Upload
ali-atik
View
230
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
1/250
HDROJEN YAKITLI,
OK AMALI BR BLEK ISI-G SANTRAL TASARIMI,
TEKNK VE EKONOMK ANALZLER
Ayegl PAAOLU
YKSEK LSANS TEZ
MAKNA MHENDSL
GAZ NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
ARALIK 2006
ANKARA
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
2/250
Ayegl PAAOLU tarafndan hazrlanan HDROJEN YAKITLI,OK AMALI
BR BLEK ISI-G SANTRAL TASARIMI, TEKNK VE EKONOMK
ANALZLER adl bu tezin Yksek Lisans tezi olarak uygun olduunu onaylarm.
Prof.Dr.Ali DURMAZ
Tez Yneticisi
Bu alma, jrimiz tarafndan oy birlii ile Makina Mhendislii Anabilim Dalnda
Yksek lisans tezi olarak kabul edilmitir.
Bakan : Prof. Dr. Nuri YCEL
ye : Prof. Dr. Ali DURMAZ
ye : Prof. Dr. O. Cahit Eralp
ye : Do. Dr. rfan AR
ye : Y.Do. Dr. brahim ATILGAN
Tarih : 15/12/2006
Bu tez, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits tez yazm kurallarna uygundur.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
3/250
TEZ BLDRM
Tez iindeki btn bilgilerin etik davran ve akademik kurallar erevesinde elde
edilerek sunulduunu, ayrca tez yazm kurallarna uygun olarak hazrlanan bu
almada orijinal olmayan her trl kaynaa eksiksiz atf yapldn bildiririm.
Ayegl PAAOLU
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
4/250
iv
HDROJEN YAKITLI,
OK AMALI BR BLEK ISI-G SANTRAL TASARIMI,
TEKNK VE EKONOMK ANALZLER
(Yksek Lisans Tezi)
Ayegl PAAOLU
GAZ NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
Aralk 2006
ZET
ok hzl artan dnya toplam enerji gereksiniminin yaklak %85i fosil
yaktlar tarafndan karlanmaktadr. Buna bal youn fosil yakt kullanm,
kresel snmaya, toprak, su ve hava kirlilii biiminde evre sorunlarna
neden olmaktadr. Fosil yakt rezervlerinin azald, enerji fiyatlarnn artt ve
ufukta yeni enerji kaynak ve teknolojilerinin grnmedii bu dnem pahal ve
kritik enerji dnemi olarak isimlendirilebilir. Kritik enerji dneminde enerji ve
evre sorunlarna kkten zm getirmeye aday balca enerji kayna ve
taycs olarak hidrojen ne kmaktadr. Bu almann amac hidrojen
enerjisinin mevcut enerji alt yapsna teknik ve ekonomik boyutlar ile nasl
entegre edilebileceinin incelenmesidir. Bu balamda hidrojenle alan, ok
amal bir bileik s-g santrali tasarlanm, yk koullarna bal teknik ve
ekonomik analizleri yaplmtr. Sistemde retilen snn konut ve endstriyel
kurululara piyasa koullarnn biraz altnda pazarlanmas mmknse de,
elektriin, yeni teknolojileri destekleme kapsamnda piyasa koullarnn
zerindeki bir destek birim fiyatyla kamusal alm zorunludur. Atk s
kazannda retilen snn bir blmnn, dk (gncel maliyetlerin %10
altnda) ve yksek (gncel maliyetlerin %20 stnde) s satm senaryolarna
gre 500 konutluk bir yerleim blgesine, blgesel stma/soutma ve kullanmscak suyu salama amal olarak, kalan blmnn ise endstriyel kurululara
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
5/250
v
pazarlanmas ngrlmtr. Ekonomik analizlerden, hidrojenin doalgazdan
retilmesinin ekonomik ynden en uygun metot olduu grlmtr. Ucuz
enerji senaryosunda, retilen elektriin tam yk retim koullarnda en az 0,20
$/kWhe, pahal enerji senaryosunda ise 0,16 $/kWheden satlmas gerekir.
Sistem yk faktr dtke elektrik sat fiyatlar da artmaktadr. Bu fiyatlar
AB lkelerinde yenilenebilir kaynaklarndan retilen elektriin 0,12 $/kWhe
dolaynda olan destekli birim alm fiyatnn zerindedir. Tasarmlanan trden
sistemlerin ekonomik ynden uygun olabilmesi iin daha yksek birim elektrik
alm fiyatlarnn uygulanmas gerekir.
Bilim Kodu : 914.1.038Anahtar Kelimeler :Hidrojen, bileik s-g santrali, gaz trbini, atk s
kazan, ekonomik analizler
Sayfa adedi :224Tez Yneticisi :Prof. Dr. Ali DURMAZ
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
6/250
vi
DESIGN, TECHNICAL AND ECONOMCAL ANALYSES OF A
MULTI-OBJECTIVE HYDROGEN-FED
COGENERATON SYSTEM
(M.Sc. Thesis)
Ayegl PAAOLU
GAZ UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
December 2006
ABSTRACT
Approximately %85 of rapidly increasing world energy demand is supplied by
fossil fuels. Related with this, extreme usage of fossil fuels causes global
warming and environmental problems in the form of earth, water and air
pollution. The period in which fossil fuel reserves are decreasing, energy costs
are increasing and new energy sources and technologies dont exist on the
horizon can be called as the expensive and critical energy period. Hydrogen
becomes a matter of primary importance as a candidate energy source and
carrier in the critical energy period to solve the energy and environmental
problems radically. The aim of this study is the examination of how hydrogen
energy will be able to be integrated with the existing energy substructure by
technical and economical dimensions. n this sense, a multi objective hydrogen-
fed cogeneration system is designed and technical and economical analyses
depending on the load conditions are carried out. t is possible that the
produced heat is to be marketed for residence and industrial foundings under
market prices while purchase of electricity by public at a unit support price
which is above the market prices beyond the scope of supporting new
tecnologies is absolutely necessary. Marketing of a part of the heat produced in
the heat recovery steam generator to a residence district consisting of 500 flatsfor district heating/cooling and supplying hot water for usage purposes based on
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
7/250
vii
low (below the recent marketing prices by %10) and high (above the recent
marketing prices by %20) heat sale scenarios and the remaining part of the heat
to industrial foundings is projected. t is seen from the economical analyses that
method of hydrogen produced from natural gas is the most convenient method
in point of economical ways. n the cheap energy scenario, the produced
electricity at peak load conditions should be sold at least a unit price of 0,20
$/kWhe and in the expensive energy scenario at a unit price of 0,16 $/kWhe. The
sale prices of electricity increase as load factor decreases. These prices are above
the support unit price of electricity which is at about 0,12 $/kWhe produced
from renewable energy resources in the European Union countries. Higher unit
electriciy purchase prices should be applied to have such types of designed
systems be convenient economically.
Science Code : 914.1.038Keywords :Hydrogen, combined heat and power plant, gas turbine,
heat recovery steam generator, economical analysesPage Number :224
Adviser :Prof. Dr. Ali DURMAZ
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
8/250
viii
TEEKKR
almalarm boyunca, tezimin her aamasnda yardm ve katklaryla beni srekli
ynlendiren kymetli Hocam Prof. Dr. Ali DURMAZa, manevi desteini,
yardmlarn ve dostluunu esirgemeyen deerli arkadam Meral DOANAYa
yine yardmlar ile verdikleri desteklerden tr deerli Ar. Gr. Ouzhan ERBA
ve Ar.Gr. Zeki YILMAZOLU na, ve youn alma ykm almalarm
boyunca srekli paylaan, destekleriyle her an yanmda olan kymetli aileme sonsuz
teekkrler ederim.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
9/250
ix
NDEKLER
Sayfa
ZET .......................................................................................................................... iv
ABSTRACT................................................................................................................. vi
TEEKKR ..............................................................................................................viii
NDEKLER ........................................................................................................... ix
ZELGELERN LSTES........................................................................................xiii
EKLLERN LSTES ............................................................................................ xv
SMGELER VE KISALTMALAR..........................................................................xviii
1. GR........................................................................................................................ 1
2. ENERJ VE ENERJ MHENDSL .................................................................. 62.1.Enerji, Tanm, Kaynaklar, Dnm ve Uygulamalar ................................ 62.2.Enerji Dnmnde Bileik Is-G Santrallerinin nemi........................... 122.3.Bileik Is-G Santrallerinin Snflandrlmas.............................................. 14
2.3.1. Buhar evrimli bileiks-g santralleri ............................................. 14
2.3.2. Gaz evrimli bileiks-g santralleri ................................................ 17
2.3.3.Kombine gaz-buhar evrimli bileiks-g santralleri ........................ 19
3. HDROJEN, HDROJENN YANMASI VE ISIL HESAPLARI ......................... 213.1.Hidrojen Enerjisi ve zellikleri ...................................................................... 213.2.Hidrojen retim Yntemleri........................................................................... 25
3.2.1. Termokimyasal hidrojen retim yntemleri.......................................... 26
3.2.2. Elektrokimyasal hidrojen retim yntemleri ....................................... 29
3.2.3. leri hidrojen retim yntemleri ............................................................ 32
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
10/250
x
Sayfa
3.3.Hidrojen Yaktnn Depolama Yntemleri...................................................... 333.3.1. Hidrojenin basnl gaz olarak depolanmas ......................................... 33
3.3.2. Hidrojenin sv olarak depolanmas ...................................................... 34
3.3.3. Hidrojenin metal hidrat eklinde depolanmas...................................... 35
3.4.Yanma Sreci ve Yanmann Temel Koullar ................................................ 363.5.Hidrojenin Yanma Hesaplar........................................................................... 37
3.5.1. Hidrojenin alt ve st sl deerlerinin hesaplanmas ............................. 37
3.5.2. Hidrojenin yanma hesaplar ................................................................. 40
3.5.3. Adiyabatik yanma scakl................................................................... 43
4. OK AMALI KULLANILAN HDROJEN YAKITLI BR BLEK ISIG SANTRALNN TASARIMI VE TASARIM HESAPLARI........................ 45
4.1.Tasarm Yaplan ok Amal Bileik Is-G Santralinin Sistem Yapsve levleri ...................................................................................................... 45
4.1.1.Bileiks-g santrali sistem yaps ..................................................... 45
4.1.2.Bileiks-g santralinin yk zellikleri ............................................. 46
4.1.3.Bileiks-g santralini oluturan alt sistemler ................................... 50
4.2.Tasarmlanan Gaz Trbinli Bileik Is-G Santralinin Isl Gevrim Analizi ............................................................................................... 59
4.2.1. Gaz trbini ve sistem yaps .................................................................. 59
4.2.2. Gaz trbini sisteminin sl-g evrim analizi ...................................... 61
4.2.3. Gaz trbini sisteminin sl-g evrim optimizasyonu ......................... 68
4.3.Tasarmlanan Bileik Is-G Santrali Tarafndan BeslenenAbsorbsiyonlu Soutma Sisteminin Isl Yk................................................. 83
4.3.1. Absorbsiyonlu soutma evriminin termodinamik analizi ................... 83
4.3.2. Absorbsiyonlu soutma sistemi performans ....................................... 92
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
11/250
xi
Sayfa
4.4.Blgesel Istma/Soutma Sistemi Isl Ykleri ................................................ 974.5.Blgesel Scak Su Sistem Isl Yk................................................................ 994.6.Endstriyel Isl Yk .................................................................................... 1014.7.Atk Is Kazan Isl Yk .............................................................................. 101
5. ATIK ISI KAZANI TASARIMI.......................................................................... 1025.1.Atk Is Kazan Sistem Yaps ve Isl Hesaplar............................................ 102
5.1.1. Atks kazannn sistem yaps ......................................................... 102
5.1.2. Atks kazan enerji dengesi ve snma-souma erisi ..................... 104
5.1.3. Atks kazansl hesaplar ................................................................. 106
5.2.Atk Is Kazannn Boyutlandrlmas ........................................................... 1155.2.1. Atks kazannda yanma gazlar ve i akkan hzlar ..................... 116
5.2.2. Istma yzeyleri iin toplam s transfer katsays .............................. 120
5.2.3. Kazan stma yzeyleri alanlarnn hesaplanmas ............................... 138
6. EKONOMK ANALZLER................................................................................. 1466.1. Sistemin Yllkletme ve Amortisman Giderleri......................................... 146
6.1.1.Yllk iletme giderleri ......................................................................... 146
6.1.2.Y
ll
k amortisman giderleri.................................................................. 148
6.2. Sistemin eitli Yk Koullarnda Hidrojen Tketim ve Is-Elektrikretimleri ...................................................................................................... 151
6.3. Tasarmlanan Sistemin Yllk Gider Kalemleri............................................. 155
6.4. Tasarmlanan Sistemin Yllk Gelir Kalemleri............................................ 155
6.4.1.Tasarmlanan sistemin enerji rnlerinin sat fiyatlarnnbelirlenmesi .......................................................................................... 155
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
12/250
xii
Sayfa
6.4.2.Tasarmlanan sistemde eitli yntemlerle retilen hidrojeninkullanlmas durumunda yllksl sat gelirleri ve minimum
birim elektrik sat maliyetleri ............................................................. 160
6.4.3.Hammaddesi doalgaz olan hidrojenin tasarmlanan sistemdeyaklmas seeneinin ekonomik analizleri ........................................ 161
7. SONU VE NERLER ..................................................................................... 1647.1. Sonular ve rdelemeler................................................................................. 164
7.2. leriye Ynelik almalarin neriler....................................................... 166
KAYNAKLAR ......................................................................................................... 168
EKLER...................................................................................................................... 171EK-1 Scakln fonksiyonu olarak eitli gazlarn zgl slar ............................ 172EK-2 25 OC scaklkta ve 1 atm basnta eitli maddelerin oluum entalpileri...... 173EK-3 Absorbsiyonlu soutma sisteminde zelti scaklna bal
zelti deriimleri,soutucu akkan scaklklar ve entalpi deerleri ............ 174EK-4 Doymu su (scaklk) tablosu .......................................................................... 178EK-5 Doymu su (basn) tablosu............................................................................. 180EK-6 Kzgn su tablosu............................................................................................. 182EK-7 eitli gazlar iin gaz sabiti deerleri ............................................................. 185EK-8 Farkl bileimlerdeki malzemelerin termofiziksel zellikleri
(iletim katsaylar) ........................................................................................... 186EK-9 Atmosfer basncnda eitli gazlarn termofiziksel zellikleri ....................... 187EK-10 Su iin termofiziksel zellikler ..................................................................... 188EK-11 Is deitiricileri iin NTU bantlar .......................................................... 190EK-12 Teknik ve ekonomik analizleri yaplan BIGS iin tasarm hesaplarna
gre yaplm bilgisayar program ................................................................. 191
ZGEM .............................................................................................................. 224
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
13/250
xiii
ZELGELERN LSTES
izelge Sayfa
izelge 2.1. BIGS uygulamasnn, bireysel stmaya gre yatrm,iletme, enerji ekonomisi ve evresel etki boyutlarynnden avantajlar........................................................................ 15
izelge 3.1. Hidrojenin fiziksel ve kimyasal zellikleri...................................... 25
izelge 4.1. Scak su sl yk hesab iin 3 veya 4 odal ve 3 veya 4 kiininyaad kvetli konutlarda e zaman faktr................................. 100
izelge 5.1. Grimison korelasyonunda sra says 10dan kk borudemetleri iin dzeltme faktrleri.................................................. 124
izelge 5.2. Grimison korelasyonunda dz sral boru demetleri iin
1C ve m deerleri.......................................................................... 125
izelge 5.3. Zhukauskas korelasyonunda dz sral boru demetleri iin Cve m deerleri................................................................................. 126
izelge 5.4. Zhukauskas korelasyonunda sra says 20den kk borudemetleri iin dzeltme faktr...................................................... 126
izelge 5.5. Atks kazanstma yzeyleri s transfer hesaplar ile eldeedilen veriler................................................................................... 138
izelge 5.6. Atks kazannda hesaplanan stma yzey alan deerleri............ 145
izelge 6.1. Hidrojenin eitli hammaddelerden retim yntemlerine grebirim ktle maliyetleri.................................................................... 147
izelge 6.2. Tasarmlanan BIGS ile ilgili maliyetler......................................... 150
izelge 6.3. BIGS boru ebekesi yatrm tutarlar.............................................. 150
izelge 6.4. Tasarmlanan sistemde eitli yk koullarnda retilenelektrik ve s ykleri ile hidrojen tketimleri................................ 155
izelge 6.5. eitli hidrojen retim yntemleri ve sistem yk koullarna balolarak tasarmlanan sistemin yllk amortisman, yakt ve diergiderlerle yllk toplam giderler...................................................... 156
izelge 6.6. Bireysel gncel sl retim maliyetleri ve tasarmlanan sisteminucuz ve pahal enerji sat senaryolarna gre sl sat fiyatlar..... 160
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
14/250
xiv
izelge Sayfa
izelge 6.7. Tam yk koulunda (FY=1) eitli yntemlerle retilenhidrojenin tasarmlanan sistemde kullanlmas durumunda yllktoplam gider/gelirler ve minimum birim elektrik sat fiyatlar(ucuz enerji sat senaryosu) .......................................................... 161
izelge 6.8. Tam yk koulunda (FY=1) eitli yntemlerle retilenhidrojenin tasarmlanan sistemde kullanlmas durumunda yllktoplam gider/gelirler ve minimum birim elektrik sat fiyatlar(pahal enerji sat senaryosu) ....................................................... 162
izelge 6.9. Tasar
mlanan sistemde doalgazdan retilen hidrojeninyaklmas durumunda, eitli yk koullarnda sistemin gelir,gider ve minimum birim elektrik sat fiyatlar (ucuz enerjisat senaryosu)............................................................................... 163
izelge 6.10. Tasarmlanan sistemde doalgazdan retilen hidrojeninyaklmas durumunda, eitli yk koullarnda sistemin gelir,gider ve minimum birim elektrik sat fiyatlar (pahal enerjisat senaryosu).............................................................................. 163
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
15/250
xv
EKLLERN LSTES
ekil Sayfa
ekil 1.1. Yl boyunca tam ykte alan, blgesel stma/soutmauygulamal, hidrojen yaktl bir bileiks g santrali sistemyaps ve balantemas....................................................................... 2
ekil 1.2. Blgesel stma/soutma uygulamal bir bileiks g santralininyllk yk erisi ve yk faktr ( )9.0,1
BIGSYF ............................ 3
ekil 1.3. Bir enerji dnm sisteminde birim rn enerji retim maliyetininsistem tasarm iletme vektrne bal olarak deiimi........................ 4
ekil 2.1. Ham yakt, ikincil enerji trleri ve ilgili emisyonlar............................. 8
ekil 2.2. Yaktn elektrie dnmdeki balca sreler, sistemler veemisyonlar............................................................................................. 8
ekil 2.3. Bir termik santralde yakt ssnn elektrie dnm ile ilgilienerji ak diyagram, enerji kayplar ve trleri................................... 9
ekil 2.4. Tersinir srelerden oluan ideal birsl-g evriminde Carnotevrimi enerji ak diyagram.............................................................. 10
ekil 2.5. Bir gerek IG deki enerji ak diyagram, ekserji kayplar veekserji geri kazanm yaklamlar........................................................ 11
ekil 2.6. Bir buhar trbininde teorik ve gerek genleme profili, ara buharalma, genleme boyunca ekserji deiimi srecinde ekserjikazanm davran ve bileiks-g uygulama yaklam................... 13
ekil 2.7. Arka basnl buhar evrimli bir BIGSnin akm ve balantemas.................................................................................................. 16
ekil 2.8. Ara buhar almal youturuculu bir BIGS nin akm ve balantemas.................................................................................................. 17
ekil 2.9. Gaz trbinli-atks kazanl bir BIGS nin akm ve balantemas.................................................................................................. 18
ekil 2.10. ten yanmal motorlu, gaz evrimli bir BIGS nin akm vebalantemas..................................................................................... 19
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
16/250
xvi
ekil Sayfa
ekil 2.11. Kombine gaz-buhar evrimli bir BIGS nin akm vebalantemas..................................................................................... 20
ekil 3.1. Hidrojen retimi ile ilgili balca enerji vehammadde girdileri.............................................................................. 26
ekil 3.2. Slfr-iyot temelindeki termokimyasal reaksiyonlar.......................... 31
ekil 3.3. Hidrojen retim ile ilgili balca girdiler ve emisyonlar..................... 34
ekil 4.1. Tasar
m
yap
lan hidrojen yak
tl
ok amal
bileik
s
g santrali........................................................................................... 45
ekil 4.2. Tasarmlanan ok amal BIGSnin yllk yk erisi, elektrikve sl yklerinin yl boyunca deiimi................................................ 46
ekil 4.3. Tasarmlanan ok amal BIGS nin enerji ak diyagram................. 47
ekil 4.4. Hidrojen yaktl, ok kullanm amal (elektrik, endstriyel buhar,blgesel stma/soutma,scak su) bir BIGS'nin sistem yaps, akmbalantemas ve balca iletme verileri........................................... 48
ekil 4.5. Tek etkili, s deitiricili LiBr-H2O akkan iftli absorbsiyonlusoutma sistem yaps.......................................................................... 56
ekil 4.6. Tasarmlanan hidrojen yaktl ok amal BIGS de kullanlanGTSnin basitletirilmi sistem yaps ve sl-g (Brayton)evrim yaps.................................................................................... 61
ekil 4.7. Yakma havas n stcl bir gaz trbini sisteminde hava n stcdasnan hava taraf (
HIP ), yanma odas (
YOP ) ve hava n
stcda souyan gaz taraf (GS
P ) basn kayplar........................... 66
ekil 4.8. Hidrojen yaktl, gaz evrimli BIGS balantemas vebasn kayplar.................................................................................... 67
ekil 4.9. Tasarmlanan ok amal gaz evrimli BIGS nin akm-balantemas ve sistemin balca alt verimleri............................................... 76
ekil 4.10. Tek kademeli, LiBr-H2O akkan iftinin kullanldabsorbsiyonlu soutma sistemi yaps................................................. 84
ekil 4.11. Jeneratr enerji dengesi sistem yaps................................................. 87
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
17/250
xvii
ekil Sayfa
ekil 4.12. Youturucu enerji dengesi sistem yaps........................................... 88
ekil 4.13. Buharlatrc enerji dengesi sistem yaps.......................................... 89
ekil 4.14. Absorber enerji dengesi sistem yaps................................................. 90
ekil 5.1. Atks kazannn elemanlar............................................................. 105
ekil 5.2. Atks kazansnma ve souma erileri.......................................... 106
ekil 5.3. At
k
s
kazan
s
tma yzeylerinde giri-
k
s
cakl
klar
................ 113
ekil 5.4. Silindirik yzeylerden olan s transferi............................................. 120
ekil 5.5. Atks kazan ierisindeki boru demetlerinin dizilii....................... 123
ekil 5.6. Atks kazannda n stc iin scaklk dalm............................. 141
ekil 5.7. Atks kazannda buharlatrc iin scaklk dalm..................... 143
ekil 5.8. Atks kazannda kzdrc iin scaklk dalm............................. 144
ekil 6.1. Tasarmlanan BIGSnin yllks yk erisi...................................... 151
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
18/250
xviii
SMGELER VE KISALTMALAR
Bu almada kullanlm baz simgeler ve ksaltmalar, aklamalar ile birlikte
aada sunulmutur.
Simgeler Aklama
Ofh Referans noktasnda oluum entalpisi
AIKP Atks kazan basn kayb
buhkon,q Bir konutun soutma yk
BS-BIm
Blgesel stma/soutma buhar debisi
bm
Buhar debisi
BV Buhar hz
B Buhar younluu
Endm
Endstri buhar debisi
gm
Gaz debisi
thGT, Gaz trbini sl verimi
netGT, Gaz trbini net verimi
G Gaz younluu
HI
P Hava n stcl bir gaz trbini iin hava taraf
basn kayb
GSP Hava n stcl bir gaz trbini iin souyan gaz
taraf basn kayb
KSm
Kzgn su debisi
Sogsum
Konutlara giden soutma suyu debisi
KRT Kritik scaklk fark
mT Ortalama scaklk fark
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
19/250
xix
Simgeler Aklama
SSm
Scak su buhar debisi
m
Sistemden kan ktle debisi
E Sistemden kan ktle enerjisi
Gm
Sisteme giren ktle debisi
gE Sisteme giren ktle enerjisi
1m Soutucu akkan debisi
sokon,n Soutulacak konut says
netTS, Termik santral net verimi
GV Yanma gaz hz
YOP Yanma odasndaki basn kayplar
Dinamik viskosite Is deitirgeci etkinlii Kinematik viskositeBIG Brayton sl g evrim verimiBIGS Bileiks g santral verimiC Carnot evrim verimiH Buhar hat verimiIG Isl g evrim verimiK Adiyabatikkompresr verimiT tketim verimiTB Adiyabatiktrbin verimiJ Jeneratr verimiK Kazan verimiM Mekanik verim
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
20/250
xx
Simgeler Aklama
mek,k Kompresr mekanik verimiTR Trafo verimi(XT)opt Tasarm iletme vektr
YO Yanma odas verimiA Istma yzeyi alan
1 Atks kazan basn kaybnn kompresr giribasncna oran
BBISF Blgesel birim stma ss sat fiyat
BBSISF Blgesel birim soutma s yk iin gereklis sat fiyat
CAMR Birim rn amortisman gideri
cb Buhar iin sl kapasite hz
CBuhar,sat Endstriyel buhar birim s sat fiyat
cc Souk akkan iin sl kapasite hz
cg Yanma gaz iinsl kapasite hz
ch Scak akkan iin sl kapasite hz
cmax Maksimumsl kapasite hz
cmin Minimum sl kapasite hz
CP,g Yanma gazlarnn sabit basnta zgl ss
CP,h Havann sabit basnta zgl ss
CP,S Suyun zgl ss
Csat Birim enerji sat fiyat
CTop Birim enerji toplam maliyeti
CV Sabit hacimde zgl s
CY zgl yakt maliyeti
CYAK Birim rn yakt gideri
dD Boru d ap
di Boru i ap
EBISF Endstriyel birim s sat fiyat
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
21/250
xxi
Simgeler Aklama
E zaman faktr
f Dolam oran
F Faiz oran
FY Yk faktr
gY Birim yakt fiyat
h Entalpi
hAIK- Atks kazan k entalpisi
hAIK-g Atks kazan giri entalpisi
hBK Buhar taraf tanm film katsays
hC Yanma ss
Hgiren Girenlerin entalpisi
hGK Gaz taraf tanm film katsays
HO Yakt st sl deeri
HU Yakt alt sl deeri
Hrn rnlerin entalpisi
s sat fiyat
k Is iletim katsays
K Kayplar
kg Yanma gazlarnn sabit basnta zgl snnsabit hacimdeki zgl ssna oran
kh Havann sabit basnta zgl snn sabithacimdeki zgl ssna oran
L Boru boyu
rc Minimum sl kapasite hznn maksimumslkapasite hzna oran
MY Yakt tketim hz
N Birbirine paralel boru demetlerinin saysn
n Hava fazlalk katsays
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
22/250
xxii
Simgeler Aklama
nA Amortisman sresi
nD Bir bloktaki daire says
Ngiren Girenlerinmol says
NTU Birim s transfer says
Nu Nusselt says
Nrn rnlerin mol says
P zelti basnc
PABS Absorber basnc
PAIK Atks kazan alma basnc
PBUH Buharlatrc basnc
Pel Gaz trbininde retilen net elektrik
PG Gaz basnc
PJEN Jeneratr basnc
PKG Kurulu g
Pr Prandtl says
PS Performans says
PYO Youturucu basnc
QABS Absorberdenatlan toplam s
qABS Birim soutucu akkan debisi banaabsorberdenatlan s
QAIK Atks kazansl yk
qAIK Birim ktle bana atks kazanss
QBI Blgesel stma sl yk
QBS Blgesel soutma sl yk
QBUH Absorbsiyonlu soutma sistemindebuharlatrcyaverilen toplam s
qBUH Atks kazannda birim besleme suyu banabuharlatrcya verilen s
qBUHR Birim soutucu akkan debisi banabuharlatrcyaverilen s
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
23/250
xxiii
Simgeler Aklama
QEnd Endstriyel sl yk
QEnd,max Maksimum endstriyel yk
QEnd,min Minimum endstriyel yk
qJEN Birim soutucu akkan debisi bana jeneratreverilen s
QJEN Jeneratre verilen toplam s
Qkayp Kayp s
qKIZD Birim besleme suyu bana kzdrcya verilens
qI Birim besleme suyu banan stcya verilens miktar
QSS Scak su sl yk
qSS Bir konut iin scak su sl yk
QYakt Yakt ss
qYO Birim ktle bana yanma odasss
qYO Birim soutucu akkan debisi banayouturucudan atlan s
QYO Youturucudan atlan toplam s
R Gaz sabiti
RBK-boru Boru iin buhar taraf tanm termal rezistans
Re Reynolds says
RGK-boru Boru iin gaz taraf tanm termal rezistans
RI-boru Boru iin iletim termal rezistans
rP Sktrma oran
S Gaz akna dik birbirine paralel boru saysn
SSBF Scak su birim sat fiyat
TA Alakscaklkls deposu scakl
TABS Absorber scakl
tAD Adiyabatik yanma scaklTBACA Baca scakl
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
24/250
xxiv
Simgeler Aklama
TBES Kazan besleme suyu giri scakl
TBUH Atks kazannda buhar doyma scakl
TBUHR Absorbsiyonlu soutma sistemindebuharlatrc scakl
Tc,i Souk akkan giri scakl
Tc,o Souk akkan k scakl
TZ zelti scakl
tD Su dn scakl
TEGZ Atk gaz scakl
Tf,ort Ortalama film scakl
tG Su gidi scakl
Th,i Scakakkan giri scakl
Th,o Scakakkan k scakl
TJEN Jeneratr scakl
TKIZD Kzgn buhar scakl
TM Sistem toplam maliyeti
Tort Ortalama scaklk
TSO Soutucu akkan scakl
TY Yksek scaklkls deposu scakl
TY Toplam yatrm maliyeti
TYO Yanma odas scakl
TYO Youturucu scakl
U Toplam s transfer katsays
VB akkan (buhar) hz
VG Gerek yanmada zgl yanma gaz miktarn
VG,th Teorik yanmada zgl yanma gaz retimi
VH Gerek yanmada zgl hava gereksinimi
VH,th Teorik yanmada zgl yakma havas
gereksinimiVmax Maksimum gaz hz
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
25/250
xxv
Simgeler Aklama
vmax Maksimum scak su ihtiyac
wK Birim ktle bana kompresr ii
wK,s Birim ktle bana izentropik kompresr ii
wnet Birim ktle bana evrimden elde edilen nettoplam i
Wpompa Pompa ii
wT Birim ktle bana trbin ii
wT,s Birim ktle bana izentropik trbin ii
X zelti konsantrasyonu
YA Yllk amortisman maliyeti
YAIK Yllk toplam kazan sl yk
2 Yanma odas basn kayplarnn kompresrk basncna oran
YAO Yllk amortisman oran
YBI Y
ll
k blgesel
s
tma
s
l ykYBIG Yllk blgesel stma ss sat geliri
YBS Yllk blgesel soutma sl yk
YBSG Ylk blgesel soutma ss sat geliri
YELM Yllk elektrik maliyeti
YEND Yllk endstriyel sl yk
YENG Yllk endstriyel s sat geliri
YE Yllk elektrik retim miktar
YSS Yllk scak su sl yk
YSSG Yllk scak su sat geliri
YTG Yllk toplam gelir
YYM Yllk yakt maliyeti
YYT Yllk yakt tketim miktar
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
26/250
xxvi
Ksaltmalar Aklama
AIK Atks kazan
An Anerji
ASID Alak scaklks deposu
ASS Absorbsiyonlu soutma sistemi
B Buharlatrc
BID Blgesel s deitiricisi
BIG Brayton sl g evrimi
BIGS Bileik Is-G Santralleri
BP Besleme pompas
BT Buhar trbini
Ek Ekserji
EKO Ekonomizer
EM Elektromanyetik evrim
G Jeneratr
GT Gaz trbini
GTS Gaz trbini sistemi
HK Hava kirlilii
HI Hava n stcs
IG Isl g evrimi
K Kompresr
KE Kinetik enerji
Y zgl yatrm tutar
P Pompa
PE Potansiyel enerji
SK Su kirlilii
TK Toprak kirlilii
TR Trafo
Y Youturucu
YO Yanma odasYSID Yksek scaklks deposu
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
27/250
1
1. GR
1850lerdeki sanayi devrimi arkasnda fosil yaktlarn kullanm hzl bir ekilde
artmaya balad. nce kmr, 2. Dnya Sava ardndan petrol, 1973 petrol krizi
sonrasnda ise doal gaz kullanm ncelikli hale geldi. Enerji verimliliinin genelde
dikkate alnmamas, ar fosil yakt kullanmna ve atmosfere youn emisyon
salnmlarna sebep oldu. 1930larda tam emisyon kontrol, 1960larda SO2
emisyonu, 1980lerde ise NOX emisyonu kontrolleri gncel evresel sorunlar haline
geldi. Kyoto protokolnn ardndan ise CO2 emisyon salnmlarnn snrlanmas en
byk sorun olarak ortaya kt. Allm toz, SO2, NOX emisyon kontrolleri ile ilgili
artma teknolojileri gelitirilmi olmasna ramen CO2 emisyonunun artlmas ile
ilgili ticari ynden uygulanabilir gelitirilmi bir teknoloji mmkn deildir.
CO2 salnmlarnn azaltlmasnn balca yollar, enerji verimliliinin artrlmas,
toplam enerji tketimindeki yenilenebilir enerji kaynaklarnn paynn artrlmas ve
hidrojen enerjisine geitir. Bu balamda birinci aamay toplam enerji kavramna
dayanan bileiks g uygulamalar ile dier enerji tasarruf salama teknolojilerinin
gelitirilmesi ve uygulamas oluturmaktr. Gnmz istatistiklerine gre mevcut
kmr rezervlerinin 200 yln zerinde, petrol rezervlerinin 40 yl, doalgaz
rezervlerinin ise 50 yl daha yetecei beyan edilmektedir. Hidrojen teknolojisinin
gelitirilmesi ile ilgili almalarda, hidrojenin 2075 yl ardndan fosil yaktlarn
yerini alaca ngrlmektedir.
Gnmz teknolojik koullarnda hidrojen enerjisi uygulamas en uygun koullarda
bile doal gaza kyasla 3 kat daha pahaldr. Petrol ve doal gaz fiyatlarndaki ar
art, hidrojen teknolojilerindeki gelimeler ile hidrojenin nmzdeki 20-30 yl
ierisinde doalgaz ile rekabet edebilecek bir duruma gelecei ngrlmektedir. Bu
nedenle hidrojenin ekonomik sektrlerin (konut, sanayi, ulam, tarm, enerji evrim
sektrleri) enerji alt yaplarna entegrasyonu ile ilgili teknik ve ekonomik
almalarn imdiden balatlmas byk nem tamaktadr. Hidrojen, hidrojen
birim ktle s enerjisi ve birim maliyeti en yksek enerji kaynadr. Bu nedenlehidrojen enerjisinin %100e yakn bir verimde kullanlmas ok nemlidir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
28/250
2
Tezin konusu olan almamzda, hidrojen enerjisinin srekli kullanlmas ve elektrik
ile endstriyel ve scak su retimi, k aylarnda blgesel stma ve yaz aylarnda
blgesel soutma uygulamas ile toplam yk faktrnn 1e olabildiince
yaklatrlmas amalanmaktadr. Bu ise blgesel stma ve soutma uygulamal,
bileiks g santralinin tasarmn ve gerekletirilmesini gerektirmektedir.
ekil 1.1.Yl boyunca tam ykte alan, blgesel stma/soutma uygulamalhidrojen yaktl bir bileiks g santrali sistem yaps ve balantemas
ekil 1.1.de yl boyunca tam ykte alan blgesel stma-soutma uygulamal
hidrojen yaktl bir bileik s g santralinin sistem yaps ve balant emas
verilmitir.
Burada K kompresr, YO yanma odasn, GT gaz trbinini, HK hava kirliliini,
HV
kompresre giren zgl hava debisini, AIK atk s kazann, Pel gaz trbininde
retilen elektrik miktarn, BID blgesel s deitiricisini, QEnd endstriyel sl
ykn, QBS blgesel soutma sl ykn, QBIblgesel stma sl ykn, QSS scak
su sl ykn gstermektedir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
29/250
3
ekil 1.2.Blgesel stma/soutma uygulamal bir bileiks g santralinin yllk
yk erisi ve yk faktr ( )9.0,1 BIGSYF
ekil 1.2.de ise blgesel stma/soutma uygulamal bir bileik s g santralinin
yllk yk erisi ve yk faktr gsterilmitir.
Burada QYakt toplam yakt sl deerini ve QAIK atk s kazan toplam sl ykn
gstermektedir.
Hidrojen kullanlan bir sistemde birim rn enerji maliyetinin minimuma indirilmesi
gerekir. ekil 1.3.de bir enerji dnm sisteminde birim rn enerji retim
maliyetinin sistem tasarm iletme vektrne bal olarak deiimi grlmektedir.
ekil 1.3de Csat birim enerji sat fiyatn, CTop birim enerji toplam
maliyetini,CAmr birim rn amortisman giderini, CYAK birim rn yakt giderini,
(XT)opt optimum tasarm iletme vektrn gstermektedir.
Tm sistemlerde olduu gibi Bileik Is G Santrallerinin uygulanabilirlii toplam
birim enerji retim maliyetinin CTop[TL/kWh] en dk konumda olmasna baldr:
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
30/250
4
ekil 1.3.Bir enerji dnm sisteminde birim rn enerji retim maliyetinin sistem
tasarm iletme vektrne bal olarak deiimi
DAmrYAKTopCCCkWhTLC ++=]/[ (1.1)
E.1.1den de grld gibi toplam retim maliyeti, yakt, amortisman ve bakm-
onarm, personel, sarf, revizyon vb. kalemleri ieren giderlerden olumaktadr.
Byk sistemlerde toplam retim maliyetinin drlmesi yakt ve amortisman
giderlerinin minimuma indirilmesine baldr. Birim rn yakt gideri
CYAK[TL/kWh]:
CYAK[TL/kWh]=][kWh/kWhy]*]/[
]/[BIGSU
Y
kgkWhyHkgTLg
(1.2)
E.1.2de Yg birim yakt fiyat, UH yakt alt sl deeri ve BIGS santral toplam
verimini gstermektedir. Santralin toplam verimi BIGS :
]/[*]/[
])[(
KGKJHSKGM
KWQQQP
uY
SSBSBIEndelBIGS
+++= (1.3)
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
31/250
5
Santral verimi retilen elektriin yannda, endstriyel sl yk, blgesel stma ve
soutma sl ykleri ile beraber artmtr. Toplam santral verimi artm olduundan
birim rn yakt maliyeti de azalm olacaktr.
Birim rn amortisman gideri ise Camr[TL/kWh] :
CAmr[TL/kWh]=]/[8760*][*][
]/1[*]/[*][
ahFkWP
aYAOkWTLYkWP
YKG
el
(1.4)
E.1.4deki yk faktr aadaki ekilde ifade edilir:
maxQ
QQQPF SSBSBIEndelY
+++= (1.5)
FY yk faktr 1e yaklatndan birim rn amortisman formlnden grld
gibi amortisman gideri azalmtr. Bylelikle yakt ve amortisman giderlerinin
azalmas ile minimum enerji maliyetinin, sistem veriminin (stma ve soutma
uygulamal bileik s g evriminde verim %95) ve yk faktrnn maksimum
(FY=1) olduu durumlarda gerekletii grlmektedir.
Bu almada 500 dairelik bir blgenin k aylarnda stlmas, yaz aylarnda
soutulmas ve tm yl boyunca scak su kullanmn salayacak ve yl boyunca
srekli 6,25 MW elektrik retecek, ara zamanlarda ve yl boyunca stma ve
soutmadaki deiimlerden ortaya kacak fazla buhar da sanayiye verecek, hidrojen
yaktl bir bileiks g santralinin teknik ve ekonomik analizleri yaplacaktr.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
32/250
6
2. ENERJ VE ENERJ MHENDSL
2.1. Enerji, Tanm, Kaynaklar, Dnm ve Uygulamalar
Bilim ve teknolojinin hzla gelitii gnmzde, en nemli konularn banda yine
enerji gelmektedir.Enerji alar boyunca tm toplumlarn, toplumsal yeniden retim
srelerinin en vazgeilmez girdilerinden birisi olmutur ancak enerjinin asl nemi,
arl ve etkisi endstrileme ile birlikte tarihte hibir dnemde grlmedik lde
artmtr. Enerji, basit olarak i yapabilme kapasitesi ya da yetenei olarak
tanmlanabilir. Canl-cansz herhangi bir maddenin bir noktadan bir baka noktaya
hareketi ya da fiziksel, kimyasal olarak bir ekilden baka bir ekle dnmesi bir
itir ve enerji kullanmn gerektirir.
Enerji mhendisliinin temel ilevi dorudan kullanlamayan, yakt (fosil, nkleer,
gnesel) veya enerji hammaddesi olarak tanmlanan birincil enerji kaynaklarndan,
ekonomik sektrlerde dorudan kullanlabilen ilenmi veya ikincil enerji trlerine
dntrlerek enerji ekonomisi ve evresel ynden uygun biimde sektrler
zerinden insanln hizmetine sunmaktr.
Yakt olarak tanmlanan birincil enerji kaynaklar, fosil yaktlar, nkleer yaktlar ve
gnesel yaktlar olmak zere 3 grup altnda toplanr. Dorudan kullanlabilen ya da
ikincil enerji tr olarak kullanlan enerjiler teknik yaktlar, s, mekanik enerji ve
elektrik enerjisidir. Teknik yaktlara rnek olarak kmrden retilen kok, kmr
gaz, petrolden retilen tat yaktlar, U235den retilen Pt239, Th232den retilen U233
verilebilir. Teknik yaktlar kat, sv, gaz biiminde olabilir. Teknik yakt enerji
evrim teknolojisi balamnda ham yaktn sfrnc trevi )(O
O
dT
Yd, s birinci trevi
)(1
1
dT
Yd, mekanik enerji ikinci trevi )(
2
2
dT
Yd, elektrik ise nc trevi )(
3
3
dT
Ydolarak
tanmlanabilir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
33/250
7
Kmr ham yakt olarak alnrsa, sfrnc trev dier bir anlatmla en dtaki teknik
yakt, teknik yakt balamnda kok kmr veya kmr gaz elde edilir. Bu bir eksik
yanma srecidir. Ham yaktn veya teknik yaktn yaklmas ile s kabuu
uzaklatrlr. Is kabuunun uzaklatrlmasnda emisyonlar aa kar ve bacadan
darya atlr. Bu emisyonlar fosil yaktlarda fosil, nkleer yaktlarda nkleer
emisyon trndendir. Bacadan atlan emisyonlar (toz, SO2, NOX, CO, CO2 vb.)
atmosferde dalr ve aaya doru yaarak hava kirliliini oluturur. Topraa
ulaan hava kirleticileri toprak kirliliine, suya ulaan kirleticiler su kirliliine neden
olurlar. Enerji dnm sistemleri bacalarndan atmosfere salnan emisyonlarn
yaratt hava, toprak, su kirliliklerinin ynetmeliklerle belirlenen snr deerlerini
amamas gerekmektedir.
ve elektrik kabuklarnn uzaklatrlmasnda veya ikincil ya da ncl trevsel
ilemlerde sadece atk s emisyonlar oluur ve bunlar soutma kulesi zerinden
atmosfere atlr. Ham yaktn ikincil enerjiye dnm ile ilgili ikincil enerji trleri
(teknik yakt, s, mekanik enerji, elektrik enerjisi), ilgili emisyon kabuklar (teknik
yakt, s kabuu, i kabuu, elektrik kabuu), emisyonlarn atmosfere atl biimleri
(baca, soutma kulesi), kirlilik (hava, toprak,su) oluum mekanizmalarekil 2.1de
gsterilmitir[1]. Kmr cevize benzetirsek, en dtaki yeil kabuk s kabuunu,
sert kabuk i kabuunu, en ierde zar biimindeki kabuk ise elektrik kabuunu temsil
eder. Cevizin ii ise elektrii gsterir.
ekil 2.2de ise balca enerji dnm sreleri, ikincil enerji trleri ile emisyon
trleri gsterilmitir. Yanma sreci ile yakttan s elde edilir. akkanna (yanma
gaz veya buhar) yklenen s, sl g evriminde (IG) beslenereksnn mekanik
enerjiye dnm gerekleir. akkannn yanma gaz olduu IGleri, Brayton
evrimi (gaz trbinli), i akkannn buhar olduu evrimler (buhar trbinli) ise
Rankine evrimi olarak adlandrlr. Trbin knda alnan mekanik enerji (i),
elektrik jeneratrnde (elektromanyetik evrim, EM) elektrie dntrlr.
retilen elektriin bir blm, enerji dnm srelerindeki i tketimi karlamak
zere srelere beslenir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
34/250
8
ekil 2.1. Ham yakt, ikincil enerji trleri ve ilgili emisyonlar [1]
ekil 2.2. Yaktn elektrie dnmdeki balca sreler, sistemler ve emisyonlar[1]
Fosil yaktn elektrie dntrld buhar evrimli sistemler, termik santral olarak
isimlendirilir. Nkleer yaktn elektrie dnt sistemler nkleer santraller, gne
enerjisinin elektrie dnt sistemler ise gne santralleri olarak tanmlanr.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
35/250
9
ekil 2.3de bir termik santralde yakt ssnn elektrie dnmndeki balca
kay plar gsterilmitir. Bunlar kazan sl kayb, buhar hat kayb, IG (Rankine)
kayb, mekanik kayp, jeneratr kayb, trafo kayb ve i tketimdir. Termik santral
ekil 2.3. Bir termik santralde yakt ssnn elektrie dnm ile ilgili enerji akdiyagram, enerji kayplar ve trleri [1]
net verimi aadaki biimde yazlr:
TTRJMIGHK
n
UY
elTSnet
HM
P ******
* 1===
=(2.1)
E. 2.1de K kazan verimini, H buhar hat verimini, IG sl g sl g verimini,
M mekanik verimi, J jeneratr verimini, TR trafo verimini ve T i tketim
verimini tanmlar.
En nemli ikincil enerji, elektromanyetik sre zerinden mekanik enerji (i)
kullanlarak retilen elektrik enerjisidir. Isnn termodinamiin 2.yasasna gre ancak
belli bir blm ie dnebilir. Bunun iin yksek s deposunda (yanma odas)
yanma sreci ile oluturulan snn bir IG zerinden dier bir alak s deposuna
(atmosfer) gemesi gerekir. IG nin tersinir olmas durumunda (Carnot evrimi)
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
36/250
10
snn ie dnen blmne ekserji (i potansiyeli, canl enerji), atmosfere atlan
blmne ise anerji (l enerji) denir.
Bir Carnot evriminde s, ekserji ve anerji kavramlar, evrim yapsekil 2.4de
gsterilmitir.
evrimi oluturan srelerdeki tersinmezliklerden kaynaklanan ve s biiminde
atmosfere atlan ekserji kaybnn gnmz teknolojilerinde en az dzeye indirilmesi
enerji mhendisliinin balca ura alandr. Ekserji kayplar, d ve i kayplar
olarak 2ye ayrlr. D kayplar, i akkan dnda olan kayplar, i kayplar ise i
akkan dzensizlikleri, basn dalgalanmalar, srtnme, yn deitirme, hzlanma-
yavalama, ve scaklk dalgalanmalardr. Ekserji kayplar ARGE ile, Bileik Is-
G Santralleri (BIGS), blgesel stma ya da blgesel soutma ile geri kazanlabilir.
ekil 2.4. Tersinir srelerden oluan ideal birsl-g evriminde Carnot evrimienerji ak diyagram diyagram
Gerek birsl-g evrimindeki enerji ak diyagram ise ekil 2.5 de gsterilmitir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
37/250
11
ekil 2.5. Bir gerek IG deki enerji ak diyagram, ekserji kayplar ve ekserji gerikazanm yaklamlar
Enerji dnm sistemi tasarmnda ve optimizasyonunda bilinmesi gereken en
nemli soru, snn yanma odasndaki doum srecinde sahip olduu maksimum
ekserji boyutu ile sistemden elektrik biiminde alnan ekserjinin bilinmesidir. kisi
arasndaki fark ekserji kaybn oluturur. Bu ise ideal ekserji geri kazanm
potansiyelini verir. Yaktn yanmas ile aa kan snn ekserjisi, IG ne giren i
akkan scakl ile dk s deposu scakln tanmlayan atmosfer scaklna
baldr. akkan olarak dorudan yanma gazlar (Brayton evrimi) veya bu
yanma gazlar ile kazanda retilen buhar (Rankine evrimi) kullanlr.
akkan scaklnn st boyutu enerji dnm sistemlerinin (kazan, trbin kanad
vb.) malzemesi tarafndan belirlenir. Buhar kazanlarnda kzdrc malzeme
scaklklar 650OC nin zerine karlamamaktadr. Gnmzde kzgn buhar
scakl 550OC dolaynda tutulmaktadr. Gaz trbini (GT) kanat soutma
uygulamalar ile yanma gaz trbin scaklklar son 30 yl ierisinde 900O
C dan1400OC a kadar kartlabilmitir. Bu scakln daha yukarlara ekilebilmesi iin
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
38/250
12
kanat soutma teknikleri ve malzeme gelitirme almalar youn bir biimde
devam etmektedir.
ekil 2.6da bir buhar trbini genleme srecinde ekserji kazanm davran ve
bileiks g uygulamasnn yaklam gsterilmitir.
Ara buhar almadan genlemeye devam edilmesi durumunda trbin boyutu 5 kat
artmasna karlk ek kazanlacak elektrik enerjisi %10-20 dolaynda olacaktr.
Yatrm ekonomisi ynnden bu savunulamaz. Bu nedenle bileik s g
uygulamasna geilmesi enerji ekonomisi ynnden en uygun yaklamdr. 550-
300OC arasnda elektrik retilir. 300-100OC arasnda endstri buhar, 100OC altnda
snn ise blgesel stma-soutmada kullanlmas en uygundur. Bylelikle youmal
termik santral verimi %40 lardan bileiks-gce dntrldnde toplam verimin
%90 lara kadar karlma olana vardr.
2.2. Enerji Dnmnde Bileik Is-G Santrallerinin nemi
Sosyal ve ekonomik sebeplerden dolay kentlerde hzl nfus art ve konutlardaki
hzl dikey byme sreci, kentlerde elektrik yknde, konutlarda ve sanayide s
yklerinde kmelemelere neden olmutur. Ayrca evre kirlilii-toprak, hava, su,
grlt- ile beraber byk kentlerde olumsuz artlar olumutur. Her bir sorunun
zm iin ayr ayr yatrm yapmak kaynak yetersizliinden imkanszdr. Bu
nedenle BIGS, nfus younluunun yksek, konut dalmnn dikey ynde olduu,
s
iletim-da
t
m hatt
n
n oluturulmas
n
n ve elektrik, sanayi
s
s
, konut
s
tmassnn birlikte retiminin uygun olduu, kullanlan yakt bakmndan esneklik
istenen, enerji ekonomisine ncelik verilen durumlar iin tek zmdr [2].
Bileik Is ve G uygulamalar ile s ve elektriin ayr ayr retildii s ve g
santrallerini karlatrlrsa:
Yatrm Maliyeti: Is ve elektriin ayr ayr retildii durumda, elektrik ihtiyacnn
karlanmas iin elektrik g santraline-termik santrale-, konutlardaki s yknn
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
39/250
13
ekil 2.6. Bir buhar trbininde teorik ve gerek genleme profili, ara buhar alma,genleme boyunca ekserji deiimi srecinde ekserji kazanm davran
ve bileiks- g uygulama yaklam
karlanmas iin ayr bir kazana, kazan dairesine ve yakt depolarna, endstriyel s
yknn karlanmas iin de endstri kazanna ihtiya duyulacaktr. Oysa BIGS ile
tek bir tesis kurulacak ,elektrik ve s ykleri de inaat ve tesisatn ilk tesis
maliyetinin azaltlmas ile yani minimum yatrmla karlanm olacaktr.
Hava Kirlilii: Is ve elektriin ayr ayr retildii durumda,baca says artacak ve
hava kirlilii en yksek seviyede olacaktr. BIGS ile daha az ve daha yksek baca ile
hava kirlilii azalacaktr.
Yakt Esneklii: Is ve elektriin ayr ayr retildii durumda, standartlarda ngrlen
emisyon snr deerlerinin salanmasna elverili Standart Yakt kullanm esastr.
(rnein Standart kmr:sl deer,nem,uucu,kl, kkrt oran,tane bykl vb.
konularda standartlara uygun kmr anlamndadr) Bu da maliyeti artrr nk
Standart Yakt ilgili ynetmelik ve standartlara uymay gerektirdiinden pahaldr.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
40/250
14
BIGSde ise p ve atklar da dahil olmak zere her trl yakt yaklabildii gibi
alternatif enerji kaynaklarnn-gne enerjisi, nkleer enerji, jeotermal enerji, atks-
kullanmna da mmkn olduundan yakttan tasarruf salanm olur. Ayrca temiz
yakma ynnden gerekli yanma kontrol sistemleri ve baca gaz artma sistemleri
uygulanabildiinden yakt konusunda esneklik problem yaratmamaktadr.
Enerji Dnm: Enerjinin dnm BIGSde en yksek dzeydedir, nk s ve
termik santrallerde yakttan salanan s enerjisinin %60 kadar evreye
atlmaktadr. Dolaysyla toplam verim BIGSde maksimum dzeydedir.
letme,Bakm ve Onarm:Sadece blgesel stmann sz konusu olduu durumda her
bina iin ayr ayr yakt temini, yakma sonucu kl nakli sorunu, kazan dairesi
iletmecilii yani uzman kaloriferci ihtiyac gerekecek, BIGS uygulamalarnda ise bu
sorunlar ortadan kalkm olacaktr. Buna bal olarak iletme giderleri azalacaktr.
Ayrca bakm ve onarm da BIGSde azalm olacaktr.
BIGS uygulamasnn yatrm, iletme, enerji ekonomisi ve evresel etki boyutlar
ynnden avantajlar, bireysel stma (konut ekli) ile kyaslanarak izelge 2.1 de
zetlenmitir.
2.3. Bileik Is-G Santrallerinin Snflandrlmas
Aada bileiks g retimi iin kullanlabilecek sistemler snflandrlm ve ele
al
nm
, teknik ve ekonomik ynden kar
lat
r
lm
t
r [3].
2.3.1. Buhar evrimli bileiks-g santralleri
Arka basnl bileiks-g santralleri
Bu sistemler, s ve elektrik istemlerinin zamanla ve birbirlerine oranla deimedii
durumda seilir. Kar basnl evrimde buhar, trbin knda stma scaklna
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
41/250
15
izelge 2.1. BIGS uygulamasnn, bireysel stmaya gre yatrm, iletme, enerjiekonomisi ve evresel etki boyutlar ynnden avantajlar
Bireysel Istma
(Konut ekli)
Bileik Is G
Uygulamas
Bilgi Birikimi Min. Max.
Sermaye Min. Max.
Teknoloji Min. Max.
letme,Bakm
ve OnarmMax. Min.
Enerji Dnm ve
Kullanm Verimi Min. Max.
Baca Says Max. Min.
Hava Kirlilii Max. Min.
Yakt Cinsi Standart (Pahal) yakt kullanm Her trl yakt kullanm
Yakt Esneklii Yok Var
Yakt Tketimi Max. Min.
Konfor Min. Max.
Yatrm Giderleri Min. Max.
letme Giderleri (yakt) Max. Min.
kar gelen doyma basncnda youturulur. Srekli sl yk olan bu sistemde,
youturucu stma ebekesine verilen snn kayna olur. Sadece elektrik ve stma
yk iin deil, yazn soutma yknn karlanmas iin de kullanlrsa daha
uygundur. Kar basnl buhar evriminin sl verimi %20 dolaylarndadr ve bu tr
sistemlerin elektrik retim gleri 1 ile 10 MW arasnda deiir. retilen elektrik ya
da snn miktar trbinden geen buhar debisini azaltarak yada oaltarak deitirilir.
Soutma kulesi uygulamas olmadndan kk, dk yatrml iletmelerde
kullanm daha uygundur. Arka basnl buhar evrimi ekil 2.7 degsterilmitir.
Sistemin toplam verimi aadaki ekilde ifade edilir:
UY
elBIGS
HM
QP
*
+= (2.1)
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
42/250
16
ekil 2.7. Arka basnl buhar evrimli bir BIGS nin akm ve balantemas [3].
Ara buhar almal-youturuculu bileiks-g santralleri
Ara buhar almal youturuculu buhar evriminde youturucu basnc atmosfer
basncnn ok altndadr. Buhar 30-40 OC arasnda bir scaklkta youur. Istma
enerjisi ise daha yksek bir basnta trbinden ayrlan buhar ile salanr. Ara buhar
almal buhar evriminin sl verimi %20-30 arasndadr, elektrik retim gc ise 10-
50 MW arasnda deiir. Trbinden ayrlan buhar miktar azaltlarak veya
oaltlarak retilen elektrik miktar deitirilebilir. Bu bakmdan ara buhar almal
evrim alma sresince deien s ve elektrik yklerini karlamada daha esnektir.
Soutma kulesi gerekliliinden yatrm maliyeti daha fazladr. Ara buhar almal
youturuculu buhar evrimi santralinin yapsekil 2.8 de verilmitir.
Sistemin toplam verimi aadaki ekildedir:
UY
elBIGS
HM
QP
*
+= (2.2)
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
43/250
17
ekil 2.8. Ara buhar almal youturuculu bir BIGS nin akm ve balantemas [3].
2.3.2. Gaz evrimli bileiks-g santralleri
Gaz trbinli-atks kazanl bileiks-g santralleri
Bu sistemde GT den kan yksek scaklktaki egzoz gazlar bir atks kazannda
buhar veya scak ya da kzgn su retmek iin kullanlr. Elektrik retim gc 2-50
MW, sl verim ise %25-%30 arasndadr. Trbin kna konabilecek bir
ynlendirme mekanizmas ile atk gazlar s gereksiniminin az olduu zamanlarda
kazana gnderilmeyerek dorudan atmosfere verilebilir. Bileik s g retiminde
kullanlan gaz trbinleri uak motorlarnn tasarmna dayanan trden ya da yer
santrallerinde kullanlan ar trden olabilir. Gaz trbinli-atk s kazanl bileik
IGne ait ema, ekil 2.9 da verilmitir.
Sistemin toplam verimi aadaki ekildedir:
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
44/250
18
ekil 2.9. Gaz trbinli-atks kazanl bir BIGS nin akm ve balantemas [3].
UY
elBIGS
HMQP
*+= (2.3)
ten yanmal motorlu, gaz evrimli bileiks-g santralleri
Bileiks g retiminde son yllarda yaygnlaan bir baka uygulamasekil 2.10
da grld gibi dizel veya gaz motoru ile atk s kazannn kullanlmasdr. Bu
dzenlemede motorun egzoz gazlar bir atk s kazanndan geirilerek buhar veya
scak su retmek iin kullanlr. Ayrca motorun soutma suyundan scak su retimi
iin yararlanlabilir. Elektrik retim gc 0.5 ile 10 MW, sl verim ise %40 ile %50
arasndadr. Burada da atk gazlar s gereksiniminin az olduu zamanlarda bir
ynlendirme mekanizmas ile dorudan atmosfere verilebilir. Dizel veya gaz
motorlarnda yakt seenekleri motorin, doalgaz, LPG ve naftadr.
Sistemin toplam verimi:
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
45/250
19
ekil 2.10. ten yanmal motorlu, gaz evrimli bir BIGS nin akm ve balantemas [3].
UY
elBIGS
HM
QP
*
+= (2.4)
2.3.3.Kombine gaz-buhar evrimli bileiks-g santralleri
Gaz trbinli sistemlerin egzoz klar 400-500 OC scaklk dolaylarndadr. Trbin
kndan bir atk s kazan araclyla istenen artlarda doymu buhar ve/veya
scak su elde edilir. Buradan elde edilen buhar ve/veya scak suyun dorudan
proseste kullanlmas verimin maksimum olduu en ekonomik zmdr. zellikle
Avrupada elektrik sisteminin ebekeyle senkronize alabilmesi iin gerekli yasal
dzenlemeler tamamlanm olduundan firmalarn fazla elektrii ebekeye satmas
veya ebekeden elektrik takviyesi alabilmesi mmkn olmaktadr. ebeke elektrik
fiyat da kaaklarn az olmasndan dolay ucuz olduu iin sistem seimi atksnn
tamam kullanlabilecek ekilde yaplr ancak lkemiz artlarnda ebeke elektrii
ok pahal olduu iin sistem elektrik gereksinimine gre seilmektedir. Dolaysyla
gaz trbinli kojenerasyon sistemlerinin oranca yksek olan sl kndan elde edilen
buharn dorudan proseste kullanlmasna ihtiya duyulmadnda, GT atk s
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
46/250
20
sistemine balanan buhar trbini ile kojenerasyon sisteminden daha fazla elektrik
retilebilir. Bu prensiple alan sistemlere kombine evrim santralleri denir. Byle
bir tesisin ekli ekil 2.11 de verilmitir.
ekil 2.11. Kombine gaz-buhar evrimli bir BIGS nin akm ve balantemas [3].
Sistemin toplam verimi:
UY
BTELGTELBIGS
HM
QPP
*
++= (2.5)
eklinde ifade edilir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
47/250
21
3. HDROJEN, HDROJENN YANMASI VE ISIL HESAPLARI
3.1. Hidrojen Enerjisi ve zellikleri
almamzn konusu olan ok amal BIGS de (elektrik, endstriyel s,
stma/soutma slar, kullanm scak su retimleri) yakt olarak hidrojen
kullanlacaktr.
Hidrojen dnyada bileenler biiminde bol miktarda bulunmasna karn serbest
biimde bulunmamaktadr. Suyun %11i, metann %25i, kmrn %1-5i, petroln
yaklak %15i hidrojenden olumaktadr. Bu hidrojen kaynaklarndaki hidrojen
balanma enerjisi en fazla suda bulunmaktadr. Bu bileenlerden hidrojeni zerek
serbest hale getirmesi iin dardan verilecek ikincil enerjiye gereksinim vardr. Bu
enerjiler elektrik, s, gne ma enerjisidir. En ucuz hidrojen retimi, en ucuz
hidrojen kayna ve en ucuz d enerji kullanm ile salanabilir. Bu kombinasyon
ise, suyun hidrojen kayna ve foton biimindeki gne ma enerjisinin ayrma
enerjisi olarak kullanlmasdr. Bu kombinasyon hidrojen enerjisi retiminde en u
aama olup, dnya enerji ve evre sorununu tmden zecek bir yaklamdr. Byle
bir teknolojinin gelitirilmesi nmzdeki onyllar veya yzyllarn sorunudur.
Enerji ihtiyac, ilk alarda ok snrl ve dk oranda olmasna karn yirminci
yzyln balarndan itibaren zellikle sanayi devriminin ardndan ortaya kan hzl
ehirleme sreci ile birlikte insanlk, hayatn her alannda kendini hissettiren
enerjinin artk artan insan nfusuna yetmeyecek kadar azalmas ve alternatif enerji
kaynaklarnn yeterince temin edilememe problemi ile kar karyadr.
Aratrmaclar kullanlan ve bitmek zere olan allm enerjiye alternatif enerji
kaynaklar arama yoluna gitmilerdir. Yaplan hesaplamalara gre dnya fosil enerji
kaynaklarndan petrol rezervlerinin yaklak 41 yl, doalgaz rezervlerinin 67 yl,
kmr rezervlerinin ise 200 yl kadar yetecei ngrlmektedir. Ayrca fosil
yaktlarn evreye verdii ciddi zararlar sonucunda, doada her geen gn yeni bir
problem gndeme gelmekte, doal evre ve tm canl organizmalarn varln tehditeden bu problemler, onarlmas zor, hatta kalc hasarlar oluturmaktadr. Fosil yakt
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
48/250
22
rezervlerindeki azalla beraber fiyatlar da hzla ykselmekte, bu durum da herkesin
btesini etkilemektedir. Bu nedenle fosil yaktlar artan dnya nfusu ve orantl
olarak artan enerji gereksinimini karlayamamaktadr. Dnyann yeni bir yakta
ihtiyac vardr. Yaplan tm bilimsel aratrmalar doaya zarar vermeyecek,
teknolojik gelimelere paralel olarak tm uygulama alanlarnda maksimum enerji
ihtiyacna cevap verebilecek, fosil yaktlarn evreye verdii kalc zararlar yok
etmeye yardmc olabilecek ideal bir enerji kaynann en ksa zamanda tm
uygulama alanlarnda kullanlmas gerektii sonucunda birlemektedir [4].
deal enerji kaynann zellikleri aada verilmitir. deal enerji kayna:
evreye zarar vermemeli
gelien teknolojinin uygulama alanlarnda etkin bir biimde kullanlabilmeli
doada bol miktarda bulunabilmeli ve srekli yenilenebilmeli
tanabilmeli, depolanabilmeli, sorunsuz kullanlabilmelidir.
Hidrojen ana gei srecinde hidrojenin retimine paralel olarak hidrojenle ilgili
yukarda verilen ideal yakt zelliklerini kazandran teknolojilerin gelitirilmesi
gerekmektedir [4].
evrenin doallnn bozulmamas ve insanln kstlanmadan geliimini
srdrebilmesi iin buna benzer birok parametrenin bir arada bulunmas gerekir. Bu
zelliklerin ounu tayan en gl enerji tayclarndan biri olarak hidrojen
grlmektedir. nmzdeki a, kirlilik yaratmayan, temiz, dnyada sonsuz
miktarda olan bir yenilebilir enerji kayna olan hidrojen adr.
Hidrojen bir birincil enerji kayna olmay p dier birincil veya ikincil enerji
kaynaklarndan yararlanlarak deiik hammaddelerden retilebilen teknolojik bir
yakttr. Bu sebeple de enerji kayna olarak deil enerji taycs olarak adlandrlr.
Doada tek olarak bulunmayan hidrojen su,petrol, doalgaz, hidrokarbonlar, kmr,
biyoktle, metanol, amonyak vb. nin bileiminde bulunur. Bu nedenle de saf olarak
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
49/250
23
hidrojenin elde edilmesi iin bileiminde bulunduu maddelerden ayrtrlmas,
ayrtrma ilemi iin de enerji gerekmektedir. (elektrik enerjisi, s enerjisi, gne
enerjisi, nkleer enerji vb.)
Hidrojenin zellikleri aada zetlenmitir [4-6].
a. Hidrojen renksiz,tatsz, kokusuz, saydam yapda ve zehirleyici olmayan bir
yakttr. Yand zaman sadece su buhar aa ktndan yanma rnlerinin de
zehirleyici etkisi yoktur. Hidrojen karbon ve slfr iermedii iin yanma rnleriarasnda SO2, CO2, CO ,HC ve uucu organik kimyasallar yoktur.
b. Yksek alev hz ve tutuma yetenei, dk ateleme enerjisi gerektirmesi,
geni tutuma ve yanma snrlar, yksek sl deer ve termik verim, kirletici egzoz
gaz emisyonlarnn azl hidrojenin en nemli zellikleridir.
c. Dnyann nndeki en nemli evre sorunu fosil yakt kullanmndan
kaynaklanan CO2 emisyonu ve su buharyla sera etkisinin yaratt kresel snmadr.Hidrojenin yanmas ile CO2 ortaya kmaz.
d. Hidrojen saf oksijenle yanarsa yanma rn evreye hibir zarar olmayan su
buhardr. Kl oluumu yoktur. Hava, toprak, su kirlilii yaratmaz. Hidrojenin yanma
ilemi saf oksijenle olmasa bile tek emisyonu yksek scaklklardaki NOX kirliliidir.
Bunun nlenmesi de kademeli yakma, yanma odasna buhar enjeksiyonu ile mmkn
olabilmektedir.
e. Hidrojenin yakt olarak kullanlmasnda yarar salayacak en nemli
zelliklerden birisi de, hidrojenin ok fakir karmlardan, ok zengin karmlara
kadar uzanan geni hava-yakt karm oran aral ierisinde tutuabilir olmasdr.
Hava fazlalk katsaysnn 0,15 4,35 deerleri arasnda tutuma salanabilmektedir.
Hidrojen hava karmlarn atelemek iin gerekli minimum enerji miktar da dier
yaktlara oranla daha dktr.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
50/250
24
f. Hidrojenin difzyon hznn yksek olmas nedeni ile, homojen hava-yakt
karm salamak kolaydr.
g. Hidrojenin yanma verimi ok yksektir, kayplar azdr. Ayrca hidrojen-hava
karmlarnn sahip olduu yksek yanma hzlar nedeniyle yanma sresi ksalacak
ve dolays ile s kayplar azalacandan termik verimde art grlecektir.
h. Enerji depolama asndan s ve elektrik byk kayplara urar. Is uzun sre
depolanamad gibi elektrik de ancak aklere doru akm olarak depo edilmektedir
ki bu da az miktarda olmaktadr. Alternatif akm olarak ise depolanabilmesi pratik
deildir. Hidrojen ise sv, gaz ya da metal hidratlar formunda depolanabilir.
i. Hidrojen doadaki en hafif elementtir. Gaz halindeki hidrojen ayn hacimdeki
havadan yaklak 15 kez daha hafiftir (standart scaklk ve basnta younluu
0,08376 kg/m3 ), ancak hacimce daha byktr. (1 kg H2 oda scaklnda yaklak
11 m3 yer kaplar)
j. Hidrojenin birim ktle bana enerji ierii dier yaktlara gre en fazla olan
yakttr. (st sl deer 141,9 MJ/kg)
k. Hidrojen uaklarda, roketlerde, otomobillerde, vapurlarda ve trenlerde
kullanlabilir. Otomobil motorlarnda kullanldnda fosil yaktlardan daha yksek
verimle mekanik enerjiye evrilebilir. Sv hidrojen uaklar ve roketler iin daha
uygundur.
l. Maliyet bakmndan da yeni enerji kaynaklar ve hidrojen retimi yakn
gelecekte decektir.
Hidrojene ait fiziksel ve kimyasal zellikler izelge 3.1de verilmitir [7].
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
51/250
25
izelge 3.1. Hidrojenin fiziksel ve kimyasal zellikleri[7]
Kimyasal Denklemi H2C/H oran 0Molekler Arlk kg/kmol 2,016Younluk (gaz) kg/m3 0,0838st Isl Deer Mj/kg 141,90
Mj/m3 11,89Alt Isl Deer Mj/kg 119,90
Mj/m3 10,05Buharlama Iss Mj/kg 0,447Kaynama Noktas K 20,3Donma Noktas K 14
Younluk (s
v
fazda) kg/m
3
70,8Kritik Nokta DeerleriScaklk K 32,94Basn Bar 12,84Younluk kg/m3 31,40Tutuma Scakl K 858Tutuma Snrlar %hacimHava Fazlalk Katsays
--
4,1-740,15-4,35
Alev Scakl K 2318Laminer Alev Hz m/s 2,91Yaylma Katsays cm2/s 0,61
3.2. Hidrojen retim Yntemleri
Hidrojen doada tek olarak bulunmaz. Su, petrol doalgaz, hidrokarbonlar, kmr,
biyoktle, metanol, amonyak vs. nin bileiminde bulunur. Bu nedenle hidrojenin bu
bileiklerden ayrtrlmas, ayrtrma ilemi iin de enerji (elektrik enerjisi, s
enerjisi, gne enerjisi, rzgar enerjisi, dalga enerjisi, nkleer enerji, jeotermal enerji)
gerekmektedir. ekil 3.1de basit olarak hidrojen retim yntemleri gzkmektedir.
Hidrojen retim yntemleri aadaki ekilde snflandrlabilir:[7].
1. Termokimyasal Yntemler
2. Elektrokimyasal Yntemler
3. leri Yntemler
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
52/250
26
ekil 3.1. Hidrojen retimi ile ilgili balca enerji ve hammadde girdileri
3.2.1. Termokimyasal hidrojen retim yntemleri
Metandan kimyasal proseslerle hidrojen retimi
Bu yntem hidrojen retiminde en yaygn, en ucuz olarak kullanlan yntemlerden
biridir ve %97 orannda metandan retim salanr. Hidrojen retimi 3 aamada
gerekleir [7].
a. Metan gaznn su buhar ile reaksiyonu
Genel olarak hidrokarbonlarn su buhar ile reaksiyonu u ekildedir:
CnHm + n H20 n CO + ( n+m/2 ) H2
Hidrojen retim metodunda doalgaz yani metan kullanlaca iin yukardaki
denklemde n=1 ve m=4 alnarak aadaki reaksiyon elde edilir:
s + CH4 + H2O CO + 3H2
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
53/250
27
Bu aamada metan gaz 800-900 oC scaklklar arasnda buharla ve bir katalizrle
genel olarak kararl, yksek aktivitede bir element olan nikel ile- reaksiyona girer.
Bu reaksiyonda hidrojen oluumu metan (CH4) ve sudan (H2O) gelmektedir.
Reaksiyon endotermik yani s gerektiren bir reaksiyon olup ihtiya duyulan
enerjinin bir ksm metan gaznn yanmas ile elde edilir. Bu reaksiyon sonucunda
karbonmonoksit (CO) ve hidrojenden (H2) oluan bir sentez gaz elde edilir.
b. Karbonmonoksitin ( CO ) su ile yer deitirme reaksiyonu
Hidrojen konsantrasyonunun artmas iin oluan sentez gaz tekrar su buhar ile yer
deitirme reaksiyonuna girer, yani bir nceki aamada meydana gelen CO, su buhar
ile birleerek CO2 ve hidrojen oluturur.
CO + H2O CO2 + H2 + s
Bu reaksiyon egzotermik bir reaksiyon olup 2 kademeli ara soutmal adiyabatik yer
deitirme reaktrnde gerekleir. 1. kademe reaktr 350-550oC arasnda alr ve
yksek scaklk reaktr olarak bilinir. Reaktrde FeO2 katalizr grevi grr. 2.
kademe reaktr 150-250oC arasnda alr ve dk scaklk reaktr olarak bilinir.
Bu reaktrde de CuZn katalizr grevi grr.
c. Hidrojenin arndrlmas
Doalgazn katalitik buhar reformasyonu ile hidrojen retimi metodunda son
aamada dk scaklk kademesindeki yer deitirme reaktrnden elde edilen
rnler arndrlr. Bu proseste oluan emisyonlar CO2, CO, CH4, NOx, kurum, SOx
dir. Karbon yakalama ve toplama metodu ile bu yntem evreye daha az zararl hale
getirilebilir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
54/250
28
Kmrn gazlatrlmas
Fosil yaktlar ierisinde en yaygn ve en bol bulunan kmrdr. Kmr primer
enerjinin %23 n karlamaktadr. retilen elektriin %38 i kmrden elde
edilmektedir. Dnyann %70 elik retimi kmr rezervlerine baldr. Kmrn
gazlatrlmas hidrojen retiminde kullanlan en eski yntemlerden biridir. Bu
yntemde kmr yaklak 900oC scaklkta ve yine yksek basnta, snrlar ok
dikkatlice kontrol edilmi miktarda oksijen ya da havaya ve buhara maruz braklr.
Bu artlar altnda reaksiyon srasnda kmrden karbon moleklleri ayrmaya
balarken, CO, H2 ve dier gaz bileenlerin olumasn salayan bir dizi reaksiyon da
harekete geer. Hidrojen ieriinin zenginletirilmesi iin su, CO2 yer deitirme
reaksiyonlar gelimi reaktrlerde gerekleir. Prosesteki CO2, NOX, SO2
emisyonlar metandan hidrojen retimine gre daha fazladr. zellikle meydana
gelen CO emisyonlarnn tamamna yakn CO2 e dntnden CO2 emisyonu ok
daha fazladr. Ardndan oluan sentez gaz arndrlr ve saf hidrojen elde edilir [7].
Biyoktlenin gazlatrlmas
Biyoktlenin (odun, ot, tarmsal ve hayvansal atklar vs.) gazlatrlmas ileminde
ayn kmr gibi biyoktle de belli miktarda oksijenle yksek basnta ve scaklkta
kartrlarak CO2, CO ve CH4 den oluan bir sentez gaz elde edilir. Arndrma
ilemlerinden sonra reformasyonla hidrojen elde edilir. Bu yntem ok dk
maliyetli bir retim metodudur. Hammadde ucuz yenilebilir bir kaynaktr [7].
Biyoktlenin pirolizi
Bu proses odun, buday sap ve pamuk sap gibi sellozik atklarn (biyoktlenin)
450-550OC gibi yksek scaklklarda piroliz edilmesi ve piroliz rnnn 825-
875OCde katalitik buhar yaplandrmas ile hidrojen retilmesi esasna dayanr. Bu
amala kullanlan katalizrler arasnda MgO-La2O3-Al2O3 katalizrleri zerinde
desteklenen nikelin, hidrojen retim verimi zerinde en etkili katalizrler olduutespit edilmitir. Bu proses 2 aamadan meydana gelir. 1. aama sellozik atklarn
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
55/250
29
pirolizi, 2. aama ise elde edilen piroliz rnnden buhar reformasyonu ile hidrojen
retilmesidir.
Piroliz ileminde biyoktle, 450-550OC arasnda ve reaksiyon sonundaki uucu
buharla ksa bir sre hzl bir ekilde stlmaktadr. Byle bir ortamda sv rnn
verimi %75e kadar kmaktadr. Geriye kalan %25 ise tortu ve gaz olmaktadr. Elde
edilen biyoyan karbonhidrattan tretilmi sulu oranna piroliz ya denir. Piroliz
ya % 46.8 karbon, % 7.4 H2 ve % 6.8 O2 ierir. Piroliz yana 2/1 orannda su
ilave edilerek ya sulu ve organik maddelere ayrlr. Sulu karmdan da katalitik
buhar reformasyonu ile hidrojen retilmektedir [8].
Hidrokarbonlarn ksmi oksitlenmesi
Hidrokarbonlarn ksmi oksitlenmesi, bir termal ayrtrma ilemidir ve sonucunda da
hidrojen ve tane halinde temiz kmr elde edilir. Hammadde olarak doalgaz, petrol
ve metanol kullanlr. Prosesin CO ve CO2 emisyonu yoktur, ancak doalgazn
katalitik buhar reformasyonuna gre ok daha pahaldr ve daha fazla enerji gerektirir
[7].
3.2.2. Elektrokimyasal hidrojen retim yntemleri
Suyun elektrolizi
Elektroliz, kendiliinden olumayan redoks reaksiyonlarnn bir d kaynaktan
salanan elektrik enerjisi ile oluturulmas ilemidir. Suyun elektrolizi de bir elektrik
akm ile bir dizi kimyasal reaksiyonun gerekletii elektrokimyasal bir prosestir.
Bir elektroliz ileminde bir katot ( negatif elektrot ) ve bir de anod ( pozitif elektrot )
vardr. Katot d devreden elektron alarak evresindeki zeltide negatif iyonlarn
olumasn salar. Anotta ise d devreye elektron verilir ve blgesindeki pozitif
iyonlar artm olur. Katot elektrolitteki indirgenmeyi-elektron kazanmn-, anot ise
elektrolitteki ykseltgenmeyi elektron kaybedi- salar. Fiziksel olarak prosesanlatlacak olursa 2 elektrot suyun ierisine batrlr. Elektrik iletkenliinin
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
56/250
30
salanmas iin suya ok az miktarda H2SO4 katlr. Elektrotlar bir g kaynana
balanr. Elektronlar elektrik kaynandan, elektrotlardan birine doru hareket
ederek bu elektrodu negatif yklerler. Negatif yklenen elektrot katottur ve
indirgeme yar reaksiyonu iin elektron salar. Su moleklleri katotta indirgenerek -
elektron kazanarak- hidrojen gaz olutururlar. G kayna dier elektrot aracl
ile elektronlar iter ve elektrot pozitif yklenerek anodu oluturur. Anotta su
moleklleri oksijene ykseltgenir, elektron kaybeder. Katot ve anotta meydana gelen
ykseltgenme-indirgenme denklemleri aada verilmitir [7]:
Ykseltgenme reaksiyonu-anot: 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e-
ndirgenme reaksiyonu-katot: 4 H2O + 4 e- 2 H2 + 4 OH
-
Suyun elektrolizi ile hidrojen retimi ok pahal bir yntemdir ancak ileride bu
retim metodunda ilerleyen teknoloji ile maliyetler decektir. Yntemin en temiz
hidrojen retim yolu olabilmesi iin elektrolizde kullanlan elektrik enerjisinin gne
(en uygun olan enerji), rzgar, dalga, jeotermal, hidrolik vb. alternatif enerji
kaynaklarndan retilmesi gerekmektedir .
Termokimyasal evrim
Yksek scaklk reaktrlerin en ideal uygulamas termokimyasal metotlar yardm ile
sudan hidrojen retebilmeleridir. Son yllarda kapal evrim yolu ile suyun
termokimyasal ayrtrlmas yntemi dikkatleri ekmektedir. Termokimyasal
proseslerde sl enerji ilk olarak mekanik enerjiye dnmeksizin kimyasal enerji
(hidrojen) formuna dnmesi yntemidir. Birincil enerji kayna olarak yksek
scaklk reaktrleri ya da gne enerjisi s yoluyla hidrojen retimini
salamaktadrlar. Burada birincil enerjiden alnan syla hidrojen retiminin
termokimyasal srelerle yaplmas elektrolizle suyun ayrtrlmas yntemine gre
daha yksek verimlidir.
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
57/250
31
Sudan yksek scaklk s uygulamas (850OC) ile dorudan hidrojen retiminde
baar vadeden en etken yntem, yksek scaklk reaktr (high temperature
reactor,HTR) ss kullanlan slfr-iyot evrimi uygulamasdr [9].
Birincil enerji kayna olarak ileri dzey yksek scaklk reaktrlerini kullanarak
suyun ayrtrlmas temeline dayal, sudan hidrojen ve oksijen elde etmeyi salayan,
kimyasal bir proses olan termokimyasal metotlarla hidrojen retiminde en verimli,
karmak olmayan ve evreye sfr olumsuz etkisi olan slfr-iyot evrimi ilk olarak
1970 ylnda General Atomic tarafndan tanmland. Bu evrim suyu bileenlerine
ayrmak iin 3 aamal reaksiyondan olumaktadr. Bu reaksiyonlardan birincisi
evrim iin gerekli asitlerin retimini, dier ikisi ise bu asitlerin paralanmasn
gerekletirmektedir. Bu reaksiyonlardan en fazla enerji gerektiren ve teknolojik
zorluklar olan birinci reaksiyondur. evrimde optimum reaksiyon scakl
850OCdir. Kimyasal evrimin gereklemesi 4 ana blmde yaplmaktadr. Birinci
blm slfrik asit, hidrojen iyodr asitlerinin retildii ve rn olarak elde edilen
oksijen gaznn ayrtrld blmdr. kinci blm slfrik asidin bileenlerine
ayrtrld blm, nc blm hidrojen iyodrn konsantrasyonunun
ykseltildii blm, drdnc blm ise hidrojen iyodrn bileenlerine ayrtrld
ve rn olarak retilen hidrojen gaznn ayrt blmdr. Slfr-iyot evrimi ekil
3.2de gsterilmitir.
ekil 3.2. Slfr-iyot temelindeki termokimyasal reaksiyonlar [9]
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
58/250
32
3.2.3. leri hidrojen retim yntemleri
Fotobiyolojik yntemler
Suyun hidrojen ve oksijene fotodnm, fotosentez gibidir. Bu yntemde hidrojen
algler ve bakteriler yardm ile retilir. Fotobiyolojik yntemlerin ounda
bakterilerin ve yeil alglerin doal aktiviteleri ile hidrojen retilir. Klorofil gne
nlarn absorbe eder ve enzimler hidrojeni sudan ayrtrmak iin bu enerjiyi
kullanr. Byle sistemlerin ana engeli, dk gnesel dnmdr. % 5-6 civarnda
gne enerjisi hidrojen enerjisine dntrlr [7].
Biyolojik yntemler
Organik atklardaki (meyve, sebze, dier yeil atklar) bakteriler vastas ile hidrojen
retmek mmkndr. Bu bakteriler ile kullanlan hammaddeden belirli koullarda
hidrojen retilir. Buna biyofotoliz denir [7].
Fotoelektrokimyasal yntemler
Gne enerjisinin elektrik enerjisine dntrlerek ve elektroliz hcrelerinde
kullanlmas yerine, 2 aama yar iletkenler kullanlarak birletirilebilir.
Fotovoltaik hcreler, bir elektrolit gibi alan bir katalizr vastas ile, hcre
yzeyinde gne na maruz kalan suyun ayrtrlarak hidrojen ve oksijen
birikmesini salar.
Bu metot dk maliyetli yenilebilir hidrojen retimi iin mkemmel bir
potansiyeldir. Verim yaklak %25 dir [7].
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
59/250
33
Fotokimyasal yntemler
Ikla suyun ayrtrlmas metodu, dk maliyetli bir hidrojen retim metodudur.
Belli artlar altnda gne nlarnn tadklar fotonlar su molekllerince
sourulabilmektedir. Bu fotonlarn enerjisi belli bir deere ulatnda hidrojen ve
oksijen aa kar. Bu olaya fotoliz denir. Mor tesi nlar, suyun fotolizi iin daha
uygundur ancak gneten yeryzne gelen mor tesi nlar ounlukla atmosferin
st katmanlarnda sourulur ve yeryzne gelene kadar iddeti azalr. Bu nedenle
ayrtrma ilemi iin katalizrler kullanlmaktadr. Ia duyarl bir bileik grnr
a maruz braklarak redoks reaksiyonlarn balatr ve suyun indirgenmesi iin
elektron aa kar [7].
Gnmzde en ucuz ve evresel ynden en uygun hidrojen retimi doalgazn
(metan) buharla katalitik etki altnda paralanmasna dayanr. Tm hidrojen retim
yntemleri ekil 3.3 de verilmitir [10-11].
3.3. Hidrojen Yaktnn Depolama Yntemleri
Hidrojenin retilmesinden sonra ihtiya olan yerlere ulatrlmas, kullanlmas ve
kullanmnn azald durumlarda depolanmas gerekmektedir. Genel olarak
hidrojenin kullanld her yerde depolanmasna ihtiya vardr.
3.3.1. Hidrojenin basnl gaz olarak depolanmas
Bu yntem en ekonomik zm olmakla beraber, gaz hidrojenin birim ktle bana
den sl enerjisinin yksek olmasna karn; birim hacim bana den sl enerjisi
olduka dktr. Her ne kadar yksek basnl gaz olarak depolama ekli ile birim
hacimde depolanabilecek hidrojen miktar arttrlabilmekteyse de bu basnl
deponun kendi arl ile snrlandndan depolanan hidrojen miktar arlk olarak
yetersiz kalmaktadr [12].
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
60/250
34
ekil 3.3. Hidrojen retim ile ilgili balca girdiler ve emisyonlar [10-11]
ekil 3.3. Hidrojen retim ile ilgili balca girdiler ve emisyonlar
3.3.2. Hidrojenin sv olarak depolanmas
Hidrojenin s
v
halde depolanmas
a
rl
k olarak nispeten hafif bir depolama eklidirancak svlatrma iin gerekli enerji byktr. Svlatrma iin hidrojen gaz
kullanlmaktadr. Ayrca hidrojen gaz halden sv hale geerken bir ksm buharlar
bu sebeple faz deiiminin hzl birekilde gereklemesi gerekmektedir [12]. Sv
olarak hidrojenin tanklarda depolanmas ve kullanlmas srasnda buharlama
kayplar meydana gelir. Hidrojenin tanklarda depolanmas, dk scaklklarda
gerekletiinden kullanlacak yakt tanknn, s yaltmnn ok iyi yaplmas
gerekmektedir. Depo yaltmnn tam anlam ile yaplmas nedeni ile oluan s
8/2/2019 Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical Analyses of a Multi
61/250
35
transferi, depo basncnn artmasna neden olur. Basncn artmasn nlemek iin
buharlaan hidrojenin atmosfere atlmas gerekir.
Hidrojenin minimum tutuma enerjisin dk olmas ve yksek alev hzna sahip
olmas nedeni ile, kullanlan deponun herhangi bir kaza durumunda hasar grmesi
emniyet asndan riskli olmasna ramen, ayn zamanda hidrojenin yanma
kabiliyetinin yksek olmas nedeni ile, en ufak bir gaz kaanda ok ksa bir sre
iinde ortama yaylarak yanc olmayan bir karm oluturmas, bu riskli durumu
olduka azaltmaktadr. Hidrojenin dar szmas durumunda herhangi bir kvlcmla
tutumas halinde, zayf bir karm oluturmasndan dolay zayf bir alev meydana
gelir [12].
3.3.3. Hidrojenin metal hidrat eklinde depolanmas
Kk miktarlardaki hidrojenin depolanmas iin nerilen yntemdir. Hidrojen
hidrid