SHED planlı birtakım büyük çalışmalar vardır, hepsi gaz türbinlerinin yoğun ve düşük-değerli üretim görevlerinden, yerini almak üzere tasarlanır: tipik olarak 1500– 2000 saatlik çalışma ve sıkça daha azı. Farklı mekanizma varsayımı veya yerleşim düşüncelerinden dolayı ayrıntıdaki farklara rağmen bütün bu çalışmalar esas tasarım nitelikleri üzerinde hemen hemen aynı sonuca gelir.
Đlkin SHED’nın ne saf bir depolama, örneğin pompalanmış hidro gibi, ne de geleneksel bir gaz türbini gibi saf bir elektrik santrali olduğu not edilir. Daha doğrusu o, bir saf depolama ve geleneksel gaz türbini birleşimidir. Saf bir depolama aygıtı olarak o, gaz türbini ve kompresörün her ikisinin de kavramalar ve belki şanzıman kutuları aracılığı ile bir motor-üretece bağlı olduğu biçimde bir güç dönüşüm sistemine ve bir merkezi depoya ihtiyaç duyar.
Kullanılan kompresör ve türbinler geleneksel gaz türbinlerinin basit değiştirilmişleri değildirler, sadece kompresör ve türbin takımının her ikisi içinde de iki veya daha fazla gövdeleri ile sağlam endüstriyel makinelerdir. Kompresörler olduğu takdirde, elverişsiz bir şekilde büyük hava akmadıkça ve birim değerlendirmeleri talep edilmedikçe yüksek basınçlı makineleri eşzamanlı (3000 devir/dak) hız üzerinde sorunsuzca çalıştırmak için bir şanzıman kutusu da dahil etmek gereklidir. Bu olmadan, kompresör kademe verimi çarpıcı olarak düşer, ancak şanzıman kutusu bir boyut sınırlaması da yükler.
Bu niteliklerin hepsi dünyadaki ilk SHED tesisinde, Bremen yakınında Huntorf’da Batı Almanya kurumu Nordwestdeutschen Kraftwerke (NWK) tarafından çalıştırılan ve ABD, Alabama’da McIntosh yakınında Alabama Elektrik Ortaklığı (AEO) tarafından çalıştırılan ikincisinde vardır.
54
Gelişmiş SHED kavramları halen var olan tesislerde olduğu gibi aynı tasarım sınırlamaları, yüksek depolama basınçları ve var olan mekanizmanın mümkün olan en çok kullanımı, etkisi altındadır.
Soğutulmamış endüstriyel kompresörler için bugünlerde kullanıma hazır en yüksek basınç oranı 17:1’dir. O takdirde hava, 430–450 °C’lik bir sıcaklıkta teslim edilir. Bu, atmosferik girişten çalıştırılan sıra halinde iki eksenel makine ile başarılır.
Yüksek basınç (YB) kompresörü eşzamanlı hızdan daha yükseğine ayar edilmesi gerekecek radyal makineleri, bugünlerde kullanıma hazır olanlara denk olan, kapsar. Bugünkü deneyim, şanzıman kutusu sınırlamalarından ötürü 75 bar civarında bir teslim basıncı için kompresörün gücünü 70 MW’a sınırlandırır.
Eşzamanlı alçak basınç (AB) ve ara basınç kompresörleri için daha yüksek bir basınç oranı (25:1’e kadar) elde etmeye doğru endüstriyel gaz türbini teknolojisindeki gelişmelerden yararlanmak mümkündür. Bu yöntemde çevrim ‘daha’ adyabatik olur ki yakıt ısı tüketiminde 200 kJ/kWh civarına kadar bir azalmaya kılavuzluk eder. YB kompresörlerinin, özel soğutmanın yerine saf bir adyabatik çevrim kullanarak onsuz çalışan şanzıman kutularının aracılığı ile tahrik edilen yüksek hızlı eksenel makineler olabilmesinin hala ihtimali vardır. Kompresörlere ek olarak türbinler, şu çoktandır var olanlardan hafif farklı olmaya gereksinim duyar.
Doldurma dönemi süresince Güç Dönüşüm Sistemi (GDS), bir kompresörü tahrik eden bir elektrik motoru tarafından oluşturulur. Boşaltma dönemi süresince GDS, bir elektrik üretecini tahrik eden bir türbindir. Doldurma düzeni süresince depolama ortamı, hava, kompresörü gerçekte ısıtılmış terk eder.
Onun için birçok arasoğutucuların kompresör takımı içinde görevlendirilmeleri zorunludur. Bu, izotermal sıkıştırmaya yaklaşık olarak imkan verir ve doldurma enerji ihtiyaçlarını uygulanabilir sınırlar dahilinde mümkün olduğu kadar azaltır. Bilindiği üzere özgül sıkıştırma işi wk, kompresör boyunca sıcaklık artışı ile
doğrudan ilgilidir.
55
Ara soğutmasız birbirini izleyen her bir kademe, artan giriş sıcaklığına sahip olur. Hava sıcaklığı, bundan dolayı bir özgül girdi işi, wk, artışına kılavuzluk ederek
yükselir. Her kademe öncesi giriş sıcaklığını, Tg’yi, düşürerek toplam özgül
sıkıştırma işi, wk’yı, azaltmak mümkündür. Örneğin ara soğutmasız, 15 °C’den 70:1
sıkıştırma, yaklaşık 810 °C’lik bir sıcaklık farkına, ∆T’ye, kılavuzluk eder ve 870 kJ/kg’lık bir girdi işine ihtiyaç duyar. Üç arasoğutucu ile (Huntorf’da olduğu gibi), hiçbir kademe 230 °C’nin üzerinde bir çıkış sıcaklığına sahip değildir ve sıkıştırma işi 550 kJ/kg’a düşürülür; bu yüzden %37’lik bir tasarruf başarılır. Bu tasarrufu elde etmek ve merkezi depoya zararı engellemek için hava, soğumaya ihtiyaç duyar.
Sıkıştırma çevriminde gerekli arasoğutucu, ısıtılmış-hava enerjisini düşük-değerli ısı olarak atar. Ancak soğutma suyu ihtiyaçları önemlidir. 300 MW’lık bir SHED birimli bugünkü tasarım ve eşit doldurma/boşaltma zamanları tek bir yer üzerine kurulursa gereken soğutma suyu yaklaşık 125 MW’lık bir geleneksel termal güç birimine denk olur. Bu, ya uygun bir kıyı yerleşimine ya da SHED’nın hakim görünüşüne yakışacak olan soğutma kulelerinin kullanımına ihtiyaç duyar. Arzu edilen soğutma suyu miktarları mevcut değil ise hava soğutmalı bir sistemi ortaya koymak mümkün olur, ancak o zaman üretilen gürültüye hatırı sayılır dikkat verilmesi zorunludur.
Doldurma düzeni süresince sıkıştırılmış havayı soğutmaya ihtiyaç duyulması nedeniyle boşaltma düzeni süresince hava kütlesi başına özgül yakıt tüketimi geleneksel bir gaz türbini içindekinden yüksektir. Yine de SHED’lı türbinden olan net verim, bir geleneksel gaz türbininkinin üç katı olduğundan toplam yakıt tüketimi anlamlı bir şekilde azalır.
Depolama geriye dönük verimi gibi bir parametre, bir SHED performansına kıymet takdir etmek için gerçekten anlamsızdır. Onun yerine, SHED performansının iki aşamasının ortaya koyulması zorunludur.
Doldurma enerji etkeni fdee, boşaltma süresince üretilen elektrik verimi Eb’nin
doldurma için kullanılan elektrik enerjisi Ed’ye oranı olarak tanımlanır:
56
Bir saf depolama birimi için bu etken, tam olarak geriye dönük veriminin aynısıdır. Diğer depolama yöntemleri için bu, birden daha küçük iken SHED için bunun birden daha fazla olduğu bahsedilir.
Tanıma göre yakıt ısı tüketimi fyıt, SHED içinde tüketilen yakıt Ey’nin ısıl enerjisi ve
üretilen elektrik verimi Eb arasında bir orandır.
fyıt = Ey/Eb (4.2)
Yakıt ısı tüketimi, ısıl enerji santrali (gaz türbini dahil edilmiş) için yaygın bir ayırt edici özelliktir ve ξgs’nin geleneksel santralin ısıl verimi olduğu yerde,
fyıt = 3600/ξgs kJ/kWh’tir. (4.3)
SHED tarafından üretilen enerjinin toplam yakıt maliyeti fmb, aşağıdaki gibi verilir:
fmb = fmd/fdee+fmfyıt (4.4)
fmd, doldurma enerji maliyeti ve fm, bir boşaltma düzeni süresince SHED tarafından
kullanılan yakıtın maliyetidir.
Kömür yakmalı santraller tarafından temel orta-değer ve bazı temel-yük üretimi sağlanırsa SHED, yakıt tasarruflarının en az olduğu yerde bir yüksek fdee ile en iyi
tam yoğun kapasiteli kaynak olur; başka bir deyişle nükleer güç hakim enerji kaynağı olmaz. SHED santralleri hiçbir suretle yakıt yakmazlar ve benzer bir üretim maliyeti başarılır, ancak onun sermaye maliyeti oldukça yüksektir. Bununla birlikte ekonomik yönden tercih edilir ‘yüksek-nükleer’ senaryo içinde düşük fyıt, yüksek fdee’nine karşı
tercih edilir.
Kullanılan yakıta bakmaksızın SHED gelişmesine doğru göz önünde tutulması gereken iki ana yaklaşım vardır. Đlkin, geleneksel SHED tesisinde türbin ateşleme sıcaklığındaki artışlar doldurma enerji etkeni içindeki önemli artışlara kılavuzluk eder. Đkinci olarak, doldurma enerjisini ısıl depolama ile tesirli olarak koruruz ve böylece yakıt tüketimini azaltır veya ideal olarak ortadan kaldırırız. Tercih edilen yaklaşım, teknik gelişmelere, yakıt maliyetine ve gelecekteki yakıt politikasına
57
bağlıdır. Her birinin olasılığı genel şartlar içinde düşünülür ve hangi gelişmenin daha ümit verici olduğunu belirlenir.
Geleneksel gaz türbini tasarımında çok küçük değişiklik ile doldurma enerji etkeni ve yakıt ısı tüketiminin her ikisinde de zengin iyileştirmeler mümkündür. Bir yüksek basınç (YB) türbini için çalışan bir gövde olarak genişleyen hava, 550 °C’lik bir sıcaklığa sahip olur. Alçak basınç (AB) türbinine ulaşmadan önce bu, 825–900 °C’ye tekrar ısıtılır. Huntorf’daki deneyim üzerine kurulu bu parametreler, SHED’lı türbinler için halen geçerlidir. Sadece daha yüksek sıcaklıklı YB türbinlerinin sınırlı endüstriyel deneyimi vardır, ancak AB türbinleri şuanda 1100 °C’de kullanımdadır. Bir türbinden olan özgül verim mutlak giriş sıcaklığı ile orantılı olduğundan daha yüksek ateşleme sıcaklıkları, depolanan hava kütlesi başına üretilen enerji oranını artırır ve bundan dolayı doldurma enerji etkenini (DEE) iyileştirir. Örneğin AB türbini ateşleme sıcaklığını bir sakin tutarlı 900 °C’ye artırarak DEE, 1.3’e yükseltilir.
SHED teknolojisinin gelişmesinde sonraki adım, genişleme evresi içindeki havayı tekrar ısıtmak için gerekli yüksek-kaliteli yakıt miktarını azaltmak olur. Verimi iyileştirmek için bir yol, güç üreten türbinlerin egzoz gazı akışından ısıl enerji taşımak ve onu, YB yakıcısına genişleyen havayı ön ısıtmak için kullanmaktır. Böyle bir ‘reküperatör’ özelliği, McIntosh SHED için olan bugünkü tasarım içine dahildir ve yakıt tüketimini %25 azaltır. Bu, yakıt ısı tüketiminde Huntorf’da 5800 kJ/kWh’ten; McIntosh’da 4300 kj/kWh’ten daha azına kadar zengin bir azalmaya kılavuzluk eder.
Huntorf tipi SHED türbinlerinde üretimi çok yüksek bir verimde artırmak üzere hiçbir ek yakıt tüketimi kullanılmaz, ancak bu, yakıt ısı tüketiminde bir küçük azalmaya da kılavuzluk eder. Değişken basınçlı hava depolamalı projeler için alçak basınç türbini giriş sıcaklığını ve AB ve YB giriş sıcaklıklarının her ikisini de artırmanın doldurma enerji etkeni ve yakıt ısı tüketimi üzerine etkisi, Şekil 4.1’de gösterilir. Şekil 4.1’den, bu teknoloji ile doldurma enerji etkeninin 1100 °C’lik bir ateşleme sıcaklığı ile 1.7’ye yükseltilebildiği sonucuna varılır, bunun tahminen gaz türbini tasarımında zengin değişiklikler içermesine rağmen. Böyle bir fdee düzeyi,
58
sınırlı düşük-maliyetli doldurma enerjisinin olağanüstü olarak verimli kullanımını sağlar. Ancak McIntosh SHED tasarımı içinde halen kullanılan reküpere edilmiş sıkıştırılmış havalı depolama kavramı ile karşılaştırıldığında bu yaklaşımın yakıt tüketiminde %5 azalmadan daha iyisi ile sonuçlanacağı çok muhtemel değildir.
Şekil 4.1: AB ve YB sıcaklıklarını artırmanın doldurma enerji etkeni üzerine etkisi (ENERGY STORAGE FOR POWER SYSTEMS)
1 Tyb = 550 ºC, 2 Tyb = Tab, 3 Tyb = Tab, 4 Tyb = 550 ºC
–––––– yakıt ısı tüketimi --- doldurma enerji etkeni
Daha ileriki gelişme, ya petrolün yerini tutan sentetik yakıtları ya da hava sıkıştırıldığında salınan ve atmosfere devamlı olarak egzoz edilen ısıyı tekrar işleyip kullanışlı hale getirerek temel çevrimde bir değişikliği içerir. Bu ideal olan adyabatik çevrim, ısıl enerji depolamayı (IED’yı) kullanarak SHED çalışmasından yakıtı ortadan kaldırmaya doğru mantıksal bir gelişme oluşturur. Bu ‘yakın-şartlı karma’ diye anılan kavrama göre YB genişleticisi hiçbir suretle ateşlenmez ve ön ısıtılmış havayı sadece egzoz reküperatöründen alır. Giriş sıcaklığı tipik olarak 320 °C olur ve hava aşağı yukarı 130 °C’de YB türbininden atılır. YB türbini gövdesinin düzenlenmesi zorunludur böylece YB egzozu IED’ya doğru dışarı çıkar, IED’dan aşağı yukarı 420 °C’ye ön ısıtılan hava AB yakıcısına geri döndürülür. Bu yakıcı, AB türbini ve reküperatör tam olarak halen mevcut ‘teknik normlu’
59
SHED’lardakinin aynıdır. Geleneksel SHED’larına dahil edilmemiş önemli bir kolaylık, IED ve AB yakıcısı arasına eklenilen bir kontrol/kapama olur çünkü bir üretecin keskin bir yük azalması durumunda büyük hacimli IED, dayanılmaz türbin aşırı sürat seviyelerine kılavuzluk eder.
Yakıt tüketiminde anlamlı indirgeme başarmanın anahtarı, doldurma düzeni süresince şebekeden alınan enerjiyi daha tesirli olarak korumaktır. Yaklaşık olarak izotermal sıkıştırmayı ve en küçük bir özgül doldurma enerji etkenini başarmak için ara soğutma gereklidir. Arasoğutma olmadan, sıkıştırma gerçekten adyabatik olduğunda, doldurma düzeni süresindeki özgül iş girdisi anlamlı bir şekilde artar. Kompresör teslim sıcaklığı, 80:1’lik bir basınç oranı için 850–900 °C olur. Hava doğrudan doğruya kompresörden alınıp bir türbin içinde genişletilirse, hiçbir suretle depolamanın olmadığı anlamına gelir, doldurma enerjisinin %80’ine kadarı hiçbir ek yakıt olmadan geri kazanılır.
Bir depolama santrali meydana getirmek için havayı öyle bir şekilde depolamamız gereklidir ki basıncı ve sıcaklığının her ikisi de korunsun; IED’ya bundan dolayı gerek duyulur. O takdirde doldurma düzeni süresince IED, düşük-maliyetli yeraltı depolama mağaraları için 30 °C civarındaki kabul edilebilir hava sıcaklıklarını başarmak üzere sıkıştırılmış havayı soğutarak bir ara soğutucu gibi çalışır ve boşaltma düzeni süresince havayı YB türbini girişi için gerekli sıcaklığa tekrar ısıtır.
Oldukça büyük IED’lar, hava ısıtmalı üflemeli fırınlar kadar çeşitli uygulamalarda başarıyla kullanılır, ancak yüksek basınç ve sıcaklık türbinleri ve kompresörleri için teknik sınırlamalara ek olarak ölçek problemleri, saf adyabatik çevrimlerin halen kullanışlı olmadığı anlamını verir. Daha gerçekçi çevrimler, yeterli türbin giriş sıcaklıklarını başarmak için ek olan ısıtmanın birkaç biçimini ve daha düşük basınç oranlarını içerir. Bunu başarmada iki mekanizma vardır. IED’dan sonra havayı ısıtmak için biraz yakıt kullanan birinci görüş, geleneksel ve adyabatik karma diye anılan, Şekil 4.2a’da gösterilir. Đkinci seçenek, IED’yı doğrudan doğruya kompresör teslim sıcaklığının ötesine ısıtmak üzere eklenilen doldurma enerjisinin, ‘ısı bindirmeli’ diye anılan, kullanımını içerir ve Şekil 4.2b’de gösterilir. Depolanan hava, düşük entropili bir hazır kaynak, ya ısı bindirmeli enerjinin ya da adyabatik
60
karma tarafından tüketilen yakıtın basınç oranına göre %50 ve %65 verim arasında geri kazanılmasına imkan verir.
Şekil 4.2: IED ile birleştirilen SHED (ENERGY STORAGE FOR POWER SYSTEMS) (a) adyabatik karmalı SHED, (b) ısı bindirmeli SHED
1 motor-üreteç, 2 IED, 3 hava deposu, 4 ek ısıtıcı
SHED kullanımı için önerilen birtakım IED görüşleri vardır. En ucuz olanında, bir ikincil depolama ortamı eşliğinde sadece bir ısı değiştirici basınçlandırılır ve IED’nın merkezi deposunun kendisi atmosferik basınçtadır. Bu, SHED’nın aracılı tipi diye anılanıdır. Doğrudan temaslı tasarılar doğrudan doğruya yüksek yoğunluklu bir paketlenmiş yatak, yüksek özgül ısı kapasiteli madde, içinden geçen havayı sirküle ettirmeyi içerir böylece merkezi depo birtakım basınçlı tanklar içine yerleştirilir. Doğrudan temaslı IED için yüksek basınçlı merkezi depolama oldukça pahalıdır, ancak ısı değiştiriciler için malzemelerin çok yüksek maliyetinden ve aracılı tipler ile verim kaybından dolayı doğrudan temaslı IED’lar tercih olunur.
61
IED’nın 0.9’dan daha az olmayan bir geriye dönük etkinliğe sahip olması, gelişmiş bir SHED’lı çevrimin toplam verimine karşı çok önemlidir. Bu, yüksek yüzey- alan/hacim oranları ile ve havadan katıya iyi ısı iletim katsayıları ile oldukça iyi iletimli malzemelere gerek duyar. ‘Şaşırtma tuğla örgüleri’, geleneksel olarak sıcak üflemeli fırınlarda kullanılan, bir alçak basınç-düşme özelliğine karşı tasarlanır ve bundan dolayı SHED için yeterli performansı başarmaz. Elektrik Gücü Araştırma Enstitüsü (EGAE) bilgisine göre yoğun bir ateş tuğlası veya dökme demirden üretilen mütevazı boyuttaki çakıl taşları, IED malzemesinin en verimli kullanımına ve en küçük basınçlı tank hacimlerine belki de kılavuzluk eder. Tahminlere göre 8.64 x 1013 J enerji kapasiteli bir 300 MW’lık SHED tesisi için bir IED birimi, yaklaşık 22000 tonluk kalıp içeren, betondan yapılmış (bir nükleer reaktör basınçlı tankı gibi) 17 m çapında ve 17 m yüksekliğinde bir hermetik mahfazaya ihtiyaç duyar. Böyle bir IED, 0.93’den daha az olmayan bir verim ve 20 °C’den daha az bir geriye dönük sıcaklık kaybı başarır.
Bugünkü uygulamaya daha yakın bir diğer görüş, dıştan yalıtılan düşük alaşım çelikli basınçlı tankları, 5 m çapında ve 17 m uzunluğunda 12 tank, kullanır. Bu, NASA’nın California’da Moffat Field Hava Üs’sündeki kurumunda 15 yıldan beri çalıştırdığı alüminyum oksidi çakıl yataklı IED hacminin sadece dört katıdır.
62
5. ĐKĐ ENDÜSTRĐYEL ÖRNEK