Ünite 1: Hidrolik Enerji

Giriş

Suyun gücünden yararlanarak enerji üretimi, bilinen en eski teknolojilerden birisidir. Akan suyun gücünü elektriğe dönüştüren santraller “Hidroelektrik Santraller (HES)” olarak bilinirler. Yüksekten akan suyun gücünden yararlanılarak üretilen ilk elektrik enerjisi, 1879 yılında Niyagara şelalesinde kurulan hidroelektrik santralinden elde edilmiştir.

Günümüzde hidroenerji yaklaşık olarak dünyanın elektrik ihtiyacının %16’sını karşılayan en büyük yenilenebilir enerji kaynağıdır. Dünyada 25 ülke enerjisinin %90’ını, 12 ülke ise %100’ünü hidrolik enerjiden sağlamaktadır. Diğer ülkeler de enerji ihtiyaçlarının büyük kısmını su gücüne dayalı kurulan santrallerden elde etmektedirler. Ülkemizde ise 2013 yılındaki verilere göre, elektrik üretimimizin, %25’i hidroelektrik enerjiden elde edilmiştir (T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2016).

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 (IRENA, 2012). 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.
• Hidrolik Enerji Hidroelektrik santral (HES) akan suyun gücünü elektriğe dönüştüren sistemlerdir.
• 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

Suyun akış hızına ve suyun düşüş yüksekliğine bağlı olan, suyun mekanik enerjisi HES türbinlerinde elektrik enerjisine dönüştürülür. 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 (Başeşme, 2003; Wagner ve Mahtur, 2011);

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 (Başeşme, 2003).

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.

Su İletim Yapıları: Barajdan su alma yapısıyla alınan suyun türbinlere iletilmesini sağlayan kanal, tünel, boru hattı veya bunların kombinasyonlarından meydana gelen yapılardır.

Santral Binası: İçinde türbin, jeneratör ve yardımcıları ile kontrol-kumanda gibi elektrik ve diğer yardımcı donanımların bulunduğu özel bir binadır (Başeşme, 2003).

• 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 Tribünler

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 dört türbin çeşidi vardır:

• Eksenel akışlı türbinlerde suyun türbin içinde akış doğrultusu türbin mili eksenine paraleldir.
• Radyal akışlı türbinlerde , su rotorun dönüş eksenine dik olarak akar. Bu tip türbinlere Pelton türbinler örnek olarak verilebilir.
• Karışık akışlı türbinlerde ise her iki akış türü de görülebilir. Francis türbinleri bu türbinlerin en önemli örneğidir.
• Çapraz akışlı türbinlerde ise su silindirik rotorun pervanelerine doğru akar. Banki ve Ossberger türbinleri bu gruba örneklerdir.

Suyun Basıncına (Hidrolik Düşüne) Göre Türbinler

Türbinler suyun basıncına (hidrolik düşüne) göre ikiye ayrılır:

• Aksiyon (itici güç, etki veya impuls): Bu tip türbinlerde su daralan bir boru sistemi olan püskürtücüden geçirilir ve su jeti oluşturarak hız kazanır. Burada potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür.
  • Pelton türbin: Pelton tipi hidrolik türbinlerde, su bir püskürtücü iğnesinden (nozzle) geçirilerek su jeti hâline getirilir ve türbinin kap şeklindeki rotor kanatlarına püskürtülür. Su jetlerinin sayısı değiştirilerek debi ve güç ayarı yapılabilir. Küçük ve orta güçlü türbinler ise düşey eksenli ve 4 veya 6 adet püskürtücülüdür.
• Reaksiyon (tepki) türbinleri: Reaksiyon türbinleri basıncın ve hareketli suyun etkisiyle kombine olarak elde edilen güçle çalışırlar. Yani suyun hem kinetik hem de potansiyel enerjisinden yararlanırlar. Türbin çarkına girişteki basınç çıkıştaki basınçtan çok daha büyüktür. Bu nedenle suyun kapalı kanallar içinden akması gerekir.
  • Francis türbin: Francistürbinleri küçük düşülerde yüksek hızlar elde edilebilen radyal tip reaksiyon türbinleridir.
  • Kaplan türbin: Reaksiyon türbini sınıfında olan Kaplan türbinlerde de suyun girişi ve çıkışı arasında basınç farkı bulunmaktadır. Düşük debilerde ve düşük düşülerde çalışabilirler.

Hidroelektrik Santrallerin Sınıflandırılması

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

Hidrolik Düşülerine (H) Göre HES’ler

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

olarak üç gruba ayrılır. Alçak ve orta düşülü santraller, genellikle büyük debili nehirlerde kurulan santrallerdir. Yüksek düşülü santraller ise genellikle engebeli veya dağlık araziden farklı debilerde akan nehirler veya barajlar üzerinde kurulan santrallerdir.

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 şöyle sınıflandırılabilir:
  • Ağırlık barajları suyun kaldırma ve döndürme kuvvetine karşı kendi ağırlıkları ile duran barajlardır. Üçgen yapıdadır ve eksenleri suya doğru kavislidir. Ağırlık barajının inşaası için temelin sağlam kaya olması gerekir.
  • Payandalı ağırlık barajları alttan su basıncını azaltmak için geliştirilmişlerdir.
  • Kemer barajları biriken suyun oluşturduğu basıncı kemer etkisi büyük oranda vadideki yamaçlara aktarmak için planda kemer seklinde yapılan baraj türüdür.

Depolama Yapılarına Göre HES’ler

HES’ler suyu depolanmasına bağlı olarak şöyle sınıflandırılabilir:

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

Hidrolik Enerji Hesaplamaları

Akan suyun enerjisi, hidrolik türbinlerdeki su türbinlerinde mekanik enerjiye dönüşmekte, bu enerji de jeneratörler kullanılarak elektrik enerjisine çevrilmektedir. Bir su türbininin su gücü ile mekanik enerji üretebilmesi için suyun belirli bir hızda olması gerekmektedir. Bu hız, suyun düşme yüksekliğine veya su düşüne uygun basınç farkının yaratılmasına bağlıdır.

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 )

g: Yer çekimi ivmesi, m/sn ²

Q: Suyun debisi (m ³ /sn)

H: Suyun düştüğü yükseklik (m)

?: Türbin verimliliği (%)

Belirli Bir Yükseklikten Düşen Suyun Hızının Bulunması

Belirli bir H yüksekliğinden düşen suyun potansiyel enerjisi, suyun kinetik enerjisine dönüşecektir. Potansiyel enerjideki kayıp=H yüksekliğinden düşen suyun kinetik enerjisi;

m.g.H = 1/2 .m.V ²

olarak elde edilir. Bu eşitlikten hız şu formülle elde edilir:

Süreklilik Eşitliği

Suyun daralan bir borudan akışını düşününüz; Su, borunun geniş çaplı bölümünden V1 hızı ile geçmekte, çapı daralan bölümünden ise V2 hızı ile çıkmaktadır. Bu borudan geçen suyun miktarı, borunun tüm kesitlerinde aynıdır. Başka bir ifade ile 1 ve 2 alanlarından geçen birim zaman içinde geçen su debileri sabittir.

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

Dünyada ve Türkiye’de Hidroelektrik Santraller

Dünyada 2015 yılı itibarıyla kurulu hidroelektrik santrali 936 GW’dır. Hidrolik enerji üretiminde 375 GW ile Asya ülkelerinin lider olduğu görülmektedir. Asya ülkelerini Avrupa ve Amerika takip etmektedir. Ülkelere göre dağılımına bakıldığında ise, Çin’in 61,4 milyon ton petrole eşdeğer (MTEP) miktardaki enerjiyi hidroelektrik santrallerden sağladığı görülmektedir. Çin’i sırasıyla Brezilya, Kanada ve ABD takip etmektedir. Bu ülkelerin üretimi ise 23 ila 36,9 MTEP arasında değişmektedir. Türkiye ise bu sıralamaya 4,94 MTEP gücünde ürettiği hidrolik enerji ile 8. sıradan girmektedir.