Kojenerasyon Sistemleri

Kojenerasyon Sistemler

Tarihsel Gelişim
Elektrik üretimine yönelik olan ve ülkemizde de yaygınlaştırılarak kullanılmak istenilen bu yeni teknoloji, ısı ve elektriği birlikte üretecek bileşik ısı - güç sistemleri (CHP) yani kojenerasyon teknolojisidir. Buteknolojinin, ilk basit örnekleri 20. yüzyılın ilk yarısında görülmüştür. Ancak ucuz yakıt döneminde ise terk edilmiştir. 1973–1979 petrol krizlerinin ardından geliştirilerek yeniden uygulanmaya konulmuştur.
Kojenerasyon, 20.yüzyılın başlarından itibaren, güç santrallerinin yerleşim birimlerinde kurulması ve bölge ısıtması yapılmasıyla başlamıştır. Bölge ısıtması konutların ve işyerlerinin ısıtma, sıcak su ve proses ısılarının bir veya birkaç merkezden sağlanmasıdır. Bölge ısıtması, 1940’lı yıllarda yakıt fiyatlarının düşmesiyle çekiciliğini yitirmiştir. Ama 1970’li yıllarda yakıt fiyatlarının hızla yükselmesiyle bölge ısıtmasına ilgi dünya çapında yeniden uyanmıştır. Kojenerasyon ekonomik açıdan kazançlı olmuştur. Bunun sonucu olarak son yıllarda bu tür santrallerin kurulması hızlanmıştır.
Kojenerasyon, merkezi ısıtma uygulamalarının yaygın olarak kullanıldığı ülkelerde daha erken gelişme vekullanılma olanağı bulmuştur. Çünkü ABD’de binalar çok yüksek olduğundan sıcak su ile ısıtma yapılamamakta, bunun yerine alçak basınçlı buhar kullanılarak ısıtma yapılmaktadır. Bu yüzden merkezle kullanma yeri arasında yüksek basınçlı buhar tercih edilmiştir. Bu sistemin kullanılmasının bir sebebi ise yaz aylarında büyük klima tesisleri için buhara olan ihtiyaçtır. Bu nedenle bileşik ısı – güç üreten merkezlerin yıllık verimi yüksek olmaktadır. Bu yüzyılın sonuna kadar ABD’de elektriğin % 15’inin bileşik- kojenerasyon tesislerinden sağlanması beklenmektedir.
İngiltere’de 1945 yılından itibaren gelişen bölge ısıtması özellikle son 25 yıllık dönem içinde kojenerasyon sistemlerinin gelişmesi ile oldukça hızlı bir şekilde yaygınlaşmıştır.
Fransa’da bölge ısıtması ile ilgili ilk büyük tesis Paris’te yapılmıştır ve buharlı olan bu sistem devamlı olarak gelişmekte olup, hem bileşik ısı – güç üreten merkezlerden hem de yalnız buhar üreten çöp yakma merkezleri tarafından beslenmektedir.
Almanya’da ise bölge ısıtma uygulamaları 1930’lardan sonra kaynar suya ve özellikle bileşik ısı – güç üretimine geçilmiştir. Merkezde ayrıca çöp yakan büyük kapasitedeki buhar kazanları da bulunduğundan işletme rantabilitesi yüksek olmaktadır.
İskandinav ülkeleri bu tesisler açısından en önde gelmektedirler.
Danimarka, İsveç, Finlandiya ve Norveç’te toplam binaların % 30-80’i bu sistemle ısıtılmakta olup ısıtma merkezleri birleşik ısı – güç üretimi şeklinde düzenlenmiştir.
Kojenerasyon Sistemler TanımıKojenerasyon kısaca, enerjinin hem elektrik hem de ısı biçimlerinde aynı sistemden beraberce üretilmesi veya tüm ısı makinalarının çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanmak olarak tarif edilir. Sistemden elektrik ve doymuş buhar ve/veya sıcak su elde edilir. Bileşik ısı güç üretimi amacıyla kullanılan ısı makineleri arasında buhar türbinleri, gaz türbinleri, diesel motorları yer almaktadır. Bu makinelerde yoğuşturucu, egzos veya soğutma suyu aracılığıyla çevreye atılan ısı, prosese ısıl enerji sağlamak amacıyla kullanılabilir. Prosese sağlanan ısıl enerji genellikle 60 ile 150 oC sıcaklıkları ( 20 – 476 kPa ) arasında doymuş buhar veya sıcak su olarak sağlanır. Bileşik ısı güç üretimi kojenerasyon diye de bilinir. Elektriğin bir ısı makinesinde (buhar, gaz türbini veya Diesel motoru), ısıl enerjinin de bir kazanda ayrı ayrı üretilmeleri durumunda sarfedilmesi gereken yakıt enerjisi aynı miktarda ısıl enerji ve elektriğin bileşik ısı güç üretimi ile elde edilmesinde tüketilen yakıt enerjisine oranla daha fazladır.Böylece bileşik ısı güç üretiminden sağlanan başlıca yarar enerjinin etkin kullanımı ve enerji maliyetinin düşürülmesidir. Ayrıca elektriğin kuruluş içinde üretilmesiyle süreklilik sağlanır, elektrik kalitesinde voltaj ve frekans bakımından dalgalanmalar önlenir ve elektrik dağıtım kayıpları azalır. Sağlanan bu yararlara karşılık, bileşik ısı güç üretimi bir yatırım gerektirir. Kazançlı olabilmesi için sağlanan yararların parasal açıdan yapılan yatırımı karşılaması gerekir.
Basit çevrimde çalışan, yani sadece elektrik üreten bir gaz türbini ya da motoru kullandığı enerjinin % 30–40 kadarını elektriğe çevirebilir. Bu sistemin kojenerasyon şeklinde kullanılması halinde ise sistemden dışarıya atılacak olan ısı enerjisinin büyük bir bölümü de kullanılabilir enerjiye dönüştürülerek toplam enerji girişinin % 70–90 arasında değerlendirilmesi sağlanabilir. Bu tekniğe ‘bileşik ısı-güç sistemleri’ (CHP) ya da kısaca ‘kojenerasyon’ denilmektedir.
Her iki enerji biçiminin ayrı ayrı aynı miktarlarda üretilmesi için gerekli birincil enerji miktarının, bunların kojenerasyonla üretilmesi durumunda ne oranda azalacağı Şekil. 1’de görülmektedir.

Şekil. 1: Kojenerasyon ve diğer üretim sistemleri arasındaki ısıl bilânço

Şekil. 1’e göre kojenerasyon tekniği ile kullanılan birincil enerjiden tasarruf % 42 seviyesinde gerçekleşmektedir. Dolayısı ile kojenerasyon sisteminin çevreye en önemli katkılarından biri de burada ortaya çıkmakta, büyük enerji tasarrufu yanında atık emisyonları da aynı oranda azalmaktadır. Ülkemizde henüz üzerinde çok durulmayan bu husus, sistemin özellikle Avrupa ülkelerinde yaygın teşvik görmesinin ana sebeplerinden biridir.
Buharlı güç çevrimlerinde amaç aracı akışkana verilen ısının bir bölümünü, en değerli enerji biçimi olarak nitelenen işe dönüştürmektir. Isı enerjisinin geri kalan bölümü akarsular, göllere, denizlere veya atmosfere atık ısı olarak verilir. Bunun nedeni, çevreye verilen ısının başka bir amaçla kullanılamayacak kadar düşük sıcaklıkta olmasıdır. Büyük miktarlarda ısının çevreye verilmesi, iş üretmek için ödenmesi gereken zorunlu bir bedeldir. Çünkü birçok mühendislik sistemi, elektrik enerjisi veya mekanik enerji ile çalışır.
Kendi tesisinizin ihtiyacı kadar elektrik üretimi yanında sistemden elde edilen ısının, buhar, sıcak su, kurutma havası, kızgın yağ gibi kullanımı da mümkündür. Bu şekilde iyi etüd edilmiş bir tesisde % 90 ısıl verimlere ulaşılması mümkün olmaktadır.

Şekil. 2: Kojenerasyon sisteminde enerji dağılımı

Fakat mühendislik sistemlerinin büyük bir bölümünde enerji gereksinimi ısı biçimindedir. Kimya, kâğıt, petrol, çelik, gıda ve tekstil endüstrileri gibi bazı endüstrilerde ısıl işlemler önemli bir yer tutar. Isıl işlemler için gerekli ısıya proses ısısı adı da verilir. Bu endüstrilerde proses ısısı genellikle 5–7 atm basınçları arasında ve 150–200 °C sıcaklıkları arasında su buharıyla sağlanır. Buharı oluşturmak için gerekli ısı ise kömür, sıvı yakıtlar, doğal gaz ve benzeri yakıtları bir kazanda yakarak elde edilir.
Isıl işlemlerin gerçekleştirildiği bir endüstri kuruluşun incelendiğinde dağıtım borularındaki ısı kayıpları ihmal edilirse, su buharına kazanda verilen tüm ısı, Şekil 3’ de gösterildiği gibi ısı değiştiricileri aracılığıyla ısıl işlemlerde kullanılır. Kazanda üretilen tüm ısının ısıl işlemlerde kullanılması, bir kaybın olmadığı izlenimini verebilir. Oysa ikinci yasa açısından bakıldığı zaman, dönüşümün mükemmel olmadığı anlaşılır. Kazanların içinde yanma sırasında oluşan sıcaklıklar, 1370 °C gibi çok yüksek değerlere ulaşır. Bu nedenle kazanlarda üretilen enerjinin niteliği yüksektir. Bu yüksek nitelikli enerji daha sonra 200 °C veya daha düşük sıcaklıkta buhar oluşturmak için suya verilir. Buradaki tersinmezlik çok büyüktür. Bu tersinmezlikle ilişkili olarak, kullanılabilirlikte bir azalma veya iş potansiyelinde bir kayıp söz konusudur. Düşük nitelikli bir enerjiyle gerçekleştirilebilecek bir işlemi yüksek nitelikli bir enerjiyle gerçekleştirmek akıllıca değildir. 

Şekil. 3: Basit bir proses ısı santrali

Bir ısı makinasında üretilen işin [W], alınan ısı enerjisine (QH) oranı, ısıl verim olarak tanımlanır (ç) ve aşağıdaki gibi ifade edilir:

1.

EIO = W / QL = η / 1 - η  

Bu ısıl verime kojenerasyon uygulamalarında ‘elektrik çevrim verimi’ de denilmektedir.
Buhar türbinli bileşik ısı-güç santralinin en önemli özelliği yoğuşturucunun olmamasıdır. Böylece çevreye verilen ısı, yani atık ısı yoktur. Yani kazanda buhara verilen tüm enerji, elektrik enerjisine veya proses ısısına dönüşmektedir. Bir bileşik ısı-güç santrali için “enerjiden yararlanma oranı eşitlik 2’deki gibi tanımlanır:

2.

Burada Qç, yoğuşturucuda çevreye verilen ısıdır. Qç aynı zamanda borulardan ve diğer elemanlardan çevreye olan ısı geçişlerini de kapsamaktadır, fakat bu kayıplar ihmal edilebilir düzeydedir. Eşitlik 2’de görüldüğü gibi, buhar türbinli enerjiden yararlanma oranı % 100’dür. Gerçek bileşik ısı-güç santrallerinde enerjiden yararlanma oranı % 70 dolaylarındadır.
Daha yüksek ısıl verim sağlayabilmek için süregelen çalışmalar, alışılmış güç santrallerinde yeni düzenlemelerin yapılmasına yol açmıştır. Yukarıda bahsedilen ikili buhar çevriminin dışında ise gaz akışkanlı bir güç çevrimini buharlı bir güç çevriminin üst çevrimi olarak kullanmaktır. Bu çevrime birleşik gaz-buhar güç çevrimi adı verilir. En çok ilgi duyulan birleşik çevrim, gaz türbini (Brayton) çevrimiyle buhar türbini çevriminin (Rankine) oluşturduğu çevrimdir. Bu çevrimin ısıl verimi her iki çevrimin ısıl veriminden yüksektir.
Bileşik ısı-güç santrallerinde üretilen işin (elektriğin) faydalanılan ısıya oranı, elektrik ısı oranı, (EIO) diye tanımlanır. Bu tanım ısıl verimle de gösterilebilir: 

3.

EIO, kojenerasyon sisteminin önemli özelliklerinden biridir. Türbinlerde ise genellikle EIO’nın tersi (1/EIO) olan Isı Oranı temel parametrelerden birisi olarak verilir.

4.