Ünite 7: Bileşik Isı ve Güç Üretimi, Otoprodüktör Uygulaması

Giriş

Dünya genelinde artan nüfus ve buna bağlı olarak artan enerji talebi nedeniyle fosil yakıtların rezervleri hızla tükenmektedir. Fosil yakıt rezervlerinin yoğun kullanımının bir sonucu olarak atmosferde yaşanan kirlilik son yüzyılın en önemli problemlerinden biri olmuştur. Bu nedenle günümüzde tek bir enerji kaynağından enerjinin iki farklı formu olan ısı ve elektriğin üretildiği bileşik ısıgüç veya kojenerasyon sistemleri, enerji politikalarında oldukça önemli bir yere gelmiştir. Anılan sistemler özellikle petrol rafineleri, petrokimya kompleksleri, kimya tesisleri, tekstil boyama tesisleri, kâğıt ve selüloz işletme tesisleri, ağaç işleme tesisleri, gıda üretim tesisleri, gübre tesisleri, tuğla ve seramik tesislerinde kullanılabilmektedir.

Bileşik Isı ve Güç Üretimi(Kojenerasyon)

Türkiye Dünya’nın en hızlı büyüyen güç pazarlarından biridir. Ülkemizin elektrik enerjisi talebi yıllı %7,7’lik bir artış göstermektedir. Öte yandan ülkemizin enerji kaynaklarının kısıtlı olması nedeniyle enerji üretiminde büyük miktarda dışa bağımlılık söz konusudur. Bu nedenle hem artan enerji talebin karşılanması hem de enerji kaynaklarının verimli kullanılması açısından bileşik ısı ve güç sistemleri(kojenerasyon sistemi) önemli bir rol üstlenmektedir.

Bileşik ısı ve güç (kojenerasyon) sistemleri, kömür, petrol, doğal gaz, bio kütle gibi birincil enerji kaynağından ısı ve güç elde edilen etkili bir enerji kullanım metodudur.

Bileşik ısı güç sisteminin temel özelliği birincil yakıttan elektrik ve ısının bütünleşik (entegre) biçimde elde edilmesidir. Bu sayede çevreye de önemli katkı sağlanmaktadır.

Konvansiyonel sistemlerde yakıtın yanması veya nükleer reaksiyon sonucu açığa çıkan enerjinin ancak %35-45 ‘lik bölümü elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Enerjinin geri kalan kısmı kazan bacasından atmosfere atılırken, diğer bir kısmı ise türbinde genişleyen buharın yoğuşturulması sırasında soğutma suyu yardımıyla atılır. Bileşik ısı ve güç üretim tesisleri ise geleneksel sistemlerde değerlendirilmeyen ve çevreye atılan buharın ısı enerjisinden faydalanır. Isı enerjisi oldukça fazla olan bu artık buhar sanayide proses buharı olarak, merkezi ısıtma sistemlerinde ısıtma amacıyla kullanılır. Böylece sistemin toplam verimliliği %60-85 seviyesine yükseltilir. İleri teknoloji kullanılan kombine çevrim bileşik üretim santrallerinde ise %85’e kadar verim elde edilebilmektedir.

Bileşik Isı Güç Santrallerinin Avantajları;

• Enerji maliyeti düşüktür.
• Düşük maliyet işletmenin rekabet gücünü artırır.
• Elektrik üretilirken açığa çıkan ısının yüksek verimle üretimde direkt olarak kullanımını sağlar.
• Az yakıt tüketildiğinden daha az emisyon ve atık oluşur.
• Enerji arz güvenliği sağlanır.
• Kesintisiz ve kaliteli elektrik arzı sağlanır.
• Bakım kolaylığı sağlar.
• Yüksek emre amadelik sağlanır.

Birleşik ısı ve güç uygulamasının ulusal katkılarından bazıları genel hatları ile aşağıdaki gibi sıralanabilir.

• Tesisin kendi elektriğini kendisinin üretmesi milli ekonomiye katkı sağlar.
• Ulusal enerji maliyetinde büyük miktarda azalma sağlar.
• Elektrik üretim tesislerinin çeşitliliğini sağlar.
• Enerji üretildiği yerde tüketildiği için iletim ve dağıtım kayıplarının önüne geçilir.

Bileşik Isı-Güç ve Çevre

Enerji politikalarında sürdürülebilirlik üç unsur üzerine inşa edilmiştir. Bunlar sırasıyla; enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarının payının artırılması, enerji verimliliğinin sağlanması ve CO ₂ salınımlarının azaltılmasıdır.

Emisyonların azaltılması amacıyla bileşik ısı güç sistemleri ülkemizde yaygınlaşmıştır. Konvansiyonel sistemlerde 1 birim elektrik enerjisi için 3 birim yakıt enerjisine ihtiyaç varken, bileşik ısı sistemlerinden 1 birim elektrik üretmek için 1,5 birim yakıt enerjisine ihtiyaç vardır. Dolayısı ile bileşik ısı ve güç sistemlerinde atmosfere %50 daha az emisyon deşarj edilecektir. Bu nedenle bileşik ısı güç sistemleri konvansiyonel sistemlere göre daha çevrecidir.

Bileşik Isı ve Güç Sistemlerinin Temel Bileşenleri

Bir bileşik güç santrali;

1. Ana tahrik bileşeni,
2. Jeneratör,
3. Atık ısı kazanım sistemleri,
4. Otomatik kontrol sistemleri
5. Üretilen elektrik ve ısının dağıtım altyapısı,
6. Elektrik ve ısı kullanıcılarının bağlantısı

olmak üzere altı önemli bileşenden oluşur.

Ana Tahrik Bileşeni ; yakıtın yanması sonrası açığa çıkan kimyasal bağ enerjisini şaft enerjisine dönüştürmede kullanılan en önemli elemandır.

Jeneratör ; Bir bileşik güç sisteminde alternatif akım üretmek için kullanılır.

Atık Isı Kazanım Sistemleri ; sıvıdan ve gazdan geri kazanım sistemleri olarak iki ana başlık altında incelenebilir. Ana tahrik bileşeniniz gaz türbinli bir sistemse o zaman baca gazından geri kazanım sistemi kurulması gerekmektedir. Ana tahrik bileşeni buhar türbini olan sistemlerde ise, türbinden çıkan kullanılmış buharın bir ısı değiştiricisinden geçirilmesi gerekmektedir.

Otomatik Kontrol Sistemleri ; Bileşik ısı güç sisteminde üretilen elektrik ve ısının emniyetli bir şekilde takip edilebilmesi ve atık ısı geri kazanım sistemine giren ve çıkan akışkanların sıcaklıklarının düzenli kontrolü için kullanılırlar.

Bileşik Isı ve Güç Üretim Sistemi Seçimi

Birleşik ısı güç sistemini kurmak için oldukça büyük bir yatırım gerekmektedir. Birleşik ısı ve güç sistemlerinin seçiminde, sistemin ekonomikliği, teknik açıdan sistem verimliliği ve kullanıcının gereksinimleri göz önüne alınmalıdır. Bu nedenle sistemin fizibilitesi yapılırken yakıt, elektrik ısı oranı, yük eğrisi, start sayısı, ortam sıcaklığı ve kapasite gibi faktörler dikkate alınmalıdır.

Yakıt

Bileşik ısı güç veya kojenerasyon sisteminde kullanılacak yakıt tipi sistemin tespitinde önemli bir yere sahiptir. Kojenerasyon tesislerinden genellikle yakıt olarak doğalgaz kullanılır. Doğalgazı izleyen diğer yakıtlar; propan, dizel, 4 no’lu sıvı yakıt, 6 no’lu sıvı yakıt ve nafta sıralanabilir.

Elektrik Isı Oranı

Bileşik ısı-güç santralinde üretilen elektriğin, faydalanan ısıya oranı, elektrik ısı oranı (EIO) olarak adlandırılır.

Yük Eğrisi

Bileşik ısı güç sistemi kurulmadan önce kapasite seçimi yapılmalı, yük süre eğrisi ve ısı-elektrik eğrileri çok iyi değerlendirilmelidir.

Start(Dur-Kalk) Sayısı

Yıllık start sayısı fazla olan bir tesiste gaz motorlarının kolaylıkla devreye alınmasından dolayı gaz motorlu sistemler olmalıdır.

Ortam Sıcaklığı

Gaz türbinli sistemlerde verim ortam sıcaklığı ile önemli ölçüde değişir. Gaz motorlu sistemlerde ise ortam sıcaklığından fazla etkilenmez.

Kapasite

Bileşik ısı güç sistemlerinde kapasite tespiti yapılırken;

1. Elektrik tüketiminin maksimum oranda karşılanması,
2. Soğutma ve ısıtma ihtiyacının maksimum oranda karşılanması
3. Kojenerasyon sisteminin maksimum kapasite ile çalışması

Gibi üç kriterin maksimize edilmesi faydalı olacaktır.

Bileşik Isı ve Güç Üretim Tipleri

Kazanda üretilen ısının depolandığı ve ısı kullanıcılarına taşınan akışkan genelde iş akışkanı veya aracı akışkan olarak adlandırılır. Bu akışkan, ısıtma, kurutma, pişirme vb. ısıl süreçlere gönderiliyor ise bunlar ısıtma akışkanı, güç üretimi için ısıl-güç çevrimine(türbin) gönderiliyor is güç akışkanı veya aracı akışkan olarak isimlendirilir.

Buhar Türbinli Bileşik Isı ve Güç Santralleri

Buharlı güç santrallerinde amaç; aracı akışkana verilen ısının bir kısmının işe dönüştürmek ve işe dönüştürülmeyen ısıl enerjiyi atmosfere atık ısı olarak vermektir. Bileşik ısı güç sistemlerinin ana amacı ise bu atık ısıyı proseste kullanmaktır.

Buhar türbinli Kojenerasyon sistemleri türbin tipine göre ekstraksiyon (ara buhar almalı) ve karşı basınçlı buhar türbini olmak üzere ikiye ayrılır.(Şekil 7.6 ve Şekil 7.7)

Isıl enerjinin öncelikli olduğu sektörlerde proseste kullanılan ısıya proses ısısı adı verilmektedir.

Sektörel bazda değişiklik gösterse de genellikle ihtiyaç duyulan proses ısıları 5 ile 8 atmosfer basınçları arasında ve 130 ile 200 °C sıcaklıkları arasındaki buhar ile karşılanır. Özellikle yanma sırasında 1400-1500 °C kadar ulaşan sıcaklıklar, buhar oluşturmak için suya verilmesi gereken enerjinin kullanılabilirliğindeki azalmanın göstergelerinden biridir. Bu işlemi bileşik ısı güç sistemi ile gerçekleştirmek daha akıllıca bir yöntem olacak ve bu sayede yanma sırasında açığa çıkan yüksek nitelikli enerji önce elektrik enerjisi üretiminde daha sonra ise atık ısıdan proses buharı elde etmek için kullanılacaktır.(Şekil 7.8) Böylece buhar türbinli bileşik ısı güç santralinde çevreye atılan bir atık ısı da olmayacaktır ve Enerjiden Yaralanma Oranı (EYO) arttırılmaktadır. EYO,

EYO=(Üretilen net güç + Proses Isısı) / Toplam ısı girdisi

denklemiyle hesaplanır. İfadeden de anlaşılacağı gibi ideal bir sistemden EYO %100’dür. Fakat atık ısıdan tamamen faydalanamadığımızdan dolayı bu oran %70 ile %90 arasında değişmektedir.

Bileşik ısı güç sistemi ister buhar ister gaz türbinli sistem esasına göre çalışsın Geri İş Oranı (GİO) sistem verimini etkileyen önemli bir parametredir. GİO gaz türbinli sistemlerde kompresör işinin türbin işine oranı, buhar türbinli sistemlerde ise pompa işinin türbin işine oranıdır.(7.2 ve 7.3)

İdeal bileşik ısı güç santralleri uygulamada ensek yüklere cevap veremediği için sisteme ilave edilen bir kısılma vanası ile tesisin değişken elektrik veya ısı ihtiyaçlarının karşılanması sağlanabilir.(Şekil 7.10)

Bileşik Isı Güç sistemlerini nitelendirmede kullanılan bir diğer oran Elektrik Isı Oranı (EIO)’dır. EIO, bileşik ısı güç sisteminde üretilen elektriğini kullanılan ısıya oranıdır. Türbinlerde ise EIO’nın tersi olan, Isı Elektrik Oranı (IEO) temel parametrelerden biridir ve EIO’nın tersi yani kullanılan ısının üretilen elektriğe oranıdır. Isı/elektrik oranı motor/türbin seçimini ve kullanılacak ünite sayısının belirlenmesinde önemlidir. 2 civarında ise türbin, 1 civarında veya daha düşük ise içten yanmalı pistonlu motor tavsiye edilmektedir.

Gaz Türbinli (Brayton Çevrimi) Bileşik Isı Güç Santralleri

Gaz türbinleri son yıllarda ısı ve elektriğin birlikte üretildiği sistemler için kullanılan en yaygın makine olma yolunda ilerlemeler kaydetmiştir. Gaz türbini yanma odasında yakılan yakıttan üretilen basınçlı yanma gazları ile bir motorun ve buna bağlı şaftın dönmesiyle mekanik güç üretir. Bu şekilde tahrik edilen jeneratörden elektrik enerjisi elde edilir. (Şekil 7.11)

Bu yanma sonucu 450-550 °C sıcaklıkta egzoz sıcaklığı çıkar ve bu egzoz gazları sahip olduğu yüksek sıcaklık nedeniyle iyi bir enerji kaynağı olarak kullanılabilirler.

Çevrimde en yüksek sıcaklık yanma sırasında gerçekleşir ve bu sıcaklık değeri türbin kanat malzemesinin dayanım sınırı ile doğru orantılıdır. Kanat malzemesi dayanım sınır sıcaklığı çevrim basınç oranını da kısıtlamaktadır ve çevrim basınç oranı arttıkça çevrim net işi artar.

Yüksek basınçta buhar ihtiyacı olan tesislerde kojenerasyon sistemleri genellikle gaz türbinli sistem olarak tasarlanmaktadır. Gaz türbinli kojenerasyon sistemleri direkt yanmalı ve endirekt yanmalı gaz türbinleri olarak sınıflandırılmaktadır.

Gaz türbinli çevrimler günümüzde elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bunun nedeni ise bu sistemlerin kurulumunun kısa sürede gerçekleştirilmesidir.

Gaz türbinleri 500 kWe’den 200 MWe’a kadar geniş güç aralığında üretilmektedir.(kWe: kW cinsinden(e=elektrik) gücü, MWe: MW cinsinden (e=elektrik) gücüdür.)

Bileşik Gaz-Buhar Çevrimi

Gaz türbini çevrimleri buhar türbini çevrimlerine göre çok yüksek sıcaklıkta çalışmaktadır. Buharlı güç santrallerinde giriş sıcaklığı 600 °C iken gaz türbinlerinde 1300 °C civarındadır. Gaz türbinli bir çevrimde ise baca gazı sıcaklığı 450-500 °C civarındadır ve bu sıcaklıktaki baca gazı alt çevrimin ısı kaynağı olarak kullanılır ve buhar üretilir.(şekil 7.12)

Gaz Motorları

Doğal gaz, propan, çöplük ve arıtma tesislerinden elde edilen gazlar ile çalışan, Otto çevrim prensibine göre, buji ateşlemesi ile tutuşan gaz motorlarıdır. Özellikle elektrik ihtiyacı ısı ihtiyacından fazla olan tesislerde kullanılır.

Otoprodüktörlük ve Otoprodüktör Uygulamaları

Enerji ve Tabi kaynaklar Bakanlığı(ETKB) artan enerji talebinin karşılanması için farklı yatırım modelleri yürürlüğe koyarak enerji problemine çözüm bulmaya çalışmaktadır. Ülkemizde yürürlükte olan beş yatırım modeli mevcuttur. Bunlar,

• Yap İşlet Devret (YİD),
• Yap İşlet (Yİ),
• Otoprodüktörlük,
• Üretimin Transferi (TOR),
• TEAS tarafından konvansiyonel ödeme sistemidir.

Bu beş yatırım modeli arasında kojenerasyon teknolojisi yatırımcıları için en uygun olanı ise otoprodüktörlüktür. Kanunlarımıza göre, endüstriyel amaç doğrultusunda işletmelerin kendi enerji ihtiyaçlarını karşılamak üzere kendi tesislerinde yapılan elektrik üretimine otoprodüktörlük denir. Bu tesisleri kuruluş amaçlarına göre aşağıdaki iki sınıftan birine uygun olmalıdır.

1. Ulusal elektrik sistemine bağlı olmayan tesisler: Bu tesisler elektrik enerjisi ihtiyaçlarının tümünü kendileri üretirler.
2. Ulusal elektrik sistemine bağlı tesisler: Bunlar büyük sanayi tesisleri olup elektrik enerjisinin bir bölümünü bağlı oldukları sistemden karşılarlar, bir bölümünü de kendi elektrik üretim tesislerinde üretirler.

Otoprodüktörler; elektrik piyasasında verimliliği artırmak ve maliyetleri azaltmak için rekabetin sağlanması, enerji sektörünün mali açıdan sürdürebilirliğinin temin edilmesi için maliyeti yansıtan fiyatların oluşturulması, mal ve hizmet kalitesinin artırılması, yerli ve yabancı özel sektör piyasalara girişinin sağlanması ve yatırım kararlarının serbest piyasada alınarak arz güvenliğinin sağlanması amaçlarını yerine getirmektedir.

Otoprodüktör Uygulamasına İlişkin Bir Örnek

İncelenen tesis 20 Aralık 1995 tarihinde, devreye alınmış ve enerji üretir konuma geçmiştir. İşletmede, çift yakıtlı ana makinenin senkron jeneratörü tahrik etmesi ile 15 KV’da 6,31 MW elektrik enerjisi üretilmektedir. İşletme %7,8’lik ısıl verime sahiptir. Kojenerasyon tesisinin toplam verimi ise %78 civarındadır. İhtiyaç fazlası elektrik ise TEDAŞ’a satılmaktadır.(Şekil 7.13)

Örnek olarak incelen tesiste 1996-2002 yılları arasında gerçekleşen değerlere göre; emre amadelik, kullanırlık ve güvenirlilik değerleri,

Emre Amadelik=(çalışma + stand-by) / (çalışma +standby+ bakım)= %91

Kullanırlık= çalışma/(çalışma + toplam duruş)= %79

Güvenilirlik= (çalışma + stand-by) / (çalışma + stand-by + arıza)= %95

Olarak bulunmuştur (Çizelge 7.4).