Elektrik Enerjisi Üretimi, Dağılımı ve Depolanması Bölüm-4

Elektrik Enerjisi Dağılımı Teknolojide gelişme, 19. yüyılda, Elektrik jeneratörü ve elektrik motorunun icadından sonra mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmeye veya tersini yapmaya imkan verdi. Fosil yakıtların yanmasından elde edilen mekanik enerji, lokomotiflerde, imalat yerinde, buhar gemilerinde, olduğu yerde kullanılıyordu.

Elektrik Enerji Dağılımı Elektrik güç üretimi, mekanik enerijinin üretildiği noktadan elektrik enerijisi olarak, uzak mesafelerde kullanıcılara, grit sistemi ile ulaştırılmasına imkan sağladı. Buna paralel olarak, uzak mesafelerde, elektrik enerjisinin varlığı, yeni cihazların icadı ile (aydınlanma, iletişim cihazları, yeni elektrikle çalışan cihazlar gibi) önem kazanmıştır.

Elektrik Enerjisi Üretimi Bu gün, özellikle ülkemizde, elektrik enerjisi üretimi, Fosil yakıtlar, Hidrolik santrallerden üretilmektedir, ve Nükleer santrallerin de devreye sokulması planlanmaktadır, (Akkuyu Nükleer santralı-4800 Mwe-2023 ?). Fosil yakıt sistemlerinde,esas itibari ile 3 bileşeni önemlidir

Elektrik Enerjisi Yanmanın cereyan ettiği, ısının açığa çıktığı, Kazan. Kazan ( Buhar kazanı), akışkan su Türbin, ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Jeneratör, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.

Elektrik Enerjisi Nükleer güç santrallerinde ise ısı, reaktör içerisinde, Uranyum’un fisyona uğraması sonucu açığa çıkar. Hidrolik santraller de ise, yakıt yoktur, su debisi ve düşü ile mekanik enerji, su türbinlerinde üretilir. Bunları ileri bölümlerde göreceğiz.

Elektri Üretimi Fosil yakıtların problemi: CO2 salınımları! Bunun için santraller geliştirilmekte, ve güç santrallerinin verimini artırarak, karbondioksit salınımlarını azaltmağa çalışılmaktadır. Diğer taraftan, alternatif enerji kaynakları, yenilenebilir enerji kaynakları geliştirilmektedir.

Dağılım -Şebeke Bu bölümde elektrik enerjisi üretimi, şebekeye dağılımı, ve enerjinin depolanmasını göreceğiz. Bir güç santralinde, mekanik güç üretilir ve elektriki enerjiye(Elektriki işe) dönüştürülür, ve dağıtım şebekesine ve oradan ülkenin muhtelif bölgelerinde kullanıcıların hizmetine sunulur.

Dağılım-Şebeke 60- 500 kilovolt

Dağılım Elektrik enerjisi ihtiyacı hızla arttı. Bu sebepten, gelişmiş ülkelerde, enerjinin1/3’ü elektrik enerjisi olarak kullanılmaktadır. Kitabınızdaki Şekil 4.6’yı inceleyiniz; güç satralinde üretilen mekanik enerji, jeneratörle elektrik üretilmekte, voltajı yükseltilerek (yüksek voltajlı transformatör) nakil hatları (grit) ile uzak mesafelere dağıtılmakta, kulanılacağı bölgede de voltajı düşürülerek, son kullanıcılara verilmektedir (Şekil 4.6)

Dağılım Bu gün dünyada, elektrik enerjisi büyük kapasiteli, fosil yakıt, nükleer santraller de (1000-1500 MWe güçlerinde) ve hidrolik potansiyelden üretilmektedir. Mekanik güç, elektrik jeneratörleri ile AC akımı olarak dağıtım şebekesine verilmektedir.

Dağılım Elektrik şebekesinde bir çok güç santralleri mevcut olup, hepsi bu elektrik şebekesine bağlıdır ve bu şebekeye bağlı olan, her kullanıcının emrindedir. Bu santraller: Küçük santraller olabilir Gaz türbinli santraller-kombine sistemler Fosil yakıt yakan termik santraller Hidrolik santraller

Dağılım-Şebeke Nükleer santraller Doğal gaz santralleri Co-generation (kojenerasyon), combined (kombine) güç santrali vb. Bu santrallerin, bazılarında yakıt masrafları fazladır, bazılarında sıfırdır; bazılarında daha az olabilir; bazıları güvenilir bir kaynaktır, bazıları güvenilmez, veya dışa çok bağımlıdır.

Elektrik Şebekesi Elektrik enerjisi,yenilenebilir enerji kaynaklarından da üretilebilir. Bunların bazıları risklidir, yani her an, ihtiyacımız olduğu zaman hazır olmayabilir, örneğin rüzgar enerjisi, güneş enerjisi ile elektrik üretimi gibi. Üretilen elektrik enerjisine tam ihtiyaç olmadığı zamanlar, saatler olabilir. Bu dururumda, fazla enerji depo edilir. Depolama metotları kitabınızda verilmiştir.

Şebekede kayıplar DC ve AC dağıtım şebekelerinde kayıplar mevcuttur, ve değeri W= i2R olup, R hattın direncidir. Bu direnci azaltmak için bakır, belirli bir güç için, iletim hatlarının kesitlerinin büyültülmesi, ve akımın minimize dolayısı ile akımın çok yüksek voltajlarda şebekeye gönderilmesi gerekir: W=i.V ( v= 60- 500 kV)

Dağılım-Elektrik Şebekesi Ülkemizde de dağılım, elektrik şebekesi, inter-konnekte ve, sistemle son kullanıcılara ulaştırılmaktadır. Dağıtım şebekesinde voltaj yüksektir (60- 500 kilovolt), kullanılan son bölgelerde voltaj tekrar 12-35 kilovolta düşürülür. Oturma bölgelerinde tekrar yerel transformatörler ile 110-120 volta düşürülerek evlerde rahatça kullanılmaktadır. Şekil 4.6 inceleyiniz.

Şebeke kayıpları ve Ekonomi Dağıtım hatlarının enerji verimliliği ve dağılımı, tamamen ekonomik bir tercihtir. Yapılan masrafların elektrik enerjisi kazancı ile amortismanı söz konusudur. Elektrik sistemlerinde,nakil ve dağıtım şebekelerinin kaybı genel olarak % 5-10.

Elektrik Enerjisi İhtiyacı Daha evvel belirtmiş olduğumuz gibi, elektrik enerji ihtiyacı 24 saat değişir. Kitabınızdaki Şekil 4.1’i iyice inceleyiniz.

Şekil 4.1 Gece-gündüz 24 saat boyunca elektrik enerjisi ihtiyacı

Dağılım Bu şekil, ülkeden ülkeye, yerel şartlara, endüstrinin ihtiyacına göre değişir.

Dağılım ve Depolama Enerji ihtiyacının az olduğu saatlerde, bazı santraller devreden çıkarılabilir, yakıtı ucuz olan ve termodinamik bakımdan verimi yüksek, güvenilir bazı santraller çalışmaya devam eder. Bu santrallere baz santral denir. Bu santraller minimum ihtiyacı karşılayan santrallerdir. Sistem buna göre programlanır.

Dağıtım Şebekesi Ortalama enerji ihtiyacının üstünde enerji ihtiyacı için, yeni santraller devreye girer veya elektrik enerjisi depolama sistemi varsa, bu enerji ihtiyacının ortalama ihtiyacın üstünde olduğu saatlerde kullanılır ve “peak load” karşılanmış olur.

Elektrik Enerjisi Depolama Elektrik sistemlerinde depolanıp, şebekeye tekrar verilen bir sistem yok denecek kadar azdır, zira elektrik üretip satanlar daima ihtiyaca göre üretir.Yalnız, hidrolik santrallerde pompalı depolama vardır. Kitabınızdan okuyunuz! Depolama: Elektrik enerji depolama, Manyetik enerji depolama, elektrokimyasal depolama, mekanik enerji depolama, Flywheel, Isıl enerji depolama. Bunlar kitabınızda verilmiştir. Fiziğine girmeden genel bilgisinden sorumlusunuz.

Depolama Elektrik güç santrallerinde,elektriğin az kullanıldığı anlarda, pompa ile suyun daha yüksek bir seviyeye pompalanarak, enerji potansiyel enerji olarak depolanır ve sonra, depolanan su turbo-jeneratör sisteminden geçerek ve daha aşağıda bir rezervuarda toplanır.potansiyel enerji, W=m.g.h?

Depolama Fakat, elektrik enerjisi genel olarak üretildiğinde kullanılır ve sistemde ihtiyaca göre üretilir. Yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektrik enerjisi( PV, rüzgar, solar, med-cezir) üretildiğinde kullanılmayabilir, yani enerji ihtiyacının olmadığı zamanlarda hazır olabilir, ve depolanır.

Dağılım-Elektrik Şebekesi Ülkemizde de dağılım, elektrik şebekesi, inter-konnekte ve, sistemle son kullanıcılara ulaştırılmaktadır. Dağıtım şebekesinde voltaj yüksektir (60- 500 kilovolt), kullanılan son bölgelerde voltaj tekrar 12-35 kilovolta düşürülür. Oturma bölgelerinde tekrar yerel transformatörler ile 110-120 volta düşürülerek evlerde rahatça kullanılmaktadır. Şekil 4.6 inceleyiniz.

AC/DC akım Elektrik güç,AC akımı olarak interkonnette sisteme bağlıdır. Diğer taraftan, önemli DC, doğru akım kullanan sistemler vardır: Telefonlar, bilgisayarlar gibi çeşitli haberleşme sistemleri DC kullanır. Arabalarda üretilen AC akımı alternatörde 12 Voltluk DC akımına çevrilir ve akü, ışıklar, radyo, vantilatör vb. DC kullanır.

Kitabınızdan okunacak kısımlar AC/DC dönüşümü: Elektrik genel olarak AC olarak üretilir ve kullanılır, fakat Arabalarda da dahil, bir çok alet DC kullanır, bütün haberleşme sistemleri, elektrikli trenler DC kullanır. “Rectifier”(çevirici) converts AC to DC. “Inverter” DC akımı, AC akımına dönüştürür. Bu kısmı, dikkatli okuyunuz.

Rectifier AC akımını, DC doğru akıma çeviren bir elektrik devresidir ve mevcut diodes, akımın yalnız bir yönde akımına müsaade eder.Bu dönüşümde bir güç kaybı vardır. DC akım, tel, computers, ve bütün dijital sistemler DC akım kullanır. Otomobillerde, alternatörde üretilen AC akımı, DC akımına çevrilir ki, aküde ve ışıklarda kullanılabilsin.

DC –Doğru akım Fotovoltaik (PV- güneş pilleri) , ve Yakıt Pilleri DC, doğru akım üretir.Eğer şebekeye bağlanacak olursa “inverter” ile AC akımına dönüştürülür, ve yine bir güç kaybı vardır. Neden şebekeye bağlansın?

Sistemden Kayıplar Alternatif ve doğru akım(AC-DC) devrelerinde, şebekede i.i.R değerinde bir kayıp vardır ve bu kayıp şebekenin R direncine bağlıdır.Bunu azaltmak için, kablo tel(bakır) kalınlıkları fazla yaparak akımı minimuma indirip voltaj farkını çok artırarak yapılır.(500-1000 kV gibi).Nakil ve dağıtım kayıpları % 5-10 seviyesinde olmalı.

Okuyunuz! 4.4.3 Elektro-kimyasal depolama: Aküler hakkında fazla kimyasal olaylara girmeden bilgi sahibi olmak yeterlidir. 4.4.4 Mekanik depolama: Pompalı hidro güç! Flywheel enerji depolama!

Kimyasal depolama Aküler Aküler kimyasal enerjiyi, elektrik enerjisine dönüştürür. Bazı aküler kullanılır ve tekrar doldurulamaz, atılır(primary batteries), bir çok el cihazlarında, gündelik kullandığınız, radyo, saatler, oyuncaklarda .... Kulanılıp, atılan aküler. Diğer aküler, kullanılır ve tekrar yüklenir (recharging with elektrik enerji ile) ikinci tip( secondary batteries)

Aküler Genelllikle, iki elektrot, pozitif ve negatif ve her biri, ayrı kimyasal bileşenden oluşur ve bunlar bir elektrolit içerisinde bulu nur. Elektrotlar kimyasal enerjiyi depolar ve akü devreye bağlandığında, bu enerji elektrik enerjisine dönüşür ve zamanla akü böşalır, ve tekrar elektrik devresine bağlanarak, yüklenir(Charging!), ödeme nasıl olacak?

Örnek Akü Popüler bir akü, örnek olarak, pozitif elektrot PbO2 ile negatif, saf kurşun Pb ve elektrot olarak, su içerisinde konsantara sülfirik asit,H2SO4 den oluşur Sülfirik asit ayrışarak, her iki elektrotda elektriki iş oluşur, ve iki elektrot arasında bir voltaj farkı doğar, elektrik akımı üretilir, kitabınızda (4.18) ifadesi!

Örnek Akü-devam Elektrik işinin elektrotlarda absorbe edilmesi ve veya kullanılması, elektrotların yüzey yapısı ile ilgidir, ve birim hacim başına yüzey alana fazla ise ise, elektrotun yüzey alanı başına depo edilen elektrik işi artar, dolayısı ile, fiyatı da artar.Bu bahsetmiş olduğum akü, popüler olan bir aküdür ve vasıtalarda çok kullanılır. Tablo 4.1 önemli, analiz ediniz ?

Mekanik Depolama Mekanik Depolama sistemleri: 1-pompalanmış hidroelektrik depolama(PHES) 2-Hava sıkıştırmalı enerji depolama(CAES) 3- Flywheel enerji storage-Elektrik (Elektrik enerjisini dönen bir diskte kinetik enerji olarak depo eder) 4- Isıl Depolama

Mekanik Depolama Depolama, ucuz enerji elde mevcut olduğu zaman yapılır. Depolanmış enerji, elde mevcut enerjinin yeterli olmadığı zaman kullanılır. Pompalı hidroelektrik ve sıkıştırılmış-hava enerji depolama genellikle daha büyük depolama için kullanılır.

Pompalı Hidroelektrik Depolama  

Pompalı Hidroelektrik Depolama Eğer, m kg su, h seviyesine pompalanırsa, potansiyel enerjisi : Wp=m.g.h (J) Yüksek miktarda enerjiyi depo edebilmek için, oldukça m kg suyun, kafi derecede h yüksekliğine yükseltilmesi gerekir. Böyle bir sistemde, iki rezervuar, pompa-türbin, motor-jeneratör ve bağlantılarından oluşur.

Pompalı Hidroelektrik Depolama  

Örnek Problem  

Çözüm  

Çözüm  

Dünyada-PHES ABD, Japonya, Rusya, Fransa…..bu sistemler vardır, ve aşağıdaki Tablo da verilmiştir. 2013 yılında Dünya’da pompalı hidro-elektrik toplam kapasitesi 127 GW olmuştur. Bu tesisler 5.7 TWh dan fazla net elektrik enerjisi üretti.

Sıkıştırılmış Hava ile Enerji Depolama Sıkıştırılmış-havalı depolama, havanın potansiyel enerjisini yüksek basınçta bir rezervuarda depolar. Elektrik enerjisi ihtiyacı olduğunda, yanma odasına sevk edilerek, yanmış gazlar türbinde kullanılarak elektrik üretilir. Güneş sistemlerinden ve rüzgar türbinlerinden üretilen enerji ‘peak’ güç ihtiyacı olduğu zamanlarda devreye girer, sistem üretim verimleri %75-80 civarındadır.

Sıkıştırılmış Hava ile Depolama

Flywheel Enerji Depolama Dönen diskle depolamada, elektrik enerjisi, yüksek hızla dönen bir diske kinetik enerji olarak depo edilir. Depolama sistem verimi yüksek olup yaklaşık %90’dır.

Flywheel Enerji Depolama

Flywheel Enerji Depolama Böyle bir sistemde, belli bir kütlesi olan dönen disk, motor-jeneratör birbirine bağlı olarak çalışır. ‘off-peak’ zamanlarında, motor dönen diske gerekli kinetik enerjiyi sağlar. Elektrik enerjisi ihtiyacın olduğu ‘peak period’ zamanında, dönen diskte depolanmış enerji jeneratörü çalıştırarak elektrik enerjisi üretilir.

Isıl Storage - Sensible Heat Storage: Sistemin sıcaklığı artırılarak ısıl enerjisi depolanır. - Latent Heat Storage: Isının absorbe edilmesi, ve faz değişimi ile açığa çıkması-melting-Katı_sıvı; Sıvı_katı faz değişimleri: Malzemenin faz değişimine uğraması şartı! - Thermochemical Enerji storage: Tersinir kimyasal reaksiyonlar ile mümkündür. Kimyasal bileşenlere, ısı verildiği zaman, bir birleşik bir element; alçak sıcaklıkta, be element, ilk bileşenlerine ayrılarak ısı açığa çıkar!

Isıl Storage

Isıl Depolama Isıl kapasite: Q=mc (T2-T1)

Depolama sistemlerin özellikleri 4.4.5 bu kısmı okuyunuz ve Tablo 4.2 de değerlerin manalarını iyice anlayınız. Verim= out put power/input power. Yukarıda, PHES için bir örnek problem çözdük.

Depolama verimliliği

Sonuçlar-Özet - Elektrik- Üretim- Dağılım -Elektrik ihtiyaca göre üretilir ve dğıtılır -Elektrik şebekesi “Peak” ihtiyacı karşılamalıdır; “peak” ihtiyacı ortalama değerin % 25 üzerinde olabilir. - Elektrik enerjisi akülerde depolanabilir. Diğer depolama sistemleri

Problems Problemler: 4.1, 4.4, 4.5 Çözümler için asistanımızda Çözüm kitabı!

Elektro-Kimyasal Depolama Elektrik enerjisinin depo edildiğini ve tekrar kullanıp, tekrar devreye bağlayarak, doldurulan AKÜ lerden bahsediyoruz. Örneğin arabalarda kullanılan aküler gibi. W= V.i dt kWh

Aküler Akülerde, negatif ve pozitif iki elektrot ve bir elektrolit vardır. Elektrotlar, kimyasal enerjiyi depolar ve akü boşalması, bu kimyasal enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesisdir. Akünün, doldurulması bunun tersi bir işlemdir. Doldurma esnasında yapılan iş boşaltme esnsında alınan işlen daha fazladır ve kayıp söz konusudur.

Aküler Elektrot reaksiyonları, elektrot yüzeylerinde, elektrik enerjisini abzorbe eder veya açığa çıkarır. Elektrot birim hacim başına yüzeyi artırmak için “sünger” porous” tipi bir yapıya sahiptir. Dolayısı ile, elektrot malzemesinin birim kütlesi başına enerji depolanması maksimum olur.

Kurşun- asit tipi akü Pozitif Elektrot (PbO2), negatif elektrot (Pb) Negatif Elektrot reaksiyonu: Pozitif Elektrot Reaksiyonu: Net Reaksiyon iki reaksiyonun toplamıdır.

Akü sistemleri Tablo 4.1 de bazı Akü tipler sıralanmıştır

Mekanik depolama Genel olarak, elektrik üreten firmalar tarafından kullanılan “pompalı hidro güçtür. Bundan daha evvel bahsettim. Elektrik enerjisinin ucuz olduğu veya kullanılmadığı zaman, suyu h düşüşü olan bir rezervuara pompalamaktır, sonra m kg/s debisi ile türbinlerden geçerek iş üretilir: W= m.g.h

Bolüm -4 özeti Elektrik enerji üretim ve dağılımı, İnterkonnekte “Grit” enerji kayıpları Elektrik enerji ihtiyacının 24 saat değişimi, “baz” santralleri, santrallerin devreye grip çıkması, Enerji depolama, aküler ve çeşitleri, verimleri, ağırlık ve fiatları bakımından sınırlamalar vb incelendi.

Bölüm -4 Özeti Enerji hatlarında kayıplar, yüksek voltaj dan, transformatörler yardımı ile kullanıcıya kadar voltaj düşümleri, sebepleri, izah edildi. Bu konularda çalışan, elektrik Müh. de, Elektrik makineleri ve yüksek akım diye,ayrı bir bölüm vardır.