Farklı iklim şartlarındaki jeotermal santrallerin soğutma sisteminin optimizasyonu

Abstract

Modern dünyada elektrik enerjisi, gıda, barınma, sağlık gibi en temel ihtiyaçlardan birisi haline gelmiştir. Elektrik enerjisi evlerden sanayiye tüm alanlarda ve sağlıktan ulaşıma tüm sektörler için yaşamsal önem taşımaktadır. Bu enerjinin önemli bir kısmı hala fosil yakıtlı konvansiyonel elektrik santralleri ile üretilmektedir. İklim değişikliğine negatif etkileri nedeniyle söz konusu santraller yavaş yavaş kullanımdan çıkarılmaktadır. Almanya gibi bazı gelişmiş ülkeler ileride bu santralleri tamamen kapatacaklarını açıklamaktadırlar. Nükleer enerji konusundaki atıkların depolanması ve güvenlik endişeleri, nükleer santrallerin yaygınlaşmasında soru işaretleri oluşturmaktadır. Bununla birlikte, nükleer enerji sera gazları yaymadan elektrik üretimi yapabilen önemli bir alternatiftir. Son yıllarda ise rüzgar, jeotermal, güneş, biyokütle gibi yenilenebilir enerji kaynakları daha önemli hale gelmiştir. Jeotermal enerji de dünya genelinde yaygın olarak kullanılan yenilenebilir kaynaklarından biridir. Jeotermal enerjinin diğer yenilenebilir enerji çeşitlerine göre önemli avantajları vardır. Jeotermal kaynaklardan kesintisiz, sürekli, sürdürülebilir ve meteorolojik koşullara bağlı olmadan, güvenilir enerji elde edilebilir. Diğer yenilenebilir kaynaklardan enerji üretimi jeotermale göre daha kısıtlı olabilmektedir. Jeotermal santrallerde su ve hava soğutmalı sistemler soğutma işlemi için kullanılabilmektedir. Yaygın olarak enerji üretiminde kullanılan binary tip santrallerde, ağırlıklı olarak hava soğutmalı sistemler kullanılmaktadır. Bu nedenle bu tip jeotermal santrallerde soğutma akışkanı olarak havanın kullanıldığı kuru soğutma sistemleri tercih edilmektedir. Kuru soğutma sistemleri su tüketmezler. Bununla birlikte kuru soğutma sistemlerinin uygulandığı santrallerin sıcak günlerde performansları önemli ölçüde düşer. Bir miktar suyun kullanıldığı ıslak soğutma sistemlerinin kuru soğutma bileşenlerine eklenmesi ile hibrit soğutma sistemleri oluşturulabilir. Hibrit soğutma sistemleri tamamen ıslak soğutma sistemlerine göre daha az su harcarlar ve santral performansı daha yüksektir. Bu sistemler sayesinde sıcaklığın yüksek olduğu günlerde daha az soğutma suyu harcanarak santralin üretim kapasitesi artar. Bu çalışmada farklı hibrit soğutma sistemi seçenekleri değerlendirilmiştir. Bu amaçla bir analiz metodu geliştirilmiştir. Çalışmada ortaya çıkarılan metod ile jeotermal santralde sıcak havalarda düşen performansı iyileştirmek için kullanılan sistemlerin ekonomik analizi gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca bu sistemlerin kullandığı su miktarları da hesaplanabilmektedir. Çalışmada geliştirilen analiz metodunun adımları takip edilerek gerçek bir jeotermal santralin verileri ile bilgisayar ortamında jeotermal santral ve hibrit soğutma sistem modelleri Ebsilon Professional programında hazırlanmış, ardından matematiksel modelleme ile analiz için kullanılan denklemler türetilmiştir. Denklemlerde iklim verileri yerlerine konarak hesaplama yapılabilir. Çalışmada, kuru hava termometre sıcaklığı ve bağıl nem, denklemlerde değişken olarak kullanılan iklim değerleridir. Analizin yapılacağı bölgede bulunan yerel meteoroloji istasyonundan alınan değerler geliştirilen denklemlerde yerlerine konularak hesaplamalar yapılabilir. Böylece çalışmada üretilen denklemler ile farklı iklimlerde çalışan santrallerin analizlerinin yapılması imkanı olmaktadır. Analizlerde kullanılan iklim verileri için istenilen zaman aralığı kullanılabilir. Zaman dilimi küçüldükçe, hesaplamalardaki hata oranı azalır. Çalışmada saatlik veriler kullanılmıştır. Ebsilon Professional programı, ticari bir profesyonel termodinamik dizayn ve analiz yazılımıdır. Çalışmada, jeotermal santralin referans modeli, tamamen ıslak soğutma yapılan model, ilave kuru soğutma yapılan model ve üç farklı hibrit soğutma sistemi modelleri kurulmuştur. Hazırlanan hibrit soğutma modelleri şunlardır: hava soğutmalı kondenser giriş havası sıcaklığının evaporatif soğutma tekniği ile düşürüldüğü model, ıslak ve kuru soğutma sektörlerinin entegre edildiği hibrit kulenin kullanıldığı model ve ıslak ve kuru soğutma sistemlerinin seri olarak bağlandığı hibrit soğutma sistem modeli. Modellerin güç üretim ve su tüketim karakteristik özellikleri bulunmuştur. Bu veriler kullanılarak matematiksel modelleme yapılmış ve her bir model için dış ortam ve bağıl nem değerlerine göre santralin ürettiği gücü ve harcanan su miktarının hesaplanabildiği denklemler geliştirilmiştir. Böylece farklı iklim şartlarında hibrit soğutma sistemlerinin gösterdiği performans ve bu sistemlerde tüketilen su miktarlarının hesaplanabildiği matematiksel modeller literatüre kazandırılmıştır. Hazırlanan modeller ile farklı iklimlerde bulunan santrallerin güç üretim ve su tüketim değerleri bulunabilir. Saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak hassas hesaplamalar yapılabilir. İncelenen santralin bulunduğu bölgenin su rezervleri dikkate alınarak hibrit soğutma sistemlerinin yıl içerisinde çalıştırılacağı zaman aralıkları belirlenebilir. Çalışmada sunulan modeller ile santral işletmecileri kendi koşullarına göre hibrit soğutma sistemlerini kıyaslayabilir. Bu çalışmada oluşturulan modeller kullanılarak Türkiye’de jeotermal sahaların ve üretim santrallerinin bulunduğu üç farklı bölgenin iklim koşulları göz önüne alınarak örnek vaka analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz için Aydın-Köşk, Kütahya-Simav ve Çanakkale-Ayvacık ilçeleri seçilmiştir. Örnek çalışma için faal jeotermal kuyuların bulunduğu yerlerden seçim yapılmıştır. Bu bölgelerde hâlihazırda üretim yapan jeotermal santraller bulunmaktadır. Ayrıca iklimleri birbirinden farklı olan bölgeler seçilmiştir. Aydın-Köşk sıcak ve nemli bir iklime sahip iken Kütahya-Simav daha soğuk ve kuru bir iklime sahiptir. Çanakkale-Ayvacık ise ılıman ve fazla nemli olmayan bir iklime sahiptir. Bu ilçelerdeki Meteoroloji Müdürlüğü yerel istasyon verilerinden elde edilen Mayıs-Eylül arası beş aylık zaman diliminin saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak tüm modeller için analizler gerçekleştirilmiştir. Bütün modeller için saatlik güç artışı ve su tüketim değerleri bulunmuş, toplam mali getiri hesaplanmıştır. Hibrit sistemlerin beş aylık çalışma getirisinin yıllık kazanca tekâbül ettiği varsayılmış ve her hibrit sistemin maliyeti göz önüne alınarak yatırım geri dönüş süreleri hesaplanmıştır. Hibrit kule sistemi kullanıldığında Köşk’te 623.651 $/yıl, Ayvacık’ta 496.829 $/yıl ve Simav’da 498.498 $/yıl kazanç elde edildiği hesaplanmıştır. Bu değerler brüt güç üretimi dikkate alınarak hesaplanmıştır. Santral iç ihtiyacı hesaplamaya dâhil edilip net güç üretimine göre analiz yapılırsa Köşk’te 443.525 $/yıl, Ayvacık’ta 326.527 $/yıl ve Simav’da 316.689 $/yıl getiri olacağı bulunmuştur. Hibrit kule çalıştırıldığında Köşk’te 317.802 ton/yıl, Ayvacık’ta 259.340 ton/yıl ve Simav’da 233.834 ton/yıl su harcandığı gözlenmiştir. Bu değerler tamamen ıslak soğutma sisteminde harcanan suyun sırasıyla %59,5; %51,1 ve %47,3’üdür. Bu sistemin yatırım geri dönüş süresi 12 yıldan fazla bulunduğu için ekonomik bir seçenek olmadığı değerlendirilmiştir. Hibrit soğutma sistemi modeli ile yapılan hesaplamalarda Köşk’te 551.595 $/yıl, Ayvacık’ta 491.485 $/yıl ve Simav’da 510.933 $/yıl kazanç elde edildiği, bununla birlikte sırası ile 247.101 ton/yıl, 226.506 ton/yıl ve 215.971 ton/yıl su harcandığı tespit edilmiştir. Buna göre hibrit sistem modeli ile kullanılacak su miktarının, tamamen ıslak soğutmalı sistemin tüketeceği su miktarının Köşk’te %46,28’i; Ayvacık’ta %44,6’sı ve Simav’da %43,69’u olduğu bulunmuştur. Santralin ürettiği net güç değerlerine göre yapılan analizde Köşk için 709.032 $/yıl, Ayvacık için 653.209 $/yıl ve Simav için 671.002 $/yıl kazanç hesaplanmıştır. Aynı zamanda hibrit soğutma sisteminin yatırım geri dönüş süreleri tüm bölgeler için yaklaşık 1,5 yıl olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç sistemin ekonomik olarak uygun bir tercih olduğunu göstermiştir. Evaporatif soğutma modeli ile yapılan hesaplamada Köşk’te 275.904,7 $/yıl, Ayvacık’ta 176.266,3 $/yıl ve Simav’da 170.545,2 $/yıl kazanç elde edilebileceği, bunun için sırası ile yıllık 260.919 ton, 197.826 ton ve 168.131 ton su harcandığı gözlenmiştir. Bulunan sonuçlar tamamen ıslak soğutma su tüketim değerlerinin %48,87’si, %38,96’sı ve %34,01’idir. Net güç üretimine göre Köşk’te 257.389 $/yıl, Ayvacık’ta 162.953 $/yıl ve Simav’da 155.442 $/yıl maddi getiri olduğu bulunmuştur. Evaporatif soğutma ile geri dönüş süreleri 2 ile 3,5 yıl arasında değişmektedir. Çıkan sonuçlar evaporatif soğutmanın yatırım yapılabilir bir sistem olduğunu ortaya koymuştur. Evaporatif soğutma pratik manada da uygulaması en kolay ve en ucuz hibrit soğutma sistemidir. xviii Çıkan sonuçlar en fazla kazancın hibrit kule kullanımı ile sağlandığı, bununla beraber bu sistemin yatırım geri dönüş süresi çok fazla olduğu için ekonomik bir tercih olmadığını ortaya koymuştur. Hibrit soğutma sistemi ile hibrit kule seçeneğine yakın getiri elde edilirken yatırım geri dönüş süresi 2 yıl gibi kısa bir süre olduğu bulunmuştur. Evaporatif soğutma sistemleri ile elde edilen kazancın diğer sistemlere göre kısıtlı kaldığı, bununla birlikte su tüketiminin daha az olduğu tespit edilmiştir. Bu sistemlerin geri dönüş sürelerinin yatırım yapmak için mâkul sürelerde olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar farklı iklim koşullarının jeotermal santrali performans ve su tüketim değerlerini önemli ölçüde etkilediğini, bu nedenle jeotermal santral ile ilgili hesaplamalarda santralin bulunduğu bölgenin iklim koşullarının mutlaka dikkate alınması gerektiğini ortaya koymuştur.