SANAYİDE ENERJİ EKONOMİSİ

Pistonlu motorun basit çevrimde elektrik verimi, yüksek hızlı pistonlu motorda yaklaşık olarak %38, dizel motorda %45’dir. Bu yüzden, pistonlu motorda egzoz gazı, gaz türbin motoruna göre daha az enerjiye sahiptir. Pistonlu motorda egzoz sıcaklığı, 330 °C ile 420 °C arasında değişirken, gaz türbinli motorda 500 °C’nin üzerindedir. Diğer önemli faktör, gaz türbinli motorun egzoz gazı yaklaşık olarak %15 oksijen içerirken, bu oran pistonlu motorda %10 ile %12 arasındadır.

Trijenerasyonda kullanılan absorbsiyonlu soğutucuları, ısı kaynağına bağlı olarak dörde ayırabiliriz: sıcak su, düşük basınçlı buhar, orta basınçta buhar, gaz türbininden gelen egzoz gazının doğrudan yakılmasıyla elde edilen atık ısı. Absorbsiyonlu soğutma tesisinin avantajları şunlardır:

-Çevre dostu bir teknolojidir (Ozona zararsız soğutucu akışkan olarak H2O kullanılır).

-İşletme maliyeti, kompresörlü sistemlere göre düşüktür.

-Hareket eden parça sayısının az olması nedeniyle (solüsyon ve soğutucu akışkan pompası) servis/ bakım maliyeti düşüktür.

-Sistem, sessiz ve titreşimsiz çalışır.

-Sistemin kullanım ömrü uzundur.

Dezavantajı şudur:

-Su tüketimi yüksektir.

Birleşik ısı ve güç sistemleri, 1970’li yılların sonlarına doğru önemli olmaya ve ilgi çekmeye başlamıştır. Bunun nedeni üç faktöre dayanmaktadır: o yıllarda yaşanan petrol krizinin enerji fiyatlarına ve kullanımına etki etmesi, küçük çaptaki birleşik ısı ve güç sistemlerinde üretilen birim enerji fiyatının düşük olması, birleşik ısı ve güç sistemlerinin sıradan elektrik üreten tesislerle rekabete girmesi. Petrol krizi nedeniyle enerji fiyatları düşük değil, aksine yüksekti.

Konvansiyonel elektrik üretim tesisleri elektriğin yoğun olarak kullanıldığı yerleşimlerden oldukça uzak yerlerde kuruludur. Bu yerlerden elektrik şebekesi aracılığı ile dağıtımı ve transferi yapılan elektrikte %5-10 arasında bir kayıp söz konusudur. Kojenerasyon tesisleriyle enerji üretiminin tüketim yerinde gerçekleştirilmesi sonucunda, elektrik enerjisi iletim ve dağıtım kayıplarının önüne geçilir. Sanayi tarafından tüketilen elektrik enerjisinin az sayıda merkezi santral yerine, ülkenin çeşitli noktalarında özellikle endüstriyel sanayinin yoğun talep ettiği noktalarda üretilmesi ile enerji üretiminin karşılanması ve enerjinin tedarik güvenliği ile ilgili riskler en aza indirilir. Birleşik ısı ve güç sistemlerini kullanan işletmeler, kendi enerjilerini üreterek toplam enerji maliyetlerini azaltır ve nihai ürün kalitesini düşürmeden şirketin rekabet gücünü arttırır. Ayrıca, işletmeler enerji ihtiyacını güvence altına alarak, üretimin durmasını önler. Kojenerasyon tesisinin inşaat süresi konvansiyonel termik santrallere göre daha kısadır. Modüler yapısı daha basit olan kombine çevrim santralinin işletilmesi daha kolaydır. Bundan dolayı, işletme için personel ihtiyacı daha az olmaktadır.

Küçük ölçekli kojenerasyon tesisinden;
- Atık su iyileştirme tesislerinde, biyogaz veya doğal gaz karışımı yakılarak elektrik ve sıcak su üretimi sağlamak,
- Çok amaçlı tesislerde spor merkezleri ve yüzme havuzunu ısıtmak, havalandırma sistemi için soğuk hava elde etmek,
- Yemek hazırlama sürecinde, dahili tüketim için elektrik üretmek, gıdaları sterilize etmek ve pişirmek,
- Eğlence merkezlerinde, absorbsiyonlu soğutma ile soğutma havası sağlamak ve elektrik üretmek,
- Otellerde odalara, çamaşırhaneye, mutfağa sıcak su sağlamak, havuzu ısıtmak ve elektrik ihtiyacının bir kısmını üretmek,
- Hastanelerde terapi havuzlarındaki suyu 90 °C ve üzerindeki bir sıcaklığa ısıtmak, ameliyat aletlerinin sterilizasyonu ile genel sıcak su ihtiyacının ve elektrik ihtiyacının büyük bir kısmını karşılamak,
amaçları ile yararlanılır. Fakat rafineri, gübre tesisi, demir, çimento, seramik ve cam gibi yüksek sıcaklıkta ısı gerektiren tesislerde, yüksek miktarda elektrik ve ısı (buhar olarak) enerjisi gereksinimi olan endüstrilerde yaygın olarak kullanılan endüstriyel amaçlı kojenerasyon tesisinden faydalanılır.

Ayrı ayrı ısı ve elektrik üretiminin, aynı miktarda ısı ve elektrik üretimi sağlayan tek bir kojenerasyon tesisine göre daha fazla birincil enerjiye ihtiyacı olduğu görülmektedir. Diyagramda içten yanmalı bir pistonlu motora sahip kojenerasyon tesisinin gerçekçi %50 ısıl verime ve %35 elektrik verimine sahip olduğu kabul edilmiştir. Diyagramda, geleneksel elektrik üretim yapısı için ortalama enerji verimi %43 ve ısı kazanının verimi %95 olarak kabul edilmiştir. Verim; elde edilmek istenilen değerin, bu değeri elde etmek için harcanan değere olan oranıdır. Kojenerasyon sistemlerinde giren 100 birimlik birincil enerjinin (yakıt), 35 birimi elektrik enerjisi ve 50 birimi ısı enerjisi olarak geri kazanılmaktadır. Konvansiyonel sistemlerde, kojenerasyon sisteminden elde edilen 35 birimlik elektrik enerjisini elde edebilmek için %43 (%55) verime sahip tesiste 81 (64) birimlik bir enerji girdisi gerekir. Aynı şekilde, 50 birimlik ısı enerjisi elde etmek için ise 53 birimlik bir enerji girdisi gerekir. Sonuç olarak, kojenerasyon tesislerinde 100 birimlik enerji girdisiyle üretilebilen enerji, ayrı ayrı sitemler olarak konvansiyonel sistemlerde toplam 134 birimlik enerji girilerek üretilebilir.

Kojenerasyon tesisinde enerji üretim süreci genel olarak şu şekilde özetlenebilir: Atmosferden alınan hava, bir filtre sisteminden geçirildikten sonra gaz türbininin kompresör kısmına girer ve burada sıkıştırılarak yanma odasına iletilir. Yanma odasına püskürtülerek verilen yakıt, sıkıştırılmış hava ile karışarak yanar. Yanma sonucu oluşan 1.000-1.100 °C sıcaklığın üzerindeki yüksek basınçlı gaz, türbin kanatçıklarından geçerek türbini döndürür ve türbine bağlı jeneratörden elektrik enerjisi üretilir. Gaz türbininden çıkan 500-600 °C sıcaklığındaki atık gaz bir egzoz kanalıyla atık ısı kazanına iletilir. Egzoz gazı, atık ısı kazanında yer alan içi su dolu olan boru demetlerinden geçerek suyu ısıtır ve belli ısı değerlerinde buhar ve sıcak su elde edilir. Elde edilen buhar ve/veya sıcak su, işletmelerde proses amaçlı veya bir binanın ısıtılması amacı ile kullanılır.

Birleşik ısı ve güç sistemleri temel olarak dört ana elemandan oluşur: temel güç ünitesi, atık ısı kazanı, elektrik jeneratörü ve kontrol sistemi.

Pistonlu motor kojenerasyon sisteminin diğer sistemlere göre avantajı, yüksek elektrik verimine sahip olmasıdır. Ayrıca, düşük gaz basıncı ile çalışabilmeleri de önemli bir avantaj sağlamaktadır. Sistemin ilk yatırım maliyeti düşüktür. Pistonlu motor, çok çeşitli güç aralığını karşılayacak şekilde imal edilebilir. Bundan dolayı, günün çeşitli zamanlarında değişik yük seviyelerinde, ihtiyaç duyulan elektrik veya ısı enerjisine bağlı olarak yükün iki veya daha fazla motora paylaştırılma olanağı bulunmaktadır. Kojenerasyon tesislerinde pistonlu motor kullanmasının bir başka avantajı da motorun kısa zamanda devreye alınabilmesi, yine kısa zaman içinde ilk kurulumunun gerçekleştirilmesidir.

Genel olarak üç tip atık ısı kazanı vardır: İlave ateşleme sistemi olmayan atık ısı kazanı, ilave ateşleme sistemi olan atık ısı kazanı, maksimum ilave ateşleme sistemli atık ısı kazanı. İlave ateşleme sistemi olmayan bir atık ısı kazanı, aslında ısı yayınımının gerçekleştiği bir ısı değiştiricisidir. İlave ateşleme sistemi olan atık ısı kazanı, genel olarak 980 °C civarında bir sıcaklıkta çalışır. Bir gaz türbinin egzoz bölümünden çıkan gaz, aslında ön-ısıtılmış bir yanma havasıdır. Bu yüzden, ilave ateşleme sistemi olan atık ısı kazanında kullanılacak ilave yakıt miktarı, aynı miktardaki ilave buhar üretimini temin edecek konvansiyonel tip kazanlarda kullanılacak yakıt miktarına göre daha düşüktür. Maksimum ilave ateşleme sistemli atık ısı kazanı, baca gazındaki miktarda oksijen içeren normal hava yanmalı bir buhar kazanı olarak da tarif edilebilir.

Bir atık ısı kazanı, şu özelliklere sahip olmalıdır;
- Isı geri kazanım oranı yüksek olmalıdır.
- Ana güç ünitesinin egzoz bölümündeki basınç kayıpları, ana güç ünitesinin verimliliği ve güç ürünündeki kayıpları sınırlamak için düşük olmalıdır.
- İlk çalıştırma esnasında izin verilen basınç değişim limitleri büyük olmalıdır.
- Düşük sıcaklıkta oluşan korozyon oluşmamalıdır.

Jeneratör; hareket enerjisinden elektrik enerjisi üreten araçlara verilen isimdir Karşı basınçlı buhar türbini, yüksek ısı güç oranına ve yüksek verime sahip olan bir buhar türbini türüdür. Pistonlu motor, çoğunlukla küçük ve orta ölçekli kojenerasyon tesislerinde kullanılan bir kojenerasyon sistemidir. Gaz türbinleri düşük sermaye maliyeti ve yüksek ısıl verimi olan ve enerji üretim sektöründeki kullanımı yaygınlaşan bir kojenerasyon sistemidir. Ana güç kaynağından üç farklı formda (ısıtma, soğutma ve güç üretimi) enerji üreten system ise trijenerasyondur.

Kömürde elektrik, yakıtlı, verimsiz ve elektrik ile mekanik enerji üretimleri kavram olarak farklı adlandırılmaktadır. Ancak İngilizce "birlikte yapılma" anlamı taşıyan "ko-" ön eki, iki tip jenerasyon (üretim) olan güç (ör. elektrik) ve ısı formunda enerji üretimi anlamında kullanılır.

Seçenekler arasından "Hızlı işletme kurulumu" ile "Çevre kirliliğinde sınırlandırmalar." arasındaki tüm ifadeler, enerjinin tüm formları ile verimli üretimini zorlayan etkilerdir, ve kojenerasyona ilgi duyulmasına neden olur. Enerji fiyatlarının düşmesi ise, tam tersine, bu ilgiyi azaltıcı bir faktör olur.

Şehir merkezine yakın bir santral, üretilen enerjinin kullanıcıya ulaşımı sırasında en az miktarda kayıp yaşanmasını sağlar. Diğer seçenekler şehre yakınlıkla ilgili bir avantaj olarak nitelendirilemez.

Soruda bahsedilen oran, tanım olarak elektrik iç ihtiyacının net üretime oranına karşılık gelir ve "elektrik iç ihtiyaç oranı" terimi ile ifade edilir. Enerji oranı, nominal üretim, net üretim ve ikincil üretim tesis ihtiyaçları noktasında var olan kavramlar değildir.

Doğalgazdaki enerjinin daha büyük kısmı hidrojen kaynaklıdır. Bu anlamda karbon salınımı daha düşüktür. Bu yakıtta kükürt hemen hiç yoktur, moleküler yapısında azot da çok azdır. Bu anlamıyla B seçeneğindeki hariç tüm gazlar doğal gaz yanması sonucunda kömüre nazaran daha azdır.

100 birim giriş ile kojenerasyon ünitesi 40 birim elektrik enerjisi üretir. Bu miktar elektrik enerjisi için elektrik jeneratörü tek başına 80 birim enerjiye ihtiyaç duyar. Aynı 100 birim giriş ile kojenerasyon ünitesi 55 birim ısı enerjisi üretir. Tek başına bir ısı jeneratörünün bu ısı enerjiyi üretmesi için toplam 56/0.8=70 birim enerjiye ihtiyacı vardır. Ayrı ayrı enerji üreten tesislerin toplam ihtiyacı 70+80=150 birimdir. Kojeneratör ise 100 birim girdi ile aynı enerjiyi üretmiştir. Enerji tasarrufu (150-100)/150 = 1/3 = %33'tür.

100 birim enerjiye sahip yakıt ilk etapta 60 birim elektrik ve 40 birim ısı enerjisine neden olur. Bu 40 birim ısı enerjisi %50 verimle buhar ısısına dönüşürse 20 birim buhar ısı enerjisi elde edilir. Buhar türbini 20 birim buhar enerjisini %50 verimle elektriğe dönüştürdüğünde 10 birim daha elektrik enerjisi elde edilir. Baştaki ile toplandığında 60+10=70 birim elektrik enerjisi, 100 birim giriş enerjisinin %70'idir.

Bileşik sistemde b-e seçeneklerindeki tüm unsurlar temel bileşen olarak bulunur, bu tesislerin soğutma ünitesine temelde ihtiyacı yoktur.