BİR KOJENERASYON TESİSİ İÇİN FİZİBİLİTE ÇALIŞMASI Dr.Ersun Kubilay Kojenerasyon Sistemleri, mazot, LPG, doğal gaz, bio gaz, çöp gazı gibi yakıtların bir motor veya türbinde yakılarak elektrik ve ısının birlikte üretildiği Birleşik Güç Sistemleridir. Kojenerasyon Tesisleri mutlaka, Atık Isıl Enerjinin tamamından veya çok büyük bölümünden yararlanılmak üzere tasarlanmalıdır. Yüksek verimde çalışacak böyle bir sistemde elektrik üretiminin ihtiyacın altında kalması durumunda, kapasite büyütülmesi yerine mutlaka, sistemin şebekeyle paralel çalıştırılması tercih edilmelidir. Üretilen atık ısıyla buhar, sıcak su, kurutma havası, kızgın yağ v.d. elde etme imkânları olduğu gibi absorbsyonlu sistemlerle soğuk su veya soğuk hava elde etmek (Trijenerasyon) de mümkündür. Endüstriyel tesislerde, binalarda ve kentsel uygulamalarda Kojenerasyon Projelerinin daima en uygun yakıtla, en yüksek verimde ve kesintisiz çalışma koşullarına göre tasarlanmaları esastır. NİÇİN KOJENERASYON? İkincil bir enerji olması nedeniyle elektrik pahalı bir enerji türüdür ve ülkemizde 1 kw elektrik üretmek için, termik çevrim santrallerinde, verime bağlı olarak, çoğunlukla 2 kw tan daha fazla birincil enerji (kömür doğalgaz) tüketilmektedir. Düşük verimli (%36-55 arası) ve atık ısıların yeterince değerlendirilemediği bir termik çevrim santralinde üretilen elektriği yüksek fiyattan satın almak yerine bazı işletmeler, elektrik ihtiyaçlarının tamamını veya bir kısmını, kendi fabrikalarında kurdukları kojenerasyon sistemleriyle karşılamakta ve iyi değerlendirdikleri atık ısılarla enerji maliyetlerini azaltarak rekabet şanslarını arttırmaktadırlar. Kojenerasyon Sistemlerinin başlıca yararları kısaca: Fabrikalarda ve binalarda karbon salımlarının azalmasını, bir başka değişle karbon ayak izlerinin küçültülür, Üretilen yüksek kalitedeki (voltaj ve frekans) elektrikle fabrikalardaki üretim sırasında, makinelerde bulunan elektronik devre ve bileşenlerin zarar görmesi engellenir, İşletmeler elektrik iletim ve dağıtım sistemlerindeki arızalardan etkilenmezler, İşletmeler, hem daha ucuza ürettikleri elektrikten, hem de değerlendirdikleri atık ısılardan dolayı enerji maliyetlerinde ciddi azalmalar sağlarlar, İşletmeler, iletim ve dağıtım hatlarındaki % 15-22 mertebesinde değişen kayıp-kaçak bedelini ödemek zorunda kalmazlar. Aşağıdaki resimde bir kojenerasyon sisteminde giren birincil enerji miktarıyla çıkan ikincil enerji miktarları yaklaşık oranlarıyla gösterilmiştir. % 40 elektriksel verimde çalışan bir kojeneratörde 40 BİRİMLİK elektrik ve 45 BİRİMLİK ısıyı birlikte elde etmek için 100 BİRİM birincil enerji tüketmek gerekir. Oysa aynı 45 BİRİMLİK ısı, % 90
verimde çalışan bir kazanda 50 BİRİM birincil enerji tüketilerek ancak elde edilebilir. Dolayısıyla, kojenerasyonlarda 100 BİRİM birincil enerjiyle elde edilen sekonder enerji konvansiyonel yöntemlerle, farklı iki sistemde (jeneratör+kazan/şebeke+kazan) 150 BİRİM birincil enerjiyle ancak elde edilebilir. Ortaya çıkan 50 birimlik tasarruf, elektrik ve ısının birlikte üretildiği kojenerasyon sistemlerinin akıllı yatırımlar olduğunun basit göstergesidir. Aşağıda, gaz motorlu bir Kojenarasyon Sisteminin prensip şeması gösterilmiştir. Türbinlerde yüksek miktarda atık ısı ağırlıklı olarak egzos gazlarından elde edilir. Yağ ve ceket soğutma eşanjörleri türbinle çalışan sistemlerde yoktur. Kojenerasyon Sistemleri projelendirilirken izlenmesi gerekli yol aşağıdaki gösterilmiştir. I. Elektrik ve Isıl İhtiyaçların belirlenmesi, II. E/I oranına bağlı olarak motor veya türbin tercihinin yapılması, III. Motor / Türbinin büyüklüğünün (kapasite) belirlenmesi, IV. Ön projenin hazırlanması, V. Tekliflerin alınması ve tedarikçi seçimi, VI. Ayrıntılı projelerin (inşaat, mekanik, elektrik) yapılması, gerçek Yatırım Maliyeti ve Geri Ödeme Süresinin Hesaplanması, i. Ekonomik Fizibilite, ii. Teknik Fizibilite, iii. Organizasyonel Fizibilite ve İş/zaman Çizelgesi VII. Yatırım için finansman seçeneklerinin araştırılması, VIII. Uygulama Projelendirme sırasında yukarıda yazılı yol izlenirken aşağıda yazılı noktalara dikkat edilmesi grekir. 1. İhtiyaçlar tespit edilirken mutlaka son bir veya iki yılın saatlik, günlük, aylık elektrik ve ısıl enerji tüketimleri incelenmelidir. Kurulacak Kojenerasyon sistemindeki atık ısıl enerjinin tamamının veya tamamına yakınının kullanılması esastır. İleriye yönelik yatırımlar dikkate alınarak kojenerasyonun büyük seçilmesi, yatırımlar gerçekleşene dek sistemin düşük verimde çalıştırılmasına, bu da Geri Ödeme Süresinin uzamasına neden olur. Bunun yerine tasarım, gelecekte uygun kapasitelerde birkaç motor/türbin in paralel çalıştırılmasına yönelik yapılabilir ve sistemin zamanı geldiğinde büyütülmesi her zaman daha akıllı çözümdür.
2. Motor / türbin kararı verilirken elektrik ve ısıl ihtiyaçların oranları dikkate alınır; şöyle ki: E/I > 1 ise motor seçilmelidir, E/I < 0,8 ise türbin seçilmelidir, 0,8 < E/I < 1 ise: Kritik Durum; seçim çok daha ayrıntılı değerlendirmeden sonra yapılmalıdır. Isıl ihtiyaçların fazla olduğu işletmelerde türbin tercihleri daha doğrudur. Şöyle ki: 50-4000 kw aralığında daha çok tercih edilen gaz motorlarında ısı çıkışı: genellikle güç çıkışının 1 1,5 katı, 1.000 kw üstündeki ihtiyaçlarda tercih edilebilen gaz türbinlerinde ısı çıkışı: Diesel motorlarında ise ısı çıkışı: genellikle güç çıkışının 2,5 3 katı genellikle güç çıkışına eşittir. Türbin satın almayı planlayan bir kuruluşun yeterli sayı ve kalitede teknik personele sahip olması çok önemlidir. Arıza ve periodik bakım zamanlarında servis hizmetini veren kişilerle kolay iletişim ve iyi işbirliği şarttır. 3. Kapasite belirlenirken mutlaka, atık ısıların tamamının veya çok büyük bölümünün 12 ay süresince değerlendirilebilmesi dikkate edilmesi gerekli en önemli noktadır. Atık ısıların iyi değerlendirilemediği Kojenerasyon Sistemleri verimsiz sistemlerdir. 4. Ön proje, satın alınması planlanan sisteme ait teknik özelliklerin, işletme ve bakım giderlerinin, elektriksel ve ısıl verimlerin ortaya çıkarılması, işletmede mevcut OG sistemi üzerinde yapılacak değişikliklerle ilgili sorunların ve bunların maliyetlerinin iyi bilinmesi için çok önemli bir çalışmadır. İyi hazırlanmış bir ön proje, tedarikçilerle yapılacak görüşmelerde kolaylık sağlar. Şirketin kendi yapacağı veya yaptıracağı ön proje ile tedarikçilerin yapacakları ön projeler, farklı yaklaşım ve hesap yöntemlerinden dolayı çoğunlukla örtüşmezler. Bu farklılıkların nedenlerinin iyi bilinmesi, kojenerasyon sistemiyle ilgili istenen özelliklerin belirlenmesinde, tedarikçilerle görüşmede ve karar aşamalarında kolaylık sağlar. Ön proje çalışmalarında kojenerason sistemlerini iyi bilen bir danışman firmadan destek alınması faydalı olur. Sadece tedarikçiler tarafından yönlendirilmek bazen, ihtiyaçtan büyük bir sistemin, servis hizmetleri yetersiz bir tedarikçiye sipariş edilmesi gibi durumlar yaratabilir. Ön projeler sonrasında olası Yatırım Maliyetleri ve Geri Ödeme Süreleri hakkında yeterli ön bilgi elde etmek mümkündür. Bazı tedarikçiler, farklı kapasitedeki motor/türbinler arasındaki fiyat farklarını düşük tutarak firmaların ihtiyaçlarından daha büyük sistemler satın almalarına neden olmaktadır. Büyük seçilmiş ve kapasitesinin altında, düşük verimde çalıştırılan bir motor/türbinin bakım ve yedek parça giderlerinin de yüksek olacağı unutulmamalıdır. Sonraki yıllarda ihtiyaçlarım nasıl olsa artacak o zaman sistemi tam kapasiteyle çalıştırırım düşüncesi kojenerasyon projelendirmelerinde geçerli bir düşünce değildir.
5. Motor/türbin tedarikçilerinden olabildiğince çok sayıda teklif almak sistemleri kendi aralarında karşılaştırabilmek adına her zaman yararlıdır. Seçilen kapasiteye uygun motor/türbin bulmakta sıkıntı yaşanabilir ve bunun sonucunda kapasitenin biraz küçültülmesi veya büyütülmesi gerekebilir. Sistem ve tedarikçi seçilirken en önemli nokta tedarikçinin Türkiye deki Servis Hizmetinin güçlü olması kriteridir. Burada daha önce tedarikçinin kurduğu bir-iki sistemin ziyaret edilerek servis hizmetleri hakkında bilgi toplanması önemlidir. Yeterli ve iyi bir servis hizmetinin sağlanamadığı bir Kojenerasyon Sistemi ne kadar mükemmel olursa olsun akıllı bir yatırım değildir ve beklenilen tasarrufları kesinlikle sağlayamaz. 6. Elektrik iletim ve dağıtım şirketleri, kurulacak Kojenerasyon Ünitelerinin kendi sistemlerine zarar vermesini istemezler. Bu bağlamda EPDK ve ETKB için hazırlanan ayrıntılı inşaat, mekanik ve özellikle elektrik projeleri çok önemlidir. Projelerin, bazı Yönetmelik ve standartlara uygun olarak yapılması ve Bakanlığa onaylanması gerekir. Ön ve nihai kabul aşamalarında Bakanlık tarafından yapılan kontroller sonucunda uygulama ile onaylanan proje arasında ortaya çıkan eksik veya farklılıkların hepsi düzeltilmeden sistem için işletme izni almak mümkün değildir. Özellikle, hesapların IEEE standartlarında, ayrıntılı olarak yapıldığı elektrik projelerinin uygulamalarında, her türlü koruma, kilitleme, yük atma ve benzeri koruyucu sistemlerin iyi çalışıp çalışmadıklarının kontrolü için yapılan testler işletme izni için önemlidir. Ekonomik olarak uygun (fizibl) çıkan bir proje teknik veya organizasyonel olarak uygun olmayabilir. Örneğin OG sistemi çok eski olan bir kuruluşa bir kojenerasyon ünitesi şebekeyle paralel çalışmak üzere projelendirilirken, eski sistem ile yeni sistem arasında uyum sorunu yaşanabilir ve eski sistemin tamamen yenilenmesi gerekebilir. Kojenerasyon Sistemlerinin devreye alınmaları aşamasında işletmelerin bir süre durdurulmaları gerekebilir ve bu sorunun organizasyonel açıdan çözümü zor olabilir. 7. Atık ısıların iyi değerlendirildiği verimli Kojenerasyon yatırımları için yerli ve yabancı bankalardan, Hazine Müsteşarlığından uygun koşullarda kredi bulmak, bu yatırımlar için Bakanlıktan kısmî hibe destekleri almak (Gönüllü Anlaşmalar, Verimlilik Arttırıcı Proje) mümkündür. 8. Projenin uygulama aşamasına geçildiğinde iş/zaman çizelgeleri hazırlayarak işlerin planlanması ve takip edilmesi önemlidir. BİR ÖRNEK 2011 yılında: Saatlik ortalama elektrik tüketimi: Saatlik maksimum elektrik tüketimi: Saatlik ortalama ısıl enerji ihtiyacı: Saatlik maksimum Isıl enerji ihtiyacı: 1.792 kwh 2.250 kwh 1.756 kwh (183 Sm3 doğal gaz) 2.648 kwh (276 Sm3 doğal gaz) olan ve üç vardiya çalışılan bir işletmede aynı yıl için ortalama E/I oranı > 1 olarak bulunmuştur. Bu veriler ışığında, şebekeyle paralel çalıştırılacak ve atık ısıl kapasitesi 2.000 kwh in üstünde olan, gaz motorlu bir Kojenerasyon Sisteminin projelendirilmesi kararlaştırılmıştır. Kojenerasyon ünitesi elektrik ihtiyacının % 90 ının karşılayacak, geri kalan % 10 ise şebekeden sağlanacaktır.
2.648 kwh lik maksimum ısıl enerji ihtiyacı dikkate alındığında: Isıl verimi W t, yaklaşık % 45 olan bir gaz motorunun 2.648 kwh lik bir atık ısıl enerji verebilmesi için W e elektriksel gücünün (yaklaşık % 40) We = 2.353 kwh olması gerekir. Bu güçteki bir gaz motoru tam yükte çalıştığında ısıl ihtiyacın tamamını her zaman karşılanabilecektir. Bulunan bu elektriksel güç, saatlik maksimum elektrik ihtiyacı 2.250 kw tan büyüktür ve üstelik kojenerasyonda elektrik ihtiyacının % 90 ının karşılanması planlanmaktadır. Bu durumda kojenerasyonda üretilmesi istenen elektrik miktarının (maksimum tüketim dikkate alınarak), 2.250 x 0,90 = 2.025 kw olarak düşünülmesi daha doğru yaklaşımdır. Kısaca, ısıl ihtiyaçların tamamının karşılayan bir gaz motorunun elektriksel gücü, işletmenin ihtiyacının üstündedir. Dolayısıyla, sistemin yüksek kapasite ve verimde çalışması için, elektriksel gücü 2.025 kw a yakın gaz motorlarının araştırılması gerekir. Bu durumda gaz motorundan sağlanacak atık ısılar ihtiyacın her zaman tamamını karşılamayacaktır. Tedarikçiler arasında yapılan araştırma sonucunda: CATARPILLAR 3520 E Bu motorda: We: 2.022 kwh Wt: 2.270 kwh tır. Seçilen gaz motoruyla ilgili teknik bilgiler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibidir: motoru seçilmiştir. Elektriksel Verim = % 42,1 (Elektrik Üretimi : 2.022 kw) Isıl Verim = % 46 (*) Yakıt Enerjisi = 4.923 kw Sistemde bulunan üç eşanjör, HT: 1.067 kw (verim HT = 1067/4923 = % 21,6) LT: 159 kw (verim LT = 159/ 4923 = % 3,2) Egzos için eşanjör: 1.044 kw (verim egzoz = 1044/4923 = % 21,2) TOPLAM: 2.270 kw (Toplam Atık Isı Üretimi) Doğal gaz tüketimi: 501 Nm3 (tam yükte) İç elektrik Tüketimi (kurulu güç): 40 kw Yağ Tüketimi: 0,0003 kg/kw (yağ fiyatı= 7 TL /kg) Sistem Fiyatı: 850.000 (OG Hariç) Bakım Fiyatı: 8 /saat (ilk 35.000 saat yağ hariç) Motorun içindeki 40 kw lık bir kurulu gücün % 75 inin (30 kw) sürekli tüketileceği kabul edilmiştir. Bu durumda kojenerasyonun çalışması halinde iç tüketim dahil; Saatlik Ortalama Elektrik Tüketimi: 1.822 kwh, Saatlik Maksimum Elektrik Tüketimi ise: 2.280 kwh olacaktır.
Bu durumda, iç tüketimler dahil, kojenerasyon ve şebekeden sağlanacak saatlik elektrik miktarlarıyla kojenerasyonda kapasite kullanım oranları aşağıdaki tablolarda gösterildiği gibi olacaktır: Saatlik Ortalama Elektrik Tüketimi (kwh) Kojenerasyon İç Tüketimleri (30 kwh) Dikkate alındığında Saatlik Elektrik Tüketimleri (kwh) Kojenerasyonda Saatlik Üretilecek Elektrik % 90 kwh Şebekeden Saatlik Satın alınacak Elektrik kwh Kojenerasyon Kapasite Kullanım Oranları % Oca.11 1.772 Oca.11 1.802 1.622 180 80 Şub.11 2.055 Şub.11 2.085 1.876 208 93 Mar.11 1.676 Mar.11 1.706 1.535 171 76 Nis.11 1.951 Nis.11 1.981 1.783 198 88 May.11 1.810 May.11 1.840 1.656 184 82 Haz.11 2.250 Haz.11 2.280 2.022 258 100 Tem.11 1.647 Tem.11 1.677 1.509 168 75 Ağu.11 1.647 Ağu.11 1.677 1.510 168 75 Eyl.11 1.889 Eyl.11 1.919 1.727 192 85 Eki.11 1.755 Eki.11 1.785 1.607 179 79 Kas.11 1.234 Kas.11 1.264 1.138 126 56 Ara.11 1.705 Ara.11 1.735 1.562 174 77 ort 1.783 ort 1.813 1.629 184 81 Kojenerasyonun, yukarıdaki tabloda yazılı kapasite kullanım oranlarında, üreteceği atık ısılar ve bunların ihtiyaçları karşılama oranları ise aşağıdaki tabloda gösterilmiştir (hesaplarda atık ısıların ancak % 85 inin değerlendirilebileceği kabul edilmiştir): Gün Sayısı 2011 Yılı Kojenerasyonda Üretilecek saatlik Ortalama Atık Isı Miktarları (kw) Kojende Üretilen Aylık Toplam Atık Isıl Enerji (kwh) Tesisat ve Depolama Nedeniyle Atık Isıl Enerjinin ancak % 85 i Değerlendirilebilir (kwh) Kojende Üretilen Aylık Toplam Atık Isıl Enerjinin Doğal gaz Eşdeğeri (Sm3) Kojensiz Aylık Doğal gaz Tüketimleri (Sm3) Kojendeki Atık Isının İhtiyacı Karşılama Oranı (%) Kojensiz Aylık Doğal gaz Tüketimleri Parasal Değeri ( ) Kojenerasyondan Sonra Satın Alınacak Doğal Gaz Miktarı (Sm3) Kojenerasyondan Sonra Satın Alınacak Doğal Gazın Parasal Değeri ( ) 28 Oca.11 1.821 1.223.745 1.040.183 108.431 43.765 100 9.585 0 0 24 Şub.12 2.106 1.213.215 1.031.232 107.498 82.135 100 17.988 0 0 30 Mar.13 1.723 1.240.807 1.054.686 109.943 94.965 100 20.797 0 0 26 Nis.14 2.002 1.249.159 1.061.785 110.683 127.423 87 27.906 16.740 3.666 26 May.15 1.859 1.160.085 986.072 102.791 141.916 72 31.080 39.125 8.568 27 Haz.16 2.270 1.470.960 1.250.316 130.336 178.848 73 39.168 48.512 10.624 27 Tem.17 1.694 1.097.982 933.285 97.288 131.237 74 28.741 33.949 7.435 26 Ağu.18 1.695 1.057.564 898.929 93.707 130.562 72 28.593 36.855 8.071 24 Eyl.19 1.939 1.116.669 949.169 98.944 118.761 83 26.009 19.817 4.340 30 Eki.20 1.804 1.298.906 1.104.070 115.091 111.450 100 24.408 0 0 23 Kas.21 1.277 705.107 599.341 62.477 105.987 59 23.211 43.510 9.529 28 Ara.22 1.753 1.178.280 1.001.538 104.403 123.257 85 26.993 18.854 4.129 TOPLAM 1.241.591 1.390.306 304.477 257.364 56.363 Atık ısıların değerlendirilmesinden dolayı yıllık toplam kazanç: 304.477 56.363 = 248.114 olarak ortaya çıkmaktadır. Aşağıdaki grafikte kojenerason öncesi ve sonrası doğal gaz tüketimleri ve net tasarruf gösterilmiştir.
Atık ısıların değerlendirilmesinin yanı sıra elektrik ihtiyacının % 90 ının doğal gazla üretilmesiyle sağlanacak parasal kazançlar da, aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi 241. 610 olarak hesaplanmıştır.
Şebekeden satın alınan elektriğin birim fiyatı 0,075 /kwh iken, kojenerasyonun devreye girmesiyle elektrik birim fiyatı 0,056 /kwh e düşmüştür. Sonuç olarak, Atık ısıların değerlendirilmesiyle 248.113, Elektriğin doğal gazla üretilmesiyle 241.610 olmak üzere kojenerasyon ünitesiyle toplam, 489.723 luk brüt parasal kazanç sağlanmaktadır. Kojenerasyon Sisteminin Yıllık İşletme Giderleri: Bakım Giderleri: 61.248 (319 gün x 24 saat x 8 /saat) Yağ Gideri (tüketim): 12.501 (0,0003 Kg / kw ve 3 / Kg) Yağ Değişimleri: 4.800 (yılda üç kez) Finansman Gideri: 60.000 (895.000 nun) İnşaat Giderleri: 5.000 Sigorta Gideri: 2.500 İşçilik Giderleri: 2.000 (İşletmeye ait işçilik) TOPLAM: 148.049 Bu durumda yatırımın getireceği Yıllık Net Kar: 489.723 148.049 = 341.674 olacaktır. Yatırım maliyeti: Kojenerasyon Ünitesi 850.000 OG Sisteminde değişiklikler 30.000 EPDK ve ETKB İzinleri 10.000 TOPLAM 890.000 olarak öngörülebilir. Geri Ödeme Süresi (GÖS): 890.000 / 341.674 = SONUÇ: 2,60 yıl (31 ay) olarak bulunur. Kojenerasyon Projesi fizibilite çalışmalarında Geri Ödeme Süresi olarak bulunan 2,6 yıl makul bir süredir ve yatırımın ekonomik bir yatırım olduğunu göstermektedir. Fizibilite çalışmalarında aşağıda yazılı önemli noktalara mutlaka dikkat edilmelidir: Motor/Türbin seçimini E/I oranı incelenerek yapılmalı, Kapasiteyi belirlerken, elektrik ve ısıl ihtiyaçların en yüksek olduğu aylar dikkate alınmalı, Elektriksel verimi en yüksek olan motorun seçilmesine çalışılmalı, Servis hizmetleri iyi olan tedarikçi seçilmeli, Fizibilite hesaplarında sistem içi elektrik tüketimleri de hesaplara dahil edilmeli, Fizibilite hesaplarında geri kazanılan atık ısının % 15 ini değerlendirilemeyeceği dikkate alınmalı Değişik kapasite kullanım oranlarındaki farklı yakıt tüketimleri ve farklı atık ısılar dikkate alınmalı, Fizibilite çalışmalarında Finansman Giderleri mutlaka hesaplara dahil edilmeli. İyi tasarlanmış ve verimli çalıştırılan gaz motorlu bir kojenerasyon sisteminde Geri Ödeme Süreleri kesinlikle üç yıldan daha uzun değildir.