Ünite 6: Hidrolik Enerji

Giriş

Suyun gücünden yararlanarak enerji üretimi, bilinen en eski teknolojilerden birisidir. Akan suyun gücünü elektriğe dönüştüren santraller “Hidroelektrik Santraller (HES)” olarak bilinirler.

Hidrolik Enerji Kavramı

Hidroelektrik enerjisi; en eski, en iyi bilinen ve en ucuz enerji teknolojisidir. Hidro elektrik enerji teknolojisinde, diğer tüm enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisine dönüşüm verimi (suyun gücünden elektrik kablosuna, yaklaşık olarak % 90) en fazla olan enerjidir. Başlangıç maliyeti fazla olsa da işletme masraflarının düşük olması ve teknik ömürlerinin çok uzun olması en büyük avantajlarıdır.

Hidroelektrik Santrallerinin Avantaj ve Dezavantajları

Avantajları:

• Hidroelektrik santraller kaynak olarak yenilenebilir olan suyu kullanırlar.
• Herhangi bir yakıtın yanması söz konusu olmadığından, sera gazı emisyonu yaratmazlar.
• Ülkelerin sahip olduğu kaynaklarla kurulabilirler. Bu nedenle enerjide dışa bağımlılığı azaltır.
• Teknik ömürleri uzundur.
• Çevreye zararlı atık üretmezler.
• Elektriği sabit bir oranda üretebilirler.
• Enerjiye ihtiyaç olmadığında su kaynaklarını kapatabilir. Elektrik ihtiyacına göre tekrar devreye sokulabilir.
• Fazla enerji ihtiyacı olan zamanlarda hızla devreye girerek enerji üretilebilir.

Dezavantajları:

• Yatırım maliyeti yüksek ve toplam inşaat süresi uzundur
• Kuraklık durumunda, su kaynağının azalması elektrik üretimini azaltabilir
• Tarıma elverişli araziler baraj gölü altında kalabilir.
• Barajlarda taşkın olması durumunda çevresinde sel oluşumu söz konusudur.
• Suyun doğal akışının değiştirilmesi sucul canlıların yok olmasına neden olabilir.

Hidroelektrik Santral (HES) Yapısı

Hidroelektrik santrallerde (HES) suyun sahip olduğu mekanik enerji HES türbinlerinde elektrik enerjisine dönüştürülür. Sudaki enerji miktarı, suyun akış hızına ve suyun düşüş yüksekliğine (Hidrolik düşü) bağlıdır. Belli yüksekteki su potansiyel enerjiye sahiptir. Su bir cebri boru veya kanal yardımıyla yüksek bir yerden alınarak türbine verilir. Suyun yüksekteki potansiyel enerjisi türbinleri döndürerek kinetik enerjiye çevrilir, daha sonra da türbin pervanelerine bağlı jeneratör, motorun dönmesi ile elektrik enerjisine çevrilir.

Hidroelektrik Santralinin Bileşenleri

Depolamalı tipik bir hidroelektrik santrali baraj gövdesi ve gölü, su alma, dolu ve dip savaklar, su yolları, su iletim yapıları, denge bacası, türbin ve jeneratör, santral çıkış suyu kanalı ve şalt tesislerinden oluşmaktadır.

Baraj Gövdesi ve Gölü

Baraj gövdesi ve gölü akarsuyun depolanması ve su yüksekliğinin sağlanması için kullanılır. Elektrik üretim amacıyla kurulan barajlar depoladıkları suyu yıl boyunca düzenli bir şekilde türbinlere gönderirler.

Su Yolu Yapıları

Suyun kaynaktan alınarak türbinlere kadar iletildiği su alma yapısı, su iletim kanalı, su iletim tüneli denge bacası, savaklar, enerji tüneli (basınçlı tünel), cebri boru gibi suyun geçtiği yollara “su yolları” ve bu su yolları üzerinde bulunan hidromekanik donanıma ise “su yolları donanımı” adı verilir.

Su Alma Yapıları

Baraj gölündeki veya nehir yatağındaki suyun su iletim tesislerine alınmasını ve gerektiğinde suyun kapatılmasını sağlayan bölümdür. Su alma yapıları, su alınacak yerin nehir veya rezervuar (baraj) olacağına göre değişik özellikler gösterse de, bir su alma yapısı, bağlandığı iletim yapısına (iletim kanalı, enerji tüneli veya cebri boru) gerekli suyu kontrollü olarak, sediment (kum, çakıl vb.) ve yüzer hâldeki maddelerden (kütük, tomruk vb.) arındırarak verebilmelidir. Bunu sağlamak için yapısında çeşitli ızgaralar, kapaklar bulundurur.

Savaklar

Baraj gölünde suyun belli bir seviyeden fazla yükselmesini önlemek amacıyla kullanılır. Savaklar baraj gölünde kullanıldıkları yere göre dolu ve dipsavak olmak üzere sınıflandırılır. Dolu savak, baraj rezervuarında toplanan su hacminin depolama kapasitesini aşması durumunda, fazla suların baraja zarar vermeden aşağıya aktarılmasını sağlayan yapıdır. Dip savak ise gerektiğinde baraj gölünü tamamen boşaltmak, dolu savak debisini azaltmak için kullanılan yapıdır.

Denge Bacaları

Baraj rezervuarı ile türbinlerin arasında bulunan basınçlı su iletim hattında basınç değişimlerini önlemek amacıyla genellikle enerji tüneli sonunda ve santral binasından önce kurulan büyük su depolarıdır. Bu sayede cebri boruların ekonomik boyutlarda (boy, çap, et kalınlığı) kullanılmaları, türbinlerin düzenli ve verimli çalışmaları sağlanır.

Su İletim Yapıları

Barajdan su alma yapısıyla alınan suyun türbinlere iletilmesini sağlayan kanal, tünel, boru hattı veya bunların kombinasyonlarından meydana gelen yapılardır. İletim hatları basınçlı veya serbest akımlı olabilir. Cebri borular açık yüzeyde bulunan suyun (baraj veya denge bacası) türbine iletilmesinde kullanılan basınçlı borulardır.

Santral Binası

Türbin: Türbin çarkı, türbin şaftı, türbin kapağı, hız regülatör sistemi, basınçlı yağ sistemi, türbin yatağı, soğutma sistemi, kumanda panosu ve yardımcı donanımdan oluşur.

Jeneratör: Jeneratör rotoru, statoru, jeneratör yatağı, ikaz, koruma, soğutma sistemleri ile kumanda ve işletim sistemi, doğru akım sistemi gibi yardımcı donanımlardan oluşur.

Transformatör (Dönüştürücü): Ana gövde, soğutma sistemi, yangın sistemi, koruma sistemi bölümlerinden oluşur.

Şalt Bölgesi

Transformatörlerde oluşan yüksek gerilimin elektrik iletim hatlarına bağlandığı bölgedir.

Santral Çıkış Suyu Kanalı (Kuyruk Suyu)

Türbinlerden çıkan suyun nehir yatağına iletimini sağlayan bir yapıdır.

Hidrolik Türbinler

Hidrolik türbinler bir hidroelektrik santralinin en önemli parçasıdır. Suyun hidrolik enerjisini devamlı olarak döner çarklar (rotorlar) yardımı ile mekanik enerjiye çeviren makinalardır. Basit olarak bir şaft (mil) ve şaft üzerindeki kanatçıklardan oluşurlar. Su türbinin kanatçıklarına çarparak türbin şaftına hareket verir, hareket şaftın çıkışında mekanik işe dönüşür ve mekanik işten jeneratörler vasıtasıyla elektrik üretilir.

Su Akışının Rotadaki Yönüne Göre Türbinler

Su türbinlere farklı yollarla girebilir. Su akışının yönüne göre türbin çeşitleri eksenel, radyal, karışık akış ve çapraz akış olarak dört grupta toplanabilir (Wagner ve Mahtur, 2011). Eksenel akışlı türbinlerde suyun türbin içinde akış doğrultusu türbin mili eksenine paraleldir. Kaplan ve Propeller (Uskur) türbinler bu şekilde çalışır (Şekil 6.6). Radyal akışlı türbinlerde ise, su rotorun dönüş eksenine dik olarak akar. Bu tip türbinlere Pelton türbinler örnek olarak verilebilir. Pratikte pek çok türbinde her iki akış türü de görülebilir. Böyle türbinler karışık akışlı türbinlerdir. Francis türbinleri bu türbinlerin en önemli örneğidir.

Suyun Basıncına (Hidrolik Düşüne) Göre Türbinler

Türbinler suyun basıncına (hidrolik düşüne) göre de aksiyon (itici güç, etki veya impuls) ve reaksiyon (tepki) türbinleri olarak ikiye ayrılır. Aksiyon Türbinler Pelton Türbin’e Reaksiyon tipi türbinler de Francis Türbin ve Kaplan Türbin gibi türlere ayrılırlar.

Hidroelektrik Santrallerin Sınıflandırılması

Hidroelektrik santraller düşülerine, kurulu güçlerine, baraj gövdesi tipine, depolama yapılarına göre sınıflandırılabilirler.

Hidrolik Düşülerine (H) Göre HES’ler

Hidrolik düşlerine göre HES’ler;

• Alçak düşülü (H<50 m)
• Orta düşülü (H= 10-50 m arası)
• Yüksek düşülü (H>50 m)

olarak üç gruba ayrılır.

Kurulu Güçlerine Göre HES’ler

HES’ler kurulu güçlerine göre şöyle sınıflandırılırlar:

• Çok küçük (mikro) kapasiteli (<10000 kW)
• Küçük (Mini) kapasiteli (100-1000 kW)
• Orta kapasiteli (1000-10000 kW)
• Büyük kapasiteli (>10000 kW)

Baraj Tipine Göre HES’ler

Barajlar yapı malzemelerine göre dolgu barajlar ve beton barajlar olarak iki gruba ayrılır. Dolgu barajlar toprak veya kayanın belli oranlarda karıştırılması ile set oluşturulur. Beton barajlar ise ağırlık, payandalı ağırlık ve kemer barajları olarak sınıflandırılabilir.

Depolama Yapılarına Göre HES’ler

HES’ler suyu depolanmasına bağlı olarak şöyle sınıflandırılabilir:

• Depolamasız (Nehir tipi)
• Depolamalı (Baraj tipi)
• Pompa depolamalı

Hidrolik Enerji Hesaplamaları

Hidroelektrik Santralin Güç Kapasitesinin Hesaplanması

Bir hidroelektrik santralinden elde edilebilecek güç (P), suyun net hidrolik yüksekliğine, suyun debisine ve suyun yoğunluğuna bağlıdır.

Bu eşitlikte;

P: Güç (kilowatt, kW)

?: Suyun yoğunluğu (kg/m ³ )

Q: Suyun debisi (m ³ /sn)

H: Suyun düştüğü yükseklik(m)

g: Yer çekimi ivmesi, m/sn ²

?: Türbin verimliliği (%)

Belirli Bir Yükseklikten Düşen Suyun Hızının Bulunması

Potansiyel enerjideki kayıp=H yüksekliğinden düşen suyun kinetik enerjisi Buradan; yazılabilir. Bu eşitlikte;

m: Suyun kütlesi (kg)

g: Yer çekimi ivmesi (9.81 m/sn ² )

H: Suyun düştüğü yükseklik (m)

V: Suyun hızı (m/sn)

Bu eşitlikten hız formülü şöyle oluşur:

Süreklilik Eşitliği

Suyun akış hızı (m/sn) ile geçtiği borunun kesit alanı (m ² ) çarpımı suyun debisini (Q, m ³ /sn) vermektedir. Buradan;

elde edilir. Bu eşitliklerde D ₁ ve D ₂ , suyun girdiği ve çıktığı kesitlerdeki borunun çapıdır (m).

Bernoulli Eşitliği

Hidroelektrik santrallerde yüksekten akan suyun iki tip enerjisi vardır. Bunlar kinetik ve potansiyel enerjilerdir. Enerjinin korunumu prensibine göre, borudan akan suyun birim hacminin sahip olduğu potansiyel, kinetik ve basınç enerjilerinin toplamı sabittir.

Kinetik enerji + Potansiyel enerji + Basınç enerjisi = Sabit Bernoulli eşitliği yazılacak olursa: h ₁ yüksekliğinden, V ₁ hızı ile, P ₁ basıncında akan suyun sahip olduğu enerjilerinin toplamı, h ₂ yüksekliğinden, V ₂ hızı ve P ₂ basıncında akan suyun toplam enerjisine eşit olacaktır. Borudaki sürtünmeden kaynaklanan enerji kayıpları ihmal edildiğinde, Bernoulli eşitliği;

olarak yazılabilir.

Dünyada ve Türkiye’de Hidroelektrik Santraller

Dünyada 2015 yılı itibarıyla kurulu hidroelektrik santrali 936 GW’tır. Hidrolik enerji üretiminde 375 GW ile Asya ülkelerinin lider olduğu görülmektedir. Türkiye ise bu sıralamaya 4,94 MTEP gücünde ürettiği hidrolik enerji ile 8. sıradan girmektedir.

Ülkemizin yenilenebilir enerji potansiyeli içinde en önemli yeri tutan hidrolik kaynaklarımızın teorik hidroelektrik potansiyeli 433 milyar kWh olup teknik olarak değerlendirilebilir potansiyel 216 milyar kWh ve ekonomik hidroelektrik enerji potansiyel 140 milyar kWh/yıl’dır. Ülkemizin teorik hidroelektrik potansiyeli dünya teorik potansiyelinin % 1’i, ekonomik potansiyeli ise Avrupa ekonomik potansiyelinin % 16’sıdır.