BİLEŞİK ISI-ELEKTRİK ÜRETİMİ VE ENERJİ TUTUMLULUĞU

Bileşik ısı elektrik üretimi ve enerji tutumluluğu

Sevinç KICIMAN

UDK: 621.311.22

1. ENERJİ TUTUMLULUĞU

ÖZET

Bu yazıda, elektrik enerjisi üreten buhar santrallanndan atılan artık ısıdan yararlanılarak, yakıt veriminin yüksel tilmesini ve dolayısıyla enerji kaynaklarının eniyi (opti mum) kullanımını amaçlayan "bileşik ısı elektrik üreti mi" yöntemine değinilmekte; Türkiye'nin uzun dönem elektrik enerjisi planlamasında yer alan teknik santralla rın bileşik ısı elektrik santrallan olarak kurulmasıyla ka zanılabilecek yakıt tutumluluğu yararlan incelenmekte dir.

Enerjinin, insanlığın ilerlemesinde, ülkelerin ekonomik bağımsızlıklarının kazanılmasında ve sürdürülmesinde ya şamsal bir önemi vardır. Ancak, dünya nüfusundaki hızlı artış; gelişmiş ülkelerde insan gücünün yerini yüksek enerji girdili yöntemlerin alması, rahat yaşam koşullarına olan aşırı istem; gelişmekte olan ülkelerin gelişme hızları yeryüzünün geleneksel ve sınırlı enerji kaynaklarının hız la tüketildiğini ve yakın bir gelecekte bir noktada, artan enerji istemini artık karşılayamayacağını gösteren kanıt lardır.

SUMMARY

The most effective way for optimum use of fuel is to bene fit the ıvaste heat of thermal power plants through combined heat and povoer plants so as to increase the fuel efficiency.

This paper deals uıith the role of combination of heat and povoer generation on energy saving by giving an example of Turkey 's long term electricity generation.

Diğer yönden, nükleer füzyon, güneş, rüzgar, denizlerde ki gel git ve dalga enerjileri gibi henüz gelişmelerinin baş langıç aşamasında olan enerji türlerinin yararlanılabile cek duruma gelmeleri için teknolojik gelişmelere ve do layısıyla zamana gereksinme vardır.

Bilinen enerji kaynaklarından, yeni enerji kaynaklarına

Sevinç Kıcıman, Elek. Yük. Müh., TEK

irvnfcr t/it 9fiQ 270

geçiş döneminde son derece özenle hazırlanacak ve ener jinin en iyi kullanımını amaçlayacak enerji programları bugünün dünyasının en önemli ve zorunlu gereksinme lerinden biridir.

Enerji artıklarının değerlendirilmesi ve enerji verimliliği nin artırılmasıyla enerji kaynaklarının eni yi (optimum) kullanılması olarak tanımlayabileceğimiz "en iyi tutum luluğu" özellikle kısa ve orta dönem için büyük bir önem taşımaktadır. Enerji tutumluluğunun uygulanabileceği en etkili alanlardan biri de termik santralların atık ısısın dan yararlanılarak bileşik ısı elektrik üretimi sağlamak ve dolayısıyla yakıt verimini en yüksek düzeye çıkarmaktır.

rinde hızlanma ve soğukta donmalarını önlemek gibi çok olumlu sonuçlar alınmıştır.

Bir başka uygulama seraların ısıtılmasıdır. Ayrıca ye terinden fazla sıcaklık isteyen ve büyümesinin her aşa masında farklı sıcaklıklar gerektiren pirinç tarlaları için sıcaklığı ayarlanabilen su sağlamak olanağı da vardır.

Tavukçulukta kullanılan binaların ısıtılması da düşük nitelikli atık ısının tarım alanındaki bir başka uygula masıdır.

b) Yüksek Nitelikli Atık Isı Uygulaması

2. ATIIAN ISININ YARARLI KULLANILIŞ ALANLARI

Atılan ısının, uygulama alanını saptayan en önemli para metre düşük veya yüksek nitelikli; bir başka deyimle dü şük veya yüksek sıcaklıkta olmasına bağlıdır. Buhar sant radarından atılan ısı çok sınırlı uygulama alanları bulu nan 30°C dolaylarında ve düşük nitelikli bir ısıdır. Böyle bir atığın yararlı olabilmesi için sıcaklığın yükseltilmesi gereklidir. Bu amaçla buhar santrallarına

— ara sıcaklık alma (extraction/condensing) veya — geri basınç türbinleri (back pressure)

eklenmektedir. Gaz türbinlerinde atılan ısı ise yüksek ni telikli olup ara donanımlara gerek göstermemektedir.

Atık ISI uygulamalarını düşük nitelikli ve yüksek nitelikli atık ısı olmak üzere iki grupta inceleyebiliriz.

Buhar ve sıcak su halinde olabilen yüksek nitelikli ısı

— endüstriyel proses ısısı olarak, — kentlerin merkezsel ısıtılmaları ve klima tesisleri için, — artık arıtmada, — su damıtılmasında kullanılabilir.

Genellikle, bütünsel açıdan verimli olan yüksek nitelikli ısı uygulaması santral ile kullanıcılar arasında tümleşik tesisler gerektirmekte ve planlamada çok özenli olmak zorunluluğunu ortaya çıkarmaktadır.

Böyle bir sistemde, termik santralın aransı alma/kondan sör (extraction/condensing) veya geri basınç (back/pres sure) türbinleri ile donatımı gereklidir. Ara ısı alma/kon dansör tipinde proses buharı, türbinin uygun bir nokta sından alınmakta veya geri basınç türbini halinde ise geri basınç buharı olarak sağlanmaktadır.

a) Düşük Nitelikli Atık Isı Uygulaması

Buhar santraliarında kondansörden geçirilmiş atık ısının da bazı koşullar altında uygulama alanları vardır.

Isıtmada

3. YÜKSEK NİTELİKLİ ISI UYGULAMASI VE BİLEŞİK ISI ELEKTRİK SANTRALLARI

Bileşik ısı elektrik santradan, yüksek nitelikli ısı uygula masının en önemli örneğidir.

Kondansörde sıcaklığı düşürülmüş su, ısı pompaları il kesine göre ısıtmada kullanılabilir.

— Tarımda

Termik santraldan atılan sıcak suyun en çok uygula nabileceği tarımsal alanlardan biri soğuk sulama suyu na karıştırılarak bitkilerin çok soğuk sudan görebile ceği zararları ortadan kaldırmaktır. Bu amaçla, Eugene (Oregon) Mater and Electric Board tarafından 475.000 S'lık bir yatırımla 68 hektarlık bir sulama projesi uygulanmış ve bitkilerin büyüme ve gelişmele

Enerji yaşamın vazgeçilmez bir öğesidir. Ancak yeryü zündeki enerji kayrakları doğrudan doğruya kullanılma makta ve bir "dönüşüm" gerektirmektedir. Gerek enerji tutumluluğu ve gerek çevre sorunlarına olumsuz etkisi olan dönüşüm sırasında çevre için olasıl en yüksek koru ma ile enerjinin en ekonomik kullanılması arasında den geli bir ilişki bulunmalıdır.

Termodinamik yasasına göre, ısının mekanik enerjiye ve ya mekanik enerji yoluyla elektrik enerjisine dönüşümü sırasında yaklaşık % 60 oranında kayıplar oluşmakta ve genellikle su soğutmalı olarak akarsulara veya soğutma

ELEKTRİK MOHENDİSSlJfİt 9RQ.97n

bacaları ile çevreye atılmaktadır (Şekil 1 ). Bu atık ısının uygun buhar koşullarında, buhar türbininden (ara ısı al ma türbini) veya türbin çıkışından sonra (geri basınç tür bini) buhar alınması ilkelerine göre yararlı hale getirilme si ile kayıpların % 15 dolaylarına kadar düşürülmesi ola nağı enerji tutumluluğunda önemli bir adım sayılmakta dır (Şekil 2 ).

a

1. a) Kondanse türbin b

1. c) Geri basınç türbini

<f>b : Y A K I T ISI G İ RDİ Sİ 4>ab : A TI K ISI <t>h : ISI ÇI K TI SI L : KAY IPLAR Pe) : ELEKTRİK ÇIKTISI

ŞEKİL 1. SANKEY ÇİZGELERİ

1. b) Ara buhar alma türbini F.T.RKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 269 270

2. a) Geri basınç türbini 499

(1+

olacaktır. Buradan görüldüğü gibi elektrik çıktısına göre daha yüksek olan ısı çıktıları teknik verimin artmasına neden olacak; bir başka deyimle ısı çıktısının kullanılma sı ile termik verim artacaktır.

2 b) Ara basınç alma türbini

to : Çevre sıcaklığı

S

t ' : Gidiş sıcaklığı

T

t " : Dönüş sıcaklığı

H

C : Soğuk su kondansörü V

R,,R : Kelebek vana

R

: Buhar Generatörii : Türbin : Isıtıcı Kondansör : Taze buhar vanası

: Governor

Kondanse buhar türbinlerinde % 30 dolaylarında olan termik verim ısı çıktısının elektrik çıktısına oranının (0^/P) artması ile yükselmekte ve oranın 1,5 2 arasında ki değerlerinde % 80 dolaylarında bir verim sağlanabil mektedir.

Y akıt tutumluluğunun ötesinde ayrıca:

— çevre kirlenmesi azaltılacak, — yaşam düzeyi olumlu etkilenecek, — ekonomik yönden yarar getirilecektir.

ŞEKİL 2 GERİ BASINÇ VE ARA BASINÇ ALMA TÜRBİNLERİ

Bir merkezsel ısıtma santralında yakıt ısıya dönüşmekte ve yakıtın ancak % 60 701 yararlı hale geçebilmekte; % 30 40'ı ise kaybolmaktadır.

4. TÜRKİYE'NİN UZUN DÖNEM ELEKTRİK ENERJİSİ GEREKSİNMESİNİN KARŞILANMASI VE BİLEŞİK ISI ELEKTRİK SANTRALLARININ SAĞLAYACAĞI YARAR

Bir elektrik santralında ise yakıt ısıya, ısı mekanik ener jiye ve mekanik enerji de elektrik enerjisine dönüşmekte; yakıt verimi genellikle % 30 40 arasında değişmektedir. Y akıtın orijinal enerjisinin % 60 70'i ise çevreye (su veya hava) atılmaktadır.

Brüt termik verim

Pel TJ= • +

Ülkemizin elektrik enerjisi istemi, ekonomik yapının ta rımdan endüstriye kaymasına ve gittikçe yükselen yaşam düzeyine paralel olarak hızla artmaktadır. 1978 yılında 3700 MW ve 22 milyar kWh olan istemin

4. Plan Döneminde % 14,4 5. Plan Döneminde % 9,5 6. Plan Döneminde % 8,0 7. Plan Döneminde % 6,7

olarak tanımlanabilir.

artış hızlarıyla 1990'ların sonunda 200 milyar kVVh'e ula şacağı tahmin edilmektedir.

Burada Pe( : Elektrik çıktısı 4> fa : Isı çıktısı 0 h : Buhar generatörüne ısı girdisidir.

1983 2000 döneminde elektrik enerjisi istemini en iyi (optimum) ve güvenilir bir şekilde karşılayacak üretim tesislerinin planlamasında, dışa bağımlılığın azaltılması, özellikle hidrolik ve fosil yakıtları gibi özkaynaklarımıza dayalı elektrik enerjisi üretiminin "en düşük maliyetlerle sağlanması" ilkeleri ile koşullandırılmış "Doğrusal Prog ramlama" yöntemi kullanılmıştır.

Elektriksel verim ise

rel veya

Bu değer termik verim formülünde kullanılırsa

Matematiksel modellere geçmeden önce tüm hidrolik ve fosil yakıt potansiyelimiz elektrik enerjisi yönünden de ğerlendirilmiştir.

Hidrolik potansiyelimiz 26 havzada gruplandırılmakta olup toplam 26016 MW ve 100.5 milyar kWh/yıl ekono mik bir potansiyel oluşturmaktadır.

F.T.F.VTBtV A4iYtıv*rr\tcı

Katı fosil yakıt potansiyelimiz ise linyitler ile bitümlü şistler olarak sınıflandırılmakta ve uzun dönemde kurul mak üzere 4 1 0 0 MVV'lık ek bir linyit kapasitesi ve 8 5 0 MVV'lık bir bitümlü şist kapasitesinin eklenme olanağı vardır.

Termik olanak olarak nükleer ve akaryakıt seçenekleri

de gözönüne alınmış; ancak Doğrusal Programlama Mo delimiz 1986 yılında işletmeye girmesi öngörülen 6 0 0 MVV'lık ilk nükleer birimin dışında 1992'ye kadar nükleer birim seçeneğini almamış; 1992 1997 yılları arasında yaklaşık 5 0 0 0 MVV'lık ek nükleer kapasitenin kurulma sını öngörmüştür. Sonuçlar özel olarak Çizelge 1'de be şer yıllık dönemler halinde verilmektedir.

ÇİZELGE 1 1983 1997 Dönemi Elektrik Enerjisi Gereksinmesinin Karşılanması

Tüketim

Hidrolik Üretim Termik Üretim

MW GVVH

7.960 44.600

4.814 19.636 5.842 34.604

12.560 70.400 8.284 31.486 8.648 49.019

20.870 117.000 17.156 57.134 12.448 73.710

32.620 182.900 26.000 100.000

15.000 90.000

Bu incelemeye göre elektrik enerjisi üretiminin kullanıla bilecek Ulusal Enerji Kaynaklarımızın yıllara göre kulla nılma oranları Çizelge 2'de özetlenmektedir.

Y apılan bu incelemenin en önemli sonucu, elektrik ener jisine çevrilebilecek, bilinen birincil enerji potansiyelimi zin 1990'ların sonuna doğru tükeneceğinin belirlenmesi dir. 1983 1992 döneminde işletmede olacak katı fosil yakıt santrallarının yakıt miktarları ton ve taşkömürü eş değeri (TKE) olarak Çizelge 3'de; 1983 1992 döneminde işletmeye girecek katı fosil yakıt miktarları Çizelge 4'de verilmektedir. Bu çizelgelerden yararlanarak 1983 1992 döneminde işletmeye girecek katı fosil yakıt santralları mızın bileşik ısı elektrik santralları şeklinde kurulmasıyla yakıt yararlarının ne olabileceği üzerinde bir irdeleme ya pılabilir (Çizelge 5 ).

ÇİZELGE 2 Elektrik Enerjisi Üretebilecek Ulusal Enerji Kaynaklarının Y ıllara Göre Kullanılma Oranları

Katı Fosil Y akıt Potansiyeli

Hidroelektrik Potansiyeli

1982 1987 1992 1997

40,1 58,9 73,2 100,0

16,8 37,6 78,0 100,0.

ÇİZELGE 3 Linyit Santrallarının Y akıt Gereksinmesi (1983 1992)

Y akıt

Linyit TKE

(Mil. Ton) (Mil. Ton)

38,2 40,5 43,5 48,6 5 6 3 61,2 67,9 76,0 79,6 80,0

9,9 10,7 11,9 13,0 14,2 15,0 16,2 18,1 18,9 19,0

ÇİZELGE 4 1983 1992 Döneminde İşletmeye Girecek Linyit Santrallannın Yakıt Gereksinmesi (1983 1992)

LİNYİT

1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 2,3 5,3 10,4 18,1 23,0 29,7 37,8 41,4 41,8 0,8 2,0 3,1 4,3 5,1 6,3 8,2 9,0 9,1

NOT: 1983 yılında işletmeye girecek linyit santralı öngörülmemektedir.

ÇİZELGE 5 1983 1992 Döneminde işletmeye Girecek Linyit Santrallannın Bileşik Isı Elektrik

Santralları Olması Halinde Sağlanacak Yakıt Yararı

Y AKIT Y ARARI

0,7 1,6 3,1 5,4 6,9 8,9 11,3 12,4 12,5

0,2

0,6

0,9

1,3

1,5

1,9

2,5

Buna göre yakıtta % 60 verim alınması varsayımı ile 1983 1992 döneminde işletmeye girmesi öngörülen lin yit santrallarında sağlanacak yakıt yararı on yılı kapsa yan 1983 1992 döneminde toplam 62.8 milyon ton lin yit veya toplam 14.3 milyon ton taşkömürü eşdeğeri ola caktır.

1980 1982 yıllarında işletmeye girmesi öngörülen Elbis tan A 1 4 , Soma B 1 2, Yatağan 1 2, Çayırhan 1 2, Kan gal 1 2, Çan 1 3, Orhaneli ve Yeni Çatalağzı B Santralları ısıtma veya endüstri buharı amacıyla bileşik ısı elektrik santralları şeklinde kurulacak şekilde planlanmış olsaydı bu değer 13 yılı kapsayan 1980 1992 döneminde 130 milyon ton yakıt yararına çıkabilecekti ki oldukça önemli ölçüde ısıtma veya endüstri buharı sağlayacaktı. Salt ısıtma olarak düşünülürse bu değer yaklaşık olarak yılda 7,5 milyon kişilik bir bölgenin ısıtılması anlamına gelmektedir.

5. SONUÇ

Yeryüzünün bilinen enerji kaynaklarının, hızla artan enerji istemini, yakın bir gelecekte artık karşılayamaya

cağı gerçeği tüm dünya ülkeleri için olduğu gibi ülkemiz için de yaşamsal bir sorundur. Genel enerji yönünden ya pılan çalışmalar, bilinen birincil kaynaklarımızın 1978 1992 yılları arasında ortalama % 8 oranında bir istem ar tışına yeterli olamayacağı gerçeğini ortaya koymuştur.

Elektrik enerjisi gereksinmemizin karşılanması için 2000 yılına kadar yapılan incelemeler ise, ulusal birincil enerji potansiyelimizin 1990'ların sonuna doğru tükeneceğini açıklamaktadır. Kovansiyonel olmayan enerji kaynakla rının kullanılmasının ise teknolojik gelişmeler için zama na gereksinmeleri vardır.

Enerji sorunları için sürdürülen çalışmaların yalnızca enerji kaynaklarının kısıtlı kullanılmaları veya yeni ener ji türlerinin bulunup geliştirilmesi gibi dar anlamla düşü nülmemesi; enerji savurganlığının önlenmesi ve birincil enerji kullanımındaki verimliliği artıran teknolojik geliş melerin de gözönüne alınması gerekir. Bu nedenle gerek katı fosil yakıt santrallarımız ve gerek nükleer üniteleri mizin tasarımında yalnız "enerji amaçlı" davranmayıp; enerji tutumluluğuna, ekonomimize, sosyal yaşantımıza ve çevre sorunlarına olumlu etkileri olacak bileşik ısı

elektrik üretimleri gözönüne alınmalıdır. Ancak, ekono mi, yakıt, çevre ve sosyal koşullar üzerinde önemli ve olumlu etkileri olan bu tür tümleşik tesislerin başarılı bir şekilde kurulup işletilebilmesi için uygulamada engelle rin ve sorunların çözümlenmesi gerekmektedir.

(4) Schulte, H.; 'The Combined Generation of Heat and Electricity As a Means of Saving Primary Energy", 10. Dünya Enerji Konferansı, 1977.

örneğin, bu tür uygulamada.ısı, (merkezsel ısıtma ve/ veya endüstri buharı olarak) ve elektrik enerjisi isteminin karşılanmasında ekonomik ölçütlerden uzaklaşılmaması gerekir. Bir bileşik ısı elektrik santralının optimizasyo nunda, birincil enerji fiyatı, buhar koşulları, yararlanılan buhar miktarı, çalışma süresi, özgül ısı ve güç istemleri, yedek ısı kapasitesi, türbin verimi, santralın büyüklüğü ve tipi, kWh/Kcal. değeri ve ısı iletim dağıtım sisteminin uzunluğu önemli öğeler olmakta; ısı ve elektrik tarifesini etkilemektedir. Bu öğelerin oluşturacağı koşullar genel likle teknik ve ekonomik kaynaklı olmakta ve her ülke için kendine özgü engeller oluşturmaktadır. Ayrıca bu tür tümleşik tesislerin yüksek kapital maliyetleri gerektir mesi de bazı finansman zorluklarına neden olmaktadır.

Bir diğer engel de kurumsal açıdan düşünülebilir. Bileşik ısı elektrik santrallarının kurulması ve işletilmesi elektrik kurumlan ile merkezsel ısı kurumları veya belediyelere bağlı kuruluşlar arasında tam bir işbirliğini ve belki de ortak kurumların oluşturulmasını gerektirmektedir.

(5) Almquist, P., S. Groop; "Nuclear Power Plants for Combined Production of Electricity", 10. Dünya Enerji Konferansı, 1977.

(6) Nikkamen, A., M. Seppa; "Plans for the Combined Nuclear District and Electricity Production Concer ning The Helsinki Metropolitan Area", IAEA, 1974.

(7) Mikola, J.; ' The Use of a Computar in Energy Division Calculations for the Long Term Optimisa tion of Combined Electricity and District Heat Supply"

(8) Haase, M.; "Influence of the Combination of Power and Heat Generation on Power Plant Technology" Combustion, Ağustos 1978.

(9) "Combined Heat and Power is core of Romanian Policy"; Energy International, Şubat 1977.

Y akıtın en yüksek verimde kullanılması yöntemlerinden biri olan bileşik ısı elektrik santrallarının ülkemiz gerçek leri, engelleri ve ekonomisi yönünden incelenerek zaman geçirmeden, özellikle bundan sonra ele alınacak santral lar için uygulanmasına özen gösterilmelidir.

Ayrıca, birçok ülkede mevcut termik santrallarda bazı değişiklikler yapılarak türbin tipi değiştirilerek tümleşik tesis kurma olanakları incelenmekte ve uygulamaya ge çilmektedir. Bu durumun da özenle incelenmesi gerek mektedir.

(10)Schwarzenbac, A.; "Economical Design of District Heating Power Plants", Brown Boweri Review, Eylül 1977.

(11)Mühlhauser, H.; "Steam Turbines in Conventional Combined District Heating and Power Stations", Brown Boweri Review, Eylül 1977.

(1 2) Kıcıman, S.; "Bileşik Isı Elektrik Santralları ve Elektrik Enerjisi Planlamasındaki Y eri" , MMO Bi limsel ve Teknik Kongresi, 1977.

KAYNAKLAR (1) Anderson, D.; "Models for Dctermsf.; s teast Cost Investments in Electricity Supply", Beli journai of Economics and Management Scienr.î, CÜ*. ;. Nw.î 1972.

(2) Kelly, P.; ' The International Energy Agency's Experience with Energy Conservation", 10. Dünya Enerji Konferansı, 1977.

(3) Manescu, N., N. Armencoiu, C. Dinculesu, N. Vasilescu, D. Rentea; "Achievements and Prospects of Combined Heat and Power Production in Romanla", 10. Dünya Enerji Konferansı, 1977.

(1 3) Kıcıman, S.; "Bileşik Isı Elektrik Santralları ve Ener ji Tutumluluğu", 3. Genel Enerji Kongresi, Ankara 1978.

(14)Kıcıman, S.; "Combination of Heat and Power Generation and Energy Saving", ECE Seminar on the Combined Production of Electric Power and Heat CECE/SEM 2/R.21, Hamburg, 1978.

(1 5 )Lind, C.E.; "Obstacles to Increased Combined Heat and Power Production", ECE Seminar on the Com bined Production of Electric Power and Heat (ECE/ Sem 2/R.4).

(1 6 ) Kıcıman, S.; "Combined Heat and Power Genera tion and Energy Saving", Second Total Energy Congress, Kopenhag, 1979.