ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ DERSİ. Doç. Dr. Senar AYDIN

ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ DERSİ Doç. Dr. Senar AYDIN

7. ENERJİ AKIŞI VE DENGELERİ Çevre mühendisleri tasarladıkları sistemlerde istenmeden oluşabilecek enerji değişimlerinin yanı sıra, tasarımlarda kullanılan enerjiyi de dikkate akmalıdır. Bu bölümde enerji miktarlarını, akışını ve kullanıma sunulması ile kullanımındaki verimlilikleri inceleyeceğiz.

7.1. ÖLÇÜ BİRİMLERİ Enerjinin uluslar arası kabul edilmiş birimi joule dür. Enerji için diğer yaygın birimler ise kalori ve kilowatt saattir (kwh). Bunlardan kalori doğa bilimlerinde, kwh ise mühendislikte kullanılır.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Kimyasal, ısı ve yükseklikten dolayı potansiyel enerji gibi çeşitli enerji biçimleri vardır. Çoğunlukla var olan enerjinin biçimi çok kullanışlı bir halde değildir ve bir enerji formundan diğer bir enerji formuna dönüştürülmelidir. Örneğin, bir dağ gölündeki su potansiyel enerjiye sahiptir ve su sahip olduğu bu potansiyel enerjiyi her ikisi de faydalı birer enerji biçimi olan ısı veya ışığa dönüştürülebilecek elektrik enerjisine çevirmek için bir türbinin içinden geçirilebilir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Enerji ortak birimler halinde ifade edildiğinde bir miktar olarak düşünülebilir ve böylece madde akışı ve dengesi için kullanılan yaklaşımlar kullanılarak enerji akışını da analiz edebiliriz. Daha önce bahsedildiği gibi, bir kara kutu belli akışların girdiği ve ayrıldığı herhangi bir proses veya işlemdir. Şekil 7.1 e baktığımızda, kara kutudaki enerji girişinin, enerji çıkışı (dönüşümde boşa giden enerji+faydalı enerji) ile kutuda biriken enerjinin toplamına eşit olmak zorunda olduğunu görebilirsiniz.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Bu durum şu şekilde ifade edilebilir: Elbette ki, enerji hiçbir zaman gerçek anlamda üretilmez ve tüketilmez; yani enerji sadece şekil değiştirir. Enerji sistemleri de kararlı halde düşünülebilir. Eğer zamanla değişim yoksa, enerjide sürekli bir birikiminde olamayacağı çok açıktır.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Öyleyse eşitlik;

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Enerjinin bir formdan diğer bir forma nasıl dönüşebileceğinin bir diğer örneği de kalorimetredir. Kalorimetre maddelerin yandığı zaman verdikleri ısı enerjisinin ölçülmesinde kullanılan standart bir yöntemdir. Bir bomba kalorimetresinin şematik çizimi şekil 7.2 de gösterilmektedir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Bomba iki ayrı parçası vidalanmış paslanmaz çelik bir top şeklindedir. Topun içi yakılacak olan örneğin yerleştirilebileceği bir boşluğa sahiptir. Küçük bir parça kömür gibi ağırlığı bilinen bir örnek bombanın içine yerleştirilir ve iki yarım parça vidalanarak kapatılır. Daha sonra yüksek basınç altındaki oksijen bombanın içine enjekte edilir ve bomba bir ısı geçirmez su banyosu içine yerleştirilir. Bu ısı geçirmez su banyosunda bombadan çıkan kablolar bir elektrik akım kaynağına bağlanmıştır. Kabloların ateşlenmesi ile çelik topun içindeki madde yanar. Yanan madde önce bombayı sonra topun çevresindeki suyu ısıtır. Sudaki sıcaklık artışı termometre ile ölçülür ve zamanın fonksiyonu olarak kaydedilir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Şekil 7.3, tipik bir kalorimetre eğrisinin şeklini göstermektedir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Bomba kalorimetreyi bir kara kutu olarak göz önüne alalım ve kabın iyice yalıtıldığını ve sistemden hiç ısı enerjisinin kaçmadığını kabul edelim. Bu basit bir kesikli işlem olduğundan herhangi bir birikim yoktur. Enerji [GİRİŞİ] tamamen yanan maddeden kaynaklanmaktadır ve bu [ÇIKAN] enerjiye eşit olmalıdır. Enerji girişi veya çıkışı termometre ile sıcaklık olarak ölçülen ve ısı olarak ifade edilen enerjidir. Burada sadece ısı enerjisi dikkate alınmıştır. Atmosfere doğru herhangi bir ısı kaybının yaşanmadığı ve boşa giden bir enerjinin bulunmadığı kabul edilmiştir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Çıkan ısı enerjisi suyun sıcaklık artışı ile su+bombanın kütlesinin çarpımı ile hesaplanır. Bir kalorinin bir gram suyun sıcaklığını 1 C arttırmak için gereken enerji miktarı olarak tanımlandığını göz önüne alalım. Kalorimetrede ki suyun gramı bilindiğinden, kalori cinsinden hesaplamak mümkündür. Örneğin yanmasıyla, örneğin enerjisine eşit miktarda enerji serbest kalmış olmalıdır. Örneğin ağırlığının bilinmesi ile de enerji değeri hesaplanabilir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Bir madde içindeki ısı miktarı kütlesi ile mutlak sıcaklığının basitçe çarpımına eşit olduğu için ısı enerjisini enerji dengesini kullanarak analiz etmek kolaydır. O zaman ısı enerjisi için bir enerji dengesi ısı miktarı terimi cinsinden yazılabilir.

7.2. ENERJİ DENGELERİ VE DÖNÜŞÜMLERİ Bu, daha önce açıklanan madde akışına benzerdir. Madde akışı yerine burada kullanılan akış, enerji akışıdır. Örneğin iki enerji akışı birleştiğinde, meydana gelen bu birleşik akışın kararlı haldeki sıcaklığı kara kutu tekniği kullanılarak hesaplanır.

7.3.ENERJİ KAYNAKLARI VE KULLANILABİLİRLİĞİ Mümkün olan en verimli yakıtları kullanmak enerji alt yapısı için son derece önemlidir. Çünkü bu tür yakıtlar daha az bertaraf edilmesi gereken kül oluşturur ve birim yakıt maliyeti başına üretilen kilowatt saat elektrik bakımından da büyük olasılıkla en ucuz yakıt türü olurlar. Fakat bu anlamda en iyi yakıtlardan olan, doğal gaz ve petrol sınırlı miktardadır.

7.3.ENERJİ KAYNAKLARI VE KULLANILABİLİRLİĞİ Bugün kullanımda olan yenilenebilir kaynaklar aşağıdaki gibi sıralanabilir. Nehirlerden elde edilen hidrolik enerji Nehir ağızlarındaki gelgitten elde edilen hidrolik enerji Güneş enerjisi Çöp ve diğer atık maddeler Rüzgar Ağaç, şeker kamışı ve pirinç kabuğu gibi diğer biyokütle, Yenilenemez enerji kaynakları ise şunlardır. Nükleer enerji Kömür,, turbo ve benzeri maddeler Doğal gaz Petrol

7.3.ENERJİ KAYNAKLARI VE KULLANILABİLİRLİĞİ Yenilenemez enerji kaynakları başlıca enerji sermayemizdir. Enerjiyi bir eşya gibi kabul edecek olursak bir nevi harcamak zorunda olduğumuz enerji mal miktarıdır. Yenilenebilir enerji kaynakları ise sürekli enerji gelirimiz olarak düşünülebilir. Bu kaynaklar güneş doğdukça ve rüzgar estikçe kullanmaya devam edebileceğimiz kaynaklardır. Birleşik Devletler de önceki zamanlardaki enerji kullanımı şekil 7.4 te gösterilmiştir.

7.3.ENERJİ KAYNAKLARI VE KULLANILABİLİRLİĞİ

7.3.ENERJİ KAYNAKLARI VE KULLANILABİLİRLİĞİ Yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğu o kadar küçük ki, şekilde gösterilememiş olduklarına dikkat edin. Ancak buna rağmen halen daha enerji varlığımızı hızlı bir şekilde tüketmekte ve adeta yenilenebilir enerji kaynaklarına hiç ihtiyacımız yokmuş gibi davranmaktayız.

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği Potansiyel mevcut enerji ve etkili bir şekilde kullanılan enerji arasında büyük bir fark vardır. Örneğin, potansiyel enerjinin en büyük kaynaklarından biri gelgit enerjisidir. Ancak asıl zorluk bu potansiyelin, elektrik enerjisi gibi faydalı bir şekle nasıl dönüştürüleceğidir. Birkaç istisna dışında, bu türden dönüşümler etkin maliyet sağlamazlar. Yani gel-git enerjisinden elde edilen elektrik enerjisi diğer yöntemlerle üretilen elektrik enerjisinden çok daha fazla maliyete mal olur.

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği Bundan başka bazı dönüşüm biçimleri enerji verimli olamayabilir. Yani bu tür dönüşümler son haldeki enerjiden satılabilir formunu üretmek için çok daha fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Örneğin evsel çöpleri toplamak ve işlemek için gereken enerji, evsel çöplerden elde edilen yakıtların yakılması ile üretilen elektrik enerjisinden çok daha pahalıya mal olabilir.

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği Aritmetik enerji eşdeğeri ve dönüşüm enerji eşdeğeri arasında önemli bir ayrım yapılmalıdır. Aritmetik eşdeğeri basitçe enerji esaslı olarak hesaplanırken, dönüşüm eşdeğerliği dönüşüm esnasındaki enerji kaybını göz önüne alır. Şekil 7.5 bu durumu göstermektedir.

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği Sonuç olarak, çöplerden yapılmış yakıtın bir otomobili çalıştırması ile ilgili olarak çok basit sorunlar vardır. Eğer yakıtların enerji değerleri gerçekten birbirinin eşdeğeri olsaydı, bir yakıtı bir başkasının yerine, herhangi bir bedel ödemeksizin koymak, çok basit bir iş olurdu. Açıkçası bu değişim mümkün değildir ve dönüşüm eşdeğerinin, bir yakıtın bir başkasının yerine kullanılabileceği anlamına gelmediğini göz önünde bulundurmak gerekmektedir. Ayrıca, benzin gibi bir yakıtın ölçülen enerji değeri, o yakıtın net değeri değildir. Bu değer bir kalorimetre ile ölçülen enerji değeridir. Fakat net veya gerçek değer, benzini üretmek için gereken petrol sahası araştırması, sondaj, üretim ve nakliye için harcanan enerjinin, benzinin enerji değerinden çıkartılmasıyla hesaplanmalıdır.

7.3.1 Enerji Eşdeğerliği

7.3.2. Elektrik Enerjisi Üretimi Şekil 7.5 suyun bir kazanda buhara dönüştürmek için ısıtıldığını ve oluşan buharın bir jeneratörü çalıştıran türbinleri harekete geçirmek için kullanıldığını göstermektedir. Atık buhar tekrar yüksek basınçlı buhara dönüştürülmeden önce suya yoğunlaştırılmalıdır. Bu sistem şekil 7.6 daki gibi basitçe gösterilebilir. Bu şekil ısı makinesi olarak bilinir. Gerçekleştirilen iş enerji olarak tanımlanırsa ve kararlı halde olduğu kabul edilirse, bir ısı makinesindeki enerji dengesi şu şekilde oluşur.

Bu şekil ısı makinesi olarak bilinir. Gerçekleştirilen iş enerji olarak tanımlanırsa ve kararlı halde olduğu kabul edilirse, bir ısı makinesindeki enerji dengesi şu şekilde oluşur.

Termodinamikten yararlanarak, Karnot makinesi olarak bilinen en etkili (en az atık enerji veren) makineyi oluşturmak mümkündür. Bu makinen verimi çevresini saran mutlak sıcaklıkla belirlenir. Karnot makinesinin verimi aşağıdaki gibi tanımlanır. Burada T1=kazanın mutlak sıcaklığı T0=yoğunlaştırıcının (soğutma suyu) mutlak sıcaklığı

Gerçek bir enerji tesisinde sıcak baza gazları, buharlaşma, sürtünme kayıpları gibi nedenlerle de enerjide kayıplar yaşanır. Şimdiye kadarki en iyi tesisin verimi %40 civarındadır. Nükleer enerji tesisinden çeşitli enerji kayıplarını çıkarttığınız zaman, bu tesislerin verimlerinin fosil kökenli yakıt kullanan tesislerinkinden bile daha aşağıda olduğunu görürsünüz.

Kömürdeki ısı enerjisinin %60 ı kullanılmazsa, bu enerjinin atılması gerekir ve bu enerji bir şekilde çevrede dağıtılmalıdır. Kullanılmamış ısı enerjisi başlıca iki yolla enerji tesisinden dışarı verilir: baca gazları ve soğutma suyu. Şekil 7.5 teki şematik enerji tesisi bir kara kutu haline getirilebilir ve şekil 7.8 de gösterilen ısı dengesi kurulabilir.

Olayı daha da basitleştirmek için, soğutma havasındaki ısıyı ihmal edelim. Böylece kararlı halde enerji dengesi;

Genel olarak, baca gazlarındaki enerji kaybı kömürdeki enerjinin %15 inden oluşmaktadır. Soğutma suyundaki enerji kaybının oranı ise %45 tir. Bu büyük oran, soğutma suyunun nehir ve göllere boşaltılmasıyla meydana gelen sıcaklık artışına yani termal kirlenme olarak bilinen bir dizi soruna yol açar. Birçok ülke, termal boşaltımları akarsuların sıcaklık seviyelerindeki artışın, 1 derece veya daha az olacak şekilde kısıtlamışlardır. Bu nedenle soğutma sularındaki ısının bir kısmı suya deşarj edilmeden önce atmosfere dağıtılmalıdır. Bu enerjiyi dağıtmak için büyük sığ göletler veya soğutma kuleleri gibi çeşitli yöntemler kullanılır.

Şekil 7.9 da sıradan bir soğutma kulesinin kesit çizimi gösterilmektedir.

Soğutma kuleleri elektrik üretimine önemli ek bir maliyet getirmektedir. Soğutma kulelerinin fosil yakıt kullanan tesisler için enerji üretim maliyetini iki katına çıkardığı tahmin edilmekte ve bu maliyetin nükleer enerji santralleri içinse 2.5 kata kadar çıkabileceği söylenmektedir.

Yapılan masraflara rağmen, çoğu zaman soğutma suyunun boşaltıldığı yerin hemen altındaki akarsu normalden daha sıcak olur. Bu durum, sert kış aylarında buzun olmamasına ve aşırı miktarda balık yetişmesine yol açar. Dünyanın diğer kesimlerinde enerji üretim tesislerinden çıkan soğutma suları, yer altından döşenen borular aracılığı ile ev ve işyerlerinin ısıtılmasında kullanılmaktadır.

Atık ısının boşaltılmasından, mekanların ısıtılması için potansiyel güzel bir iş ortada iken, boşaltım öncesinde suyu soğutmak için bu kadar çok paranın harcanmasına neden gerek duyulur? Birleşik Devletlerde, enerji tesisleri özellikle mümkün olduğu kadar yerleşim yerlerinden uzakta inşa edildiği için atık ısı mekanların ısıtılmasında kullanılmaz. Akarsulara sıcak suyun niçin boşaltılmaması gerektiği tam olarak anlaşılamamıştır. Isı açıkça sucul ekosistemi değiştirir. Fakat bazıları bu değişimin iyi olacağını iddia etmektedir.