YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE FAKÜLTESİ

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE FAKÜLTESİ

ENERJĠ VERĠMLĠLĠĞĠNĠ ARTTIRMAK ÜZERE TERMĠK SANTRAL ATIK ISILARINI FAYDAYA DÖNÜġTÜRME YÖNTEMLERĠNĠN

ARAġTIRILMASI GELĠġTĠRĠLMESĠ VE BĠNALARDA ISITMA UYGULAMASI (TSAD)

R6.1

TERMĠK SANTRAL ATILAN ENERJĠ ELKĠTABI

ĠSTANBUL ġubat, 2010

Doç. Dr. Hasan Hüseyin Erdem E-Mail: herdem@yildiz.edu.tr

2

3

ĠÇĠNDEKĠLER

1 ÖNSÖZ ... 5

2 GİRİŞ ... 6

3 ATIK ISI KAVRAMI VE YARARLANMA YÖNTEMLERİ ... 8

4 ATILAN ENERJİ GERİ KAZANMA YÖNTEM VE EKİPMANLARI... 11

4.1 Doğrudan Geri Kazanma Yöntemleri ... 11

4.2 Dolaylı Geri Kazanma Yöntemleri ... 11

4.2.1 Gövde-Borulu Isı Değiştiricileri ... 12

4.2.2 Plakalı Isı Değiştiriciler... 12

4.2.3 Reküperatörler (Gaz-Gaz Isı Değiştiricileri) ... 14

4.2.4 Isı Pompası ... 15

5 TERMİK SANTRAL ATILAN ENERJİLERİ ... 16

5.1 Yeni Dizayn Santralların Atılan Enerjilerinin Değerlendirilmesi ... 18

5.1.1 Üst Çevrim Isı Enerjisi Alma Yöntemleri ... 19

5.1.2 Alt Çevrim Isı Enerjisi Alma Yöntemi ... 22

5.2 Mevcut Termik Santral Atılan Enerjilerinin Değerlendirilmesi ... 22

5.2.1 Baca Gazlarından Atılan Enerji ... 24

5.2.2 Kondenseden Atılan Enerji ... 25

5.2.3 Ara Buhar Enerjileri ... 25

5.2.4 Farklı Noktalarda Atılan Buhar Enerjileri (Flaş Buhar) ... 25

5.2.5 Kazan Blöf Suyundan Yararlanma... 26

5.2.6 Termik Santralların Bölge Isıtma için Kullanımı... 26

6 Kaynaklar ... 33

4

ġekil 3.1. Enerji kaynağının sıcaklığına bağlı olarak atılan enerjideki ekserji ve atık enerji

oranlarının değiĢimi ... 8

ġekil 3.2. Proses sonu sistemden atılan enerjinin geri kazanımının Ģematik gösterimi ... 10

ġekil 3.3. Proses sonu atılan ısının geri kazanılması ... 10

ġekil 3.4. Bir termik santral enerji akıĢı ve proses içi atılan enerji geri kazanımı ... 11

ġekil 4.1. Gövde-boru tipi ısı değiĢtirici ... 12

ġekil 4.2. Plakalı ısı değiĢtiricisi ... 13

ġekil 4.3. Isı tekeri ... 14

ġekil 4.4. Isı pompası ... 15

ġekil 5.1 Rankine çevriminde enerji akıĢı ... 16

ġekil 5.2 Gaz türbini çevriminde enerji akıĢı ... 17

ġekil 5.3 Kombine çevrim santrali enerji akıĢı... 17

ġekil 5.4 Ayrık ve kojenerasyon sisteminin enerji dengeleri ... 18

ġekil 5.5. KarĢı basınçlı türbin çevrimi ile ısı enerjisi alma yöntemi ... 19

ġekil 5.6. KarĢı basınçlı türbin çevrimi ile ısı alma yöntemi (gaz türbinli çevrim) ... 19

ġekil 5.7. Alçak basınç türbinin ısı enerjisi ihtiyacına göre devre dıĢı kalması ve karĢı basınçlı çalıĢması ... 20

ġekil 5.8. Ara buhar çekilmesi ile ısı enerjisi alma ... 21

ġekil 5.9 Ara buhar ile bölgesel ısıtma yapan termik santral örneği ... 21

ġekil 5.10. Alt çevrim ısı enerjisi alma yöntemi ... 22

ġekil 5.11. Alt çevrim ısı enerjisi alma yöntemi (Kombine çevrim) ... 22

ġekil 5.12 Termik Santralinin enerji akıĢ diyagramı ... 23

ġekil 5.13. Sadece elektrik enerjisi üreten santral ile elektrik ve ısı enerjisini beraber üreten santralın toplam enerji oranları bakımından karĢılaĢtırılması ... 24

ġekil 5.14. FlaĢ buhar üretimi ... 26

ġekil 5.15. Bir termik santralin bölge ısıtma için dönüĢümü ... 28

ġekil 5.16 Çekilen buhar oranına göre kullanılan yakıt enerjisinin santraldeki dağılımı ... 28

ġekil 5.17. Bölge ısıtma amaçlı çekilen buhar oranı ile termik santral performans değiĢimi ... 31

5

Enerji tüketimindeki ve fiyatlarındaki artışa rağmen enerji kaynaklarındaki artışın aynı hızda olmaması ve dünyadaki üretim rekabetinin artması tüm dünyada enerji tüketiminin daha bilinçli bir şekilde yapılmasını zorunlu hale getirmiştir. Bilinçli enerji tüketiminin anahtar kavramı enerji verimliliğidir. Enerji verimliliği bir enerji kaynağından en fazla yararlanmayı ya da bir ihtiyacın en az enerji ile karşılanması anlamına gelmektedir. Sanayide, güç üretim sektöründe ve tüketim sektörlerinde enerji verimliliğini artırmak için yapılabilecek çok sayıda tedbir ve uygulama vardır. Bunlardan bir tanesi de atılan enerjilerin değerlendirilmesidir.

Bu kitapçığın amacı, TSAD projesi hedefleri olan termik santral atılan enerjileri ile bölge ısıtma teknolojileri konusunda ihtiyaç duyulan bilgi ve teknoloji altyapısının kurulması, bölge ısıtma teknolojilerinin yaygınlaştırılarak atık enerji bilincinin yerleştirilmesi ve atılan enerjiyi verimli kullanma yöntemlerinin ülke çapına yaygınlaştırılması doğrultusunda, termik santral atılan enerjilerinin değerlendirmek isteyenlere genel bilgiler kazandırmaktır. Bu amaç için kitapçıkta, atık ve atılan ısı kavramı, geri kazanma yöntem ve elemanları, termik santral atılan enerjileri ile bu enerjilerin çevrelerindeki bölge ısıtma sistemlerinde ekonomik ve teknik olarak nasıl kullanılabileceği açıklanmıştır.

6

Sürdürülebilir gelişme, şimdiki kuşakların ihtiyaçlarının gelecek kuşakların ihtiyaçlarını tehlikeye atmadan karşılanmasına imkân sağlayan ekonomik büyümedir. Bu ihtiyaçların başında da enerji gelmektedir. Enerji kaynaklarının verimli kullanılması, sürdürülebilir gelişme hedeflerinin sağlanmasını ve aynı zamanda gelecekteki kuşakların enerji ihtiyaçlarının tehlikeye atılmasını engeller. Bu kapsamda, enerjinin türü ve kaynağı ne olursa olsun mutlaka en verimli şekilde değerlendirilmelidir.

Sürdürülebilir gelişme doğrultusunda, dünyadaki fosil yakıtlı güç santralları incelendiğinde önemli bir kısmının hem elektrik enerjisini hem de ısı enerjisini birlikte üreten, yani birleşik ısı ve güç tesisleri (kojenerasyon) olduğu görülmektedir. Bu sayede, elektrik üretiminde kullanılamayan ve çevreye atılan enerji, faydalı enerjiye çevrilerek santralın toplam verimi ve dolayısıyla kullanılan yakıttan yararlanma oranı arttırılmış olur. Sadece elektrik üreten termik santral verimlerinin santral özelliklerine bağlı olarak %30-60 arasında olduğu göz önüne alınırsa, atılan enerji miktarı santralde yakılan yakıtın ısıl enerjisinin % 40-70’i kadar olabilmektedir. Çevreye atılan bu enerjiler geri kazanılarak sürdürülebilir gelişmeye ve çevrenin korunmasına katkı sağlanmış olur.

Günümüzde sadece elektrik üretim amaçlı kurulmuş olan mevcut fosil yakıtlı termik santrallarda yapılacak uygun dönüşümlerle atılan enerjilerin değerlendirilmesi mümkün olmaktadır. Santralların atılan enerjilerinden geri kazanılan enerji bina ve sera ısıtmasında, sanayide düşük sıcaklıklı proses ısısı elde etmede, binaların soğutmasında kullanmanın yanı sıra, bölge özelliklerine göre birçok değişik alanda (örneğin havuz balıkçılığı gibi) kullanmak mümkündür. Ülkemizde kamuya ait sadece elektrik enerjisi üretmek için kurulmuş, toplam kurulu kapasitesi 9910 MWe olan 18 adet fosil yakıtlı termik santral vardır. Bu santrallar için TSAD (―Enerji Verimliliğini Arttırmak Üzere Termik Santral Atık Isılarını Faydaya Dönüştürme Yöntemlerinin Araştırılması, Geliştirilmesi ve Binalarda Isıtma Uygulaması) projesi kapsamında 14 adet santralın dizayn değerleri kullanılarak yapılan teknik analizler sonucunda toplam 7350 MWt’lik (2008 yılı için toplam 55000000 MWth/yıl) atık ısı potansiyelinin olduğu hesaplanmıştır. Benzer bir yaklaşımla özel sektöre ait termik santralların (12738 MWe) atık ısı potansiyelinin ise yaklaşık 45000000 MWth/yıl olduğu görülmüştür.

Sadece elektrik enerjisi üretiminde atılan enerji olmayıp Demir-Çelik ve Çimento sanayi başta olmak üzere yoğun enerji tüketen bir çok sektörde de atılan enerji potansiyelleri bulunmaktadır. Büyük potansiyeli olan atılan enerjinin geri kazanılmasının hem ülkemiz hem de sanayimiz için önemli faydaları olacaktır. Atılan enerjinin geri kazanılması ile elde edilecek faydaların bazıları aşağıda verilmiştir.

 Birincil enerji tüketimini azaltarak ülke ekonomisine katkı sağlar

 Yerli kaynaklar daha verimli kullanıldığı için rezerv ömürleri artar

 Enerji açısından dışarıya olan bağımlılığımız (özellikle de doğalgaza) önemli ölçüde azalır

 İhracatı azaltacağı için İhracat-ithalat dengesine olumlu katkı yapar

 Enerji kullanım kaynaklı çevreye atılan emisyon miktarları azalır

 Termal ve kimyasal kirlenmeler azalır

 Özellikle bölgesel ısıtma için konforlu, ucuz, güvenilir ve güvenlikli enerji sağlanmış olur

7

 Yeni iş sahaları ve imkânlarını artırarak istihdam sağlar

 Sanayinin üretim maliyetlerini azaltarak rekabet gücünü artırır.

Tüm bu faydalar göz önüne alındığına enerji verimliliğini artırmak amacıyla atılan enerjilerin değerlendirilmesi kamu ve özel tüm kurum ve kuruluşların hedefleri arasında olmalıdır. Atılan enerjiyi değerlendirmeye dönük çalışmalar yaygınlaştırmalı ve desteklenmelidir. Bu amaçla 2007 yılında çıkartılan 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanunu uygulamaya yönelik oldukça önemli bir gelişmedir. Enerjinin etkin kullanılması, enerji israfının önlenmesi, enerji maliyetlerinin ekonomi üzerindeki yükünün hafifletilmesi ve çevrenin korunması için enerji kaynaklarının ve enerjinin kullanımında verimliliğin artırılmasına ilişkin usûl ve esasları düzenleyen ―Enerji Kaynaklarının ve Kullanımında Verimliliğin Artırılmasına Dair Yönetmelik‖

25.10.2008 tarihli resmi gazetede yayınlanarak yürürlülüğe girmiştir. Enerji verimliliği ile ilgili tüm çalışmalar Elektrik İşleri Etüt İdaresi tarafından yürütülmektedir.

8

3 ATIK ISI KAVRAMI VE YARARLANMA YÖNTEMLERĠ

Herhangi bir enerji kaynağının kalitesi işe dönüşebilme potansiyeli ile ölçülür. Bu açıdan bakıldığında enerji türlerinin (mekanik, elektrik, iç enerji, ısı, vb.) hepsi aynı kalitede değildir.

Verilen bir enerjinin işe dönüştürülen kısmına kullanılabilir enerji (ekserji) ve dönüştürülmesi imkânsız olan kısmına kullanılamaz enerji (anerji) denilmektedir.

Bir kaynaktaki enerji başka bir enerjiye dönüştürüldüğünde ya da bu enerjiden herhangi bir prosesi gerçekleştirmek için faydalandığında geriye kalan enerjinin (atılan enerji) şartları, çevre şartlarından daha yukarıda ise hala iş potansiyeli vardır. Sonuç olarak atılan enerji, endüstride herhangi bir prosesten sonra çevreye atılmasına rağmen kullanılabilir enerji potansiyeli (ekserjisi) olan enerjidir. Atılan enerji şartları çevre şartlarına yaklaştıkça iş potansiyeli (ekserji) azalır ve kullanılamaz enerji (atık enerji/anerji) artar. Atılan enerji şartları çevreyle dengeye ulaştığında kullanılamaz enerji yani atık enerji haline gelir (

Şekil 3.1

kavramı ile ―atık enerji‖ kavramı arasındaki farkı açık bir şekilde ortaya koymaktadır. Şekil 1 de görüldüğü gibi yüksek kaynak sıcaklıklarında işe dönüşebilir enerji oranı fazla iken, çevre sıcaklığına yaklaşıldıkça atık enerji kısmı hızla artmaktadır. Atılan enerji çoğunlukla sıvı ya da gaz fazındaki akışkanlar ile çevreye atılmaktadır.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

298 388 478 568 658 748 838 928 1018 1108 1198 1288 1378 1468 1558 1648 1738 1828 1918

Enerji (Atık Enerji +Ekserji)

İşe Dönüşebilir Enerji EKSERJİ

T

T

Atık Enerji

Şekil 3.1. Enerji kaynağının sıcaklığına bağlı olarak atılan enerjideki ekserji ve atık enerji oranlarının değişimi

Atılan enerjiden geri kazanımda aşağıdaki hususlar dikkate alınmalıdır.

 Geri kazanım teknik ve ekonomik olarak mümkün olmalıdır

 Enerjiye talep olmalıdır ya da uygun talepler oluşturulmalıdır

 Atılan enerjinin sıcaklığı talebe uygun olmalıdır

9

 Geri kazanılan enerji ile talep miktarı birbirine uygun olmalıdır

 Arz ve talep zaman yönünden uyumlu olmalıdır. Uyum yoksa enerji depolama sistemleri ile uyum sağlanmalıdır.

Endüstride ve güç üretiminde çok farklı proseslerde enerji atılmaktadır. Bunların başlıcaları ergitme, pişirme, kurutma vb. proseslerdeki fırınlar, ocaklar ve kazanlardaki baca gazları, prosesten elde edilen ürün ısıları, güç üretim santrallarındaki baca ve kondenserden atılan ısı, prosesten artan sıvı ve gaz fazındaki atık akışkanların ısıları ve soğutma sistemlerindeki atık ısılardır. Çizelge 3.1’de bazı atılan enerji kaynakları ve sıcaklık aralıkları örnek olarak verilmiştir.

Atılan enerji prosesin tipine bağlı olarak yüksek sıcaklıktaki duman gazlarından düşük sıcaklıklardaki soğutma suyuna kadar değişebilir. Yüksek sıcaklık yüksek kalite anlamına gelir ve genellikle geri dönüşümü ekonomik açıdan daha uygun olur. Yüksek sıcaklıktaki bir enerjiyi düşük sıcaklıkta talep olan bir yerde kullanmakta uygun olmayacaktır. Bu amaçla yüksek sıcaklıktaki atılan enerji kademeli olarak farklı taleplerin karşılanmasında kullanılarak elde edilen fayda artırılabilir.

Çizelge 3.1 Çeşitli proses sonu atılan enerji kaynakları ve sıcaklık aralıkları

Atılan Enerji Kaynağı Sıcaklığı [^oC]

Nikel Arıtma Fırını 1370-1650

Çelik Ergitme Fırını 925-1050

Çimento Fırını 620-730

Cam Eritme Fırını 1000-1550

Gaz Türbin Eksozu 370-540

Motor Eksoz Gazı 315-600

Isıl İşlem Fırınları 425-650

Kurutma ve Pişirme Fırınları 90-230

Motor Soğutma Suyu 60-120

Proses Buhar Kondensi 50-90

TSAD kapsamında yapılan çalışmalarda atılan enerji tanımı iki farklı şekilde ele alınmıştır.

Bunlar enerjinin sistemden atıldığı veya çekildiği yere bağlı olarak proses sonu ve proses içi olarak adlandırılmıştır.

Proses sonu atılan enerji, tüm literatürlerde tanımlanan klasik atılan enerji olup, bir proses sonucunda atılan ve iş potansiyeli olan enerjidir. Şekil 2’de proses sonu atılan enerjinin akış diyagramı ve bu akışa bir örnek verilmiştir. Şekilden de görüldüğü üzere giren enerji istenen bir prosesi gerçekleştirdikten sonra sistemden atılmaktadır. Ancak atılan enerjide hala kullanılabilir bir potansiyel olduğundan, geri kazanma sistemi ile bu enerji başka amaçlar için kullanılabilir. Örneğin, kazana giren yakıt ile buhar üretilmekte ve baca gazları kazandan

10

atılmaktadır. Baca gazlarındaki enerjinin bir kısmı bir ısı değiştirici ile besleme suyunun ön ısıtılmasında kullanılarak geri kazanılabilir.

PROSES ENERJĠSĠ

GĠREN ENERJĠ

GERĠ KAZANILAN ENERJĠ

ATILAN ENERJĠ

ÇEVREYE ATILAN ENERJĠ

EKONOMĠK OLMAYAN Ġġ POTANSĠYELĠ ATIK ENERJĠ

(ANERJĠ)

YAKIT (Giren Enerji)

BUHAR (Proses

Ener

jisi) Çevreye Atılan

Enerji BACA GAZI

(Atılan Enerji)

ENERJĠ GERĠ KAZANIM SĠSTEMĠ

Geri Kazanılan Enerji

Şekil 3.2. Proses sonu sistemden atılan enerjinin geri kazanımının şematik gösterimi Proses içi atılan enerji ise, proses sona ermeden farklı amaçlar için kullanılmak üzere sistemden çekilen enerjidir. Proses içi atılan enerjinin kullanılması ile sisteme giren enerjiden sağlanan toplam fayda artar ve proses sonu çevreye atılan enerji azalır.

Faydadaki artış, proses içinden çekilen enerjinin şartları ile kullanılacağı yerin şartlarının uyumuna bağlıdır. Böyle bir uygulamaya örnek olarak, termik santrallarda besleme suyunun türbinden çekilen ara buharlarla ön ısıtılması verilebilir (Şekil 3.3). Ara buhar çekilmesiyle sisteme giren birim enerji başına üretilen güç dolayısıyla termik verim artar. Bu durum üretilen birim fayda başına kondenserden atılan ısının azaltılması anlamına gelmektedir.

3 3

2 2

6 6

5 6 5

5

4

3 1

1

2

1 YAKIT (Giren Enerji)

ELEKTRĠK (Ekserji)

BACA GAZI (Atılan Enerji)

KONDENSER (Atılan Enerji) Proses içi

atılan enerji

Besleme Suyu Ön ısıtıcısı

Şekil 3.3. Proses sonu atılan ısının geri kazanılması