KOJENERASYON SİSTEMLERİNDE KULLANILAN GAZ MOTORLARININ İNCELENMESİ

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNA FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOJENERASYON SİSTEMLERİNDE KULLANILAN GAZ MOTORLARININ İNCELENMESİ Mustafa ARDA TERMODİNAMİK ve ISI TEKNİĞİ ANABİLİM DALINDA HAZIRLANAN LİSANS BİTİRME TEZİ Tez Danışmanı: Prof.Dr. İsmail TEKE İSTANBUL, 2009

2 İÇİNDEKİLER SİMGE LİSTESİ... 4 KISALTMA LİSTESİ... 5 ŞEKİL LİSTESİ... 6 ÇİZELGE LİSTESİ... 7 ÖZET GİRİŞ Enerji Üretimine Yaklaşımlar Enerji Kaynakları ve Türkiye'de Elektrik Üretimi KOJENERASYON Tanımı Kojenerasyonun Önemi Kojenerasyon Sisteminin Ülkemize Sağladığı Faydalar Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemleri Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemi Seçim Kriterleri Kullanılan Yakıt Atık Isının Kullanım Çeşitleri Elektrik Isı Oranları Diğer Parametreler Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemlerinde Atık Isı Kazanımı Yanma Havasının Soğutulması ile Isı Geri Kazanımı Yağlama Yağı / Aftercooler Isı Geri Kazanımı Ceket Isısı Geri Kazanımı Egzoz Gazı Isı Geri Kazanımı Baca Sıcaklığından Isı Geri Kazanımı TRİJENERASYON Tanımı Absorbsiyonlu Soğutmanın Temel Prensibi ÖRNEK BİR GAZ MOTORUNUN TERMODİNAMİK ANALİZİ Gaz Motoru Hakkında Genel Bilgiler Motor Yanma Havası Soğutucusunun Analizi Baca Isı Değiştiricisinin Analizi Motor Yağı Soğutucusunun Analizi Motor Ceket Suyu Soğutucusunun Analizi... 9 ii

3 4.5. Ekonomayzerin Analizi Atık Isıdan Yararlanma Yöntemleri Sistemden Hem Doymuş Buhar Hem de Sıcak Su Elde Edilmesi Sistemden Değişik Sıcaklıklarda Sıcak Su Elde Edilmesi SONUÇ KAYNAKLAR EKLER EK-1 : Rolce-Royce Bergen KVGS 18G4.2 Gaz Motoru Ürün Kataloğu ÖZGEÇMİŞ iii

4 SİMGE LİSTESİ c Özgül ısı [kj/kg.k] I Duman Gazı Entalpisi [kcal/kg] m Kütlesel Debi [kg/s] H Entalpi [kj] H u Yakıt Alt Isıl Değeri [MJ/Nm ] T Sıcaklık [K] Q Isı [kw] V Hacimsel Debi [Nm /s] Yunan Harfleri ρ Yoğunluk [kg/nm ] ΔT Sıcaklık Değişimi [K] Λ Hava Fazlalık Katsayısı η Verim [%] İndisler b ç g su kul. suyu buhar Çıkış Giriş Toplam su debisi Kullanım suyu Üsler. (nokta) Birim zamanda 4

5 KISALTMA LİSTESİ AB CHP EIO EYO GAP MCS MYS BID OECD TEP YHS Avrupa Birliği Combined Heat and Power Elektrik Isı Oranı Enerjiden Yaralanma Oranı Güneydoğu Anadolu Projesi Motor Ceket Suyu Soğutucusu Motor Yağı Soğutucusu Baca Isı Değiştiricisi Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Teşkilatı Ton Eşdeğer Petrol Yanma Havası Soğutucusu 5

6 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 1.1. Türkiye Elektrik Enerji Arzı Şekil 2.1. Kojenerasyon ve Konvansiyonel Sistemlerle Enerji Üretimlerinin Sankey Diyagramı Karşılaştırılması Şekil 2.2. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sisteminde Kullanılan Motor Tipi (500 kw) Şekil 2.. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sisteminde Kullanılan Motor Tipi (750 kw) Şekil 2.4. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemi Prensip Şeması Şekil 2.5. Bazı Yakıtların Isıl Değerleri Şekil 2.6. Tipik Yıllık Yük Eğrisi Şekil 2.7. Gaz / Dizel Motorlu Kojenerasyon Tesisi Şeması... 0 Şekil.1. Absorbsiyonlu Soğutma Çevrimi... 4 Şekil 4.1. Analizi Yapılacak Sistemin Şematik Görünümü... 6 Şekil 4.2. Yanma Havası Soğutucusunun Şematik Görünümü... 7 Şekil 4.. Baca Isı Değiştiricisinin Şematik Görünümü... 8 Şekil 4.4. Motor Yağı Soğutucusun Şematik Görünümü... 9 Şekil 4.5. Ceket Suyu Soğutucusunun Şematik Görünümü... 9 Şekil 4.6. Ekonomayzerin Şematik Görünümü Şekil 4.7. Doğalgaz İçin I-t Diyagramı Şekil Bar Basınçta Doymuş Buhar ve 78 C de Sıcak Su Üretilen Sistemin Şematik Görünümü Şekil C de Sıcak Su Üretilen Sistemin Şematik Görünümü

7 ÇİZELGE LİSTESİ Çizelge 1.1. Türkiye nin Yıllara Göre Birincil Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzı Çizelge 1.2. Türkiye nin Yıllara Göre Birincil Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzının Paylara Göre Dağılımı (%)... 1 Çizelge 1.. Türkiye de Yıllara Göre Yerli ve İthal Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzının Paylara Göre Dağılımı... 1 Çizelge 1.4. Türkiye Kurulu Güç ve Elektrik Üretiminin Yıllar İtibariyle Gelişimi Çizelge 2.1. Bazı Yakıtların Metan Sayıları Çizelge 4.1. Doğalgazın Kimyasal Bileşimi (%) Çizelge 4.2. Doğalgaz İçin I-t Tablosu Çizelge 4.. Doymuş Buhar ve Sıcak Su Debi ve Sıcaklıklarını Gösteren Tablo Çizelge 4.4. Doymuş Buhar ve Sıcak Su Elde Edilen Sistemin Verimini Gösteren Tablo Çizelge 4.5. Sistemdeki Sıcak Su Debi ve Sıcaklıklarını Gösteren Tablo Çizelge 4.6. Sıcak Su Elde Edilen Sistemin Verimini Gösteren Tablo

8 ÖZET Kojenerasyon (Bileşik Isı Güç Sistemleri) aynı anda elektrik ve ısı enerjisini bir tekil ısı kaynağından elde eden ısıl sistem olarak tanımlanabilir. Endüstriyel ve konut uygulamaları için bu enerji türlerinden her ikisine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bileşik Isı Güç Sistemlerinde en önemli amaç yakıtın enerjisinden en üst düzeyde yararlanmaktır. Isı ve mekanik enerjinin ayrı ayrı üretildiği klasik tesislerin toplam faydalı enerji yönünden yararlanma oranı %55 65 civarında olmasına karşılık kojenerasyon tesislerinde bu değer %80 90 civarındadır. Kojenerasyon sistemlerinde kullanılan yöntemlerden biri de gaz motorlu kojenerasyon sistemleridir. Gaz motorlu kojenerasyon sistemlerinde motorda elektrik elde edilmesinden başka atık ısılardan da yararlanılmaktadır. Gaz motorlarında geri kazanılabilecek atık ısılar; motora alınan yanma havasının soğutulmasından kazanılan ısı, motorda dolaşan yağlama yağından kazanılan ısı, motor ceket suyu soğutucusundan kazanılan ısı ve duman gazından kazanılan ısıdır. Bu ısılar geri kazanıldığı takdirde sistemin verimi %80-90 ları ulaşmaktadır. Bu çalışmanın amacı ise gaz motorundan değişik basınçlarda doymuş buhar ile birlikte sıcak su üretimini ve sadece sıcak su üretiminin karşılaştırılarak hangi yöntemle atık ısıdan daha yararlı faydalanılabileceğini incelemektir. Anahtar Kelimeler: Kojenerasyon Sistemleri, Gaz Motorları, Termodinamik Analiz 8

9 TEŞEKKÜR Bu çalışmamın her aşamasında yardımlarını ve değerli görüşlerini benden esirgemeyen Danışman Hocam Sayın Prof. Dr. İsmail Teke ye sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca tezin hazırlanma aşamasındaki yardımları ve desteklerinden dolayı İGDAŞ Endüstriyel Proje Onay ve Tesisat Kontrol Şefi Sayın M. Yalçın HABERDAR a ve sabırlarından dolayı kıymetli aileme teşekkürlerimi sunarım. Mustafa ARDA İstanbul,

10 1. GİRİŞ Küreselleşen dünyamızda enerji ihtiyacının artması, yakıt rezervlerinin her geçen gün azalması ve buna bağlı olarak çevre kirlenmesi, insanoğlu için giderek artan bir tehdit olmaya başlamıştır. Ozon tabakasının sürekli olarak incelme meylinde olması insanlığın geleceğini tehdit etmektedir. Yapılan araştırmalar sonucu 2005 yılı sonu itibariyle Dünya bilinen petrol rezervinin 2040, doğal gazın 2065 ve kömürünün 2227 yılında tükenecek olması öngörülmektedir. Bu durum ise alternatif enerji kaynaklarının araştırılması ve projelerin artmasına sebep olmaktadır. Ayrıca enerji israfından vazgeçilmesi ve enerjiyi en yüksek verimle kullanabilecek teknolojik yenilikleri de gerçekleştirmek için özel çaba sarf edilmesi gereklidir. Geçen yüzyıldan bu yana dünyamızda enerji üretimi 100 kat, çevre kirliliği ise 50 kat artmıştır. Bu artışların ortalama %55'i son yirmi yıl içerisinde olmuştur. Yine geçen yüzyıldan bu yana fosil yakıt kullanımı ve hava kirliliği 0 kat altmıştır. Bitki ve hayvan türlerinin %20'si yok olmuş, orman yüzölçümü %25 azalmış, 480 milyon hektar toprak erozyona uğramıştır. Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Teşkilatına (OECD) bağlı ülkelerde yılda 20 milyon ton oksijen tüketici madde deniz, göl ve nehirlere endüstriyel atık olarak atılmakladır. Bu olumsuzluklar enerjinin gerek üretim gerekse kullanma aşamalarında rasyonel değerlendirilmemesinden kaynaklanmaktadır[1] Enerji Üretimine Yaklaşımlar Sanayi ülkelerinde enerji açığını kapatmak ve bu çevresel sorunların yok edilmesi ya da en azından insan sağlığını tehdit etmeyecek düzeye indirilmesi amacıyla çok çeşitli enerji politikaları uygulanmaktadır. Bu politikalar arasında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı önemli yer tutmaktadır. Bunlar arasında; rüzgar, jeotermal, dalga ve güneş enerjisi yer almaktadır. Fakat bu santrallerin her zaman ve her yerde kullanılması mümkün olmamaktadır. İkinci bir seçenek ise nükleer enerji santralleri olmaktadır. Fakat hem yatırım maliyetlerinin yüksek olması hem de risk faktörlerinin yüksek oluşu, hatasız çalışmayı gerektirmeleri bu tesislerin negatif yönünü oluşturmaktadır. Meydana gelecek bir radyoaktif madde sızıntısı yüzlerce yıllık bir negatif etkiye sahip olabilecektir. Enerji üretim aşamasında 10

11 ısı enerjisinin diğer enerji türlerine verimli bir şekilde dönüştürülebilme imkanları, atık enerjilerin değerlendirilmesi, üretilen enerjinin optimum dağıtımı ve kullanımı, fosil yakıt tükenme hızını ve olumsuz çevresel etkileri azaltacaktır. Isı ve mekanik enerjinin birlikte üretildiği kojenerasyon tesisleri, enerji ve ekserji üretim verimliliği, enerji üretim maliyeti ve ekoloji yönünden ısı ve mekanik enerjinin ayrı ayrı üretildiği klasik tesislere göre daha yüksek performansa sahip olduğu bilinmektedir. Günümüzde bu tesislerin performansını daha da artırabilmek için muhtelif kriterlere dayalı olarak performans optimizasyonları üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Kojenerasyon konusu, özellikle enerji sektörünün çok hassasiyetle üzerinde durmaları gereken bir konudur. Kojenerasyon sistemlerinin ekonomik ömürleri saat mertebesindedir. Bu da yaklaşık yıla karşılık gelmektedir. Enerjiyi akılcı ve verimli kullanan kurum ve kuruluşlar daha fazla rekabet etme imkânına kavuşacaklardır. Kojenerasyon, dünyada yıllardır üzerinde çalışma yapılan ve uygulamaları olan bir konudur. Ülkemizde ise, özellikle son yıllarda bu konu, pratik ve teorik anlamda gelişmeye başlamıştır. Bu konuda çalışan firma sayısı artmıştır. Özellikle yeni yeni sanayileşme sürecine girmiş olan GAP bölgesinde, firmalarımızın bu konuda çalışmaları kendilerine açılım ve enerjiyi verimli kullanma fırsatı vermiş olacaktır. Uluslararası enerji piyasalarındaki verimlilik 2006 yılı itibariyle kojenerasyon tesislerinin kullanılması sonucu artmıştır. Kojenerasyon kapasitesinin toplam enerji üretimindeki payının %40 olduğu Danimarka da verimliliğin ortalama değeri %72 ye ulaşmıştır. Ayrıca en verimli enerji üretim teknolojisi olan kojenerasyon sayesinde yine 2006 senesi elde edilen verilere göre Avrupa Birliği ülkelerinde ise toplam 280 milyon ton CO 2 tasarrufu yapılmıştır. Bu tasarruf AB ülkelerine yıllık 50 milyar Euro kazandırmıştır. Enerji bağımlılığını yıllık olarak 1500 PJ oranında azaltarak tasarruftan doğan mali kazanç ise yılda 0 milyar Euro dur. Avrupa Birliği ülkelerinde 2006 yılına kadar olan kojenerasyon ile enerji üretimi toplam enerji üretiminin %12 si kadar olup 2010 yılına kadar bu oranın %18 e çıkması beklenmektedir[1] Enerji Kaynakları ve Türkiye'de Elektrik Üretimi Ülkemizde enerji üretim ve tüketiminin farklı eğilimlerle gelişim göstermesi, uygulanan yanlış enerji politikaları sonucunda, 1970 yılında %76 olan üretimin tüketimi karşılama oranı 2000 yılında %5, 2004 yılında ise %28 değerine düşmüştür. Önümüzdeki yıllar için yapılan 11

12 enerji projeksiyonlarında bu azalmanın hızlı bir şekilde devam ederek, 2020 yılında üretimin tüketimi karşılama oranının %24 değerine düşmesi beklenmektedir. Bu durum ülkemizin enerji açısından dışa bağımlılığının artmasına yol açacaktır. Hem sanayide, hem de konut ısıtmasında gerekli olan elektrik enerjisinin ve ısıl enerjinin aynı kaynaktan karşılanması ile yapılacak olan enerji tasarrufu çevre kirliliğini ve dışa bağımlılığımızı azaltırken, kaynaklarımızın hızlı tükenmesini de önleyecektir. Günümüzde, sanayileşme ve kalkınmanın en önemli girdileri arasında yer alan enerji, bütün dünya ülkelerinde olduğu gibi ülkemizde de önemini ve güncelliğini sürdürmektedir. Enerji kullanımı, endüstrileşme ve ekonomik gelişme ile yakından ilgili olup, enerji tüketimi, refah seviyesinin yükselmesiyle hızla artmaktadır. Ülkemizde de hızla artan enerji talebinin karşılanması zor olup, enerji kaynağının seçiminde dikkatli olunması gerekmektedir. Türkiye, yüksek bir değer olan %1,7 lik büyüme oranı ile Avrupa ülkeleri arasında ilk sırada yer almaktadır. Artan nüfus ve ekonomik hareketlilik gibi faktörler nedeniyle enerji talebi de artan Türkiye nin yıllara göre birincil kaynaklardan yapılan genel enerji arzı Çizelge 1.1 de, bu kaynakların paylara göre dağılımları da Çizelge 1.2 de verilmiştir. Çizelge 1.1. Türkiye nin Yıllara Göre Birincil Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzı 12

13 Çizelge 1.2. Türkiye nin Yıllara Göre Birincil Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzının Paylara Göre Dağılımı (%) Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından yapılan çalışmalara göre Çizelge 1. den belirtildiği gibi, yılları arasında düşüş gösteren toplam yerli üretimin genel enerji arzındaki payına karşın, ithal edilen enerji hızlı bir şekilde artmıştır yılında genel enerji arzındaki yerli-ithal oranı yaklaşık %50 olurken 2005 yılı sonuna gelindiğinde, enerji talebinin ancak %28,82 si yerli kaynaklardan karşılanabilmektedir. Çizelge 1.. Türkiye de Yıllara Göre Yerli ve İthal Kaynaklardan Yapılan Genel Enerji Arzının Paylara Göre Dağılımı Ülkemizde 2005 yılı sonu itibariyle toplam elektrik üretimi ,8 GWh e ulaşmış olup, Çizelge 1.4 den görüleceği üzere, 2005 yılı sonuna gelindiğinde toplam 8.819,9 MW kurulu 1

14 gücün %66,6 sını termik, %,2 sini hidrolik ve yaklaşık %0,1 ini jeotermal ile rüzgar santralleri oluşturmaktadır. Çizelge 1.4. Türkiye Kurulu Güç ve Elektrik Üretiminin Yıllar İtibariyle Gelişimi Türkiye nin elektrik enerjisi arzındaki büyüme miktarı Şekil 1.1 de görülebilmektedir yılında 10 milyar kwh/yıl olan elektrik enerjisi arzı 2000 yılında 14 milyar kwh/yıl, 2010 yılında 290 milyar kwh/yıl ve 2020 yılında ise 547 milyar kwh/yıl a ulaşacağı tahmin edilmektedir. Şekil 1.1. Türkiye Elektrik Enerji Arzı 14

15 Söz konusu talebi karşılamak için 2010 yılı sonuna kadar yaklaşık MW'lık kapasitenin sisteme ilave edilmesi gerekmektedir yılına gelindiğinde, mevcut kapasiteye MW'lık bir ilave daha yapılması gerekmektedir. Bu da 2010 yılına kadar mevcut sistem yılda ortalama 500 MW kurulu güç ilavesi, başka bir ifadeyle, her yıl ortalama,5 milyar dolarlık bir yatırım ihtiyacını zorunlu kılmaktadır. İletim ve dağıtım sistemine yapılacak ilave yatırımlar ile bu miktar yılda 4,5 milyar dolara yükselmektedir. Söz konusu yatırımın tümüyle ülkemizin kamu kaynakları tarafından karşılanması mümkün değildir. Bu nedenle, özel sektörün elektrik enerjisi üretimine teşviki, bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bugün ülkemizde işletmede olan toplam 5000 MW lık kojenerasyon tesisi sayesinde 2004 yılında milyon TEP yakıt tasarrufu sağlanmıştır. Bu tasarruf, 2004 yılında kullandığımız toplam 88 milyon TEP enerjinin %,4 üdür ve parasal değer olarak bugünkü petrol fiyatlarıyla yaklaşık 1 milyar dolardır[1]. 2. KOJENERASYON 2.1. Tanımı Tek bir sistemden eş zamanlı olarak elektrik ve/veya mekanik güç ile kullanılabilir ısı üretilmesi demek olan kojenerasyon veya diğer adıyla Bileşik Isı ve Güç Üretimi tekniğinde ana kaynak; kullanılan gaz türbini veya gaz motorunun jeneratör gücü ile motor soğutma ısısı, yağlama yağı ve egzoz gazının ısısıdır. Konvansiyonel enerji üretim sistemleri (Termik santrallerde elektrik, kazanlarda ısı üretimi) çevreyi kirletmekte ve birincil enerjinin yaklaşık %55-65 i atık ısı olarak kaybedildiğinden ekonomik olmamaktadır. Buna karşılık bir kojenerasyon sisteminde elektrik üretimi sırasında ortaya çıkan ısı, eşanjörler yardımıyla çeşitli ısı ihtiyaçları için (Sıcak su, buhar, absorpsiyonlu soğutma vb.) değerlendirilebilmektedir. Gaz ile çalışan CHP (Combined Heat and Power) sistemlerinde elektrik ve ısının eş zamanlı üretilmesi ile %80-90 değerinde verimlere ulaşılabilmektedir. Böylece birincil enerjinin atılan kısmı minimize edilmektedir. Bu yüksek sistem verimi sayesinde kojenerasyon sisteminde, ilk yatırım tesis giderini 1,5- sene gibi çok kısa bir sürede geri ödenebilmektedir. 15

16 Şekil 2.1 de konvansiyonel ve kojenerasyon sistemleri ile enerji üretimi bir Sankey diyagramı üzerinde karşılaştırılmıştır. Şekilden de görülebileceği gibi; 40 birim elektriksel, 50 birim ısıl güce ihtiyacı olan bir tesisin bu ihtiyaçlarını karşılamak için; konvansiyonel sistemde 168 birim enerji gerekirken, kojenerasyon sistemi ile 100 birim enerji yeterli olmaktadır[2]. Şekil 2.1. Kojenerasyon ve Konvansiyonel Sistemlerle Enerji Üretimlerinin Sankey Diyagramı Karşılaştırılması Şekil 2.2 den de görüleceği gibi, kojenerasyon sistemi, tüm ısı makinelerinin çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanmayı amaçlar. Bir ısı makinesinde üretilen işin (W), alınan ısı enerjisine (Q H ) oranı, ısıl verim, η dir. W η = Q H (2.1) Bu ısıl verime kojenerasyon uygulamalarında elektrik çevrim verimi adı da verilmektedir. Çevreye aktarılan ısıl enerji, Q L, kojenerasyon sisteminde kullanılan ısıdır. Böylece enerjiden yararlanma oranı (EYO) maksimum düzeye çıkartılmaktadır. 16

17 EYO = W + Q H (2.2) EYO ya kojenerasyon uygulamalarında toplam verim de denilmektedir. Her ne kadar EYO, termodinamiğin birinci yasasına göre 1 olsa da, uygulamada atık ısının tümünden yararlanılamadığından bu mümkün olmamaktadır. Bu atık ısıdan, doğrudan ısı olarak yararlanılmadıkça, ısıdan faydalanma verimi %5 55 aralığında olan uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Bileşik çevrimde Ambarlı Çevrim Santralı dünyadaki en iyi örneklerinden biri olmasına rağmen bu verim değeri %50 civarında kalmaktadır. Oysa atık ısıdan, tekrar ısı olarak faydalanılan kojenerasyon sisteminde toplam sistem verimini yani Enerjiden Yararlanma Oranını (EYO) %80-90 lara dek çıkarmak mümkün olmuştur. Bileşik ısı güç santrallerinde üretilen işin(elektriğin) faydalanılan ısıya oranı, elektrik ısı oranı (EIO) diye tanımlanır. Termodinamiğin birinci yasası uyarınca ısıl verimle de gösterilebilir. EIO, kojenerasyon sisteminin önemli özelliklerinden biridir. W η EIO = = Q 1-η L (2.) Türbinlerde ise genellikle EIO nın tersi (1 / EIO) olan ısı oranı temel parametrelerden birisi olarak verilir. QL 1-η Isı Oranı = = W η (2.4) 2.2. Kojenerasyonun Önemi Hayatımızın temelini oluşturan enerji kavramının, yönlendirilmesinin en zor biçimi olan ısıl enerji, insanlığın ilk ve önemli keşiflerinden biri olan ateşe birlikte bizi meşgul etmektedir. Fakat ne yazık ki insanlar enerjiyi gittikçe kendileri için değil, kendilerine karşı kullanmaya başlamışlar ve bu hatayı yaşama düzeylerinin yükselmesi olarak yorumlamışlardır. Şöyle ki; geçen yüzyıldan bu yana dünyada üretim 100 kat, çevre kirliliği ise 50 kat artmıştır. Bu artışların ortalama %55 i son 20 yıl içinde olmuştur. Yine geçen yüzyıldan bu yana fosil yakıt kullanımı ve hava kirliliği 0 kat artmıştır. Bu artışın %60 ı yılları arasıda gerçekleşmiştir. Bu arada bitki ve hayvan türlerinin %20 si yok olmuştur. Ozon tabakasında 17

18 %-6 arası incelme olmuştur. Orman yüz ölçümü %25 azalmış, 480 milyon hektar toprak erozyona uğramıştır. Nükleer reaktörler yılda 85 milyon m radyoaktif atık üretmekte, yalnızca OECD ülkelerinde yılda 20 milyon ton oksijen tüketici madde deniz, göl ve nehirlere evsel ve endüstriyel atık olarak atılmaktadır yıllar arasında ortalama yıllık nüfus artışı %2,5 olan ülkemizdeki durum da hiç farklı değildir. Bu olumsuzluklar enerjiyi özellikle ısıyı yanış kullanmamızdan ve en önemlisi yanlış yöntemlerle üretmemizden kaynaklanmaktadır. Ülkemizde yılda 20 milyon TEP olan tüketimin %1 nini odundan, %20 sinin kömürden, %20 sinin petrolden, %14 ünün hayvan ve bitki artıklarından, %11 inin elektrikten, %4 nün doğalgazdan karşılandığı düşünülürse enerji üretiminde izlenecek yolun çevre kirliliği, ekonomi ve dışa bağımlılık üzerindeki etkileri daha net görülebilir. Söz konusu enerji tüketiminin %41 i konut ısıtmasında, %5 i sanayide, %20 si ise ulaşımda kullanılmaktadır. Sanayide harcanan enerjinin sektörel dağılımı %8 metal, %25 toprak, %16 kimya, %9 kağıt, %6 tekstil kolları şeklindedir. Dolayısıyla hem sanayide hem de konut ısıtmasında gerekli olan elektrik enerjisinin ve ısıl enerjinin aynı kaynaktan karşılanması ile yapılacak olan enerji tasarrufu çevre kirliliğini ve dışa bağımlılığımızı azaltırken kaynaklarımızın hızla tükenmesini de önleyecektir. Tüm dünyada her yıl şebeke santrallerinde üretilen elektrik enerjisinin iletim ve dağıtım hatlarında oluşan kayıplardan dolayı Almanya, İngiltere, Fransa ve İspanya nın toplam enerji ihtiyaçlarına denk bir kısım kaybedilmektedir. Dünya daki termik güç santrallerinin verimlilik ortalaması %4 tür. Bu değer son 40 yıldır yükseltilememektedir. Tüm dünyada düşük verim ve kayıplardan dolayı her yıl 400 milyar $ enerji sektöründe kaybedilmektedir. Bu sebeplerden dolayı Hollanda, Danimarka ve Finlandiya gibi ülkelerde toplam enerji üretiminin %0 una kadar çıkan kojenerasyon sistemleri Kyoto Anlaşmasına taraf olmuştur. Avrupa Birliği içerisinde daha da önem verilerek kojenerasonun payının hızla artırılması kararı alınmıştır. Ayrıca Amerika da da kojenerasyon sistemlerinin gelişmesi için çeşitli stratejiler geliştirilmiştir. Bundan dolayı elektrik ve ısı enerjisinin aynı kaynaktan karşılanması yöntemi, yani kojenerasyon teknolojisi oldukça önemlidir[]. 18

19 2.. Kojenerasyon Sisteminin Ülkemize Sağladığı Faydalar Yüksek enerji çevrim verimi sayesinde senede 2 milyon ton Fuel-Oil eşdeğeri yakıt tasarrufu sağlayarak piyasa şartlarında 60 milyon $ tasarruf yaptırmaktadır. Çevre dostu olması sayesinde 2000 MW Türbinli, 1500 MW motorlu kojenerasyon sistemi ile ülkemizde bu güçte elektrik üretimi yapacak kömürlü santraller ile karşılaştırırsak 1900 TE CO 2 (%50) sera etkisi yaratacak emisyon tasarrufu sağlamıştır. Çok çeşitli yakıtlar kullanılabilmesi özelliği ile sadece doğal gaza dayalı değil, diğer yakıtları kullanarak katma değer yaratmaktadır. Tüketim bölgelerinin yanına kuruluklarından iletim ve dağıtım hat kayıplarının olmaması özelliği ile senede MWh elektrik enerjisi tasarruf edilmekte olup, yıllık maddi değeri 196 milyon $ dır. Ucuz ve kaliteli enerji üretimi özelliği ile yatırımcılarına kojenerayon sistemleri şebeke fiyatının yarısına enerjilerini üretme imkanı sağladıkları için dünya piyasalarında daha fazla rekabet edebilme imkanı verecektir[] Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemleri Gaz motorlu kojenerasyon sistemleri; gaz türbinli sistemlere göre daha düşük atık ısı enerjisi sağladıklarından ve çok çeşitli güçlerde üretilebildiklerinden dolayı, özellikle elektrik ihtiyacı, ısı ihtiyacından daha fazla olan yani elektrik ısı oranı (Birleşik ısı güç santralında üretilen işin-elektriğin, kullanılan ısıya oranı) yüksek olan endüstriyel uygulamalarda (toplu konut, tatil köyleri, büyük oteller) optimum çözümler olarak karşımıza çıkmaktadır. Gaz motorlu kojenerasyon tesisinde kullanılan motor tipi Şekil 2.2 ve Şekil 2. de gösterilmiştir. 19

20 Şekil 2.2. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sisteminde Kullanılan Motor Tipi (500 kw) Şekil 2.. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sisteminde Kullanılan Motor Tipi (750 kw) 20

21 Pistonlu bir gaz motorunda yanan yakıtın enerjisinin (birincil enerjinin); %5-40 lık bir kısmı mekanik güce, %0-5 lik bir kısmı motor gömlek ısısına, %25 0 luk bir kısmı egzoz ısısına ve %7-10 luk bir kısmı radyasyon enerjisi şeklinde kayıp enerjiye dönüşmektedir[1]. Enerji dağılımından yola çıkarak, ortaya çıkan atık ısı enerjisi, sitemdeki üç unsurdan elde edilir. Bunlar; gaz motorunun yağlama devresi, egzoz gazları, silindir bloğu soğutma devresidir. Şekil 2.4 de gaz motorları kullanılan bir kojenerasyon tesisinin prensip şeması görülmektedir. Atık ısıları geri kazanım için kullanılan eşanjörler sistemini çeşitli modifikasyonlarda tasarlamak mümkündür. 21

22 Şekil 2.4. Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemi Prensip Şeması 22

23 Kojenerasyon sistemlerinde gaz motorlu uygulamaların tercih nedeni ve sağladığı avantajlar aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır: En yüksek miktarda elektriği üretebilecek, (elektrik ısı oranı 0,8) toplam %40 a varan elektrik çevrim verimi ile elektrik tüketiminin ısıl tüketimine oranla daha yüksek olduğu durumlarda seçilmesi uygun olan çözüm alternatifleridir. Bu özellikleri ile gaz motorları elektrik ihtiyacının yanı sıra, ısıtma ve/veya soğutma amaçlı ısı enerjisi gereksinimi duyan; toplu konut, tatil köyleri, oteller, yüzme havuzlu spor kompleksleri, üniversite kampüsleri gibi uygulama alanlarında çok uygun çözümler olarak karşımıza çıkmaktadır. Toplam çevrim verimi, %85 ile %91 arasında değişen türbinli sistemlerle karşılaştırıldığında, türbinli CHP (Combined Heat and Power Bileşik ısı ve güç) sistemlerinde elektrik çevrim verimi arttıkça toplam çevrim veriminin önemli miktarda düştüğü görülmektedir. Fakir karışım veya katalizörlü yakma sistemlerinin çevre dostu temiz doğal gazla kombinasyonu sayesinde, çok düşük zararlı emisyon seviyesi yakalanabilir. Modern fakir karışım yanma sistemlerine sahip motorlar NO x emisyonlarını azaltmak için katalizöre ihtiyaç duymaksızın, binlerce saat izin verilen emisyon değerlerinin altında çalışabilmektedir. Kısmi yük verimlilikleri ve çok modüllü konfigürasyon, gaz motorlu kojenerasyon sistemlerinin en esnek CHP sistemi yapmaktadır. Kısmi yükte çalışma durumunda verimin önemli miktarda etkilenmemesi ve modüllerin gerektiğinde sırayla devreye girip çıkma imkânları, sistemin elektrik ve ısı talebinde gün içinde olagelen talep değişikliklerini ve EIO değişimlerini rahatça telafi etmesine izin verir. Bu da gün bazında enerji maliyetlerinin en aza indirilmesine yardımcı olur. Kısa zamanda devreye alınıp, kısa zamanda devre dışı bırakılabilmesi, bir kolaylığıdır. Aynı zamanda, gaz motoru, tesisin az devre elemanı içermesinden dolayı, diğer sistemlere göre daha kısa zaman sürelerinde tesis edilebilmesi ve tesis iç tüketimlerinin az olması, gaz motoruna yıllar boyu %98 in üzerinde bir emre amadelik oranı sağlar. Gaz motorları denilince, yakıt olarak ilk önce doğalgaz akla gelmekte fakat atık arıtma tesislerinden kanalizasyon gazı (Sewage gas), çöp depolama tesislerinden çöplük gazı (Landfill gas) ve benzer şekilde biyogaz, kok gazı vb. yakıtlarda kullanılabilmektedir. Üstelik atıklardan elde edilen bu gazlar elektrik ve ısı üretmek için direkt olarak kullanılabilir. Bunların direkt olarak motorlarda yakılmasıyla, değerlendirilmeleri için 2

24 önce yakıp buhar üretmek, bununla da bir buhar türbini çevirmek gibi ara işlemler gerekmemektedir[] Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemi Seçim Kriterleri Kullanılan Yakıt Kojenerasyon teknolojisi, kullanılan gazların ekolojik ve ekonomik anlamda daha cazip olmasını sağlar. Bu sistemlerde düşük metan sayılı 0.54 kwh/nm lük bir ısıl değere sahip kimyasal endüstriden elde edilen gazlardan, 0 kwh/nm lük bir ısıl değere sahip bütana kadar birçok yakıt kullanmak olasıdır. Bu yakıt türlerinden bazı örnekler ve ısıl değerleri Şekil 2.5 da görülmektedir. Şekil 2.5. Bazı Yakıtların Isıl Değerleri. Şekil 2.5 deki yakıtların yanı sıra dizel türü ağır yakıtlar kullanılan motorlar, LPG ile çalışan sistemlerde çeşitli kojenerasyon uygulamalarında kullanılmaktadır. 24

25 Isıl değerler incelendiğinde, çöplüklerde, kanalizasyonlarda ve bu gibi atıklarda adeta enerji hazinelerinin yatmakta olduğu görülmektedir. Bu atıkların kontrolsüz bir şekilde çevreye atılmasıyla, sadece çevreyi kirletmekle kalınmamakta, aynı zamanda enerji kaynakları da kullanılmamaktadır. Enerji kaynağı olarak kullanımı düşünüldüğünde, Şekil 2.5 de verilmekte olan ısıl değerler alınarak yapılan hesaplarda 2 kwh elektrik enerjisi ve 1,2 kwh ısıl enerji için; 5 7 kg biyoatık, 5 15 kg çöp, 8 12 kg ters-organik atık, 4 7 m şehir kanalizasyon suyu yeterli olmaktadır. Türkiye gibi sürekli enerji kesintilerinin gündemde olduğu ve devamlı nükleer ve termik santral tartışmalarının yapıldığı bir ülkede, çöplükler ancak patladığında akla gelmektedir. Oysa buralarda oluşan gazlar değerlendirilirse hem çöplükler daha güvenli bir hale gelebilecek hem de enerjideki dar boğazın aşılabilmesinde önemli katkılar sağlayacaktır. Gaz motorunda kullanılan bir yakıtın en önemli özelliklerinden biri de vuruntu direncidir. Gazın vuruntu direncini de Metan Sayısı belirler. Çizelgede 2.1 de bazı yakıtların metan sayıları görülmektedir[1]. 25

26 Çizelge 2.1. Bazı Yakıtların Metan Sayıları Benzinli motorlarda Oktan Sayısının vuruntu kriteri olduğu ve sıkıştırma oranı ile ateşleme açısının buna göre belirlendiği bilinmektedir. Gaz yakıtlı Otto motorlarında ise yakıtın uygunluğunu tespit etmek için hesaplanması gereken vuruntu kriteri metan sayısıdır. Metan sayısının 100 e yakın veya üzerinde olması, sıkıştırma oranını yükseltme ve böylece mekanik verimi arttırma olanağı sağlar. Bu koşulda, motor sıkıştırma oranı 12,5:1 seçilerek ve gaz motoru için oldukça yüksek sayılabilecek olan %41 lik bir verime ulaşmak mümkündür. 26

27 Atık Isının Kullanım Çeşitleri Isının geri kazanım türleri aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir: Ortam ısıtma: Sıcak su, buhar, sıcak hava Kurutma prosesi: Sıcak su, buhar, sıcak hava veya gaz Kazan besi suyu ön ısıtma: Kızgın su Yağ alma ve temizleme: Sıcak su Proses buharı sağlama: boru testi, çamaşırhane vs. Kızgın buhar üretimi: Kombine çevrimli santral Ergitme (plastik) : Kızgın yağ üretme Absorpsiyonlu soğutma makinesi: İklimlendirme sistemi Sıcak su ve buhar üreten sistemlerde ise atık ısının; gaz motorlarında yaklaşık %70 i sıcak suya, %0 u buhar fazına geçmektedir Elektrik Isı Oranları Elektrik ısı oranları, gaz motorlarında %80 civarındadır. Yani 100 kw elektrik enerjisi üreten bir gaz motoru, aynı zamanda ilave bir birincil enerji (gaz-yakıt) kullanmaksızın 125 kw ısı enerjisi üretmektedir. Daha basit bir biçimde açıklandığında, C sıcak su ile çalışan bir sistem ile yaklaşık kg/h debisinde sıcak su üretilir. 125 kw lık bir ısı enerjisi de kış şartlarında 100 m² lik 0 dairelik bir binanın ısıtmasını karşılayabilecek bir kapasitededir. Kojenerasyonu asıl verimli kılan; çalışma saatini maksimuma çıkarıp, elektrik ve atık ısınında sürekli kullanılmasını sağlamaktır. Bu yüzden elektrik ve ısı ihtiyaçları ile elektrik ısı oranı değiştikçe bu değişimi kompanse edebilecek sistemlere ihtiyaç vardır. Bu sistemlerin başlıcaları şunlardır: Birden fazla modül kullanmak: Kojenerasyon sistem seçiminde Şekil 2.6 deki gibi bir yıllık yük eğrisini belirlemek çok önemlidir. Bu eğriden yola çıkarak özellikle gaz motoru kullanılacak sistemlerde birden fazla modül kullanmak daha ekonomik olabilmektedir. Bunu daha kaba ve basit anlatacak olursak; gece-gündüz, yaz-kış, hafta sonu-hafta içi elektrik ve ısı kullanımlarında büyük farklar olmasıdır. Fakat kullanılacak ikinci ve sonraki modüller enerji ihtiyacının artması ile devreye gireceği için modüllerin amorti süreleri de değişecektir. Şekil 2.6 deki modüllerden 1. Modül 27

28 kendini en önce amorti ederken yukarı doğru diğer modüllerin amortisman süreleri sırasıyla artmaktadır. Şekil 2.6. Tipik Yıllık Yük Eğrisi Isı akümülatörleri kullanmak: Isı üretiminin ihtiyaçtan fazla olduğu durumlarda ısı akümülatörleri doldurularak, ihtiyacın üretimden fazla olduğu durumlarda ısıyı akümülatörlerden çekerek toplam verimin mümkün olduğunca düşmemesi sağlanır. Şebekeyle senkronize çalışmak: Elektrik üretiminin tüketimi karşılayamadığı durumlarda şebekeden elektrik çekerek, fazla üretim halinde de şebekeye elektrik satarak, sistemin tam yük ve maksimum verimde çalışması sağlanır. 28

29 Doğrudan bypass bacası ve damper sistemi kullanarak, ısı gerekli olmadığında ısıyı dışarıya atmak. En verimsiz işletme şekli bu şekilde olur ki, tüm ısının atılması halinde %80 civarında olan toplam verim (Enerjiden Yararlanma Oranı) %0 lara düşer. Pik yük boyleri ve/veya chilleri kullanmak: Şekil 2.6 deki yıllık ısı gereksinimi eğrisinden görüleceği üzere, toplamda az bir süre olsa da, bazı zamanlarda ısı gereksinimi toplam kojenerasyon ısı üretimini aşmaktadır. Bu pik durumları karşılamak için ilave kojenerasyon modülü koymak verimsiz olacaktır. Çünkü kojenerasyon modülleri yılda 65 gün, günde 24 saat (bakım için durmalar hariç) işletilecek şekilde tasarlanmışlardır. Bu çalışma şartlarında kendisini yaklaşık 2,5 yılda amorti edecektir. Oysa çalışma süresi azaldığında, bu amortisman süresi çok artacaktır. Bu tür pik durumlar için ilave bir boyler veya soğutma ihtiyacı için pistonlu bir chiller kullanmak daha ekonomik olacaktır Diğer Parametreler Gaz motorlarının daha kolay devreye alınabilmesinden dolayı senelik start sayıları fazla olan işletmeciler için gaz motoru kullanımı kaçınılmaz hale gelir. Ortam Sıcaklığı: Gaz motorları, ortam sıcaklığına çok fazla duyarlı olmadığından, bazı uygulamalarda gaz motoru kullanımı zorunlu hale gelir. Elektriğin Kalitesi: Elektrikteki frekans ve gerilim hassasiyetinin yüksek olduğu işletmelerde bazen sistemin karlılığına ya da şebeke elektriğinin sürekliliğine bakmaksızın, kojenerasyon yatırımı zorunlu hale gelir. Özellikle hassas elektronik cihazların bulunduğu tesislerde (tekstil, bilgisayar, vs.) frekans ve gerilim değerlerinin toleransı çok azdır. Tesiste bu türden sorunlar varsa, kojenerasyon bu kuruluş için kaçınılmaz olmaktadır Gaz Motorlu Kojenerasyon Sistemlerinde Atık Isı Kazanımı Bir kojenerasyon sisteminde ısı geri kazanımı, güç üretme sürecinden atılan ısının kullanılabilir ısı enerjisine dönüşümünüdür. Bu atık ısının kullanımı, yakıcılarda kullanılacak yakıt miktarında azalmaya neden olur. Elektrik üretiminin her ünitesinden geri kazanılabilen 29

30 kullanılabilir ısı miktarı; kojenerasyonda kullanılan güç üretim sistemine, düzenlemesine ve ihtiyaç duyulan ısı enerjisinin niteliklerine bağlıdır. Bunlar içersinde güç üretim sistemlerinden atılan atık ısının niteliği de farklı olduğundan kullanım yerinin ihtiyacı olan ısı enerjisi güç üretim sisteminin belirlenmesinde önemli bir faktördür[2]. Şekil 2.7. Gaz / Dizel Motorlu Kojenerasyon Tesisi Şeması Motorlarda yanma şarj havası soğutma suyu, motor ceketi soğutma suyu, motor yağı soğutma suyu, egzoz gazları ve baca soğutma suyu olmak üzere 5 adet ısı kaynağı vardır. Isı geri kazanımının en önemli görevi aşırı ısınmayı önlemek için motordan ısının atılmasıdır. Tüm ısı geri kazanım sistem dizayn kararları motor setinin emniyetli bir şekilde çalışması amacıyla yapılmalıdır[4] Yanma Havasının Soğutulması ile Isı Geri Kazanımı Gaz motorunun çalıştığı ortam koşulları göz önüne alındığında insanlara göre sıcak ortamlardır(~40 C). Ayrıca motorun kendisi de ısı üreten bir makinedir. Ne kadar atık ısıyı geri kazanmaya çalışsak da yakıttan elde ettiğimiz enerjinin tamamını yararlı olarak kullanamayız. Bir kısmı ısı transferiyle(radyasyon + konveksiyon) motorun bulunduğu ortamı ısıtır. 0

31 İçten yanmalı motorlarda yanma havası pistonlara girmeden önce kompresörlerle basınçlandırılır. İdeal Gaz Yasasına göre sabit basınç altında sıcaklığı artan gazların hacimleri de artar. Hava da çeşitli gazlardan oluşan bir karışım olduğuna göre kompresöre giren yanma havası sıcaklığı oldukça önemlidir. Çünkü hacmi büyüyen havanın kompresörde sıkıştırılması için daha fazla enerji harcamak gerekir. Bu nedenle motorda kullanılacak yanma havası sıcaklığı, oda sıcaklığı(25 C) kabul edilerek motor tasarımı yapılır Yağlama Yağı / Aftercooler Isı Geri Kazanımı Pistonlu motora giren enerjinin %10'a kadar olan kısmı yağlama yağı ile atılır. Yüksek kaliteli yağlama yağları genel olarak 70 C ile 95 C arasında kayba uğramadan çalışır. Çalışma ısısı düştükçe, yağın ömrü uzar. Ancak geri kazanılabilir ısı kullanılabilirliğini kaybeder. Buna ek olarak, yağ sıcaklığının çok düşük olması halinde su yoğunlaşabilir. Yüksek sıcaklıktaki yağlama yağları, yağın ömrünü düşürür, ancak geri kazanılabilir ısının miktarını ve kalitesini arttırır. Yağ sıcaklığı aynı zamanda bazı parçaların ve yüzey sıcaklığını belirleyen ceket soğutucusunun sıcaklığından da etkilenir Ceket Isısı Geri Kazanımı Ceket suyu, motoru soğutmak amacıyla motorda dolaştırılır. Ceket suyu; sıcaklığı 95 C civarlarında ceket suyu soğutucusuna girer, 45 C civarlarında ceket suyu soğutucusundan çıkar ve motora geri gönderilir. Motora giren enerjinin yaklaşık üçte biri ceket soğutma sistemi tarafından atılır. Bu ısının hemen hemen tamamı geri kazanılabilir niteliktedir. Termal enerji saha gereksinimleri ve dizayn tercihlerine bağlı olarak ya 127 C'ye varan sıcak su olarak ya da azami 10 kpa'lık düşük basınçlı buhar olarak geri kazanılabilir Egzoz Gazı Isı Geri Kazanımı Motor egzoz gazları 70 C ile 540 C arasında değişen sıcaklık değerlerine sahiptirler ve bu gazlar sıcak su veya düşük/yüksek basınçlı buhar üretmek için geri kazanılabilir. Egzoz gaz sıcaklığı, motor tipine ve yüklemeye bağlı olarak farklılık gösterir. İki zamanlı motorlar, dört zamanlı motorlarla kıyaslandığında daha düşük sıcaklıkta yoğun egzoz gazı üretirler. Kısmi 1

32 yük operasyonu, düşük sıcaklıktaki egzoz gazlarıyla sonuçlanır. Egzoz manifoldunun su soğutması da egzoz sıcaklığını düşürür. Kojenerasyon sistemlerinde kullanılan motorlar daha küçüktürler, bu yüzden egzoz gazı ısı değiştiricileri de küçüktür. Egzoz boruları, makine dairesinin gereğinden fazla ısıya maruz kalmaması için ve çalışanların korunması için izole edilmelidir. Egzoz sistemlerinde sert dönemeçlerden sakınılmalıdır. Çünkü sert dönemeçler gereğinden fazla art basınca neden olurlar Baca Sıcaklığından Isı Geri Kazanımı Duman gazından ekonomayzerde faydalanıldıktan sonra bacadan dışarı atılması gerekmektedir. Ancak bacaya gönderilen duman gazının sıcaklığı ekonomayzerde üretmek istediğimiz sıcak sudan veya buhardan daha düşük olamaz. Hatta duman gazı sıcaklığının üretmek istediğimiz sıcak sudan veya buhardan 20 C yüksek olması öngörülmektedir. Çünkü ancak bu şekilde duman gazı ile su arasında ısı transferi verimli bir şekilde gerçekleşir. Bu nedenle bacadan atmosfere gönderdiğimiz duman gazından geri kazanılabilecek enerji mevcuttur. Bacadan atılan duman gazı sıcaklığını 50 C civarlarına düşürülebildiği takdirde duman gazının enerjisinden maksimum seviyede faydalanılmış olunur.. TRİJENERASYON.1. Tanımı Trijenerasyon ana güç kaynağından üç farklı formda (ısıtma, soğutma ve güç üretimi) enerji üreten bir sistemdir. Trijenerasyon, ısıtmanın yanında soğutma şeklinde de enerjiye ihtiyaç duyulan alanlarda büyük işlevsel esneklik sunar. Bu özellikle binaların klima ve birçok endüstrinin de soğuma işlemine gereksinim duyduğu sıcak ülkelerde söz konusudur. İki temel tip soğutma tekniği vardır. Bunlar sırasıyla kompresörlü (sıkıştırmalı) soğutma ve absorbsiyonlu soğutmadır. Bunlar arasındaki temel fark, kompresörlü soğutmada enerji kaynağı olarak elektrik kullanılır. Termodinamik açıdan absorbsiyonlu soğutmanın 2

33 kojenerasyon sistemlerine ilave edilmesi verimin yüksek oranda artmasını sağlar. Çünkü absorbsiyonlu soğuta sistemi için egzoz ısısı, enerji kaynağı olarak kullanılır. Normal bir trijenerasyon sistemi, bir kojenerasyon sisteminden elde edilen ısının bir kısmını kullanarak soğutma yapan bir buhar absorbsiyonlu soğutucu bulundurur[]. Absorbisyonlu soğutmanın avantajları şunlardır : Çevre dostu olması (ozona zararsız soğutucu akışkan su kullanılması Atık ısının değerlendirilmesi İşletme maliyetinin kompresörlü sistemlere kıyas götürmeyecek şekilde düşük olması Hareket eden parça sayısının çok az olması sebebiyle (solüsyon ve soğutucu akışkan pompası) düşük servis/bakım maliyeti Sessiz ve titreşimsiz çalışma Uzun ömürlü olması Dezavantajları : Yüksek su sarfiyatı (soğutma kulesi klasik kompresörlü sisteme göre yaklaşık iki katı kapasitede) Trijenerasyon sistemleri uzun zaman sabit kalan yüklerde en iyi işletimi sağlamaktadır. Trijenerasyon sistemi ve absorbiyon sistemi arasındaki bağlantı iki şekilde sağlanmaktadır. Bunlar sırasıyla dolaylı ve doğrudan bağlantı şekilleridir. Dolaylı bağlantıda enerji kaynağı olarak buhar ya da sıcak su kullanılmaktadır. Bu sistemin avantajı, absorbsiyonlu soğutma sisteminin çalışmasında buhar veya sıcak suyun sadece soğutma için kullanılmaması, başka amaçlar için alternatif olabilmesidir. Doğrudan bağlantılı sistemde atık gaz direk olarak absorbsiyonlu sistemin çalışması için kullanılır. Böylece ilave bir kazan kullanılmasının önüne geçilerek ilk tesis ve kurulum maliyeti azaltılırken, kullanılacak ek kazanın oluşturacağı ek bakım ve işletme maliyeti önlenir. Doğrudan bağlantılı sistemde, absorbsiyonlu soğutma sisteminin çalışması durması veya çeşitli yüklerde çalışması gibi talepler yoktur. Absorbsiyonlu soğutma sisteminin kontrol sistemi kojenerasyon sisteminin kontrol siteminden bağımsızdır. Atık gaz soğutma talebi olmadığında bypass hattı boyunca atılır[].

34 .2. Absorbsiyonlu Soğutmanın Temel Prensibi Adından da anlaşıldığı gibi, soğurmalı yani absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanın bir ikinci akışkan içinde soğurulması söz konusudur. Bu sistemlerde soğutucu akışkan olan amonyak (NH ), su (H 2 O) tarafından soğurulur. Diğer absorbsiyonlu soğutma sistemleri arasında, suyun soğutucu akışkan olduğu, su-lityum bromür ve su-lityum klorür sistemleri vardır. Şekil.1. Absorbsiyonlu Soğutma Çevrimi Soğurma mekanizması içinde soğurucu, pompa, ısıtıcı, ısı değiştirici, ısıtıcı, kısılma vanası ve ayırıcı vardır. Tüm bunlar NH ün basıncını yükseltmek için bir araya getirilmiştir. NH, basıncı yükseldikten sonra yoğuşturucuda soğutularak yoğuşturulmakta, buharlaştırıcı basıncına kısılmakta ve buharlaştırıcıdan geçerken soğutulan ortamdan ısı çekmektedir. Amonyak buharı, buharlaştırıcıdan çıktıktan sonra soğurucuya girer, burada su içinde soğurularak ve suyla kimyasal reaksiyona girerek NH + H 2 O çözeltisini oluşturur. Soğurulabilen NH miktarını artırmak için soğurucudan ısı çekilir. Daha sonra çözelti ısıtıcıya pompalanır. Çözelti, ısıtıcıda dış kaynaktan sağlanan ısıyla buharlaştırılır ve ayırıcıya girer. Burada su, amonyak bakımından zengin olan buhardan ayrılarak ısıtıcıya geri döner, saf amonyak buharı ise yoğuşturucuya geçerek çevrimi sürdürür. Isıtıcıda kalan, amonyak 4

35 bakımından zayıf çözelti, bir ısı değiştiriciden geçer, pompadan çıkan çözeltiye bir miktar ısı verir ve daha sonra soğurucu basıncına kısılır. Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde genellikle NH + H 2 O ve LiBr + H 2 O akışkan çiftleri kullanılır. LiBr + H 2 O bileşimli sistemlerin tek dezavantajı + 4 C nin altındaki sıcaklıklarda çalışmamasıdır. Amonyaklı sistemler yani NH - NaSCN akışkan çifti NH + H 2 O akışkan çiftine göre düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarda çalışır. LiBr + H 2 O sistemleri için C sıcaklıkları uygundur. Buhar absorbsiyonlu soğutucunun gelişmiş versiyonu, genellikle çift etkili tip olarak bilinir. Çift etkili buhar absorbsiyonlu soğutucunun enerji tüketimi aynı soğutma etkisi için tek etkili buhar absorbsiyonlu soğutucunun enerji tüketiminin neredeyse yarısına eşittir. Ayrıca kondenserde açığa çıkan ısı da azaltılmıştır. Böylece daha küçük bir kondenser ve soğutma kulesi gerekecektir. Absorbsiyonlu soğutucuların performansı büyük oranda çalışan soğutucu madde çiftinin ısıl ve fiziksel özeliklerine dayanır. Trijenerasyon tesisinde en fazla kullanılan tip, tek etkili absorbsiyonlu gruptur. Etkinlik katsayısı (soğutma gücü / ısıl enerji oranı) 0,8 ve kapasitesi kw arasındadır. Enerji kaynağı olarak C sıcaklıktaki kızgın su ve maksimum 1 bar da düşük basınçlı buhar veya egzoz gazının yakılmasıyla elde edilen atık ısı kullanılır. Kapalı alan soğutmasında kullanılan +5 C deki soğuk hava ihtiyacı tek etkili absorbsiyonlu soğutucu ile karşılanabilir. Çift etkili sistemlerde yalnızca 4,5 kg/h buhar debisi kullanılır. Ancak tek etkili modele göre 6 8 bar daha yüksek bir basınç gereklidir. Etkinlik katsayısı (soğutma gücü / ısıl enerji oranı) 1,2 dir. Bu modellerde LiBr H 2 O karışımının birbirinden ayrılması için iki ayrı ısı eşanjörü kullanılmaktadır. Kapasitesi kw arasındadır. Bu modeller, daha çok buhar türbini uygulamalarında kullanılmaktadır. NH H 2 O ile çalışan tesisler -60 C ye kadar düşük sıcaklık üretebilir. Bu tesisler daha çok endüstriyel soğuma amaçlı olarak kullanılmaktadır. Amonyaklı absorbsiyonu soğutma sistemlerinin kapasiteleri 200 kw lara çıkmaktadır[5]. 5

36 4. ÖRNEK BİR GAZ MOTORUNUN TERMODİNAMİK ANALİZİ 4.1. Gaz Motoru Hakkında Genel Bilgiler Analizi yapılacak motor, Rolce-Royce[10] firmasının ürettiği Bergen KVGS-18G4.2 isimli gaz motorudur. Motor, 18 silindirden oluşmaktadır ve 54 ton ağırlığındadır. Elektrik üretim verimi %46,2 dir. Şekil 4.1. Analizi Yapılacak Sistemin Şematik Görünümü 6

37 Yapılacak analizin amacı gaz motorundan elde edilecek atık ısı enerjisi yardımıyla değişik basınçlarda ne kadar buhar veya sıcak su sağlanabileceğinin araştırılması ve verimin hesaplanmasıdır. Bu amaçla motorla ilgili bazı teknik bilgilere başvurulmuştur. Bu bilgilerin tamamı EKLER bölümüne de konulmuştur Motor Yanma Havası Soğutucusunun Analizi Motoru üreten firmanın verdiği teknik bilgilere göre motor yanma havasından kazanılabilecek maksimum ısı 660 kw dır. Motor yanma havası soğutucusuna giren su sıcaklığı 15 C olarak kabul edilmiş ve T 1 ile gösterilmiştir. Yanma havası çevre şartlarında 40 C de bulunmaktadır. Motordaki turboşarj sistemi ile hava 25 C ye indirilecektir. Böylece yanma havasının sıkıştırılacağı kompresörde yapılan iş azalacaktır. 40 C 25 C T2 T1 Şekil 4.2. Yanma Havası Soğutucusunun Şematik Görünümü Q = m c Δt (4.1) Denklem 4.1 de bilinmeyen terimler; kullanılan soğutma suyu debisi ve suyun yanma havası soğutucusundan çıkış sıcaklığıdır. Su debisi değişik değerlerde denkleme girildiği takdirde debiye bağlı olarak değişik su çıkış sıcaklıkları bulunur. Denklem 4.2. suyun hava soğutucusundan çıkış sıcaklığını(t 2 ) vermektedir. T = Q + T HS 2 1 m su c (4.2) 7

38 4.. Baca Isı Değiştiricisinin Analizi Yanma havası soğutucusundan çıkan su baca ısı değiştiricisine girer. Buradaki amaç duman gazının ısısından olabildiğince faydalanabilmektir. Motoru üreten firmanın verdiği teknik bilgilerde böyle bir teknik bilgiye yer verilmemiştir. Ancak duman gazının atmosfere yüksek sıcaklıklarda salınmasının da önemli bir enerji kaybı olduğu kanısına vardığım için bacaya böyle bir ısı değiştiricisi ekleme gereği duydum. Baca ısı değiştiricisi çok fazla olmasa da sistemin verimine katkı sağlayacaktır. Tbaca 50 C T T2 Şekil 4.. Baca Isı Değiştiricisinin Şematik Görünümü Baca ısı değiştiricisinde Denklem 4. yi kullanarak suyun baca ısı değiştiricisinden çıkış sıcaklığını bulabiliriz. T = Q + T ID 2 m su c (4.) 4.. Motor Yağı Soğutucusunun Analizi Motor yağı soğutucusundan kazanabileceğimiz maksimum ısı 470 kw olarak motoru üreten firma tarafından belirtilmiştir. Motor yağı soğutucusuna giren soğutma suyu sıcaklığı aynı zamanda suyun motor yanma havası soğutucusundan çıkış sıcaklığıdır. 8

39 85 C 75 C T4 T Şekil 4.4. Motor Yağı Soğutucusun Şematik Görünümü Denklem 4.4 de su debisini girdiğimiz takdirde soğutma suyunun motor yağ soğutucusuna giriş sıcaklığı da bulunmuş olur. T = Q + T YS 4 m su c (4.4) 4.4. Motor Ceket Suyu Soğutucusunun Analizi Motor ceket suyundan kazanılabilecek maksimum ısı enerjisi 650 kw olarak motoru üreten firma tarafından belirtiliştir. Denklem 4.2 yi kullanarak kütle debisini girdiğimiz takdirde suyun motor ceket suyu soğutucusundan çıkış sıcaklığını bulmuş oluruz. 95 C 45 C Tg T4 Şekil 4.5. Ceket Suyu Soğutucusunun Şematik Görünümü T = Q + T CS g 4 m su c (4.5) 9

40 4.5. Ekonomayzerin Analizi Ekonomayzer, motordan çıkan duman gazının ısısından yararlanmak için tasarlanış bir ısı değiştiricidir. Aynen buhar kazanlarında olduğu gibi ekonomayzere gelen su istenilen sıcaklıkta suya veya doymuş buhara dönüştürülmektedir. Duman gazının motordan çıkış sıcaklığının 405 C olduğu motoru üreten firmanın verdiği teknik bilgilerde verilmektedir. Dolayısıyla duman gazının ekonomayzare giriş sıcaklığını da 405 C alabiliriz. Duman gazının ekonomayzerden çıkış sıcaklığını ise elde etmek istenilen sıcak su veya buhar sıcaklığının 20 C üstü olarak kabul edilmiştir. Bunun nedeni ısı transferinin duman gazından suya daha verimli gerçekleşmesinin istenmesidir. 405 C Tbaca Tç Tg Şekil 4.6. Ekonomayzerin Şematik Görünümü Duman gazının taşıdığı ısı enerjisini hesaplamak için öncelikle motorda gerçekleşen yanma reaksiyonlarını incelemek gerekir. Duman gazları motordaki yanma reaksiyonları sonucunda oluşmaktadır. Doğalgazın kimyasal bileşimi Çizelge 4.1 de belirtilmiştir[6]. Çizelge 4.1. Doğalgazın Kimyasal Bileşimi (%) 40

41 Doğalgazın Çizelge 4.1 deki kimyasal bileşimine göre yanma denklemleri aşağıdaki gibi gerçekleşmektedir: CH 2O CO 2H O kcal C2H6 O2 2CO2 H2O kcal 2 C H 5O CO 4H O kcal C4H10 O2 4CO2 5H2O kcal 2 Yanma reaksiyonları için gereken oksijen hacmi; 1 kmol CH 2 kmol O Nm O x1 1,8 0,9 Nm CH 4 x 1 Nm Y 1 kmol C H,5 kmol O Nm O x2 0, Nm Y 0,05 Nm C H x 1 kmol CH 8 5 kmol O 2 Nm O2 x 0,05 0,0 1 Nm C H 8 x Nm Y 1 kmol C H 6,5 kmol O Nm O x4 0, Nm Y 0,004 Nm C H x Nm O 2 OMİN x II 1 x2 x x4 1,8 0,1855 0,05 0,026 2,0615 Nm Y Yanma için gerekli olan minimum oksijen miktarı ise Denklem 4.6 ile hesaplanır. Omin II 2,0615 Nm Hava min II L 9,817 (4.6) 0,21 0,21 Nm Y Bulunan oksijen miktarının λ hava fazlalık katsayısı ile çarpılması gerekmektedir. Böylece gerçek hava miktarı bulunmuş olur. Hava fazlalık katsayısı pistonlu motorlarda 1,05-1,1 arasında kabul edilir. Bu çalışmada λ değeri 1,1 olarak kabul edilmiştir. Gerçek hava miktarı Denklem 4.7 ile bulunur. 41

42 L L 1,1 9,817 10,7987 Nm Hava min II Nm Y (4.7) Yanma sonucu oluşan CO 2, N 2 ve H 2 O hacimleri ise aşağıdaki gibi hesaplanır: 1 kmol CH 1 kmol CO Nm CO x1 0,9 0,9 Nm CH 4 x 1 Nm Y 1 kmol C H 1 kmol CO Nm CO x2 0, Nm Y 0,05 Nm C H x 1 kmol C H 1 kmol CO 8 2 Nm CO2 x 0,0 8 Nm Y 0,01 Nm C H x 1 kmol C H 1 kmol CO Nm CO x1 0, Nm Y 0,9 Nm C H x 1 kmol CH 4 2 kmol H2O Nm H2O y1 1,8 0,9 Nm CH 4 y 1 Nm Y 1 kmol C 2H 6 2 kmol H2O Nm H2O y 2 0,159 0,05 Nm C 2 H 6 y 2 Nm Y 1 kmol CH 8 2 kmol H2O Nm y 0,04 0,01 Nm CH 8 y H2O Nm Y 1 kmol C 4H 10 2 kmol H2O Nm H2O y4 0,02 0,9 Nm C 4 H 10 y 4 Nm Y VCO x 2 1 x2 x x4 0,9 0,106 0,0 0,016 1,052 Nm Y 2 VH 2O y1 y2 y y4 1,8 0,159 0,04 0,02 2,019 Nm Y Nm N2 N min II V O 2,0615 7, Nm Y Nm Hava V 1 L 1,1 1 9,816 0,9816 Nm F.H. min II Y Nm CO2 Nm H O Toplam duman gazı hacmini ise Denklem 4.8 te değerleri yerine koyarak buluruz. 42

43 V =V +V +V +V R CO H O N F.H V =1,052+2,019+7,755+0,9816 V =11,8076 Nm DG R R Nm Y (4.8) Duman gazlarının hacimlerini hesapladıktan sonra duman gazının entalpisini hesaplayabilmek için duman gazının I-t diyagramını çıkarmak gerekir. Denklem 4.6 da duman gazını oluşturan gaz bileşenlerinin sahip olduğu entalpiler yine bu gazların hacimleriyle çarpılarak duman gazının toplam entalpisi bulunmuştur. Denklem 4.9 değişik sıcaklıklarda hesaplandığı takdirde I-t diyagramını çıkarış oluruz[6]. I V i V i V i V i V i CO CO SO SO H O H O N N FH FH (4.9) 4

44 Çizelge 4.2. Doğalgaz İçin I-t Tablosu 44

45 Şekil 4.7. Doğalgaz İçin I-t Diyagramı 45

46 Duman gazının entalpisi çizelge ve grafik yardımıyla istenen sıcaklıkta doğusal enterpolasyon yoluyla bulunmuştur. Örnek olarak duman gazının ekonomayzere giriş sıcaklığı olan 405 C de duman gazının entalpisi 6982 kcal/kg Y olarak bulunmuştur. Duman gazının sahip olduğu entalpinin bulunabilmesi için bu değerin kullanılan doğalgazın kütlesel debisiyle çarpılması gerekmektedir. Kullanılan doğalgaz debisini bulmak için ise önce hacimsel debiyi bulmak gerekir. Hacimsel debiyi Denklem 4.10 ile hesaplayabiliriz. Q = Hu V (4.10) Burada Q, yanma reaksiyonu sonucunda elde edebileceğimiz ısı enerjisini göstermektedir. Gaz motorunu üreten firma tarafından verilen teknik bilgilerde bu değer 7885 kw olarak belirtilmiştir. H u ise doğalgazın alt ısıl değeridir ve 6 MJ/Nm olarak kabul edilmiştir. V ise bulmak istediğimiz hacimsel debidir ve birimi denklemden Nm /s olarak bulunur. Değerleri Denklem 4.11 te yerine koyduğumuz takdirde; kj Q = H u V 7885 kw = 6000 V Nm V = 0,219 Nm /s (4.11) Hacimsel debiden kütlesel debiye geçmek için ise Denklem 4.12 yı kullanırsak; ρ = m V m = V (4.12) Burada ρ, doğalgazın yoğunluğudur ve 0,67 kg/m [11] olarak alınmıştır. Hacimsel debiyi Denklem 4.11 in sonucu olarak 0,219 Nm /s olarak bulmuştuk. Değerleri Denklem 4.12 de yerine koyduğumuz takdirde kütlesel debiyi 0,15 kg/s olarak buluruz. Duman gazının 405 C deki entalpisini bulmak için Denklem 4.1 yi kullanırsak; H = I m Q = ,15 Q = 1047, kcal/s (4.1) 46

47 Hesaplamalarımda güç birimi olarak kw kullandığım için yukarıdaki Q değerinin birimini kj e çevirmek gerekmektedir. 1 kcal, 4,187 kj olduğundan yukarıda bulunan Q değerini 4,187 ile çarptığımız takdirde kw olarak gücü bulmuş oluruz. Bu değerde yaklaşık 485 kw tır. Ekonomayzer için enerji denkliği Denklem 4.14 de yazılmıştır[6]. I o I T m yakıt = m b h ç - hg 405 C baca (4.14) Denklem 4.11 e göre duman gazının ısısının suya geçtiği görülmektedir. Dolayısıyla elde edilen sıcak su veya buhar debisinin(m b ) ekonomayzere giriş(h g ) ve çıkış(h ç ) entalpileri arasındaki fark ile çarpımı duman gazından alınan ısı enerjsine eşit olmak zorundadır. Bu eşitlikten yararlanarak ne kadar sıcak su veya hangi basınçta ne kadar buhar elde edilebileceği hesaplanabilir. Ekonomayzere giren suyun entalpisini suyun öz ısısı ile sıcaklığın çarpımı olarak ifade edebiliriz. Suyun ekonomayzere giriş sıcaklığı aynı zamanda motor ceket suyu soğutucusundan çıkış sıcaklığıdır ve Tg olarak adlandırılmıştır. Suyun öz ısısı da daha önceden de belirtildiği gibi 4,187 kj/kg.k alınmıştır. Ekonomayzerden çıkan entalpiyi sıcak su ise suyun öz ısısı ile sıcaklığın çarpımı ile; eğer belirli bir basınçta doymuş buhar ise termodinamik tablolardan o basınçtaki doymuş buhar değerini okunarak belirlenir Atık Isıdan Yararlanma Yöntemleri Sistemden Hem Doymuş Buhar Hem de Sıcak Su Elde Edilmesi Bu sistemde ekonomayzer doymuş buhar elde etmek için kullanılmaktadır. Ancak sistemde dolaştırılan soğutma suyunun tamamı buhara çevrilemez. Çünkü duman gazından elde edebileceğimiz ısı kazancı sınırlıdır. Motor ceket soğutucusundan çıkan C aralığındaki sıcak suyun bir kısmı ekonomayzere buhar elde etmek için gönderilir. Bu buhar proseste kullanılabilir. Geri kalan su debisi ise merkezi ısıtmaya gönderilebilir. Bu sistemin 90 C/70 C sıcaklıkları arasında çalıştığını düşünürsek ısıtma sisteminden dönüş suyu sıcaklığını 70 C kabul edebiliriz. Merkezi ısıtma sisteminden dönen su sıcaklığı kullanım suyu içinde uygundur. Bu suyu da bir depoda toplayarak konutlara kullanım suyu olarak kullanmak mümkündür. 47

48 Sistemden ne kadar doymuş buhar ve sıcak su elde edilebileceğini hesaplayan program MS Office Excel programında yazılmıştır. Bu programdan çıkan veriler Çizelge 4. de gösterilmiştir. Yapılan hesaplamalardan örnek olarak 10 bar basınçta doymuş buhar ve sıcak su üretimi için yapılmış olanlar aşağıda gösterilmiştir. Ayrıca bulunan sıcaklıklar ve kütlesel debiler Şekil 4.9 da gösterilmiştir. Motor Yanma Havası Soğutucusu; Q 660 T = + T + 15 = T HS m su c 8,20 4,187 T = 4,22C 2 (4.2) Baca Isı Değiştiricisi; Q I - I T = + T + 4,22 = T ID DG BG 2 m su c 8,20 4,187 6,96-80,07 + 4,22 = T T = 45,29 C 8,20 4,187 (4.) Motor Yağı Soğutucusu; Q 470 T = + T + 45,29 = T YS 4 4 m su c 8,20 4,187 T = 58,98 C 4 (4.4) Motor Ceket Suyu Soğutucusu; Q 650 T = + T + 58,98 = T CS g 4 g m su c 8,20 4,187 T = 77,91 C g (4.5) Ekonomayzerdeki buhar üretimi; I o I 199,91o m yakıt = m b h ç - hg 405 C C ,96 0,15 = m b 2778,10-26,2 mb 0,221 s kg (4.6) kg mb 796,84 h 48

49 Şekil Bar Basınçta Doymuş Buhar ve 78 C de Sıcak Su Üretilen Sistemin Şematik Görünümü 49

50 Çizelge 4.. Doymuş Buhar ve Sıcak Su Debi ve Sıcaklıklarını Gösteren Tablo 50

51 Sisteme başta gönderdiğimiz su debisi 8.20 kg/s di. Bu suyun 0,221 kg/s lik kısmı 10 bar basınçta doymuş buhar olarak üretildi. Geri kalan 7,98 kg/s lik su debisi ise yaklaşık 78 C de kullanım suyu olarak kullanılabilir. Çizelge 4. den de görüldüğü gibi buhar debileri çok yüksek miktarlarda değildir. Bunun nedeni; analizi yapılan gaz motorunun ürettiği duman gazı sıcaklığının diğer gaz motorlarına göre daha düşük olmasıdır. 405 C lik duman gazı sıcaklığı, diğer gaz motorları da düşünüldüğünde oldukça düşük bir sıcaklıktır. Buna karşılık gaz motorunun elektriksel verimi %46,2 ile oldukça yüksektir. Sistemin toplam verimi, sistemden elde edebildiğimiz enerjinin yakıtın yanmasıyla ortaya çıkan toplam enerjiye oranıyla bulunur. Toplam verim Denklem 4.12 ile hesaplanır[8]. η = S Q +Q +Q +Q +Q +Q Q el. HS MY MS eko. ID T (4.12) Denklem 4.12 ye göre değişik basınçlar sistemin toplam verimi Çizelge 4.4 de gösterilmiştir. Çizelge 4.4. Doymuş Buhar ve Sıcak Su Elde Edilen Sistemin Verimini Gösteren Tablo 51

52 Çizelge 4.4 e göre sistemin toplam verimi %80 olarak bulunmuştur. Değişik basınçlarda sistemin veriminin değişmemesinin nedeni ekonomayzer ile baca ısı değiştiricisinden sağlanan ısıl kazancın toplamının sabit olmasıdır. Ekonomayzer ile baca ısı değiştiricisini birleşik bir sistem olarak düşünürsek bu sisteme enerjisini veren duman gazı bu sisteme 405 C de girip 50 C de çıktığı kabul edilmiştir. Dolayısıyla duman gazının sisteme verdiği enerji miktarı sabit olur. Bu nedenle de verim değişmemektedir Sistemden Değişik Sıcaklıklarda Sıcak Su Elde Edilmesi Sitemden yüksek miktarlarda buhar elde edemediğimiz için buhar yerine merkezi ısıtmada kullanılacak sıcak su elde etmek daha yararlı olabilir. Doymuş buhar elde etmek için kullanacağımız enerjiyle daha fazla miktarda sıcak su elde edebiliriz. Bu durumda ekonomayzer sadece sıcak su üretimi için bir eşanjör görevi görmektedir. Sistemden değişik su sıcaklıklarında ne kadar su elde edebileceğimizi hesaplayan program MS Office Excel programında yazılmıştır. Programın verdiği sonuçlar Çizelge 4.5 de gösterilmiştir. Yapılan hesaplamalardan örnek olarak 90 C sıcak su üretimi için yapılmış olanlar aşağıda gösterilmiştir. Ayrıca bulunan sıcaklıklar ve kütlesel debiler Şekil 4.9 da gösterilmiştir. Motor Yanma Havası Soğutucusu; Q 660 T = + T + 15 = T HS m su c 8,61 4,187 T =,2C 2 (4.2) Baca Isı Değiştiricisi; Q I - I T = + T +,2 = T ID DG BG 2 m su c 8,61 4, ,68-80,07 +,2 = T T = 7,48 C 8,61 4,187 (4.) 52

53 Motor Yağı Soğutucusu; Q 470 T = + T + 7,48 = T YS 4 4 m su c 8,61 4,187 T = 50,5 C 4 (4.4) Motor Ceket Suyu Soğutucusu; Q 650 T = + T + 50,5 = T CS g 4 g m su c 8,61 4,187 T = 68,57 C g (4.5) Ekonomayzerde sıcak su üretimi; I o I 110C m yakıt = m su h ç - hg 405 C kg ,68 0,15 = m su 76,8-287,10 msu 8,61 s (4.6) 5

54 Şekil C de Sıcak Su Üretilen Sistemin Şematik Görünümü 54

55 Çizelge 4.5. Sistemdeki Sıcak Su Debi ve Sıcaklıklarını Gösteren Tablo 55

56 Sistemin toplam verimi Denklem 4.12 ile hesaplanmış ve Çizelge 4.6 de gösterilmiştir. Çizelge 4.6. Sıcak Su Elde Edilen Sistemin Verimini Gösteren Tablo Çizelge 4.6 e göre sistem veriminin %80 çıkması duman gazından elde edilen ısıl kazancın sabit olması ile ilgilidir. Sadece sıcak su üretilen sistemdeki baca ısı değiştiricisinden elde edilen ısı kazancının hem doymuş buhar hem sıcak su üretilen sisteme göre düşük olmasının nedeni duman gazının ekonomayzer çıkış sıcaklıklarının daha düşük olmasıdır. Buna karşılık ekonomayzerden elde edilen ısıl kazanç ise daha yüksektir. Çizelge 4.5 daki verilere göre sistemi sıcak su elde etmek amacıyla kullanmak daha yüksek su debileri vermektedir. Merkezi ısıtma amaçlı olarak kullanılması amacıyla yapılan ikinci çalışma birinci çalışmaya göre daha uygundur. Kış aylarında ısıtma ihtiyaçlarını bu şekilde motorun atık ısısından karşılayabiliriz. Ancak yaz aylarına gelindiğinde ısıtma yapılmayacağı için motordan elde edilen bu atık ısıların nerede kullanılacağı problemi ortaya çıkar. Bu durumda sisteme tek kademeli bir absorbsiyonlu soğutma sistemi eklenirse motorun atık ısısından ele edilen sıcak su yardımıyla yaz aylarında soğutma da sağlanabilir. 56

57 Örnek olarak Çizelge 4.5 da elde edilen verilerden birini inceleyelim. Sistemden elde etmek istediğimiz sıcak su 90 C olsun. Bu sıcak su; kış aylarında merkezi ısıtma sisteminde, yaz aylarında ise absorbsiyonlu soğutma sisteminde kullanılacaktır. İki sistemde 90 C/70 C aralığında çalışmaktadır. Buna göre kış aylarında elde edeceğimiz ısıtma gücü Denklem 4.9 yardımıyla bulunur. Q = m c t Q = 8,61 4, Q = 721 kw (4.1) Yaz aylarında absorbsiyonlu soğutma sisteminde kullanacağımız sıcak suyun çalışma koşulları merkezi ısıtma sistemindeki ile aynı olduğundan absorbsiyonlu soğutma sistemine verilecek enerji Denklem 4.9 un sonucu olan 721 kw dır. Tek kademeli absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin ısıl etkinliği(cop) genellikle 0,8 civarındadır. Buna göre absorbsiyonlu soğutma ile sağlayabileceğimiz soğutma gücü Denklem 4.10 ile bulunur. Q e COP = Q e = COP Qg Qg Q = 0,8 721 e Q = 576,8 kw e (4.1) Sisteme absorbsiyonlu soğutma sistemi eklendiği takdirde kojenerasyon sistemi trijenerasyon sistemine dönüşmüş olur. Böylece sistemin kullanım süresi sadece kış aylarından tüm yıla yayılmış olur. Bu durum sistemden sağladığımız ekonomik faydayı artırır. Ayrıca sistemin kendini geri ödeme süresini de kısaltmış olur. 57

58 5. SONUÇ Günümüzde enerji ihtiyacını karşılamak için gerek birincil enerji kaynaklarından, gerekse yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılmaktadır. Ancak yetersiz kalmaya başlayan bu kaynaklar karşısında yeni arayışlara gidilmektedir. Bu amaçla çalışmalar yapılırken elde edilecek yeni sistemlerin çevreye zarar vermemesi gereğine de dikkat edilmelidir. Ayrıca bu sistemler maliyet bakımından mevcut sistemlerden daha ucuz ve daha yüksek randımanlı olmalıdır. Hem güç hem de ısı üretilen kojenerasyon teknolojisinde bu özellikler mevcuttur. Kojenerasyon sistemleri, aynı miktarda yakıt harcayan bir başka sisteme göre yaklaşık % 5 daha karlıdır. Bunun sebebi ise diğer sistemlerde değerlendirilmeden atmosfere atılan enerjinin kojenerasyon sistemlerinde sisteme geri döndürülerek değerlendirilebilmesidir. Kojenerasyon sistemlerinde atık ısı kazanının da kullanımıyla bu kar oranı %50 ye kadar çıkmaktadır. Gaz motorlu kojenerasyon sisteminde yapılan incelemeye göre bu sistemlerin düşük elektrik tüketiminin olduğu yerlerde kullanılmasının uygun olduğu görülmüştür. Endüstriyel sanayi kuruluşları gibi elektrik tüketiminin yüksek olduğu ve bazı proseslerde buhar ihtiyacının olduğu sistemlerde gaz motorları ihtiyaçları karşılamakta zorlanmaktadır. Gaz motorlu kojenerasyon sistemleri yerleşim yerleri, havalimanları, alışveriş merkezleri gibi insanlara doğrudan hizmet edilen yerlerde kullanılması daha uygun görünmektedir[9]. Sonuç olarak; bir kojenerasyon sistemi, uygulama yapılacak tesisin hangi oranda ısı ve elektrik ihtiyacı olduğu dikkate alınarak seçilmeli ve elde edilen ısının mutlaka yararlı bir şekilde kullanılması yoluna gidilmelidir. 58

59 KAYNAKLAR [1] ÖNER, E., Örnek Bir İşletmede Kojenerasyon Tesisi Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006 [2] AKDENİZ,N., Doğal Gazlı Kojenerasyon Sisteminin Ekserjetik Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2007 [] ÇALIŞICI, M., Kojenerasyon Sistemleri ve Bir İşletmenin İhtiyacını Karşılayabilecek Kojenerasyon Sisteminin Teknik ve Ekonomik Uygulanabilirliği, Yüksek Lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Antakya, 2005 [4] ARAT, B., Organize Sanayi Bölgelerinde Kojenerasyon Santralinin Yer Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2006 [5] ÖZAY,F., NH H 2 O Absorbsiyonlu Soğutma Sisteminin Güneş Enerjisi ile Çalıştırılması ve Verimlilik Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2008 [6] ONAT, K., GENCELİ, O., ARISOY, A., Buhar Kazanlarının Isıl Hesapları, 4. Baskı, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2007 [7] ÇENGEL,Y., BOLES, M., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik McGraw- Hill Yayınevi, 2000 [8] KARAALİ,R., ÖZTÜRK,İ., Güç Üreten Bir Tesisin Kojerasyon Sistemine Dönüştürülmesi, Mühendis ve Makine, 48. Cilt, 575. Sayı [9] ÜNER, M., TAV Esenboğa Trijenerasyon Uygulaması, 14. Uluslararası Enerji ve Çevre Teknolojisi Sistemleri Fuar ve Konferansı, ICCI Bildiriler Kitabı, Sayfa 151, 2008, İstanbul 59

60 [10] [11] 60

61 EKLER EK-1 : Rolce-Royce Bergen KVGS 18G4.2 Gaz Motoru Ürün Kataloğu 61

62 62

63 6