BORULU SULAMA ŞEBEKELERİNDE ENERJİ POTANSİYELİ

Transkript

1 BORULU SULAMA ŞEBEKELERİNDE ENERJİ POTANSİYELİ Gökhan Marım 1, Soner Löğün 2, Ahmet Baş 3 1 Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti., marim@sufen.com.tr 2 Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti., slogun@sufen.com.tr 3 Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti., ahmetbas@sufen.com.tr ÖZET Dünya da ve Türkiye de enerji talebi gün be gün artmakta, enerjiye olan talep her ülkenin yatırımlarını ciddi şekilde etkilemektedir. Nüfus artışı; hızlı kentleşme ve sanayileşme, enerjiye olan talebi arttırmakla beraber, klasik enerji kaynaklarının dışında farklı enerji kaynaklarının da değerlendirilmesini önemli kılmaktadır. Çalışmanın temel amacı, sulama ve içmesuyu projelerinde kullanılmayan hidroelektrik potansiyelin kullanılmasını sağlamak, potansiyelin ortaya çıkarılmasını sağlamaktır. İşletme de ya da proje aşamasında olan içmesuyu ve sulama projelerinde basınç kırıcı vana gibi suyun potansiyel enerjisini sönümlendiren yapılar yerine borulara monte edilebilen boru tipi türbin yardımı ile değerlendirilmeyen enerjinin kullanılması sağlanabilmektedir. Sulama borulu şebekesi hatlarında basınç kırıcı vanalar yerine türbin yerleştirilmesi ile enerji üretilecek hem de basınç kırıcı vana görevi görecektir. Sulama projelerine entegre edilebilecek enerji sektöründe kullanılan türbinler sulama şebekeleri işletmelerine uyum sağlamalıdır. Sulama sezonlarında kullanılan sulama debisinin sürekli değişkenliği sulama şebekesinde kullanılacak türbin seçiminde önemli bir kriter oluşturmaktadır. Sulama şebekelerinde basıncı düzenleyen yani yapı sonrası boru da basınç olması gereken vanaların yerine de türbin yerleştirilmesi mümkün olabilmektedir. Türbin basınç düzenleyici gibi çalışabilmektedir. Enerji sektöründe kullanılan Pelton, Francis ve Kaplan türbinlerinin yanında Ossberger, Crossflow Türbinleri sulama projelerinde kullanılabilirlik açısından öne çıkmaktadır. Bu türbinlere tasarım debisinin % 6 sı dahi gelse yüksek verim elde edilebilmektedir. Değişken debilerde Ossberger Crossflow türbinler kullanımı önemli avantaj sağlamaktadır. Bu türbinlerin sulama şebekelerine entegre edilmesinde sulama şebekelerinin ana amacının sulama olduğu unutulmamalı ve sistemde herhangi bir sıkıntıya neden olmamalıdır. Anahtar Kelimeler: Sulama Şebekesi, Enerji, Türbin, Ossberger Türbin, Crossflow Türbin, Boru Çapı Optimizasyonu 1. GİRİŞ Hızlı nüfus artışı, kentleşme ve sanayileşme, tüm dünyada enerjiye olan talebi artırmakta, ülkeleri yeni enerji kaynakları bulma konusunda zorlamaktadır. Yeni enerji kaynaklarının bulunması talebi sürekli artırmaktadır. Bu çalışmada sulama projelerinde hidroelektrik potansiyel değerlendirilmesi yapılmıştır. 2. ENERJİ Uluslararası Su Enerji Birliği (IHA) verilerine göre dünyada tüketilen elektrik enerjisinin %65,1 i fosil yakıtlardan üretilmektedir. Fosil yakıtların kullanımı da küresel ısınmayı artırmaktadır (Şekil 1). Şekil 1. Ortalama Sıcaklık Artışı ve Yıllara Göre Yakıt Tüketimi (1) 2008 yılında Türkiye de kişi başına yıllık elektrik tüketimi 3000 kwh (KiloWatt-Saat) iken, ABD de bu rakam kwh dır. Bu tablo gelişmekte olan ülkelerin enerjiye olan ihtiyacının daha da artacağını göstermektedir (Şekil 2). 1

2 Şekil 2. Dünya da Enerji Tüketimi Dağılımı (1) Dünya da üretilen enerji kaynaklarının %65'i fosil yakıtlardan temiz enerji kaynağı olan hidroelektrikten ise sadece % 'i üretilmektedir (Şekil 3). Fosil yakıtların kullanımı ise küresel ısınmaya, ortalama dünya sıcaklığı artmaktadır. Hidroelektrik enerji temiz enerji kaynağı olarak değerlendirilmekte diğer enerji kaynaklarının çevresel etkilerinin dışsal maliyetleri karşılaştırıldığında en risksiz ve temiz enerji kaynaklarından biridir (Şekil4). Şekil 3. Dünya da Farklı Kaynaklardan Enerji Tüketimi Dağılımı (1) 2

3 Şekil 4. Farklı Enerji Kaynaklarının Çevresel Etkilerinin Karşılaştırılması (2) Ülkemizin enerji potansiyelinin %33'ü hidroelektrikten, %50 'den fazlası fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Fosil yakıt santral sayısı 261 iken, hidroelektrik santral sayısı 520'dir. Şuandaki 23 binlik kurulu güce 24 binlik yeni kurulu güç eklenecektir. Yeni eklenen kurulu güce karşılık santral sayısında artış olmaktadır. Yani her geçen gün birim santrale düşen kurulu güç miktarı azalmaktadır. Bu durum söyle yorumlanabilir; ülkemizde büyük kurulu güce sahip hidroelektrik santraller yatırımlar büyük oranda tamamlanmış, her geçen gün küçük kurulu güce sahip yatırımlar devreye girmektedir. Tablo 2'de görüldüğü üzere mevcut işletmede olan santrallerin birim santrale düşen kurulu güç miktarı 46 MW/santral iken inşa edileceklerin oranı 18 MW/santral'dir. Tablo 1. Ülkemizin Kaynaklara Göre Kurulu Güç Kapasitemiz (3) 3

4 Şekil 5. Hidrolik Potansiyel (3) Tablo 2. Birim Santrale Düşen Kurulu güç HES adedi Toplam Kurulu Güç (MW) HES Başına Düşen Kurulu Güç (MW/ADET) mevcut yapım aşamasında inşa edilecek SULAMA Türkiye de sulanan alan 4.9 milyon ha olup, tarımsal alanın (26 milyon ha) yaklaşık olarak %19 unu oluşturmaktadır (4). Türkiye'de son yıllarda sulama alanında önemli gelişmeler olmuş birçok bölgede sulama borulu şebeke yatırımı gerçekleştirilmiştir. Sulama borulu şebekeleri hem sektörel sulama suyu kullanımı azaltmakta hem de tarımsal verimi artıran modern sulama tekniklerine olanak sağlamaktadır. Son yıllarda yapılan tüm DSİ yatırımlarının neredeyse tamamı borulu sulama şebekeleridir. Her ne kadar son yıllarda tüm sulama şebekesi inşaatları borulu Şekil 6'da gö Tablo 3 'te görüldüğü üzere sektörel sulama suyu kullanımı %70'ler mertebesinde seyretmektedir. Dünyadaki sektörel sulama suyu kullanımı %30'larda iken biz de kullanım %70'ler mertebesindedir (Şekil 7). Borulu sulama şebekelerinin klasik kanal sistemlerinin yerini alması, borulu sulama sisteminde suyun kullanımının kontrol altına alınması sektörel sulama suyu kullanımının azalmasına neden olacaktır. Şekil 6. Sulama Kanallarının Tip ve Uzunlukları (4) 4

5 Şekil 7. Dünya da Sektörsel Su Kullanımı Tablo 3. Türkiye de sektörlere göre su kullanımı (5) 4. SULAMA VE ENERJİ Damla ve yağmurlama sistemlerine uygun borulu şebekelerde, borulu sulama şebekelerinin hidrantlarında, tarlalara su veren yapılarda minimum m su basınç sağlanmalıdır. Basınçlı sulama şebekeleri çözümünde su kaynağının ve sulama alanının kotuna bağlı olarak birçok projede basınç kırıcı yapı kullanılmaktadır. Bu basınç kırıcı yapılar genellikle borulu şebekelerde basınç kırıcı vanalar olmaktadır. Kontrol altına alınmış tortularından arındırılmış sulama suyundan enerji elde edilebilir. Borulu şebekelerde basınç kırıcı vanalar yerine türbinler konulabilir. İşletme ve bakım açısından basınç kırıcı vanalardan farkı olmayan bu türbinlerin tasarımı ve şebekenin enerji faydası da düşünülerek şebekelerin tasarlanması oldukça önemlidir. Basınç kırıcı vanalar genellikle statik şebeke basıncı m su sütununu geçince, yüksek atülü yani yüksek maliyetli boruların konulmasını önlemek amacıyla konur. Basınç kırıcı vanalar ile boru maliyetlerinin optimizasyonu yapılmaya çalışılmaktadır. Borulu sulama şebekelerin en önemli maliyet kalemi boru maliyetleridir. Devlet Su İşleri'nin belirli bölgelerdeki işlerinin metraj keşif çalışmaları incelenerek aşağıdaki tablo oluşturulmuştur (Tablo 4). Yapılan çalışmaya göre borulu sulama şebekelerinin ortalama % 60'lık kısmını boru ve kazısının maliyetini oluşturmaktadır. Şekil 8'de de görüldüğü üzere sulama alanı artıkça boru ve kazısının maliyet oranı artmaktadır. 5

6 Tablo 4. Borulu Şebekelerde Boru ve Kazısı Maliyet Oranları Brüt Sulama Alanı Boru Keşfinin Boru ve Toplam Kazısı Keşif Keşifde Bedeli (TL) Oranı (%) Sanat Yapıları Keşif Bedeli (TL) Sanat Yapısı Keşfinin Toplam Keşifde Oranı (%) Proje Adı Edirne-Keşan Bahçeköy,Çamlıca-Ihlamurdere, Yenimucahir-Gökyar Gölet ve Sulaması 284, Isparta Yalvaç Çakırcal Gölet ve Sulaması Karaman-Ermenek Sarıvadi Gölet ve Sulaması Tunceli Hozat Uzundal Gölet ve Sulaması 706, Bingöl Merkez Göltepesi Gölet ve Sulaması Elazığ Karakoçan Bazlama Gölet ve Sulaması Karaman-Ermenek Kazancı Gölet ve Sulaması Konya Hüyük Göçeri Gölet ve Sulaması Konya Hüyük Mutlu Gölet ve Sulaması 94, Konya Hüyük Burunsuz Gölet ve Sulaması Ortalama Şekil 8. Sulama Alanı ile Şebeke Maliyeti İlişkisi Enerji potansiyeli açısından sulama şebekesinde yapısal değişikler yapılmalıdır. Bu yapısal değişikler basınç kırıcı yapı yerine konulacak Hidroelektrik Santral yapılarının sistem ile entegre çalışmasını sağlayacak düzenlemelerdir. Türbinlerin düzenli çalışabilmesi için sulama suyundaki tortu maksimum büyüklüğü 0.2 mm olmalıdır. Türbinin çalışması basınç ölçüm cihazları ya da su kaynağındaki sensörle kontrol edilmelidir. Ana kanalı klasik kanal olan sulama şebekelerinde yosun ve tortu gibi problemlere yönelik extra önlem almak gerekebilir. Sulama şebekesinin etkilenmesini önlemek için türbine paralel bypass hattı da herhangi bir arıza durumuna karşı teşkil edilmelidir. Hatta koç darbesi etkisi analiz edilmeli boru tasarımında koç darbesi dikkate alınmalıdır. HES'lerde üretilen enerjiyi nakil edecek enerji nakil hatları ve elektrik aksamları ek işletme ve bakım maliyeti getirecektir. HES'lere yerleştirilecek türbin tasarımı sulama şebekesinin çalışma sistemine uyum sağlamalıdır. HES konulacak boru hattında HES'e giriş ve çıkış basınçları önemli bir tasarım kriteridir. HES'ler de kullanılacak türbin çeşitleri nehir tipi santrallerde kullanılan tüm türbin çeşitlerinden olabilir. 5. TÜRBİN ÇEŞİTLERİ Türbinler iki ana gruba ayrılmaktadır: İtki, aksiyon, etki tipi olarak adlandırılan türbinler (impulse turbines): Pelton,Turgo, Crossflow ya da Ossberger tipi türbinler Türbin çarkı üzerinde çukur çanak şeklindeki kanatlara su fiskiyesinin (su jeti) çarparak su hızının değişmesi sonucu türbinin dönmesi sağlanır. daralan bir boru sisteminden (nozul) geçirilerek suya bir hız 6

7 kazandırılır ve su jeti oluşturulur. Su jetinin kanatlara çarpması sonucu kinetik enerji, potansiyel enerjiye dönüşür. Bu sistemde çark kanatlarında basınç değişimi ortaya çıkmaz ve türbin kapalı bir ortama gereksinim duymaz. Daha ziyade çok yüksek düşülerde tercih edilir. a) b) c) d) Şekil 9. Crossflow Türbin (7) a) b) Şekil 10. Pelton Türbin (7) Reaksiyon, tepki tipi olarak adlandırılan türbinler (reaction turbines) : Francis ve Kaplan Türbin çarkının dönmesi, suyun çark çıkışında ivmelenmesi sonucu oluşan tepki kuvvetiyle sağlanır. Su enerjisini türbine verirken basınç değişir. Burada su basıncı ya da su emişi sağlanması için kapalı bir ortam ya da çarkın tamamen suyun içinde olması gerekir. Bu nedenle fazla miktarda suya gereksinim duyarlar. 7

8 a) b) Şekil 11. Francis Türbin (7) a) b) Şekil 12. Kaplan Türbin (7) Bu türbin çeşitleri arasından sisteme en uygun türbin çeşidinin seçilmesi önemli bir kriterdir. Örneğin HES sonrasında basınç isteniyorsa Francis tipi türbin olmalıdır. Crossflow türbinlerinin sonrasında basınç sağlanamaz (7). Crossflow türbinler tasarım debisinin %6'sında çalışmaya başlayabilir. Francis türbinler ise tasarım debisinin % 60'lık kısmı sisteme ulaşmalıdır. Crossflow türbinler Şekil 9-c'de görüldüğü gibi kapaklı sisteme sahiptirler. Debinin 1/3'ü geldiğinde küçük kapak debinin 2/3'ü gelirse büyük kapak, debinin tamamı gelirse her iki kapakta açılacaktır. Francis türbinlerinin tasarım debisinin %60'lik kısmı gelmezse verimi düşüktür. Şekil 13. Crossflow ve Francis Tipi Türbin Verim Karşılaştırması (7) 8

9 Crossflow türbinleri değişken debili sulama şebekelerine oldukça uygun türbindir. Bilindiği sulama şebekeleri kullanımı günlere ve aylara göre oldukça değişkendir. Crossflow türbinleri debi ve basınç değişkenliğine toleransı oldukça yüksek türbinlerdir. Kullanım kolaylığının yanısıra çalışma aralığı oldukça geniştir (7) örneğin: CINK firması üretim aralığı Düşü yüksekliği: H = m Debi: Q = 0,03 13 m³/s Güçler: N = Kw Crossflow türbinlerin sediment büyüklüğü töleransı normal türbinlere göre yüksektir. Ortalama maksimum sediment büyüklüğü 0.2 mm iken Crossflow türbinlerde 0.4 mm'dir. Francis türbinlerin Crossflow türbinlere göre avantajı HES çıkışında basınç verebilmesidir. Yani HES çıkışında istenirse basınç sıfırlanmamakta su açığa çıkarılmamaktadır. Basınç ayar vanası olarak çalışabilmektedir. Şebekenin farklı özelliklerine göre farklı türbin tasarımları gerçekleştirilebilir. 6. SULAMA ŞEBEKESİ OPTİMİZASYONU Borulu sulama şebekeleri optimizasyonunda basınç kırıcı vana ya da türbin yerleri dikkate alınmalı optimizasyonun bir girdisi olmalıdır. Borulu şebekeleri optimize etmede amaç boru çaplarını dolayısıyla boru maliyetlerini optimize etmektedir. Boru atülerinin de optimizasyona katılması gerekir.atülü çözüm yapıldığında ters redüksiyon durumu ortaya çıkabilmektedir. Bir tepeden aşağı inen membadaki boruda hafif bir ters eğim olduğunda mansaptaki yüksek atülü boruyu değiştirmektense ters eğimin olduğu yerdeki boruyu değiştirmek daha optimum olabilir. Buradaki boru sisteminde ters reduksiyon yani mansaba giderken boru çapında artma görülebilir. Kullanıcı bu durumu istemezse programa empoze yani belirlenmiş çap bilgisi girerek bu durumu ortadan kaldırabilir. Atülü çözüm yapan sisteme basınç kırıcı yapı ya da türbin maliyetleri girilerek uygun basınç kırıcı yapı ya da türbin yeri seçimi ve kırılan basınç miktarı önerilebilir. Tabi ki kullanıcı muhtemel basınç kırıcı vana ya da türbin yerlerini sınırlamalıdır. Şebeke basıncının 30 m'yi geçtiği kullanıcı tarafından tanımlanan şebekenin belirli bölgelerine basınç kırıcı vana ya da türbin konulması istenebilir. Yer seçimi ve kırma miktarı çözümleri belirli aralıkta olacaktır. Çözüm sonucunda yazılım optimum kırma miktarı ve uygun yeri kullanıcın görüşüne sunabilir. Böylelikle HES ve sulama şebekeleri boruları birlikte değerlendirilmiş olur. Burada şebekede hidrantlarda istenen basıncın sağlanmasıdır enerji değerlendirilmesi bunun üzerine yapılmalıdır. Yani enerji üretme potansiyeli daha fazla olsun diye sulama şebekesi kalitesinden vazgeçilmeyecek hidrantlarda istenen enerji sağlanacaktır. Yazılım iterasyonlar yaparak en uygun basınç kırıcı yeri ve kırma miktarını kullanıcıya sunacaktır. Borulu sulama şebekelerinde HES düşünüldüğünde doğru problem çözümü atülü optimizasyon çözümü ile farklı türbin yeri ve basınç kırılma miktarı birlikte düşünülerek sağlanmalıdır. Türbin çalışma prensipleri de optimizasyon çalışmalarının girdisi olmalıdır. 7. SONUÇ Borulu sulama şebekelerinin enerji potansiyeli oldukça yüksektir. Basınç kırıcı yapılar yerine uygun türbin seçimleri yapılarak sulama projelerinin enerji potansiyeli değerlendirilmiş olunur. Sulama şebekesi optimizasyonunda atülü ve basınç kırıcı vana ya da türbinli çözüm yapılarak en ekonomik çözüme yaklaşılabilir. Crossflow türbinlerinin değişken debilerdeki töleransı önemli avantaj sağlamaktadır. Doğru türbin seçimi sulama şebekesinin çalışmasında önemli bir etken olacaktır. Sulama şebekesi optimizasyon çalışmaları ve türbin seçimi çalışmaları bütünlüklü olarak tasarlanmalı, sistem mimarisi en ekonomik sulama şebekesi maliyeti sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır. KAYNAKLAR [1] IEA- International Energy Agency,2003 [2] DSI Vakfı - (Erişim tarihi: Eylül 2015). 9

10 [3] DSİ 2014 Stratejik Planı - (Erişim tarihi: Eylül 2015). [4] Anonymous, yılı DSİ ce İşletilen ve Devredilen Sulama Tesisleri Değerlendirme Raporu. DSİ Genel Müdürlüğü, İşletme ve Bakım Dairesi Başkanlığı, Ankara. [5] Anonymous, Yılında DSİ. Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı DSİ Genel Müdürlüğü, DSİ İdari ve Mali İşler Daire Başkanlığı, Basım ve Fotofilm Şb.Md. 84s. Ankara. [7] Cink Hydro Enerji Firması web sayfası, 2015, (Erişim tarihi: Eylül 2015). [8] Hansen C.T., Madsen K., Nielsen H.B. 1989, Optimization of pipe networks [9] Adebe A.J., Solomatine D.P. Application of global optimization to the design of pipe networks [10] Theocharis M., Tzimopoulos C., Yannopoulos S., Sakellariou M., Makrantonaki, Dynamic method and a simplified nonlinear method in irrigation networks optimization [11] Collins M., Cooper L, Helgason R., Kennington J., LeBlanc L. Solving the pipe network analysis problem using optimization techniques. 10