Ünite 4: Hidroelektrik Enerji Santralleri

Hidroelektrik Enerji Santralleri

Dünyada kullanılan toplam elektriğin %24’ü hidroelektrik santralleri tarafından üretilir. Kurulu güçleri toplamı 675.000 MW’a ulaşan yeryüzündeki nu santraller 3.6 milyar varil petrole eş enerji üretir.

Hidroelektrik santraller tarafından üretilen enerji miktarını, suyun akış veya düşüş hızı belirler. Az yağışın olduğu bir sezonda baraj gölünde biriken su, santrali tam kapasite ile çalıştırmaya yetmez. Aşırı yağışların olduğu yıllarda ise gelen su miktarı barajın depolama kapasitesini aşar. Bu durumda ise fazla su elektrik üretiminde kullanılmadan nehir yatağına verilerek tahliye edilir.

Hidroelektrik Santrallerinin Yapısı

HES, bir akarsuyun enerjisini, elektrik enerjisine çevirmeye yarayan yapılardır. Barajlar elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışırlar. Yani bir telin içinden geçen manyetik akımın değişmesiyle o tel üzerinde akım oluşur. Barajlarda tellerde bir yerine binlerce sarım vardır ve çevirme gücü su değirmenlerine benzeyen bir mekanizma ile türbinlerden akan su sağlar. Akan su türbinleri çevirir ve türbinler şaftı döndürür, şaft jeneratör içerisindeki armatürü çevirir ve oluşan enerji ile şehir şebekelerinin elektriği karşılanır.

Suyun göl, deniz, okyanus gibi depolama alanlarından atmosfere, atmosferden tekrar yeryüzüne ve yeniden göl, deniz ve okyanuslara ulaşması şeklinde tamamlanan turlara ‘hidrolojik döngü’ adı verilir.

Temel Kavramlar

Hidroelektrik santral tesisleri, suyun hidrolik akım enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek amacı ile kurulan tesislerdir. Bizi ilgilendiren temel kavramlar ise;

Debi: Bir akarsuyun herhangi bir kesitinden birim zamanda geçen su miktarıdır.

Hidrolik Düşü: Hidroelektrik santralde üst su seviyesi ile çıkış su seviyesi arasındaki yükseklik farkıdır. Genellikle h gösterilir.

Brüt Hidrolik Düşü: brüt hidrolik düşüden sürtünme kayıplarının çıkartılması ile bulunur.

Brüt Potansiyel: Bir akarsu havzasının hidroelektrik enerji üretiminin teorik üst sınırını gösteren brüt su kuvveti potansiyeli; mevcut düşü ve ortalama debinin oluşturduğu potansiyeli ifade etmektedir. Bu potansiyel ülkemiz için 433 milyar kWh civarındadır.

Teknik Potansiyel: Teknik yönden değerlendirilebilir su kuvveti potansiyeli; bir akarsu havzasının hidroelektrik enerji üretiminin teknolojik üst sınırını göstermektedir. Teknik potansiyel ülkemizde 216 milyar kWh’dır.

Ekonomik Potansiyel: Ekonomik olarak yararlanılabilir hidroelektrik potansiyel, bir akarsu havzasının hidroelektrik enerji üretiminin ekonomik optimizasyonun sınır değerini gösteren tüm projelerin toplam üretimidir.

Güç: Mevcut su debisinin net hidrolik düşü sonucunda türbin rotoruna verdiği güç miktarıdır.

• Mikro HES’ler < 100 kW
• Mini HES’ler 100 - 1000 kW
• Midi HES’ler 1000 - 10000 kW
• Maksi HES’ler > 10000 kW

Dip Savak: baraj gölünün suyunu gerekmesi halinde nehir yatağına deşarj etmeye yarayan tesislerdir.

Dolu Savak Tesisler: Aşırı yağışlı dönemlerde baraj gölü maksimum seviyesine kadar dolduğunda, baraj gövdesinin zarar görmemesi için fazla gelen suların nehir yatağına atılmasını sağlayan tesislerdir.

Türbin: Bir hidroelektrik santralinde kullanılan türbin tipinin belirlenmesinde, türbini döndürecek olan suyun basıncı ile debisi etkili olur. Türbinlerde duran kısma salyangoz, dönen kısma ise rotor denir. Büyük bir disk ve eğimli pervanelerden oluşan Francis türbini en yaygın hidroelektrik türbinidir.

Jeneratör: Herhangi bir türünü elektrik enerjisine çeviren makinedir. Bu cihazlara bataryalar, fotoelektrik hücreleri ve termoelektrik jeneratörler de dahildir. Bir çok santralde birden fazla jeneratör bulunur.

Transformatör: Gerilimi yükseltme ya da alçaltma için kullanılırlar. Ana gövde, soğutma sistemi, yangın sistemi ve koruma sistemi bölümlerinden oluşur.

Şalt Tesisleri: Transformatörler, elektrik devre kesicileri, ayırıcılar gibi donanımların montajının yapıldığı yerdir.

Güç Hattı: santralde üretilen elektriği ana şebekeye veren iletim hattıdır. Her santralden dört hat çıkışı vardır. Bunların üçü faz geri kalanı ise topraktır.

Hidroelektrik Santral Tipleri

Yenilenebilir bir kaynak olarak su enerjisinin doğada farklı şekilleri vardır. Bu yüzden hidroelektrik santraller, tesislerin kurulacağı yerin topografik durumuna göre farklı şekillerde kurulabilir. Bu santraller ana hatlarıyla şöyle sıralanabilir.

Depolamalı Santraller

Bu tip santraller baraj gölleri çeşidine göre ikiye ayrılır.

Yapay Baraj Göllü Santraller: bu santraller, yılın değişik zamanlarında su rejiminin değişiklik gösterdiği akarsulardan ihtiyaç duyulan enerjinin karşılanabilmesi amacıyla akarsuyun önüne bir set yapılarak suyun depolandığı tesislerdir.

Doğal Baraj Göllü Santraller: bu tip santrallerde baraj gölünü besleyen akarsuların özellikleri göz önüne alınır ve sudan azami istifade için baraj gölünden daha aşağı bir kotta santral kurulur.

Depolamasız Santraller

Bu santraller de nehir tipi ve gelgit tipi santraller olmak üzere ikiye ayrılır.

Nehir Tipi Santraller: Bu tip santraller genellikle düzgün rejimli ve bol suyu olan nehir yatakları üzerine kurulurlar. Düşüleri çok düşüktür. Santral barajla aynı beton blokta bulunur.

Gelgit Tipi Santraller: sahillerde deniz seviyesinin alçalıp yükselmesinden faydalanarak haznede su toplayıp düşü elde eden santral tipidir. Türbin ve jeneratör yatay olarak aynı boru içine monte edilir.

Düşü değerlerine göre HES’lerin türbin çeşitleri de değişmektedir. Buna göre küçük düşülü santrallerde Kaplan Tipi, orta düşülü santrallerde Francis Tipi ve yüksek düşülülerde de Pelton Tipi türbinler kullanılır.

Günümüzde enerji elde edilmek için kurulan barajlar da beş çeşide ayrılmaktadır:

Toprak Dolgu Barajlar

Bu tip santrallerde baraj gölünü besleyen akarsu rejimi düzensizdir. Baraj gölüne su genellikle ilkbahar ve sonbaharda yoğun olarak gelir ve gelen su depolanır. Genellikle geniş vadeli nehir havzalarında tercih edilir. suyun basıncı barajın toplam ağırlığı sayesinde dengelenir. Örnek olarak Hirfanlı, Almus ve Keban Barajı verilebilir.

Beton Ağırlıklı Barajlar

Çok sağlam zemin üzerine inşa edilirler. Gövde içerisinde kontrol galerileri ve drenaj kanalları bulunur. Bu tip barajlarda suyun tüm yükünü betonun ağırlığı karşılar. Sarıyer ve Kemer Barajları bu tip santrallerdendir.

Kemer Tipi Barajlar

Bu tip barajlar ince ve narin bir yapıya sahip olmasına rağmen oldukça dayanıklıdır. Yarım ay şeklinde inşa edilirler. Böylece suyun yapmış olduğu basınç hem yan taraftaki dağ yamaçlarına hem de zemine verildiğinden gövdeye gelen toplam basınç azalır. Gökçekaya Barajı tam kemer, Oymapınar Barajı ise yarım kemer tipindeki barajlarımızdır.

Kemer Tipi Beton Ağırlıklı Barajlar

Bu tip barajlar kemer tipi ve beton ağırlıklı bir barajın aynı anda inşa edilmesiyle elde edilir. Santral ve güç trafoları bu beton ağırlıklı baraj gövdesi içinde yapılmıştır.

Çok Kemerli Barajlar

Çok kemerli barajlar ise çok geniş vadiler üzerinde kurulur. Yan yana yeterli bir sayıda normal tip kemer barajın inşa edilmesiyle elde edilir. Ülkemizde bu şekilde inşa edilmiş çok kemerli baraj yoktur.

Hidroelektrik Türbin Tipleri

Hidrolik türbinler, işletme tipine, imalat şekline, hidrolik düşü ve su akımının rotordaki yönüne bağlı olarak sınıflandırılır. Ancak türbinler genel olarak üst basınçlı ve serbest püskürtmeli olmak üzere ikiye ayrılır.

Üst Basınç Türbinleri

Bu tip türbinlerde, türbin rotor kanatlarının arasında suyun giriş basıncında bir düşme meydana gelir. Bu düşme suyun ivmelenmesini sağlar ve hızlanan su türbin çarkını döndürmeye başlar. Böylece suyun kinetik enerjisi mekanik enerjiye dönüşür.

Bu tip türbinler oldukça fazla miktarda suya gereksinim duyar. Üst basınç türbinleri grubuna Francis ile Kaplan tipi hidrolik türbinler girmektedir.

Francis Tipi Türbinler: ilk defa 1838 yılında Howd tarafından keşfedilmiş ve 1848 yılında Francis tarafından geliştirilerek denemiştir. Bu türbinlerde su, ilerlerken basıncı değiştirir ve enerjisini kanatlara verir. Türbin yüksek basınçlı su girişli ve düşük basınçlı su çıkışı arasında bulunur. Genellikle barajların temellerine oturtturulurlar.

Kaplan Tipi Hidrolik Türbinler: 1912 yılında Viktor Kaplan tarafından geliştirilmiştir. Rotor kanatları sabit olan ve ayarlanabilen olmak üzere iki çeşide sahiptir. Düşük düşü ve yüksek akış koşullarında kullanılırlar. Yüksek kapasitelerde enerji üretimi için uygundur.

Serbest Püskürtmeli Türbinler

Bu türbinler 1880 yılında Pelton tarafından tasarlanmış ve günümüze kadar gelişerek devam etmiştir. Çok yüksek hidrolik düşüler ve küçük su debileri için tasarlanmıştır. Türbin çarkı üzerindeki kanatlara su jetinin çarparak su hızının değişmesi sonucu türbinin dönmesi sağlanır. Daralan bir boru sisteminden geçirilerek suya hız kazandırılır ve su jeti oluşturulur. Su jetinin kanallara çarpması sonucu kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşür.

Güç arttıkça bu tip türbinlerin çarkının çapı büyür ve türbin yavaş döner. Eğer çarkın çapı ve düşük hızı sorun olmazsa bu türbinler rahatlıkla alçak düşülerde de kullanılabilirler.

Suyun Enerjisi

Tasarım Düşüsü: Baraj gölünün ağırlıklı ortalama işletme seviyesi ile santraldeki bütün türbinler %100 ayar kanadı açıklıkları ile çalışmakta iken oluşan santral çıkış su seviyesi arasındaki kot farkından, su yollarındaki bütün hidrolik kayıplar çıktıktan sonra kalan net düşüdür.

Özellikle depolamalı HES’lere ait baraj göllerinin su seviyeleri mevsimlere göre değişiklikler gösterir. Bu duruma bağlı olarak da se seviyeleri mevsimlere göre artar veya azalır. Bu yüzden bu tesislerde kullanılacak türbinler için tasarım düşüsünün seçilmesi yüksek verim elde edilebilmesi açısından büyük önem taşımaktadır.

1 kWh enerji üretmek için harcanan su miktarına özgül su sarfiyatı denir.

Bir Hidroelektrik Santrali Planlama Aşamaları

Ülkemizde Haziran 2009 itibarıyla işletmeye açılmış 191 adet HES tesisi bulunmaktadır. Bu tesislerden 106 tanesi EUAS tarafından işletilmektedir. Yap-İşlet-Devret kapsamında 18 adet bulunmakta ve geri kalanı da özel sektörlerce işletilmektedir.

Elektrik enerjisi üretme amacıyla yapılan HES tesisi çalışmaları genellikle dört aşamada gerçekleştirilmektedir.

Ön İnceleme (İstikşaf) Çalışmaları

İlk aşama adı altında yapılan bu evrede elde edilen bilgiler, genel bir nitelik taşır ve bir sonraki çalışma evresi için bir temel oluşturur. Yörenin düşünülen yapıya uygun olup olmadığının, ayrıntılı araştırmaya girilip girilmemesinin karar verildiği evre olduğu için önemli bir aşamadır. Bu inceleme sırasında, yapıyı ilgilendiren tüm sorunlar değerlendirilir. Olumsuzluk durumunun ortaya çıkarılması sağlanabilir ve böylece gereksiz harcamalardan kaçınılmış olunur.

İstikşaf çalışmaları; ön çalışmalar, arazi çalışmaları ve arazi dönüşü çalışmaları olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilir. Ön çalışmalarda yöreye ilişkin ne kadar doküman sağlanırsa yapılacak ön değerlendirmeler o kadar sağlıklı olur. Arazi çalışmaları; ön çalışmalar aşamasında yapılan değerlendirmelerin arazide denetlenmesiyle başlar. Gerekli düzeltmeler yapılı ve yeni olgular kaydedilir.

Master Plan Çalışmaları

Ön inceleme çalışmalarını takip eden bu aşama, genellikle planlama çalışmaları olmaktadır. Ancak büyük olasılıkla ileride yeni donelerin ışığı altında revizyona ihtiyaç duyulacağından, bir bakıma gereksiz görülmektedir.

Bu planda teklif edilen projelerin ayrıca planlama aşamasında da etüt edilmesi gerekmektedir. Done ve etüt imkanlarının yeterli düzeyde olması halinde ön inceleme çalışmalarına gerek görülmeden master plan aşamasında çalışmalar yapılabilir.

Planlama (Fizibilite-Yapılabilirlik) Çalışmaları

Bu çalışmalar uzun bir süreci kapsamaktadır. Temini zor ve pahalı meteorolojik, hidrolojik, topografik ve çok yönlü istatistiki bilgiyi içeren sistematik veri toplama faaliyetleri ile mühendislik disiplinlerine dayanan etüt faaliyetlerine dayalı olarak gerçekleştirilen çalışmalardır. Bu çalışmalar sonucunda projenin teknik, ekonomik ve mali yapılabilirliği ortaya konur.

Kesin Proje Çalışmaları

Yapılabilirlik çalışmaları sonucunda belirlenmiş olan tip ve boyutlara göre; baraj, regülatör ve ilgili yardımcı yapıların hesapları yapılan aşamadır. Ayrıca santralin gerekli statik, betonarme, hidrolik ve diğer hesaplarının yapılmasına ilişkin rapor ile inşaat ve imalat yapılmasına esas detaylı proje çizimlerinin ve inşaat yapım kriterlerine ait teknik şartnameler ve proje çizimleri adı altında toplanmakta olup inşaat ihalesi bu dokümanlara göre yapılmaktadır.

Bunlara ek olarak, projelerin gerçekleşmesi için gerekli olabilecek kredinin sağlanması amacıyla kredi aplikasyon raporu hazırlanmaktadır. Kesin projeler için çalışma süresi genellikle 2-3 yıldır

Ülkemizdeki Hidroelektrik Santraller

Ülkemizde enerji arzının önemli bir bölümü HES’ler ile sağlanmaktadır. HES’lerde enerji üretimi yağış koşullarıyla doğrudan orantılıdır. 2009 Aralık ayı verilerine göre ülkemizde işletmede bulunan 47 HES’in toplam kurulu gücü 11180 MW civarındadır. Bu miktar üretilebilir potansiyelin yaklaşık %40’ına denk gelmektedir. Böylece 2009 yılında üretilen elektriğin yaklaşık %19’u HES’lerden karşılanmıştır. Ancak son yıllardaki yağış azlığı nedeniyle bu miktar gittikçe azalmıştır.

Ülkemizin elektrik üretiminde yaşadığı sorun; doğalgazı kendi enerji kaynaklarımızdan önce kullanarak sınırlı olan mali olanaklarımızı yurtdışına aktarışımızdan kaynaklanmaktadır. Bu sorunu gidermek amacıyla Cumhuriyetimizin yüzüncü yılını kutlayacağımız 2023’de HES potansiyellerinin tamamının devreye sokulması için yoğun çaba sarf edilmektedir.