Motor ve Sürücüleri, Hibrid ve Elektrikli Araç Çözümleri

👤Emre Gören, Satış Müdürü – Siemens
Dünyanın güncel sorunlarının başında gelen fosil yakıt bazlı enerji kaynaklarının tükenmeye yüz tutması, verimsiz enerji tüketimi ve her geçen gün artan sera gazı emisyonları, dünyayı enerji savaşları, küresel ısınma ve iklim değişiklikleri ile sonuçlanması muhtemel bir sürece sokmakta. Şüphesiz ki hava kirliliği ve enerji tüketiminin başlıca sorumlusu sanayide tüketilen enerji olmakla birlikte ulaşımda tüketilen enerji de yüzde 20 gibi hiç azımsanmayacak bir pay tutuyor. Özellikle yoğun şehir trafiğinde çalışan araçlar, yüksek oranda CO2, NOx, CO, hidrokarbon ve diğer partiküllerle sınırlı bir bölge içerisinde yoğun hava kirliliği yaratmaktadır. Ulaşım sektörünün enerji tüketimi ve emisyon artışlarına olumsuz etkileri şehirlerin kalabalıklaşmasıyla ve yoğunlaşan şehir trafiğiyle her geçen gün daha da artmaktadır. Dünya nüfusu arttıkça, şehirlerin nüfusu kırsal kesime göre bu artıştan daha çok etkileniyor. 2008 yılında dünyada şehirlerde yaşayan nüfus ilk defa dünya nüfusunun yarısından fazlasını oluşturdu ve bu tarihten itibaren de kentsel nüfusun kırsal nüfusa oranla daha hızlı artış göstermeye devam edeceği öngörülüyor. 2050 yılında ise bu oranın 70/30 şeklinde olması söz konusu. Bu tablo, yüz ölçümü olarak sadece dünyanın yüzde 1’ini kaplayan şehirler için daha çok hava kirliliği ve daha yoğun enerji tüketimi anlamına geliyor. Bu nedenle son birkaç yıldır hızlanan bir trendle tüm otomotiv endüstrisi rotasını hibrid ve elektrikli araç üretimine çevirdi. İçinde bulunduğumuz yıllar, 100 yılı aşkın tarihi olan otomotiv endüstrisinin topyekûn yaşadığı bir devrime sahne olmaktadır. ELFA Elektrik Tahrik Sistemleri Siemens, 160 yılın üzerindeki endüstri geçmişindeki elektrik motoru ve motor hız kontrol sistemleri tecrübesini elektrikli otomobil, lokomotif ve tramvay gibi uygulamalardaki tecrübesiyle birleştirerek ELFA Hibrid sistemlerini 1990’lı yılların başında yarattı ve ilk uygulamalara MAN firmasının otobüsleri ile başladı. Seri üretim uygulamaları ise 1999’da Mercedes firması ile başladı ve sadece CITO modelinden 600 adedin üzerinde üretildi. Bugüne kadar da dünya çapında Amerika Birleşik Devletlerinden, Japonya’ya, Hindistan’dan Avrupa’ya, Brezilya’ya kadar hemen her coğrafyada, birçok farklı marka ve model araç üreticisiyle binlerce uygulama gerçekleştirildi. Türkiye’de son 3 yılda gerçekleştirilen öncü uygulamalarla Siemens’in öncelikli pazarları arasında yer alıyor. ELFA sisteminin başlıca özelliği modüllerden oluşması ve böylece farklı uygulamaları mümkün kılması. ELFA sistemi ile tasarlanan her aracın tahrik sistemi birbirinden tamamen farklı olabiliyor, bu da üreticilere fark yaratma şansı tanıyor. Ayrıca bu esneklik ile ELFA modülleri kullanarak hibrid araç, tam elektrikli araç, dizel-elektrik araç veya hidrojen yakıt hücreli araç üretmek mümkünken, sistem bunların bileşimi olan farklı konfigürasyonlar yaratılmasına da izin veriyor. Kullanılacak içten yanmalı motor, yakıt hücresi, akü veya ultra kapasitör gibi ekipmanların tipi veya markası ne olursa olsun Siemens ELFA Sistemi hepsine adapte edilebiliyor. Ulaşımda elektrikli devrim ve Hibrid Sistemler Hibrid teknolojisi, tamamen elektrik enerjisiyle çalışan “sıfır-emisyon” araçlara geçmeden önce bir ara dönemi temsil ediyor. Akü teknolojisi ve şarj altyapısı son birkaç yıldır, geçtiğimiz yüzyıldakinden daha fazla gelişti ve bu konuya yatırım yapılmaya devam ediliyor. Akü fiyatları, ömürleri, ve özellikle şarj süreleri optimum noktaya çekildiğinde tamamen akü ile çalışan elektrikli araçların önünde hiçbir engel kalmamış olacak. O zamana kadar en optimum çözüm ise, elektrik motoru ve akülerinin yanında dizel veya benzinli motorun da bulunduğu, hibrid teknoloji. Böylece araçların elektrik şebekesine bağlanarak şarj edilmesine gerek kalmamakta. Elektrikli veya hibrid araçların tasarrufu nereden geliyor? Bu sorunun birden fazla cevabı var. Ama birincisi ve en önemlisi frenleme enerjisi geri kazanımı. Elektrik motoruyla tahrik edilen araçlar, ister hibrid ister tam elektrikli olsun bir enerji depolama sistemine sahiptirler. Bu da genellikle akü olur. Konvansiyonel dizel veya benzinli araçlarda araç fren yaptığında, aracın hareket halindeyken sahip olduğu kinetik enerji, fren balatalarında ısınarak havaya karışır ve bu ciddi oranda bir kayıptır. Bu durum bir anlamda benzin veya dizel yakarak elde edilen enerjinin bir kısmının balataların ısınmasına harcanmasıdır. Elektrikli bir araçta ise elektrik motorlarının generatör olarak çalışmasıyla frenleme enerjisi ısıya dönüşmeden sisteme geri kazandırılır ve akülere depolanır. Bunun dışında bir diğer önemli enerji tasarrufu noktası da, yüksek motor ve sistem verimliliğinden kaynaklanmaktadır. Sıradan bir elektrik motoru, içten yanmalı bir motora göre çok daha verimli olsa da bu karşılaştırmayı adil yapmak için enerjinin üretim noktasından tüketim noktasına kadar hesaplamak gerekir. Bir dizel veya benzinli motorun yakıttan – tekerleğe verimi motor, şanzıman ve aktarma organları çarpımıyla yüzde 20’lerdeyken elektrikli bir aracın yakıttan – tekerleğe verimi, yenilenebilir enerji üretim tesisinde üretilen enerjinin iletilmesine, akünün şarj edilmesine, aküden de aracın elektrik motoru ve güç elektroniği üzerinden tekerlere kadar yüzde 70’lerin üzerindedir. Birkaç farklı hibrid araç konsepti olmasına rağmen, hepsinde ana prensip, frenleme enerjisini geri kazanmak ve benzin veya dizel motoru ihtiyaç olmadığı zamanlarda devre dışı bırakmaktır. HEV = Hybrid Electric Vehicle (Hibrid Elektrikli Araçlar): İki farklı enerji kaynağının bir arada kullanıldığı araçlar. (örneğin benzinli motor ile akü, yakıt pili ile akü… vb) PHEV = Plug-In Hybrid Electric Vehicle (Şarjlı Hibrid Elektrikli Araçlar): Şebeke bağlantısı yapılarak şarj edilebilen hibrid elektrikli araçlar. BEV (EV) = Battery-Electric Vehicle (Elektrikli Araçlar): Enerji kaynağı olarak sadece akü kullanan elektrikli araçlar. Bu araçlar harici bir kaynak tarafından şarj edilmelidir. FCV = Fuel Cell Vehicle (Yakıt Hücreli Elektrikli Araçlar): Enerji kaynağı olarak yakıt hücresi kullanan elektrikli araçlar. Bu araçların bünyesindeki yakıt hücresi elektrik enerjisini hidrojenden üretmektedir.Seri Hibrid mi, Paralel Hibrid mi? Hibrid araç teknolojilerinde dünyada öne çıkan iki yapı tipi mevcut: Seri veya paralel hibrid sistemler. Paralel Hibrid Sistemler, geleneksel içten yanmalı motorlu (İYM) araçlarınkine benzeyen bir yapıdadır. Bunlarda İYM’la şanzımanın arasına akuple edilen bir elektrik motor/generatörü bulunur. Aracın frenlemesi esnasında, frenleme enerjisi bu ünite tarafından geri kazanılır ve akülere depolanır. Akülerde enerji olduğu sürece araç bu elektrik motorunu da aracın hareketi için kullanabilir. Ancak elektrik motorunun boyutu, toplam tahrik gücünün en fazla yüzde 15-20’si kadar olduğu için geri kazanım da bu oranda sınırlı kalacaktır. Bu yüzden sık dur-kalk yapan şehir içi trafiğinde yüksek oranda enerji tasarrufu yapamazlar. Seri hibrid sistemlerde ise tahrik gücünün tamamı tekerleklere direk bağlı elektrik motorları tarafından sağlanır. İYM ise enerji üretimi amacıyla kullanılır. Bu sistemlerde frenleme enerjisinin tamamı elektrik motoru/generatörü üzerinden geri kazanılabilir. Ayrıca İYM boyutu aracın tahrik gücünden tamamen bağımsızdır ve böylece daha büyük aküler ve daha küçük İYM ile daha düşük emisyonlu araçlar üretmek mümkündür. Geleceğin araçlarında İYM’nin sadece menzil arttırıcı olarak çok küçük boyutlarda kullanılacağı veya tamamen ortadan kalkacağı öngörüldüğünde Seri Hibrid sistemin geleceğin tahrik sistemi olduğu söylenebilir. Günümüzde Siemens araç tipine göre aynı modüllerle hem seri hem paralel tahrik sistemlerini kurabilmektedir. Özellikle yüksek hızlarda uzun süreler çalışan kamyonlarda, deniz araçlarında paralel sistem kullanılırken, şehir içi otobüslerde, elektrikli otomobillerde, lastik tekerlekli vinçlerde daha çok seri hibrid sistem kullanılmaktadır. Hibrid Şehir Otobüsleriyle düşük emisyon ve yakıt tasarrufu Hibrid teknolojisi, özellikle şehir içi otobüslerde daha fazla tercih ediliyor. Günün çok büyük bir kısmını yoğun şehir trafiğinde geçiren otobüsler, sık dur-kalk periyotları nedeniyle oldukça fazla yakıt tüketiyorlar. Hibrid otobüs kullanımı özelikle ABD ve Japonya gibi gelişmiş ülkelerde son derece yaygın. Avrupa’da da hızla yaygınlaşıyor. Örneğin 2012 Londra Olimpiyatları sırasında şehirde sadece hibrid otobüslerin olmasını isteyen Londra Belediyesi, son birkaç yıldır geliştirdiği projelerle tüm otobüs filosunu yenilemekte. Londra Belediye Başkanı Boris Johnson’un projesi olan yeni Londra otobüsleri (NBFL-New Bus For London) 2011 yılı son çeyreğinde Wrightbus fabrikasında üretim bandından çıktı. Otobüslerden 8 adedi 2012 yılının ilk yarısında hizmete girecek. Prototip otobüs Bedfordshire’daki Millbrook test sürüş merkezinde test edildi ve 11.6mpg gibi etkileyici yakıt tüketim verisi elde edildi. Bu, normal dizel bir otobüsün 5.8mpg değerine göre yüzde 50 bir tasarruf anlamına geliyor ve Standard bir hibrid otobüsün 8.6mpg değerine göre de oldukça üstün. Türkiye’deki durum Türkiye, otobüs üretimi anlamında bölgesinde tam bir merkez konumunda bulunuyor. Türkiye’de kendi markasıyla üretim yapan en az 5 büyük yerli üreticinin yanında Avrupa ve Uzakdoğu kökenli dünya markalarının da üretimleriyle yaklaşık 10 üretim tesisinden bahsedilebilir. Ulaşım tarafında ise, raylı ulaşımın yetersizliği, özellikle 50’li yıllardan sonra gerçekleşen hızlı ve plansız kentleşme ile şehir içi neredeyse tüm ulaşım otobüs ve minibüslerle gerçekleştiriliyor. Bahsedilen sebeplerden dolayı şehir içi ulaşımda yüksek oranda enerji kaybı olduğu ve bunun çok büyük bir kısmının akılcı çözümlerle kazanılabileceği söylenebilir. Türkiye’de tasarlanan ve üretilen ilk hibrid şehir otobüsü geçtiğimiz sene Temsa tarafından piyasaya sunuldu. Temsa Hybrid Avenue model otobüste Siemens’in ELFA Hibrid Tahrik Çözümü kullanıldı. Seri hibrid tahrik sistemi kullanılan araçta, frenleme esnasında oluşan enerji elektrik motorlarının generatör olarak rejeneratif çalışması ile ultra kapasitör modüllerinde depolanır ve aracın tekrar hareketi esnasında kullanılır. Ultra kapasitörlerde yeterli enerji olduğu sürece araç bunu kullanarak dizel motora gelen ekstra yüklenmeleri, dolayısıyla yakıt tüketimini ve bakım maliyetlerini azaltır, motorun ömrünü arttırır. Proje ortağı Sakarya Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü tarafından yapılmakta olan ölçümlere göre, hibrid otobüsün aynı uzunluktaki dizel otobüslere kıyasla en az yüzde 25 daha düşük yakıt tüketimi ve CO2 emisyonu değerlerine sahip olduğu görülüyor. Üretimi devam eden diğer hibrid otobüs projeleri ise BMC Procity Hybrid ve Güleryüz Cobra Hibrid şehiriçi otobüsleri projeleri. Tüm projelerin konfigürasyonu birbirinden farklı olsa da ortak noktası hepsinin standart dizel motorlu versiyonlarına oranla önemli üstünlükleri bulunuyor. Hibrid ve elektrikli deniz taşıtları Siemens ELFA Hibrid Tahrik Sistemleri deniz taşıtlarında da uygulanarak daha iyi manevra kabiliyeti, enerji tasarrufu, düşük egzoz emisyonu, daha az bakım maliyeti, enerji kaynağı seçiminde esneklik, daha düşük ses ve titreşim gibi faydaları sunuyor. Sistem, modüler olduğundan her tipte deniz aracında uygulanabiliyor. Mevcut uygulamalar arasında 50 metrelik bir yelkenli tekne de 44 metrelik bir Mega yat da 5 metrelik bir tender boat da var. Ayrıca Amsterdam’da kullanılan çöp toplama tekneleri, İspanya’da yapılan balıkçı tekneleri, Almanya’da yapılan feribot veya Amerika’da yapılan charter gezi tekneleri de farklı uygulamalara örnek gösterilebilir.