Elektrik enerjisinin artışına olan ihtiaç ıllık %10 civarındadır. Bu sebeple; Tesis saıları artırabilir. Var olan tesisler büütülebilir. Ham madde miktarı artırabilir. Kimasal enerjiden doğrudan elektrik enerji dönüşümüne direkt enerji çevrimi denir. Kimasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümü aşağıdaki gibidir. KÖMÜR ISI TÜRBİN JENERATÖR Verim=%100 Verim=%40 Verim=%100 Verim=%40 Kimasal Isı Mekanik Elektrik Enerji Enerjisi Enerji Enerjisi Kaıp miktarını azaltmak için; Üretim merkezlerinden tüketim merkezlerine elektrik iletmede üksek gerilim hatları anında faz saısı artırılabilir. (Hem kaıplar azalacak, hem de izolatör tasarımı, korona gibi dezavantajlı durumlar azalacaktır. Cihazlarda ve iletim hatlarında kullanılan dirençlerdeki malzemeler kaıplara ve gerilim düşümlerine ol açar. Bu sebeple süper iletkenler kullanılmalıdır. Görüldüğü gibi dönüşüm sırasında verim kabı %60 ları bulmaktadır. 1
Katı ve sıkı akıtlarının 1kg nın; Gaz akıtların 1m^3 ünün; 0ºC ve 760 Torr basınç altında anmalarıla kcal olarak açığa çıkan ısı miktarına o akıtın ısıl değeri denir. Yakıtların ısıl değerleri; anmadan önceki ve sonraki zamanlarda farklı olduğundan alt ısıl ve üst ısıl kavramları ortaa çıkmıştır. Alt Isıl Değer: Yanmadan önceki anma elamanlarının ilk sıcaklıklarının 0ºC olması; Yanma sonunda medana gelen elamanların tekrar anı derecee gelmeleri; Medana gelen suun tekrar anı derecede buhar kalması Şartlarıla; 1kg ve 1m 3 lük akıtın sabit basınç altında akılması sonucu ortaa çıkan ısının kcal cinsinden miktarıdır. Üst Isıl Değer: Yanmadan önce anma elemanlarının ilk sıcaklıklarının 0ºC olması, Yanma sonunda medana gelen suun anı derecede suun oğunlaştırılması Şartlarıla; 1 kg a da 1 m 3 lük akıtın sabit basınç altında akılması sonucu ortaa çıkan ısının kcal cinsinden miktarıdır Elektrik enerjisi elde etmek için santrale başka bir tür enerji vermek gerekir. Buna ham enerji ada primer enerji denilmektedir. Ham enerji maddelerine aşağıdaki örnekler verilebilir. Isıl (Termal) ham enerji maddeleri Su kuvveti Rüzgar kuvveti Güneş enerjisi Diğer kanaklar (gelgit, su akıntısı, jeotermal, vb...) 2
Birim geçişleri; Katı Isıl Ham Enerji Maddeleri Taşkömürü Linit Odun Atom Gaz Isıl Ham Enerji Maddeleri Sıvı Isıl Ham Enerji Maddeleri Gaz ağı Mazot Benzin Fuel oil Maden kömürü katranı 1joule=1 Wsa=1Nm=10 7 erg 1kWh=3.6*10 3 kj=860kcal 1kcal=4,187kj=1,163*10-3 kwh 1kj=0,278*10-3 kwh=238,8*10-3 kcal Yüksek fırın gazı Doğal gaz Kok gazı Rafineri gazı LPG Taşkömürü : Çok değerlidir, Türkie de enerji üretiminde pek kullanılmaz. Çatalağzı termik santrali, Zonguldak ve civarı Alt ısı değeri Hu=7000 kcal/kg=30000 kj/kg Linit : Ülkemizde çok bulunan bir kömür türüdür. Soma, Tunçbilek, Afşin-Elbistan... Hu=2500-4500 kcal/kg=10000-18800 kj/kg Odun : Elektrik enerjisi üretimi için kullanılmaz. Hu=3000-4000 kcal/kg=12500-16750 kj/kg. Çekirdek (Nükleer) Enerji : Elde edilmesi ileri teknoloji gerektiren, askeri amaçlara dönüştürülebileceğinden stratejik önemi olan bir ham enerji maddesidir. 235 (ranum 235 kullanılır.). 1kg 235 3000 ton taşkömürüne eşdeğer ısı verir. Hu=2.1010 kcal/kg=8,4.1010 kj/kg ; 235 doğada bulunur. Primer nükleer akıt olaarak bilinir. Sekonder nükleer akıtlar ise Plutonum ve Torum dur. Pu239 ve Th232 atomları, 236 ı nötron bombardımanı ile 235 e dönüştürür. Yapa olarak elde edilirler. Gaz ağı, mazot, benzin, fuel oil, maden kömürü katranı gibi petrolden elde edilen sıvı akıtlar kullanılabilir. Ortalama alt ısı değeri Hu=10000 kcal/kg=42000 kj/kg dır. Ülkemizde son ıllarda anlış politikalar sonucu fuel oil le çalışan mobil santraller kurulmuştur. Pahalı ve çevree zararlıdır 3
Yüksek Fırın Gazı: Yüksek fırınlarda pik demir üretilirken oluşur. Alt ısı değeri bakımından fakir gaz grubuna girer. Hu=4200 kcal/m3=17850 kj/ m3 Doğal gaz: Tabiatta bulunur ve tıpkı petrol gibi sondaj apılarak çıkartılır. Son ıllarda ülkemizde ugulanan anlış ve art nietli enerji politikaları sonucu Rusa ve İran dan gaz alışı anlaşmaları apılmıştır. Bu gazı harcamak için büük gaz santralleri kurulmuştur. Dışa bağımlı olduğundan enerji malieti çok pahalıdır. Hu=9300 kcal/ m3 =21000 kj/ m3 Kok gazı: Hu=4200 kcal/ m3 Rafineri gazı: Hu=1250 kcal/ m3=51300 kj/ m3 LPG: Hu=22680 kcal/ m3=94260 kj/ m3 Su gazı, hava gazı, kömürleme gazı, vb... 3.3.1 Elektrik Enerjisi Tüketimi Enerji üretimini (kurulacak santrallerin tipini, boutunu belirlemek) planlamak için; önce tüketimin bilinmesi gerekir. İhtiaç (ihtiacın miktarı ve zamana göre değişimi) belirlendikten sonra üretim merkezleri planlanır. Tüketimi aşağıdaki unsurlara göre sınıflandırmak mümkündür. - İhtiacın zamana göre değişimi. - Tüketimin zamana göre değişimi. - Tüketim rejimi ve tüketim alanı. Bazı elektrik tüketim alanları aşağıda verilmiştir. Adınlatma tüketimi, atöleler, ziraat tüketimi, sanai tüketimi, demirolu tüketimi, elektro kimasal tüketim, ticarethaneler, enerji ihracatı v.s dir. 4
Bir tüketicinin 24 saatlik değişimini veren eğrie günlük ük eğrisi denir. Her tüketicinin kendisine özgü bir ük eğrisi vardır. Örneğin adınlatma tüketicilerinde akşam saatleri ük tüketimi artar. Her bir tüketicinin günlük ük eğrisi farklı olacağı için tüketim merkezinin günlük ük eğrisi hepsinin toplamından bulunur. Tüketici bölgesinin çektiği maksimum güce puant güç denilir. Puant güç, bölgenin enerji ihtiacı belirlenirken kullanılan önemli bir güç seviesidir. Şekil 1.Yük eğrisi Şekil 2. Puant güç ve minimum sarfiat Tesisten fadalanma oranı vea üklenme katsaısını ifade eden m ; m = = = <1 F= Maksimum enerji tüketimi: F MAX =P P. 24 Yüklenme katsaısı : m=f/f MAX = h / 24 = P o / P P < 1 ; m<1 (Tesisten fadalanma katsaısı ) Yük değiştirme oranı : =P MİN /P P Ortalama güç (kw) : P O =F/24 Tçalışma süresi: T= ekonomik veriler ışığında m 1 e oldukça akın olmalıdır. Bölece enerji ucuza üretilebilir. Bu amaçla; a) a puant güç küçültülmeli b) a da ortalama güç büümelidir. Bu işlem için; -Enerjinin az tüketildiği zamanlarda tarifei ucuzlatıp, puant zamanlarda arttırarak bu işlem halledilebilir. -Tüketici ihtiacının değişmesi nedenile puant zamanlarda değişebilir. Kışın daha erken, azınsa daha geç saatlerde tüketim maksimum olur. İşletme süresi (saat) : h=f/p P 5
Bir tesisteki cihazların (motor, adınlatma, ısıtma) anma güçleri/nominal (tüketicinin en fazla çekeceği güç) toplamı o tesisin kurulu gücünü verir. P kt = Bir tesisteki kurulu gücü oluşturan cihazların hepsi bir anda devree girmez. Tüketicilerin besleneceği santralin büüklüğü a da trafonun gücü ile kabloların kesitleri günlük ük eğrilerinden fadalanarak bulunur. Bir tesisteki kurulu gücü oluşturan cihazların hepsinin anı anda devree girmesinin mümkün olamaacağı kabul edilerek eş zamanlılık tanımı apılır. Bu katsaı anı anda devree girecek cihazların kurulu güce oranıdır. g= Küçük tüketicilerde g, %60 lara çıkabilir, büük tüketicilerde %40 lara düşebilir. Puant gücü kuvvet ve adınlatma olarak ikie aırırız. Pa:adınlatma; Pk:kuvvet olmak üzere; Pp=Pa+Pk Tüketim bölgesinin özelliğine göre Pa a da Pk büüktür. n, tüketici nüfusunu, an kişi başına güç miktarını gösterirken; Pa=. n<20000 olan erlerde an=50 W/kişi n>20000 olan erlerde an=100 W/kişi Çok büük şehirlerde an=150 W/kişi alınabilir. Kurulacak santrallerin güçleri en azından tüketicinin puant gücüne eşittir. Ancak iletim ve dağıtım kaıpları da kesilmelidir. Pz, kaıp gücü, her erde anı değildir. Akımın büük olduğu erlerde büük, küçük olduğu erlerde küçüktür. 6
3.3.2 Elektrik Enerjisi Üretimi: Üretim Merkezleri Kurulurken Nelere Dikkat Edilir..? Tüketim merkezindeki nüfus artışı Santralin tüketim merkezine uzaklığı Ham enerji kanaklarının santrale uzaklığı Çevresel ve topoğrafik etüdler Şekilde bir santralin beslediği tüketim merkezi gösterilmiştir. Mevsimlik değişimler nedenile günlük ük eğrilerinden ıllık ük eğrileri çok kola olmaz. Bir ıla ait günlük ıl eğrilerinden oluşan şekil eşit zaman aralıklarına bölünür ve bu dilimler bo sıralarına göre dizilerek genel bir merdiven eğrisi elde edilir. Örnek çerek saat( 15 dk) arala (24*4)=96*365 adet dilime bölünebilir. P o (t)=p t (t)+p z (t) P po (t)=pp(t)+p zmax (t) P z (t)=3.i 2 (t).r Üretici gücü her zaman; P po P g(t) +P Zmax Onar dakikalık dilimler dikkate alınacak olursa bir ortalama eğri elde edilir, buna düzenlenmiş ıllık eğrisi denir. 7
Yıllık ük eğrisinin alanı için; A= Amax=P p *8760 İşletme süresi, h= Yüklenme katsaısı m= < 1 h, işletme süresi, daima T 8760 çal şma süresinden küçüktür. Santral ada trafo gücünün P p olması etmez. Arıza durumlarında gruplar devreden çıkacağı için edek güç bulundurulmalıdır. Santral ada trafo gücünün P p olması etmez. Arıza durumlarında gruplar devreden çıkacağı için edek güç bulundurulmalıdır. Yedek güç P iken; Bütün bunlara göre; Santral gücü; P=.P p ; %20-%30 arasında değişen bir katsaı olup, Enterkonnekte şebekelerde,%10 Küçük şebekelerde,%30 alınabilir. Arıca santral tipi de önemli olup, iç ihtiaç da göz önünde bulundurulmalıdır. Pi=i.P p P s =P p +P +P i= P p (1++i)=r.P p Eşitlikteki r, rezerv katsaısı olup genelde bu değer (1+) olarak alınır. Eğer düzenlenmiş ük eğrisinde P p erine P s alınsadı; alınmakta olup, i katsaısı; Buhar santrallerinde;%5-7,5 Dizel santrallerde; %3-4 Hidrolik santrallerde %0,5-1,5 arasındadır. 8
Santral tipi m(%) h(saat) Kö santrali 7 1200 Kasaba santrali 14 2000 Şehir santrali 25 3500 Küçük bölge santrali 45 4500 Büük bölge santrali 46-50 5000 Sanai santrali 60-70 6000 Santrallerden tüketicie enerji 3ɸ iletim hatlarıla ile taşınır. İletim ve dağıtım şebekelerindeki kaıplar zamana göre değişkenlik göstermektedir. Aşağıdaki şekilde gösterilen Az alanının, maksimum kaıp olan Pzmax ile çalışma durumunda, Azmax alanına oranı kaıp derecesi-θ denir. m; 1 e akınlaştırılırsa santral verimli kullanılmış demektir. Az=Pz.hz Azmax=Pz.T Θ= = ( ) =. Θ=.. Santrallerde alçak gerilim 0.4 kv, orta gerilim 6.3-11.5,15.75-21 kv lar mertebesindedir. Küçük santrallerde alçak gerilim eterlidir. Bilindiği gibi santrallerin iç ihtiaç gerilimi tüketici geriliminden %5 daha büüktür. Dizel ve su santrallerinde iç ihtiaç gerilimi 0.4 kv Buhar santrallerinde 0.4-3.15 vea 6.3 kv dır. Çok küçük güçlerde santral gücü, grup gücüne eşit olabilir,ancak büük güçlerde bu pratik olarak imkansızdır. Bu nedenle güç gruplara bölünür. Eğer bir santralin diğer santrallerle paralel çalışması gerekiorsa, jeneratörün büük güçlü seçilmesi gerekir. Bölece her kw a karşı gelen maliet daha küçük olur ve büük güçlü makinenin verimi üksektir. Ancak edek parça sağlamak imkansızdır ve arıza durumunda, tek makine olduğu için, % 100 kaıp olur. Bu nedenlerden dolaı santrallerde makine saısı birden fazla olur ve günlük a da ıllık ük eğrisine udurulur. Tam ükte verim maksimumdur. Az ve aşırı üklerde ise verim düşmektedir. 3 santral grubu vardır. -Temel ük grubu, -hareketli ük grubu puant ük grubu 9
Santrallerde en ii çalışma durumu P 1 = P 2 = P 3 olmasıdır. Bölece, makinalar arası görev değişikliği ve bir makinanın eskimesi engellenmiş olur. Grup saısını, santralin kurulu gücü,çalışma tarzı, tahrik makinesinin tipi ve gelişme imkanları belirler. Grup saısının azlığı; verimi artırırken Anında devreden çıkan ük problemi getirmektedir. Yer belirlemede en önemli faktör; Ham enerji kanağının durumudur. Su ve linit gibi kanaklar akınına Nakil için ugun alanlar akınına Demir olu gibi büük ulaşım sektörlerin akınına santral kurulabilir. Santral kurarken; -Çevre kirliliği faktörü İlerde sistemin büütülebileceği Atıkların atılabileceği Soğutma imkanları düşünülmelidir. Santrallerde malietin anında, enerjinin kalitesi de önemlidir. Kalitesi elektrik enerjisi; gerilimi ve frekansı sabit olan enerjidir. f s birim enerji malieti, A(kWh) enerji ve M apılan masraflar olmak üzere Masraflar ikie arılır; Bunlar santral kurulurken apılan tesis masrafları işletme masraflarıdır. Masraflar Sermae Masrafları İşletme Masrafları [Sabit] : M ü [Değişken] : M T f s [YTL / kwh] M[YTL] A[kWh] Masraflar Enerji 10
Tesis masrafları; M t =p.s Buradaki S; sermaedir. p, sermae masrafı olup, Ve tesis masrafları bunun p üzdesine eşittir. Sermae ise S=a.P S P S santralin kurulu gücü, a ise birim santral malietini ifade eder. Sermae masrafı (p) dört alt masraf grubundan oluşmaktadır. pf: Faiz masrafı üzdesi pa: Amortisman (ıpranma paı) masrafı üzdesi pt: Tamir-bakım masrafı üzdesi pi: İdari masraf (personel giderleri) üzdesi Amortisman masrafları santralin ömrüne bağlıdır. Dizel santraller kısa ömürlü iken (en çok 10 ıl) hidroelektrik santraller en uzun ömürlüdürler. (40 ıl). Tamir ve bakım masrafı su santrallerinde çok düşüktür. Osa termik (ısıl) santrallerde mekanik parçaların çokluğundan dolaı bakım ve tamir önemli bir er tutar. M ü, Elektrik enerjisi üretimi aşamasındaki masraflar olup, Bir termik santral için akıt, kül nakli, ağlama ağı, soğutma suu gibi alt masraflardan oluşmaktadır. [A : kwh & b : 1 kwh lık elektrik enerjisi üretirken apılan masraf] M ü =b.a b=b+bs+bkül+b bs=.b bk =.b b=.b b=b.(1+ + + ) Yakıt masrafı, akıt türüne, akıt miktarına ve akıtın fiatına bağlıdır. Buna göre b akıtın enerji malietine katkısı (1 kwh lık elektrik enerjisi üretmek için harcanan akıtın masrafı), f akıt fiatı ve Q ise 1 kwh lık elektrik enerjisi üretirken harcanan akıt miktarı olmak üzere; ve reel katsaılar olup, 1 den küçüktür. ise 1 den çok çok küçüktür. Bu 3 masrafın akıt masrafına göre değerleri küçük olacağından ihmal edilebilir. Su santrallerinde ise akıt masrafı sıfırdır. b : akıt masrafı bs=b : soğutma suu masrafı bkül=.b : kül nakil masrafı b=.b : ağlama ağı masrafı Q b 860.H 860.H ; Verim.f ; H ; kcal/kg H kj/kg ise b 3600.H.f 11
Su santrallerinde akıt malieti sıfırdır. Verim buhar santralinde %35-42, dizel santrallerde ise %38-40 dolalarındadır. Kombine çevrim ve kojenerason santrallerde ise verim %60 ları geçmektedir. M T M p.s b.a p.a.ps f s b A A A A PS ; h : ISLETME SRESI h a.p 860 f s f. h.h Enerji malieti nasıl düşürülür? h işletme süresini mümkün olduğunca artırmak gerekir. Bunun için puant zamanını artırmak ani ük eğrisinde dalgalanmaları azaltmak gerekir. Yani puant güç ile minimum güç arasındaki farkı azaltmak gerekmektedir En ekonomik santrali belirlerken, santral tiplerini ikişerli mukaese edip, her defasında birini eleriz. Üstün olanı bir diğerile benzer şekilde tekrar karşılaştırıp daha ii olanı buluruz. Bu işlem en ii santral tipini buluncaa kadar devam eder. Enerji birim malietleri farklı iki santral göz önüne alınsın. Birinci santraldeki enerjinin birim malieti f 1, ikinci santraldeki enerjinin birim malieti f 2 olsun. Bu malietlerin işletme süresi (h) ile değişimi [a.p/h] aşağıdaki gibi verilmektedir. f 1 (h) b 2 f 2 (h) Ekonomik maliet fonksionu b 1 S 2 daha ekonomik S 1 daha ekonomik h 0 12