Hibrit otomobil teknolojisi

Özellikle son 10 yılda adını sıkça duyduğumuz hibrit otomobiller ve bu otomobillerin kullandığı teknoloji üzerine bir kaç parçadan oluşan bir yazı dizisi ile, muhtemelen önümüzdeki yıllarda üretilecek yerli hibrit otomobil ile Türkiye yollarında sıkça görmeye başlayacağımız bu teknolojiyi bir nebze de olsa tanıtmak istiyorum. Elimden geldiği kadar sade ve anlaşılması kolay bir dille bu çok komplike terimler ve mühendislik bilgisi içeren konuyu herkesin anlayacağı dilden anlatmaya çalışacağım.

Öncelikle hibrit otomobil teknolojisinin neden ortaya çıktığını anlatmakla başlayalım. Bildiğiniz üzere içten yanmalı motor kullanan otomobiller Karl Benz’in 1886 yılında ürettiği Velo isimli otomobilden bu yana dünyanın her köşesinde en çok kullanılan ulaşım araçları oldular. İnsan nüfusu, enerji üretimindeki teknolojik gelişmeler ve toplumların refah seviyesi arttıkça, gelişen sanayi ve maliyetlerin düşmesi ile yollardaki otomobil sayısı ve bu otomobillere ulaşmakta doğru orantılı şekilde arttı.

1960’lara kadar bariz etkileri görülmese de artık günümüzde hem sanayileşmenin hem de yollardaki otomobil sayısının artması, dünyayı bir nevi termostata çeviren atmosferdeki karbondioksit oranının 1900’lü yıllara oranla tam iki katına çımasına sebep oldu. Artan tüketici bilinci ve hükümetlerin teşvikleri sonucu üreticiler, daha az karbondioksit salınımı yapan alternatif yakıtlı otomobil tasarımlarıyla tüketicinin karşısına çıktılar. Henüz ülkemizde yaygınlaşmamış olsa da elektrik enerjisinin nispeten daha ucuz olduğu ülkelerde artık adım başı bir hibrit otomobil görmek mümkün. Darısı bizim başımıza.

İçten yanmalı bir otomobilin verimliliği %30 civarında, dizel araçlarda bu oran elbette biraz daha yukarı çıkıyor. Yani arabanızın yakıt deposuna koyduğunuz her 100 beygir güç üretebilecek yakıtın sadece 30 beygirlik bölümünü motorunuzdan alabiliyorsunuz. Geriye kalan %70 lik bölümünü ise ısı, ses ve titreşim olarak kaybediyorsunuz. Sürtünmeden, rüzgardan ve diğer iç bileşenlerden kaynaklanan kayıpları da hesaba katınca bu kayıplar %85’leri bulmakta. Ancak bir hibit otomobil içinde bu sürtünme vb. kayıplar söz konusu. Yani verimlilik farkı sadece araçların motorlarından kaynaklanmakta.

Elektrik motorlarında ise verimlilik oranı %90 lara çıkmakta, sonuçta herhangi bir yanma/patlama olmadığı için ısınma, ses ya da titreşim gibi enerjinin kaybolabileceği faktörler mevcut değil. Ancak bu %90’lık verim, enerjinin frenleme sonrası tekerlekten bataryalara, sonra bataryalardan geri elektirik motoruna donüşü sonucunda %60-65’lere kadar düşmekte (%90 jeneratör x %80 batarya x %90 motor = %64.8) ki yine de bir içten yanmalı motora oranla iki kat yüksek verimlilik demektir bu.

Şimdi uzun bir girizgahtan ve neden hibrit sorusunu yanıtladıktan sonra genel hatlarıyla hibrit teknolojiyi tanıtmaya başlayabiliriz.

Hibrit otomobil kelimesi her ne kadar kelime anlamı olarak iki farklı yakıt rezervini ortak kullanan araçlar anlamına gelse de, günümüzde sadece elektrik enerjisi ya da sadece hidrojen yakıt hücresi kullanan araçlar için de kullanılmakta. Örneğin Tesla Model S, Hyundai ix35, Honda FCX Clarity gibi.

Bu yanlış kullanımın önüne geçmek için biz şimdilik alternatif yakıtlı araçlar adı altında bu otomobillerin teknolojilerini klasik otomobillerden ayıran özelliklere göre sıralayalım. Bunların her birini bu yazı dizisinin ilerleyen bölümlerinde daha detaylı olarak anlatmaya çalışacağım.

1 – HEV (Hybrid Electric Vehicle) – Elektrikli Hibrit Araçlar

İçten yanmalı motorun yanı sıra elektrik motorların ve bataryaların kullanıldığı araç güç üretim ve aktarım bileşenleri (powertrain). Bu türün en büyük dezavantajı uzun yolda fazla fren yapmadan gidilirken bataryanın bitmesi ve dışarıdan şarjın imkansız oluşu. Örnek: Honda Insight (Çirkinlik Abidesi).

2 – PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) – Şarj Edilebilir Elektrikli Hibrit Araçlar

HEV’ye ek olarak bataryaların dışarıdan da şarj edilebildiği powertrain’ler. Aynı zamanda en yaygın ve en çok yatırım yapılan hibrit teknolojisi türü. Örnek: Chevrolet Volt, Toyota Prius, Honda Accord Hybrid, BMW i8.

3 – FCV (Fuel-Cell Vehicle) – Hidrojen Yakıt Hücreli Araçlar

İçten yanmalı motor yerine 2 hidrojen atomunun (H2) birer elektronlarının anot yardımı ile ayrıştırılıp daha sonra bu elektronların elektrik motora gönderildiği powertrain. Geriye kalan pozitif yüklü elektronsuz H2 molekülü ise oksijenle birleştirilip saf su şeklinde dışarı atılır. Bu türün dezavantajı yakıt hücrelerinin 40 derecenin üzerinde çalışamaması ve hava sıcaklığı çok düştüğünde egzozdaki suyun donması. Örnek: Hyundai ix35, Mercedes B serisi F-Cell

4 – EV ya da PEV (Electric Vehicle/Pure Electric Vehicle) – Saf Elektrikli Araçlar

Herhangi bir sıvı yakıt rezervi olmayan, sadece bataryalar ve elektrik motorlarından oluşan powertrain’ler. Üretimi ve dizaynı diğer türlere göre en basit alternatif yakıtlı araç türü. Dezavantajları; elektrik fiyatının her ülkede petrolden daha ucuz olmaması, batarya şarj süresinin uzunluğu. Örnek: Tesla Model S, BMW i3, Nissan Leaf.

Bu dört çeşidin dışında, otomobilin verimliliğini arttırmak amacıyla volan (flywheel), yani yüksek hızda dönen diskler de kullanılmakta. Örneğin Volvo S60 modelinde tamamen mekanik volan kullanırken Porsche 911GT3R Hybrid modelinde elektromekanik volan kullanılmakta. Bu teknikten kısaca bahsetmek gerekirse manyetik rulmanlar üzerine oturtulmuş volan, bir şaft, sürekli değişken vites kutusu (CVT – Continously Variable Transmission) ve bir de debriyaj ile vites kutunuza bağlıdır. Otomobil frenlediğinde debriyaj devreye girip diski vites kutusuna bağlar, böylece yavaşlayan araç diski döndürmeye başlar. Bu şekilde otomobilin kinetik enerjisi volana aktarılmış olur. Araç hızlanmak istediğinde bu sefer volandaki açısal momentum aynı yöntemle vites kutusuna, oranda diferansiyel yoluyla tekerleklere iletilir. Elektromekanik teknikte ise volan bir elektrik motorunun içindedir. Bir diğer elektrik motoru jeneratör şeklinde otomobil yavaşlarken devreye girip elektrik üretir. Bu elektrik, volanın içinde olduğu elektrik motoruna iletilir ve bobinlerle sarılı volanı döndürmeye başlar. Otomobil ivme kazanmak istediğinde bu sefer volanın kinetik enerjisi elektrik üretir ve bu elektrik tekerleğe bağlı diğer elektrik motora gönderilip tekerleğe verilir.

Son paragrafın karmaşık olduğunun farkındayım, daha sonra sırf bu teknolojiyi anlatacağım bir yazıyla daha detaylı ve resimlerle anlatmaya çalışacağım.

Saf Elektrikli Araçlar, Hidrojen Yakıt Hücreli Araçlar ve Volan bazlı araçların çalışma prensipleri elektrik-hibrit türlerine göre çok daha basit olduğunu söylemek mümkün. Temelde bakacak olursak Tesla Model S’in pazardan alınan 2 tane kalem pille çalışan küçük kablolu oyuncak arabadan hiç bir farkı yok. Pil, motor ve kumanda. Öte yandan Hibrit Elektrik Araçlar ve Şarj Edilebilir Hibrit Elektrik Araçlar seri, paralel, hem seri hem paralel gib 3 temel iç kurguyla kullanılmakta. Bunların üzerine çok daha komplike olan General Motors’un geliştirdiği çift modlu powertrain ve Toyota’nın THS sistemi de mevut. Lakin bunların sadece isminden bahsedip bırakmayı tercih ediyorum. Termodinamikte entropi konseptini, fizikte izafiyet teorisini bir başkasına anlatmak ne kadar zor ise bu kompleks sistemleri anlatabilmek de o kadar zor.

Bu serinin ilk yazısını burada noktalamadan önce bir kaç noktaya değinmek istiyorum. Otomobiller gün geçtikçe daha da karmaşık makinelere evrilmekte. Bugün alacağınız sıfır kilometre bir otomobilin aslında bir otomobilden çok bilgisayar olduğunu unutmamak gerek. Eğer yerli bir hibrit otomobil üretilirse bu otomobili farklı kılacak olan motoru ya da aksamı değil, yazılımı olacaktır. İçten yanmalı motorlar, elektirik motorları, vites kutuları ve piller insanlık tarafından onlarca yıldır bilinen teknolojiler. Bütün bu bileşenleri bir harmoni içerisinde bir araya getirmek ise kimsenin çok fazla tecrübeye sahip olmadığı asıl kilit nokta. Temennim bir an önce ilk yerli hibrit otomobilin, kalitesi ne olursa olsun, üretilip mühendisimizin tecrübe kazanması ve teknolojide söz sahibi konuma gelmesi. Gelecek hibritte ve sonra sadece elektrikli araçlarda. Bugün buhar motorlarına nasıl bakıyorsak, bundan 50 sene sonra içten yanmalı motorlara da aynı gözle bakıp gülümseyeceğimizden şüpheniz olmasın.

Sürçü lisan ettiysek affola.

Önümüzdeki yazılar; Elektrikli Hibrit araçlarda kullanılan 3 temel prensip, rejeneretif frenler, batarya teknojileri ve çeşitleri, hidrojen yakıt hücreli araçlar, volan sistemlerini, hibrit otomobil teknolojisinin ve otomotiv endüstrisinin geleceği.

Osman Uluocak