Yapı Teknolojisinde Yenilenebilir Enerjiler ve Alternatif Sistemler TTMD Çalıştayı, Eskişehir, 6-8 Şubat 2009 Geleceğin Binaları için Termal Enerji Depolama Uygulamaları Prof.Dr. Halime Paksoy Çukurova Üniversitesi
İçerik Giriş Türkiye enerji durumu, sorunlar Alternatif enerji kaynakları Termal enerji depolama (TED) Geleceğin binaları için TED uygulamaları Türkiye de TED Çalışmaları Sonuç ve önerileri
Türkiye de enerji tüketiminin sektörel dağılımı* 2006 verileri* * www.iea.org %40 Sanayi %31 Konut %19 Ulaştırma %5 Tarım %5 Enerji dışı TYÜKO %26.9 *www.dektmk.org.tr
Türkiye de elektrik üretiminin gelişimi* 2006 verileri* % 25.1 Hidrolik % 44.0 Doğal gaz % 26.3 Kömür % 4.4 Sıvı yakıt * www.iea.org *www.dektmk.org.tr
Elektrik üretiminde emisyon miktarları kg/kwh CO 2 NO x SO 2 Petrol 0.88 0.0018 0.0061 Doğal Gaz 0.61 0.0023 0.0000035
Sorunlar Sera gazı emisyonlarının artışı ve küresel ısınma Buzulların erimesi ve deniz seviyesindeki artışlar Aşırı iklim koşullarının sıklığı Enerjide arz güvenliği Kaynakların çeşitlendirilmesi Uluslararası piyasalardaki petrol fiyatlarındaki hareketlilik Elektrik tüketiminde karşılaşılan aşırı yükler
Gelecek için misyonumuz Fosil yakıt kullanmadan yaşamayı sürdürebilmek Isıtma ve soğutma sistemleri için yeni çözümler bulmak...
Tükenmez enerji kaynakları 1. Güneş 2. Hidro 3. Rüzgar 4. Biyokütle 5. Jeotermal
6. Alternatif enerji kaynağı 6. Toprak kaynaklı enerji Toprak Hava ve su
7. Alternatif enerji kaynağı Atık Isı Çeşitli kaynaklar Yüksek sıcaklık 100 < T < 400 C: gıda, kağıt, tekstil, motorlu taşıtlarda,... > 400 C: cam, demir-çelik, güç santralleri,... Düşük sıcaklık < 100 C Beyaz eşyalar, elektronik cihazlar,... Atık ısı arz ve talep arasında uyumsuzluk Zaman Yer Sıcaklık Kato, 2007
Termal Enerji Depolama (TED) Amaçlar Alternatif enerji kaynaklarından kesintisiz yararlanabilmek Enerji sistemlerinin verimliliğini artırmak Birincil enerji kaynaklarından tasarruf etmek, Yerel kaynaklardan yararlanarak dışa bağımlılığı azaltmak Sürdürülebilir ve uzun ömürlü enerji sistemleri CO 2 emisyonlarını azaltarak küresel ısınmanın etkilerini azaltmak CO 2
TED Yöntemleri Isıl Yöntem Duyulur Isı Sıvılar Katılar Gizli Isı Katı-Katı Katı-Sıvı Kimyasal Yöntem Absorpsiyon / Adsorpsiyon Enerji yoğunluğu [kj/mol] Oksidasyon Tersinir tepkime Faz değişimi Duyulur ısı değişimi Tersinmez Kimyasal Tersinir Fiziksel Tersinir tepkimeler Oksidasyon tepkimeleri Kato, 2005
TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES)
Toprak Kaynaklı Enerji Sistemleri 2. Yeraltı Termal Enerji Depolama (UTES) Akifer Termal Enerji Depolama (ATES) Kuyularda Termal Enerji Depolama (BTES) Çukur veya tanklarda Termal Enerji Deoplama (CTES) ATES CTES BTES Andersson, 2005
Yeraltı Termal Enerji Depolama Termal enerji kaynakları Kışın soğuk kaynaklar Dış ortam havası Yüzey suları Kar ve buz Yazın sıcak kaynaklar Dış ortam havası Yüzey suları Güneş ISITMA Mark YERALTI SOĞUTMA
Yeraltı Termal Enerji Depolama Termal denge Isıtma Soğutma Sistem seçimi ve tasarımı yeraltında termal dengeyi bozmayacak şekilde yapılır.
Yeraltı Termal Enerji Depolama Akifer nedir? Akifer: Yeraltında saklı, yeraltı suyu ile doygun jeolojik katman T ys = T dış ±1ºC Kuyu filtreli boru Akifer formasyonu Andersson, 2005
Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Bina KIŞ ISITMA YAZ SOĞUTMA AKİFER Sıcak Kuyu Soğuk Kuyu
Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES konfigurasyonları A. Isı pompasız ısıtma ve soğutma B. Isı pompalı ısıtma ve soğutma C. Isı pompalı sadece ısıtma D. Isı pompasız sadece soğutma ATES CTES BTES Andersson, 2005
Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Isı pompalı konfigurasyon (B) Özellikler Kapasite, 1-5 MW Her iki tarafta 2-3 kuyu Sıcaklık, 3-30 o C Performans katsayısı, 5-7 Geri ödeme süresi 1-3 yıl ATES CTES BTES Andersson, 2005
Yeraltı Termal Enerji Depolama ATES Başarı Faktörleri Çok karlı (doğru tasarlanırsa) Düşük yatırım maliyeti (bazen konvansiyonelden düşük) Düşük işletme maliyeti Çok büyük yükler için uygundur Çok verimli Yüksek tasarruf potansiyeli Sessiz, az yer kaplar, görünmez Darboğazlar Detaylı saha araştırması gerektirir Uygun akifer her zaman bulunmayabilir Kısıtlı tasarım ve inşaat standardları Teknik sorunlar (özellikle kuyu tıkanması) Eğitim ve uzmanlık eksikliği Yeni teknolojilere karşı direnç
Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES Özellikler Kuyu sayısı 10-200 Derinlik Kapasite Kuyular arası uzaklık 100-250 m 50-500 kw 4-12 m Andersson, 2005
Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES - Kuyu-içi eşanjörler Eşanjör tipleri Eşanjör örnekleri Single-U-pipe 25-32 mm Double-U-pipe Simple coaxial Complex coaxial Hellström, 2005 Rehau AG + Co HAKA.GERODUR (Almanya) (İsviçre)
Yeraltı Termal Enerji Depolama BTES - Isıl duyarlılık testi Türkiye Kanada Isıl duyarlılık testi BTES sisteminde ısıl iletkenlik ve direnci belirlemek için her uygulamada açılan pilot kuyuda standart olarak yapılmalıdır. İsveç
BTES - ATES karşılaştırma BTES Kolay Sadık Az ilgi ister Andersson, O., 2005 ATES Kompleks ve hassas Kontrol etmesi zor Tam ilgi ister
TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama
Faz Değiştiren Maddelerde TED Termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan maddeler : FDM İzotermal faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı depolanabilir Uygun erime aralığında FDM seçimi ile ısıtma ve soğutma sistemlerinde uygulanabilir.
Faz Değiştiren Maddeler (FDM) ZAE Bayern, 2005
Buz depolama Boru üzerinde buz Akışkan buz Kapsüllenmiş buz Yamaha, 2005
Buz depolama Peak Shaving Elektrik yük eğrilerindeki piklerin traşlanması Mesken tarife* Gündüz : 15.642 kr/kwh Puant : 26.749 kr/kwh Gece : 7.664 kr/kwh *www.tedas.gov.tr Ekim 2008 Elektriğin pahalı olduğu saatlerdeki soğutma ihtiyacı ucuz saatlerde üretilen buzla karşılanır.
TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri
Binalarda neden FDM kullanılmalıdır? Geleneksel binalar: Kalın duvarların ısıl kütlesi ısı ve soğuğu depolayabiliyordu. Kalın duvarların ısı ve soğuğu depolayabilmesi ile gece ve gündüz arasında sıcaklık değişimi fazla iken evin içerisindeki sıcaklıklarda çok büyük farklar gözlenmemektedir.
Binalarda FDM uygulamaları Doğal ısıtma Yapı malzemeleri ile FDM karşılaştırması
Binalarda FDM uygulamaları Doğal soğutma Fan FDM Cool-deck : Climator www.climator.com
Binalarda FDM uygulamaları Yapı malzemelerinde FDM Yapı malzemeleri için mikrokapsüllenmiş FDM BASF (Mikronal) FDM + sıva Maxit (VP-ML) FDM + alçıplaka Knauf (LP-PCM)
Binalarda FDM uygulamaları FDM ile zemin ısıtma yöntemi Yüksek depolama kapasitesi, 0,5 kwh/m 2 Konvensiyonel ısıtma sistemleri ile karşılaştırıldığında enerji tüketiminde %35 azalma www.rubitherm.com
TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri Su Tankı
Su tankları En yaygın ve eski TED Çeşitli hacimlerde uygulamalar Güneş enerjisi kombi sistemleri Tabakalaşmadan yararlanan su tankı tasarımları 3500 m 3 Urbaneck, 2007
TED Teknolojileri Toprak kaynaklı enerji teknolojileri Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Yeraltında Termal Enerji Depolama (UTES) Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Buz ve kar depolama Kimyasallarda depolama Bina elemanları ve malzemeleri Su Tankı Termokimyasal tepkimeler
Termokimyasal Tepkimeler Absorpsiyon Sulu çözeltiler (LiCl-H2O gibi) Güneş enerjisiyle soğutma Adsorpsiyon Katı absorban (zeolit, silika jel) Adsorption Heat Inner Surface of Adsorbents Desorption Water Molecules Hauer, 2005
Termokimyasal Tepkimeler Oksidasyon 2Fe+3/2O 2 -> Fe 2 O 3 HOKARON Taşınabilir ısıtıcı 20 saat boyunca T ort =51 o C,T max =65 o C Tersinir tepkimeler kimyasal ısı pompası Kato, Y., 2005 Isı çıkışı Hidratizasyon MgO + H 2 O Mg(OH) 2 Isı depolama Dehidratizasyon H= 81.0kJ/mol T denge =252 o C
Termokimyasal Tepkimeler Taşınabilir TED Enerji Yoğunluğu 350 kwh/t 250 C 180 kwh/t 100 C Depolama Atık ısı kaynağı Taşıma araçları: Tanker, gemi, tren veya boru hattı Hauer, 2005
Binalar için Termal Enerji Depolama Uygumaları
Bo01 Yerleşim Merkezi Malmö, İsveç 100 % yenilenebilir enerji Deniz suyu kaynaklı Elektrik için rüzğar Bir miktar güneş ve biyogaz kullanımı 10 Kuyu 120 m 3 /saat akış hızı Üretim 6 100 MWh Tasarruf 1 200 MWh Elektrik Andersson, 2005. 2 600 MWh doğal gaz CO 2 indirimi 11 Mt /yıl
Bo01 Yerleşim Merkezi Malmö, İsveç Ekonomi Yatırım Maliyeti 2005 ATES sistemi, 350 00 Euro Birim yatırım maliyeti, 269 Euro/kW İşletme maliyeti (2002-2004) Ortalama bakım maliyeti, yaklaşık 1 Euro/MWh 1999 Ortalama enerji maliyeti, yaklaşık 4 Euro/MWh Geri ödeme süresi, < 1,5 yıl Andersson, 2005.
Näsby Parkı, Stokholm, İsveç 25 20 Normal water temperature High water temperature Water temperature (C) 15 10 5 BTES sistemi - Yazın göl suyu enerji kaynağı olarak kullanılıyor Nordell ve Hellström, 2005. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month
Näsby Parkı, Stokholm, İsveç 48 kuyu x 180 m Isı pompası 400 kw Yatırım maliyeti 750.000 Euro İşletme maliyeti tasarruf 180.000 Euro/yıl %79 petrol tasarrufu Geri ödeme süresi 4.2 yıl Nordell ve Hellström, 2005. Kuyular Su giriş Su çıkış Sarı ile gösterilen binaların (18.000 m 2 ) ısıtma yükü
Neckarsulm, Almanya 1. Ausbaustufe 168 Sonden 20.000 m³ 1999 M10 M15 M13 M09 M11 M08 M07 M06 M05 M12 M04 M14 M18 M17 M02 M03 M01 Pilotspeicher 36 Sonden 4.300 m³ 1997 M16 2. Ausbaustufe; 528 Sonden 63.000 m³, 2001 5000 m 2 güneş kollektörü Kuyu sayısı: 36 adet 1997 de Sanner B., 2005 168 adet 1999 528 adet 2001 Derinlik 30 m
Almanya Parlemento Binası, Bundestag Berlin Kojenerasyon santralinin atık ısısının depolanması Sanner B,, 2005
MM21, Yokohama, Japonya Japonya daki en büyük buz depolama sistemi Buz depolama (kapsül) 1,100 m 3 x 2 depolama tankı Nagano, 2005
Narita Havaalanı, Tokyo, Japonya Dünyanın en büyük Mikrokapsüllenmiş akışkan FDM depolama sistemi Nagano, 2005
Okotoks Yerlesim Merkezi, Kanada 52 konut 144 kuyu Derinlik 35 m Isıtma yükünün % 90 ı güneş enerjisi ile Cruickshaks F., 2005 Güneş enerjisi depolama başlama Haziran 2007
Richard Stockton College, NJ,ABD 6 400 öğrenci 130 m derinliğinde 400 kuyu 6.100 kw soğutma kapasitesi 1994 den beri uygulamada Stiles, 2000 Çevreye zararı yok Önemli teknik sorun yaşanmamış Geri ödeme süresi 3,8 yıl Emisyon azaltımı 3 400 araba eşdeğeri
Avantor-Nydalen, Oslo, Norveç Üniversite Radisson Oteli Enerji depolama (kuyular) İş merkezi Konutlar Nordell ve Hellström, 2005 Toplam alan : 180.000 m 2 180 kuyu, 200 m derinliğinde
Avantor-Nydalen, Oslo, Norveç Nordell ve Hellström, 2005 Yatırım maliyeti 1.950.000 Euro İşletme meliyeti tasarrufu 480.000 Euro Geri ödeme süresi 4,1 yıl
Gardemoen Havaalanı, Oslo, Norveç ATES Sistem Diyagramı District heat Auxiliary heat District cold Heat pump / refrigeration plant 20 20 Excess heat heat exchanger Heat exchenger Heat exchanger 18 18 16 16 14 14 Effect (MW) 12 10 8 6 4 2 Heat demand Heat pump heat production 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Duration (days) Cooling demand 12 10 8 6 4 2 0 Effect (MW) Warm wells Andersson, 2005. Winter operation Summer operation Cold wells
Gardemoen Havaalanı, Oslo, Norveç Kapasite 9 MW 9+9 Kuyu, 20 m derinlikte Debi 270 m3/saat Yeraltı suyu sıcaklığı, 20-3 o C Isıtma, 11 000 MWh/yıl Soğutma, 11 000 MWh/yıl Bakım maliyeti yatırımın % 2 si Geri ödeme süresi < 2 Yıl Andersson, 2005.
Türkiye de Termal Enerji Depolama Çalışmaları
Uluslararası Enerji Ajansı TED Faaliyetleri Çukurova Üniversitesi Enerji Depolamasıyla Enerji Tasarrufu (Energy Conservation through Energy Storage ECES IA) Uygulama Anlaşmasını Türkiye yi temsilen imzaladı. 29 Haziran 1995 ECES Faaliyetleri Yönetim Kurulunda 1995 yılından beri delege Yönetim Kurulu Başkan ve Sekreterlik görevleri (1999-2002) Annex 14 Tüm iklimlerde termal enerji depolamayla soğutma Yürütücüsü (1999-2004) Çeşitli bilimsel toplantı organizasyonları Akademisyen ve öğrenci değişimleri Annex 8, 10, 13, 20, 21, 24 Katılım
Çukurova Üniversitesi Balcalı Hastanesi ATES Projesi Fizibilite Çalışması Yıllık Tasarruf Elektrik 3250 MWh Fuel-Oil 1 000 m 3 Emisyonlardaki Azalma CO 2 2100 ton/yıl SO x 7 ton/yıl NO x 8 ton/yıl
Telekomunikasyon İstasyonları Alternatif Soğutma Yöntemleri Potansiyel Çalışması 1. Toprak kaynaklı (ısı pompasız) soğutma Annual Electricity Consumption 400 350 Cooling demand Cooling demand 300 2. FDM uygulaması ile pasif soğutma MWh / year 250 200 150 100 50 0 Electric Conventional New Electric
Mezitli Yonca Market ATES Projesi Soğutma Yükü 195 kw Isıtma Yükü 74 kw Enerji Tasarrufu 60% Çalışmaya Başlama 2001
Isıl duyarlılık testleri (IDT) Türkiye deki tek IDT Yapılan Testler Beykoz-İstanbul Aralık 2001 1 test Ümraniye-İstanbul Şubat 2007 5 test Hadımköy-İstanbul Aralık 2001 1 test Ankara 2008 1 test Adana 2001 5 test Elazığ Haziran 2007 3 test
Bina Yapı Malzemelerinde FDM denemeleri Pilot çalışma 4 m 2 deney kulübesi Adana FDM + Yalıtım Micronal 5001 - BASF (erime noktası 26ºC gizli ısı 110 kj/kg) Micronal 5008 - BASF (erime noktası 23ºC gizli ısı heat 110 kj/kg) Izopan Yalıtım malzemesi- IZOCAM Isıtma yükünde % 23 e varan azalma Soğutma yükünde % 7 e varan azalma
Sera Projesi, Adana 360 m 2 sera Domates ve patlıcan üretimi ATES 2 kuyu @80m Kuyular arası uzaklık 100 m Debi 1.2 L/s Turgut, 2006
Sera Projesi, Adana % 68 enerji tasarrufu %40 ürün artışı 0 fosil yakıt tüketimi Daha uzun ve erken hasat dönemi Akdeniz ikliminde yüksek ATES uygulama potansiyeli
Alış veriş merkezi, Ümraniye, İstanbul 3500 kw soğutma ve 1200 kw ısıtma yükü Toplam 18,327 m sondaj Avrupa daki en büyük BTES projelerinden biri 2007 de tamamlandı Oflaz, 2007
Sonuç ve Öneriler Fosil yakıtsız bir gelecek için alternatif enerji kaynakları Alternatif enerji kaynaklarının arz ve talep arasındaki uyumsuzluğu TED ile giderilmelidir. TED ısıtma ve soğutma sistemlerinde birçok ülkede başarıyla uygulanmaktadır. TED teknolojilerinin enerji verimliliğini artırdığı, ekonomik ve teknik açıdan uygulanabilir olduğu ispatlanmıştır. Çok çeşitli sıcaklıklardaki atık ısıdan farklı amaçlarla yararlanarak enerji verimliliği TED ile artırılabilir.
Sonuç ve Öneriler Türkiye de konut sektöründe TED uygulamaları yapılabilecek alanlar... Hastaneler Alış-veriş merkezleri Havaalanları Turistik tesisler Mesken ve ticari binalar... Alternatif enerji kaynaklarına destek ve teşviklerin artırılması TED sistemlerinin uygulamalarını artıracaktır. TED sistemleri hakkında eğitim faaliyetleri düzenlenerek bu alandaki uzman eksikliğinin giderilmesi TED teknolojilerinin Türkiye de yaygın uygulanması ile Fosil yakıt ve elektrik tüketimi azaltılarak ekonomik ve çevresel yararlar İthal kaynaklara bağımlılığı azaltarak ülke ekonomisine katkı sağlamak ve enerji güvenirliğini artırmak
Yapı Teknolojisinde Yenilenebilir Enerjiler ve Alternatif Sistemler TTMD Çalıştayı, Eskişehir, 6-8 Şubat 2009 hopaksoy@cu.edu.tr Tel : 322 338 6418 Fax : 322 338 6070 Teşekkürler