Geleceğin Binaları için Termal Enerji Depolama Uygulamaları

Transkript

1 Yapı Teknolojisinde Yenilenebilir Enerjiler ve Alternatif Sistemler TTMD Çalıştayı, Eskişehir, 6-8 Şubat 2009 Geleceğin Binaları için Termal Enerji Depolama Uygulamaları Prof.Dr. Halime Paksoy Çukurova Üniversitesi

2 İçerik Giriş Türkiye enerji durumu, sorunlar Alternatif enerji kaynakları Termal enerji depolama (TED) Geleceğin binaları için TED uygulamaları Türkiye de TED Çalışmaları Sonuç ve önerileri

3 Türkiye de enerji tüketiminin sektörel dağılımı* 2006 verileri* * %40 Sanayi %31 Konut %19 Ulaştırma %5 Tarım %5 Enerji dışı TYÜKO %26.9 *

4 Türkiye de elektrik üretiminin gelişimi* 2006 verileri* % 25.1 Hidrolik % 44.0 Doğal gaz % 26.3 Kömür % 4.4 Sıvı yakıt * *

5 Elektrik üretiminde emisyon miktarları kg/kwh CO 2 NO x SO 2 Petrol Doğal Gaz

6 Sorunlar Sera gazı emisyonlarının artışı ve küresel ısınma Buzulların erimesi ve deniz seviyesindeki artışlar Aşırı iklim koşullarının sıklığı Enerjide arz güvenliği Kaynakların çeşitlendirilmesi Uluslararası piyasalardaki petrol fiyatlarındaki hareketlilik Elektrik tüketiminde karşılaşılan aşırı yükler

7 Gelecek için misyonumuz Fosil yakıt kullanmadan yaşamayı sürdürebilmek Isıtma ve soğutma sistemleri için yeni çözümler bulmak...

8 Tükenmez enerji kaynakları 1. Güneş 2. Hidro 3. Rüzgar 4. Biyokütle 5. Jeotermal

9 6. Alternatif enerji kaynağı 6. Toprak kaynaklı enerji Toprak Hava ve su

10 7. Alternatif enerji kaynağı Atık Isı Çeşitli kaynaklar Yüksek sıcaklık 100 < T < 400 C: gıda, kağıt, tekstil, motorlu taşıtlarda,... > 400 C: cam, demir-çelik, güç santralleri,... Düşük sıcaklık < 100 C Beyaz eşyalar, elektronik cihazlar,... Atık ısı arz ve talep arasında uyumsuzluk Zaman Yer Sıcaklık Kato, 2007

11 Termal Enerji Depolama (TED) Amaçlar Alternatif enerji kaynaklarından kesintisiz yararlanabilmek Enerji sistemlerinin verimliliğini artırmak Birincil enerji kaynaklarından tasarruf etmek, Yerel kaynaklardan yararlanarak dışa bağımlılığı azaltmak Sürdürülebilir ve uzun ömürlü enerji sistemleri CO 2 emisyonlarını azaltarak küresel ısınmanın etkilerini azaltmak CO 2

12 TED Yöntemleri Isıl Yöntem Duyulur Isı Sıvılar Katılar Gizli Isı Katı-Katı Katı-Sıvı Kimyasal Yöntem Absorpsiyon / Adsorpsiyon Enerji yoğunluğu [kj/mol] Oksidasyon Tersinir tepkime Faz değişimi Duyulur ısı değişimi Tersinmez Kimyasal Tersinir Fiziksel Tersinir tepkimeler Oksidasyon tepkimeleri Kato, 2005

13 TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES)

14 Toprak Kaynaklı Enerji Sistemleri 2. Yeraltı Termal Enerji Depolama (UTES) Akifer Termal Enerji Depolama (ATES) Kuyularda Termal Enerji Depolama (BTES) Çukur veya tanklarda Termal Enerji Deoplama (CTES) ATES CTES BTES Andersson, 2005

15 Yeraltı Termal Enerji Depolama Termal enerji kaynakları Kışın soğuk kaynaklar Dış ortam havası Yüzey suları Kar ve buz Yazın sıcak kaynaklar Dış ortam havası Yüzey suları Güneş ISITMA Mark YERALTI SOĞUTMA

16 Yeraltı Termal Enerji Depolama Termal denge Isıtma Soğutma Sistem seçimi ve tasarımı yeraltında termal dengeyi bozmayacak şekilde yapılır.

17 Yeraltı Termal Enerji Depolama Akifer nedir? Akifer: Yeraltında saklı, yeraltı suyu ile doygun jeolojik katman T ys = T dış ±1ºC Kuyu filtreli boru Akifer formasyonu Andersson, 2005

18 Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Bina KIŞ ISITMA YAZ SOĞUTMA AKİFER Sıcak Kuyu Soğuk Kuyu

19 Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES konfigurasyonları A. Isı pompasız ısıtma ve soğutma B. Isı pompalı ısıtma ve soğutma C. Isı pompalı sadece ısıtma D. Isı pompasız sadece soğutma ATES CTES BTES Andersson, 2005

20 Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Isı pompalı konfigurasyon (B) Özellikler Kapasite, 1-5 MW Her iki tarafta 2-3 kuyu Sıcaklık, 3-30 o C Performans katsayısı, 5-7 Geri ödeme süresi 1-3 yıl ATES CTES BTES Andersson, 2005

21 Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Başarı Faktörleri Çok karlı (doğru tasarlanırsa) Düşük yatırım maliyeti (bazen konvansiyonelden düşük) Düşük işletme maliyeti Çok büyük yükler için uygundur Çok verimli Yüksek tasarruf potansiyeli Sessiz, az yer kaplar, görünmez Darboğazlar Detaylı saha araştırması gerektirir Uygun akifer her zaman bulunmayabilir Kısıtlı tasarım ve inşaat standardları Teknik sorunlar (özellikle kuyu tıkanması) Eğitim ve uzmanlık eksikliği Yeni teknolojilere karşı direnç

22 Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES Özellikler Kuyu sayısı Derinlik Kapasite Kuyular arası uzaklık m kw 4-12 m Andersson, 2005

23 Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES - Kuyu-içi eşanjörler Eşanjör tipleri Eşanjör örnekleri Single-U-pipe mm Double-U-pipe Simple coaxial Complex coaxial Hellström, 2005 Rehau AG + Co HAKA.GERODUR (Almanya) (İsviçre)

24 Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES - Isıl duyarlılık testi Türkiye Kanada Isıl duyarlılık testi BTES sisteminde ısıl iletkenlik ve direnci belirlemek için her uygulamada açılan pilot kuyuda standart olarak yapılmalıdır. İsveç

25 BTES - ATES karşılaştırma BTES Kolay Sadık Az ilgi ister Andersson, O., 2005 ATES Kompleks ve hassas Kontrol etmesi zor Tam ilgi ister

26 TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama

27 Faz Değiştiren Maddelerde TED Termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan maddeler : FDM İzotermal faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı depolanabilir Uygun erime aralığında FDM seçimi ile ısıtma ve soğutma sistemlerinde uygulanabilir.

28 Faz Değiştiren Maddeler (FDM) ZAE Bayern, 2005

29 Buz depolama Boru üzerinde buz Akışkan buz Kapsüllenmiş buz Yamaha, 2005

30 Buz depolama Peak Shaving Elektrik yük eğrilerindeki piklerin traşlanması Mesken tarife* Gündüz : kr/kwh Puant : kr/kwh Gece : kr/kwh * Ekim 2008 Elektriğin pahalı olduğu saatlerdeki soğutma ihtiyacı ucuz saatlerde üretilen buzla karşılanır.

31 TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri

32 Binalarda neden FDM kullanılmalıdır? Geleneksel binalar: Kalın duvarların ısıl kütlesi ısı ve soğuğu depolayabiliyordu. Kalın duvarların ısı ve soğuğu depolayabilmesi ile gece ve gündüz arasında sıcaklık değişimi fazla iken evin içerisindeki sıcaklıklarda çok büyük farklar gözlenmemektedir.

33 Binalarda FDM uygulamaları Doğal ısıtma Yapı malzemeleri ile FDM karşılaştırması

34 Binalarda FDM uygulamaları Doğal soğutma Fan FDM Cool-deck : Climator

35 Binalarda FDM uygulamaları Yapı malzemelerinde FDM Yapı malzemeleri için mikrokapsüllenmiş FDM BASF (Mikronal) FDM + sıva Maxit (VP-ML) FDM + alçıplaka Knauf (LP-PCM)

36 Binalarda FDM uygulamaları FDM ile zemin ısıtma yöntemi Yüksek depolama kapasitesi, 0,5 kwh/m 2 Konvensiyonel ısıtma sistemleri ile karşılaştırıldığında enerji tüketiminde %35 azalma

37 TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri Su Tankı

38 Su tankları En yaygın ve eski TED Çeşitli hacimlerde uygulamalar Güneş enerjisi kombi sistemleri Tabakalaşmadan yararlanan su tankı tasarımları 3500 m 3 Urbaneck, 2007

39 TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri Su Tankı Termokimyasal tepkimeler

40 Termokimyasal Tepkimeler Absorpsiyon Sulu çözeltiler (LiCl-H2O gibi) Güneş enerjisiyle soğutma Adsorpsiyon Katı absorban (zeolit, silika jel) Adsorption Heat Inner Surface of Adsorbents Desorption Water Molecules Hauer, 2005

41 Termokimyasal Tepkimeler Oksidasyon 2Fe+3/2O 2 -> Fe 2 O 3 HOKARON Taşınabilir ısıtıcı 20 saat boyunca T ort =51 o C,T max =65 o C Tersinir tepkimeler kimyasal ısı pompası Kato, Y., 2005 Isı çıkışı Hidratizasyon MgO + H 2 O Mg(OH) 2 Isı depolama Dehidratizasyon H= 81.0kJ/mol T denge =252 o C

42 Termokimyasal Tepkimeler Taşınabilir TED Enerji Yoğunluğu 350 kwh/t 250 C 180 kwh/t 100 C Depolama Atık ısı kaynağı Taşıma araçları: Tanker, gemi, tren veya boru hattı Hauer, 2005

43 Binalar için Termal Enerji Depolama Uygumaları

44 Bo01 Yerleşim Merkezi Malmö, İsveç 100 % yenilenebilir enerji Deniz suyu kaynaklı Elektrik için rüzğar Bir miktar güneş ve biyogaz kullanımı 10 Kuyu 120 m 3 /saat akış hızı Üretim MWh Tasarruf MWh Elektrik Andersson, MWh doğal gaz CO 2 indirimi 11 Mt /yıl

45 Bo01 Yerleşim Merkezi Malmö, İsveç Ekonomi Yatırım Maliyeti 2005 ATES sistemi, Euro Birim yatırım maliyeti, 269 Euro/kW İşletme maliyeti ( ) Ortalama bakım maliyeti, yaklaşık 1 Euro/MWh 1999 Ortalama enerji maliyeti, yaklaşık 4 Euro/MWh Geri ödeme süresi, < 1,5 yıl Andersson, 2005.

46 Näsby Parkı, Stokholm, İsveç Normal water temperature High water temperature Water temperature (C) BTES sistemi - Yazın göl suyu enerji kaynağı olarak kullanılıyor Nordell ve Hellström, Month

47 Näsby Parkı, Stokholm, İsveç 48 kuyu x 180 m Isı pompası 400 kw Yatırım maliyeti Euro İşletme maliyeti tasarruf Euro/yıl %79 petrol tasarrufu Geri ödeme süresi 4.2 yıl Nordell ve Hellström, Kuyular Su giriş Su çıkış Sarı ile gösterilen binaların ( m 2 ) ısıtma yükü

48 Neckarsulm, Almanya 1. Ausbaustufe 168 Sonden m³ 1999 M10 M15 M13 M09 M11 M08 M07 M06 M05 M12 M04 M14 M18 M17 M02 M03 M01 Pilotspeicher 36 Sonden m³ 1997 M16 2. Ausbaustufe; 528 Sonden m³, m 2 güneş kollektörü Kuyu sayısı: 36 adet 1997 de Sanner B., adet adet 2001 Derinlik 30 m

49 Almanya Parlemento Binası, Bundestag Berlin Kojenerasyon santralinin atık ısısının depolanması Sanner B,, 2005

50 MM21, Yokohama, Japonya Japonya daki en büyük buz depolama sistemi Buz depolama (kapsül) 1,100 m 3 x 2 depolama tankı Nagano, 2005

51 Narita Havaalanı, Tokyo, Japonya Dünyanın en büyük Mikrokapsüllenmiş akışkan FDM depolama sistemi Nagano, 2005

52 Okotoks Yerlesim Merkezi, Kanada 52 konut 144 kuyu Derinlik 35 m Isıtma yükünün % 90 ı güneş enerjisi ile Cruickshaks F., 2005 Güneş enerjisi depolama başlama Haziran 2007

53 Richard Stockton College, NJ,ABD öğrenci 130 m derinliğinde 400 kuyu kw soğutma kapasitesi 1994 den beri uygulamada Stiles, 2000 Çevreye zararı yok Önemli teknik sorun yaşanmamış Geri ödeme süresi 3,8 yıl Emisyon azaltımı araba eşdeğeri

54 Avantor-Nydalen, Oslo, Norveç Üniversite Radisson Oteli Enerji depolama (kuyular) İş merkezi Konutlar Nordell ve Hellström, 2005 Toplam alan : m kuyu, 200 m derinliğinde

55 Avantor-Nydalen, Oslo, Norveç Nordell ve Hellström, 2005 Yatırım maliyeti Euro İşletme meliyeti tasarrufu Euro Geri ödeme süresi 4,1 yıl

56 Gardemoen Havaalanı, Oslo, Norveç ATES Sistem Diyagramı District heat Auxiliary heat District cold Heat pump / refrigeration plant Excess heat heat exchanger Heat exchenger Heat exchanger Effect (MW) Heat demand Heat pump heat production Duration (days) Cooling demand Effect (MW) Warm wells Andersson, Winter operation Summer operation Cold wells

57 Gardemoen Havaalanı, Oslo, Norveç Kapasite 9 MW 9+9 Kuyu, 20 m derinlikte Debi 270 m3/saat Yeraltı suyu sıcaklığı, 20-3 o C Isıtma, MWh/yıl Soğutma, MWh/yıl Bakım maliyeti yatırımın % 2 si Geri ödeme süresi < 2 Yıl Andersson, 2005.

58 Türkiye de Termal Enerji Depolama Çalışmaları

59 Uluslararası Enerji Ajansı TED Faaliyetleri Çukurova Üniversitesi Enerji Depolamasıyla Enerji Tasarrufu (Energy Conservation through Energy Storage ECES IA) Uygulama Anlaşmasını Türkiye yi temsilen imzaladı. 29 Haziran 1995 ECES Faaliyetleri Yönetim Kurulunda 1995 yılından beri delege Yönetim Kurulu Başkan ve Sekreterlik görevleri ( ) Annex 14 Tüm iklimlerde termal enerji depolamayla soğutma Yürütücüsü ( ) Çeşitli bilimsel toplantı organizasyonları Akademisyen ve öğrenci değişimleri Annex 8, 10, 13, 20, 21, 24 Katılım

60 Çukurova Üniversitesi Balcalı Hastanesi ATES Projesi Fizibilite Çalışması Yıllık Tasarruf Elektrik 3250 MWh Fuel-Oil m 3 Emisyonlardaki Azalma CO ton/yıl SO x 7 ton/yıl NO x 8 ton/yıl

61 Telekomunikasyon İstasyonları Alternatif Soğutma Yöntemleri Potansiyel Çalışması 1. Toprak kaynaklı (ısı pompasız) soğutma Annual Electricity Consumption Cooling demand Cooling demand FDM uygulaması ile pasif soğutma MWh / year Electric Conventional New Electric

62 Mezitli Yonca Market ATES Projesi Soğutma Yükü 195 kw Isıtma Yükü 74 kw Enerji Tasarrufu 60% Çalışmaya Başlama 2001

63 Isıl duyarlılık testleri (IDT) Türkiye deki tek IDT Yapılan Testler Beykoz-İstanbul Aralık test Ümraniye-İstanbul Şubat test Hadımköy-İstanbul Aralık test Ankara test Adana test Elazığ Haziran test

64 Bina Yapı Malzemelerinde FDM denemeleri Pilot çalışma 4 m 2 deney kulübesi Adana FDM + Yalıtım Micronal BASF (erime noktası 26ºC gizli ısı 110 kj/kg) Micronal BASF (erime noktası 23ºC gizli ısı heat 110 kj/kg) Izopan Yalıtım malzemesi- IZOCAM Isıtma yükünde % 23 e varan azalma Soğutma yükünde % 7 e varan azalma

65 Sera Projesi, Adana 360 m 2 sera Domates ve patlıcan üretimi ATES 2 Kuyular arası uzaklık 100 m Debi 1.2 L/s Turgut, 2006

66 Sera Projesi, Adana % 68 enerji tasarrufu %40 ürün artışı 0 fosil yakıt tüketimi Daha uzun ve erken hasat dönemi Akdeniz ikliminde yüksek ATES uygulama potansiyeli

67 Alış veriş merkezi, Ümraniye, İstanbul 3500 kw soğutma ve 1200 kw ısıtma yükü Toplam 18,327 m sondaj Avrupa daki en büyük BTES projelerinden biri 2007 de tamamlandı Oflaz, 2007

68 Sonuç ve Öneriler Fosil yakıtsız bir gelecek için alternatif enerji kaynakları Alternatif enerji kaynaklarının arz ve talep arasındaki uyumsuzluğu TED ile giderilmelidir. TED ısıtma ve soğutma sistemlerinde birçok ülkede başarıyla uygulanmaktadır. TED teknolojilerinin enerji verimliliğini artırdığı, ekonomik ve teknik açıdan uygulanabilir olduğu ispatlanmıştır. Çok çeşitli sıcaklıklardaki atık ısıdan farklı amaçlarla yararlanarak enerji verimliliği TED ile artırılabilir.

69 Sonuç ve Öneriler Türkiye de konut sektöründe TED uygulamaları yapılabilecek alanlar... Hastaneler Alış-veriş merkezleri Havaalanları Turistik tesisler Mesken ve ticari binalar... Alternatif enerji kaynaklarına destek ve teşviklerin artırılması TED sistemlerinin uygulamalarını artıracaktır. TED sistemleri hakkında eğitim faaliyetleri düzenlenerek bu alandaki uzman eksikliğinin giderilmesi TED teknolojilerinin Türkiye de yaygın uygulanması ile Fosil yakıt ve elektrik tüketimi azaltılarak ekonomik ve çevresel yararlar İthal kaynaklara bağımlılığı azaltarak ülke ekonomisine katkı sağlamak ve enerji güvenirliğini artırmak

70 Yapı Teknolojisinde Yenilenebilir Enerjiler ve Alternatif Sistemler TTMD Çalıştayı, Eskişehir, 6-8 Şubat 2009 Tel : Fax : Teşekkürler