İŞLETME AŞAMASINDA JEOTERMAL ENERJİ SANTRALLERİNİN PERFORMANSINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Füsun S. Tut Haklıdır İstanbul Bilgi Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü Santral Kampüsü, Eyüp-İstanbul (fusun.tut@bilgi.edu.tr) ÖZ Günümüzde dünya genelinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasına artan ilgiye paralel olarak, ülkemizde de son yıllarda özellikle rüzgar gücü ve jeotermal kaynaklardan enerji üretilmesi konusundaki çalışmalar ciddi oranda hız kazanmıştır. 2009 yılına dek 20 Mwe civarında olan jeotermal kurulu güç kapasitesi, bu tarihten sadece 5 yıl sonra 400 Mwe a çıkmış, 2020 de ise 1000 Mwe a ulaşılması beklenmektedir. Jeotermal enerji santralleri %80-90 arasındaki yüksek kapasite faktörleri ile diğer yenilebilir enerji kaynakları arasında ciddi bir öneme sahiptir. Ancak yüksek kapasite faktör değerlerine ulaşmak ancak jeotermal santrallerin optimum düzeyde ve uygun koşullarda çalıştırılabilmesiyle mümkün olabilmektedir. Özellikle ülkemizde gözlenen su baskın jeotermal sistemlerde jeotermal akışkanın yerin derinliklerinden sondajla yüzeye kadar ulaştırılması, ardından santralde yüzey ekipmanları vasıtasıyla basınç ve sıcaklığın değiştirildiği koşullarda, akışkanın fiziksel ve kimyasal özellikleri de değişmekte ve bu değişimlere dikkat edilmediği, gerekli şartlandırmaların yapılmadığı durumlarda bu canlı sistemin kısa vadede kapasitesinin düşmesine, daha uzun vade de ise sistemin tamamen çalışamaz hale gelmesine neden olmaktadır. Bu nedenle akışkanın jeotermal rezervuardan yüzeye çıkarılmasından, buhar üretimine kadar ilerleyen süreçte kabuklaşma ve korozyon oluşumunun engellenmesi, türbin ömrünün uzaması ve performansı için buhar kalitesi ve yoğuşmayan gazların sistemden uzaklaştırılması, türbinden gelen yoğuşmayan gazların soğutma kulesine aktarımı ve soğutma kulesinin performansının zamanla değişmemesi, jeotermal rezervuarlardan optimum akışkan üretimi yapılması, sistemin sürdürülebilirliğinin sağlanması, rezervuar basınçlarının korunnması için reenjeksiyon uygulamasına önem verilmesi, jeotermal rezervuarlarda rezervuar ölçüm ve akışkanın jeokimyasal açıdan özelliklerinin izlenmesi gerekmektedir. Anahtar Kelimeler: Jeotermal enerji santrali, kabuklaşma, inhibitör, soğutma kulesi, rezervuar, jeokimya
1. GİRİŞ Enerji santralleri belirli kurulu güce sahip, elektrik üreten sistemler olup, yakıtlarına göre çalışma prensipleri değişmektedir. Ancak santraller için telaffuz edilen kurulu güç değerleri, santrallerin işletme döneminde o kapasiteye ulaşabileceklerini ifade eden değerler olmayıp, olası tam kapasitede üretebileceği değerleri işaret etmektedir. Santrallerde işletme döneminde tam kapasite değerlerine ulaşılmasındaki güçlükler enerji kaynağına, çevresel etkilere, işletme koşullarına direkt olarak bağlı olup genel olarak kapasite faktörü ve verimlilik terimleriyle açıklanabilmektedir. Jeotermal enerji santralleri diğer yenilenebilir enerji santralleriyle karşılaştırıldığında, prensip olarak santrallerin belli bir dönemde toplam enerjinin tam kapasitede üretebileceği enerjiye oranı olan en yüksek kapasite faktörüne sahip santrallerdir. Bir jeotermal santral işletme koşullarının ve kaynağın doğru yönetilmesiyle %80 leri aşabilen bir kapasite faktörüne sahip olup, bu değer rüzgar santralleri için yaklaşık % 25-40 arasında değişmektedir (YEK, 2015). Aradaki bu ciddi fark bir bölgede enerji üretimi için elverişli jeotermal kaynak potansiyeli varsa yatırımcı bu santralleri kurmaya yönlendirmektedir. Her ne kadar jeotermal santraller diğer yenilenebilir enerji santraller arasında tam kapasiteye ulaşma konusunda ciddi bir alternatif olsa da, bu santrallerin işletilmesi yakıtın sıcak tek veya çift fazlı akışkan olması ve akışkanların P,T koşullarının kaynağın yerin altından çıkarılıp, en son enerji üretimine kadar oldukça değişken olması nedeniyle ve bu akışkanın kimyasal ve fiziksel özelliklerinin ortamla sistemle sürekli etkileşimde olması nedeniyle oldukça değişken ve karmaşık olabilmektedir. Her sahadaki jeotermal sistemin farklı özellik göstermesiyle işletme koşulları da her sahaya özgü olarak belirlenebilmekte bu nedenle dinamik, sürekli izleme ve kontrol gerektiren işletme koşullarıyla karşı karşıya kalınmaktadır. 2.JEOTERMAL SANTRALLERİN PERFORMANSINI ETKİLEYEN TEMEL FAKTÖRLER Jeotermal santrallerin işletilmesini etkileyen faktörler ağırlıklı olarak; -rezervuarın tanınması ve sürdürülebilirliğinin sağlanması, -kuyu üretim ve reenjeksiyon senaryolarının belirlenmesi, -akışkanla uyumlu ekipman seçimleri,
-kuyularda ve yüzey ekipmanlarında farklı P,T koşullarında akışkandan kaynaklanacak kabuklaşma ve korozyon olasılıklarının işletme öncesinde belirlenmesi, uygun önlemlerin alınması, -türbin performansının kontrolünü etkileyen proseslerin takibi (soğutma kulesi, buhar kalitesi gibi) olarak değerlendirilebilir. Bunların dışında santral ve civarında hassasiyet oluşturabilecek bazı çevresel koşullar da sistemin çalışmasına etki edebilen konulardandır. 2.1 Jeotermal Rezervuarların Karakterlerinin Tanınması ve Sürdürülebilirliğin Sağlanması Rezervuarlar jeotermal akışkanın kapanlandığı ve enerji üretimine giden yoldaki ilk ve en önemli yapılardır. Yatırım yapılacak kapasite için verilecek karar bu rezervuarlardan alınacak P, T akışkan özelliği ve kimyası ile yapılmaktadır. Bir jeotermal sistemde birden fazla rezervuar olabilir, bu nedenle gerekli yerbilimi çalışmalarının yapılması ardından belirlenen lokasyonlarda yapılacak sondajlardan alınacak verilerin çok ciddi bir şekilde yatırım devam ederken incelenmesi gerekmektedir. Bu çalışmalardan alınan veriler, kuyu tamamlama testleri sonrasında rezervuar mühedislerinin alacağı P,T değerleri rezervuarın ve jeokimya uzmanlarının akışkandan alacağı örneklerle ve akışkanın fiziksel, kimyasal özelliklerinin belirlenmesi ardından deneştirerek, uzun süre işletilmesi planlanan rezervuarın özelliklerini belirlemede kullanılmaktadır. Bu verilerin alınmasıyla sahanın numerik rezervuar modellemesi ve hidrojeokimyasal modellemesinin yapılması yapılarak, uzun dönem işletme senaryoları oluşturulması ve ruhsat süresince hangi aşamalarda yeni kuyu açılması gerekliliği de ortaya konulacaktır. 2.2 Kuyu Üretim ve Reenjeksiyon Senaryolarının Belirlenmesi Rezervuar üretim, geçirimlilik ve etkileşim testlerinin ardından alınan verilerle kuyulardan üretilebilecek maksimum akışkan koşulları veya bir reenjeksiyon kuyusuna düşük sıcaklıkta akışkanın ne kadar gönderilebileceği, sahadaki üretim ve reenjeksiyon alanlarının etkileşimlerinin ortaya konulabilmesi ve kuyudaki hangi kuyudan hangi P,T koşullarda üretim yapılması gerektiğinin ortaya konulması uzun vadeli işletme koşulları için şarttır. Her kuyunun üretim kapasitesinin zorlanmadan saha genelinde optimum koşulların belirlenmesi ve işletme döneminde de bu koşullara göre enerji üretilmesi hem jeotermal sistemin dengesinin sağlanması hem de jeotermal rezervuarın basıncının korunması ve sistemin beslenmesi açısından önem arz etmektedir. Sahada reenjeksiyonun tam
olarak gerçekleştirilmesi ağır metaller içeren atık sıcak su fazının çevreyi olumsuz etkilemesini engellemek için de gereklidir. 2.3 Jeotermal Akışkanla Uyumlu Ekipman Seçimi Jeotermal akışkanın yeraltından yeryüzüne çıktığı ve oradan da borular, seperatör sistemleri, turbine doğru giderken geçirdiği ve reenjeksiyon kuyularına gönderileceği tüm farklı hatlar boyunca sıcaklık ve basınç değişiklikleri söz konusu olmaktadır (Haklıdır Tut vd., 2015). Termodinamik bu değişimler sırasında akışkanın fiziksel özellikleri (ph, T) yanısıra kimyasal kompozisyonu da değişmektedir. Bu nedenle akışkanın sıvı ve gaz+buhar fazının kimyasal kompozisyonlarının ayrı ayrı bilinerek, detaylı olarak irdelenerek, ihtiyaç duyulan metal malzemelerin bu kimyasal ve fiziksel özelliklerle uyumlu olacak standartlarda seçilmesi gerekmektedir. Örnek olarak yüksek NCG oranına sahip, H2S oranı yüksek olan sistemlerde karbon çeliği bir malzeme hızla aşınma ve korozyona neden olacağından, hızla zarar görerek, sistemin bir parçasının çalışamaz hale gelmesine neden olarak üretim kaybına neden olacaktır. Bunun yerine güçlendirilmiş paslanmaz çelik malzemelerin kullanılması seçimi bu tip bir alanda önemli olacaktır. Akışkan kompozisyonuna göre seçilecek dayanıklı malzemeler yatırım sırasında maliyeti artırsa da, işletme esnasında çalışan bir sistemin durmasının çok daha fazla bir maliyet kaybına neden olacağı öngörülmelidir. 2.3 Kuyularda ve Yüzey Ekipmanlarında Kabuklaşma ve Korozyon Oluşumu Çift fazlı rezervuarlarda yerin derinliklerinden yüzeye doğru ilerlerken kaynama noktasına ulaşmasından itibaren, tek faz ilerleyen akışkanın iki faz ayrılarak PCO2 nin düşmesi nedeniyle kuyu cidarlarında akışkanın içindeki minerallerin doygunluk derecelerinin değişmesi nedeniyle kabuklaşma olarak nitelendirilen, çökeltiler oluşmaktadır (Haklıdır Tut vd., 2011). Bu oluşuklar oluşmaları engellemediği takdirde kısa sürelerde boruları tıkamakta ve kuyudan üretim yapılmasına engel olmaktadır. Genelde jeotermal sahalarda üretim kuyularında ve yüzey ekipmanlarında kalsiyum karbonat tipinde çökeltiler oluşmakta olup, akışkanın özelliğine göre bu çökeltinin içerisine farklı mineraller girebilmektedir. Akışkan fazın sıcaklığı düştükçe bu çökeltiler yerlerini daha çok silika türünde çökeltilere bırakmakta olup, zaman zaman sülfitli bir takım çökeltiler de göze çarpmaktadır. Her jeotermal sistemi oluşturan kayalar ve buna bağlı rezervuardan gelen akışkanın kimyası sahadan sahaya değişkenlikten gösterdiğinden, kabuklaşma çalışmalarına yönelik jeokimyasal modelleme çalışmaları her saha için ayrı olarak yapılmaktadır. İşletme dönemi öncesinde akışkan kimyasına dayanarak sistemde P,T değişim noktaları ve değişim oranları bilindiğinde
oldukça tutarlı sonuçların alındığı hangi tipte çökeltilerin hangi noktalarda beklendiği öngörülebilmektedir. Belirlenen çökelti tiplerinin ardından bu yapıların sistem içindeki farklı noktalarda oluşmadan engellenmesi için uygun kabuklaşma engelleyici inhibitor olarak bilinen kimyasalların seçiminin yapılması gerekmektedir. Pompa, inhibitor tankı,makara sistemi ve kapiler tübingden oluşan inhibitör sistemlerinin kuyu başlarına ve dozajlama yapılması planlanan noktalara yakın kurulması gerekmektedir. Bu çalışmalar, kuyularda kısa ve orta dönemli testlerle farklı kompozisyondaki kimyasalların üretim kuyuları veya sistemdeki basınç düşüm noktalarında kontrollü gözlem ve kimyasal analizlerin yapıldığı testlere dayanmakta olup, özellikle çoklu flaş sistemlerdeki basıncın düştüğü farklı noktalarda sistem genelinde birden fazla kimyasalla uygulanabilmektedir. Bu konuda dikkat edilmesi gereken önemli noktalar kimyasal ph sının sistemde temas edeceği yüzey ekipmanlarla uyumlu olması, aşınma oluşturmaması ve kimyasal çözeltinin optimum dozajının testler sırasında doğru tesbit edilerek, yetersiz veya aşırı doz verilmeden sisteme uygulanmasıdır. 2.4 Türbin Performansına Etki Eden Faktörler 2.4.1 Buhar Kalitesi: Buhar kalitesinin iyi olması bir türbinin ömrünü uzatacak etkenlerden biridir. Buhar fazının saf olması, içeriğinde düşük konsantrasyonlarda dahi mineral olmaması gerekmektedir. Buhar kalitesinin bozulması durumunda ince partiküller türbinin yüksek hızdaki rotasyon hareketi sırasında mermi gibi türbin kanatlarına çarparak, kanatlarda hem korozyona neden olabilecek hem de bakımda düzeltilmesinin ciddi zorluklar oluşturabileceği kabuklaşmalara neden olacaktır. Buhar kalitesi için turbine giden buhardan nozzle yardımıyla örnek alınmakta ve periyodik olarak kontrol yapılabilmektedir. 2.4.2 Soğutma Kulesi: Türbinde kullanılamayan ıslak buhar ve yoğuşmayan gazlar konderser sistemi aracılığıyla soğutma kulesine aktarılmakta bu da hem sistemin soğutulmasına hem de sistemdeki emisyonun atmosphere bırakılmasına olanak sağlamaktadır. Soğutma kuleleri su ve hava soğutmalı olarak tasarlanmakta olup, genellikle yaz-kış sıcaklık ortalamaları ciddi farklı olan bölgelerde besleme suyu kullanılabilen su soğutmalı olarak seçilmektedir. Bünyesinde yüksek konsantrasyonda CO2, H2S bulunan, ıslak ve karanlık bir ortamda alglerin ve çeşitli bakterilerin üremesi için uygun koşulları sağlayan soğutma kulelerinin soğutma görevini yerine getirebilmesi için kimyasal şartlandırma yapılması gerekmekte, zaman zaman da santral duruşlarında içleri kontrol edilerek, fiziksel temizlik yapılması gerekmektedir (Haklıdır Tut vd., 2015).
SONUÇLAR Jeotermal enerji santralleri diğer santraller içerisinde kurulu güçlerine en yakın üretimi gerçekleştirebilecek santrallerdir. Yatırım çalışmaları sırasında uygun tasarım ve malzeme seçimlerine de bağlı olarak uygun işletme koşullarının belirlenerek, uygulanması ile 35-40 yıl süreyle bu santrallerin iyi koşullarda kullanılmaları mümkündür. Kapasitelerinin düşürülmeden işletilmesi için jeotermal rezervuarların sürdürülebilirliklerinin sağlanması, akışkanın fiziksel ve kimyasal özellikleri gözetilerek malzeme seçiminin yapılması, sistemde kısa zamanda üretim kayıplarına yol açabilecek olan kabuklaşma ve korozyonun engellenmesi için ve soğutma prosesinde uygun kimyasalların kullanılarak şartlandırma yapılması gerekmektedir. Yatırım aşamasında alınan ilksel rezervuar testlerinden alınan verilerle ve akışkanın ilksel kimyasal özelliklerinin periyodik olarak izlenmesi ve değişimlerin takip edilebilmesi, rezervuarda zaman içinde oluşabilecek değişimlerin zamanında farkedilmesi ve yeni kuyu açılması ya da üretim senaryolarının uygun şekilde revise edilerek sistemin uzun soluklu çalışmasını sağlamak için önemlidir. Bir sonraki aşamada jeotermal santrallerinden çıkan bazı emisyonların biyofuel üretimi gibi hibrit sistem olarak çalıştırılması, emisyon değerlerinin de işletme döneminde azaltılmasına olanak sağlayabilecektir. REFERANSLAR Haklıdır Tut, F.S., Şengün, R. Uzun, A., Kılınçarslan S. 2015. The Importance of Processing Geothermal Fluids for Sustainability of Geothermal Power Plants: With Kızıldere (Turkey) Geothermal Field Case, Proceedings of World Geothermal Congress, Melbourne-Australia, 19-24 April 2015. Haklıdır Tut, F.S., Akın, T., Parlaktuna, Ç., Türk, D., Savaş., T., İşletme Döneminde Jeotermal Sahalarda Kabuklaşma Tipleri ve Önleme, Kontrolü: Kızıldere Jeotermal Sahası. 64. Türkiye Jeoloji Kongresi, 25-29.04.2011, Ankara. YEK, 2015 Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü websitesi http://www.eie.gov.tr/eie-web/turkce/yek/ruzgar/ruzgar_turbin.html