Kadir Yolal / BTÜ Makine Müh. Öğrenci

Nüfusun artışı ve yaşam alanlarının genişlemesi ile birlikte ulaşım araçları konusunda yapılan teknolojik gelişmeler de hız kazanmaktadır. İçinde bulunduğumuz yüzyılda, otomobiller artık lüks değil ihtiyaç haline gelmiştir. Otomobillerin tarihi, dünyanın en büyük gelişmelerinden biri olarak kabul edilen tekerleğin icadına dayanmaktadır. İnsanlar, tekerleğin icadı ile birlikte basit sistemler kurarak yük taşımacılığı yapmış, bu sayede otomobiller tarih sahnesine ilk adımını atmıştır. Su buharının enerji kaynağı olarak kullanılması ile otomobil kavramı da yeni bir boyut kazanmıştır¹. Daha sonra içten yanmalı, elektrikli, hibrit elektrikli, biyodizel, doğalgaz ve LPG yakıtlı motorlar üretilerek otomobil teknolojisi geliştirilmiştir. Günümüzde ise özellikle  elektrikli arabaların teknolojileri üzerine yoğunlaşılmıştır.

Enerjiye duyulan ihtiyacın artması, fosil yakıt rezervlerinin giderek azalması ve çevre bilincinin aynı hızla gelişmesi ile alternatif yakıtlar günümüzde popüler hale gelmiştir. Özellikle, içten yanmalı motorlar, atmosfere yüksek oranda karbondioksit (CO₂), karbon monoksit (CO), azot oksitler (NO_X), metan (CH₄), kükürt dioksit (SO₂) gibi zararlı gazlar ve egzoz dumanlarında bulunan bazı maddeleri (is, toz, tanecik vb.) yaymaktadır (Şekil 1). Bu da sera etkisinin artmasına ve iklimlerin değişmesine sebep olmak gibi çeşitli çevre sorunlarına yol açmaktadır. Yaşanan çevre sorunları, alternatif yakıtların kullanımını zorunlu hale getirmektedir. Kullandığımız yakıtta yapılacak küçük değişiklikler hava kalitesinin iyileşmesine büyük katkı sağlayacaktır.  

2020 yılı itibariyle Dünya’da 7,7 milyar nüfus ve bu nüfusa karşılık 1,25 milyar araç bulunmaktadır. 2030 yılında 1,65 milyar, 2050 yılında ise 2,0 milyar taşıtın yollarda olması beklenmektedir³. Bu da doğal olarak alternatif yakıtların kullanımının arttırılmasını ve geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır.

Otomobillerde Kullanılan Yakıtların Tarihi

İlk çağlarda insanlar, yaptıkları basit araç sistemlerini hareket ettirmek için kendi enerjilerini kullanmaktaydı. Yapılan icatlarla birlikte insan gücü, yerini çeşitli yakıtlarla çalışan motorlara bırakmaya başlamıştır (Şekil 2). Gelişen teknolojiyle motor kullanımı yaygınlaşmış, bununla birlikte enerjiye olan ihtiyaç da artmış ve dünyada büyük bir enerji arayışı başlamıştır.

2017 yılında dünyada %76 benzinli, %19 dizel araç bulunurken elektrikli araçlar yalnızca %5 oranındaydı. 2030 yılında ise elektrikli otomobillerin oranının %48 olacağı tahmin edilmektedir (Şekil 3).

Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) verilerine göre ise 2020 yılı ilk 6 ayı için Türkiye’de %38,2 dizel, %37,2 LPG, %24,1 benzinli %0,1 elektrikli ve hibrit otomobil bulunmaktadır (Çizelge 1).

2015-2020 yılları arasında otomobillerde kullanılan toplam yakıt miktarında yükselme olduğu gözlenmektedir. Yine aynı yıllarda benzin ve LPG’nin bu dağılımdaki yüzdesinin giderek azaldığı, buna nazaran dizel yüzdesinin ise 2020’ye doğru azalan bir artışa geçtiği görülmekte ayrıca bu verilerden yola çıkarak 2018’den sonra elektrikli-hibrit etkisinin yaklaşık 2 kat artışa geçtiği gözlemlenmektedir. Bu artış hibrit araç satışlarında da 2018’de 3.899 adet, 2019’da 11.974 adet olarak karşılık bulmuştur.

Benzin

Kimyasal olarak hidrokarbon bileşikleri sınıfında yer alan benzin C_nH_m formülü ile gösterilip, 0,68-0,76 g/cm³ arasında özgül ağırlığa sahiptir ve 32-204°C arası sıcaklıklarda kaynamaktadır.

Benzinin yakıt olarak; motor performansını arttırmak, motoru korumak ve aracın güvenliğini sağlamak için bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir.

Sıvıların gaz formuna geçişi olarak tanımlanan uçuculuğun, benzinin üzerinde önemli bir etkisi vardır. Her sıvının uçuculuğu kaynama noktasına bağlıdır. Uçuculuk sıvının kaynama noktası yüksekse düşük, kaynama noktası düşükse yüksek olarak tanımlanmaktadır. Sıvılar kaynama noktasında en fazla uçuculuğa sahiptir. Benzin ve su sırasıyla kaynama sıcaklıkları 100 ve 32°C’de en yüksek uçuculuk değerine sahiptir. 

Benzinin sahip olması gereken özellikler nelerdir ?

• Benzin, motorun ani güç değişimlerine cevap vermelidir: Hızlanırken gaz pedalına ne kadar çok basarsak motor o kadar çok hava emer ve böylelikle daha fazla benzine ihtiyaç duyar. Bu yakıt artışı için uçuculuğun fazla olması gerekmektedir. Benzin genellikle ani hızlara uyumlu bir uçuculuğa sahiptir.
• Soğuk havalarda kolay çalışması sağlanmalıdır. Benzin içinde bulunan hafif hidrokarbonların düşük sıcaklıklarda buharlaşması istenir. İlk hareket için gerekli yakıtın sağlanması, yakıtın uçuculuğu ile doğru orantılıdır.
• Motor çalıştıkça ısınır ve diğer motor elemanları da bu durumdan etkilenir. Uçuculuğun normalden fazla olması durumunda sıcaklık artışıyla birlikte yakıt motora ulaşamadan buharlaşır. Bu durum yakıt borularında tıkanmaya sebep olur. Bu olaya buhar tamponu denir ve önlenmelidir.
• Benzinin, yağın içine karışması engellenmelidir. Eğer benzinin uçuculuğu yeterli olmazsa silindirlere ve karterlere sıvı formda bir miktar benzin ulaşacaktır. Bu da motor yağı ile birleşerek yağın incelmesine ve görevini yapamamasına sebep olacaktır.
• Yakıt karışımı yanma odasında buji sayesinde yakılır. Bu alev dairesel hareketlerle yanma oranı denilen belirli bir hızda diğer kısımlara yayılır. Hız normalden yüksek olursa vuruntu olayı denilen ani basınç artışlarına sebep olur. Bu nedenle benzin vuruntuya dayanıklı olmalıdır. Genellikle oktan sayısı yüksek yakıtlarda vuruntu dayanımı da yüksektir.

Benzin 18.yüzyılın son çeyreğinden 20.yüzyılın son çeyreğine kadar yaygın olarak kullanıldı. Ancak, özellikle çevre bilincinin gelişmesi ve petrol rezervlerinin giderek azalması bu yakıt türü kullanımını geriye atmaya başlamıştır. Bazı ülkeler fosil yakıtlı araçların sayısını azaltma yönünde çalışmalar yapmaktadır. İngiltere, 2040 yılından itibaren fosil yakıtlı araçların satışını yasaklamayı ve 2050 yılına kadar yollarda sıfır emisyonlu araçları bulundurmayı planlamaktadır. Aynı şekilde Fransa’da fosil yakıtla çalışan araçlara 2040 yılına kadar sınırlama getirecektir.

Bu konuda Hindistan ve Norveç daha kararlı durmaktadır. Hindistan hava kalitesi en düşük ülkeler arasında bulunmaktadır, bu yüzden sınırlandırmayı 2030 yılı olarak öngörmüştür. Elektriğini %97 oranında yenilenebilir kaynaklardan sağlayan Norveç’te ise 2025 yılında satılan her otomobilin veya hafif ticari aracın sıfır emisyonlu olması planlanmaktadır⁶. Norveç’in yaklaşık ⅓ oranında nüfusa sahip başkent Oslo, dünyada ulaşım araçlarından kaynaklanan sera gazlarını azaltan ilk örnek olma hedefindedir.

Benzinin avantajları ve dezavantajları

İnsanlar yıllar boyunca yakıt olarak benzini kullanmıştır, bu yakıtın kullanımında olumlu ve olumsuz yanları geçmişten bugüne hep tartışma konusu olmuş ancak ortak bir kanıya varılamamıştır. Biz de şimdi bu konuya değinelim ve öncelikle benzinin en önemli avantajlarına göz atalım:

• Petrol rafinerilerinde ilk ürün olarak çıkartıldığından kolayca elde edilebilmektedir. Ayrıca gelişen teknolojiyle birlikte yer altından çıkarılması ve işlenmesi kolaylaştırılmıştır.
• Kararlı yapıya sahiptir. Genellikle bulundukları bidon ve tanklarda reaksiyona girerek yeni bileşikler oluşturmazlar. Bu da taşınmasını ve depolanmasını kolay hale getirmektedir.
• Dünya’da sürdürülen petrol arama faaliyetleri sonucunda Sahrada, Libya’da, Basra körfezi denizin altında ve Dünya’nın birçok yerinde petrol bulunmuş, bu da benzine ulaşımı kolaylaştırmıştır. Dünya çapında daha yaygın hale gelmiştir. Bunu ülkelerin petrol istasyon sayılarındaki rakamlarda görmek mümkündür (Şekil 4). İtalya 20.750, Almanya 14.510 ve Türkiye 12.521 adet ile ilk üç sırada yer almaktadır.

  

• Bir yakıtın yanması sonucu ortaya çıkan ısı miktarı olan kalorifik değer yüksektir. Benzin yanması sonucu yüksek oranda kalorifik değere ulaşır bu da daha fazla enerji demektir.

Yüzyıllarca hükümdarlığını sürdüren benzinin tabii ki birçok dezavantajı bulunmaktadır, ancak petrol rezervlerinin fazlalığı ve insanların yeterli bilince sahip olmaması gibi sebepler bu yakıtın tahtını uzun yıllar ayakta tutmayı sağlamıştır. 1970 petrol krizi, çevre bilincinin oluşması ve gelişen teknolojiyle birlikte bu yakıtın olumsuz yönleri de ortaya çıkmaya başlamıştır. Şimdi bu dezavantajları yakından inceleyelim:

• Benzinin yanması sonucu ortaya çıkan karbondioksit gazı, sera etkisini arttırarak ozon tabakasının incelip yok olmasına sebep olmaktadır. Böylece insanlar güneşten gelen ultraviyole (UV) ışınlarına daha fazla maruz kalmaktadır.
• Benzinin yanması sonucu aynı zamanda kükürt dioksit gazı açığa çıkar. Bu gaz asit yağmurlarının oluşumunda en etkili gazdır. Asit yağmurları tuğla ve mermere doğrudan zarar vermekle beraber ekinleri de büyük ölçüde tahrip etmektedir.
• Yaklaşık 150 yıldır yakıt olarak kullanılan bu bileşiğin bir gün Dünya’da tükenmesi muhtemeldir. BP istatistiklerine göre petrol rezervlerinin ortalama 45-50 yıl daha dayanabileceği öngörülmektedir⁸.
• Petrolün taşınması sırasında meydana gelen sızıntılar toksin maddeler içerdiğinden dolayı deniz canlıları başta olmak üzere tüm canlı türlerinin yaşamını olumsuz olarak etkilemektedir (Şekil 5).

• Petrol rezervlerinin neredeyse yarısından sorumlu olan Petrol İhraç Eden Ülkeler Örgütü (OPEC), petrol tüketim hacmini sürekli olarak izler. Bu ülkeler, kendi menfaatlerini korumak adına üretimlerini sınırlandırarak varil fiyatlarını arttırdığından dolayı değişken fiyatlara sahiptir.

Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG)

LPG (Liquid Petroleum Gas) ilk olarak Walter O. Snelling tarafından 1910 yılında icat edildi. İşinden evine giderken otomobilindeki benzinin yarıya indiğini fark eden Snelling, bir cam sürahiye benzin koydu. Zamanla bu sürahide mantar oluştuğunu ve benzinin buharlaşarak azaldığını gözlemledi. Yaptığı deneyler sonucu benzinin büyük bir kısmının propan ve bütan gibi hidrokarbonlardan oluştuğunu gözlemledi ve bugünkü bildiğimiz LPG formunu oluşturdu.

1932 yılında ilk kez Algas adlı şirket tarafından benzinli bir araca LPG tankı takıldı, ancak bu tank fazla büyük olması sebebiyle ilgi görmedi. 1936 yılında ise Ford’un bir kamyonu LPG kullanımına uygun hale getirildi. Bu olayın sonucunda yakıt kullanımında önemli düşüşler gözlemlendi. Benzinli araçlara sonradan takılabilen LPG tankları, günümüzde bazı markalar tarafından fabrika çıkışlı olarak da üretilmektedir.

Günümüzde Türkiye, %38 oranında LPG’li araç kullanımı ile dünyada ilk sırada yer almasıyla dikkat çekmektedir (Şekil 6).

Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) avantajları ve dezavantajları

Ülkemizde çok tercih edilen LPG yakıtlı otomobillerin ilk olarak avantajlarını inceleyelim.

• Benzine göre daha ucuz bir yakıt türüdür.
• Buji, segman ve piston gibi parçaların aşınması sonucu oluşan kurşun, vernik ve karbon atıklarına sahip olmadığı için temiz yanma sağlar.
• LPG tanklarının basınçlı olması nedeniyle ayriyeten bir yakıt pompasına ihtiyaç duyulmamaktadır.
• Kapalı yakıt sistemi olduğu için sızıntı problemi oluşturmaz.
• Yangın anında LPG tankı aleve daha dayanıklıdır.
• Gaz fazında hava ile daha iyi karıştığı için iyi bir yanma gerçekleşir.
• Benzinli araçların emisyonlarına kıyasla hidrokarbon oranında %55, karbondioksit oranında ise  %95 azalma sağlanır¹⁰.

LPG, bu avantajların yanında bazı dezavantajlara da sahiptir:

• Parlayıcı ve patlayıcı bir gazdır.
• %10 oranında petrol gazı bulunan havaya 2 dakika maruz kalmak baş dönmesine neden olmaktadır.
• LPG, özel basınçlı tanklarda taşınmak zorundadır ve bu da taşıma maliyetini arttırmaktadır.

Dizel

Motorin ya da mazot olarak da bilinen dizel, ham petrolün 200-380°C arası sıcaklıklarda damıtılmasıyla üretilmekte ve içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılmaktadır. Motorinin kimyasal formülü C₁₂H₂₃  olarak gösterilir. Farklı karbon ve hidrojen sayılarına sahip olabilir ve genelde C₁₀H₂₀ ile C₁₅H₂₈ arasında bir formüle sahip olurlar. Özgül ağırlıkları 0,89 g/cm³ olan bileşikler, binin üzerinde hidrokarbon bileşiğinden meydana gelir¹¹.

1892 yılında Rudolf Diesel tarafından üretilen bir proje ile dizel yakıtlar tarih sahnesine adım attı¹². Dizel, çalışma prensibi olarak benzinli motorlara benzemektedir. Benzinli motorlarda yakıt ve hava karışımı bulunurken, dizel motorlarda yalnız hava bulunur. Hava sıkıştırılarak belirli bir sıcaklık ve basınca ulaşır ve yanma odasına yakıt olarak dizel yakıt püskürtülür. Sıkıştırılmış havanın sıcaklığı dizel yakıtı tutuşturur ve patlama gerçekleşir. Bu patlama sayesinde piston aşağı ve yukarı yönlerde hareket ederek motorun çalışmasını sağlar. Tutuşturma verimliliği olarak setan sayısı (dizel yakıt güçlendiricisi) kullanılır. Yüksek setan sayısına sahip dizel yakıtlar daha verimli tutuşur.

Günümüzde üç farklı dizel yakıt bulunmaktadır. Bunlar; Nu.1-D, Nu.2-D ve Nu.3-D kodları ile gösterilir.

• 1-D: Değişken hızlarda çalışan ve petrolün damıtılması sonucu elde edilen dizel yakıtlar,
• 2-D: Düşük hızlı ağır sanayi motorlarında kullanılan, petrolün damıtılması ve kraking sonucu oluşan dizel yakıtlar,
• 3-D: Düşük veya orta hızlı motorlarda kullanılan, petrolün damıtılması, kraking ve bazı atıkların eklenmesi ile oluşan dizel yakıtlardır¹³.

Benzinde olduğu gibi dizel yakıtta da bazı özellikler aranmaktadır. Bu özellikler aracın performansını arttırmak, motor güvenliğini sağlamak ve emniyetli sürüş için gereklidir. Fakat öncelikle dizel yakıtlarda sıklıkla karşımıza çıkan tutuşma gecikmesi kavramını inceleyelim.

Tutuşma gecikmesi nedir?

Tutuşma gecikmesi, adından da anlaşılacağı üzere yanma odasına püskürtülen yakıtın belirli bir süre tutuşmaması durumudur. Dizel motorlarda yanma kalitesi ölçüsü olarak setan sayısı kavramı kullanılır. Tutuşma gecikmesi setan sayısı ile ters orantılıdır. Yani, setan sayısı ne kadar yüksekse tutuşma gecikmesi o kadar az olmaktadır (alt sınır 40, üst sınır 70). Şimdi dizel yakıtta olması gereken özelliklere yakından bakalım¹⁴.

• Yüksek sıcaklık ve basınca ulaşan havaya, dizel yakıt püskürtülür. Tutuşma gecikmesi süresi uzun olursa, havanın basıncı artacağından yanma olayı daha şiddetli olacaktır. Bu olay yüksek basınç ve sıcaklık değişimlerine yol açacağı için motorda vuruntuya sebep olur. Dizel yakıtlar bu vuruntuya dayanıklı olmalıdır.
• İdeal viskozite değerinde olmalıdır. Eğer viskozitesi çok yüksek olursa pompalama işini zorlaştıracağı için tutuşma gecikme süresini artırır. Viskozitesi çok düşük olursa da sızıntı problemine ve pompa elemanlarında aşınmaya neden olur. 
• Korozyon etkisi mümkün olduğunca az olmalıdır. Dizel, içerisinde yer alan kükürdün yanması sonucu korozyon etkisi oluşturmaktadır. Ayrıca çinkoya karşı reaksiyona girme eğilimi düşük olmalıdır, çünkü dizelin çinko ile gireceği reaksiyon korozyonu arttırmaktadır.

Dizel yakıt, benzinde olduğu gibi günümüze kadar büyük bir ilgi görerek kullanıldı. Özellikle benzinden verimli olması ve ucuz olması bu yakıtın daha çok tercih edilmesini sağladı. Ancak benzinde olduğu gibi dizel yakıtların da çevreye verdiği zararlar ve petrol rezervlerinin tükenmeye başlamasından dolayı ömrü kısalmış gibi görünüyor. İtalya hükumeti, benzinli araçlarda olduğu gibi, bazı istisnalar hariç dizel araçların da Milano kentine girişini 25 Mart 2019’dan itibaren yasakladığını duyurdu¹⁵.

Dizel yakıtın avantaj ve dezavantajları

Dizel yakıt kullanımının 2025 yılında en yüksek seviyeye ulaşması beklenmektedir. Bu yakıtın uzun yıllar hayatımızda olmasının sebeplerinden biri de birçok avantajlı yönünün olmasıdır. İlk olarak avantajlarından bahsedecek olursak:

• Dizel yakıt kullanan motorlarda, standart benzinli motorlara kıyasla daha verimli sıkıştırma-ateşleme sistemi bulunur. Böylece bu sistemlerde, benzinli motorlara göre az yakıt kullanır.
• Ekonomik bir yakıt türüdür. 1 km mesafe için yakıt masrafı benzinli otomobillerden daha azdır.

Aynı otomobil için fabrika verileri incelendiğinde 100 kilometrede ortalama benzinli otomobil 6,1 litre yakıt harcarken, dizel otomobil 4,1 litre yakıt harcamaktadır (Çizelge 2).

• Yüksek tork gücüne sahiptir. Bir dizel otomobil standart bir benzinli otomobilden daha fazla enerji ürettiği için sürüş esnasında yüksek tork değerleri gözlemlenir. Bu da daha yüksek performans anlamına gelmektedir.
• Alevlenme tehlikesi azdır. Benzine göre daha düşük buharlaşma özelliğine sahip olması alevlenme tehlikesini de azaltmaktadır çünkü motorinin alevlenmesi için sıcak yüzey gerekirken, benzinin alevlenmesi buhar tabakasının kıvılcım ile temas etmesi yeterlidir.

Tabi ki bu avantajların yanında dezavantajlara da sahiptir ve bu dezavantajlar dizel araçların sonunu getirmektedir.

• Hava kirliliğine yol açar. Yapısında bulunan kükürdün yanması sonucu sülfür dioksit gazı ortaya çıkar. Bu gaz hava kirliliğini ciddi anlamda arttırmaktadır.
• Dizel araçlar benzinli araçlardan daha pahalıdır. Çizelge 3’te görüldüğü üzere 2020 model aracın benzinli ve dizel versiyonları arasında 31.000 TL fiyat farkı bulunmaktadır (%20 daha pahalı).

• Tamir ve onarım maliyeti benzinli araçlardan daha pahalıdır. Benzinli araçlara göre daha dayanıklı olmalarına karşın arıza durumunda oluşan problemi çözmek biraz daha zor olmaktadır.
• Soğuk havalarda çalışmayı zorlaştırabilir. Dizel yakıt düşük sıcaklıklarda parafin kristallerinin oluşumu nedeniyle akışkanlığını kaybeder. Bu durum kış aylarında filtrelerde tıkanmaya yol açabilmektedir.
• Dizel yakıtlı otomobiller gürültülerinin büyük bir kısmını ön tampondan üretir. Oluşan gürültü araçların ön kısmında ekstra yalıtım gerektirmektedir.
• Yüksek devirlere çıkamamaktadır çünkü benzinli araçlara göre motor blokları ve pistonları daha dayanıklı ve sağlam olduğu için pistonlarını 4000 devirden fazla çevirememektedir.

Biyodizel 

Yenilenebilir biyolojik atıklardan üretilen biyodizel yakıtlar; organik yağların baz ve alkolle karıştırılarak dizel motorlarda kullanılmasıdır. Bu yakıtlar, dizel yakıtlara kıyasla motorlarda daha yüksek sıkıştırma oranına sahiptir. Genellikle soya fasulyesi, kolza (kanola), pamuk ve ayçiçeği gibi bitkilerin yağlarından biyodizel yakıt üretimi gerçekleştirilmektedir. Biyodizel saf olarak veya dizel yakıtla karıştırılarak da kullanılabilmektedir. İlk defa Rudolf Diesel tarafından yer fıstığı kullanarak dizel motoru çalıştırmasına rağmen petrol rezervinin fazlalığı ve daha az işlem gerektirmesi biyodizel gelişimini 90 yılı aşkın süre geciktirmiştir. 1992 yılında Amerika Ulusal Dizel Araştırma Grubu tarafından tekrar biyodizel yakıt üretilmiştir. 

Biyodizel üretmek için kullanılan farklı yöntemler mevcuttur. Ancak en çok tercih edilen yöntem bitkisel yağın temel katalizör eşliğinde transesterifikasyon edilmesi yöntemidir. Bu yöntemin en çok tercih edilmesinin sebepleri:

• Reaksiyon sonucu %98 dönüşüm sağlaması,
• Yan ürün olmadan biyodizel oluşması,
• Düşük sıcaklık ve basınçta gerçekleştirilmesidir.

Kanada, petrol rafineri işlemine benzer bir teknik kullanarak biyodizel yakıt üretmektedir. Bu işlemle setan ve nafta gibi yan ürünler oluşmaktadır. Amerika ise ürettiği biyodizel yakıtların %90’lık kısmını soya fasulyelerinden elde etmektedir¹⁸. Biyodizel; Avrupa’da Euro 3 ve ülkemizde TSE-4236 ve TSE-5648 standartlarına göre zararsız yakıtlar sınıfında yer almaktadır.

Biyodizel yakıtın avantaj ve dezavantajları

Alternatif enerji kaynakları sınıfında yer alan biyodizel yakıt son 30 yılda hızla gelişmiştir.  Çevre dostu olan bu yakıtın öne çıkan avantajları şöyle sıralanabilir:

• Tarımsal bitkilerden elde edildiği için üretiminin kolay ve ekonomik olmasının yanında karbon döngüsüne de katkıda bulunması,
• Toksik atık içermemesi,
• Saf biyodizel kullanımında kükürt emisyonunun yok denecek kadar az olması. Bunun yanında karbonmonoksit, hidrokarbon ve partikül madde emisyonlarında da dizel yakıta kıyasla önemli düşüşler görülmesi (Çizelge 4),

• Motor bileşenlerinde büyük değişiklikler yapılmadan kullanılabilmesidir.

Biyodizel yakıtlar için hala geliştirme ve iyileştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu çalışmalar henüz tamamlanmadığından dolayı biyodizelin bazı dezavantajları vardır. Bu dezavantajları da şu şekilde sıralayabiliriz:

• Saf biyodizel kullanımda azot oksidin %10 daha fazla atılması,
• Otomobil üzerindeki yük miktarı ve yolun eğiminin artması gibi durumlarda yaklaşık %5’lik bir verim kaybı olması,
• Kışın hava sıcaklığının aşırı düşmesi durumunda veya soğuk iklime sahip bölgelerde motorun ilk çalışmasında gecikme olması,
• Tarım sektöründeki yavaşlamalar sebebiyle bitkisel yağ eldesinde sıkıntılar yaşanmasıdır.

Elektrikli Otomobiller

İçinde bulunduğumuz yüzyılda, otomobil sektöründe emisyonların azaltılması ve çevre dostu araçların yaygınlaştırılması için yeni adımlar atılmaktadır. Bunun için alternatif yakıtlar (elektrik, hibrit, biyodizel vb.) ön plana çıkmaktadır. Elektrikli otomobiller, içten yanmalı motorlardan daha önce geliştirilmesine rağmen petrol rezervlerinin fazlalığı nedeniyle geri plana atılmıştır.

Elektrikli otomobillerde bataryadan alınan elektrik, elektrik motoru ile mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Otomobil tahrik sistemleri sayesinde mekanik enerji tekerleklere aktarılır ve hareket sağlanmaktadır. Elektrikli otomobiller;

• Tümü elektrikli otomobiller,
• Hibrit elektrikli otomobiller,
• Yakıt hücreli otomobiller,

olmak üzere 3 başlıkta incelenmektedir.

Tümü elektrikli otomobiller

Elektrik enerjisi üretilmeden, sistem dışından alınan elektriğin depolanması prensibine dayanan otomobillerdir. Alessandro Volta’nın 1800 yılında elektrik enerjisini depolaması ile bu araçların tarihinin başladığı söylenebilir. Daha sonra 1821 yılında Michael Faraday sabit bir manyetik alan etrafında akım taşıyan tel çubuğun döndürülebileceğini keşfetti ve 1831 yılında elektromanyetik indüksiyon üzerine yaptığı çalışmalar ile elektrik motorlarının çalışma prensipleri şekillenmeye başlamıştır. 1832 yılında Paris’te elektrik motorunun prototipi sergilendi ve bundan 3 yıl sonra Francis Watkins tarafından çalışan bir elektrik motoru yapıldı. 1835-1836 yıllarında Thomas Davenport tarafından elektrikli yol aracının sunumu yapıldı.

1873 yılında ise R. Davis tarafından ilk dört tekerli yük aracı üretildi. 1882 yılında da İngiltere’de Profesör William Ayrton ve John Perry üç tekerlekli elektrikli aracın tanıtımını gerçekleştirdi. Aynı yıllarda Amerika’da Morris ve Salomon adındaki ünlü ortaklar ise iki oturma koltuğu olan “Electrobats” isimli elektrikli aracı geliştirdi. 1897 yılında Londra’da “Londra Elektrikli Taksi Şirketi” (LETC) tarafından 15 elektrikli taksi geliştirilip kullanıma sunuldu. 1899 yılında ise Fransa’da Camille Jenatzy tarafından 98 km/sa hıza ulaşan elektrikli yarış aracı dünya hız rekorunu kırdı. Tüm bu gelişmelerin ardından 1900’lü yılların başında elektrikli otomobiller yoğun ilgi gördü ve içten yanmalı motorlardan daha çok tercih edilir hale geldi. Ancak Ford tarafından 1906 ve 1909 yıllarında üretilen içten yanmalı otomobiller ile bu yarışı elektrikli otomobiller kaybetmiş gibi göründü.

1920’li yıllarda ise benzinli araçlar tahtını sağlamlaştırdı. Böylece elektrikli araç üreticilerin çoğu benzinli araç üretimine başladı. Ancak Japonya’da 1937-1954 yılları arasında elektrikli araç üretimine devam edildi. İngiltere’de ise 1950’lerin başında süt dağıtımı için elektrikli araç kullanılmıştır. 1960 yıllarının başlarında içten yanmalı otomobillerin havayı büyük oranda kirlettiği yapılan araştırmalarla ortaya konuldu ve elektrikli otomobiller yeniden gündeme gelmeye başladı. 1966 yılında İngiliz markası Enfield tarafından 8000 adet elektrikli araç üretildi. 1972 yılına gelindiğinde Sebring-Vanguard firması tarafından Citicar isminde 40 km menzili ve 72 km/sa maksimum hıza ulaşabilen bir elektrikli otomobil üretildi. Elektrikli otomobillerde her zaman öncü olan Japonya bu sektör için 1971 yılından itibaren 5 yıl boyunca 20 milyon dolarlık bütçe ayırdı. 1975 yılında yaşanan petrol krizinin ardından 1980’li yıllarda ülkeler tarafından elektrikli araçlar için yeni yatırım ve teşvikler oluşturulmaya başlandı.

2003 yılına gelindiğinde “Tesla” adıyla kurulan şirket, elektrikli otomobilleri 21.yüzyılda yeniden popüler hale getirdi. Tesla yüksek menzil ve oto pilot özellikleri ile sürücülerin ilgisini çekmeyi de başardı ve 2020 yılında 499.550 bin civarı araç sattı. Model S, 3, X ve Model Y adlı 4 modeli ile satışlarının yüzde 70’ini ABD, yüzde 10’unu Çin, yüzde 5’ini Norveç’e yapıyor. Aynı şekilde Chevrolet, Renault, BMW, Nissan, Toyota gibi markalarında ürettikleri elektrikli otomobiller ideal menzil mesafesi ile tercih edilen elektrikli otomobiller arasında yer bulmaya başladı.

Bu alanda ülkemizin ise 2019 yılında tanıttığı tamamen elektrikli ve büyük oranda yerli TOGG marka otomobil büyük ilgi uyandırdı. Ortalama 500 km menzil ve 30 dakikanın altında hızlı şarj ile bataryasının %80 doluluğa ulaşan bu elektrikli otomobilin 2022 yılında satışa çıkarılması planlanmaktadır¹⁹.

Hibrit-elektrikli otomobiller

Hibrit-elektrikli otomobiller, elektrik motoru ile birlikte yardımcı güç olarak içten yanmalı motorla desteklenen sistemlerdir. Elektrik motorların bataryalarını şarj etmek için bir jeneratör kullanılmaktadır. Ayrıca yardımcı güç olarak benzin, dizel veya LPG yakıtlı motorlar da tercih edilebilmektedir. Şehir içi düşük hızlarda elektrik motoru, şehirler arası yüksek hızlarda ise içten yanmalı motor devreye girerek kesintisiz sürüş deneyimi sağlamaktadır. Ayrıca şehir içi kullanımlarda frene çok ihtiyaç duyulduğu için frenlerdeki kinetik enerji elektrik enerjisine dönüştürülerek batarya beslenmektedir.

Hibrit-elektrikli otomobil tarihçesi ise 1903 yılında Krieger tarafından elektrikli-benzinli araçlar geliştirilmesi ve hibrit araç konsepti oluşturulması ile başlar. Aynı günlerde Ferdinand Porsche, Mixt Wagen adında bir hibrit aracın tasarımı üzerine çalışmıştır. 1912 yılında üretilen hibrit otomobil “Electric Roadster” avantajlı bir araç olarak görülmekteydi ancak maliyeti çok yüksekti. Sonraki yıllarda fosil yakıtlı araçların tercih edilmesi ile elektrikli araçlarda olduğu gibi hibrit araçlar da gelişimini sürdürememiştir. 1997 yılında Toyota’nın ürettiği Prius ismindeki hibrit otomobil ile bu alandaki çalışmalar yeniden başlamış, günümüzde ise Toyota hibrit araç teknolojisinde öncü konuma gelmiştir.

Gelişmiş ülkeler emisyon oranlarını sıfıra indirmek için elektrikli ve hibrit araçlar konusunda çıkarılan yönetmeliklerle sektöre destek vermektedir. Yüksek nüfuslu yapısıyla çevre kirliliğinde en büyük payı olan ülkelerden Çin, hibrit otomobillerden vergi almayarak bu teknolojiyi kullanmaları için sürücülerini teşvik etmektedir. Başka bir örnek olarak da; petrol ithal eden ülkelerin başında gelen Brezilya hibrit-elektrikli araçlardan gümrük vergisi almayacağını duyurmuştur. Ülkemizde ise benzer bir örnek olarak bu araçları teşvik etmek için vergi indirimi uygulaması getirilmiştir.

Yakıt pilli (hücreli) otomobiller

Bu sistemler elektrikli ve hibrit araçlarda kullanılan elektro-kimyasal akülerdir. Hidrojen ve oksijenin reaksiyonu ile elektrik üretilmektedir. Oksijen havadan temin edilirken, hidrojen yakıt olarak dışarıdan alınmaktadır. Reaksiyon sonucunda ise dışarıya su atılmaktadır. Hidrojen ve oksijen tedarik edinilebildiği sürece elektrik üretimi devam etmektedir. Kimyasal reaksiyonlardan ibaret olan bu sistemde egzoz gazının atılmaması en büyük avantajıdır.

1839 yılında William Grove tarafından ilk çalışmaları yapılmış olan yakıt pilli otomobiller uzun yıllar ilgi görmemiştir. Aradan geçen 170 yılın sonunda Hyundai, 2013 yılında Tucson FCEV modeli ile ilk yakıt hücreli otomobilini tanıtmış, ardından bunu 2015 yılında Toyota Mirai modeli takip etmiştir. 

Elektrikli otomobillerin avantajları ve dezavantajları

Her geçen gün hızla gelişen elektrikli otomobil teknolojisi sahip olduğu avantajlarla fosil yakıtlı araç teknolojisine alternatif olmaya başlamıştır. Elektrikli otomobillerin en önemli avantajları:

• Tümü elektrikli otomobillerin sıfır emisyona sahip olmaları, hibrit elektrikli otomobillerin ise düşük emisyona sahip olmaları nedeniyle bu otomobillerin çevreye zararları yok denecek kadar az olması,
• Yakıt maliyeti olarak fosil yakıtlı araçlardan daha ucuz olması. 2021 yılı Fiat Egea benzinli otomobil kilometrede ortalama 36 kuruş, dizel modeli 26 kuruş yakıt harcar iken genel olarak elektrikli otomobillerde bu maliyet biraz daha düşerek km başına ortalama 14-24 kuruş arasında olması. (Çizelge 5),

• Bakım maliyetlerinin fosil yakıtlı otomobillerden daha ucuz olması,
• Amerika’da şehirlere yakın bölgelerde uyarıcı ses cihazları takılması önerilecek²¹ kadar sessiz çalışması,
• Elektrik motorlarının ani tork verebilmesi, bununla birlikte güçlü ve dengeli hızlanma sağlaması,
• İçten yanmalı motorlarda elektrikli bir aracın motoruna göre daha çok parça bulunması,
• Türkiye’deki şarj istasyonlarının yaygınlaşmaya başlamasıdır (Şekil 7).

Şekil 7. Türkiye’deki elektrikli araç şarj istasyonları²².

Elektrikli araç teknolojisi, henüz geliştirilme aşamasındadır. Bu nedenle fosil yakıtlı otomobillere kıyasla bazı dezavantajlara sahiptir. Ancak son zamanlarda mühendislerin ve bilim insanlarının bu alana yoğun ilgi göstermesi ve çalışmalarını hızlandırması ile elektrikli otomobillerin zamanla ortadan kalkacağı öngörülen dezavantajları;

• Bazı modelleri hariç düşük menzile sahip olması (Çizelge 6),

• Şarj edilmeleri istasyonlarda ortalama 1 saat olsa da ev tipi prizlerle 8 saate kadar uzaması,
• İçten yanmalı otomobillere göre daha pahalıdır. Ülkemizde satılan elektrikli otomobillerden birisi olan Renault Zoe’nin fiyatı 340.000 TL’den başlarken, aynı marka benzinli otomobil olan Renault Clio için bu fiyatlar 155.000 TL’den başlamaktadır²⁴.
• İçten yanmalı otomobillere göre seçenek sayısının sınırlı olması,
• Avrupa ve Amerika’da şarj istasyonlarının sayısı hızla artarken, ülkemizde şarj istasyonlarının sayısının hala yetersiz olmasıdır (Şekil 8).

Sonuç

Otomobillerimiz için gereken enerjiyi tarih boyunca farklı formlarda inceledik. Ülkeler büyüdükçe ve teknolojik hamleler hızlandıkça enerjiye duyulan ihtiyaç da hızla arttı. Otomobillerimizde kullandığımız yakıtlar ise çevreye zararlı olmasından öte ülkelerin menfaatleri doğrultusunda şekillendirildi. Bunun en büyük örneğini ise petrol rezervleri tarafından gölgelenen elektrikli otomobillerde görmekteyiz. 19. yüzyılda tarih sahnesine giren elektrikli otomobiller 21. yüzyıla gelmemize rağmen hala geliştirilme aşamasındadır. Ancak otomobillerimizde kullandığımız yakıtlar atmosfer başta olmak üzere çevreye karşı oldukça etkili olabilmektedir.

Günümüzde otomobillerimiz için hala en çok tercih edilen enerji kaynağı fosil yakıtlardan sağlanmaktadır (Şekil 9). Fosil yakıtların tükenmekte olması, sınırlı (yenilenemez) olması ve çevreye karşı büyük tehditler oluşturmasının yanında toplumların duyarlılık bilincinin artması otomobil teknolojisinin elektrikli ve hibrit elektrikli alanına yönelmesini sağlamaktadır. Bu bağlamda ülkeler ve otomobil firmaları çeşitli protokoller imzalayarak her geçen gün temiz ve sürdürülebilir kaynaklardan yeni enerjiler üreterek otomobilleri hareket ettirecek sistemler geliştirmektedirler.

Otomobillerimizde kullandığımız yakıtlardaki küçük değişimler bile çevreye karşı büyük sonuç doğurabilmektedir. Bizlere emanet olan bu dünyada yapabileceğimiz en etkili koruma yöntemi ise doğaya zarar vermeyecek yakıtlar tercih ederek emanete sahip çıkmak ve çevremize farkındalık kazandırmak olacaktır.

Katkı Yapanlar: Sümeyye Yalındağ, Erhan Baştürk, Mahmut Öğütcü, Mücahid Sözeri, Fatih Es ve Dr. Zekeriya Doğruyol.

Kaynakça

1. ↵  Kerem, Ali. Elektrikli araç teknolojisinin gelişimi ve gelecek beklentileri. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 5. s:1-13. 2014.
2. ↵ United States Environmental Protection Agency (EPA). Global emissions by gas. 2014.
3. ↵  Cooper, Adam ve Schefter, Kellen. Electric vehicle sales forecast and the charging infrastructure required through 2030. U.S.: Edison Electric Institute. 2018.
4. ↵  Statista. Breakdown of global car sales in 2017 and 2030 by fuel technology. 2020.
5. ↵  Türkiye İstatistik Kurumu. 2020 yılında Türkiye geneli araç dağılımı. 2020.
6. ↵  DW, Reuters, afp/AG, BK. Norveç’te elektrik devrimi. DW Made for Minds. 2018.
7. ↵  Petrol Sanayi Derneği. 2017 Sektör raporu. 2017.
8. ↵  BP. BP Statistical review of World Energy. 2019.
9. ↵  https://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/submitViewTableAction.do
10. ↵  Ülger, Poyraz. Termik motorlar. Hiperlink Yayınları. 2011.
11. ↵  Akgün, Gökçen, et al. Hayvansal yağlardan biyodizel üretimi ve teknik değerlerinin belirlenmesi üzerine bir çalışma. Diyarbakır: V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu. 2009.
12. ↵  Vikipedi. Dizel motor. 2017.
13. ↵  Özuluyol, Ali. Atık yağlardan üretilmiş biyodizelin dizel motor performans ve emisyonuna etkisinin deneysel olarak araştırılması. Selçuk Üniversitesi. 2008.
14. ↵  Türk Standardı. Otomotiv yakıtları – Dizel (Motorin)- gerekler ve deney yöntemleri. TS 3082 EN 590. 2005.
15. ↵  2A. Avrupa’da dizel yaptırımları artıyor. 2019.
16. ↵ odd.org.tr. 2020.
17. ↵ Tofaş Türk Otomobil Fab. A.Ş. 2021 Otomobil fiyat listesi. FIAT. 2021.
18. ↵ Biyodizel. Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü. 2019.
19. ↵ TOGG. Türkiye’nin otomobili. 2019.
20. ↵ Benzinlitre. Elektrikli araç şarj ücreti. 2019.
21. ↵ İçözü, Tuğçe. ABD’deki elektrikli araç sahipleri araçları için motor sesi seçmeye hazırlanıyor. Webrazzi. 2019.
22. ↵ TEHAD. Türkiye’deki şarj istasyonu sayısı elektrikli otomobili yakaladı. 2019.
23. ↵ Yetim, Fatih. Elektrikli otomobiller ne kadar sürede şarj oluyor, kaç km menzile sahip? EuroNews. 2020.
24. ↵ ARenault. Yeni Clio Renault. 2020.
25. ↵  Bloomberg New Energy Finance Limited. Dünya’da ve Türkiye’de elektrikli araçlar ve şarj istasyonları üzerine son gelişmeler. 2020.
26. ↵ https://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/show.do?dataset=road_eqs_carpda&lang=tr