Hidrojenin sodyum bor hidrürde depolanması ve dizel motorlarda amonyak ile üçlü yakıt olarak kullanılması
Storage of hydrogen in sodium borohydride and its use with ammonia as triple fuel in diesel engines
Yazar: CENK KAYA
Danışman: DOÇ. DR. GÖRKEM KÖKKÜLÜNK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Denizcilik = Marine ; Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Deney motoru = Research engine ; Enerji depolama = Energy storage ; Gemi motorları = Ship motors ; Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Taşıt motorları = Vehicle engines

Özet:
Bu çalışmada, hidrojenin "depolanması" ve "güç üretiminde kullanımı" hususlarında bir dizi çalışma gerçekleştirilmiştir. Mevcut çalışma temel olarak iki bölümden oluşmaktadır: Katalizör geliştirme çalışmaları ve içten yanmalı motor çalışmaları. Katalizör geliştirme çalıştırmalarında, sodyum bor hidrürde depolanan hidrojenin, hidroliz reaksiyonunda, daha hızlı açığa çıkması adına kobalt borid (CoB) katalizörü hazırlanırken; hazırlama aşamasında Triton X-100 yüzey aktif maddesi kullanılmış ve daha yüksek hidrojen üretim hızına (HGR) sahip CoB-Triton 150 katalizörü elde edilmiştir. Katalizörün farklı NaBH4 ve farklı NaOH oranları, farklı sıcaklıklarda performansı incelenmiş ve yakıt hücresi performansı, endüstriyel hidrojen ile karşılaştırılmıştır.

İkinci aşamada içten yanmalı motor deneyleri tek silindirli dizel motorda, hidrojenin dizel motora emme manifoldundan beslenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Hidrojen yakıtının performansı, bir diğer karbonsuz yakıt olan amonyakın aynı deney şartlarında motora beslenmesiyle karşılaştırılmıştır. Deneyler %25, %50 ve %75 yükte, motorun maksimum torkunu veren 1500 devir/dakika' da gerçekleştirilmiştir. Her yükte dizel yakıt miktarı %20, %40 ve %60 azaltılarak aynı tork ve aynı devir sağlanacak şekilde emme portundan sırasıyla hidrojen ve amonyak yakıtları beslenmiştir. Hidrojenin sağlandığı %75 yük şartlarında dizel oranının %60' a düşürülememesi sonrası hidrojene amonyak karıştırılarak (hidrojen+amonyak+dizel) dizel oranı %60' a düşürülmüştür. Çalışmanın son aşamasında ise amonyak ve hidrojenin endüstriyel basınçlı tüplerden ve hidrojenin sodyum bor hidrürden karşılanması durumunda oluşacak yakıt maliyetleri karşılaştırılmıştır.

Sonuçlara bakıldığında, geliştirilen CoB-Triton 150 katalizörü, referans CoB katalizörüne göre %40 daha yüksek HGR değerine sahiptir. CoB-Triton 150 katalizörünün optimum NaBH4 ve NaOH oranları %5 ve %5 olarak belirlenmişken, katalizörün aktivasyon enerjisi 44.2 kJ/kmol olarak elde edilmiştir. Dizel motor deney çalışmalarında yüksek yükte hidrojen kullanımıyla dizel yakıt oranının düşürülememesi problemi hidrojene amonyak karıştırılarak çözülmüştür. Sonuçlara göre gaz yakıtların kullanımıyla egzoz sıcaklıkları, is emisyonları ve CO emisyonları azalmaktadır. Gerek is, gerekse CO emisyonlarında hidrojen yakıtı amonyak yakıtına kıyasla daha iyi sonuçlar vermektedir. HC emisyonları amonyak kullanımıyla artarken, hidrojen kullanımıyla azalmaktadır. En önemli hususlardan NOx emisyonlarında, hidrojen kullanımıyla NOx emisyonları keskin bir şekilde artmaktadır. Amonyak kullanımıyla ise düşük yüklerde (%25 ve %50) düşük oranda amonyak kullanımı NOx emisyonlarını arttırırken, amonyak oranının artmasıyla NOx emisyonları azalmıştır. %75 yükte ise tüm amonyak oranlarında NOx emisyonları artmaktadır. Ayrıca deneyler esnasında amonyak kullanımı ile devrede korozyon ve malzeme hasarları gözlemlenmiştir. Son olarak motor yakıt maliyet akışlarına göre maliyetler dizel yakıtına kıyasla gaz yakıtlarla artmakta, hidrojen yakıtıyla ve özellikle sodyum bor hidrür kullanımı olması durumunda maliyetler ciddi oranda artmaktadır.

Abstract:
In this study, a series of studies were carried out for the "storage" and "use in power generation" of hydrogen. The current study basically consists of two parts: Catalyst development studies and internal combustion engine studies. In catalyst development studies, while cobalt boride (CoB) catalyst is being prepared in order to release the hydrogen stored in sodium borohydride faster in the hydrolysis reaction; Triton X-100 surfactant was used in the preparation stage and CoB-Triton 150 catalyst with a higher hydrogen generation rate (HGR) was obtained. The performance of the catalyst at different NaBH4 and different NaOH ratios at different temperatures was examined and the fuel cell performance was compared with industrial hydrogen.

In the second stage, internal combustion engine experiments were carried out on a single-cylinder diesel engine by feeding hydrogen to the diesel engine from the intake manifold. The performance of hydrogen fuel was compared to feeding ammonia, another carbon-free fuel, into the engine under the same experimental conditions. The experiments were carried out at 25%, 50% and 75% load at 1500 rpm, which gives the maximum torque of the engine. At each load, the amount of
xx
diesel fuel was reduced by 20%, 40% and 60%, and hydrogen and ammonia fuels were fed from the intake port, respectively, to provide the same torque and the same speed. After the diesel ratio could not be reduced to 60% under 75% load conditions where hydrogen was provided, the diesel ratio was reduced to 60% by mixing ammonia with hydrogen (hydrogen + ammonia + diesel). In the final stage of the study, the fuel costs that would occur if ammonia and hydrogen were supplied from industrial pressure cylinders and hydrogen from sodium borohydride were compared.

Looking at the results, the developed CoB-Triton 150 catalyst has a 40% higher HGR value than the reference CoB catalyst. While the optimum NaBH4 and NaOH ratios of the CoB-Triton 150 catalyst were determined as 5% and 5%, the activation energy of the catalyst was obtained as 44.2 kJ/kmol. In diesel engine experiments, the problem of not reducing the diesel fuel ratio by using hydrogen at high loads was solved by mixing ammonia with hydrogen. According to the results, exhaust temperatures, soot emissions and CO emissions decrease with the use of gaseous fuels. Hydrogen fuel gives better results than ammonia fuel in both soot and CO emissions. HC emissions increase with the use of ammonia and decrease with the use of hydrogen. Among the most important issues, NOx emissions increase sharply with the use of hydrogen. With the use of ammonia, the use of low amounts of ammonia at low loads (25% and 50%) increased NOx emissions, while NOx emissions decreased with the increase in ammonia ratio. At 75% load, NOx emissions increase at all ammonia rates. Additionally, corrosion and material damage were observed in the circuit due to the use of ammonia during the experiments. Finally, according to engine fuel cost flows, costs increase with gaseous fuels compared to diesel fuel, and costs increase significantly with hydrogen fuel and especially in the case of sodium borohydride use.