Jeotermal Enerji Kullanımı

ELEKTRİK ÜRETİMİ

Hazne sıcaklığı 150°C’den fazla olan jeotermal sahalarda konvansiyonel elektrik üretimi gerçekleştirilmektedir. Son yıllarda geliştirilen ve ikili (binary) çevrim olarak adlandırılan bir sistemle, buharlaşma noktaları düşük gazlar (freon, izobütan vb.) kullanılarak 70°C<T<80°C’ye kadar sıcaklıktaki sulardan  elektrik üretilebilmektedir.

Buhar ve sıvı baskın sistemlerin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için çeşitli sistemler mevcuttur.

1. Buhar baskın sahalar

Kullanımı en kolay olan sahalar kuru buhar sahalarıdır. Kuyudan alınan buhar filtreden geçirilerek bir yoğuşturmalı türbine gönderilir. Kondensere ilave olarak doğal yada mekanik soğutma kulesi kullanılır. Sistem şematik olarak aşağıda gösterilmiştir.

drySteamPowerPlantTurkishŞekil 1. Buhar baskın sahadan elektrik üretimi

Ref. : Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN) U.S. Department of Energy

2. Sıvı baskın sahalar

2.1 Atmosferik egzozlu (back pressure) konvansiyonel buhar türbinleri

En basit ve ilk yatırım masrafları açısından en ucuz türbinlerdir. Bu tip bir santralde, jeotermal akışkan önce seperatöre gelir. Burada sıvı ve buhar fazları ayrılır. Buhar fazı bir buhar türbinini besler ve çürük buhar direkt olarak atmosfere atılır. Atmosferik egzozlu santrallerin basitleştirilmiş şematik gösterimi aşağıda verilmiştir.

flashSteamPowerPlantTurkishŞekil 2. Atmosferik egzozlu buhar çevrimi

Ref. : Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN) U.S. Department of Energy

2.2 Yoğuşturmalı konvansiyonel buhar türbinleri

Atmosferik egzoz tasarımının termodinamik olarak gelişmişidir. İki fazlı akışkan önce seperatörde sıvı ve buhar fazlarına ayrılır. Buhar, türbinden direkt atmosfere atılmak yerine çok düşük bir basınçta tutulan (yaklaşık 0.12 bar) bir kondensere atılır.

2.3 Çift kademeli buharlaştırma

Kuyubaşı akışkanı önce seperatöre gider, buhar ve sıvı fazlarına ayrılır. Buhar bir yüksek basınç türbinine, su ise bir buharlaştırıcıya (flaş tankı) gönderilir. Burada düşük bir basınca flaşlanan sıvının kalanı enjeksiyona, elde edilen buhar alçak basınç türbinine gönderilir. Böylece sistem verimi arttırılmış olur.

2.4 Çoklu buharlaştırma (multi-flash)

Seperatörden ayrılan sıvı ikinci bir seperatöre gönderilir, seperatör sayısı ekonomik kısıtlar çerçevesinde arttırılabilir. Bu tip bir uygulama Wairakei Jeotermal Santrali, Yeni Zelanda’da gerçekleştirilmiştir.

2.5 İkili çevrim santralleri

Jeotermal sahalarda en önemli atık ısı kaynağı seperatörde ayrılmış sıvıdır. Konvansiyonel buhar türbinleri sadece buhar kullandıkları için kalan büyük miktarlardaki sıvı genelde yerüstü sularına atılmakta yada yeraltına enjekte edilmektedir. Binary teknolojisi, orta-düşük sıcaklıklı kaynaklardan elektrik üretmek, termal kaynakların kullanımını arttırarak atık ısıyı geri kazanmak amacıyla geliştirilmiştir.

Binary sistemlere ait basitleştirilmiş şematik gösterim aşağıda verilmiştir. Binary sistemler, düşük kaynama sıcaklıklı ve düşük sıcaklıklarda yüksek buhar basıncına sahip ikincil bir çalışma akışkanı kullanırlar. Bu ikincil akışkan, konvansiyonel bir Rankine çevrimine uygun olarak çalışır. Uygun bir çalışma akışkanı ile binary sistemler, 80-170°C aralığındaki giriş sıcaklıklarında çalışabilirler.

binaryPowerPlantTurkish

Şekil 3. İkili çevrim

Ref. : Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN) U.S. Department of Energy

2.6 Hibrid fosil-jeotermal sistemler

Bu sistemlerde jeotermal enerji, ya ön ısıtıcı olarak yada kızgın buhar eldesinde kullanılır.

2.7 Toplu akış

İki fazlı buhar/su karışımlarından doğrudan enerji elde etmek amacıyla geliştirilmiştir. Bu tip santrallerin ekonomisi henüz iyi belirlenememiştir. Çünkü işletme tecrübesi 5 yıldan fazla değildir. Tek örnek Desert Peak, Nevada, ABD’ndeki 9 MWt‘lik iki fazlı rotary seperatörlü turbo-alternatörlü santraldir.

Referanslar:

1. Armstead, H.C., Geothermal Energy, E&F.N. Spon, NY, 1983, 2nd Ed.

2. Dickson, M.F., Fanelli, M., Geothermal Energy, John Wiley&Sons, 1995.

3. Barbier, E., “Nature and Technology of Geothermal Energy: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, V.1, No.1/2, pp.1-69, Pergamon Press, 1997. DOĞRUDAN KULLANIM

Orta ve düşük sıcaklıklı jeotermal kaynaklar ( T<150°C), konutlara ve endüstriye doğrudan ısı enerjisi sağlamada kullanılabilir. Bu kaynaklar, evleri ve işyerlerini ısıtmada, ticari seracılıkta, balık çiftliklerinde ve endüstriyel proseslerde  kullanılabilirler.

Jeotermal enerjiden  sağlanan ısı enerjisi, fosil yakıtlardan sağlanan ısı enerjisine göre çok daha ucuzdur. Jeotermal enerji kullanımı sayesinde ısı enerjisi kullanımının %80 daha ekonomik hale getirilmesi mümkündür. Jeotermal enerji kullanımı sayesinde fosil yakıtlar tarafından çevreye yayılan zararlı atıkların miktarı büyük ölçüde yada  tamamen azaltılabilir.

Doğrudan kullanım sistemleri genellikle üç ana bileşenden oluşurlar.

1. Üretim birimi: Sıcak akışkanı yüzeye getiren kuyudan oluşur.

2. Mekanik tesisat: Borular, ısı değiştirgeçleri (eşanjörler), kontrol birimleri. Bunlar ısıyı istenilen yere iletmekte kullanılırlar.

3. Atık sistemi: Enjeksiyon kuyusu, soğuyan jeotermal akışkanı yeraltına geri vermek için kullanılır.

Düşük ve orta sıcaklıklı jeotermal kaynakların en çok kullanıldığı alanlar, bölgesel ısıtma sistemleri, mekan ısıtması, seracılık ve su ürünü yetiştirme çiftlikleridir.

Bölgesel ısıtma sistemleri, jeotermal kuyulardan elde edilen sıcak akışkanı, mekanik tesisat yardımı ile binalara, işyerlerine ve evlere ulaştırırlar. Jeotermal bölgesel ısıtma sistemleri, doğal gaz sistemleri ile karşılaştırıldıklarında %30-%50 civarında ekonomi sağlarlar. Örnek bir jeotermal bölgesel sistemi  şekil 1’ de şematik olarak verilmiştir.

 

Sekil-1

Örnek  Jeotermal Bölgesel Isitma Sistemi, Sematik  (Geothermal Education Office Web Site)

Jeotermal bölgesel ısıtma sistemleri ilk yatırım maliyeti yüksek  olan sistemlerdir. Üretim ve enjeksiyon kuyuları, kuyu içi pompaları, sirkülasyon pompaları ve dağıtım şebekesi, sistem izleme ve kontrol ekipmanlar ile  depolama tankları ilk yatırım maliyetleri arasında sayılabilir. Bu sistemlerin işletme masrafları, geleneksel ısıtma sistemlerine göre oldukça ucuzdur. İşletme masrafları, pompalama gücü, bakım, kontrol ve yönetimi kapsar. Bu sistemlerin ilk yatırım maliyeti hesabı yapılırken en önemli faktör ısıl yük yoğunluğunun doğru hesaplanmasıdır. Yüksek yük yoğunluğu sistemin ekonomik olarak yapılabilir olduğunu gösterir. İklimin uygun olduğu bölgelerde hem ısıtma hem soğutma yapılması ekonomi sağlar. Soğutma ve ısıtmanın birlikte yapıldığı bir sistemin yük faktörü sadece ısıtma yapılan bir sisteme göre daha büyüktür  bu da sistem  ekonomisine yansır.

Absorbsiyonlu soğutma makinaları jeotermal akışkan kullanımına uygundur. Bu makinaların teknolojisi iyi bilinmektedir ve piyasada rahatça bulunabilirler. Jeotermal soğutma özellikle 1980’den sonra ısı pompalarının yaygınlaşması ile yaygın hale gelmiştir. Çeşitli tiplerde ısı pompaları düşük sıcaklıklı jeotermal sistemlerden ekonomik olarak yararlanmamızı sağlar (Şekil 2). 

 

Sekil-2

Basitlestirilmis Isi Pompasi Semalari ( Mary H. Dickson,  Mario Fanelli )

Jeotermal enerji seracılıkta ve su ürünleri üretim çiftliklerinde yaygın olarak kullanılır. Ülkemizde, jeotermal seracılık ilk olarak Denizli Kızıldere’de 1985 yılında uygulanmıştır. Günümüzde jeotermal seracılık, Türkiye’de 31 hektar alanda uygulanmaktadır ve 69.61 MWt  ısıtma kapasitesi vardır. Jeotermal enerjinin tarımda kullanıldığı en yaygın uygulama seracılıktır. Birçok ülkede önemli gelişmeler sağlanmıştır. Sebzelerin yetiştirilmesi ve iklim dışı ya da dönem dışı çiçeklerinin yetiştirilmesi uygulanan teknolojilerle gerçekleştirilebilmektedir. Her bitkinin optimum büyüme sıcaklığına (şekil 3) ve ışık miktarına, seradaki CO2 konsantrasyonuna, toprak ve havadaki nem miktarına ve hava dolaşımına bağlı optimum büyüme şartlarının sağlandığı değişik çözümler mevcuttur. Seranın duvarları camdan,fiberglas yada sert plastik panellerden yada plastik film tabakasından yapılır. Cam paneller plastiklere göre daha transparandırlar ve daha çok ışık geçmesini sağlarlar. Fakat daha kötü bir termal izolasyon sağlarlar, darbelere karşı dirençleri daha azdır,daha ağırdırlar ve daha pahalıdırlar. En basitçe seralar tek plastik filmden yapılırlar. Son zamanlarda hava boşluğu ile birbirinden ayrılmış iki tabakalı filmlerle yapılmaktadırlar. Böyle bir sistem duvarlardan gerçekleşen ısı kaybını % 30 -%40 kadar azaltmaktadır. Bu da seranın tüm verimini oldukça etkiler. Eşanjördeki zorlandırılmış hava sirkülasyonu ile , sıcak su dolaşım borularıyla ve zemine yada tavana konmuş kanallarla, duvar boyunca yerleştirilmiş kanatlarla yada birkaç metodun birlikte kullanılmasıyla sera ısıtmacılığı başarıyla yapılabilir.Bazı durumlarda ürün maliyetinin (sebzelerin,çiçeklerin,ev bitkilerinin ve ağaçların) %35 ini oluşturan işletme maliyetleriyle seralardaki jeotermal enerjinin işletilme maliyeti azaltılabilir.

Jeotermal enerjinin kullanıldığı endüstriyel işlemlere örnek olarak kereste kurutma, gıda dehidrasyonu,  altın madenciliği, süt pastörize etme işlemi ve  kaplıcalar verilebilir. 

 

Sekil-3

Cesitli Bitkilerin Büyüme Egrileri ( Beall and Samuels, 1971).