BİLEŞİK ISI-GÜÇ ÜRETİMİNİN KÜÇÜK ÖLÇEKLERDE UYGULANABİLİRLİĞİ Taner DERBENTLİ İTÜ Makina Fakültesi Özet : Enerjinin etkin kullanımı ülkemizde ve dünyada önem taşımaktadır. Bileşik ısı güç üretimi ya da kojenerasyon enerjinin etkin kullanılmasının yollarından biridir. Bu çalışmada mikro bileşik ısı-güç santrallarının konutlarda kullanımı ele alınmıştır. Mini ve mikro bileşik ısı-güç santralları 50 kw veya daha az elektrik üreten birimlerdir. Çalışmada önce küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretim teknolojileri incelenmiş, bunların kapasite, verim, atık gaz salımları, yatırım ve bakım onarım giderleri gibi teknik ve ekonomik özellikleri verilmiştir. Bu tür santralların nasıl uygulanabileceği irdelenmiş, teknik ve ekonomik açılardan olurluluğu belirlemek için bir yöntem ortaya konmuştur. Bu yöntem kullanılarak bir konut sitesine bileşik ısı-güç üretiminin uygulanabilirliği örnek olarak hesaplanmış, ekonomik getirinin olurluluğu etkileyen parametrelere göre değişimi bir çizelge ile açıklanmıştır. Yasa ve yönetmelikler incelenerek, idari ve yasal açıdan karşılaşılabilecek sorunlar belirtilmiştir. Son olarak küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretiminin yaygın olarak kullanılmasının Türkiye nin enerji tüketimine ve karbon dioksit salımlarına etkileri yaklaşık olarak belirlenmiştir. Giriş Bileşik ısı-güç üretimi uzun yıllardır bilinen bir uygulama olmakla birlikte 1970 lerden sonra yaygınlık kazanmıştır. Bunun en önemli nedeni enerji tüketiminde verimlilik bilincinin giderek gelişmesidir. Bileşik ısı-güç üretimi uygulamasını özendiren birinci etken yakıt enerjisinden ve buna bağlı olarak yakıt giderlerinden tasarruftur. Bununla birlikte yakıtın daha etkin kullanımı, atmosfere salınan başta karbon dioksit olmak üzere sera etkisi yaratan gazların azaltılmasını sağlar. Ayrıca, elektriğin yerinde üretimi iletim kayıplarını azalttığı gibi, elektrik sunum gerilimindeki değişim, elektrik kesintisi gibi sorunları en aza indirger. Bileşik ısı-güç üretimi bir uygulamadır, yeni bir teknoloji değildir. Bileşik ısı-güç üretimi, güç üreten bir ısı makinasının çevreye atmak zorunda olduğu ısıl enerjiyi yararlı bir amaca yönlendirir. Bu amaç endüstride bir ısıl işlem olabileceği gibi, ev ısıtması, bölge ısıtması gibi bir uygulama da olabilir. Bileşik ısı-güç üretimi için bugüne kadar gaz türbinleri, dizel ve gaz motorları, buharlı güç santralları, birleşik gaz-buhar (kombine) santralları kullanılmıştır. Türkiye de bileşik ısı-güç üretiminin gelişmesindeki en önemli aşama, 1984 yılında 3096 sayılı yasanın çıkarılması ve bu yasaya dayanarak 4 Eylül 1985 tarihinde ETKB nın otoprodüktörlük için uygulama esaslarını belirleyen 85/9799 sayılı yönetmeliğin yayımlanması olmuştur. Bu yasaya dayanarak gerçekleştirilen ilk uygulama 1992 yılında kurulan Yalova Elyaf Otoprodüktör tesisidir. Bugün Türkiye de üretilen elektrik enerjisinin yaklaşık %19 u, 1 ile 20 MW gücünde ikiyüzün üzerinde bileşik ısı-güç santralında gerçekleşmektedir. Bileşik ısı-güç üretimi uygulamasındaki gelişmeler giderek daha küçük kapasiteli santralların kullanılması yönünde olmaktadır. 1950 de ölçek 50 ile 100 MW iken 2000
yılında 1 ile 10 MW arasında olmuştur. 2012 yılında ise 1 kw a kadar inen çok daha küçük ölçeklerden söz etmek olanaklıdır, [1]. Teknolojik gelişmeler de küçük ölçekleri destekleyecek yönde olmuş, mini gaz motorları, mikro türbinler, Stirling motorları, organik Rankine çevrimine göre çalışan mini buhar santralları ve yakıt pillerinin ticari üretimi gerçekleşmiştir, [1], [2], [3]. Bu teknolojilerin uygulamasında yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmak da olanaklıdır. Teknolojik gelişmeler yukarıda belirtilen mini ve mikro güç üreticilerinin daha verimli ve daha ucuz yapılması yönündedir. Kuşkusuz bu teknolojik gelişmeyi özendiren ve yönlendiren, toplumların enerji üretim, dağıtım ve tüketiminde kazandığı yeni alışkanlıklar, geliştirdiği yasal düzenlemeler olmuştur [4]. Son yıllarda elektriğin sadece alınır değil satılır bir meta haline gelmesi ve bunun sadece kuruluşlar değil kişisel düzeyde de yapılabilmesi gerçekleşmiştir. Yönetimler elektrik alım-satımını kolaylaştırıcı yasal düzenlemeleri yaparken, elektronik teknolojisindeki gelişmeler bunu teknik açıdan desteklemiştir. Bu nedenle bileşik ısı-güç üretimi artık kişisel düzeyde gerçekleştirilebilecek bir uygulama olmuştur. Mini ve Mikro Bileşik Isı-Güç Üretim Sistemleri Bugün konutlarda, bürolarda ve endüstri kuruluşlarında kullanılmak üzere piyasaya sunulmuş birçok küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretim sistemi bulunmaktadır, [1], [5]. Bu sistemler, motor, jeneratör, ısı değiştiricisi (atık ısı kazanı), ek yakıcılar, ölçüm ve kontrol birimlerini toplu olarak içinde bulunduran donanımlardır. Genellikle 1 ile 5 kw arasında elektrik üretebilen bu sistemler bir buzdolabı büyüklüğündedirler. Şu anda pazarda alınıp, satılabilen bu sistemlerin temel özellikleri aşağıda kısaca verilmiştir. İçten yanmalı küçük gaz motorlarının mikro bileşik ısı-güç üretiminde kullanılması üzerinde son on yılda kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Bilinen bir teknolojiyi kullanmasına karşın, gürültü, emisyon, bakım sorunları henüz tam olarak çözülememiştir. Yakıt pilleri üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır, ancak maliyetin yüksek ve kullanım ömrünün düşük olması bu sistemlerin yaygınlaşmasını önlemektedir. Rankine çevrimine dayanan ve genellikle soğutucu akışkanları aracı akışkan olarak kullanan mikro buharlı santrallar, düşük elektrik verimine sahip olmakla birlikte, sessiz çalışma ve uzun kullanım ömrü bakımından öne çıkmaktadır. Stirling motorları da emisyon ve sessiz çalışma bakımından üstün olmakla birlikte yüksek maliyetlidir. Mikro gaz türbinlerinin emisyon ve gürültü bakımından çözülmesi gereken bazı sorunları bulunmaktadır, [6]. Ticari ürün olarak piyasada bulunan mini ve mikro bileşik ısı-güç sistemlerinin genel bir karşılaştırması Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Mini ve Mikro Bileşik Isı-Güç Sistemlerinin Karşılaştırması Güç üreticisi η e η top β Z (TL/kW) c bo (TL/kWh) Gaz motoru 0.28 0.8 1.86 4000 0.046 Mikro gaz türbini 0.23 0.64 1.78 5400 0.046 Stirling motoru 0.24 0.88 2.67 7200 0.022 Yakıt pili 0.4 0.75 0.88 6600 0.069 Bileşik ısı-güç üretimini nitelendiren temel parametrelerin başında güç üreticisinin (ısı makinasının) ısıl veya elektriksel verimi gelir. Bu parametre üretilen elektrik gücünün tüketilen yakıt gücüne oranıdır ve Çizelge 1 de η e simgesi ile gösterilmiştir. Enerjiden yararlanma oranı bu çalışmada η top ile gösterilmiştir, elde edilen elektrik ve
ısı enerjilerinin toplamının yakıt tüketimine oranını belirtmektedir. Isı-elektrik oranı, güç üreticisinden elde edilen ısıl gücün elektrik gücüne oranıdır ve β simgesi ile gösterilmiştir. Bu bildiride güç üreticisinin ürettiği elektrik gücü P, sistemin birim güç için yatırım maliyeti Z ile belirtilmiştir. Değişik enerji maliyetlerini (TL/kWh) göstermek için c simgesi kullanılmıştır. Bu bağlamda alt indis e, elektrik, ı, ısı, bo bakım onarım anlamında kullanılmıştır. Ekonomik Çözümleme Bu çalışmada konutlarda kullanılabilecek mini ve mikro bileşik ısı-güç sistemlerini değerlendirmek üzere basit bir ekonomik model sunulmuştur. Çözümleme gelir ve giderlerin yıllık bazda hesaplanmasına dayanmaktadır. Gelir ve giderlerin eşitlenmesi ile bulunan elektrik maliyeti, sistemi kazançlı kılacak en düşük elektrik alım-satım maliyetidir. Modelde sistemin yıllık çalışma süresi 350 gün veya 8400 saat alınmıştır. Konut ısıtmasının yılda 180 gün veya 4320 saat yapıldığı, sıcak su gereksiniminin ise 350 gün veya 8400 saat karşılandığı varsayılmıştır. Sıcak su için saatte 0.6 kwh enerji tüketimi öngörülmüştür. Türkiye de bir konutta yılda ortalama olarak 3000 kwh elektrik enerjisi tüketildiği, ısıtma için 16000 kwh, sıcak su için yukarıda belirtildiği gibi 5000 kwh ısıl enerjiye gerek duyulduğu kabul edilebilir. Sistem yatırımının yıllık gidere dönüştürülmesinde yıllık faiz oranı i, %8, sistem ekonomik ömrü n, 10 yıl alınmıştır. Bu durumda aşağıdaki bağıntı ile hesaplanan amortizman çarpanı, a = 0.15 olmaktadır, [7]. Yıllık gelirlerin hesaplanması : Elektrik : Konut ısıtması : Sıcak su ısıtması : Yıllık giderlerin hesaplanması : Yakıt: Yatırım : Bakım onarım : Yukarıdaki hesap yöntemi elektrik üretim gücü 3 kw olan gaz motorlu bir sisteme uygulansın. Bu büyüklükte bir sistem konutun pik elektrik ve sıcak su gereksinimlerini tümüyle, pik ısıtma gereksinimini ise %70 oranında karşılayabilecektir. Çizelge 1 den, η e = 0.28, β = 1.86, Z = 4000 TL/kWh, c bo = 0.046 TL/kWh seçilir, yakıt fiyatı c y = 0.06 TL/kWh, c ı = 0.275 c e alınırsa,
bulunur. Denklemin sağında yer alan birinci terim elektriğin birim fiyatına yakıt giderinin katkısını, ikinci terim yatırım, üçüncü terim ise bakım onarım giderlerinin katkılarını göstermektedir. Piyasada elektrik alım/satım fiyatının bu değerin üzerinde olması sistem yatırımının kazançlı olduğu anlamına gelmektedir. Yukarıdaki hesap yakıt ve ısı fiyatları aynı değerlerde varsayılarak ve Çizelge 1 deki veriler kullanılarak diğer sistem seçeneklerine de uygulanabilir. Sonuçlar, Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. Sistemi Kazançlı Kılan En Düşük Elektrik Fiyatı Güç üreticisi Yakıt katkısı Yatırım katkısı BO katkısı c e (TL/kW) Gaz motoru 0.166 0.055 0.036 0.257 Mikro gaz türbini 0.204 0.075 0.036 0.315 Stirling motoru 0.178 0.092 0.016 0.285 Yakıt pili 0.130 0.102 0.060 0.293 Değerlendirme Sonuçlar elektrik fiyatını belirleyen en önemli etkenin yakıt gideri olduğunu, bunu sırasıyla yatırım ve bakım onarım giderinin izlediğini göstermektedir. 2012 yılında Türkiye de elektrik birim fiyatının 0.21 TL/kWh olduğu ve vergilerle birlikte bu bedelin 0.33 TL/kWh değerini bulduğu göz önüne alınırsa, mikro bileşik ısı-güç üretiminin ekonomik açıdan tutarlı bir seçenek olduğu görülür. Gaz motorlu sistem, elektrik üretim bedelinin en düşük olduğu sistemdir. Yakıt pilli sistemlerde yakıtın elektrik fiyatına katkısı diğerlerine göre daha düşüktür, ancak yatırım maliyetinin yüksek olması bu seçeneği üçüncü sıraya düşürmektedir. Mikro gaz türbinli sistemler gürültü ve emisyon sorunları da göz önüne alınırsa geçerli bir seçenek olarak görülmemektedir. Stirling motoru ise verimde küçük bir artışla en çok tercih edilen seçenek olabilecektir. Bu nedenle bu konudaki araştırmalara ağırlık verilerek yerli teknolojinin geliştirilmesi yararlı olacaktır. Yukarıda belirtilen tüm sistemlerin bugün pazarda var olduğu vurgulanmalıdır. Ülkemizde mikro ölçekte bileşik ısı-güç üretiminin tek konut ölçeğinde yaygın olarak uygulanması bugün için zordur. Avrupa ve Amerika da yerleşim alanlarının büyük bir bölümü bahçeli tek konutlardan oluşmaktadır. Bu tür yerleşim alanlarında 3-5kW elektrik üretim gücü olan sistemlerin uygulanması kurulum ve yerleştirme bakımından kolaydır. Ülkemizde geçerli olan genel yerleşim düzeni apartman düzenidir. Bu nedenle mikro bileşik ısı-güç üretiminin tüm apartmanı ya da siteyi kapsayacak biçimde (30-100kW) uygulanması daha mantıklıdır. Yukarıda verilen ekonomik çözümleme bu durumda da geçerli olacak, verilen bağıntılarda sadece kapasite (P) değişecektir. Ölçeğin büyümesi yatırım maliyetinde de azalmaya yol açabilecektir. Ancak gelir ve giderlerin paylaşımı için yönetim düzeninin belirlenmesi ve bunu uygulayacak donanımın sağlanması gerekecektir. Konutlarda kullanılacak bileşik ısı-güç sistemlerinin enerjiden yararlanma oranlarını artırmak için sisteme iki ek yapılabilir. Bunlardan birincisi ısıl enerjinin depolanmasıdır. Bu yolla bileşik ısı-güç sisteminin, kış aylarında konutun ısıtma yükündeki değişimlere yanıt vermesi kolaylaştırılır, sistem belirli bir yükte sürekli çalıştırılarak verim artırılabilir. İkinci olarak sisteme abzorpsiyonlu bir soğutma birimi eklenerek soğutma yapması sağlanabilir. Böylece yaz aylarında yararlanılmayan ısıl enerji soğutmaya yönlendirilmiş olur. Sistemin enerjiden yararlanma oranı yaz
aylarında yükseleceği için ekonomik olurluluk olumlu yönde etkilenir. Gerek depolama gerek soğutma, sistemin yatırım maliyetini artırıcı unsurlardır. Bu nedenle olurluluk hesapları yapılmak durumundadır. Kuşkusuz küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretiminin ülkemizde uygulanmasında karşılaşılacak en önemli engel yasal ve yönetsel eksiklerdir. Bileşik ısı-güç üretim sistemi şebekeden bağımsız çalışabilir ama ekonomik açıdan olurluluğu şebeke ile alım-satım yapabilmesine bağlıdır. Her ne kadar bugün ülkemizde serbest üreticiler ürettikleri elektriği şebekeye satabiliyorlarsa da, bu bazı kısıtlamalara bağlıdır. Mini veya mikro bileşik ısı-güç sistemlerinde bir yılda üretilebilecek elektrik enerjisi 10 MWh ile 500 MWh arasındadır. Ayrıca enerji alım satımı zamana göre dalgalanma gösterecektir. Şebekenin bu durumları hem yönetmelikler hem teknik donanım açılarından karşılayabilir olması gerekir. Ölçüm ve mahsuplaşma konuları sorun yaratabilecek bir başka alandır. 2008 yılında Türkiye nin toplam CO 2 salımları (emisyonları) 264 milyon ton olmuştur, [8]. Türkiye de kullanılan birincil enerjinin yaklaşık dörtte biri konutlarda kullanılmaktadır. Ayrıca elektrik enerjisinin yaklaşık yarısı da konut ve işyerlerinde tüketilmektedir. Bu nedenle konutların sera gazı salımlarına katkısı en az %30 kadardır. 30 kw gücünde küçük ölçekli bir bileşik ısı-güç üretim sisteminde, aynı elektrik ve ısı gereksinimin alışılagelmiş yöntemlerle elde edilmesine göre bir yılda yaklaşık 50 ton daha az CO 2 salımı yapıldığı kabul edilebilir, [4]. Bu durumda bileşik ısı-güç üretiminin 20 bin apartmanda uygulanması durumunda CO 2 salımlarında 1 milyon ton azalma beklenebilir. Bu değerler yaklaşık olmakla birlikte kazancın mertebesi konusunda bir bilgi vermektedir. Mini ve mikro (1-50 kw) bileşik ısı-güç üretim teknolojisi başta gaz motorları ve türbinleri olmak üzere içten yanmalı motorları, Stirling motorlarını, yakıt pillerini ve organik Rankine çevrimine dayalı buharlı santralları kapsamaktadır. Bu donanımların bir bileşik ısı-güç sistemi bütünlüğü içinde geliştirilmesi ve projelendirilmesi yüksek bir teknoloji uygulaması ve birikimi gerektirmemektedir. Üniversitelerimiz, araştırma ve sanayi kuruluşlarımız bu alanda önemli katkılar yapabilirler. Sonuç : Küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretiminin başta Japonya, Almanya ve Avustralya olmak üzere gelişmiş ülkelerde giderek daha fazla uygulandığı görülmektedir. Bu alanda geliştirilen teknolojiler pazarlarda ticari ürünlere dönüşmüştür. Küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretiminin ülkemizde uygulanması, bu çalışmada gösterildiği gibi hem ekonomik hem çevresel açılardan kazançlı olacaktır. Bu nedenle küçük ölçekli bileşik ısı-güç üretimi konusunda, Uygulamayı özendirecek ve kolaylaştıracak yasal ve yönetimsel düzenlemelerin yapılması, Yerli teknolojilerin geliştirilmesi için Ar-Ge çalışmalarının yaygınlaştırılması, önerilmektedir.
Kaynaklar : [1] Thomas, David H, (Ed.), Energy Efficiency Through Combined Heat and Power or Cogeneration, Nova Science Publishers, New York, (2010). [2] DeWitt, J., M. Naslund, Mini and Micro Cogeneration, Danish Gas Technology Center Report (www.dgc.dk) (2010). [3] Facao J., A. Palmero-Morrero, A.C. Oliveira, Analysis of a Solar Assisted Microcogeneration ORC System, International J.of Low Carbon Technologies, v. 3/4 (2008). [4] Praetorius B., L. Schneider, Micro Cogeneration:Towards a Decentralized and Sustainable German Energy System, 29th IAEE International Conference, Potsdam, 7-10 Haziran 2006. [5] Alanne, K., Micro Cogeneration-I, Aalto University, Finland, (2010). [6] Harrison, J., Micro Combined Heat and Power (CHP) for Housing, 3rd International Conference on Sustainable Energy Tchnologies, Nottingham, UK, 28-30 Haziran 2004. [7] Derbentli, T., Design of Thermal Systems ders notları, İTÜ, (2011). [8] Derbentli, T, Kaptan N., Türkiye nin Enerji Geleceğine İlişkin Üç Senaryo, Anadolu Enerji Sempozyumu, Fırat Üniversitesi, Elazığ, 22-24 Haziran 2011.