Ünite 6: Jeotermal Enerji

Doğal Bir Kaynak Olarak Jeotermal Enerji

Yenilenebilir enerji olarak jeotermal enerji atmosfere ve gezegenimize zarar vermeksizin yerkürenin kendisinden elde edilebilen bir enerji türüdür. Jeotermal kelimesi, jeo (yer) ve termal (ısı) kelimelerinin birleştirilmesiyle dilimize yer ısısı olarak geçmiştir. Jeotermal; yerkabuğunun çeşitli derinliklerinde bulunan, içeriğinde erimiş mineral, çeşitli tuzlar ve gaz bulunabilen basınç altındaki sıcak su ve buhardır. Jeotermal enerji, ısının oluşturduğu bir enerji türü olup yerkabuğunun derinliklerinde henüz soğumamış bir magma kütlesinden ortaya çıkar. Tarih öncesi ve ilk uygarlıklar döneminde jeotermal kaynakların kullanımı ile ilgili kısıtlı bilgi bulunmaktaydı. Bu yüzden jeotermal enerji o dönemlerde hamam suyunu ısıtma gibi basit kullanım alanlarıyla kendisine yer bulmuştur. Bilgi eksiklikleri ve teknik kısıtlamalar 16. yüzyıla kadar devam etmiştir. Sanayi Devrimi ile birlikte 16. yüzyıldan sonra insanoğlu, yeryüzünün derinliklerine indikçe sıcaklığın arttığını tespit etmiştir. 6371 km yarıçapında olan yerküremizin, kabuk bölgesinden derinlere doğru gidildikçe her 100 metrede yerkürenin sıcaklığı ortalama olarak 2,5-3,0 ^o C’lik Jeotermal Gradyan ile artmaktadır. Sıcaklığın derinlikle arttığı bölgeler jeotermal enerji açısından potansiyelin yüksek olduğu bölgelerdir. Tüm bu sıcak bölgeler aktif tektonik bölgeler olarak adlandırılıp jeotermal enerji potansiyelleri açısından Plaka Tektoniği ile doğrudan bağıntılıdır. Aktif tektonik bölgelerde jeotermal gradyan ortalama gradyanın birkaç katına çıkabilmektedir (10+ ^o C/100 m).

Jeotermal enerji ayrıca her kayada az miktarda bulunan Potasyum, Uranyum, Toryum gibi radyoaktif elementlerin bozunması ile oluşur. Bozunma sonucu radyojenik ısı açığa çıkmaktadır. Yerkürenin sahip olduğu ısının büyük oranda radyojenik ısı ile ilişkili olduğu 20. yüzyılda yapılan araştırmalarla bulunmuştur. Her yıl ısı enerjisinin 100.000 TW.st’ten fazlası yerkürenin iç kısmından dış yüzeyine doğru iletilmektedir. Ortalama yüzey sıcaklığı 15 ^o C alınarak hesaplama yapıldığında kabuğun sahip olduğu ısı enerjisi 5,4x10 ²⁴ MJ olarak bulunabilir. Hesaplanan ısı enerjisinin değeri çok yüksek olsa da, günümüzde alt katmanlardan ısı enerjisi taşıyan bir akışkanın (su, su buharı) yüzeye taşıyabildiği enerji kadarını kullanabilmekteyiz. Sondajlar kullanılarak günümüz teknolojisinde ısı uygulamaları için istenilen sıcaklığa ulaşmak mümkündür.

Jeotermal sistemler, akışkan içeriğine bağlı olarak 2 gruba ayrılır. Jeotermal sistemleri oluşturan parametreler; ısı kaynağı, ısıyı taşıyan akışkan, örtü kaya (geçirimsiz kayaç) ve rezervuardır. a) Hidrotermal kaynaklar: gözenekli ve/veya çatlaklı yapıda olup ısı enerjisini yüzeye taşıyan akışkana sahip olan kaynaklardır. Isı kaynağı, yüksek sıcaklıklı (>600 ^o C) magmatik sokulumlar olabileceği gibi düşük sıcaklıklı sistemlerde derinlik ile artan normal sıcaklık da olabilmektedir. Örtü kaya, yüzeye doğru yükselmeye başlayan sıcak akışkanın rezervuarda depolanmasını sağlayan yeraltı katmanıdır. Rezervuarın üzerinde bulunur ve geçirgenliği yoktur. Isıyı taşıyan jeotermal akışkan çoğu zaman meteorik (yağmur ve/veya kar) sudur ve sıcaklık ve basınca bağlı olarak fazı (sıcak su, kuru buhar veya sıcak su-buhar) değişkenlik gösterir. Bu akışkan genellikle kayaçlarla etkileşime girip kayaçların içerisindeki mineralleri bünyesine almasından dolayı kimyasal maddeler ile birlikte bazı gazları (CO ₂ gibi) içerir. Rezervuar (hazne), ısıyı taşıyan akışkanın ilerleyebileceği geçirgen ve gözenekli kayaçlardır. Gözeneklilik (porozite), kayacın boşluklarının toplam hacmine oranı şeklinde tanımlanırken, geçirgenlik (permabilite) kayacın akışkanları geçirme yeteneğine denir. Geçirgen ve gözenekli olmayan bir katman rezervuar olamaz. b) Kızgın kuru kaya olarak adlandırılan yapıda ısı enerjisi mevcuttur; fakat su dolaşımına izin verecek gözenekli ve geçirgen bir yapı yoktur. Bu da varolan ısıyı yüzeye ulaştıracak bir akışkan olmadığı anlamına gelmektedir. Dolayısıyla yapay olarak akışkanın sağlanması gerekmektedir. İlk kızgın kuru kaya deneyi Amerika’da New Mexico eyaletinde küçük bir jeotermal rezervuar oluşturularak gerçekleştirilmiştir. Deneyde önceden açılan sondaj kuyusu ile yeraltına basılan soğuk suyun ısıtılarak başka bir kuyudan yüzeye iletilmesi hedeflenmiştir. Kitabın 133’üncü sayfasındaki şekil 6.4’te termal enerji elde etmek amacıyla kızgın kuru kaya içerisine iki kuyu açılmıştır ve hidrolik kırılma ile geçirgen bir alan yaratılmıştır. Soğuk su (mavi), ilk kuyuya pompalanmıştır. Geçirgen alan boyunca akarak ısınan sıcak su (kırmızı) ikinci kuyu aracılığıyla yüzeye taşınmaktadır. Kapalı sistemde yeraltına basılan su çevrim oluşturmuştur. Burada ısı değiştirici kullanılarak kızgın kuru kayanın farklı uygulamalarda kullanılması örneklendirilmiştir.

Suyun Faz Diyagramı ve Buhar Çizelgesi

Başlangıç sıcaklık ve basınç değerlerinin akışkan faz diyagramında kullanarak bir jeotermal sistemi sınıflandırmak mümkündür. Kitabın 133’üncü sayfasındaki şekil 6.5’te saf suyun faz diyagramı verilmiştir. Bu diyagram aynı zamanda basınç-sıcaklık (PT) diyagramı olarak da adlandırılmaktadır. Şekilde görüldüğü üzere süblimleşme eğrisi katı ve buhar bölgelerini, buharlaşma eğrisi sıvı ve buhar bölgelerini, erime eğrisi ise sıvı ve katı bölgeleri birbirinden ayırır. Bu üç nokta, üç fazın bir arada dengede olduğu üçlü noktada buluşur. Saf suyun özelliklerini ‘buhar tabloları’ adı verilen çizelgelerden elde etmek mümkündür. Kitabın 134’üncü sayfasındaki çizelge 6.1’de verilen buhar tablosunda 0.01-100 ^o C sıcaklık aralığındaki değerler gösterilmiştir. Çizelgede verilen sıcaklıklarda P _doy (kPa) saf suyun buhar basıncını, ? _f ve ? _g sırasıyla doymuş sıvı ve doymuş buhar fazın özgül hacimlerini, h _f ve h _g sırasıyla sıvı ve buhar fazın entalpilerini, h _fg ise buhar ile sıvı faz arasındaki entalpi farkını ifade etmektedir. Saf suyun buhar tablosunda 105 ^o C ile 373,95 ^o C (kritik sıcaklık) arasında bulunan değerler, bölümün sonunda yer alan 151’inci sayfadaki çizelge 6.8’de verilmektedir.

Jeotermal enerjinin ısı salınımı, diğer kaynaklarla karşılaştırıldığında düşük seviyede bulunmaktadır. Bu özellik de jeotermal enerjinin sürdürülebilir enerji olarak kabul edilmesini sağlamıştır. Gerçekten de jeotermal enerji ucuz maliyet, güvenli ve ekolojik olma ve düşük ısı salınımı gibi özelliklerinden dolayı dünya için geleceğin arzu edilen bir sürdürülebilirlik kaynağıdır. Yapılan araştırmalarda, dünyanın tükettiği enerji dikkate alındığında fosil yakıtların ömürlerinin azalması, araştırmacıları yenilenebilir kaynak arayışına yöneltmiştir. Bununla birlikte yerkürenin içerdiği ısı enerjisinin büyüklüğü göz önüne alındığında, jeotermal sistemler yenilenebilir özelliklere sahiptir. Jeotermal enerjinin daha verimli kullanılması amacıyla doğal ve/veya bilimsel yöntemler ve uygun araçlar kullanılarak kuyular açılmıştır. Fakat bu kuyuların açılması, doğal çıkış debisinden daha yüksek değerlerde akışkanın yüzeye çıkmasıyla sonuçlanmıştır. Bu durum akışkan dengesinin bozulmasına yol açmıştır. Ortaya çıkan sorunun çözülmesinde alınabilecek en etkili önlemlerden biri de akışkanın tamamının ya da belirli bir kısmının kontrollü olarak rezervuarlara geri basılmasıdır. Rezervuarlara geri basılan akışkan, rezervuarın doğal beslemesine katkı sağlayacaktır. Kontrollü yapılmayan işlemlerde, basılan soğuk akışkan kısa devre yapabilir ve akışkanın debisi çok yüksek olacağından, belirli bölgelerin istenilenden daha fazla soğutulması ile sonuçlanabilir. Akışkanın, rezervuardan yüzeye ulaşmasından itibaren toplama havuzu, galeri ve/veya kuyularda biriktirilmesi gibi koruma alanları oluşturulması, alınması gereken önlemler arasındadır. Fakat koruma alanı, kaynağın bağlı olduğu jeotermal sistemin bozulmasına veya kirlenmesine neden olabilir. Disiplinli yürütülen mühendislik araştırmalarıyla jeolojik sistemde oluşacak kayıplar en aza indirildiği takdirde sistemin sürdürülebilirliği sağlanacaktır.

Jeotermal Enerjinin Kullanım Alanları

Jeotermal enerjinin kullanım alanları yüzeye, ısı enerjisini taşıyan akışkanın sıcaklığına ve kimyasal bileşimine göre çeşitlenir. Yüzeye ulaşan akışkanın içerdiği enerji başka enerji türüne dönüştürülebilir ya da doğrudan kullanılabilir. Yüksek sıcaklıklarda elektrik üretimi, amonyak absorpsiyonu ile soğutma gibi işlemler gerçekleşirken, düşük sıcaklıklar toprak ısıtma, balık çiftlikleri ve turizm sektöründe doğrudan ısıtma projeleri için uygundur. Akışkanın sıcaklığına bağlı olarak jeotermal enerjinin kullanım alanları oldukça geniştir. İzlandalı bilim adamı Baldur Lindal’ın geliştirdiği jeotermal akışkanın sıcaklığına bağlı olarak jeotermal enerjinin kullanım alanlarını gösteren Lindal Diyagramı, kitabın 139’uncu sayfasındaki şekil 6.6’da görülmektedir. Diyagramda elektrik üretimi için iki farklı kullanım alanı verilmiştir. Diyagramdan da görüldüğü gibi hemen her sıcaklık değeri için farklı alanlarda kullanım mevcuttur. Jeotermal enerji, ısı pompaları yardımıyla akışkanın çok daha düşük sıcaklıklarda olduğu alan ısıtmacılığı için kullanılabilir.

Ülkemizin ilk ve en büyük jeotermal santrali, Kızıldere Jeotermal Enerji Santrali olarak karşımıza çıkmaktadır. Kızıldere jeotermal alanından alınan sıcak su, bölgeye yakın olan seraların ve konutların ısıtılmasında kullanılmaktadır. Yan ürün olarak karbondioksit oluşurken, oluşan karbondioksitten de kuru buz üretimi gerçekleşmektedir. Üretilen kuru buz, soğutma işlemlerinin yanı sıra gazlı içecekler için kullanılmaktadır.

Yüksek akışkan sıcaklığına (>150 ^o C) sahip jeotermal kaynaklar elektrik üretiminde önemli rol oynar. Elektrik üretimi jeotermal kaynağın özelliğine bağlı olarak 3 farklı santralde gerçekleşir: a) Kuru Buhar Santralleri , jeotermal elektrik santrallerinin ilk örneğidir. Diğer santraller ile karşılaştırıldığında daha basit ve ucuzdur. Doğrudan buhar çevrimi olarak da adlandırılır. Bu tip santraller kondenserli ve kondensersiz olmak üzere ikiye ayrılır. Kondensersiz kuru buhar santrallerinin çevresel olarak dezavantajları vardır. Çalışma prensibi olarak, kondenserli kuru buhar santrallerinde kuyularda üretilen buhar, boru vasıtasıyla türbin ünitesine gönderilir. Boru hattı yakınındaki siklon ayrıştırıcı ile buhar içerisinde bulunan katı partiküller uzaklaştırılır. Kuru buharın türbine girişiyle türbinde bir çevrim meydana gelir ve jeneratör aracılığıyla elektrik üretimi gerçekleşir. Türbinden ayrılan su buharı kondensere gönderilir. Yoğuşturulan buharın büyük bir kısmı sıvı faza dönüşür. Sıvı faz, hidrotermal sistemin kullanım ömrünü uzatma amacıyla yeraltına geri basılır. Bu santrallerde hiçbir ayırma işlemine ihtiyaç yoktur; çünkü kuyularda sadece buhar üretilir. Kaliforniya’daki Geyser ve İtalya’daki Larderello jeotermal sahası kuru buhar santralleri arasındadır. b) Flaş Buhar Santralleri , günümüzde oldukça yaygındır. Bu tip santrallerde elektrik üretimi gerçekleşmesi için jeotermal akışkanın sıvı ya da sıvı-buhar karışımı olması gerekir. Flaş buhar santralleri, tek flaşlı ve çift flaşlı olmak üzere ikiye ayrılır. Santral seçimi kaynak karakteristiği, güç santralinin kapasitesi, ekonomik ve termodinamik optimizasyon analizleri, ekipman kullanımı göz önüne alınarak yapılır. Yüksek sıcaklık (>190 ^o C) ve basınca sahip akışkan, düşük basınçlı ayırıcılarda su ve buhara ayrılır. Ayrılan buhar türbine gelerek çevrim oluşturur. Burada termal enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Buhar türbinine bağlı jeneratör, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Ayırıcıdan ve yoğuşturucudan çıkan atık su, hidrotermal sistemin kullanım ömrünü uzatma amacıyla yeraltına geri basılır. Dünyada Yeni Zelanda’da bulunan Wairakei Sahası, ülkemizde ise Kızıldere Jeotermal Enerji Sahası bu yöntemle elektriğin üretildiği ilk santrallerdir. c) İkili Çevrim Santralleri , 85 ^o C ile 200 ^o C arasında sıcaklığa sahip olan akışkanlardan elektrik üretmek amacıyla kurulmuştur. Bu santrallerde, yeraltından elde edilen akışkan (su gibi) ısı enerjisini ikincil akışkana (örneğin izobütan, n-pentan gibi) aktarır ve sıfır emisyona sahip kapalı sistemde elektrik üretimi gerçekleşir. Suyun buharlaşma sıcaklığından daha düşük sıcaklık ve basınca sahip olan ikincil akışkan ısı değiştiricisinde buharlaştırılır. Aktarılan ısı ile buharlaşan ikincil akışkan, flaş buhar santrallerinde olduğu gibi çevrim oluşturarak türbini döndürür. Daha sonra yoğuşturucuda sıvı faza dönüştürülür. Açığa çıkan fazla ısı, soğutma kulesinden dışarı atılarak Rankine çevrimi tamamlanır. İkili çevrim santralleri sıfır emisyona sahip olduğu için en temiz enerji üretim yöntemi alternatiflerinden biridir. Kaliforniya’daki Mammoth Jeotermal Enerji Sahası ikincil akışkan olarak izobütanı kullanan santrallerden biridir. Türkiye’de ise Denizli-Kızıldere Jeotermal Santrali ve Aydın-Salavatlı Jeotermal Santrali ikili çevrim santrali ile elektrik üretimi yapan santrallere örnek verilebilir.

Düşük sıcaklıklı hidrotermal sistemlerden elde edilen akışkanlar, jeotermal enerjinin doğrudan kullanılmasına olanak sağlar. Jeotermal enerji, doğrudan kullanıldığında ısıtmada kullanılır ve geleneksel ısıtma sistemlerinden daha ucuzdur. Sera ısıtmacılığı, konut ısıtmacılığı ve ısı pompaları başlıca uygulama alanlarıdır.

Dünyada ve Türkiye’de Jeotermal Enerjinin Yeri

Önceki konu başlıklarında belirtildiği gibi jeotermal enerji temel olarak elektrik üretimi ve doğrudan ısı uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. İlk olarak dünyadaki uygulamalara ve devamında Türkiye’nin jeotermal potansiyelinden ve uygulamalarından bahsedelim.

Dünyada Jeotermal Enerji : a) Elektrik üretimi: Jeotermal kaynakların elektriksel güç üretiminde kullanılması oldukça yaygındır. Dünyada 2015 yılı itibariyle toplam 80 ülkede jeotermal akışkan kullanılarak elektrik üretimi gerçekleşmektedir. Son beş yıl içerisinde Türkiye, MW kapasitesini yüzde olarak en çok arttıran ülkeler arasındadır. b) Doğrudan kullanım: Jeotermal enerji pek çok uygulamada doğrudan kullanılır. 2015 yılı itibariyle toplam kullanım yüzdesi içerisinde farklı uygulamaların kullanım yüzdeleri, kitabımızın 147’nci sayfasında şekil 6.18’de verilmektedir. Görülmekte olduğu gibi ilk üç uygulama jeotermal ısı pompaları, balneoloji (banyo, yüzme havuzları ve sağlık uygulamaları) ve konut ısıtmasıdır. Bu üç uygulama alanı toplam grafiğin %85’inden fazlasını oluşturmaktadır. Yine aynı sayfada şekil 6.19’da ise farklı uygulamaların doğrudan kullanımlarının 1995-2015 yılları arasında değişimi verilmektedir. Isı pompaları, 1995 yılında 15000 terajoule (TJ)/yıl kullanım kapasitesine sahipken, 15 yıl sonra 325000 TJ/yıl kullanım ile doğrudan uygulama alanlarının önüne geçmiştir.

Türkiye’de Jeotermal Enerji: Türkiye, jeotermal enerji açısından dünyada önemli bir yere sahiptir. Türkiye’nin jeolojik koşulları, jeotermal kaynakların oluşumu için uygundur. Kitabımızın 148’inci sayfasında şekil 6.20’de Türkiye’nin jeotermal kaynakları ve uygulama haritası gösterilmektedir. Haritadan görüleceği gibi, jeotermal akışkan ile fay hatları arasında ilişki bulunmaktadır. En önemli jeotermal alanlarımız Batı Anadolu’da yer almaktadır. Türkiye’de sıcak su kaynakları arasında yer alan Büyük Menderes Grabeni Kızıldere, Salavatlı, Sultanhisar, Germencik gibi yüksek sıcaklıklı jeotermal sahaları bünyesinde barındırmaktadır. a) Elektrik üretimi: Ülkemiz elektrik üretimi için uygun jeotermal sahalara sahiptir. Ülkemizde elektrik enerjisi kurulu gücü toplam 72155 MW’dır. Denizli-Kızıldere jeotermal santrali, jeotermalden elektrik üretiminin gerçekleştirildiği ilk sahadır. 1984 yılında 20.4 MWe gücündeki santralden elektrik üretilmeye başlanmıştır. Kızıldere jeotermal sahasının üretim kapasitesi arttırılması çalışmaları yoğun bir şekilde devam etmektedir. Salavatlı jeotermal sahası (DORA-1 tesisi) 2006 yılında 7,95 MWe kurulu gücü ile Kızıldere’den sonra elektrik üretimine başlayan ikinci santraldir. Salavatlı santrali ikili çevrim yöntemi ile elektrik enerjisi üreten ilk santraldir. 2009 yılında ise Aydın-Germencik jeotermal sahası 47,4 MWe lider kurulu gücü elektrik üretimine başlamıştır. b) Doğrudan kullanım: Ülkemizde jeotermal enerji sera ısıtması, konut ısıtması ve banyo ve havuz ısıtması alanlarında doğrudan kullanılmaktadır. Jeotermal enerjinin, 18 yerleşim biriminde konut (86443 konut eşdeğeri, 787.49), 15 sahada sera (389.48 MWt) ve 350 sahada banyo ve havuz ısıtması amacıyla kullanımı devam etmektedir.