ENERJİ ÜRETİM VE İLETİM ALTERNATİFLERİNDE GELİŞMELER

Doç. Dr. H. Nusret YÜKSELER t.T.Ü. Elektrik Elektronik Fakültesi Öğr. Üyesi

ÖZET Alışılmış enerji üretim yöntemlerinde verim sınırlamaları bugünkü koşullarda çok düşük görülmektedir. 3 Faz enerji iletim hatlarında ise bazı alternatiflerin getirilmesi gereken yetersizlikler ortaya çıkmaktadır. İncelemede bu sorunlara çözüm olanakları getiren, kısmen uygulamaya girmiş gelişen teknolojiler ele alınarak, Türkiye açısından da geniş yararları olacak etkinlikleri belirlenmektedir.

1. GİRİŞ

Aydınlatma amacı ile 1882'de kurulan ilk enerji üretim iletim sisteminden günümüze kadar bu sistemlerde sürekli gelişmeler görülmektedir. New York, Pearl Street'de kurulan bu sistem 220/110 Volt bir doğru akım sistemi iken transformatörlerin geliştirilmesi, AA makinalarının ucuz maliyette olması ve kesici problemlerindeki kolay lıklar AA sistemlerinin hızla gelişmesine neden oldu. Mecut sistemlerdeki çok değişik frekans ve gerilimler müşterek standartlara uydurularak sistemler arasında

enterkonneksiyonlar sağladı. Kömür, gaz, su gibi birincil kaynaklarda sağlanan enerji türbin senkron generatör düzenleriyle elektrik enerjisine dönüştürülerek tüketime sunuldu. Ancak endüstrinin hızla gelişmesi, şehirlerin hızla büyümeleri elektrik enerjisine talebi benzer hızla arttırdı. Üretimin artması planlamacıları ekonomik fak törler üzerine eğilmeye zorladı. Termik santrallarda veri min % 40'ların altında kalması bir sorun oluyordu. İletim hatlarında gittikçe daha uzun mesafelere kararlı bir ener ji ilitemi diğer bir sorun olmaya başlamıştı. Şu soruların cevapları için araştırmalar yoğunlaştırıldı :

Enerji üretiminde daha ekonomik bir yöntem uygula bilir mi? Türbin senkron generatör elektromekanik düzenleri yerine farklı bir düzen olanağı var mıdır?

3 Faz'lı alternatif akımla iletim yerine farklı bir iletim sistemi kurulabilir mi? Acaba doğru akımın uzun bir süre terkedilmesi bir hata mı idi? DA'la iletim geliştirilip bir üstünlük sağlayamaz mı? Veya DA yerine 3 Faz'lıdan başka bir alternatif akım düzeni kurulamaz mı? Ekono mik olma olanağı var mı?

1973'de petrol krizinin getirdiği ekonomik bunalımdan da önce bu ekonomik ve önemli teknolojik yenilikler getirmesi beklenen arayışlar başladı. Bugün % 80'lere

varan verimle elektrik enerjisi üretimi, 3 Faz'lı sistemlere göre % 73'leri aşan yeni, farklı AA ile iletim ve bazı durumlarda gelişen sistem sorunlarına en uygun cevap veren DA ile iletim, kısmen gerçekleşmiş ve gelişmekte olan yöntemler olmaktadır. İncelememiz bu gelişen tek nolojilere yönelmiş olup, yararları ve Ülkemize getire cekleri olanaklar üzerinde durulacaktır.

2. ÜRETİM KAYNAKLARINDA GELİŞMELER Bir termik santralda bilinen çevrimler verimi % 40'ın altında bırakıyor. Bugün için pek çok santralda bu verim % 2 0 3 0 arasındadır. Du. um araştırmaları yöntemde alternatif dönüşüm düzenlerine yöneltmiştir. 150 yılı aşkın zamandan beri bilinen yasaya göre, magne tik alanda hareket eden bir yüke kuvvet etkir. Y ükün hareket ettiği ortam bu yasanın varlığı için önemli değil dir. Ortam iletken olabilir, vakum olabilir, bir sıvı veya gaz olabilir. Bilinen generatörlerde yükün hareketi bakır iletken sargılardadır. İletken ortamda iletim kolaylığı senkron generatörlerle üretimi bugüne kadar alternatif siz bırakmıştır. Elektronlar, iyonlar, nötr ve pozitif par çacıklarla oluşan bir plazma çok yüksek sıcaklıklara (2000°C 3000°C) çıkartıldığında ve bir magnetik alan etkisinde bırakıldığında, senkron generatöriin sargıların da olduğu gibi bir ortamda da bir gerilim oluşturulabilir. Bu olay magnetohidrodinamik generatörlerin esasını oluşturur. Dikdörtgen kesitli (tipik bir örnek) bir kanalın karşılıklı iki kenarına magnetik kutuplar ve diğer karşı lıklı iki kenarına elektrotlar yerleştirilerek kanaldan sıcak bir plazma akışı sağlandığında, eğer elektrotlar bir dış yük devresine bağlı ise elektrik akımı oluşur. Bu tip üretim olanağı vardır ve bu generatörler MHD (Magneto hidrodinamik) adını alır (1 ), (2 ). Şekil 1'de MHD gene ratörün basit şemesa görülmektedir. Y üksek sıcaklıklarda

Şekil 1: MHD Gcneratörün şematik diyagramı böyle bir üretim için teknolojinin geri kalışı, günümüze kadar yönteme uygulanabilme olanağı vermemiştir. Bugün ise yöntem ABD ve Rusya'da uygulanıyor. Çok yakın bir gelecekte de ticari alana gireceği bekleniyor. Kömürle çalışan, böyle bir generatörle ilgili çevrim ise Şekil 2'de görülmektedir. Y öntemin üstünlüğü veriminin

Şekil 2: Kömür yakıtlı MHD buhar gücü çevrimi

% 60'ın üstünde olması ve kombine çevrimlerle % 80 civarında verim elde edilebilmesidir. Çıkış DA olarak kullanılabildiği gibi AA da çevrilebilerek sistemler bes lenmektedir.

Kömür yakıtlı santralların pek çok tipleri geliştirilmekte dir. Bunlar arasında yapılan bir incelemede MHD'nin verim ve maliyet bakımından üstünlüğü ortaya konmak

Tablo 1: Kömür Y akıtlı Gelişmiş Elektrik Santrallarının Mukayesesi

Santral

Kademe (MVVe)

Karbonat eriyikli yakıt hücreleri

MHD

635 1932

Potasyum üst çevrim

9%

1649°C / Alçak Btu

Helyum çevrimli

1316°C Alçak Btu

Buhar / basınçlı akışkan yataklı/538°C/538°C 904

Buhar / atm akışkan yataklı / 538°C / 649°C 843

Buhar / atm akışkan yataklı / 538°C / 538°C 814

Buhar santralı

Y aklaşık ısı kademesi Verim (kj/kWH) %

6950 49,6

7050 483

7650 44,4

7650 44,0 8550 39,9

8550 39,6

8550 39,2

9350 37,1

9700 35,8 10500 31,8

Tablo 2: Muhtelif Kömür Yakıtlı Enerji Santrallannda Elektrik Maliyeti

Toplam

.«D

tesis kapasitesi

ij

3S

M

»• ıs.

^Tristör"x

s

^ ^ J j ^ l Civa buhar \SN

—^^^wv\\ \\\\\\\w.vv\J

v **^ s*/ s^ ^ s^ f f V ı t

II

EHD WM

Yakıt

Bakım ve İşletme

Buhar Santralı (referans)

MHD CCGT/1649C/LBtu Buhar/AFB/538C/538C Buhar / PFB / 538C / 538C Buhar / AFB / 538C / 650C MCFC Potasyum üst çevrimli Helyum çevrimli

A F B Atmesferik akışkan yataklı PFB Basınçlı akışkan yataklı MCFC Karbonat eriyikti yakıt hücresi M H D Magnetohidrodinamik CCGT— Kombine çevrimli gaz tirbünü tadır. Tablo 1'de kömür yakıtlı gelişmiş enerji santralla nnın mukayesesi ve Tablo 2'de ise muhtelif kömür yakıt lı enerji santrallannda elektrik maliyeti görülmektedir.

Enerji üretiminde diğer önemli bir gelişme ise "Yakıt Hücreleri"nde görülür. Henüz küçük güçlerde, örneğin S MW'lık modül'ler şeklinde, fakat modüllerin biraraya getirilmesi ile büyüyebilen bu üretim yönteminin bazen, çevreye etki gibi sorunları olmakla birlikte, önemli bir gelişme göstereceği beklenmektedir.

Geliştirme getirmesi beklenen diğer bir olanak ise, simet rik 6 Faz üretim yapan generatörlerdir k i , bu sistemlerde generatöre kadar üretim safhalarında bir değişiklik bek lenmiyor. MHD çıkışında da böyle bir üretim olanağı mevcuttur. Yöntemin esas önemi iletimde getirdiği yeni likler olmaktadır.

Şekil 3: YGDA'nın 1954'den sonra gelişimi

3. İLETİM ALTERNATİFLERİNDE GELİŞMELER

Bilinen 3 Fazlı iletim yöntemi karşısında en önemli ge lişme gösteren iki yöntemden biri DA'la iletim, diğeri 6 Faz'la AA iletimidir.

3.1. Doğru Akımla Enerji İletimi

Yüksek Gerilim Doğru Akım (YGDA) enerji iletimi günü müzde gittikçe artan bir önem kazanıyor. 1954'den bu yana ve 1990'lara varan bir artış tahmini Şekil 3'de gö rülmektedir.

1954'de yapılan ilk YGDA hattı deniz altından kablo ve isveç ana kıtası ile Baltık Denizi'ndeki Gotland arasında 96 km. uzunluk ve 30 MVY taşıma gücü için yapılmıştır. 1961 yılında İngiltere ve Fransa arasında Manş Denizi altından bir kablo ile 160 MW güç için bağlantı yapılmış tır. Bugün ise, yeni kablolarla iletilen güç 2000 M W'a çıkarılmaktadır. 1970'de ilk Kuzey Amerika YGDA ileti mi 1360 km. ve 1440 MW ile gerçekleştirilmiştir. Bugün bu 2000 MVV'a çıkarılmış bulunuyor. Getirdiği günlük kazanç ise, bu hat olmaması durumu ile mukayese edildi ğinde, günde 1 milyon dolar civarındadır.

Ekonomik faktörler olarak DA sistemlerinde, DA/AA ve AA/DA dönüşümlerin yapıldığı terminal maliyetleri AA sistemlere göre oldukça yüksektir. Fakat AA hat mali yetleri DA hat maliyetlerinden daha yüksektir. Belirli bir hat uzunluğu için DA ve AA maliyetleri birbirine eşit olmaktadır ve bu kritik mesafe olarak bilinir. Kritik mesafelerin üstünde DA daha ekonomik, altında ise AA daha ekonomiktir. Tipik bir hat için durum Şekil 4'de gösterilmiştir.

Kritik mesafe gücü de bağımlıdır. Şekil 5'de ise kritik mesafenin iletilen güçle bağıntısı görülmektedir.

Doğru Akım hatlarının AA hatlanna göre diğer önemli üstünlükleri şöylece belirlenebilir :

maliyeti

V! / ^^•""•iTahat t^Zlm.. * rnaliyeti da terminal / maliyeti / aahat maliyeti / aa terminal maliyeti

500 km .

Kritik mesafe

!|

1 1

T1

I d

iletim mesafesi

Şekil 4: Alternatif ve doğru akımlar için iletim maliyetlerinin karşılaştırılması

Kabuller : terminaller için maliyet f arkı: % 1OO/kW terminaller için kayıp farkı: % 1,25 hat için yıllık sabit maliyet: % 14 terminaller için yıllık sabit maliyet: % 17 kayıp maliyetler: 5Ox1O"3/kW h kayıp faktörü: 0.75

iletilen güç MW

Şekil 5: Kritik mesafe Güç bağıntısı a) Endüktans probleminin olmayışı. Uzun mesafelere AA ile büyük güçler iletilmek istendiğinde hattın endüktansı önemli sorunlar çıkarır. Ve r i ml i bir güç ilet imi için AA hatlarında örneğin seri kapasitörlerle kompanzasyon yapmak gerekir. b) DA kablolarında yükleme akımları ve dielektrik kayıp ları olmadığından, aynı kesitli AA kablolarına göre daha f azla güç taşınabilir. Denizaltı kabloları için k r it ik mesa fe 40 k m. civarındadır. DA hatlarının maliyeti aynı güçte AA kabloların 2/3'ü kadardır. c) DA hatları ile AA hatlarının başaramayacağı hizmetler yapılabilir. Örneğin komşu ve asenkron durumlu sistem ler ancak DA hatları ile ekonomik ve güvenilir şekilde

bağlantılı hale getirilebilir. DA ile herhangi bir düzeyde enerji asenkron olarak iletilebilir. AA ile enerji sistemle rinin bağlantısında taşınan güç, güç açısı ile bağıntılıdır. Bu, farklı yapıdaki sistemler bağlantısında sorunlar çıka rır, ör ne ğin su gücüne dayalı sistemlerde t ermik santralli sistemler arasındaki bağlar gibi. Su gücüne dayalı santral larda frekans değişimi termiklere göre daha fazladır. Diğer bir örnek I TA I P U santralının Paraguay tarafında frekans 50 Hz, Brezilya'da ise 6 0 Hz'dir. Bağlantı Sao Paula'ya + 6 0 0 kV DA hattı ile yapılmakta ve böylece farklı frekanslı sistemler bağlanmaktadır. İngiltere Fran sa arasındaki hat, Kuzey Fransa'daki nükleer santralların ürettiği elektriği, fuel oil kullanılan santralların beslediği Londra çevresine verebilecek ve böylece büyük ekonomi sağlanacaktır.

d) DA hatlarında nisbeten daha küçük direk gereksinimi vardır. Çevreye uygunluk ve güzergâh gerekleri yönün den koşullar daha uygundur.

Mahzurları ise :

a) Kesiciler en önemli sorundur. Genellikle DA iletimin de iki terminalli sistemler kullanılır. Gelişen teknolojinin 4 veya daha fazla terminalli sistemlere olanak vereceği görülüyor. Oysa AA'da sorun basittir. SF6 veya vakumlu kesiciler güvenilir olanaklar sağlıyor. AA'da akım periyo dik olarak sıfır değerinden geçmekte ve bu durum kesme kolaylığı sağlamaktadır.

b) DA hatlarının yaratabileceği düşünülen bazı sağlık sorunları. Y G D A hatları civarında elektrik alan şiddeti benzer Y G A A hatları civanndakinden daha büyüktür, ör neğin 5 0 0 kV AA hatlarının altında toprak düzeyinde alan şiddeti 9 kV/mm iken 5 0 0 kV DA hatlarının altında 30 kV/m olmaktadır. Bunlar Kuzey Dekota ile Minne sota arasındaki hatlarda ölçülmüştür. Bununla beraber yapılan sınırlı incelemeler, gerek bitkilere ve gerekse can lılara elektrik ve magnetik alanların AA ve DA'da bir diğerine göre daha tehlikeli olabileceğini göstermemiştir. Diğer bir nokta, Y G D A hatlarının statik magnetik alan ları yakın objeler üzerinde bir gerilim endüklemez. Bu nunla beraber AA ve DA hatlarının elektrik karakteristik lerinin arasındaki önemli bir fark hava iyon konsantras yonlarında ve hatlar civarındaki iyon akımlarında görü lür. Sağlık için sorun olabileceği düşünülen Y G D A hatlar civarında hava iyon konsantrasyonunun fazla oluşudur. Bununla beraber bu konuya yeter açıklık getirecek de neyler henüz yapılamamıştır, iletim gerilimleri mertebe sinde gerilim uygulanan hatlar civarında elektrik alan şiddeti havanın delinme geriliminden daha yüksektir ve bu hat civarında iyonizasyona neden olur. AA hatlarında bu sorun değildir, çünkü periyodun farklı yarılarında alan ters olduğundan iyonlar uzaklaşamaz. Halbuki DA' da oluşan iyonlar uzaklaşabilir. Y G D A hatlarında iyon

ELEKTRİK MÜHENDtSÜÖt 330/331

ların % 80'i hatların ters yüklü (+) olması nedeniyle birbi rini nötrleştirdiği belirlenmiştir. Geri kalanları rüzgârla uzaklaşmaktadır (Şekil 6 ). Bu uzaklaşmanın bir mil civa rında olduğu görülmüştür. Y ağmur ve rutubet de iyon laşmayı arttırmaktadır. Bununla beraber zararlı etkileri görülmemiştir. Buna rağmen tartışmalar ve Y GDA hat inşasına çevre sakinleri tarafından itirazlar olmaktadır.

Şekil 6: Hatlarda iyonizasyon 3.2. 6 Faz AA İle İletim Konu diğerlerine göre oldukça yenidir (3 ), (4 ), (5 ), (6 ), (7 ), (8 ). 6 Faz üretim için yeni generatör tipleri gelişti rilmektedir. Bu tip iletim ile ilgili şu kritikler yapılmak tadır : a) Güç iletim Kapasitesi. Eğer iki adet 3 Faz AA hattı 6 Faz'a dönüştürülecek olursa, güç iletim kapasitesi % 73,2 artmaktadır. b) Faz Toprak, Faz Faz Gerilimleri. Faz Faz gerilimleri küçülmekte ve 6 Faz için Faz Faz gerilimi ile Faz Toprak gerilimi eşit olmaktadır. c) iletken Açıklıkları. İletken açıklıkları küçültülebilir. Buna rağmen rüzgâr ve buz yükü, arıza akımları sınır getirebilmektedir. d) Darbe empedans Y ükü. Artmaktadır. e) Temel Y ük. Faz adedi ile doğrusal artar. f) Pozitif dizi darbe empedansı, endüktif reaktans ve X o / X t oranı. Üç fazlı sisteme göre daha büyüktür. g) Transpozisyon. Güçlük çıkarır. Tek transpozisyon ola nağı bütün iletken düzenini hat boyunca döndürerek elde edilebilir. h) Elektrik Alanı. Maksimum yüzey elektrik alanı azal makta, fakat maksimum toprak elektrik alanı yüksel mektedir. i) Radyo ve Ses Gürültüleri. 6 Faz sistemi daha iyi durumdadır. j) Arıza Aşırı Gerilimleri. Nisbeten biraz daha fazladır, k) Açma Kapama Darbeleri. Faz toprak darbeleri arası

fark % 4'den az. Faz Faz darbeleri önemli.

I) Kesicide Açma Gerilimleri. Nisbeten az. m) Y ıldırım Darbeleri. % 20 daha az. n) Terminal Y alıtım Düzeyleri. Biraz daha yüksek.

Bu sonuçlar 6 Faz sistemlerinin üstünlükler gösterdiğini belirlemektedir. Ancak geniş bir şekilde uygulama alanı na sokmadan önce deneme hatlarında birçok istatistik bilgiler kazanılması gerekli görülmektedir. 4. SONUÇ

Gelişen düzenler gerek enerji üretiminde ve gerekse ileti minde önemli yenilikler getirmektedir.

MHD yöntem, verimi % 80'lere çıkararak temel üretimi için alternatifsiz kalacağı görülmektedir. DA ile enerji iletiminin AA ile iletimle başarılamayacak üstünlükleri vardır ve örneğin asenkron bağlantılar gibi durumlarda zorunlu ve ekonomiktir. 6 Faz sistemleri 3 Faz sistemlere göre önemli üstünlük lerle uygulamaya girecek görünümdedir. MHD yöntemler ticari alana girince Ülkemiz için önemli yararlar sağlayacak, aynı miktar birincil kaynaklarla iki mislini aşan elektrik enerjisi üretimi mümkün olacaktır. Ekonomi, verim ve çalışma üstünlükleri ile bilhassa temel üretim olarak her türlü üretim için ideal bir şekil ile uygulama alanına girecektir. Ülkemizde de DA bağlantıları önemli ekonomi sağlaya caktır. Bilhassa adalarla bağlantılarda (4 0 km'den uzak) uygun görülüyor. 6 Faz sistemleri kesinlik kazanınca Ülkemizde de elek tromekanik imalât sanayiinde önemli etkileri olacaktır. KAY NAKLAR (1) H. Nusret YÜKSELER: "Enerji Sistemlerinin Ekonomisin de Görünüm", Kaynak Dergisi, Sayı 28, 17 20 Ekim 1984.

(2) H Nusret YÜKSELER, "Elektrik Enerjisi Üretim Yöntem lerinde Gelişmeler", Elektrik Mühendisliği Dergisi, 54 59, Cilt 28, Say 1 295, 1983/4.

(3) H.C Barnes and L.O. Barthold, High phase order power transmission, Electro. (24) (1973) 139 153.

(4) J R. Stevvart and D .D. VVUson, High phase order transmis sion a feasibility analysis, Part I Steady ştate considera tions, IEEE Trans., PAS 97 (1978) 2300 2307.

(5) J.R Stevart and D.D. YVilson, High phase order transmission a feasibility analysis, Part II O\n voltages and insulation, IEEE Trans., PAS 97 (1978) 2308 2317.

(6) S S. Venkata, N.B. Bhatt and W.C. Guyker, Six phase (mul ti phase) povver transmission systems: concept and rediabi lity aspects, Presented at the IEEE Summer Povver Meeting, Portland Oregon, 18 23 July 1978.

(7) W.C. Fuyker, W M. Booth, M.A.Jansen,S.S. Venkata, EJt. S tane k and N.B. Bhatt, 138 kV six phase transmission system feasibility, Presenter at the 1978 American Povver Conference, Chicago, Illinois, April 24 28, 1978.

(8) N B. Bhatt, S.S. Venkata, W.C. Guyker and VV.H. Booth, six phase (multi phase) povver transmission. Fault analysis, IEEE Trans., PAS 96 (1977) 758 767.