Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical...

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


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.


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


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


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


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


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


8/250

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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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.


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:


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)


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.


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.


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.


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.


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)


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.


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


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


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.


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


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)


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)


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:


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:


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


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.


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


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


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.


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].


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


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


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.


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


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


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.


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]


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].


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].


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


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

Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical...

Documents

Transcript of Bilesik Isi Guc Santrali Tasarimi Teknik Ve Ekonomik Analizleri Design Technical and Economical...