Prof. Dr. Hüseyin ÖĞÜT Selçuk Üniversitesi “Biyoyakıtların Motor

TOBB EKONOMİ ve TEKNOLOJİ ÜNİVERSİTESİ
6 NİSAN 2007-ANKARA
PROF.DR.HÜSEYİN ÖĞÜT
SELÇUK ÜNİVERSİTESİ
[email protected]
MOTOR YAKITLARI
Geleneksel motor yakıtlarının arzı ve kullanımında yaşanan
sorunlar yakıtların:
– Yerli ve yenilenebilir,
− Çevre dostu,
− Fiyat açısından geleneksel yakıtlarla rekabet edebilir,
− Enerji değeri geleneksel yakıtlara yakın,
− Mevcut yakıt dağıtım altyapısı ve yakıt donanımıyla uyumlu
olmasını gerektirmektedir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
2
BİYOYAKITLAR VE MOTOR
Biyoyakıtların motorlarda kullanımıyla ilgili iki
yaklaşım söz konusudur:
1. Motorun yakıta uydurulması:
a. Araca kit takılması
2. Yakıtın motora uydurulması:
a. Biyolojik yağdan Biyodizel üretimi,
b. Alkolde saflığın % 99’un üzerine çıkarılması,
c. Biyogazın saflaştırılması.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
3
TÜRKİYE’DE BİYOKÜTLE ve BİYOYAKIT
POTANSİYELİ
Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı;
•
Türkiye’nin Biyokütle potansiyeli 15 milyon ton,
•
Kullanılan miktar 6 milyon ton,
•
Biyoyakıt üretimi için kullanılan 2 milyon ton,
•
Üretim kapasiteleri yıllık;
− Biyodizel için 1,5 milyon ton,
− Biyoetanol için 3 milyon ton ve
− Biyogaz üretim potansiyeli 1,5-2 milyon ton
olarak belirtmektedir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
4
TÜRKİYE BİYOYAKIT TEDARİK ZİNCİRİ
HAMMADDE
B2,E2
B100
BİYOYAKIT
ÜRETİMİ
Dağıtıcı Kuruluş
:
:
:
:
:
E10
E25
E5-B5
B10
B2-E2
TÜKETİCİ
ABD
Brezilya
AB
Almanya
TÜRKİYE
B2,E2
Petrol
istasyonu
Almanya, Brezilya ve diğer bazı ülkelerde Tarım gibi bazı kesimlerin SAF BİYOYAKIT kullanımına imkan
sağlanmaktadır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
5
MOTORA ETKİLER
GÜÇ
EMİSYON
MOTOR
MALZEME
UYUMU
PROF.DR.H.ÖĞÜT
YAĞLAMA
YAĞI
4 NİSAN 2007
6
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
7
YAKIT ETANOLÜNÜN ÖZELLİKLERİ
Benzin
Biyoetanol
0,720-0,780
0,791
Kinematik viskozite,
40ºC (mm2/s)
0,8
1,13
Stokiyometrik Hava/Yakıt Oranı
14,5
9,0
Parlama Noktası (ºC)
220
420
Oktan Sayısı (araştırma)
91
109
Oktan Sayısı (motor)
80
98
376-502
903
43,5
27
Yakıt Tipi
Özgül ağırlık , 15ºC (g/cm3)
Buharlaşma Gizli Isısı (kJ/kg)
Isıl Değer (MJ/kg)
Kaynak:Türkiye Şeker Fabrikaları
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
8
BİYOETANOL ve OKTAN SAYISI
‰ OKTAN SAYISI ; Vuruntuya karşı direncin ölçüsü olarak
tanımlanır.
‰ Vuruntu; yanmanın tamamlanamamasına ve motor
parçalarında yorulmalara neden olur.
‰ Benzine % 10 Biyoetanol ilave edildiği zaman OKTAN SAYISI 2
birim artmaktadır.
‰ Bu nedenle Biyoetanol; “OKTAN SAYISI ARTIRICI” olarak
tanımlanır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
9
TORK (Nm)
ÖZGÜL YAKIT TÜKETİMİ (g(kWh)
BİYOETANOLDA TORK VE ÖZGÜL
YAKIT TÜKETİMİ (2000 d/d)
SIKIŞTIRMA ORANI
Kaynak:Yücesu ve Ark.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
10
HAVA-YAKIT KARIŞIMI
• İdeal Hava-Yakıt Oranı benzin için 14,6:1 olarak
bilinmektedir.
• Biyoetanolün oksijen içeriği benzine göre daha fazla
olduğu için hava yakıt oranı örneğin E22 için 12,7:1
olmaktadır.
• Bu durum; Biyoetanolün kullanan motorların saf
benzine göre daha az hava harcaması sonucunu
doğurmaktadır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
11
YAKIT FİLTRESİ
•
Biyoetanol; aracın deposundaki ve yakıt
hattındaki kalıntıları çözer.
• Bu nedenle, biyoetanol kullanımında yakıt
filtresini daha kısa aralıklarda değiştirmek
gerekebilir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
12
İLK ÇALIŞTIRMA
• Biyoetanolün Buharlaşma Gizli Isısı Benzinden daha
fazladır.
• Biyoetanol karışımlarının soğuk havalarda çalışma
kabiliyeti daha zayıftır. Bu nedenle akü ve marş
kapasitesinin yükseltilmesine ihtiyaç duyulabilir.
• Biyoetanol karışımı kullanan araçlarda soğuk havalarda
ilk çalıştırmalarda kullanmak üzere saf benzin deposuna
ihtiyaç duyulabilir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
13
MALZEME UYUMU
•
Biyoetanol; bazı plastik, kauçuk ve elastomerleri bozabilmektedir.
•
Biyoetanol; alüminyum, pirinç,çinko ve kurşun gibi metalik
malzemede korozyona yol açmakta ve sonuçta; ateşleme ve yakıt
donanımı zarar görmektedir.
•
Benzin içersindeki biyoetanol miktarı (>E10) arttıkça korozyon
etkiside hızla artmaktadır.
•
Bu sorunu gidermek için biyoetanolle uyumlu olan teflon ve flor
kaplanmış elastomerler (Viton) malzemeler kullanılmalıdır.
•
Yine korozyonu engellemek için yakıt yakıt filtrelerinde paslanmaz
çelik malzeme kullanılmalıdır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
14
MOTOR GARANTİSİ
• Motor garantisi açısından izin verilen maksimum
karışım oranları (Hacimsel)
– İngiltere’de % 5
– A.B.D.
% 10
olarak verilmektedir.
• Araç üreticileri daha yüksek karışım oranlarında
garantinin geçerli olamayacağını kullanıcılara
bildirmektedirler.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
15
BİYOETANOLÜN HARMANLANMASI
• Ülkemizde sadece Petrol Ofisi biyoetanol harmanlaması
yapmaktadır. BİOBENZİN adıyla Petrol Ofisi istasyonlarında
satılan bu benzin türünde %2 biyoetanol bulunmaktadır.
• Harmanlama, benzin yüklü tankerlere Biyoetanolün
enjeksiyonu yöntemiyle yapılmaktadır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
16
ETBE
• ETBE (Etil tersiyer bütil eter) C6H14O,
» Yoğunluk
» Kalori değeri
:
:
760 kg/m3,
36 MJ/kg
• ETBE; biyoetanolün izobütan ile (45%/55% ağırlıkça) katalitik
reaksiyonu ile elde edilir,
• ETBE; uçucu, korozif ve nem çekici olmadığı için biyoetanole
göre daha iyi bir katkıdır ve benzine hacimsel olarak % 15
oranında karıştırılır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
17
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
18
DOĞRUDAN YAĞ KULLANIMI
•
Bitkisel yağ, direkt püskürtmeli motorlarda kullanıldığında:
– Yanma odası
– Piston
– Supap v.b.
kalıntılar meydana gelmektedir.
•
Ayrıca yağın yüksek viskozitesi pompalama ve yanma açısından da
sorun
oluşturmaktadır.
Bunların dışında:
– Motor yağında seyrelme,
– Malzeme uyumsuzluğu ve
– Soğuk akış özelliklerinin kötüleşmesi gibi olumsuzluklar
görülmektedir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
19
BİYODİZEL VE MOTORİN
YAKIT
BİYODİZEL
MOTORİN
YOĞUNLUK (kg/m3)
880
830
KİNEMATİK
VİSKOZİTE (mm2/s)
3,5…5,0
3,0
50-60
En az 40
39,5- 40,1
45,9
ÖZELLİK
SETAN SAYISI
ENERJİ DEĞERİ
(MJ/kg)
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
20
MALZEME UYUMU
•
Biyodizel kauçukla
reaksiyona
girmektedir.
•
Eski araçlarda
(1996 öncesi)
kauçuk contaların
kauçuk olmayan
(VITON TM)
contalarla
değiştirilmesi
gerekir.
•
UYUMLU
•
•
Paslanmaz çelik
Karbon çeliği
•
Alüminyum
• Pirinç
• Bronz
• Bakır
• Kurşun
• Kalay
•
% 5 i aşmayan
karışımlarda böyle
bir sorun yoktur.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
UYUMSUZ
4 NİSAN 2007
Çinko
21
MOTOR PERFORMANSI
60
250
Motor Devir Sayısı, d/d
BİYODİZEL
MOTORİN
(Kaynak: Öğüt ve ark. 2004)
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
22
2700
2500
2300
2100
Motor Devir Sayısı, d/d
1900
0
1700
50
1500
2700
2500
2300
2100
1900
1700
1500
1300
1100
0
100
1300
10
150
1100
20
200
900
30
D önme M omenti, N m
40
900
G üç, kW
50
İLK ÇALIŞTIRMA
• Biyodizelin yüksek karışım oranlarında ilk çalıştırmada
sorun yaşanabilmektedir.
• Bu durum Biyodizelin soğuk havalarda motorine göre
viskozitesinin artmasından (daha kalın hale gelmesinden)
kaynaklanmaktadır.
• Bu sorunu aşmak için; Yüksek Karışım Oranlarında
viskoziteyi azaltacak katkı maddeleri kullanılabilmektedir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
23
YAĞ DEĞİŞİMİ
• Biyodizelin yüksek karışım oranlarında (B20) motor
yağlama yağı değiştirme aralığı kısalır.
• Motorinde 21000 kilometrede olan yağ değişimi
Biyodizelde 12 000 kilometreye kadar inmektedir.
• Ancak bu biyodizel kullanımı kısıtlayan bir durum
olmayıp, dikkat edilmesi gereken bir özelliktir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
24
FİLTRE DEĞİŞTİRME
Saf Biyodizel (B100), motorinin yakıt deposunun yüzeylerinde ve yakıt iletim hattında
oluşturduğu kalıntıları çözer.Serbest kalan bu kalıntılar filtreyi tıkar.Bu nedenle Saf
Biyodizel kullanımından bir gün sonra filtrenin değiştirilmesi gerekir. B20 kullanım
şeklinin böyle bir etkisi olduğuna dair bir bulgu yoktur.
1.
2.
3.
40-80
400
1200
FİLTRE TIKANMASININ BELİRTİLERİ
• Çekişte azalma
• Yakıt ekonomisinin bozulması
• Hararet artışı
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
25
MOTOR AYARI
• Biyodizelin yüksek karışım oranlarında
(B100) motor performansını geliştirmek
amacıyla; Püskürtme avansı 2, 3
derece gibi küçük bir değerde artırılır ve
aynı zamanda NOx emisyonları azaltılır.
• Bu işlem şüphesiz konvektöre göre çok
daha basit ve ucuz bir işlemdir.
• Ancak bu ayarda PM ve YT değerlerine
dikkat edilmelidir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
26
BİYODİZELİN YAĞLAYICILIK ÖZELLİĞİ
• Motorindeki kükürt oranı, çevreci gerekçeler
doğrultusunda önce 500 ppm daha sonrada 10-15 ppm
değerine indirilmiştir.
• Yakıttaki kükürt oranının azaltılması, yakıt tarafından
yağlanan enjeksiyon pompasının hareketli parçaları ile
enjektörlerde yağlama problemleri ve motor
performansının düşmesi gibi olumsuz sonuçları ortaya
çıkarmıştır.
• Mükemmel Yağlayıcılık özelliği olan Biyodizel motorine
yağlayıcılık özelliği sağlamada önemli rol oynamaktadır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
27
MOTORİNİN (10 ppm) ENJEKTÖRDE
OLUŞTURDUĞU KALINTILAR
Kaynak:www.lubrizol.com
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
28
BİYODİZEL SENSÖRÜ
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
29
BİYOYAKITLI YAKIT KOMBİNASYONLARI
E-B-Dizel
(Etanol-Biyodizel-Motorin)
PROF.DR.H.ÖĞÜT
E-Dizel yada (Dizel-Hol)
(Motorin-Etanol)
4 NİSAN 2007
30
E- DİZEL
E-Dizel; ASTM D 4806‘a göre “Bünyesinde % 15’e kadar Biyoetanol
bulunduran motorin” olarak tanımlanmaktadır.
•
E-Dizel, Dizelhol yada Oksidizel Kuzey Avrupa ülkeleri ve ABD de
kullanılan bir yakıttır.
•
•
•
•
E-Dizel’in avantajları:
Yakıt emisyonlarını azaltarak teknolojik maliyeti düşürür,
Motorinin yakıt kalitesini artırır,
Motorinin soğuk akış özelliklerini çevreye zarar vermeden iyileştirir.
E-Dizel uygulamasının emisyon alanındaki ilk olumlu sonuçları Partikül
Madde de görülmekte ve bu değer motorine göre %33-40 oranında
azalmaktadır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
31
(İsveç’te Biyogaz Tanıtımı)
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
32
BİYOGAZ
ve
DOĞAL GAZ
BİLEŞİM (%)
CH4
(Metan)
40-80
CH4
(Metan)
90
CO2
(Karbondioksit)
20-50
0,05
H2S
(Hidrojen sülfür)
0.0005-0.0002
C2H6
(Etan)
NH3
(Amonyak)
0.0005-0.0001
N2
(Azot)
0-3
H2
(Hidrojen)
0-5
PROF.DR.H.ÖĞÜT
Propan,
Bütan,
Pentan,
Hegzan ve diğerleri
4 NİSAN 2007
<0,01
33
BİYOGAZIN SAFLAŞTIRILMASI VE
KALİTESİNİN YÜKSELTİLMESİ
•
Biyogaz
– Partiküllerden
– H2S (H2S değerinin 10 ppm
düzeyinde olması önerilmektedir.Aksi
takdirde motor garantisi söz konusu olmamaktadır)
– Su
•
gibi maddelerden arındırılarak saflaştırılır.
Biyogazdaki;
– CO2 ayrılır ve Metan miktarı hacimce % 97 ye ulaşır.
– Gazın kalorisi yükseltilir,
– Koku eklenir,
– Yakıt kalitesi düzenlenir,
– Sıkıştırılarak basınç 200 bara uzaklaştırılarak
kalitesi artırılır.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
34
BİYOGAZIN MOTOR YAKITI OLARAK
ÖZELLİKLERİ
•
Biyogaz; biyoetanol ve biyodizelden farklı olarak Benzinli motorlarda saf Dizel
motorlarda; motorin ile % 18-20 oranında karıştırılarak kullanılabilmektedir.
•
Metan yavaş yanan bir gazdır.Bu nedenle gücü en üst değere çıkarabilmek için
avansın artırılması gerekmektedir.Eğer avans yeterince yükseltilmezse; yakıt
yanamaz ve egzoz supaplarında sıcaklık yükselmesi olur. Buda ömür kısalmasına
yol açar.
•
Avans çok fazla olursa da; maksimum basınç Ü.O.N dan önce ortaya çıkar ki
bununda anlamı vuruntudur.
•
Biyogaz içerisinde bulunan yüksek miktardaki (%0,4) H2S yağlama yağının erken
bozulmasına ve sonuçta motor yağının değişim aralığının kısalmasına ve asit
korozyonuna da yol açabilmektedir.
•
Metan için 9,6:1 olan hava yakıt oranı (Isıl değer 36 MJ/m3 ), Biyogaz için
5,7:1 değerine düşmektedir.
•
Standartlara göre Biyogazın Motor Oktan sayısının 130 dan büyük olması
istenmektedir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
35
1 m3 BİYOGAZIN YAKIT EŞDEĞERLERİ
(23 000 MJ / m3)
PROF.DR.H.ÖĞÜT
‰
0,62 litre Motorin,
‰
0,70 litre Benzin,
‰
0,57 litre Doğal gaz
‰
0,87 litre Sıvı bütan,
4 NİSAN 2007
36
BENZİNLİ MOTORLAR VE BİYOGAZ
• Benzinli motorlarda Biyogazın kullanılabilmesi için bazı
değişiklikler yapılması gerekmektedir.Bunlar;
– Karbüratör: Biyogazın enerji değerinin benzine göre düşük olmasından dolayı,
karbüratörün yakıt ve hava giriş kapasiteleri artırılır.
– Buji tipi ve tırnak aralığı:Motor imalatçıları Biyogaz için Sıcak Buji ve Buji tırnak
aralığı olarak da 0,4 - 0,7 mm önermektedirler.
– Optimum Sıkıştırma Oranı: 11:1… 16:1 arasındır.
– Ateşleme Zamanı:Biyogaz diğer gazlara göre daha yavaş yanmasından dolayı,
ateşleme zamanın geciktirilmesi gerekir ve motorun gücüne bağlı olarak ateşleme Ü.O.N dan
30…45° önce yapılmalıdır.
– İlave bakımlar: Saflaştırılmamış Biyogazda aşınma ve yağ-yağ filtresi değişimin
aralığının kısalacağı gözönünde tutulmalıdır.
SAFLAŞTIRILMIŞ BİYODİZELDE RİSKLER AZALMAKTADIR.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
37
GAZ YAKIT KARBÜRATÖRÜ
YANMA
ODASI
PROF.DR.H.ÖĞÜT
KELEBEK
BİYOGAZ
4 NİSAN 2007
HAVA
38
DİZEL MOTOR VE BİYOGAZ
Biyogazın dizel motorlarda kullanılabilmesi için yapılması
gereken değişiklikler Benzinli motorlara göre fazladır.
Setan sayısının düşük olması dolayısıyla:
−Ateşleme donanımı ve
−Karbüratör ilavesi ,
−Püskürtme pompasının ve
−Ateşleme avansının ayarlanması
gerekir.
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
39
BİYOYAKITLARIN KARŞILAŞTIRILMASI
NOx
BİYOGAZ
PM
KÜRESEL
ISINMA
MOTOR
UYUMU
FİYAT
BULUNABİRLİLİK
TEKNOLOJİK
BAĞIMLILIK
TOPLAM
SKOR
3
3
3
-3
-1
-3
2
4
B20
-1
2
3
0
-2
2
1
5
E10
0
0
3
0
-1
3
1
6
POZİTİF: 1…3, NÖTR: 0, NEGATİF: -1…-3
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
40
BİYOYAKITTA CEVAP BEKLEYEN
SORULAR
A.YASAL ÇERÇEVE
•
KARARLILIĞI Olan Destekleyici Mevzuat
a. Teşvik (Tesis)
b. Vergi Muafiyeti
B.UYGULAMA
•
•
•
•
•
Destekleyici- Denetleyici Kurumlar (Enstitü, EPDK, v.b.)
Hammadde Tedariki (Üretici Birliği, Sözleşmeli Tarım, Kooperatifler)
Ülkesel Kalite Yönetimi (TSE, E20, B20)
Örgütlenme (Biyoyakıt Üreticileri Birliği)
Kullanım Stratejisi
a.Kullanım Alanları (Tarım, Toplu taşıma v.b.)
b.Harmanlama Oranı
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
41
PROF.DR.HÜSEYİN ÖĞÜT
SELÇUK ÜNİVERSİTESİ
[email protected]
KAYNAKLAR
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Alan C.Hansen, Robert H.H., Qin Z, P., and W.L.Lyne 2001, On Farm Evulation of Diesel Fuel
Oxygenated With Ethanol,
Irshad A., 2001,Engineerid Fuels for a Cleaner Environment:E-Diesel and P-Series Alternative
Fuels, 7 th Clean Cities Conferences and Expo, Pennsylvania
Vince C., and - Husky O., 2002, The Realities and Obstacles of Expanding the Ethanol Industry
in Western Canada
Anonim, 2002, Otomotiv Yakıtları-Dizel-Özellikleri ve Deney Metotları, TS 3082 EN 590, Ankara,
Waterland L.R. Venkatesh S.and Unnasch S.,2003, Safety and Performance Assesment of
Ethanol/Diesel Blends(E-Diesel), NREL,California,USA
Anonim,2004,Türkiye Şeker Fabrikaları Genel Müdürlüğü, Etil Alkolün Yakıt Olarak Kullanılması,
Ankara
William M, D.,2004, John Deere E-Diesel Research Program,USA
Lee, J., 2005,Renewable Energy in Europa and its Impact on Oil and Gas, Russia-EU Energy
Forum,London
Gerhard K., Jürgen K.,Gerpen V.,2005, The Biodiesel Handbook, ISBN:1-893997-79-0, USA
Öğüt H., ve Oğuz H., 2006, Üçüncü Milenyumun Yakıtı; Biyodizel, Nobel Yayınları, Ankara
Yücesu ,H.S., Topgül, T., Çinar, C and Okur, M., 2006 Effect of Ethanol–Gasoline Blends on
Engine Performance and Exhaust Emissions in Different Compression Ratios, Applied Thermal
Engineering, Volume 26,Issues 17-18,Pages 2272-2278
http://www.esru.strah.ac.uk./EandE/Web_sites/02-03/biofuels/per_mods.htm
http://www.lubrizol.com
http://uidaho.edu/bioenegy
www.ias.unu.edu/proceedings/icibs/ibs/info/ecuador/fa-seminar-2001.ppt
www.iea.org/textbase/nppdf/free/2004/biofuels2004.pdf
PROF.DR.H.ÖĞÜT
4 NİSAN 2007
43