ÖZET Doktora Tezi KIRSAL KESİMDE KURULABİLECEK DOĞALGAZ YAKITLI OTOPRODÜKTÖR KOJENERASYON SANTRALLERİ ÜZERİNE BİR ARAŞTIRMA Osman Tolga YENİCE Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Mustafa Özcan ÜLTANIR Bu çalışmada, Türkiye nin elektrik enerjisi üretiminde özel sektör olarak büyük katkısı olan otoprodüktör kojenerasyon santralleri tanıtılmış, kullanılan sistemler akış diyagramları halinde sunulmuş, teknik ve ekonomik değerlendirmelerde bulunulmuştur. Elde edilen verilere göre teknik ve ekonomik analizler yapılmış, bilgisayar simülasyon programı hazırlanmıştır. Simülasyon programı sonuçları gerçek santral verileri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca hazırlanan programın kojenerasyon santrali fizibilite raporu hazırlanması açısından uygun olduğu belirlenmiştir. 2005, 76 sayfa ANAHTAR KELİMELER : Kojenerasyon santraller, otoprodüktör, birleşik ısı ve güç sistemleri, teknik ve ekonomik analiz. i
ABSTRACT Ph. D. Thesis A RESEARCH ON AUTOPRODUCER COGENERATION POWER PLANTS WITH NATURAL GAS FUEL FOR RURAL AREAS Osman Tolga YENİCE Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Agricultural Machinery Supervisor: Prof. Dr. Mustafa Özcan ÜLTANIR In this study, auto producer cogeneration power plants which are used in Turkey s private sector that produce electricity are presented. Flow diagrams and economic tables about cogeneration power plants are shown in this study. According to data from cogeneration power plants, technique and economic analyses and computer simulation program is prepared. Results from analyses and computer program are compared with their real data from cogeneration power plants. These analyses and simulation program are suitable for making feasibility report about cogeneration power plants. 2005, 76 pages Key Words: Cogeneration power plants, auto producer, combine heat and power systems, thermo dynamical and economical analyses. ii
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Dünyada enerjiye olan talep giderek artmaktadır. Enerji üretiminde amaç kaliteli, güvenilir ve ekonomik enerji üretimi olmalıdır. Enerji temininde ise sürdürülebilir kalkınma önem kazanmaktadır. Bugünkü dünyanın yaşam kalitesi yükseltilirken gelecek dünyaya da aynı yaşam kalitesinin sunulması gerekmektedir. Ülkelerin enerji politikalarındaki amaç, sürdürülebilir enerji üretimi olmalıdır. Küresel rekabetin arttığı bir ortamda enerjide sürdürülebilirlik, kaliteyi yükseltmek ve maliyeti düşürmekle olanaklıdır. Kojenerasyon enerji sistemleri, bu amaç için kullanılan enerji üretim tekniklerinin başında yer almaktadır. Hem elektriğin hem de ısının birlikte üretildiği bu sistemler ülkemizdeki elektrik enerjisi üretiminde büyük bir orana sahiptir. Bu çalışmamda yardımlarını esirgemeyen Sayın danışman hocam Prof. Dr. Mustafa Özcan ÜLTANIR a, ve Prof. Dr. Musa AYIK ile Prof. Dr. Selahattin ERAKTAN a ayrıca tezin hazırlanması aşamasında incelemelerde bulunduğum Zorlu Enerji, Ak Enerji ve Ayen Enerji ile Ayanoğlu Salyangoz Fabrikası ve Çanakcılar Seramik Fabrikası yetkililerine teşekkürlerimi sunarım. Osman Tolga YENİCE Ankara, Nisan 2005 iii
İÇİNDEKİLER ÖZET...i ABSTRACT...ii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR...iii SİMGELER DİZİNİ...v ŞEKİLLER DİZİNİ...vii ÇİZELGELER DİZİNİ...viii 1. GİRİŞ...1 1.1. Türkiye de Otoprodüktör Elektrik Üretimi...2 1.2. Kojenerasyon ve Tarihsel Gelişimi...5 1.3. Kojenerasyon Sistemlerinin Kullanıldığı Alanlar...6 1.4. Kojenerasyon Tesislerini Oluşturan Sistemler...8 1.5. Kojenerasyon Tesislerinin Üstünlükleri...12 1.6. Türkiye deki Kojenerasyon Santralleri...13 2. KAYNAK ÖZETLERİ...14 3. MATERYAL VE YÖNTEM...26 3.1. Materyal...26 3.1.1. Zorlu enerji otoprodüktör kojenerasyon santrali...26 3.1.2. Ak enerji otoprodüktör kojenerasyon santrali...29 3.1.3. AYEN enerji kombine çevrim santrali...31 3.1.4. Ayanoğlu salyangoz fabrikası...33 3.1.5. Çanakcılar seramik fabrikası...37 3.2. Yöntem...40 3.2.1. Teknik analiz...40 3.2.1.1. Gaz türbini hesabı...41 3.2.1.2. Buhar türbini hesabı...42 3.2.1.3. Atık ısı kazanı hesabı...43 3.2.1.4. Jeneratör hesabı...44 3.2.2. Ekonomik analiz...45 3.2.2.1. Sermaye...45 3.2.2.2. Keşif özeti...46 3.2.2.3. Sabit masraflar...47 3.2.2.4. Değişen masraflar...48 3.2.2.5. Gelir-gider tablosu...49 3.2.2.6. Fon akış tablosu...50 3.2.2.7. İç karlılık oranı...51 3.2.3. Kojenerasyon santrali simülasyon programı...52 4. ARAŞTIRMA BULGULARI...55 4.1. Teknik Bulgular...55 4.2. Ekonomik Bulgular...58 4.3. Sonuçların İstatistiksel Analizi...66 5. TARTIŞMA VE SONUÇ...70 KAYNAKLAR...72 EK 1 Visual Basic Simülasyon Program CD'si... ÖZGEÇMİŞ...76 iv
SİMGELER DİZİNİ η Brayton Brayton verimi η c Kompresör etkinliği η el Jeneratör etkinliği η G Global etkinlik η hr Düzeltilmiş etkinlik η Rankine Rankine verimi η t Gaz türbini ısısal etkinliği BD Bugünkü değer ($) BDDF Bugünkü değer faiz faktörü B t Her yıl sonunda kalan amortisman ($/yıl) c buhar Buharın özgül ısısı (kj/kgk) c egzoz Egzoz gazının özgül ısısı (kj/kgk) c p doğalgaz Doğalgazın sabit basınçtaki özgül ısısı (kj/kgk) c p hava Havanın sabit basınçtaki özgül ısısı (kj/kgk) c su Suyun özgül ısısı (kj/kgk) D t t yılı sonundaki amortisman değeri ($/yıl) E f Yakıtın ısısal gücü (kw) E r Elektrik ihtiyacı (kw) e i Özgül ekserji (kj/kg) F Faiz artışı sonucu oluşan değer ($) FO Faiz oranı G Nakit giriş ve çıkışları ($) g i Senkronize faktörü H Eşdeğer yıllık kullanma saati (h/yıl) H d Sistemdeki maksimum ısı (kw) h 1 Doygun sıvı entalpisi (kj/kg) h 3 Kuru buhar entalpisi (kj/kg) h 4 Kızgın buhar entalpisi (kj/kg) h buhar Kazandan çıkan buharın entalpisi (kj/kg) h su Kazanı besleyen suyun entalpisi (kj/kg) IO İskonto oranı I PL Santral ana parası ($) K Geri ödeme süresi (yıl) L os Gaz türbinindeki kaybolan enerji (kw) m egzoz Gaz türbini egzoz miktarı (kg/s) m su Kazan besi suyu miktarı (kg/s) n Faiz ödeme süresi n eko Ekonomik ömür (yıl) n hava Havanın polientropik sabitesi P Buhar türbini maksimum basıncı (bar) P 1 Gaz türbini giriş basıncı (bar) P 2 Gaz türbini sıkışma sonu basıncı (bar) P i /P o Giriş çıkış basınç oranı P santral Santralin yatırım miktarı ($) R Yıllık toplam kar ($/yıl) v
R G Gaz sabitesi r İç karlılık oranı S el Elektrik üretimi yıllık karı ($/yıl) S s Buhar üretimi yıllık karı ($/yıl) s Standart sapma s i Buharın giriş entropisi (kj/kgk) s o Buharın çıkış entropisi (kj/kgk) T 1 Çevre sıcaklığı (K) T 2 Gaz türbini sıkışma sonu sıcaklığı (K) T 3 Gaz türbini yanma sıcaklığı (K) T 4 Gaz türbini egzoz sıcaklığı (K) T el Elektrik tarifesi ($/kwh) t b Buharlaşma sıcaklığı ( 0 C) t baca Kazan baca gazı sıcaklığı ( 0 C) t egzoz Gaz türbini egzoz gazı sıcaklığı ( 0 C) t k Buhar türbini kızdırma sıcaklığı ( 0 C) t su Kazana giren besleme suyu sıcaklığı ( 0 C) U RB Bakım masrafı (($/kwh) Y el Elektrik üretim maliyeti ($/kwh) Y f Yakıt tüketimi ($/kwh) Y s Buharın üretim maliyeti ($/kwh) YO Yüklenme oranı vi
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1. Kojenerasyon sisteminin şematik görünüşü...5 Şekil 1.2. Trijenerasyon sisteminin şematik görünüşü...6 Şekil 1.3. Türkiye de kojenerasyon tesislerinin kullanıldığı alanlar (Topuz 2001)...7 Şekil 1.4. Kojenerasyon tesisinin şematik görünümü...8 Şekil 1.5. Gaz türbini...9 Şekil 1.6. Gaz motoru...9 Şekil 1.7. Dizel motor...9 Şekil 1.8. Atık ısı kazanı...10 Şekil 1.9. Buhar türbini ve çarkı...10 Şekil 2.1. Kojenerasyon sisteminin akış diyagramı...14 Şekil 2.2. ASPEN yazılım programı akış şeması...15 Şekil 2.3. Sistemin akış şeması...17 Şekil 2.4. Sistemin akış diyagramı...18 Şekil 2.5. Santral akış diyagramı...21 Şekil 3.1. Zorlu Enerji 1 numaralı santral akış şeması...27 Şekil 3.2. Zorlu Enerji 2 numaralı santral akış şeması...27 Şekil 3.3. Ak Enerji akış şeması...30 Şekil 3.4. AYEN Enerji kombine çevrim santrali akış diyagramı...32 Şekil 3.5. Devrek salyangoz fabrikası işlem akış şeması...35 Şekil 3.6. Fabrikanın elektrik tüketimi...36 Şekil 3.7. Çanakçılar seramik fabrikası akış diyagramı...39 Şekil 3.8. Brayton çevrimi....41 Şekil 3.9. Rankine çevrimi...42 Şekil 3.10. Atık ısı kazanı yararlı ve harcanan ısılar...43 Şekil 3.11. Benzeşim programı teknik analiz akış diyagramı...52 Şekil 3.12. Benzeşim programı ekonomik analiz akış diyagramı...53 Şekil 4.1. Gaz türbini verim ve sıcaklık eğrileri...67 Şekil 4.2. Buhar türbini verim ve entalpi eğrileri...68 Şekil 4.3. İç karlılık oranı grafiksel analizi...69 vii
ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1. Enerji kaynaklarına göre üretim payları (%) (Anonim 2002)...3 Çizelge 1.2. Otoprodüktör santrallerinde kullanılan yakıt miktarları...4 Çizelge 1.3. Otoprodüktör santrallerinin elektrik enerjisi üretimi (GWh)...4 Çizelge 1.4. Tesislerde kullanılan yakıtlar ve özellikleri...11 Çizelge 2.1. İşlem giriş verileri...16 Çizelge 2.2. İşlem çıkış verileri...16 Çizelge 2.3. Elektriksel çıkış verileri...16 Çizelge 2.4. Termoekonomik yöntemle bulunan sonuçlar...18 Çizelge 2.5. Gaz türbini performans değerleri...22 Çizelge 2.6. Waukesha onayı verilen sistemin sayısal analizi...23 Çizelge 2.7. Waukesha onayı verilen sistemin ekonomik analizi...24 Çizelge 3.1. Zorlu enerji santral teknik verileri...28 Çizelge 3.2. AYEN Enerji kombine çevrim santrali teknik veriler...33 Çizelge 3.3. Fabrikada elektrikle çalışan makinaların çektikleri güçler...36 Çizelge 3.4. Seramik fabrikasındaki makinaların çektiği elektrik güçleri...38 Çizelge 3.5. Kojenerasyon projesi keşif özeti...46 Çizelge 3.6. Gelir-gider tablosu...49 Çizelge 3.7. Fon akış tablosu...50 Çizelge 4.1. AYEN enerji kojenerasyon santrali keşif özeti...59 Çizelge 4.2. AYEN enerji amortisman hesabı...60 Çizelge 4.3. AYEN Enerji faiz hesabı...60 Çizelge 4.4. AYEN Enerji faiz ödemeleri...61 Çizelge 4.5. AYEN enerji sigorta teklifi...61 Çizelge 4.6. AYEN enerji gelir-gider tablosu ($)...62 Çizelge 4.7. AYEN enerji fon akış tablosu (1000$)...64 Çizelge 4.8. AYEN enerji iç karlılık oranı...65 Çizelge 4.9. Gaz türbini sayısal analizi...66 Çizelge 4.10. Buhar türbini verim analizi...67 Çizelge 4.11. İç karlılık oranı sayısal analizi...68 Çizelge 5.1. Teknik veriler ile hesapla bulunan verilerin karşılaştırılması...70 viii
1. GİRİŞ Dünyada nüfus artışı ile birlikte enerjiye olan talep de hızla artmaktadır. Özellikle fosil yakıt rezervlerinin giderek azalması enerji kullanımını sıkıntıya sokmaktadır. Enerji üretiminde çeşitlilik ve var olan her türlü enerji kaynağının kullanılması ülkelerin enerji politikasındaki hedefi olmalıdır. Türkiye de elektrik enerjisi talebi ülke ekonomisinden daha hızlı ilerlemektedir. 2001 yılında ekonomik krizin yaşandığı dönemde bile elektrik üretimi %1 oranında artarak 127.9 milyar kwh e yükselmiştir. Kapasite yetersiz kaldığı için tüketimin %3.5 i ithalat yoluyla karşılanmıştır. Devlet Planlama Teşkilatının yapmış olduğu tahminlere göre önümüzdeki beş yıl boyunca elektrik enerjisi talebinin %9 oranında büyümesi beklenmektedir (Anonim 2000). Türkiye nin elektrik üretimindeki kurulu gücü 2001 yılı sonu itibariyle 23316 MW seviyelerindedir. 2001 yılında 4.5 milyar kwh elektrik enerjisi ithal edilmiştir. Elektrik enerjisi talebinin yılda ortalama %8 büyümesi halinde, yirmi yıl sonra elektrik enerjisi talebi 550 milyar kwh e ulaşacağı tahmin edilmektedir. Bu yüzden kurulu gücün 110000 MW seviyelerine çıkması gerekmektedir (Anonim 2002). Ülkemizde elektrik enerjisi talebinin 2001 yılı itibariyle %73 ünü kamu, %13.5 ini özel sektör karşılamaktadır. Ülkemizin içinde bulunduğu ekonomik sıkıntıdan dolayı özel sektörün enerji talebini karşılama oranının giderek artması beklenmektedir. Elektrik enerjisinin özel sektör tarafından üretilmesini gerçekleştiren sektörlerin başında otoprodüktör santraller gelmektedir. Gereken elektrik enerjisini kaliteli, güvenli ve ekonomik olarak üretip kendi kuruluş ve ortaklarına sağlayan otoprodüktör kojenerasyon santrallerinin sayısı 2003 yılında 154 e yükselmiştir. Ortalama kapasiteleri 23 MW olup toplam kurulu güçleri 3550 MW tır. Otoprodüktör kojenerasyon santrallerin toplam elektrik üretimindeki payı 2003 yılında %16.5 seviyelerindedir ve 2005 yılında bu oranın %18-20 ye yükselmesi beklenmektedir (Ağış 2003). 1
1.1. Türkiye de Otoprodüktör Elektrik Üretimi Otoprodüktörler, kendi faaliyet alanlarının enerji gereksinimlerini karşılamak amacıyla, belirli kurallara dayanarak kurup işlettiği tesislerde elektrik üreten tüzel kişilerdir. Otoprodüktörlüğün kurulmasındaki amaç, ülkemizin gittikçe artan enerji gereksinimini göz önünde bulundurarak kendi kurup işleteceği tesislere daha ekonomik, güvenilir ve kaliteli enerji sağlamaktır. Bu sistemin 3 önemli fonksiyonu bulunmaktadır (Taboğlu 2000). Özel sektörün enerji yatırımlarına katılmasını sağlayarak ülkenin enerji açığının kapatılmasına katkıda bulunmak, Bu tür tesisleri kuran birimlerin kendi enerji gereksinimlerini ucuz ve güvenilir biçimde karşılamalarını sağlamak, maliyetlerin azalmasıyla yatırımcıların rekabet güçlerini artırmak, Enerji temininde tek bir üreticiye bağlı kalmaktan kurtulmak. Ülkemizde otoprodüktörlük ile ilgili yönetmelik değişiklikleri, 6.8.1985 tarih ve 85/9799 sayılı Resmi Gazetede yayınlanan Bakanlar Kurulu Kararı ile Türkiye Elektrik Kurumu Dışındaki Kuruluşlara Elektrik Enerjisi Üretim Tesisi Kurma ve İşletme İzni Verilmesini Belirleyen Yönetmelik ile başlamış 1996, 1998 ve 2000 yıllarında yapılan eklerle halen yürürlükte olan şeklini almıştır (Alemdaroğlu 2003). Yönetmelikte bulunan bazı maddeler aşağıda sıralanmıştır (Ültanır 1998) : Otoprodüktörler kendi faaliyet alanlarının enerji ihtiyaçlarını karşılamak üzere üretim tesisi kuran ve elektrik enerjisi üreten tüzel kişiler, otoprodüktör grupları ise aynı amaçla elektrik üreten tüzel kişiler grubu olarak tanımlanmaktadır. Sanayi tesislerinin yanı sıra, beş bin konutu aşan uydu kent yerleşim birimleri, hastaneler, dört yıldızlı oteller ve tatil köyleri, organize sanayi bölgeleri, üniversite kampüsleri otoprodüktör santralleri kurabilirler. Belediyeler çöp, çöp gazı, atıklar, biyokütle, rüzgar, güneş enerjisi ile çalışan otoprodüktör santralı kurabilirler. 2
Kültür balıkçılığı tesisleri, besicilik tesisleri, kümes hayvanları üretim çiftlikleri, tarımsal sulama tesisleri; rüzgar ve/veya güneş enerjisi ile çalışan otoprodüktör santralı kurabilirler. Türk Silahlı Kuvvetleri Güçlendirme Vakfı, ortağı olduğu otoprodüktör grubunca üretilecek enerjiyi T. S. K. ve kurumlarına verebilir. Otoprodüktör santralleri; sanayi tesislerinin atık ısısı veya benzeri yan ürünlerden yararlanan kombine çevrimli, buhar çevrimli, hidrolik, biyokütle, atıklar, rüzgar ve güneş ile çalışan üretim tesisleri olabilirler. Kurulan otoprodüktör santralin atık ısısı var ise 12 ay içerisinde değerlendirilmesi esastır. Otoprodüktör santraller kendinin ve ortaklarının enerji ihtiyacını karşıladıktan sonra kalan fazla enerjilerini fiziki bağlantı yaptıkları kuruluşa, tüketiciye uygulanan ortalama net satış fiyatının % 85 ini aşmayacak bir fiyatla satarlar. Enerjisini iletim ve dağıtım hatlarını kullanarak nakleden otoprodüktörler nakil bedeli öderler. Nakil bedeli nakledilen enerji miktarı ile orantılı olup, iletim için en fazla % 10.5, dağıtım içinse % 6.5 tir. Dağıtım sistemlerindeki sorunlardan kaynaklanan enerji kesilmelerinin meydana getirdiği olumsuzlukların giderilmesi ve sanayiciye kesintisiz, kaliteli enerji sunulabilmesi otoprodüktörlerin çekiciliğini arttırmıştır (Klimstra 2003). 1998-2001 yılları arasında enerji kaynaklarına göre Türkiye de enerji üretiminde en fazla pay doğal gaz ve linyit santrallerindedir (Çizelge 1.1). Çizelge 1.1. Enerji kaynaklarına göre üretim payları (%) (Anonim 2002) Yıllar 1998 1999 2000 2001 Doğalgaz 22 31 37 40 Linyit 30 29 28 28 Su 38 30 25 20 Taşkömürü 3 3 3 3 Sıvı Yakıt 6 6 6 8 Diğer 1 1 1 1 3
Otoprodüktörlük, doğalgaz kullanımının ülkemizde yaygınlaşmasıyla gelişmiştir. 2000 yılında otoprodüktör üretiminde en fazla kullanılan birincil kaynak % 63 lük payla doğalgaz olmuştur. Otoprodüktör santrallerde kullanılan yakıt miktarları ve elektrik enerjisi üretimleri Çizelge 1.2 ve 1.3 de gösterilmektedir (Anonim 2000). Otoprodüktör santralleri üretimi içinde doğalgaz santrallerinin payı 1991 de % 2.2 den 1999 da % 59.5 e çıkmıştır (Armağan 2003). Çizelge 1.2. Otoprodüktör santrallerinde kullanılan yakıt miktarları Yıllar Katı Yakıt (Bin ton) Sıvı Yakıt (Bin ton) Doğalgaz (Milyon m 3 ) 1990 282 791 0.2 1991 308 679 18 1992 297 866 29 1993 268 1007 116 1994 242 960 198 1995 156 896 485 1996 192 828 542 1997 201 724 816 1998 249 991 1221 1999 224 870 1735 Çizelge 1.3. Otoprodüktör santrallerinin elektrik enerjisi üretimi (GWh) Yıllar Katı Sıvı Doğalgaz Diğer Toplam Yakıtlı Yakıtlı 1990 376.6 2973.8 1.1 9.8 3361.3 1991 434.0 2818.8 73.4 42.9 3369.1 1992 492.2 3052.7 123.2 59.0 3727.1 1993 503.5 3107.0 489.0 72.4 4171.9 1994 432.1 3167.6 963.9 55.4 4619.0 1995 920.3 2330.9 2143.4 230.3 5624.9 1996 1072.6 2426.0 2386.9 185.1 6070.6 1997 1347.9 2307.7 3795.7 302.6 7753.9 1998 1151.2 3064.1 5627.4 288.6 10131.3 1999 1322.0 3512.4 7453.4 241.2 12529.0 4
1.2. Kojenerasyon ve Tarihsel Gelişimi Kojenerasyon kelime olarak Combined Generation terimlerinin kısaltılmasından oluşmuştur. Isı ve elektriğin birlikte üretildiği birleşik üretim anlamına gelmektedir. Aynı yakıt kaynağından daha fazla kullanılabilir enerji açığa çıkarttığı için tek amaçlı üretim sistemlerinden daha verimlidirler. Verimli olmasının yanında egzoz gazlarını da değerlendirdiğinden CO 2 emisyonu azalır. Sistemin şematik görünüşü Şekil 1.1 de verilmektedir. Doğalgaz Dizel Benzin LPG Metan Kojenerasyon Santrali Isı Enerjisi % 40-50 Elektrik Enerjisi % 30-40 Kayıplar % 10-20 Şekil 1.1. Kojenerasyon sisteminin şematik görünüşü Kojenerasyon teknolojisinin ilk basit örnekleri 20. yüzyılın ilk yarısında görülmüştür. 1973-1979 yılları arasında petrol krizlerinin ardından gelişimini devam ettirerek uygulamaya konulmuştur. Kojenerasyon, 20. yüzyılın başlarından itibaren yerleşim birimlerine kurulmuş ve bölge ısıtılması amaçlanmıştır. Kojenerasyon merkezi ısıtma uygulamalarının yaygın olarak kullanıldığı bölgelerde daha erken gelişme olanağı bulmuştur. Amerika da binalar çok yüksek olduğundan ısıtma sıcak su yerine alçak basınçlı buhar kullanılarak yapılmıştır. Bu sistemin kullanılmasının bir sebebi de yaz aylarında büyük klima tesisleri için buhara duyulan ihtiyaç olmuştur. Bu yüzyılın sonunda Amerika da elektriğin %15 ini kojenerasyon sistemleri karşılamıştır. İngiltere de 1945 yılından itibaren kojenerasyon sistemleri bölge ısıtması şeklinde başlamış ve hızla gelişmiştir. Almanya da yine merkezi ısıtma olarak 1930 lu yıllarda başlamıştır. İskandinav ülkelerinde toplam binaların %30-80 i bu sistemle ısıtılmakta olup ısıtma merkezleri birleşik ısı-güç üretimi şeklinde düzenlenmiştir. 5
Uygulamada, üçlü üretim anlamına gelen trijenerasyon sistemleri de bulunmaktadır. Isı ve elektrik enerjisinin yanında kojenerasyonun atık gazından elde edilen sıcak su veya buhar ile soğuk suyun elde edildiği bu sistemler Şekil 1.2 de gösterilmektedir. Şekil 1.2. Trijenerasyon sisteminin şematik görünüşü 1.3. Kojenerasyon Sistemlerinin Kullanıldığı Alanlar Kojenerasyon tesislerinin gelişmiş enerji üretim sistemi olarak, kentsel yerleşimler ve sanayi alanında birçok uygulama alanı bulmaktadır. Kullanılacak tesislerin kapasiteleri gereksinim duyulan ısı ve elektrik enerjisi miktarına göre belirlenmektedir. Kojenerasyon tesisleri; petrol rafinerileri, petrokimya kompleksleri, kimya tesisleri, tekstil boyama tesisleri, kağıt ve selüloz işleme tesisleri, ağaç işleme tesisleri, gıda üretim tesisleri, gübre tesisleri, tuğla ve seramik tesislerinde kullanılabilmektedir. Kojenerasyon tesisleri kentsel yerleşimlerin ısıtma ve soğutması amacıyla da kullanılmaktadır. Aynı zamanda bu yerleşim alanlarında gereksinim duyulan elektrik enerjisi de sağlanmaktadır. Türkiye deki kojenerasyon tesislerin kullanıldığı alanlar Şekil 1.3 de gösterilmektedir. Günümüzde bölgesel ısınmalar için birçok yerde kojenerasyon uygulamaları kullanılmaktadır. Ticari ve küçük endüstriyel uygulamalar için de kojenerasyon sistemleri mümkün olmaktadır. Kojenerasyon sisteminin uygulanmasında en büyük olumsuzluk, kullanım ve yapım mevzuatlarındaki belirsizlik ve kuruluş maliyetlerinin yüksek olmasıdır (Piyade 2003). 6
Şekil 1.3. Türkiye de kojenerasyon tesislerinin kullanıldığı alanlar (Topuz 2001) Kojenerasyon uygulamalarında elektrik üretiminin dışında sıcak su veya buhar ile gerçekleştirilmiş çeşitli çalışmalar da görülmektedir. Tayland da kurulmuş bir tesiste, absorpsiyonlu sistem ile soğutmada, kojenerasyon sisteminden elde edilen sıcak su ya da buhar ile gereksinim duyulan soğutma sağlanabilmektedir. Almanya da kurulan bir tesiste, kojenerasyon sisteminden elektrik enerjisi üretilirken geri kazanım yoluyla elde edilen ısı enerjisinden yararlanarak sıcak hava üretilmiş ve mevcut tesisin ihtiyacı olan kurutma havası sağlanmıştır. Finlandiya da, bir ekmek fırınında kurulmuş kojenerasyon tesisinde üretilen elektrik enerjisinin dışında fırının gereksinim duyduğu buhar, düşük ve yüksek basınçlı olarak sağlanmaktadır. Aynı zamanda buhar sisteminin geri kazanımından sağlanan ısı enerjisi, eşanjörler yardımıyla merkezi ısıtma amaçlı sıcak suya dönüşmektedir. Bu uygulamada toplam çevrim verimini arttırmak için ihtiyaç fazlası enerjinin civarda bulunan kişiler tarafından paylaşılması ile sosyal birliktelik de sağlanmaktadır. Danimarka da kurulmuş olan tesiste, yine elektrik üretilirken aynı zamanda geri kazanılan ısı enerjisi ile sera ısıtması yapılmaktadır. Hollanda da yapılan bir kojenerasyon tesisi çöp atıkların birikmesi sonucu oluşan metan gazı kullanılması ile çalışmaktadır. Bu tesiste, çöplük gazlarının emisyon yoluyla çevreye zarar vermesini ve metan patlamalarını engellemek için elektrik üretimi sağlanmaktadır (Yiğit 2004). 7
1.4. Kojenerasyon Tesislerini Oluşturan Sistemler Kojenerasyon tesislerinin basit çevrimdeki sistemlerden daha yüksek verimle çalışmasının başlıca nedeni egzoz gazlarından faydalanarak ikinci bir enerji üretmektir. Basit bir çevrimde, sadece elektrik üreten gaz türbini ya da motor, enerjinin % 30-40 ını elektriğe çevirirken; kojenerasyon sisteminde dışarıya atılacak ısının büyük kısmı kullanılabilir enerjiye dönüşmektedir (Türkel 2001). Böylece toplam enerji girişinin % 60-90 ı değerlendirilmektedir. Bu tekniğe aynı zamanda Birleşik Isı-Güç Sistemleri (Combined Heat and Power Systems) denilmektedir. Şekil 1.4 de kojenerasyon tesislerini oluşturan sistemin şematik görünüşü verilmektedir. Kojenerasyon tesislerinde jeneratörü tahrik eden gaz türbini, gaz motoru ve dizel motoru olmak üzere 3 farklı motor kullanılmaktadır. Gaz türbini (Şekil 1.5), havayı sıkıştırıp, gaz veya sıvı yakıtı yakarak elektrik jeneratörünü döndüren sistemdir. Gaz türbininden çıkan egzoz gazları, sıcaklığı çok fazla olduğundan, atık ısı kazanında değerlendirilip yüksek verimde ısı enerjisi elde etmede kullanılmaktadır. Gaz türbinleri genel olarak 1 MW ve üstü güçlerde kullanılmakta ve ısı üretimleri türbin çıkış gücünün 2.5 3 katı kadar olmaktadır. Şekil 1.4. Kojenerasyon tesisinin şematik görünümü 8
Şekil 1.5. Gaz türbini Gaz motorları; düşük devirli, otto çevrimli, çok silindirli ve 50-3500 kw güç aralığında çalışan sistemdir ve ısı üretimleri güç çıkışının 1-1.5 katı kadar olmaktadır. Gaz motorları; doğalgaz, propan veya biogaz ile çalışabilmektedir. Azot oksit emisyonu düşük olduğundan çevre dostudur. Gaz motoru Şekil 1.6 da gösterilmektedir. Şekil 1.6. Gaz motoru Dizel motorlar çok silindirli olup 200-22000 kw çıkış güçleri arasında çalışmaktadır. Dizel motorlarda motorin ya da ağır fueloil yakıtlar kullanılmaktadır. Elektrik üretim verimi yüksek, atık ısı üretimi düşüktür. Genellikle güç çıkışına eşit bir ısı üretimine sahiptir (Şekil 1.7). Şekil 1.7. Dizel motor 9
Kojenerasyon tesislerinin diğer önemli kısmını, egzoz gazlarının değerlendirildiği atık ısı kazanları oluşturmaktadır. Atık ısı kazanları (Şekil 1.8), gaz türbinleri, gaz motorları ya da dizel motorların egzoz çıkışlarına monte edilmektedir. Egzoz gazları, kazana besleme suyu ve kondenser ile giren suyu kızdırma sıcaklığı değerine getirerek buhara dönüştürmektedir. Oluşan buhar da amaca uygun olarak sıcak su veya buhar olarak sisteme verilmektedir. Şekil 1.8. Atık ısı kazanı Buhar türbinleri, atık ısı kazanından gelen yüksek basınçlı buhar ile çalışmaktadır. Buhar türbini gelen buhar ile dönü hareketi elde etmekte ve jeneratörü çevirerek ikinci kez elektrik enerjisi üretmektedir. İsteğe bağlı olarak basınçlı buharı direk olarak sisteme, buhar ya da sıcak su olarak verebilmektedir. Buhar türbini Şekil 1.9 da gösterilmektedir. Şekil 1.9. Buhar türbini ve çarkı 10
Kojenerasyon tesislerinde kullanılan yakıt tipi genel olarak doğalgazdır. Doğalgazın ekonomik oluşu, depolanma gereksiniminin olmaması, yanma özelliğinin iyi olması ve çevre dostu olması kullanım alanını genişletmektedir. Doğalgazı izleyen diğer yakıtlar; propan, dizel, sıvı yakıt no 4, sıvı yakıt no 6 ve nafta olarak sıralanabilir. Doğalgaz ve propan ticari olarak kullanılırken biyogaz, kok gazı ve odun gazı çöplükler ya da özel gazlar üreten tesislerde kullanılmaktadır. Dizel yakıtının yanması verimli, emisyon oranı düşüktür. Fiyatı sebebiyle kojenerasyon sistemlerinde ana yakıt olarak kullanılması ekonomik değildir. Ancak gaz kesintilerine karşı ek yakıt olarak ve elektrik kesintilerinde dizel jeneratörü çalıştırması sırasında kullanılması uygun görünmektedir. Sıvı yakıtların emisyonlarında arıtma gerektirdiği için bu tesislerde ekonomik olarak kullanılamamaktadır. Gaz yakıtların türbin ve motorlarda yakılabilmesi için en önemli kriterler metan sayısı, ısıl değeri ve doğrusal alev hızıdır. Bu özelliklerden oluşan ve uygulamada kullanılan gazlar Çizelge 1.4 te gösterilmektedir (İnallı vd 2002). Çizelge 1.4. Tesislerde kullanılan yakıtlar ve özellikleri Yakıt Birleşimi Özgül Ağırlık (kg/nm 3 ) Alt Isıl değeri (kwh/nm 3 ) Metan Sayısı Doğrusal Alev hızı (cm/s) H 2 Hidrojen 0.0899 2.996 0 302 CH 4 Metan 0.717 9.971 100 41 C 3 H 8 Propan 2.003 26 33 45 CO Karbon 1.25 3.51 75 24 monoksit Doğalgaz CH 4 %88.5 0.798 10.14 80 41 C 2 H 6 %4.7 C 3 H 8 %1.6 C 4 H 10 %0.2 N 2 %5 Arıtma Gazı CH 4 %65 1.158 6.5 135 27 CO 2 %35 Çöplük Gazı CH 4 %50 1.274 4.98 150 20 CO 2 %40 N 2 %10 Odun Gazı H 2 %7 CO %17 CNHM %5 N 2 %56 CO 2 %15 1.25 1.38 13 11
1.5. Kojenerasyon Tesislerinin Üstünlükleri Kojenerasyon tesislerinin en büyük üstünlüğü, gereksinim duyulan enerji türlerini istenildiği zaman ve miktarda üretebilmesidir. Bu tesisler, kendi enerjilerini kendileri ürettiklerinden dışa bağımlı değildir. Üretilen enerjideki kalite ve devamlılık diğer bir üstünlüğüdür. Böylece elektrik kesilmesi, frekans ve voltajdaki düzensizlikler ortadan kalkmış olmaktadır. Kojenerasyon tesislerine yapılan kredi harcamaları uzun vadede geri ödemeli olduğu için enerji daha ucuz elde edilmektedir. Kojenerasyon tesislerinde egzoz gazlarından faydalanıldığından CO 2 emisyonları oldukça düşüktür. Böylece sistem çevre kirliliği yönünden de avantajlı durumdadır. Kojenerasyon tesislerinin diğer avantajları maddeler halinde aşağıda sıralanmıştır (Yapıcı 2000): Geleneksel elektrik üretiminde elektrik enerjisinin uzak mesafelere naklinde önemli miktarlarda kayıplar oluşmasına karşın yerel elektrik üretimi sağlayan bu tesislerde nakil kayıpları ortadan kalkmaktadır. Küçük güç ve boyutlarda inşa edilebildiğinden, daha küçük ve yerel şirketlerce kurulup işletilebilmektedir. Enerjinin dönüşümü ve kullanımında verimliliği artırmaktadır. Üretim tesislerinin çeşitliliğini artırıp, endüstriyel ve ticari kuruluşlara üretimde rekabet gücü sağlamaktadır. Bu sistemler gelişip yaygınlaştıkça yeni yatırım ve iş olanakları sağlanmaktadır. Ulusal enerji maliyetinde büyük miktarda azalma sağlanmaktadır. Birincil enerji kullanımındaki yüksek verimlilikten dolayı, yerel ve ithal enerji kaynaklarından tasarruf sağlanmaktadır. 12
1.6. Türkiye deki Kojenerasyon Santralleri Hızla gelişmekte olan ülkemizde enerji gereksinimi, ekonomik büyüme hızının üzerinde artmaktadır. Elektrik sektörü içinde en büyük paya sahip yakıt girdisi doğalgazdır. Ülkemizin elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanmasında önemli rol oynayan bu tesislere satılan doğalgaz miktarı 1999 yılında 7743 milyar m 3 değerine ulaşmış ve toplam doğalgaz satışlarının % 64 ünü oluşturmuştur. Ülkemizde yaşanan ekonomik krize karşın kojenerasyon santralleri 2000 yılında Türkiye elektrik enerjisi üretiminin % 12 sini sağlarken, 2003 yılında bu değer % 16.5 e çıkmıştır. 2003 yılı verilerine göre ülkemizde mevcut 154 kojenerasyon tesisi bulunmakta, 74 tesis için de lisans çalışmaları devam etmektedir. Kojenerasyon teknolojisi ile elektrik ve ısı enerjisini birlikte üreten otoprodüktör tesislerinin kapasitesi 3500 MW a ulaşmıştır. 2002 yılındaki ekonomik krize rağmen 20 milyar kwh elektrik enerjisi ve 20000 Terakalori faydalı ısı üretilmiş ve % 65 e varan üretim randımanı ile 2 milyon TEP birincil enerji tasarrufu sağlanmıştır. Bu değer, enerjinin % 64 ünü ithal eden ülkemiz için oldukça önemlidir. Ayrıca CO 2 gazlarında 10 milyon tonluk azalma gerçekleşmiştir. Bu özelliklerinden dolayı Avrupa ülkelerinde kojenerasyon üretimlerine yeşil enerji sertifikası verilmektedir. Sertifikası olan sistemlerde; örneğin Yunanistan da kwh başına 2 Eurocent, Almanya da ise 2-2.5 Eurocent prim ödenmektedir (Ağış 2003). Ülkemizde kendi kojenerasyon tesislerini kurmuş birçok büyük firma, ürettikleri enerjiyi kendi fabrikalarında kullanmakta; ihtiyaç fazlası enerjinin bir kısmını diğer kuruluşlara bir kısmını da TEAŞ a satmaktadır. 13
2. KAYNAK ÖZETLERİ Ligang ve Furimsky (2003), çalışmalarında kojenerasyon santralleri için ASPEN simülasyon programını geliştirmişlerdir. Hesaplanan değerler, 43.6 MW lık gaz türbini ve 28.6 MW lık buhar türbini çalıştıran santralin verileri ile karşılaştırılmıştır. Bu program Shell, Texaco, KRW ve BGL petrol firmaları tarafından da kombine çevrim santrallerinde kullanılmaktadır. Bu çalışmada baz alınan kombine çevrim santrali, üç adet hastane ve Sağlık Bilim Merkezi bulunan Ontario da kurulmuştur. Santral kurulu gücü 70 MW tır. Atık ısı, buhar türbininde değerlendirilerek sıcak su ve buhar elde edilerek hastaneler ve sağlık merkezinde değerlendirilmektedir. Kojenerasyon sisteminin akış şeması Şekil 2.1 de gösterilmektedir. Şekil 2.1. Kojenerasyon sisteminin akış diyagramı Elektrik GE LM-6000 gaz türbini ve iki adet buhar türbini tarafından üretilmektedir. Doğal gaz ve hava, gaz türbinine sırasıyla 11200 ve 391100 m 3 /h ile girmektedir. Ayrıca gaz türbininden çıkan NO x emisyonunu azaltmak için türbine kontrol buharı girmektedir. Türbinde 1200-1260 0 C de yanma olmakta ve 42 MW güç elde edilmektedir. Egzoz gazları atık ısı kazanına gönderilmektedir. Buhar türbininin çıkış 14
gücü 800 0 C de doğalgaz bulunan ikinci bir ateşleme reaktörü kullanılarak arttırılmaktadır. Bu reaktör 7540 m 3 /h doğalgaz ile beslenmektedir. Buhar türbininden çıkan basınçlı buhar üç farklı basınçla çalışan kazanlara gelerek 6200 kpa yüksek basınçlı, 690 kpa normal basınçlı ve 138 kpa düşük basınçlı buhar üretilmektedir. Üretilen buharlar basınçlarına göre hastanelerde kullanılmaktadır. Bu sistem için tasarlanan ASPEN yazılım programının akış şeması Şekil 2.2 de gösterilmektedir. Şekil 2.2. ASPEN yazılım programı akış şeması Programın akış diyagramı 3 ana aşamada gerçekleşmektedir. Gaz Türbini Atık Isı Kazanı Buhar Türbini 15
Programa ait sonuçlar ve santralin gerçek değerleri ile karşılaştırılması Çizelge 2.1, 2.2 ve 2.3 de gösterilmektedir. ASPEN modeliyle bulunan elektriksel güçler gaz türbini ve buhar türbini için sırasıyla 43.6 ve 28.6 MW iken santralin gerçek güçleri 42 ve 32 MW değerindedir. Çizelge 2.1. İşlem giriş verileri Akış Tanım Debi (m 3 /h) Sıcaklık ( 0 C) Basınç (kpa) GTFUEL Gaz Türbinini 391100 15 101.3 besleyen doğal gaz SFFUEL Atık Isı 11200 15 101.3 kazanındaki ikinci ateşlenme için doğal gaz INLETAIR Gaz türbinine 7540 15 101.3 giren hava Çizelge 2.2. İşlem çıkış verileri Akış Tanım Referans Değerler ASPEN Modeli Debi (m 3 /h) Sıcaklık ( 0 C) Basınç (kpa) Debi (m 3 /h) Sıcaklık ( 0 C) Basınç (kpa) STREAM14 AIK YB buhar 10800 482 6200 10730 482 6200 STREAM15 AIK NB buhar 7430 170 690 7430 170 690 STREAM16 AIK AB buhar 3650 126 138 3650 111 138 STREAM21 Buhar Tür den YB 9500 432 4315 9500 430 4315 buhar STREAM25 Buhar Tür den AB buhar 90200 46.5 10.3 95608 46.4 10.3 YB= Yüksek Basınç, NB= Normal Basınç, AB= Alçak Basınç, AIK= Atık Isı Kazanı Çizelge 2.3. Elektriksel çıkış verileri Akış Referans Değerler (MW) ASPEN Modeli (MW) Gaz Türbini 42 43.6 Buhar Türbini Y. B. 14 13.4 A. B. 18 15.2 Bu program, kojenerasyon santralinin modellenmesinde, çıkış değerlerinin belirlenmesinde ticari açıdan uygun bir programdır. Ayrıca kolaylıkla diğer kojenerasyon santrallerine de adapte edilebilmektedir. 16
Silveira ve Tuna (2003), araştırmalarında birleşik ısı-güç sistemlerinin optimizasyonu için termoekonomik analiz yöntemi uygulamışlardır. Bu yöntemin amacı termodinamiğin ikinci yasasına bağlı olarak minimum ekserji üretim maliyetinin modelini çıkartmaktır. Optimizasyon için seçilen değişkenler; kazandan buhar türbinine gelen buharın sıcaklık - basınç değerleri, basınç oranı, gaz türbini egzoz sıcaklığı ve gazın debisidir. Enerji dönüşüm işlemlerinde enerji maliyeti hesaplanmıştır. Bu hesaplar ve çıkarılan denklemler fizibilite çalışmalarında kullanılmaktadır. Ekserji üretim maliyeti kojenerasyon sistemlerinin ekonomik analizi için yeni bir yöntemdir. Bu yöntemde enerji üretiminin optimum maliyeti hesaplanmaktadır. Optimizasyon modeli ideal gaz prensibi ile tam yanma olacak şekilde hesaplanmaktadır. Buhar işlemleri için yapılan hesaplarda Rankine çevrimi esas alınmaktadır. Sistemin akış şeması Şekil 2.3 de gösterilmektedir. 4 Kazan 1 Buhar Türbini 2 Pompa 3 İşlem Şekil 2.3. Sistemin akış şeması Bu yöntem dört adet kojenerasyon sisteminde uygulanmıştır. Bu sistemlerde 6000 kw elektriksel güç ile 0.25, 0.6, 1.5 MPa basınçlarda buhar ve 0.278, 4.167, 1.389 kg/s gaz debisi bulunmaktadır. Birinci sistemde buhar türbininden üç değişik basınçta buhar çıkmaktadır. İkinci sistemde 3 buhar çıkışının yanında yoğuşma tankına giden farklı basınçta buhar çıkışı görülmektedir. Üçüncü sistemde gaz türbinine giren hava ön ısıtıcı sisteminden geçerken dördüncü sistemde ön ısıtıcılı sistem bulunmamaktadır. Tüm sistemler 1.5 MPa basınçta ve 5.834 kg/s debide basınç üretmektedir. Bu sistemlere ait maliyet ve termodinamik sonuçlar Çizelge 2.4 de gösterilmektedir. Sistemde amortisman 5 yıl, faiz oranı % 8 alınmıştır. 17
Çizelge 2.4. Termoekonomik yöntemle bulunan sonuçlar 1. Durum 2. Durum 3. Durum 4. Durum T ( 0 C) 500 500 T 5 ( 0 C) 600 600 P (MPa) 4.8 5.6 Pr 9.7 8.7 EPC ($/h) 510.6 503.6 EPC ($/h) 394.3 372.7 Ep (kw) 2497 6000 Ep (kw) 6000 11550 c sh ($/kwh) 0.016 0.022 c sh ($/kwh) 0.016 0.014 c Elh ($/kwh) 0.029 0.037 c Elh ($/kwh) 0.033 0.034 c Se ($/kwh) 0.035 0.039 c Se ($/kwh) 0.040 0.030 c Ele ($/kwh) 0.053 0.056 c Ele ($/kwh) 0.036 0.038 m 1 (kg/s) 5.834 10.386 m G (kg/s) 19.7 36 m fuel (kg/s) 0.368 0.689 m fuel (kg/s) 0.475 0.655 T=Sıcaklık, P=Basınç, Pr=Basınç Oranı, EPC=Yararsız Enerji Maliyeti, c sh =Buharın Üretim Maliyeti (enerji tabanlı), c Elh = Elektrik Üretim Maliyeti (enerji tabanlı), c se =Buharın Üretim Maliyeti (ekserji tabanlı), c Ele = Elektrik Üretim Maliyeti (ekserji tabanlı) m 1 =Buhar Debisi, m fuel =Yakıt Debisi Silveira vd (2002), yapmış oldukları çalışmada üniversite kampüsü için kojenerasyon sisteminin termoekonomik analizini yapmışlardır. Kampus olarak California, USA San Diego Eyalet Üniversitesi seçilmiştir. Üniversite yılın her günü yirmi dört saat çalışmaktadır. İhtiyaç duyduğu elektrik ve doğalgazı San Diego Gaz ve Elektrik biriminden kullanım suyunu ise San Diego Belediyesinden satın almaktadır. Yerleşkenin elektrik ihtiyacı 9 MW olup tasarlanan kojenerasyon sistemi ile bu değerin yaklaşık 1/3 ü sağlanmaktadır. Üzerinde yapılan çalışmalarla sisteme 10 yıllık ekonomik ömür belirlenmiştir. Santral 466.84 m 2 alan için tasarlanmış olup 3355.65 kw gücünde gaz türbini ile 3 MW lık jeneratörü çalıştırmaktadır. Egzoz gazlarının değerlendirilmesi için gaz türbini çıkışına atık ısı kazanı yerleştirilmiştir. Sistemin akış diyagramı Şekil 2.4 de gösterilmektedir. Şekil 2.4. Sistemin akış diyagramı 18
Sistemin enerji analizi ise aşağıdaki formül seti ile oluşturulmaktadır. T T E W = H E η η E η η 2 3 t H f p el c d hr G s = = = { } (K ( T / )[ P / P ] 1/ K) 1 ηc 2 1 1 + T1 T2 {[( T4 T1 ) + T2 ( 1 ηt )]/( 1 ηt )} mcp ( T3 T2 )/ ηcc = mgcpf mc [(T T ) (T T )] = mc (T T ) = η W = η g cc = E = E = (E = m (h [( T T T + T )/( T T )] p / E = mc (T T ) c s / E p p p p 3 s f f 3 4 4 c 4 h w 4 e 1 ) f 2 + E ) / E = η 2 el 1 + η 1 hr 3 2 T 1 = Çevre sıcaklığı (K) T 2 = Kompresör çıkış sıcaklığı sıcaklığı (K) T 3 = Türbin giriş sıcaklığı (K) T 4 = Türbin çıkış sıcaklığı (K) T e = Egzoz Sıcaklığı (K) E f = Yakıtın ısısal gücü (kw) W= Çıkış gücü (kw) H d = Sistemdeki maksimum ısı (kw) E p = Üretilen elektriksel güç (kw) η t = Gaz türbini ısısal etkinliği η el = Jeneratör etkinliği E c = Geri kazanılan ısı (kw) η hr = Düzeltilmiş etkinlik η G = Global etkinlik H s = Buhar halindeki ısısal güç (kw) η c = Kompresör etkinliği P 1 = Kompresör giriş basıncı (Pa) P 2 = Kompresör çıkış basıncı (Pa) m= Egzoz gazı kütlesel debisi (kg/s) m g = Yakıt tüketimi (m 3 /s) m s = Buhar debisi (kg/s) η cc =Yanma etkinliği H s = Buhar halindeki yararlı ısı (kw) h s = Buharın entalpisi (kj/kg) h w = Besleme suyunun entalpisi (kj/kg) Sistemde kullanılacak gaz türbini seçiminde aşağıdaki kriterler göz önüne alınmıştır. Yöresel şartlara uygun olmalıdır (sıcaklık 25 C, bağıl nem %80). Buhar üretebilmek için egzoz gazı sıcaklığı 150 C olmalıdır. Doğalgazın sabit hacimdeki özgül ısısı 35.356 kj/nm 3 olmalıdır. Sabit basınçtaki özgül ısı 1.055 kj/kgk olmalıdır. Jeneratörün mekanik verimi %95 olmalıdır. Yanma etkinliği %97 olmalıdır. Atık ısının değerlendirme oranı %70 olmalıdır. Gaz türbini seçiminde enerji-ekonomi analizi, karlılık oranı ve ekserji oranı olarak üç yöntem uygulanmıştır. 19
Enerji-Ekonomi analizinde; yatırım maliyeti ve geri kazanılma süresine göre aşağıdaki eşitlikler kullanılmıştır. Y Y f el s = = = [ ] [( I PL I HR ) f ]/( HEp ) + ( Yf / Ep )( Ef Ec ( Los / 2) ) [ I f ]/(HH ) + [(Y / H )(E + (L / 2)) ] + U RB k [ q (q 1) ] q = 1 + (r /100) s /(q k 1) f s c os RB + U GT Y el = Elektrik üretim maliyeti ($/kwh), Y s = Buhar üretim maliyeti ($/kwh), I PL = Santral ana parası ($), H= Eşdeğer yıllık kullanma saati (h/yıl), Y f = Yakıt tüketimi ($/kwh), L os = Gaz türbinindeki kaybolan enerji (kw), U RB = Bakım masrafı ($/kwh), f= faiz faktörü, k= geri ödeme süresi (yıl), r= faiz oranı Enerji analizi sonucunda buhar üretimi için en fazla etkinlik değerine sahip gaz türbini olan M1T-06 Kawasaki ağır yakıtlı gaz türbini seçilmiştir. Karlılık durumuna göre yapılan analiz sonucu en iyi karı veren gaz türbini CCS7 Hitachi Zosen gaz türbini seçilmiştir. Karlılık durumuna göre yapılan analizde aşağıdaki formül seti kullanılmıştır. S S S el el s = E = H R = S = E H(T el r p s H(T + S s el el H(PE Y ) + (E s el Y el Y ) s ) p E r )H(TS el Y el ) S el = Elektrik üretimi yıllık karı ($/yıl) S s = Buhar üretimi yıllık karı ($/yıl) E r =Elektrik ihtiyacı (kw) T el =Elektrik tarifesi ($/kwh) R= Yıllık toplam kar ($/yıl) Ekserji analizine göre aşağıdaki formül seti kullanılmıştır. En düşük ekserji değerine sahip gaz türbini olarak ASE50 Allied Signal gaz türbini seçilmiştir. e e i i = = [( hi h o ) To ( si so )], C G(T ).[ T T ln(t / T )] + R T ln(p / P ) p i i o i o G o i o e i = Özgül ekserji (kj/kg) h i = Buharın giriş entalpisi (kj/kg) h o = Buharın çıkış entalpisi (kj/kg) T o = Buhar çıkış sıcaklığı (K) s i = Buharın giriş entropisi (kj/kgk) s o = Buharın çıkış entropisi (kj/kgk) C p =Sabit basınçta özgül ısı (kj/kgk) R G = Gaz sabitesi Pi/Po= Giriş çıkış basınç oranı Ekserji maliyet yönteminin en büyük avantajı tamamen cebirsel eşitlikler kullanıldığından bilgisayar hesaplaması çok çabuk ve kolay şekilde elde edilebilmesidir. 20
Hepbaşlı ve Özalp (2002), İzmir deki seramik fabrikasında kojenerasyon uygulamaları ile ilgili araştırmada bulunmuşlardır. Bu çalışmadaki seramik fabrikası 13 MW elektriksel kurulu güce sahiptir. Fabrikaya iki ayrı kojenerasyon santrali kurulmuştur. Kojenerasyon tesislerinin kuruluş amacı elektrik üretiminin yanı sıra seramik işlemleri için su ve buhar da üretebilmektir. Fabrikanın yıllık elektrik tüketimi 100 milyon kwh dir. Doğalgaz hattı henüz bölgede olmadığından sistemde yakıt olarak LPG kullanılmaktadır. Birinci santralde toplam güçleri 8.4 MW olan iki adet TN-01 ve TN-02 gaz türbini diğer santralde ise gücü 4.6 MW olan TN-03 gaz türbini kullanılmaktadır. İlk santralin akış diyagramı Şekil 2.5 de gösterilmektedir. Egzoz gazlarının geri kazanımı ile iki adet sıcak su üreticisi devreye girmektedir. Burada farklı sıcaklıklarda iki ayrı sıcak su çıkışı olmaktadır. Şekil 2.5. Santral akış diyagramı Santralin gaz türbinlerinin performans değerleri Çizelge 2.5 te gösterilmektedir. 21
Çizelge 2.5. Gaz türbini performans değerleri Tanım Değer Gaz Türbini (TN-02) Çalışma saati (saat) 24 LPG tüketimi (kg) 25049 Elektrik üretimi (kwh) 97690 Türbin etkinliği (%) 30.49 Gaz Türbini (TN-03) Çalışma saati (saat) 24 LPG tüketimi (kg) 27656 Elektrik üretimi (kwh) 101440 Türbin etkinliği (%) 28.68 İnallı vd (2002), yapmış oldukları çalışmada kojenerasyon sistemlerinin teknik ve ekonomik uygulanabilirliğini incelemişlerdir. Kojenerasyon sistemleri teknik yönden incelenmiş ve formül seti termodinamik çevrimlere göre oluşturulmuştur. Kapasite seçimi sırasındaki kriterler belirlenmiştir. Bu kriterler aşağıda sıralanmaktadır: İşletmenin elektrik-ısı tüketim yapısı İşletmenin yıllık çalışma süresi İşletmenin enerji ihtiyacı seviyesi Birincil enerji kaynaklarının temin edilebilirliği ve ekonomik uygulanabilirliği Kojenerasyon sistemlerinin ekonomik uygulanabilirliği üzerinde incelemede bulunulmuştur. Buna göre yıllık net işletme geliri, bölgenin ısı ve elektrik gereksinimlerinin ayrı ayrı karşılanması durumunda yıllık olarak ödenecek ısıtma, elektrik, personel, bakım-onarım giderlerinin toplamının çıkartılmasıyla hesaplanmaktadır. Yatırım gideri ise kojenerasyon sisteminin satın alınması ve kurulması ile ilgili olarak başlangıçta ödenen para olmaktadır. Bu değerler belirlendikten sonra geri ödeme süresi, şimdiki değer, yıllık net kazanç gibi ekonomik analiz yöntemlerinden biri ile yatırım karlılığı hesaplanmaktadır. Casella vd (2001), yapmış oldukları çalışmada kojenerasyon santrallerinde üretim maliyetlerinin minimizasyonu ile ilgili eşitlik ve modeller çıkarmışlardır. Gelir ve gider durumları belirlenerek optimizasyon modellemesi yapılmıştır. Yakıt tüketimleri, bakım onarım masrafları gibi giderler yıllık grafikler halinde verilmiştir. Yaz ve kış ayları için ayrı ayrı sistemin çalışma değerleri ve masrafları çıkartılmıştır. 22
Bilgen (2000), gaz türbini, atık ısı kazanı ve buhar türbini ile çalışan kojenerasyon santrallerinde ekserji ve mühendislik analizlerinin simülasyonu üzerinde çalışma yapmıştır. Ekserji analizini, termodinamiğin birinci ve ikinci yasasına bağlı olarak incelemiştir. Mühendislik analizi, yatırım ve geri ödeme maliyetlerine göre hesaplanmıştır. Bu analizin simülasyonu için algoritma oluşturulmuştur. Arıkan ve ark. (2000), İTÜ-TÜSİAD URBAN-M3 Projesinde, deprem bölgesindeki yeni konutlaşma için küçük ölçekli kojenerasyon uygulaması konusunda çalışmışlardır. Bu proje, 17 Ağustos depremi ile evsiz kalanların bir bölümüne barınma imkanı sağlamak üzere 785 konut ve sosyal tesislerle birlikte 92000 m 2 inşaat alanına sahiptir. Konutların ısıtılması için düşünülen kojenerasyon tesisinin ekonomik olabilmesi için ısıtmanın bölgesel yerine tek bir ısı santralinden yapılması uygun olmaktadır. Tüm kazanlar, pompalar ve diğer ekipmanlar tek bir merkezde toplanacağından bu sistemin bölgesel ısıtmaya göre ilk yatırım maliyetinin düşmesi, işletme bakım ve onarım kolaylığı gibi avantajları gözükmektedir. Konutların ısıtılması için 70/30 C, kullanım amaçlı 60 C sıcak su sağlanacaktır. Isı merkezi gücü toplam 12000 kw, elektrik pik yükü 1200 kw, sıcak su ihtiyacı kişi başına 20 litre/gün, toplam kişi sayısı 4000 olarak düşünülmektedir. Türkiye de kullanılan doğalgaz analizine göre Waukesha tarafından Özel Uygulama Onayı verilen sistemle ilgili işletme ve teknik veriler Çizelge 2.6 da verilmektedir: Çizelge 2.6. Waukesha onayı verilen sistemin sayısal analizi Model P48GLD/2 Devir 1500 d/d Net elektrik enerjisi 788 kva (alternatör çıkışında) Net elektrik üretim verimi % 36.03 (alternatör çıkışında) Birim yakıt tüketimi 9993±%4 kj/kwh Doğalgaz tüketimi 228 m 3 /st (H u =8250 kcal/m 3 ) Egzoz sıcaklığı 392 0 C ± 28 0 C Egzoz debisi 4523 kg/st Emiş havası 3411 Nm 3 /st Egzoz (toplam) 540 kw Egzoz (geri kazanılan) 388 kw Toplam yararlanılan ısı 1202 kw 23
Geri kazanılan ısının tamamı ile 103-80 0 C, 45 ton/h su üretilecektir. Bu su kışın, ısınma veya kullanım amaçlı 26 ton/h 70-30 0 C sıcak su üretiminde değerlendirilecektir. Yazın ise 105-80 0 C su kullanılarak 140 ton/h 12-7 0 C soğuk su üretilecektir. Ekonomik analizde aşağıdaki değerler esas alınmıştır (Çizelge 6.3). Çizelge 2.7. Waukesha onayı verilen sistemin ekonomik analizi Motor kapasitesi (kva) 788 Sitede kullanılan elektrik 4320000 (kwh/yıl) Elektrik verimi (%100 36 TEDAŞ elektrik satış fiyatı 0.046 kapasitede) ($/kwh) Isı verimi (%100 55 Doğalgaz fiyatı ($/m 3 ) 0.208 kapasitede) Elektrik verimi (%50 32 Doğalgaz alt ısıl değeri (kcal/m 3 ) 8250 kapasitede) Isı verimi (%50 kapasitede) 61 Birim bakım onarım gideri 0.0065 (cent/kwh) Kazan verimi (%) 85 Kojenerasyon birim yatırım 600 maliyeti ($/kw) Kış çalışması (saat) 4234 Kazan birim yatırım maliyeti 30 ($/kw) Yaz çalışması (saat) 4104 Jeneratör birim yatırım maliyeti 120 ($/kw) Elektrik fiyatı ($/kwh) 0.071 Bu verilere göre üretilen elektrik ve ısı enerjisinin satışlarından sağlanılan gelirler elektrik ve ısı gelirleri olarak hesaplanmıştır. Doğalgaz ve bakım-onarım giderleri de hesaplanarak yıllık toplam gelir-gider durumu çıkartılmış, toplam yıllık kar elde edilmiştir. Kojenerasyon tesisinin toplam maliyeti hesaplanarak geri ödeme süresi bulunmuştur. Teknik analizde ise elektrik üretimi, geri kazanabilecek ısı, toplam yararlı enerji, tüketilen yakıt değerlerine göre sistem verimi, gerekli doğalgaz miktarı hesaplanmıştır. Bu çalışmada kojenerasyon sistemi kullanılarak konut başına 437 m 3 /yıl doğalgaz tasarrufu sağlanmaktadır. Guarinello ve ark. (2000), yapmış oldukları çalışmada kojenerasyon sistemli gaz türbinlerinin termoekonomik yönden değerlendirilmesini incelemişlerdir. Cabo (Pernambuca, Brezilya) bölgesindeki sanayinin elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamak amacıyla teknik ve ekonomik yönden analizler yapmışlardır. Termoekonomik analiz ekserji maliyet metoduna göre belirlenmiş, elektrik ve buhar üretim maliyetleri çıkartılmıştır. 24
Toral vd (2000), kojenerasyon santrallerinin optimizasyon simülasyonu için SQP paket program geliştirmişlerdir. Bu program, kombine çevrim santralinde yatırım ve üretim maliyetleri için ekonomik optimizasyon modeli sunmaktadır. Teknik yönden sistemde bulunan gaz türbini, atık ısı kazanı, buhar türbini verileri incelenip hesaplanırken ekonomik yönden de maliyet hesabı yapılmaktadır. Benelmir vd (1998), kojenerasyon sistemlerinde enerjinin işletilip değerlendirilmesi üzerinde çalışmışlardır. Geri ödeme süresini en kısa olacak şekilde belirleyip karı maksimize etmek amaçlanmıştır. Termoekonomik dengenin olabilmesi için, ihtiyaca göre ısı ve elektrik üretilirken ekonomik yönden de minimum maliyet analizi yapılmıştır. Termoekonomik analiz mevcut olan üç santral için uygulanmıştır. Temel yöntem hastanenin enerji gereksinimini karşılayan santral üzerinde yapılmıştır. Sistem teknik ve ekonomik yönden incelenmiş, uygun eşitlikler belirlenerek rapor halinde sunulmuştur. Frangopoulos vd (1996), kombine çevrimli kojenerasyon sistemi ile çalışan Yunanistan Aspropyrgos Rafinerisinde (HAR) termoekonomik yönden optimazsyon modeli üzerinde çalışmışlardır. HAR petrol rafinerisi günde 130000 varil petrol üretmektedir. Rafinerinin elektrik ve ısı ihtiyacı 54 MW kapasiteli kombine çevrimli kojenerasyon santralinden karşılanmaktadır. Santralde iki adet gaz türbini, iki adet atık ısı kazanı, dört adet yakıt kazanı ve bir adet buhar türbini bulunmaktadır. Buhar; yüksek, orta, düşük ve çok düşük olarak dört farklı basınçta üretilmektedir. Yakıt kazanları düşük sülfür yakıtıyla çalışırken gaz türbinleri dizel yakıt ve LPG ile çalışmaktadır. Çevresel, ekonomik ve teknik şartlar belirlendikten sonra gereksinim duyulan elektrik ve buhar miktarları için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sistemin ekonomik yönden minimum masraf modeli belirlenmiştir. Optimizasyon çözümlemeleri için uygun paket program geliştirilmiştir. 25
3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Materyal Kojenerasyon sisteminin projelenmesi amacıyla gereksinim duyulan ısı ve elektrik enerjisi miktarının bilinmesi gerekmektedir. Santralin teknik ve ekonomik yönden irdelenmesi sonucunda santrali oluşturan sistemin toplam güç ve verimleri ile toplam maliyet ve ekonomik karlılık değerleri bulunmaktadır. Kojenerasyon sisteminin hangi şekilde ve hangi amaca uygun olması gerektiğini belirlemek amacıyla Bursa daki Zorlu Enerji Otoprodüktör Santrali, Yalova daki Ak Enerji Otoprodüktör Santrali ve OSTİM-Ankara daki AYEN Enerji Kombine Çevrim Santrali nde incelemelerde bulunulmuştur. Uygun sistem belirlendikten sonra sistemi oluşturan ekipmanların teknik ve ekonomik yönden değerlendirilmesi amacıyla gereksinim duyulan enerjinin santrallerde nasıl kullanılabileceği araştırılmıştır. Bu amaçla Devrek-Zonguldak ta bulunan Ayanoğlu Salyangoz Fabrikası ile Çanakçılar Seramik Fabrikasının enerji gereksinimleri belirlenmiş ve bu bölgede kurulabilecek kojenerasyon santralinin fizibilitesi hazırlanmıştır. 3.1.1. Zorlu enerji otoprodüktör kojenerasyon santrali Zorlu Enerji 1993 yılında, Zorlu Holding e bağlı şirketlerin ortaklığıyla otomotiv ve tekstil merkezi Bursa da kurulmuştur. Bursa ve Lüleburgaz da iki enerji santralı bulunan Zorlu Enerji, Korteks, Zorlu Linen ve Zorlu Grubu nun diğer sanayi şirketlerine kesintisiz, kaliteli ve güvenli enerji sağlamak üzere planlanmış bir otoprodüktör şirkettir. Bursa da bulunan Zorlu Enerji Otoprodüktör Santralı kombine çevrim ilkesine göre çalışmaktadır. Santral, doğal gaz ve sıvı yakıtla çalışan çift yakıtlı kombine çevrim santralı olup, doğal gazın herhangi bir sebeple kesintiye uğraması durumunda nafta ikincil bir yakıt olarak kullanılmaktadır. Kendi içinde kurulu iki adet santralden elektrik üretmektedir. Birinci santralde, gaz türbini ve buhar türbini senkron çalışarak tek bir jeneratörü devitmektedir. Böylece 11 kv ve 50 Hz olarak elde edilen elektrik, trafoda 34.5 kv değerine yükseltilmekte ve 35 MW güç sağlanmaktadır. İkinci santralde ise gaz türbininin ve buhar türbininin devittikleri jeneratörler ayrı olup, gaz türbininin devittiği 26