedir.  

 

 

 

 

 

4.PERVANE ve MOTOR

 

Pervane bir teknenin motordan aldığı gücü suya iletmesi konusunda en önemli parçadır. Eğer pervanenin verimliliği düşük olursa tekne yeterli gücü suya iletemeyecek ve yeteri kadar süratli ilerleyemeyecektir. Sistemde üretilen voltaja uygun olarak seçilen motorda tork /ağırlık oranı en yüksek olan motorlar arasında seçim yapılmıştır. Deniz ve denizcilik ürünleri pazarında yaptığımız kapsamlı çalışmalar sonucu Elektrik motoru , şaftı ve pervanesi tamamen uyumlu olarak imal edilmiş olan Torqeedo Cruise 2.0 R üzerinde karar verdik . Ürün çalışma volt / verimlilik / kullanılabilinirlik açısından projemize uygun bir seçim olmuştur. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.AKÜLER :

Akü, doğru akım elektrik enerjisini, kimyasal enerjiye çevirip depolayan ve çıkış uçlarına alıcılar bağlandığında, depoladığı enerjiyi tekrar elektrik enerjisine çevirerek, bu enerjiyi kullanan alıcıları çalıştıran elektro-kimyasal statik bir elemandır.

İngilizce ‘Traction’ kelimesinin sözlük anlamı, çekme, hareket ettirme, sürme olarak verilmektedir. Traksiyoner akü dendiğinde de anlaşılan, bu hareketleri yapabilen elektrik enerjisi tahrikli araçlar çalıştırabilecek tipte bir akü olduğudur.

Hidrojen sisteminden elde edilen elektrik enerjisi yanı sıra aküden den besleme  planlanmıştır. Bu sebeplen depolama yoğunluğu yüksek ve korumalı aküler tercih edilecektir.Akülerin seçiminde watt/kg oranı en önemli tercih sebebimiz olacaktır. 

İnci Akü –Kurşun Asit Traksiyonel Aküleri

( Lead Acid Tractional Batteries )

 

Bu akülere kurşun-asit traksiyoner akü denmesinin nedeni, akünün bileşenleri içerisinde kurşun ve asitin ana maddeler olmasıdır.

Bu aküler, istenen voltaj değerine göre, sayılan değişen 2 voltluk hücrelerin, çelik bir kasanın içerisinde seri olarak bağlanması ile oluşmaktadır.

Bu aküler isteğe bağlı olarak sulu şarjlı veya kuru şarjlı olarak hazırlanabilirler. Sulu şarjlı aküler kullanıma hazır şekilde sevk edilirler.

 

 

7.DC CONTROLLER ÜNİTESİ:.

 

Motorların özelliklerine göre seçilen DC Controller Sistemimizin modeli Alltrax-AXE serisidir. Ünitenin teminini motorlarla birlikte sağlamak üzere çalışmalarımız devam etmektedir. 

 

Alltrax sürücünün temini Türkiye’de Femsan tarafından sağlanmaktadır. Bu sürücünün Femsan’dan temini konusunda çalışmalar sürmektedir.

 

 

 

 

8.SKIPPER KABİNİ VE KONTROL SİSTEMLERİ:

Skipper kabininin tasarımı konusunda yarışma standartlarının getirmiş olduğu kısıtlamalara göre yapılabilecek en hafif sistem tasarlanmıştır. Skipper’ın gölgesinin en aza indirilmesi ve rahat kontrol konusunda tasarım çalışmaları sürmektedir. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.HABERLEŞME EKİPMANLARI:

        

Yarışma kriterlerine göre skipperın sürekli kara ile bağlantısı olması gerekmektedir. Buna göre tasarladığımız sistem en hafif şekilde haberleşmeyi sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Sürekli ve pürüzsüz bir haberleşme için gerekli marka ve model araştırmaları sürmektedir. 

 

10.HIZ ÖLÇER

Hız ölçer konusunda güneş enerjili teknede de kullanılan ve elimizde bulunan Raymarine marka SD-40 serisi sistem kullanılacaktır.Kullanmayı düşündüğümüz elektrik motoru üzerindeki uzaktan kontrol üzerinde ayrıca yere göre hızımızı da görebileceğiz.