Alternatif Enerjili Hava Aracı Uygulamaları Ve

Alternatif Enerjili Hava Aracı Uygulamaları Ve Performanslarının
Karşılaştırılması
Alternative Energy Applications And Performance Comparison For Air Vehicles
1
Şerife CAMCI
ABSTRACT:
By increasing population of the world; the fuel consumption of aviation sector (which is critical at trade,
tourism, and military areas) is growing with a fast acceleration. The energy and environmental problems
which are the results of this international consumption have become a common problem. Therefore, after
the development of conventional energy production methods, new technologies and alternative solutions
are developed in line with the demands of the energy market. The demands of energy market are more
reliable, better quality and cheaper energy with more environmental friendly. The amount of carbondioxide
emissions of the air vehicles has a large share in the total carbondioxide amount which is emmited by total
transport traffic. For this reason, the researches and applications are gaining speed about use of alternative
energies like as solar, hydrogen, biomass, and nuclear energy instead of fosil fuels in recent years.
In this study; firstly, as informed about international working groups established in order to prevent
environmental damages of traditional aircraft fuels. Following that, some examples have been given about
the applications of alternative energy using in the aircrafts. In the final section, by comparing of alternative
energy used in various air vehicles, their performances have been evaluated within the frame of safety,
speed, altitude, endurance, range, efficiency, load capacity, affordability, weight and extensive usage
criterias.
Key Words: Alternative energy, aircraft fuels, air vehicle, renewable energy.
ÖZET:
Dünya nüfusunun hızla artmasıyla birlikte ticaret, turizm ve askeri alanlarda vazgeçilmez olan havacılık
sektörünün yakıt tüketimi de çok hızlı bir ivmeyle artmaktadır. Bu tüketimden dolayı ortaya çıkan enerji ve
çevre sorunları uluslararası ortak bir sorun haline gelmiştir. Bu nedenle klasik enerji üretim yöntemlerinin
geliştirilmesinin ardından, enerji piyasasının talepleri doğrultusunda, yeni teknolojiler ve alternatif çözümler
üretilmektedir. Bu talepler; enerjinin daha güvenilir, daha ucuz ve daha kaliteli olması ile birlikte daha
çevreci olması yönündedir. Hava araçlarının karbondioksit emisyonu miktarı, dünyadaki toplam ulaştırma
trafiğinin yaydığı karbondioksit miktarında büyük bir paya sahiptir. Bu nedenle son yıllarda, hava araçlarında
fosil jet yakıtı yerine güneş, hidrojen, biyokütle ve nükleer enerji gibi alternatif enerji kullanımına yönelik
araştırmalar ve uygulamalar hız kazanmaktadır.
Bu çalışmada; ilk olarak, geleneksel uçak yakıtlarının kullanımının çevreye olan zararlarını azaltmak için
kurulmuş olan uluslararası çalışma grupları hakkında bilgi verilmektedir. Daha sonraki bölümde, hava
araçlarında yakıt olarak alternatif enerji kullanımına ilişkin dünyada gerçekleştirilen uygulama örnekleri
sunulmaktadır. Sonuç bölümünde ise; alternatif enerjilerin çeşitli hava araçlarında kullanımları
1
Öğr. Gör., E.Ü. Ege Meslek Yüksekokulu Uçak Teknolojisi Programı, [email protected]
268
karşılaştırılarak emniyet, hız, irtifa, dayanıklılık, menzil, verim, yük kapasitesi, ekonomiklik, ağırlık ve yaygın
kullanım gibi kriterlere bağlı olarak performansları değerlendirilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Alternatif enerji, uçak yakıtları, hava aracı, yenilenebilir enerji.
1. GİRİŞ
Hava taşımacılığından kaynaklanan karbondioksit emisyonu, 2013 yılındaki toplam verilere göre 705 milyon
tona ulaşmıştır. Bu da dünyadaki toplam ulaştırma trafiğinin yaydığı karbondioksit miktarının ortalama
olarak % 12’sine karşılık gelmektedir. (ATAG, 2015) Hava Taşımacılığı bu hızla devam ederse önlem
alınmadığı takdirde, 2050’li yıllara gelindiğinde bu emisyon miktarının en az iki katına çıkacağından endişe
edilmektedir. Bunun için dünya genelinde birçok çalışma grupları kurularak önlemler alınmaya başlamıştır.
Bu grupların başında gelen Air Transport Action Group (ATAG)’ın aldığı önlemler; yakıt tasarruflu ve verimli
yeni teknolojiler geliştirmek, hava taşımacılığını azaltmak, alt yapıyı geliştirmek ve alternatif enerji kaynakları
kullanarak karbondioksit salınımını minimuma indirmektir. Şekil 1.1’de görüldüğü gibi, her yıl %1.5 oranında
CO2 emisyonunda azalma sağlanarak alternatif enerji kullanımı %80’lere ulaştığı takdirde 2050 yılındaki CO2
emisyonu salınımı 2005 yılının yarısına inmesi beklenmektedir. (ATAG, 2015) Çevreye olan bu zararları
minimuma indirmek üzere, hava araçlarında fosil jet yakıtı yerine güneş, hidrojen, biyokütle ve nükleer
enerji gibi alternatif enerji kullanımına yönelik araştırmalar ve uygulamalar gün geçtikçe hız kazanmaktadır.
Şekil 1.1 Uçaklarda karbondioksit emisyonunu düşürmek için yol haritası (ATAG, 2015)
2. HAVA ARAÇLARINDA ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARININ YAKIT OLARAK KULLANIMI
Uçaklar ağır yükleri taşıyabilme kapasitesi sağlamak için çok güçlü motorlara sahip olmalıdırlar. Fazla güç
üretmek için çok da fazla yakıt tüketmek zorundadırlar. Üretici firmalar uçakları benzin, mazot, gaz gibi
yakıtların yerine litre fiyatı çok daha ucuz olan özel yakıtlarla uçabilecekleri şekilde dizayn etmektedirler.
Günümüzde yolcu uçaklarında yakıt olarak gaz yağı olarak da bildiğimiz kerosene özel katkılar eklenerek elde
edilen JET A-1 veya AVGas tip yakıtlar kullanılmaktadır. Bu yakıtlar renksiz ve berrak bir petrol ürünüdür.
Askeri ve pervaneli uçaklarda ise özel olarak renklendirilen JET-B, JP2, JP4 ve JP8 gibi yakıt türleri kullanılır.
Yakıtın kolay kolay tutuşmaması için alevlenme noktası yüksek ve yüksek irtifalarda donmaması için de
donma noktasının düşük olması gerekmektedir. (Karakoç, 2008:19)
Uçakların alçak irtifalardaki karbon salınımı çevreyi çok daha fazla etkilemektedir. Çünkü uçakların yerde
motor çalıştırması, kalkış ve inişlerde oluşturdukları zararlı gazlar doğrudan atmosfere karışmaktadır. Bu
269
nedenle yüksek kapasiteli ve yüksek menzile sahip uçuşlar havacılığın önemli bir hedefi haline gelmiştir. Bu
uçuşlar çok riskli olmasına rağmen yeni beceriler ve stratejiler geliştirmeyi gerektiren çözümler
araştırılmaktadır. Bu nedenle hava araçlarında CO2 emisyonunu azaltan, çevre kirliliğine yol açmayan
teknolojiler ve hidrojen, güneş, biyokütle ve nükleer gibi alternatif enerji kaynaklarının kullanımına yönelik
talepler gün geçtikçe artmaya devam etmektedir.
2.1. Hidrojen Enerjisinin Havacılıktaki Uygulamaları
İçten yanmalı motorların aksine, yüzde 95’e varan verimlerle çalışabilen ve çevre dostu hidrojen enerjisini
kullanan yakıt hücreleri, günümüzün en popüler çalışma konularından biridir. Klasik bataryalarda ilk olarak
gerçekleşen yanma reaksiyonunun verimi, üretilen elektrik enerjisinin verimini doğrudan etkilerken, yakıt
hücrelerinde doğrudan elektrik enerjisi üretildiğinden, yanma aşamasındaki kayıplar yakıt hücreleri için
önemli değildir. Bir yakıt hücresinde depolanabilen yakıt miktarı, aynı kütledeki veya hacimdeki bir
bataryanınkinden birkaç kat daha fazla olduğundan, gelecekte yakıt hücrelerinin küçüleceği ve çok daha fazla
alanda kullanılabileceği tahmini kolaylıkla yapılabilir. (FİGES ARGE, 2013). Klasik jet yakıtlarına göre ortalama
1.33 kat daha verimli bir yakıt olan hidrojen, birim kütle başına daha yüksek enerji yoğunluğu içerir fakat
daha fazla hacim gerektirir. Sıvı hidrojen jet yakıtı olarak kullanılan kerosenden 4 kat daha fazla hacme
sahiptir. Bu sebeple yakıt depoları klasik yakıtlara göre daha uzun ve daha büyük yarıçapta tasarlanır. Şekil
2.1’de hidrojen ve kerosen arasındaki hacim ve ağırlık açısından bu karşılaştırma görülmektedir.
(Westenberger,2000)
Şekil 2.1: Hidrojen ve kerosenin hacim ve kütle açısından karşılaştırması(Westenberger,2000)
Hidrojen, uzun yıllardır uzay mekiği ve diğer tüm roketlerde rakipsiz bir yakıt olarak kullanılmaktadır. NASA
tarafından Apollo ve Space Shuttle görevlerinde güvenli olarak elektrik ve su sağlamış olmaları nedeniyle,
yakıt pilleri uzaydaki rollerini ispatlamış bulunmaktadır. Uçaklarda ise hidrojen enerjisi ve yakıt pili
teknolojisinin kullanımı yine eskilere dayanmaktadır. İlk zamanlarda uçaklarda diğer yakıtlarla birlikte hibrit
olarak kullanılan yakıt pilinin günümüzde enerjisini sadece yakıt pilinden aldığı örnekler de giderek
artmaktadır. Hidrojen enerjisinin uçaklarda ilk kullanımı olan ve NASA tarafından 1956 yılında
gerçekleştirilen Martin B–57 Canberra deneme uçağı, kalkışta ve yükselmede JP-4 yakıtını kullandıktan sonra
16.400 m’de enerjisini sıvı hidrojenden alarak 20 dakika boyunca başarılı bir şekilde uçuş
gerçekleştirmiştir(NASA, 2012). Şekil 2.2’de fotoğrafı görülen Antares DLR-H2 isimli tek kişilik uçak sadece
yakıt hücresinden aldığı güçle kalkabilen ilk pilotlu uçak olarak havacılık tarihine geçmiştir. Antares DLR-H2
isimli uçak, 2009 tarihinde başarılı bir uçuş gerçekleştirmiştir. (DLR, 2015).
270
Şekil 2.2: Uçaklarda hidrojen enerjisi kullanımının tarihsel gelişimi
Sıvı hidrojen doğrudan veya dolaylı olarak motorları ve dış yüzeyi soğutmak için de kullanıldığından, yüksek
hızlı süpersonik uçaklar için ideal bir yakıt halini almıştır. Süpersonik uçakların dış yüzeylerinde açığa çıkan
yüksek sıcaklıklarda gereken mukavemete sahip malzemelerden olması sebebiyle bu uçaklarda hafif ağırlıklı
alaşımlar kullanılabilecektir. Böylece hava araçlarında daha uzun menzil sağlanmasının yanında daha fazla
yük de kullanılabilecektir (Miller,2010).
Boeing tarafından 2012 yılında geliştirilen insansız casus uçağı Phantom Eye, hidrojen yakıtı kullanarak
20.000 metre yükseklikte 4 gün süreyle kesintisiz görev yapmak için tasalanmıştır. Gücünü sadece sıvı
hidrojenden alan Phantom Eye saatte 270 km hıza ulaşabilmektedir (Technopat,2012). Hidrojenin
1950’lerden itibaren uçaklarada kullanımınına ilişkin dünyada birçok uygulama mevcuttur. Uçak gövdesi ve
motorunda farklı tasarımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Hidrojen uçakları diğerlerine göre çok fazla su buharı
yayar. Ayrıca farklı yüksekliklerdeki emniyet tedbirlerinin de arttırılmasına ihtiyaç duymaktadır (Presav,
2003).
Sıvı hidrojen jet yakıtı olarak kullanılan kerosenden 4 kat daha fazla hacme sahiptir. Bu sebeple yakıt
depoları klasik yakıtlara göre daha uzun ve daha büyük yarıçapta tasarlanır. Geleneksel yakıt, kanatlarda
depolanan yakıtın doğal yoldan buharlaşmasını engeller. Bundan dolayı, Sıvı hidrojenli uçakların tasarımında
sıvı hidrojen yakıt depoları gövde içerisine tasarlanır. Bu da gövdedeki sıvı ortamın artmasına neden
olduğundan performansı düşürür. Gövdenin genişlemesi sürtünmeyi arttıracağından havaya olan direnci de
arttırır. Diğer taraftan, aynı miktar enerjideki hidrojen karosene göre üçte bir oranında hafiftir. Bunun anlamı
aynı menzil ve performans için (hacmin etkisi ihmal edilirse) hidrojenli uçakların yakıt ağırlığının üçte bir
oranında azalacağıdır (Daggett,2007).
Yakıt pilli sistemlerinin montajında emniyet önemli bir yere sahiptir. Yakıt pileri ve hidrojen tankları hakkında
çok fazla güvenlik tedbirleri bulunuyorken, havacılık uygulamalarında yolcuların emniyeti de birçok yolla
yapılabilir. Yolcuların ve hidrojen tanklarının konumu uçak üzerinde uygun yerlerde olmalıdır. Emniyet
açısından kuyruk bölümünün yangın seviyesine bakıldığında güvenlik duvarı arkasındaki alanın belirgin
avantajı vardır. Emniyetli yerleşim seçeneklerinden biri yakıt hücresi ile hidrojen tanklarını birbirinden
ayırmaktır. Bunun için borular vasıtasıyla birbirine bağlantı ve yangın kapatma valfleri yapılmalıdır. Özellikle
sıvı hidrojen kullanmak gerektiğinde yakıtı kuyruk kısmının yaklaşık 6 m altına yerleştirilebilmektedir
(Pratt,2012- hydrogen Safety,2012).
Sonuç olarak; hidrojen enerjisinin jet yakıtlarına göre daha fazla enerjiye sahip olması, sessiz çalışması,
temiz, hafif, emniyetli ve çalışma sıcaklığı aralığının çok geniş olmasından dolayı hidrojen enerjisi ve yakıt pili
kullanımına talep artmaktadır. Ancak diğer fosil yakıtlara göre yeni bir teknoloji olduğundan daha pahalıdır.
271
Zamanla gelişen teknoji sayesinde maliyetin herkesçe ulaşılabilir düzeye geleceği değerlendirilmektedir.
Dünyanın giderek artan enerji gereksinimi düşünüldüğünde, hava araçlarında hidrojen enerjisinin
kullanılmasına yönelik uygulamaların giderek başarılı bir şekilde artması, havacılık sektörü açısından gelecek
vaat ettiğinin önemli bir kanıtı olmaktadır (Çamcı, 2012).
2.2. Güneş Enerjisinin Havacılıktaki Uygulamaları
Son yıllarda yapılan araştırmalar sonucunda dünya üzerindeki toplam rüzgar gücü 2-4 TW arasında,
hidroelektrik gücü 0,5TW, jeotermal güç 12TW, gelgit ve okyanus akıntılarından üretilebilecek güç miktarı
2TW ve kullanılabilecek güneşten elde edilebilecek güç ise 120000 TW olduğu tespit edilmiştir. Bu veriler
güneşin gücünün mucizevi bir yapıda olduğunu kanıtlamaktadır (ETKB,2015). Bu nedenle güneş enerjisi
kullanım alanları hızla artmakta ve havacılık alanında da kullanımı yaygılaşmaktadır.
Güneş enerjili hava araçlarında güneş pillerinden oluşan paneller uçak kanatları, gövde ve kuyruk gibi diğer
yüzeylere yerleştirilir. Böylece, güneş enerjisi fotovoltaik etki ile elektrik enerjisine dönüştürülerek itki ve
elektronik sistemlerin ihtiyaç duyduğu güç elde edilmiş olur. Güneş ışığının yoğunluğu, havanın bulutlu
olması ve hava sıcaklığı güneş panelinin ürettiği elektrik gücünü etkiler. Güneş enerjisi gece şartlarında
bulunmadığından sürekli bir uçuş sağlayabilmek için enerji depolama sistemleri kullanılması gerekmektedir.
Gün içinde elde edilen elektrik enerjisi ihtiyaç duyulan sistemlerde kullanılırken, enerji fazlası akülerin şarj
edilmesi için kullanılmaktadır (Orhan, 2012). Güneş panelli uçaklarda genel olarak enerji yönetim sistemi
Şekil 2.3’ te görüldüğü gibidir. Batarya öncesinde güneş panellerinden gelen enerjiden maksimum seviyede
yararlanmak ve şarj kontrolü için MPPT (Maximum Power Point Tracking) sistemi kullanılmaktadır. Elde
edilen elektrik enerjisinin hareket enerjisime dönüçtürmek için de bir güç dönüştürücüsüne ihtiyaç
duyulmaktadır (Gao,2013).
Şekil 2.3 Uçakta PV enerji yönetim sistemi
Şekil2.4’te bir güneş panelli uçağa ait 24 saatlik test uçuşu sonucunda 4 km, 8 km, 12 km ve 16 km’lik
irtifalarda dayanabildikleri menzil ve süreye ilişkin grafik görülmektedir. Görüldüğü gibi irtifa düştükçe
dayanma süresi de azalmaktadır. Yüksek irtifalarda sürtünme azaldığı için dayanma süresi de artmaktadır.
Ayrıca alçak irtifalarda atmosferik olaylardan etkilenme riskleri fazla olmaktadır (Gao,2013). Güneş pilleri,
yapımında kullanılan malzemeye göre isimlendirilir ve çok fazla çeşidi bulunur. Kullanılan malzemeye göre
de verimliliği %5 ila %20 arasında değişmektedir (EİE, 2013).
272
Şekil 2.4 : Güneş enerjisi ile çalışan uçaklarda yüksekliğe bağlı dayanıklılık grafiği
Son 50 yılda güneş pillerinin verimliliğinin artması ve çok ince olarak tasarlanabilmesi, elektriğin ve güneş
ışınlarının var olduğu her alana girebilmesini sağlamıştır. Bu alanlardan biride uçaklardır. 1957 yılında güneş
pili ile uçan ilk model uçak yapılmış ve başarıyla uçmuştur. Güneş enerjisiyle şarj edilen pillerle ilk kez 1974
yılında ABD’de Sunrise adlı 12 kg ağırlığa sahip askeri bir insansız hava aracı uçmayı başarmıştır. Güneş
enerjili ilk insanlı uçak ise 1979 yılında ABD’de üretilmiştir (Akbulut,2013). Güneş enerjisi ile çalışan İHA
(insansız hava aracı) olan Solara 50, 50 metre uzunluğunda kanatlara ve 15,5 metre uzunluğunda bir
gövdeye sahip olup 159 kg ağırlığındadır. 2013 yılında ilk başarılı uçuşunu tamamlayan ve gündüz saatlerin
de 7 kW'a kadar güç üreten bu araç, üzerinde yaklaşık 3000 adet solar panel bulundurmaktadır. Hızı 104
km/s çıkabilen Solara 65.000 ft. irtifaya çıkabilmekte ve 5 yıla kadar havada kalabileceği ve geleceğin
atmosferik uyduları olarak kullanılabileceği iddia edilmektedir. (Rosenberg,2013). Solar Impulse adı verilen
pilotlu uçağın gündüz uçuşlarında güneşten elde edilen elektrik enerjisi, uçağı uçurabilecek ve gece için
pilleri dolduracak güce sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Gece uçuş testi için 26 saat boyunca 8-9 bin
metre yükseklikte güneş enerjisi ile uçan ilk pilotlu uçak unvanının sahibi olmuştur. Bu uçak aynı zamanda
hiç yakıt almadan ABD’yi baştanbaşa geçmeyi başaran ilk güneş enerjisiyle çalışan uçak olmuştur. 2014
yılında 140 km/s maksimum hıza çıkabilen, toplam 6kW’lık güce sahip ve 11628 adet güneşpilini barındıran
modeli 76 saat havada kalbimle rekoru kırmıştır. 2015 yılında ise Japonya-Hawaii arasını toplam 117 saat
havada kalarak 5 gün boyunca uçarak tamamlayan ve 140 km/s hıza ulaşabilen Solarimpulse-II, %23 verimli
olduğu iddia edilen 17000’den fazla monokristal silikon güneş hücresi kullanılmıştır. Şekil 2.5’de fotoğrafı
görülen Solar Impulse-II’nin 2016 yılında dünyanın çevresini hiç durmadan dolaşması planlanmaktadır (Solar
Impulse,2015).
Şekil 2.5: Solar Impulse-II
Güneş enerjisi kullanımı çok uygun görünmesine rağmen bazı dezavantajları da mevcuttur. Güneş
panellerinin verimi düşüktür, paneller pahalıdır, uçak üzerinde geniş güneş panel alanlarına ihtiyaç duyar.
Ayrıca gece uçuşlarına elverişli değildir bunun için batarya veya diğer yakıtlarla hibrit bir sistem tasarlamak
gerekmektedir. Güneş ışınımı geliş açısı, dünya üzerindeki konumu, havadaki konumu, bulutlanma
faktörlerinden elektrik üretme kapasitesi sürekli değişebilmektedir. Uçak gövdesinde özel tasarım gerektirir,
ağır bir yapıda olduğu için taşıyabileceği yük miktarı çok kısıtlıdır ve kanat açıklığı fazla olacağı için geri
sürüklenme riski yüksektir(Orhan,2012).
273
2.3. Biyoyakıtın Havacılıktaki Uygulamaları
Biyoyakıtlar, herhangi bir yenilenebilir biyolojik karbon maddesinden üretilebilir. En genel kaynaklar ise
fotosentez yoluyla CO2 absorbe edebilen şeker oranı yüksek bitkiler ve biyolojik yağlardır. Dünya çapında
biyoyakıtlar ulaştırma, ısıtma, pişirme gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Birinci nesil biyoyakıt olan şeker
bakımından zengin mahsüller daha çok etanol yapmak için kullanılır ama uçak yakıtları için emniyet riski
taşıdığı ve performansı düşük olduğu için tercih edilmezler. Ancak algler, camelina, jatropha gibi bitkilerden
veya kentsel/evsel atıklardan elde edilen, ikinci nesil olarak adlandırılan biyoyakıt havacılıkta tercih
edilebilmektedir. Ayrıca ikinci nesil biyoyakıtlar çöllerde ve yüksek tuz ihtiva eden bölgelerde de
yetişebilmektedir (ATAG,2011). İkinci nesil biyoyakıtlar jet yakıtlarının yerine geçebilecek özelliklere sahip
olmalıdır. Çünkü mevcut uçak yakıt sistemi ve tasarımların değişiklik yapılmadan kullanılabilir olması, üretici
firmaları yeni sistem geliştirmek zorunda bırakmaması önemli bir kriterdir. Bu yakıtlar petrol bazlı geleneksel
yakıta karıştırılarak veya %100 oranında yerine geçerek kullanılabilmektedirler (ATAG,2011:8).
Uçaklar için biyoyakıtın birçok üretim metodu bulunmaktadır. Bunlardan başlıcaları; Hidroprocessed esters
and fatty Acids (HEFA) işlemi ile üretim, Biomass to liquid (BtL) metodu, Alkolden jet yakıtına dönüşüm
metodu ve piroliz metodudur. Fosil yakıtlara göre biyoyakıtın üretim ve taşınması dahil tüm işlemlerdeki
sera gazı etkisi ve verimlilik analizi Şekil 2.6’da görüldüğü gibidir. Biyoyakıt kullanımında verim yaklaşık %30’a
kadar çıkabilmektedir (Kittelson,2010).
(DME dimethyl ether; MeOH methanol; CNG compressed natural gas; RME rapeseed methyl ester; GHG greenhouse gas)
Şekil 2.6: Biyokütle enerjisinin verimlilik ve sera gazı etkisi analizi (Kittelson,2010)
Uzun zamandan beri biyayakıtların havacılık sektörüde kullanımına ilişkin başarılı uygulamaları devam
etmektedir. American Society for Testing and Materials (ASTM) International öncülüğünde birçok yakıt
tedarikçisi ve havacılık firması son birkaç yıldır yoğun çalışma grupları kurarak 2009 yılında uçaklar için
Fischer-Tropsch Prosesini onaylamışlardır. 2011 yılında ise HEFA ve diğer yağ asitleri proseslerini
onaylamışlardır. Bu onaylardan sonra birçok havayolu ticari uçuşlarında biyoyakıtları %50 oranına kadar
kerosenle ile karıştırarak kullanabimektedir böylece ozon tabakasına olan olumsuz etkiler de biyoyakıtta
göre %50 azaltılabilmiştir (ATAG,2011:12).
Biyoyakıt kullanan ilk test uçuşu 2008 yılında Londra’dan havalanarak Amsterdam’a gitmiştir. Virgin Atlantic
havayollarına ait Boeing 747’nin insansız deneme uçuşunda, uçağın dört motorundan birine Hindistan cevizi
274
ve babassudan elde edilen biyoyakıtın bulunduğu depo bağlanarak yakıtın yüzde 20’si buradan sağlanmıştır.
İlk biyoyakıtlı ticari uçuş ise 2011 yılında Amsterdam’dan Paris’e %50 oranında kullanılmış yemeklik yağ ile
yapan Boing 737 KLM uçağı olmuştur. Atık pişirme yağından elde edilen biyoyakıtla en uzun uçak yolculuğu
Amsterdam ile Brezilya'nın Rio De Janeiro kentleri arasında 20 Haziran 2012 tarihinde yapılmıştır. Hollanda
havayolu şirketine ait bir Boeing 777-200 uçağı, Amsterdam'dan kalkarak Atlantik Okyanusu'nu geçmiş ve
Brezilya'nın Rio de Janeiro kentine gitmiştir. Şekil 2.7’de fotoğrafı görülen Kanada Ulusal kuruluşu (NRC)
tarafından %100 biyoyakıttan (carinata yağından elde edilmiş olan) aldığı enerji ile uçan ilk uçak Falcon 20,
2012 yılında başarılı bir uçuş gerçekleştirmiştir (Lane,2012).
Şekil 2.7 Enerjisini %100 biyoyakıttan alarak uçan ilk uçak Falcon 20
Tarımsal alanların azlığı nedeniyle çevreci grupların baskısına ve hammadde ve yakıt üretiminde karşılaşılan
zorluklara rağmen ticari havacılık sektörü 2020 yılına kadar uçak yakıtı ihtiyacının en az yüzde 30’unu
biyoyakıtlardan sağlamayı hedeflemektedir. Çin başta olmak üzere ABD ve Avrupa birliği ülkeleri biyoyakıtın
uçaklarda kullanımını arttımayı hedef haline getirmişlerdir (Hammel, 2012).
3.4. Nükleer Enerjinin Havacılıktaki Uygulamaları
Soğuk savaş yıllarında bombardıman uçaklarının havada daha fazla kalması ve yakıt ikmali olmadan daha
uzun menzillere ulaşması için uçaklarda nükleer enerji kullanımı için çalışmalar başlatılmıştır.
Mayıs 1946'da ABD Hava Kuvvetleri tarafından nükleer enerjiyle çalışan bir uçak yapma programı Convair X6 başlatılmıştır. NB-36H uçağı, 1955 ile 1957 arasında 47 test uçuşu yapmıştır. NB-36H testlerinin
sonuçlarına dayanarak tüm nükleer uçak programı terk edilmiştir. 1960'lı yıllarda Sovyetler Birliği'nde de
benzer denemelerde bulunulmuştur. Uçaklarda nükleer enerji kullanımına yönelik projeler; mürettebatı
radyasyondan koruyacak etkili çözüm bulamamaları, kıtalararası füzenin icadı, kaza ya da terörist saldırı
esnasında çok büyük tehlikelere yol açabileceğinden iptal edilmiştir (Scientificamerican,2008).
3.HAVA ARAÇLARINDA KULLANILAN ALTERNATİF YAKITLARIN PERFORMANSLARI
Güneş enerjisinin hava koşullarındaki verimleri diğer yakıtlara göre düşük olması ve yük kapasitesinin düşük
olması nedeniyle kargo ve yolcu uçakları için elverişli olmayacağı tahmin edilmektedir.Radyasyon açısından
çok büyük riskler içeren nükleer enerjinin de uçaklarda iyi bir alternatif olmadığından uygulamaları dünyada
iptal edilmiştir. Uçaklarda kerosene göre düşük CO2 emisyonu sağlaması ve uygulanabilirliği
değerlendirildiğinde hidrojen, biyoyakıt, etanol, metanol, biyodizel kullanımı havacılık sektöründe sera gazı
etkilerini azaltan ve uygulanabilir bir potansiyele sahip olduğu görülmektedir.
Uçaklarda alternatif enerjinin geleneksel jet yakıtları yerine kullanılmasının başlıca sebebi karbondioksit
emisyonlarındaki çok düşük miktarda olmasıdır. Şekil 3.1’de hidrojen, nükleer ve biyoyakıtın diğer jet
yakıtlarına göre CO2 emisyonu açısından çok avantajlı ve çevreyle dost bir yakıt olduğu görülmektedir
(Westenberger,2000).
275
Şekil 3.1: Jet yakıtlarının CO2 emisyonun karşılaştırması (Westenberger,2000)
Bu yakıtlardan bazılarının bilimsel kurullar tarafından çalışmalar yapılarak jet yakıtı olarak kullanımının uygun
olmayacağına dair kararlar alınmıştır. Metanol ve etanol çok düşük enerji yoğunluğu sebebiyle tercih
edilmezler. Dahası metanol cilt ile temas halinde çok zehirlidir. Biyometan ise çok sınırlı hacim ve düşük
değişken kaliteye sahip olduğundan dolayı tercih edilmez (Presav, 2003).
Detaylı analizler sonucunda hava araçlarında kullanılabilecek en emniyetli ve yaygınlaşabilecek alternatif
yakıt opsiyonları; biyoyakıt, biyodizel ve hidrojen enerjilerinin kullanımıdır. Özellikle OSW (Off-shore wind
turbine electricity generation) metodu ile rüzgar enerjisi kullanarak hidrojen üretimi, biyokütleden hidrojen
üretimi, RME (Rape methyl ester) metodu ile biyodizel üretimi, IGT (Institute of Gas Technology gasifier) ve
TPS (Termiska Processer gasifer) metodları ile FT (Fischer-Tropsch) kerosen üretimi yaygın olduğu için bu
yöntemler üzerinde CO2 emisyon miktarı, üretilen enerji ve maliyet açısından yapılan karşılaştırmalar
aşağıdadır:
Şekil 3.2’de görüldüğü gibi OSW (Off-shore wind turbine electricity generation) metodu ile rüzgar enerjisi
kullanarak hidrojen üretimindeki CO2 miktarı yok denecek kadar azdır(Presav, 2003).
Şekil 3.2: Yakıt üretimindeki gaz emisyonları (kgCO2eq/GJ)(Presav, 2003)
Birim miktardan üretilecek enerji miktarlarına bakacak olursak Şekil 3.3’de görüldüğü gibi rüzgar enerjisi
kullanarak hidrojen üretiminden sağlanan enerji miktarı yine diğerlerine göre daha fazla olduğundan daha
avantajlıdır.
276
Şekil 3.3: Enerji miktarları karşılaştırması(GJ) (Presav, 2003)
Üretim maliyetleri açısından karşılaştırıldığında Şekil 3.4’de görüldüğü gibi rüzgar enerjisi kullanarak hidrojen
üretimi ve biyodizel üretim maliyetinin diğerlerine göre çok daha fazla olması dezavantaj olarak
değerlendirilebilir.
Şekil 3.4: Üretim maliyeti karşılaştırması (US$/GJ) (Presav, 2003)
Uçaklarda alternatif enerjilerin kullanımı emniyet, hız, menzil, irtifa, yük kapasitesi, yakıtın ekonomik olarak
elde edilebilmesi, uçak gövdesinde kapladığı hacim, ağırlık, kurulum maliyeti, yaygın olarak kullanımı, özel
tasarım gerektirip gerektirmediği gibi önemli kriterler göz önüne alınarak Çizelge 3.1 oluşturulmuştur.
Buradan da görüldüğü gibi uçaklarda yakıt olarak biyoyakıt kullanımının diğer teknolojilere göre her alanda
daha fazla avantajı bulunmaktadır. Bu nedenle, şu andaki biyoyakıtın uçaklardaki geleneksel yakıta alternatif
yakıt olarak en çok kullanım oranına sahip olacağı değerlendirilmektedir.
277
Çizelge 3.1: Alternatif enerjili hava araçlarının klasik yakıtlı hava araçlarına göre performans karşılaştırması
YAKIT TÜRÜ
KRİTER
Hidrojen
Güneş
Emniyet
(+)
(+)
(+)
(-)
Hız
(+)
(-)
(+)
(+)
İrtifa
(+)
(+)
(+)
(+)
(+)
(+)(yüksek
(+)
(+)
Dayanıklılık
Biyoyakıt
Nükleer
irtifalarda)
Menzil
(+)
(+)
(+)
(+)
Verim (kerosene göre)
(+)
(-)
(-)
(+)
Yük Kapasitesi
(+)
(-)
(+)
(+)
(-)
(+)
(+)
(-)
Uçakta Kapladığı Hacim
(-)
(-)
(+)
(+)
Ağırlık
(+)
(-)
(+)
(+)
Kurulum Maliyeti
(-)
(-)
(+)
(-)
Yaygın Kullanım
(-)
(-)
(+)
(-)
Özel Tasarım Gerekliliği
(-)
(-)
(+)
(-)
Ekonomik (kaynak)
(+) Avantajlı
(-)Dezavantajlı
4. SONUÇ VE ÖNERİLER
Alternatif enerjiler havacılıkta henüz çok yaygın olmadığı için günümüzde kullanılan uçak yakıtlarına göre
maliyeti yüksek bir teknolojiye sahiptir. Yakın gelecekte kabul edilebilir maliyetlere indirilerek yaygınlaşması
için dünyada birçok uluslararası kuruluşların öncülüğünde çalışmalar yapılmaktadır.
Çizelge 3.1’den de görüldüğü gibi yakıt olarak hidrojen, güneş ve biyoyakıt kullanımı havacılık sektöründe
sera gazı etkilerini azaltan potansiyele sahiptir. Güneş enerjisinin hava koşullarındaki verimleri diğer yakıtlara
göre düşük olması ve yük kapasitesinin düşük olması nedeniyle kargo ve yolcu uçakları için elverişli
olmayacağı bu nedenle daha hafif, kısıtlı yük kapasitesi bulunan uçaklarda veya insansız hava araçlarında
kullanımının yaygınlaşacağı tahmin edilmektedir.Radyasyon ve emniyet açısından çok büyük riskler içeren
nükleer enerjinin de uçaklarda kullanımının iyi bir alternatif olmadığına dair uzun yıllar önce dünya genelinde
ortak bir karar alınmıştır. Maliyeti hariç tutarsak verim ve karbon salınımı, soğutma özelliği, hafiflik gibi bir
278
çok açıdan yük ve yolcu uçaklarında, süpersonik uçaklarda yakıt olarak hidrojen kullanımının daha optimum
düzeyde olduğu görülmektedir. Ancak çok kısa vadede olmasa da uçaklarda hidrojen kullanımı, motor ve
uçak gövdelerinin özel tasarımlarda olması gerektiği için ancak ticari uçaklarda yaygınlaşması mümkündür.
Biyoyakıt üretimi uçaklardan daha önce kara araçlarında ve sanayi uygulamalarında da yaygın olarak
kullanıldığı için maliyeti diğerlerine göre daha düşüktür. Biyoyakıtın dünyada yaygın olduğunu ve uçak
üretiminde yeni bir tasarım gerektirmemesini göz önüne alırsak kısa vadede uçaklarda kullanımının en çok
yaygınlaşacak bir yakıt türü olduğu anlaşılmaktadır.
Sonuç olarak; uçak teknolojilerinin çok ciddi emniyet tedbirleri kriterlerine sahip olması gerekliliği nedeniyle,
havacılık endüstrisi henüz kanıtlanmamış ve yeni teknolojilere karşı direnç göstermektedir. Buna karşılık,
düşük CO2 emisyonları sayesinde alternatif enerjili hava araçları dünyada büyük gelişim potansiyeline
sahiptir. Alternatif enerjili hava araçlarının geleceğin güvenilir ve sürdürebilir hava yolu araçları haline
dönüşebilmesi için araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin artmasına ve dünyada yaygınlaşması için
maliyetlerin düşürülmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Kara araçlarında biyoyakıt ve hidrojen kullanımının da
yaygınlaşmaya başlamış olması, zamanla hava araçlarında da yenilenebilir enerjinin klasik yakıtların yerini
alacağının kanıtı olmaktadır. Ayrıca, Türkiye’de havacılık alanında hizmet veren kuruluş ve firmaların
havacılık sektöründe yenilenebilir enerjinin kullanımını teşvik etmek ve sürdürülebilirliğini sağlamak için
ATAG gibi uluslararası düzeyde faaliyet gösteren çalışma gruplarına katılarak aktif rol oynamasının ülkemiz
açısından faydalı olacağı değerlendirilmektedir.
KAYNAKÇA:
<Akbulut,2015>
Akbulut,U, (2013), Solar impulse, http://www.uralakbulut.com.tr/wp-content/uploads/2009/11/G%C3%
9CNE%C5%9E-ERJ%C4%B0S%C4%B0YLE-U%C3%87AN-U%C3%87AK-SOLAR-IMPULS1-ARALIK-2011.pdf
(Accessed 15.04.2015)
<ATAG,2011>
ATAG,(2011),
”Beginner’s
Guide
to
Aviation
Biofuels”
file:///C:/Users/EB/Downloads/
Beginnerts%20guide%20ti%20aviation%20biofuels.pdf (Accessed 17.05.2014)
<ATAG, 2015>
ATAG, (2015), Air Transport Action Group (ATAG), “A sustainable flightpath towards reducing emissions”
UNFCCC Climate Talks, Doha.
<Bradley ,2007>
Bradley T. H. , B. A. Moffitt, D.N. Mavris, D. E. Parekh (2007), “Development and experimental
characterization of a fuel cell powered aircraft” , Journal of Power Sources, Volume 171, Issue 2, 27
September 2007, Pages 793–801.
<Çamcı, Ş., 2012>
Çamcı, Ş., (2012) “Hava araçlarında hidrojen enerjisi ve yakıt pili teknolojisinin kullanımı”, Ulusal Havacılık
Teknolojisi ve uygulamaları Kongresi-2012, 978-605-338-004-7,217-231.
<Daggett,2007>
Daggett, David L.,(2007), “Alternate Fuels for use in Commercial Aircraft”, 2007.
<Energy Efficiency,2012>
Energy
Efficiency&
Renewable
Energy,(2012)
“Hydrogen
Safety”
http://www1.eere.
energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/h2_safety_fsheet.pdf. (Accessed 30. 05.2014)
<ETKB, 2013>
Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2013), http://www.enerji.gov.tr, (Accessed 15.07.2015].
<EİE, 2013,>
EİE, (2013), “Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü” http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_tekno.aspx
[Accessed 09. 04.2015)
279
<FİGES ARGE, 2013>
FİGES ARGE,( 2013), FİGES Mühendislik ve ARGE teknolojileri dergisi, Sayı: 1/2013
<Gao, 2013>
Gao, Z., Hou Z, Guo Zheng, Liu J., Chen X. ,(2013), “Energy management strategy for solar-powered highaltitude long-endurance aircraft”, Energy Conversion and Management 70 (2013) 20–30
<Hammel, 2012>
Hammel, D., (2012) ,NRDC , Aviation Biofuel Sustainability Survey, . (Accessed 30. 05.2015)
<Karakoç, 2008>
Karakoç,H, (2008), “Gaz tribünlü motorların yakıt sistemleri”, TC Anadolu Üniversitesi Yayınları: No:984 Sivil
Havacılık Yüksekokulu Yayınları,No:6 Eskişehir.
<Kittelson, 2010>
Kittelson,D. Watts, W., Bennett D., Taff S., (2010). “Performance And Emissions of a Second Generation
Biofuel -DME.” Center for Transportation Studies, University of Minnesota, CTS 08-10, 60 pp.
<Lane, 2015>
Lane, J., (2012), http://www.airportwatch.org.uk/?p=3448 (Accessed 01.06.2015).
<Miller, 2010>
Miller, A.R., Veziroğlu N,. (2010), “Hydrogen tube vehicle for supersonic transport: 2. Speed and energy”
International Journal of Hydrogen EnergyVolume 35, Issue 11, June 2010, Pages 5745–5753.
<NASA, 2012>
NASA, (2012), “Liquid Hydrogen As A Propulsion Fuel” http://history.nasa.gov/SP-4404/ch6-4.htm.
(Accessed 01. 05.2015)
<Orhan, 2012>
Orhan, B.,(20129 “Güneş Enerjili Hava Aracı Teknolojileri”, Ulusal Havacılık Teknolojisi ve uygulamaları
Kongresi -2012, 978-605-338-004<Pratt ,2012>
Pratt, J.W. , Leonard E. K., Karina M.R., Abbas A.,(2012), “Proton exchange membrane fuel cells for electrical
power generation on-board commercial airplanes”, Applied Energy, 13 September 2012.
<PRESAV, 2003>
PRESAV, 2003, B. Saynor,A. Bauen,M.Leach, (2003), “The Potential for Renewable Energy Sources in
Aviation” (Accessed 17.04.2015)
<Rosenberg A., 2013>
Rosenberg A., (20139
http://www.flightglobal.com/news/articles/auvsi-titan-aerospace-unveils39atmospheric-satellites39-389386/. (Accessed 30.05.2015].
<Scientificamerican,2008>
Scientificamerican,(2008)
,http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=nuclear-powered-aircraft
(Accessed 15. 05.2015)
<Solarimpulse, 2015>
Solar Impulse, (2015), www.solarimpulse.com (Accessed 15. 08.2015)
<Technopat,2012>
Technopat,(2012),“Phantom eye http://www.technopat.net/2012/ 06/05/hayalet-goz-goklerde/.( Accessed
30. 05.2015)
<DLR ,2015>
German Aerospace Center (DLR),(2015), Antares DLR-H2, “http://www.dlr.de/dlr/en/ desktopdefault.aspx
/tabid-10203/339_read-8244#/gallery/12336”( Accessed 30. 05.2015)
<Veziroğlu, 1998>
Veziroğlu, T.N., Barbir, F.,(1998), “ Hydrogen Energy Technologies” , UNIDO, Vienna
<Westenberger,2000>
Westenberger, A.,(2000), “CRYOPLANE – Hydrogen Fuelled Aircraft, Submission for the Energy Globe Award
2001 Category “Transport”Hamburg.
280