SÜRDÜRÜLEBĐLĐR YEŞĐL BĐNALAR ENERJĐ KULLANIMI - B III. BÖLÜM Prof. Dr. Olcay KINCAY
Rüzgar Enerjisi Rüzgar, güneş ışınları yer küreyi değişik açılarda ısıtırken oluşan farklı basınç ve nem bölgelerinin bir sonucudur. Güneşin dünyaya gönderdiği 10 12 MW/h enerjinin %1-2 si rüzgar enerjisine dönüşür. Bu enerji elektrik üretiminde kullanabilir.
Rüzgar Enerji Potansiyeli Dünya rüzgar enerji potansiyelinin, 50 kuzey ve güney enlemleri arasındaki alanda 9.000 TWh/yıl kapasitenin kullanılabilir olduğu hesaplanmaktadır. Dünya karasal alanları toplamının 27% sinin yıllık ortalama 5,1 m/s den daha yüksek rüzgar hızının etkisi altında kaldığı belirtilmektedir. Bu rüzgar enerjisinden yararlanma imkanının olabileceği varsayımıyla 8 MW/km 2 üretim kapasitesi ile 240.000 GW kurulu güce sahip olunacağı hesaplanmaktadır.
Rüzgarın Gizli Gücü Dünya rüzgar kaynağı 53 TWh/yıl olarak hesaplanmaktadır. 2020 yılına kadar dünya elektrik tüketiminin %12 sinin rüzgar enerjisinden karşılanması planlanmaktadır. Bu süreçte rüzgar enerjisinden elektrik üretim maliyetlerinin 3.79 -cents/kwh 'dan 2.45 -cents/kwh'a düşmesi beklenmektedir.
Dünyadaki RES Durumu (MW) 2005 sonu Yeni 2006 2006 sonu Afrika ve Orta Doğu Toplam 271 172 441 Asya Toplam 6,990 3,679 10,667 Avrupa Toplam Avrupa 40,898 7,708 48,545 AB-27 (4) 40,512 7,611 48,062 Toplam Latin Amerika ve Kraibler 212 296 508 Kuzey Amerika Toplam 9,832 3,230 13,062 Pasifik Bölgesi Toplam 889 112 1,000 Dünya toplamı 59,091 15,197 74,223
Türkiye de ilk RES 1998 yılında Çeşme de kurulmuştur (1,5 MW) 2007 yılı sonu RES kapasitesi 207 MW tır. Hedefler (TÜSĐAD 1998) 2000 yılı 300 MW 2010 yılı 2979 MW 2020 yılı 7849 MW
RES SAHA SEÇĐMĐ Rüzgar Hızı Min. 5 m/s olmalı Ekonomik yatırım için min. 7 m/s olmalı 50m Güç Yoğunluğu EĐE, güç yoğunluğu en az 250 W/m 2 olan alanları rüzgar kaynak alanı olarak belirlemiştir Güç yoğunluğu 300 W/m 2 den az olan alanlara yapılan başvurular iade edilir. Ekonomik yatırım için güç yoğunluğu min. 400 W/m 2 olmalıdır. Kapasite faktörü Kapasite faktörü hesaplanan rüzgar gücü ile çarpılarak elde edilen gerçek güç bulunur. Çevresel ve işletme şartlarının tümüne bağlıdır. RES santrallerinin ülkemizde kapasite faktörleri %30-45 gibi değerlerdedir.
Kullanılamaz Alanlar Milli Parklar, Tabiat Parkları, Tabiat Anıtları, Tabiat Koruma Alanları, Yaban hayatı koruma alanları Kültür varlıkları Yaşam alanları, Askeri alanlar Rakımı 1500 m den yüksek alanlar Eğimi %20 den fazla olan alanlar Ekonomik bir RES yatırımı için minumum 5 MW lık santral kurulması gerekmektedir.
Güç (kw) 1,200 1,000 800 600 400 200 0 1 MW lık Türbin için Güç Eğrisi 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Rüzgar hızı (m/s) Ortalama Rüzgar hızının yüksek olması zorunludur Minimum hız yıllık ortalama 4 m/s Đnsanlar rüzgar hızını abartmaya eğilimlidir Rüzgar hızı yükseklikle artma eğilimi gösterir Đyi kaynaklar Kıyılar Uzun eğimli tepeler Geçitler Açık araziler Rüzgar alan vadiler Daha fazla rüzgar alır Rüzgar Kaynağı Kışlar yaza göre Gündüzler gecelerden
Rüzgar Enerjisi Sistem Maliyetleri Rüzgar çiftlikleri Fizibilite Çlş. ARGE Mühendislik Türbinler Kurulum maliyeti: $1,500/kW Üretim maliyeti: $0.01/kWh Satış Fiyatı: $0.04 -$0.10/kWh Tek Türbinler ve Ayrılmış Şebekeler Tesis Düzen. Çlş. Yüksek maliyet (projeye özel) 0% 20% 40% 60% 80% Kurulum maliyet oranları Fizibilite, geliştirme ve mühendislik çalışmaları maliyetin daha yüksek oranını oluşturur. Ana parçaların maliyeti türbin maliyetinin 20-25% ni oluşturur Rotor kanatları ya da dişli kutusu
RES Birim Tesis Bedeli 5000 4500 4000 3500 Birim Tesis Maliyeti ($/kw) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Santral Gücü (kw)
Rüzgar Türbinli Kuleler Manama, Bahreyn'de bulunan Bahreyn Dünya Ticaret Merkezi, "dünyanın ilk rüzgar gücüyle elektrik üreten rüzgar türbini entegre yüksek binası" olma özelliğini taşımaktadır. 240 metre yüksekliğinde, 50 katlı olan ve 2008 yılında bitirilen kulelerin toplam maliyeti 150 milyon $ dır. 29 m kanat çaplı, 3 adet yatay eksenli rüzgar türbini, yılda 1100-1300 MWh'lik üretimleriyle, binanın yıllık elektrik enerjisi ihtiyacının yaklaşık 15%'ini karşılamaktadır. Türbinlerden üretilen elektrik enerjisi, 300 evin ihtiyacı olan enerjiye eşittir.
Rüzgar Türbinleri Artık Rüzgâr Enerjisini Eve Taşıyacak Konutlara monte edilebilen sistemler bağımsız elektrik kullanımına neden olacaktır. Rüzgâra duyarlı dikey kanatlar çok katmanlı açıyla birbirini tahrik ederek güç sağlayan rotoru döndürüyor. Bu tipler daha az yer kaplamakta ve rüzgârın hızına göre kendini ayarlayabilmektedir. Yeni türbin teknolojisi santral ünitelerinin büyüklük sınırlamalarını da ortadan kaldırmıştır.
Evsel tipler AB ve Amerika da dikey türbin teknolojisiyle ilgili pek çok patent alınmış olup kullanımı yaygınlaşmaktadır. Yeni geliştirilen kanatcık tasarımı ile gürültü ve rezonans riski neredeyse yok edilmiştir. AB de toplam enerji üretiminin % 20 bu yeni teknolojiyle sağlanabilecektir.
Örnek bir evsel türbin verileri Rotor Çapı 2.5m Malzeme ve Kanat Sayısı Güçlendirilmiş Fiberglass, 3 Kanatlı Güç / Maksimum Güç 500W / 700W Potansiyel Rüzgar Hızı 8 m/s BaşlangıçĐçin Gereken Rüzgar Hızı 2,5 m/s Çalışılabilir Rüzgar Hızı 3-25 m/s Potansiyel Dönme Hızı 450 d/d Çalışma Voltajı DC 12V/24V Jeneratör Türü Trifaze, Permanent Magnet Şarj Yöntemi Daimi Voltaj ve Akım Korumalı Hız Dengeleme Yöntemi Yaw Durma Yöntemi Otomatik Ağırlık 48 Kg Kule Yüksekliği 6 Metre Önerilen Akü Grubu 12V/200A Deep Cycle x2 Ömür 15 Yıl
Türkiye nin Toplam Jeotermal Isı Potansiyeli 31500 MWt = 5 Milyon Konut Isıtma Eşdeğeri veya 150 Bin dönüm sera ısıtması =1 Milyonun üzerinde kaplıca yatak kapasitesi = 29 Milyar USD/Yıl Fuel-Oil Eşdeğeri (30 Milyon ton/yıl) = 30 Milyar m 3 /yıl doğalgaz eşdeğeri Türkiye nin Toplam Jeotermal Elektrik Potansiyeli 500 MWe
Isı Pompaları Isıyı düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına aktarırlar. Hava, su, toprak ve güneş enerjisi olmak üzere dört kaynaktan yararlanırlar. Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekelerinden ve proseslerden elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Tek cihazla ısıtma-soğutma-sıcak kullanım suyu imkanı sağlar.
Isı Pompası Etkinlik Katsayısı (COPIP)
Isı Pompası Sistemleri Toprak kaynaklı (yatay) IP CO 2 Derinlik sondajı Yer altı suyu IP Toprak kaynaklı (dikey) IP Hava kaynaklı IP (Split yada kompakt sistem)
Isı Pompası Sistemlerinden Örnekler Hava Kaynaklı IP Bu tip IP ısı kaynağı olarak dış hava kullanılmaktadır. Ancak dış hava koşullarının, yıl içinde mevsimler, aylar, hatta saatler boyunca değişmesi nedeniyle COP değeri oldukça değişkendir, kararlı değildir.
Toprak-Su Kaynaklı IP Dünyanın hayat kaynağı olan güneşten gelen enerjinin yaklaşık yarısı dünyanın kütlesinde tutulur. Toprak su kaynaklı IP nın amacı, dünyanın kütlesinde bulunan bu hazır enerji kaynağından faydalanmaktır. Toprak ısıtma sezonunda dış havadan daha yüksek sıcaklıkta, soğutma sezonunda ise havadan daha düşük sıcaklıkta kalarak, tüm yıl boyunca yaklaşık olarak sabit sıcaklıkta kalır ve dolayısıyla daha kararlı bir enerji kaynağıdır.
Toprak-Su Kaynaklı IP nın Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada enerjinin absorbe edildiği ve serbest bırakıldığı ortama göre ısı pompaları isimlendirilir. Toprak kaynaklı ısı pompaları (TKIP), Yüzey suyu kaynaklı IP (kapalı ve açık devre), Yeraltı suyu kaynaklı IP olarak incelenebilir. TKIP ise yatay ve dikey tip olarak çeşitlenebilir.
Toprak-Su IP Sistemleri
Toprak altı sıcaklığının aylara göre değişimi
Toprak Enerjisi
Dikey derinlik - yatay uzunluk 500 Boru boyunu etkileyen faktörler Arazinin coğrafik yapısı Yer altı yapısı Toprağı ğın n kalitesi Topraktaki nem miktarı Binanın ısı ihtiyacı Yatırımc mcının n finans gücüg 60 70 Kil kaya kum Serme 80 80 90 100 105 115 125 180190 160 450 400 350 300 250 200 150 100 50 4,5 kw 6 kw 9 kw 15 kw 0
Atmak istediğimiz enerjiyi doğada bulunan sonsuz diye nitelendirebileceğimiz doğal ısı kaynaklarını kullanarak çözmek Doğal çözüm Topraktaki ısı enerjisi antifriz devresine verilir, bu devredeki ısı da, ısı pompasındaki çevrim akışkanına aktarılır.
Sadece Isveç in StrömstadŞehrinde 1650 Daire Isı Pompası Sistemi Kullanmaktadır
Ekonomi kw başına düşen ısıtma maliyeti (cent) Isı pompasından elde edilen enerjinin: %75 i doğada depolanmış enerjiden Motorin LPG Fuel oil (hava, su, toprak) % 25 i elektrikten karşılanır. Elektrik Doğalgaz Isı pompası Bu ekolojik teknoloji TEŞVĐK EDĐLMEKTEDĐR! (Avrupa Birliği, devletler, belediyeler, bankalar ve elektrik dağıtım şirketleri tarafından)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Isı Pompası)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi + Isı Pompası + Isıl Enerji Deposu)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi destekli Dikey Toprak Kaynaklı Isı Pompası ve Gizli Isı Depolama Sistemi) A - Güneş Kollektörü, B- Gizli Isı Deposu, C - Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası, D - Isı Pompası, E Duvardan Isıtma-Soğutma Sistemi, 1-21 Tüm Sistemde Kullanılan Valfler
Döşemeden Isıtma Sistemleri Döşemeye gidiş sıcaklığı 55 C ve dönüş sıcaklığı ise 45 C'dir. Sağlıklı, konforlu ve ekonomik bir ısınma şeklidir. Konforlu ortam ve sağlıklı yaşam Uygulama ve bakım kolaylığı Enerjiden tasarruf Mekanlarda daha geniş iç hacim Ekonomik avantajlar Tüm hacim içinde homojen bir ısı dağılımı ve sıcaklık sağlanır. Havanın nem dengesi bozulmaz. Sıcaklık farkı az olduğu için hacim içinde aşırı hava akımı yoktur. Döşemede sıcaklık 29 C geçince toz hareketliliği başlar. Ayrıca sıcaklık artışı ayaklarda bulunan kılcal damarlarda genişlemeye neden olur.
Duvardan Isıtma ve Soğutma TKIP na en uygun sistemler yerden ısıtma ve duvardan ısıtma ve soğutma yöntemleridir. Bu sistemler için gerekli olan 35 50 o C arasındaki su sıcaklığını TKIP karşılayabilmektedir. Mekandaki ısı kayıplarını, duvar betonu içindeki borularla ısı kaynağından aldığı enerjiyi duvar altına yayarak dağıtan, duvarı dolayısı ile ortamı ısıtan bir ısıtma sistemidir 38
Duvardan Isıtma ve Soğutma Sıcaklık odaya büyük kısmı ışıma yolu ile dağılır. Ayrıca ısıtılmış veya soğutulmuş duvar (panel) nedeniyle oluşan sınır tabaka akımının meydana getirdiği doğal konveksiyon buna eklenir. Tozlanacak petek yoktur. Hava akımı olmadığından tozlar uçuşmaz. Havanın doğal nem oranı korunur. Duvardaki panellere gidiş sıcaklığı 35 C ve dönüş sıcaklığı ise 30 C'dir.
Konvansiyonel sistemde sıcaklık dağılımı Duvardan ısıtma sisteminde sıcaklık dağılımı Duvardan ısıtma / soğutma sisteminde ise sıcaklık ortama eşit bir şekilde yayılır. Bu nedenle aynı konforlu ortamı elde etmek için daha az enerjiye ihtiyaç duyulur. Çabuk ısıtma / soğutma sağlanır. Önce duvarlar ısınır ve kısa süre içinde sıcaklık odanın bütün her yerine eşit şekilde yayılır. Duvarların ısınması 5-10 dakika içinde gerçekleşir. Sık havalandırma yapmaya gerek kalmaz. Böylelikle oda içindeki ısının kaybı daha az olur.
Radyatörlü ısıtmada sıcaklık dağılımları T max = 20,4 o C T min = 9,6 o C T m = 17 o C T hava = 20 o C Sıcaklık ( o C)
Duvardan ısıtmada sıcaklık dağılımları T max = 24,6 o C T min = 16,4 o C T m = 20 o C T hava = 18 o C Sıcaklık ( o C)
Isıtılan duvar yüzeyi sıcaklıkları her yöne eşit dağılır. Duvarlarda yoğuşma olmaz. Yoğuşma olabilmesi için duvarların sıcaklığının 14 o C altına kadar düşmesi gerekmektedir. Duvardan soğutma sisteminde duvarlar 17-18 o C ye kadar soğutularak 20-22 o C lik doğal ortam serinliği elde edilir. Estetik bir görüntü sağlar. Isıtıcı / soğutucu serpantinler duvar içinde kaldığı için görüntü kirliliğine sebep olmaz.
Đstanbul da bir uygulama
2008 Avrupa Mükemmellik Ödüllü ve 2008 AB Çevre Ödülü Alan Metro AVM Meydan AVM, Đskandinav ülkelerini dahil etmezsek şu anda Avrupa nın ve Türkiye nin en büyük (70.000 m2 büyüklüğündeki), en çevreci toprak kaynaklı ısı pompası projesidir. Metro Group Asset Management ın 100 milyon yatırımla kurduğu bu alışveriş merkezi, grubun toprak kaynaklı ısı pompası uygulaması ile kalorifer kazanı olmaksızın, doğal bir kaynak olan toprak enerjisi sistemiyle ısıtılıp soğutulan ilk projesidir.
Proje Künyesi: Projenin Kapsamı : Alışveriş Merkezi Projesi (Süpermarket Sinema -Mağazalardan oluşan) yaklaşık 130 bin m² alanda oluşturulmuş olup 70 bin m² lik satış alanına sahiptir. Toplam Soğutma Yükü : 3.600 kw Toplam Isıtma Yükü : 1.000 kw Toplam Ünite Adedi : 108 adet ısı pompası ünitesi (en küçük kapasite 1,5 kw, en büyük kapasite 65 kw) Toplam Sondaj - Boru Metrajı : 18.327 m Toplam Kuyu Adedi ve Ortalama Metrajı : 208 kuyu / 88 m
Đstanbul Metro AVM Binanın çatı alanı yaklaşık 55 bin m 2 ve bunun 30 bin m 2 yeşil alandır. Bu özelliği ile Meydan, dünyanın tek alanda, en büyük yeşil alanlı çatısına sahiptir. Bu yeşil örtü ısı yalıtımına katkıda bulunduğu için enerji maliyetlerine de önemli bir katkı sağlamaktadır. Ayrıca 8 desibellik bir ses azaltımı da sağlamaktadır.
Metro AVM Meydan AVM de hiç kazan yoktur. Isıtma yükünün tamamı topraktan genelde 25ºC'nin altındaki su ile yapılmaktadır. Merkezi ısıtma yoktur. Fancoillerde serpantinde dolaşan şartlandırılmış suyun temininde sudan suya ısı pompalarından yararlanılmıştır. (ısıtma 50/40ºC ve soğutma 7/12ºC) Hibrid sistem uygulamasında 9 yılda sistemin kendisini amorti edebileceği hesaplanmıştır.