TARIFNAME INSANSIZ HAVA, KARA VE YÜZEY ARAÇLARI IÇIN HIDROJEN VE BOR KAYNAKLI REJENERATIF ENERJI MODÜLÜ Teknik Alan Bulus, elektronik izlenebilen, sodyum borhidrür (NaBH4) tuzundan hidrojenin elde edildigi ve hidrojendenin de elektrik enerjisine dönüstürüldügü, tüm kimyasal reaksiyonlarin kendi kendine üretime dayandigi yekpare insansiz hava, kara ve yüzey araçlari için hidrojen ve bor kaynakli rejeneratif enerji modülü ile ilgilidir. Teknigin Bilinen Durumu Günümüzde insansiz operasyon yapabilen, gerek sivil, gerekse askeri amaçlar için kullanilabilen hava, kara ve su-yüzey araçlari, enerjilerini ya konvansiyonel yakitlardan (benzin, dizel, biyodizel, petrol vb.) ya da elektriksel sistemlerden (lityum-iyon, Iityum- polimer-nikel-kadmiyum piller vb.) saglamaktadir. Insansiz araçlarin operasyon süreleri de kullanilan yakitlarin enerjisi ve depolanma sistemleriyle dogrudan orantilidir. Özellikle askeri amaçlar tasiyan ve global savunma sistemleri arasinda ilerleyen yillarda liderligi ele alacagi tahmin edilen insansiz araçlarin kullandigi enerjinin verimliligi, agirliklari, yakitin depolama sistemleri ve agirlik, performans oranlari büyük önem tasimaktadir. Bu araçlar üzerinde yapilan arastirma-gelistirme çalismalarinin büyük kismi yakit sistemleri üzerinedir. Elektrik ile çalisan insansiz araçlarda kullanilan pilleri incelendiginde, kullanilan pil çesiti genellikle lityum-polimer bazli bataryalardir. Bu bataryalarin tercih edilmesinin sebebi, yogun elektriksel depolama saglamasi, diger element pillerine oranla daha hafif olmalari ve hizli sarj olabilmeleridir. Ancak enerji yogunluk (Wh/Kg) oranlarina bakildiginda, lityum-polimer bataryalardan elde edilen enerji de dahil olmak üzere tüm konvansiyonel ve elektriksel enerji türleri hidrojen enerjisinden geride kalmaktadir. Insansiz araçlarda kullanilan lityum-polimer bataryalarda enerji yogunluk orani 300-400 Wh/Kg iken hidrojen sistemlerinde bu oran 1000-1500 Wh/Kg seviyelerine çikmaktadir. Buradan da anlasilacagi gibi, enerji sistemi açisindan bkildiginda bir birim hidrojen, diger bir birim yakit tiplerine göre yaklasik 4 kat daha verimlidir. Bu verimlilik insansiz hava araçlarinin havada kalma sürelerini arttirmakta ve sahip oldugu sessiz, hafif ve temiz sistem ile avantaj saglamaktadir. Hidrojen, evrenin olusumundan bu yana, tüm evrende varolan, yasamin temel taslarini olusturan bir elementtir. Enerjisi, benzin, dogalgaz vb. konvansiyonel enerji kaynaklarina göre daha fazladir. Hidrojenin kalitesi ve verimliligi, saflik derecesi ve enerji katsayisi olarak rakiplerine olan üstünlügü hidrojenin bir enerji kaynagi olarak kullanilmasi fikrini hayata geçirmistir. Özellikle, atom boyutu açisindan diger elementlerden çok daha küçük olan, iyon barindirabilen bir element olmasi sebebiyle de günümüzde elektrik üretiminde de kullanilmay baslanmistir. Hidrojenin günümüz sistemlerinde kullanilabilmesini yakit hücreleri saglar. Bu hücreler, hidrojen atomlarinin iyonlarinda barindirilan elektronlari sentezleyerek elektrik enerjisi üretir. Sistemin yakit hücresi kisminda sorun olmasa da, özellikle hafifligin ve verimliligin önemli oldugu insansiz araçlarda kullanimi, hidrojenin depolama sorunlarindan dolayi zordur. Hidrojenin depolanmasinin yarattigi agirlik, iletim sistemlerinin güvenlik açigi olusturmasi ve benzer kimyasal ve fiziksel sebeplerden dolayi, hidrojen enerjisi, özellikle insansiz hava araçlarinda verimsiz bir tablo çizmektedir. Boraks ise, hidrojen atomlarini tutabilen, bu atomlari hapsedebilen, reaksiyona girerek, hidrojeni kati halde depolamayi saglayan yegane bir elementtir. Bor-Hidrojen ve Sodyumun tepkimeleri sonucunda ortaya "Sodyumborhidrür (NaBH4)" olarak da bilinen kati bir tuz çikar. Bu tuz, içeriginde 4 adet hidrojen atomu ihtiva eden önemli bir bilesiktir. Sodyumborhidrür'e su, yani H20 karistirdiginizda, ortaya yüksek derecede saf hidrojen gazi çikmaktadir. Sodyum, Hidrojen, Bor ve Su (H20) dünyadaki en dogal elementlerdir. Bu elementlerin karisimi ile saf hidrojen gazini elde edebilmektedir. Bu tuz, hidrojeni kati halde, agir tüplere ihtiyaç olmaksizin, yanici olmadan ve güvenli bir sekilde, standart bir tuz gibi depolanmasini sagladigindan, hidrojen enerjisinin özellikle hava araçlarinda kullanilmasina imkan vermektedir. Sodyumborhidrür'ün üretilmesi ve islenmesi basittir. Özellikle insansiz araçlar, yakit sistemleri ve depolama sistemlerinden kaynaklanan agirlasma nedeniyle sürekli olarak çesitli malzemeler ve üretim yöntemleri ile araçlarin hafifletilmeleri yönünde çalismalar yapilmaktadir. Konvansiyonel yakitlardan yanma sonucu enerji elde edilmesi sirasinda enerji verimliliginin azalmasi, isi ve gürültü yayilmasi, depolanmalarinin tehlikeli olmasi ve bu tip yakitlarin patlayabilir ve yanabilir özellikleri de insansiz araçlarda ortaya çikan diger sorunlardir. Enerji sistemlerinde çözülmesi zor bir sorun olan gürültü, agirlik, verimlilik oranlarinin düsük olmasi, havada kalma süresinin kisitlanmasi gibi parametreler göz önüne alindiginda, bu araçlar için yenilikçi ve alternatif enerji seçenekleri gelistirilmektedir. evde veya is yerinde hidrojeni üretip, depolamak için araca hidrojen yakit ikmali yapilmasini saglayan bir hidrojen üretimi ve depolama yöntemi ile ilgilidir. yakit hücresi tane içeren bir çift kutuplu plaka, elektrik üretim biriminin yerlestirildigi bir yuva, yuvayi örten bir kapak ve kapagi yuvaya sabitlemek için bir sabitleme araci içeren elektrik üretme biriminden bahsedilmektedir. Söz konusu bulus; teknigin bilinen durumundaki dezavantajlarin giderildigi, elektronik olarak devamli kontrol edilen, izlenebilen, telemetrik özellikleri bulunan, üç modülden olusan, sodyum borhidrür (NaBH4) tuzundan hidrojenin elde edildigi ve hidrojendenin de elektrik enerjisine dönüstürüldügü, modül çiktilarinin tekrar NaBH4 yapiminda ve saf hidrojen eldesinde kullanilabildigi bir yekpare insansiz hava, kara ve yüzey araçlari için hidrojen ve bor kaynakli rejeneratif enerji modülü ile ilgilidir. Bulusun Kisa Açiklamasi ve Amaçlari Bulusta, elektronik izlenebilen, sodyum borhidrür (NaBH4) tuzundan hidrojenin elde edildigi ve hidrojendenin de elektrik enerjisine dönüstürüldügü, tüm kimyasal reaksiyonlarin kendi kendine üretime dayandigi yekpare insansiz hava, kara ve yüzey araçlari için hidrojen ve bor kaynakli rejeneratif enerji modülünden bahsedilmektedir. Mevcut bulusun amaci hidrojeni aktif kullanarak ve kalintilarini da degerlendirerek tamamen geri dönüsümlü bir sistem olusturabilme potansiyelidir. Söz konusu sistem ile yüksek enerji verimliligi hedeflenmektedir. Bulusun bir diger amaci hem hava araçlarinda hem yer sistemlerinde hatta düzenlemeler ile uzay sistemlerinde aktif elektrik elde etmek için kullanilabilmesidir. Bulusu Açiklayan Sekillerin Tanimlari Sekil 1: Enerji modülünün yapisal bilesenleri Bulusu Olusturan UnsurlarinlKisimlarinlParçalarin Tanimlari Bu bulus ile gelistirilen enerji modülünün daha iyi açiklanabilmesi için sekillerde yer alan parça ve kisimlar numaralandirilmis olup, her bir numaranin karsiligi asagida verilmektedir: 1. 1. Kisim 2. NaBH4 Depolama Ünitesi 3. Atik deposu 4. 2. Kisim . PEM hidrojen yakit pili 6. Reaktör 7. 3. Kisim 8. Elektirik dönüsüm birimi 9. Denetleme birimi .H20 Depolama Ünitesi 11.MgH2 Depolama Ünitesi 12.Tepkime Ünitesi 13. Hz Depolama Ünitesi 14. NaBOz Depolama Ünitesi .Tepkime Ayristirma Ünitesi 16. MgO Depolama Ünitesi 17.0ksijen Depolama Ünitesi Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bulus, elektronik izlenebilen, sodyum borhidrür (NaBH4) tuzundan hidrojenin elde edildigi ve hidrojendenin de elektrik enerjisine dönüstürüldügü, tüm kimyasal reaksiyonlarin kendi kendine üretime dayandigi yekpare insansiz hava, kara ve yüzey araçlari için hidrojen ve bor kaynakli rejeneratif enerji modülü ile ilgilidir. Enerji modülü, - NaBH4 deposu (2) ve atik deposunun (3) bulundugu 1. Kisim (1), - sodyum borhidrürün (NaBH4) konuldugu depo olarak kullanilan, NaBH4 su ile karistirilarak reaksiyona sokuldugu NaBH4 depolama ünitesi (2), - reaksiyon sonucunda kalan her ve sodyum içerdiginin, NaBHa elde etmek için tekrar kullanilmak üzere saklandigi atik deposu (3), - enerji modülünün açiga çikan saf hidrojen gazini elektrige dönüstürme islemi yapan 2. - saf hidrojen gazinin içerisinden geçerek iyonlarini birakmaya basladigi ve bu iyonlarin tutularak elektrik üretiminin gerçeklestirildigi PEM (proton degisim membranli) hidrojen yakit pili (5), - enerji modülü içerisinde NaBH4 'ün tekrar elde edip tekrar kullanmayi amaçlayan kompleks bir reaktör (6), - PEM hidrojen yakit pilinin (5) ürettigi elektrik enerjisini düzenleyen, istenilen çikis degerlerine çevirebilen, elektrik çikisi saglayan genel elektrik-elektronik bölümünü içeren 3. Kisim (7), - PEM hidrojen yakit pilinden (5) ortaya çikan DC akimi, AC ve istenilen miktarda DC akim tiplerine çeviren ve istenilen cihazlara elektrik iletimi saglayan elektirik dönüsüm - enerji modülündeki, hidrojen sistemlerinin kontrolü, hidrojen seviyeleri, NaBH4 seviyeleri, güvenlik seviyeleri, sinirlamalari, veri aktarimini, denetleme, yenileme ve kontrol operasyonlarini gerçeklestiren denetleme birimi (9), - 2. Kisimda (4) saf hidrojen atomlari ve oksijenin reaksiyonu sonucu su ortaya çikan suyun depolandigi H20 depolama ünitesi (10), - NaBOz bilesigi ile birleserek NaBH4 olusturmak için kullanilan MgH2 'nin depolandigi MgH2 depolama ünitesi (11), - NaBOz bilesigi, MgH2 ile birleserek tekrar yakit görevi gören NaBH4'ü olusturdugu tepkime ünitesi (12), - NaBH4 tuzu enerji modülüne konuldugunda ve çalistirildiginda ortaya çikan hidrojen gazinin depolandigi Hz depolama ünitesi (13), - NaBH4 + H20 reaksiyonu sonucu ortaya çikan Na802 bilesiginin depolandigi Na802 depolama ünitesi (14), - NaBOz+IVIgH2 tepkimesi sonrasi ortaya çikan NaBH4+MgO*ün ayristirildigi tepkime ayristirma ünitesi (15), - tepkime ayristirma ünitesinde (15) NaBH4+MgO'ün ayristirilmasi sonucu ortaya çikan MgO' nun biriktirildigi MgO depolama ünitesi (16), -tepkime için gerekli oksijenin (02) havadan alinip depolandigi oksijen depolama ünitesi (17), içermektedir. Bulusta, modülün 1. Kisminda (1), NaBH4 depolama ünitesi (2) sodyum borhidrürün (NaBH4) konuldugu depo olarak kullanilan bir yapidir. 1. Kisimda (1), NaBH4 su ile karistirilarak reaksiyona sokulmaktadir. Reaksiyon sonucunda ortaya çikan saf hidrojen gazi ve kalan Sodyum, Bor, Oksijen kalintisi ayrilmaktadir. Kalan bu kalinti, bor ve sodyum içerdiginden, NaBH4 elde etmek için tekrar kullanilmak üzere atik deposuna (3) gönderilerek saklanir. NaBH4 bilesiginin enerji modülüne konuldugunda ve çalistirildiginda hidrojen açiga çiktiginda atik olan NaBO2 bilesiginden tekrar NaBH4 elde edilmesidir. Açiga çikan saf hidrojen gazi, H2 depolama ünitesine (13) gönderilir. Modülün 2. Kismi (4), açiga çikan saf hidrojen gazini elektrige dönüstürme islemi yapan kisimdir. Saf hidrojen gazi, PEM hidrojen yakit piline (5) gelir. Saf hidrojen gazi (Hz), yakit pilinin (5) içerisinden geçerek iyonlarini birakmaya baslar. Bu iyonlar PEM hidrojen yakit piline (5) tarafindan tutularak elektrik üretimi gerçeklestirilmektedir. 2. Kisimda (4) saf hidrojen atomlari ve oksijenin reaksiyonu sonucu su ortaya çikmaktadir. Ortaya çikan su H20 depolama ünitesinde depolanmakta ve modülün 1. Kisminda (1) NaBH4 depolama ünitesinde (2) bulunan NaBH4 tuzu ile reaksiyona girmekte ve saf hidrojen gazi açiga çikarmak için kullanilmaktadir. 2. Kisimda (4), ortaya çikan bu suyu tekrar 1. Kisma (1) gönderilerek enerji üretiminin devamliligini saglanmaktadir. Sistem böylece, elde edilen atiklardan sürekli çalisabilir durumdadir. 1. Kisimdaki (1) atik olan Sodyum-Bor-Oksijenden elde edilen NaBOz bileseni, hammadde olan NaBH4 üretiminde tekrar kullanilmakta, 2. Kisimda (4) atik olan su (H20) ise, NaBH4'ü harekete geçirerek hidrojen gazi açiga çikartmaktadir. Sistemin bu sayede bir egzos sistemine ihtiyaci yoktur çünkü atiklarini da aktif olarak degerlendirip devamli enerji üretmektedir. NaBH4'ü, enerji modülü içerisinde tekrar elde edip tekrar kullanmayi amaçlayan kompleks bir reaktör (6) mevcuttur. NaBOz bileseni agirligi nedeni birlestirme kabinin dibine çökerken saf hidrojen gazi yükselerek sistemin hidrojen depolama ünitesine (13) düsük basinçli olarak depolanmak amaciyla iletilmektedir. Pompalama yöntemiyle PEM yakit pilinin (5) ihtiyaç duydugu düsük basinçta depolanan hidrojen, PEM (proton degisim membranli) yakit pilinin (5) ihtiyaci oraninda 02 ile birlestirilmek üzere iletilmektedir. Sistem, NaBH4 + HzO reaksiyonundan saf hidrojen gazi elde etmektedir. Bu hidrojen yakit pilinde (5) kullanlip elektrik elde edilmektedir. Bunun sonucunda ise H20 ortaya çikmaktadir. Saf hidrojen atomlari ve oksijenin reaksiyonu sonucu ortaya çikan suyun depolandigi H20 depolama ünitesi (10) mevcuttur. Reaksiyon sonucunda N3502 ünitesindeki (11) MgH2 bilesigi ile birleserek tekrar yakit görevi gören NaBH4'ü olusturmaktadir. Bu sistem sonucunda; NaBOz+MgH2= NaBH4+MgO reaksiyonu tepkime ünitesinde (12) olusmaktadir. Bu denklem ile enerji modülünde, tepkime ayristirma ünitesine (15) alinan tepkime ürünleri NaBH4 ve MgO birbirinden ayrilarak NaBH4'ü tekrar üretilmektedir. Ortaya çikan tek atik olan MgO ise MgO depolama ünitesinde (16) biriktirilmektedir. Bulusa konu enerji modülün kullanildigi cihazlar kendilerine gereken yakit için oksijeni havadan alip oksijen depolama ünitesinde (17) depolayip, buradan harcamaktadir. Böylece geri dönüsüm kanunlarina dayanan verimli geri dönüsümlü bir enerji modülü olusturulmustur. Modülün 3. Kismi (7) ise, hidrojen yakit pilinin (5) ürettigi elektrik enerjisini düzenleyen, istenilen çikis degerlerine çevirebilen, elektrik çikisi saglayan genel elektrik-elektronik bölümüdür. Bu kisimda PEM hidrojen yakit pilinden (5) ortaya çikan DC akim, AC ve istenilen miktarda DC akim tiplerine, elektirik dönüsüm birimi (8) tarafindan çevrilmekte ve istenilen cihazlara elektrik iletimi saglanmaktadir. Bulusa konu enerji modülün sagladigi düzenli elektrik akimi ile insansiz hava, kara ve sualti araçlarinin elektrik motorlari, elektriksel düzenekleri ve diger cihazlar, depolama sorunu olmadan, sessiz, hafif ve güvenilir bir sekilde çalistirilabilmektedir. Enerji modülünde, denetleme birimde (9), hidrojen sistemlerinin kontrolü, hidrojen seviyeleri, NaBH4 seviyeleri, güvenlik seviyeleri, sinirlamalar, veri aktarimi, denetleme, yenileme ve kontrol operasyonlari gerçeklestirmektedir. Bulusta, enerjinin korunumu yasasindan yola çikilmis olup, enerji modülünün ürettigi ve atiklar ayri ayri kullanilmistir. Enerji ve kaynak geri dönüstürülebilir özelliktedir. Bu da cihazin çok ucuz maliyetler ile devamli çalisabilir durumda kalabilmesine olanak vermektedir. Bulusa konu enerji modülünün çalisma yöntemi; Modülün 1. kisminda (1) NaBH4 depolama ünitesinde (2) sodyum bor hidrürün (NaBH4) su (H20) ile karistirilip reaksiyona sokularak saf hidrojen gazi (H2(g)) elde edilmesi, Sodyum bor hidrürün (NaBH4) ve suyun (H20) reaksiyonu sonucunda açiga çikan saf hidrojen gazinin (H2(g)) Hz depolama ünitesine (13) ve atik sodyum metaboratin (Na802) atik deposuna (3) gönderilmesi, Elde edilen saf hidrojen gazinin modülün 2. kisminda (4) yer alan proton degisim membranli (PEM) hidrojen yakit piline (5) gönderilmesi ve burada saf hidrojen ile oksijen depolama ünitesinden gelen oksijenin (02) reaksiyonu sonucu su (H20) açiga çikmasi ve elektrik üretiminin gerçeklestirilmesi, Enerji üretiminin devamliligi için 2. kisimda (4) ortaya çikan suyun HzO depolama ünitesinde (10) depolanmasi ve gerekmesi durumunda tekrar modülün 1. kismina NaBH4 ile reaksiyona sokulmasi için gönderilmesi, Modülün 3. kisminda (PEM) hidrojen yakit pilinde (5) ortaya çikan DC akimin, elektirik dönüsüm birimi (8) tarafindan AC ve istenilen miktarda DC akim tiplerine çevrilmesi ve istenilen cihazlara elektrik iletimi saglanmasi, Atik sodyum metaboratin (NaBOz) MgH2 depolama ünitesinde (12) depolanan magnezyum hidrür (MgH2) ile tepkime ünitesinde (12) reaksiyona sokularak NaBH4 ve magnezyum oksit (MgO) bilesiklerinin elde edilmesi, Elde edilen NaBH4 ve lVlgO'nun tepkime ayristirma ünitesinde ayristirilmasi ve NaBH4"ün NaBH4 depolama ünitesine (2), MgO"nun ise MgO depolama ünitesine (16) gönderilmesi ve önceki islemlerin (i)-(iv) islemlerinin tekrar gerçeklesmesi, TR TR TR TR TR TR