Amonyak Yakıtlı Güç Sistemleri İçin Yanma Kinetik Mekanizmasının Optimizasyon Araştırması


Çakır M. (Yürütücü), Üst Y., Kayadelen H. K., Başak M. E.

TÜBİTAK Projesi, 2021 - 2024

  • Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
  • Başlama Tarihi: Kasım 2021
  • Bitiş Tarihi: Kasım 2024

Proje Özeti

Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (International Maritime Organization, IMO) gemilerden kaynaklı sera gazı emisyonlarını 2050 yılına kadar en az %50 azaltma vizyonunu yerine getirme ihtiyacı göz önüne alındığında, gemi makineleri için amonyak (NH3) karbon içermeyen bir enerji kaynağı olarak şu anda gündemdedir. Hidrojen ve nitrojenden üretilen amonyak, özellikle yenilenebilir kaynaklar vasıtasıyla üretilmesiyle, karbon içermeyen bir yakıt olarak gemi operasyonları ve gaz türbinli sistemler için üretiminden son kullanıma kadar ideal bir yakıttır. Bununla birlikte, amonyağın yanması, yüksek tutuşma sıcaklığı, düşük alev hızı ve yüksek NOX emisyonları gibi dezavantajlı sonuçlar doğurur.

 

Gemi motoru üreticisi iki lokomotif firma olan MAN Energy ve Wärtsilä Technology, tek ve çift yakıt kullanarak geliştirecekleri amonyak motorlarını 2024 yılında sektöre sunmayı planlamaktadırlar. Ayrıca Japon NYK firması Ar-Ge amaçlı olarak amonyak taşıyan bir gemisini amonyak yakıtlı bir tahrik sistemiyle donatacağını rapor etmiştir. Ancak amonyağın yanma özelliklerinden dolayı çift yakıtlı bir tahrik sistemi planlamıştır.

 

Güç üretim sistemlerinde amonyağın yanması sonucunda su buharı ve NOX açığa çıkmaktadır. Bu nedenle NOX oluşum modeli ve yakıt kinetiğinin iyi bilinmesi en verimli performansa ulaşmak için gereklidir. Amonyak, benzinin yanma hızına göre yaklaşık beşte bir oranında yavaş yanar. Amonyağın alev hızı ~6-8 cm/s iken metan (CH4) ~40 cm/s ve hidrojen (H2) ~140-150 cm/s düzeyindedir. Bu tür yavaş yanma termal verimliliği düşürür ve motorun NOX oluşumunun önlenebileceği fakir karışım bölgesinde çalışmasını önler. Bu zorluğun üstesinden gelebilmek için iki farklı yöntem uygulanabilir. İlk yöntem amonyak yakıtına alev hızını artırmak amacıyla hidrojen ve metan gibi yakıt ilaveleri yapmaktır. İkinci yöntem ise yanmayı bir türbülans odasında başlatan ve jet etkisi sağlayan bir pasif ön yanma odası kullanmaktır.

 

Motor simülasyonları ve güç üretim sistemlerinde gerçekleşen yanmanın kimyasal kinetik mekanizmalarının doğrulanması ve yanma modelleri için temel veri olması bakımından yakıtların alev hızı önemlidir. Laminer alev hızı, karışım sıcaklığına, basıncına, eşdeğerlik oranına ve inert bileşenlerin varlığına bağlı yakıta ait temel bir özelliktir. Alev hızları, Sabit Hacimli Yanma Odası (SHYO) “Combustion Bomb” adı verilen deney sistemleri ve yüksek hızlı kameralar yardımıyla belirlenmektedir.

 

Proje kapsamında amonyak yakıtının yanma kinetiğinin belirlenmesi amacıyla SHYO deneylerinin yapılması, amonyak/hidrojen/metan karışım oranlarına bağlı optimum eşdeğerlik oranlarının elde edilmesi ve laminer alev hızlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Amonyak alev hızının artırılması amacıyla tasarlanan pasif ön yanma odası geometrik özelliklerinin belirlenmesi, akış analizlerinin yapılarak tasarımın oluşturulması ve NH3/H2/CH4 karışım oranına bağlı optimizasyonu araştırılacaktır. Bu sayede yakıt karışımları ile yavaş yanmanın üstesinden gelinebileceği ve pasif ön yanma odası sayesinde ise ilave yakıt ihtiyacını azaltabileceği öngörülmektedir. Dolayısıyla amonyak yakıtının laminer alev hızının artırmak amacıyla tasarlanan pasif ön yanma odası sayesinde H2/CH4 katkı miktarları azaltılarak yanma hızının artırılabileceği öngörülmektedir. Bulunan sonuçlar, özellikle amonyak yakıtlı motor ve güç tahrik sistemleri için temel bir model oluşturmuş olacaktır. Proje aynı zamanda bünyesinde karbon içermemesi sebebiyle çevreci bir yakıt olan amonyak ve hidrojenin kullanımını teşvik etme ve dolayısıyla yenilenebilir enerji kullanımının yaygınlaştırılmasını destekleme potansiyeline sahiptir.