ENERJİ DÖNÜŞÜM OLANAKLARI

Doç. Dr. H. NUSRET Y ÜKSELER İ TÜ Elektrik Fakültesi öğretim Üyesi

Enerji sorunları petrol bunalımlarının ortaya çıkışından beri son yılların güncel ve çok yönlü konusu olma duru munu korumaktadır. Asrımızın başında da enerji konusu büyük önem kazanarak, tüm bilim ve mühendislik dünya sının ilgisini üstüne toplamıştır. 1910 yılında Einstein ta rafından verilen ve çok iyi tanınan E = M c 2 bağıntısı ile kütle ve enerjinin eş anlamlı olduğu anlaşılıyor. Tüketim nedeniyle tüm dünyanın bir günlük enerji gereksinimi 1 kg'lık kütleye eşdeğer olmaktadır. O halde, büyük bir kütle üzerinde yaşayan ve şimdiden dışdaki diğer gök ci

simlerine ulaşabilecek teknolojiye sahip olan, Ay'a gidip gelmekte olan insanoğlu neden enerji sıkıntısı çekiyor ? Sorunun yanıtı dönüşüm olanaklarının getirdiği sınırla malar teknolojik güçlükler, tamamlanamamış bilimsel araştırmalarla açıklanabilir. Güçlüklerin bir kısmı yakın bir zamanda atlatılabilecek ve gene bir kısım çalışmaların tamamlanması f azla zaman almayacak ise de bol, güveni lir, kolaylıkla temin edilebilir bir enerjiye kavuşmak en yakın önümüzdeki asırda birkaç on yıl geçmeden önce pek mümkün olmayacaktır.

Doğada enerji birçok şekillerde bulunmaktadır. Isı, kine tik, kimyasal, nükleer, elektrik, elektromagnetik gibi te mel şekilleri hemen belirleyebiliriz.

Bu enerji şekilleri birçok bakımdan gruplandırılabilir. Bir bakıma doğada kolaylıkla yararlanılabilir bollukta bulu nan enerji kaynaklarına birincil kaynaklar deniyor. Ge nellikle enerjinin tüketimi, bu şekliyle olmamakta ve bir veya birkaç ara dönüşümlerle enerji birincil şeklinden tü ketilebilir durumuna gelmektedir, örneğin evlerde kulla nılan bir ütü ısı şeklindeki, bir mikser kinetik şeklindeki enerji gereksinimini karşılamaktadır ve bu enerjiler elek trik enerjisinin dönüşümüyle elde edilmektedir. Oysa elektrik enerjiside bir elektrik santralında kömür enerjisi nin önce ısıya sonra elektrik enerjisine veya suyun kine tik enerjisinin elektrik enerjisine çevrilmesiyle karşılan maktadır. Bu bakımdan kullanım göz önüne alındığında enerji şekilleri bu amaçla gruplandırılabilir. Gruplandır malar enerji şeklinin alışılmış (konvansiyönel) veya yeni bir durumda olmasına, kaynağın yenilenebilir, örneğin su enerjisi gibi, olup olmamasına göre, maliyete göre, te minindeki kolaylığa göre ve bunun gibi diğer başka şe killerde olabilmektedir. Bütün bunlar arasında elektrik enerjisinin yeri nedir ? Uygulama göz önüne alındığında görülüyor ki genellikle elektrik enerjisi bir ara enerjisidir, birincil veya tüketimdeki son şekil değildir. Bir ara enerji olarak elektrik enerjisinin kullanılmasında nedenler eko nomik veya teknik zorunluluklar olabilir. Güvenilir, eko nomik, çevre kirliliği yaratmayan, pratik bir enerji şekli oluşu, taşıma, dağıtım ve tüketim sorunlarına uygunluğu elektrik enerjisine dönüşümü zorunlu kılan esas nedenler dir.

Elektrik enerjisinin üretiminin ve tüketiminin artarak ya yılması teknolojinin en önemli konularından olan bu dal daki meslekdaşlarımıza önemli araştırma, geliştirme, uy gulama görevleri getirmektedir. Atom yapısında elektrik yükleri bulunur. Canlıların var olması, varlık durumunu sürdürmesi birçok elektriksel mekanizmaların çalışmasını gerektirir. Teknolojinin diğer dallarında elektrik, kay nak, kontrol, ölçü gibi birçok amaçlarla kullanılma zo rundadır. Bunlar elektrik mühendisliğinin ilgi ve çalışma alanlarını çok genişletiyor. Başka enerji şekillerinden elektrik enerjisine, elektrik enerjisinden diğer şekillere geçişde izlenecek dönüşüm yöntemleri bu tabloda belirtilmiştir. Planlama ve uygula maya geçişde bu yöntemlerin dikkatli bir şekilde ele alın ması gerekir.

Enerji ile ilgili sorunlar üç şekil göstermektedir. Bunlar acil, kısa sürede ve uzun sürede ele alınacak sorunlardır.

Tablo l'de enerji seklileri ve bunların bir diğerine dönü filmlerine olarak veren yöntemler gösterilmiştir.

G U I Enerji»

OonüıOm Y ontma

Çıkı, Enerlbl

Elekromafnetk

Klntraal NOkleer Kinetik

Gunef bataryalan, Fotocel.

Bataryalar, elektroliz NOkleor batarya Döoü,dVOcuk£ ve MHD

Elektrik

Isı

Termoelektrik, Forroeleklrik

urmolyonk

Kimyasal Nakle* la Elektrk

Kamllumlnssans Traakjiyonim A. bombası

H a l f a n y»V,fo*or

İM radyasyonu E JK. n i , El. lurn.

Elektroımtnet*

Klnttk la , Ekk*omametik Ekktrik

Radyasyon kataliz.

iyoniusyon Radyolu Aynsan, kayrama Fotokimyasal, Fotosentez Batarya dolusu

la Eleknnafnetk

Kimyasal Elektrik

y nOıron Reaksiyonlar

ia

Ekknma<n«ik Kimyasal «User Elekrk

Isı ıtnksmeti, İç yanmalar

Ra dy ome n solar batarya Adok Rady<>aktMta,A.bombaa Motor, aloknaarkslyon

Ekktroırafnetlk Solar tutucu

Y anım

Okleer

Flzyon, Fllzyon

la

Kinetik

SOrtBnme

Elekrk

Siktlnme

Tablo 1. Enerji donlisUm olanakları.

Acil sorunlar, önemsenmeyen veya ekonomik olmayan kaynakların hemen harekete geçirilmesini, tüketim prog ramlamalarında ayrıntılı ekonomilere girişilmesini, gerek li ölçülerde zorunlu kısıtlamalar uygulanmasını önemsen meyen kaçak ve artıkların süratle değerlendirilmesini zo runlu kılar. 1 0 1 5 y ılı kapsayan, kısa süreli sorunlar ise yeni kaynak araştırmaları, üretim ve tüketim yöntemleri nin geliştirilmesi ve genişletilmesi, ülkenin doğal kaynak larından en fazla yararlanma olanaklarının yaratılması çabalarını gerektirir. Uzun süreli sorunlar ise enerji dö nüşüm yöntemlerinde yenilikler get irmeyi, çok uzun sü reli kaynaklar yaratmayı amaçlar. Acil ve kısa süreli so runlar için .ülkemizde de geniş çalışmalar olduğu bilini yor. Türkiye 3. enerji kongresinde de yapılan eleştiri, de ğerlendirmeler, bilgi aktarımı ve incelemelerle bu çalış malara önemli katkılar getirilmeye çalışılmıştır.

Tüm kullanılan enerji şekilleri içinde elektrik enerjisinin kullanım yüzdesi önemli bir göstergedir. Bu yüzdenin bü yümesi kalkınmanın bir simgesidir. Türkiye için bu gös tergenin artış durumunda olması sevindiricidir (i ).

Türkiye 3. enerji kongresinde verilen aşağıdaki tablolar (Tablo 2 ve 3) ülkemizin durumu ve geleceği bakımından bir görüş vermektedir (2). Bu tablolarda 1 9 9 7 yılına ka dar bir dönemde elektrik enerjisi gereksinmesinin karşı lanması ve elektrik enerjisi üretilebilecek ulusal enerji kaynaklarımızın yıllara göre kullanılma oranları istatistik bilgiler şeklinde verilmiştir. Görülmektedir ki termik ve hidrolik üretim, ulusal şebekeyi besleyen esas kaynaklar dır.

1983 1987 1992 1997

Tüketim (MW)

7960 12560 20870 32620

Hidrolik Üretim (MVV) 4814 8284 17156 26000

Termik Üretim (MW) 5842 8648 12448 15000

Tablo 2.

Katı Fosil Yakıt Potansiyeli

Hidroelektrik Potansiyel

1982 1987 1992 1997 40,1 58,9 73.2 100.0 16,8 37.6 78,0 100.0 Tablo 3.

Dergimizde verilen diğer bir incelemede ise (3) tasarruf konusunda aydınlık getiren bilgiler verilmiştir. Bu ince lemede verilen bilgilere göre ise 1982 yılı başı itibariyle durumumuz :

3160,9 (MW) kurulu güçte termik (% 57,8) 2310,8 (MYV) kurulu güçte hidrolik (% 42,2) santral bulunmakta ve bunlardan da yılda ortalama 27 milyar kWh elektrik enerjisi üretme olanağı tahmin edil mektedir.

Yeni enerji kaynakları verim ve kullanma bakımından da henüz gelişmekte, ulusal şebekeye büyük bir katkıları olmamakta ve daha ziyade yerel olarak kullanılmaktadır, örneğin bir jeotermal üretimde verim 0,30 değerine ula şabilmektedir (4).

Esas kaynaklar üzerine akla şu sorular geliyor : Bu kay nakların durumu nedir? Gelişen enerji dönüşüm olanak larının gözden geçirilmesi (5) ve büyük araştırma labora tuvarlarınca verilen yeni sonuçlar (6) bu soruları aydınla tıcı olmakta ve yakın bir gelecekte üretime sokulacak yöntemleri belirlemektedir. 2 ve 3 nolu tablolar asrımı zın sonuna kadar tüm katı fosil ve hidroelektrik potansi yelin hizmete sunulacağını tahmin etmekte. Gene bu sı ralara doğru birçok yönden hızla gelişen nükleer santral larında üretime sunulacağı açıklanmaktadır. Bu noktaya kadar verilen genel görünüm ve aşağıdaki açıklamalar en önemli noktanın, üretimde seçilen dönü şüm yönteminin yeni gelişmelere göre uygun seçiminde olduğunu gösteriyor. Tüm üretimde büyük bir yüzdeye sahip fosil yakıt potansiyelinde verim geliştirilmesi düşü nülen yeni enerji kaynaklarının getireceği katkının pek çok üstünde bir üretim artışı, doğal kaynaklardan yarar lanma yüksekliği ve ekonomik kazançlar sağlar. Yukarı

da değindiğimiz Dergimizde (3) bulunan ve tasarruf ko nusundaki incelemede de belirlendiği üzere elektrik ener jisi üretimi ile sanayi gereksinimi buharın ve proses ısısı nın birlikte sağlandığı kombine tesislerde verim % 60'ın üstüne çıkarılmaktadır. Bunun açık anlamı doğal kay naklardan aynı miktar tüketimle iki misline yaklaşan fay dalı enerji sağlamaktır. Bu sadece bir kombinasyon sonu cu, diğer bir deyişle bilinen yöntemlerin uygun bir dü zenlenmesi ile kazanılan enerji artışıdır. Ayrıntılarına baş ka bir yazımızda değinmeye çalışacağımız yeni bir üre tim yöntemi MHD İse (Magnetohidrodinamik) dönüşüm farklılığı nedeni ile verimde büyük bir artış sağlıyor. Bir buhar tirbününde verim % 30 40 tavan değer civarında dır. MHD ise bunu %60'a çıkarıyor. Kombine sistemler le % 80 değerlere ulaşılabileceği şimdiden görülebilmek tedir. Bu değerler dönüşüm yönteminin önemini açıkça ortaya koyar. Verilen verim yükselişi pek çok santralın şebekeye getireceği üretim artışı ile eşdeğer olmaktadır. MHD yöntemler halen bazı büyük devletlerin ulusal şe bekelerini beslemekte (8) ve incelenmeleriyle konu hızla gelişmektedir.

MHD 1985'den önce ticari alana girecektir (7). Aşağıdaki 4 ve 5 numaralı tablolar, kömür yakıtlı geliştirilen, enerji santrallarının mukayesesini ve bunlardaki elektrik mali yetini göstermektedir (6).

Bu tablolar büyük çapta üretimde MHD yöntemin kaçı nılmazlığını ortaya koymaktadır. Tablo 4'den görüldüğü üzereMHDiçinelektriğinmaliyeti32,6.10 3 £/kWh ile en küçüktür ve bu diyagramda belirtilen yüzdelerle kapi tal, yakıt, bakım ve işletme masrafları kapsanmaktadır. Tablo 5'de de MHD'nin belirli bir firmadaki ve şu andaki verimi görülmektedir. İkinci sırada görülmekte ise de ön ceden belirlendiği üzere MHD için verim kombine olma yan sistemlerde dahi % 60'a yaklaşarak erişilmezliğini korumaktadır (8). Mamafih Tablo 5'de görülen ve birinci sırayı alan tiplerdeki yöntemlerde gözden, uzak tutulma malıdır. Bunların faydalarına tipik bir örnek Tablo 6'da ve muhtelif çevrimlerdeki verimleri Tablo 7'de gösteril miştir (6).

Santral

Kademe (MW e)

Y aklaşık ısı kademesi (k)/kW h)

Verim %

Karbonat eriyikti yakıt hücreleri

49,6

MHD

48,3

Potasyum üst çevrim

44,4

Kombine gaz tirbünü/1649° C/Alçak Btu

44,0

Helyum çevrimli Kombine gaz tirblinii/1316° C/Alçak Btu

39,9

58S

39,6

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

39,2

Buhar/atm akışkan yataklı/538* C/649" C

37,1

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

35,8

Buhar santralı

10500

31,8

Tablo 4. Kömür yakıtlı, gelişmiş enerji santrallarının mukayesesi.

Buhar santralı Ircıcrans)

MHO CCGT M 6 ««C/L Bt u Buhar M F B / 5 I I C / 5 1 I C B u h a r / r >F B / S3 «C/ S3 «C Buhar / A F B / İ 3 I C / S 5 0 C CCGT/ı3MC/lBtu MCFC 'Potasyum üst çevrimli Helyum çevrimli

Elektriğin maliyeti ( B " ' $ / k W h |

32.6 312 36 9

310 315 3f.7

»o;

i 0.9

ANAHTAR : Kapital CD

M CFC Kartaaat eriyikli yal" ! hücresi MHO MagiKlakMraaİMmik CCGT KamUM çevrimli gai tirbiinü AFB Atımskrik akı>kan yataklı PFB Batnıclt <ak»kc* yataklı

Vakit C 3

Bakım ve isletme I

HP I P BFW buhar buhar ön ısınım

Tablo 5. Muhtelif kömür yakıtlı enerji santrallarında elektrik maliyeti.

Y akıtlar

Gaz, sıvı, kömür

Çevre

Kirlilik yaratmayan Kolayca donanım Alçak gürültü düzeyleri

Y üksek santral verimi

47 60%

Çıkı; Gazları Elektrik Maliyeti

Kombine uygulamalarda 700 750° C ideal uygunlukta

Cazib, 5 0 . 1 0 3 £/kW h civarında

inşa Malzemeleri

Bol ve bağıl olarak düşük maliyetli

Tablo 6. Karbonat eriyikli yakıt hücrelerinin faydaları.

Y akıt

Alt çevrim

Verim

Kömür *

37%

45%

Kömür

47%

60%

* Kömür dönüşüm verimi = 78 %

Tablo 7. Karbonat yakıt hücreli santralların verimi.

Aşağıdaki Şekil 1 ise tipik bir karbonat eriyik yakıt hüc reli enerji santral çevrimini göstermektedir.

Şekil 1. Tipik bir karbonat eriyikli yakıt hücreli enerji santral çevrimi.

Ancak kombine sistemlerde beklenilen % 80 verim, dü şük maliyet, teknolojik üstünlük ve gelecek için en uygun olma özellikleri nedeniyle büyük santrallarda MHD uygu lanması kaçınılmaz olacaktır.

Zaman hızla geçiyor ve enerji uzmanları için önümüzdeki 1985 1990 yılları bambaşka bir görünümde. Önümüzde ki asnn başları ise daha bir başka tablo ile karşımıza çı kacak görünüyor. Füzyon enerjisinin gelişimi, radyasyon korkusu olmayan direkt nükleer MHD üretim yöntemle rini insanlığın hizmetine sunacaktır (9).

MHD yöntemler bu tip için ideal olduğundan geleceğin, üretim yöntemi olarak da büyük önem kazanmaktadır.

REFERANSLAR :

(1) H. Nusret Yükseler; "Elektrik Enerjisi Üretiminde Genel Görünüm", İ.T.O. Elektrik Fakültesi Konferanslar Serisi, Sa yı 15,1980.

(2) S. Kıcsnan; "Uzun Dönem Elektrik Enerjisi Üretimi ve Bi rincilEnerji Kaynaklarımız", Türkiye S. Genel Enerji Kongre si.

(3) Orhan Zeki Demiray; "Elektrik Enerjisinde Tasarruf", Elek trik Mühendisliği Dergisi, Cilt 27, Sayı 284, 1982/4.

(4) Orhan Mert oğlu; "Jeo termal Akışlardan Türkiye'de Elek trik Enerjisi Üretimi ve Sonuçları", Elektrik Mühendisliği Dergisi, Git 27, Sayı 282, 1982/2.

(5) H. Nusret Yükseler; "Enerji Dönüşüm Tekniğinde Gelişme ler ve Ekonomik Etkileri", Türkiye 3. Genel Enerji Kongresi.

(6) Robert C. Osthoff; "Molten Carbonote Fuel Cells 80 Perçem Energy Utilisation PromUsed", Modem Povver Systems, Volume 2, No. 5, June 1982.

(7) "MHD Research Centre To Be Set Up", Modern Power Sys tems; Volume 2, No 1, January/February 1982, VVorld Digest, pg. 10.

(8) Sheindlin, A.E.; Jackson, WJ>.; Brzovvski, VV.S.; Rietjens, I.H. Th;''Magnetohydrodynamic Power Generation", Onun cu Dünya Enerji Konferansı, 3 . 6 1 .

(9) W.E. Scott; Australian Scientists Favour Laser Route to Fusion Povver; Energy International, Volume 15, Number 10,Octoberl978.