Enerji Kaynakları-Bölüm 7 Yenilenebilir Enerji Kaynakları

Giriş Tarih boyunca, insanlar tabiatın hediye ettiği kaynakları kullanıp gelişmeler yaparak bugün içinde bulunduğumuz ilerlemiş toplumları yaratmışlardır. Dünya nüfusu hızla artmaktadır. İnsanlar artan nüfusu beslemek, gerekli enerjiyi sağlamak, çevreyi korumak ve hayat standardını geliştirmek gibi önemli sorunları çözmek zorunda kalmaktadırlar.

Giriş Ülkeler, dengeli-sürdürülebilir (sustainable) bir gelişmeyi temin etmek ve rahat bir yaşam standardını devam ettirebilmek için uzun vadeli ve emniyetli enerji temini ve bunun için dengeli bir enerji stratejisi izlemek zorundadırlar.

Giriş Yüz milyonlarca senede meydana gelmiş ve tabiatın çok değerli bir hediyesi olan fosil yakıtlar, ancak onların yerine geçecek başka bir enerji kaynağı olmadıkça kullanılmalı ve bu yakıtın kullanımı azaltılmalıdır.

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yenilenebilir Enerji Kaynakları başlıca: Biyokütle Enerji Jeotermal Enerji Güneş Enerjisi Fotovoltaik Okyanus- Termal güç Rüzgar Enerjisi Hidrolik Potansiyel Med-Cezir Hidrojen ve Yakıt Pilleri ana başlıkları altında incelenebilir.

Yenilenebilir Enerji Üretimi

Elektrik Enerjisi Üretimi (17,530 GWh 2005’te) (Tripled since 1970 – OECD Growth = <3% - Non-OECD Growth = ~5%) 1.76 Rüzgar 0.18 Güneş 16.48 15.1 65.1 Fosil 0.28 Jeotermal There has been a 47% growth in coal production over the past 25 years. It provides 38% of the world’s electricity and has proven reserves to last for at least the next 200 years. Reserves for oil and gas are about 50 years. Biyokitle 1.1 Nükleer Su Enerji Values are percentages. Sources: IHA/IEA,2006/REN21,2006

Biyokütle Enerji Her türlü yeşil bitkilerden (bitki ve ağaçlardan) ve hayvan artıklarından oluşan organik ürünlerdir. Aslında bu, diğer bir güneş enerjisi şekli olup, yeşil bitkilerde kimyasal enerji olarak depolanmıştır. Yakılarak ısı enerjisi ve elektrik enerjisine çevrilebilir veya katı yakıt, sıvı ve gaz halinde enerji taşıyıcısı olarak da kullanılabilir.

Biyokütle Biyokütlenin enerjisinden faydalanmak için esas işlemler: Yanma Gazlaştırma Pyrolysis(ısıl işlemlerle parçalanma:gaz,katı,sıvı yanıcı ürünler) Fermentasyon, distilasyon ile ethanol üretimi Anaerobic digestion-gaz karışımı üretimi..

Biyokütle Enerji Dünyada birincil enerji ihtiyacının % 4-17’si, gelişmekte olan ülkelerde % 30-40’ı, bazılarında ise % 90’ı bu kaynaktan temin edilir. Biyokütle, bazı işlemlerle etanol, metan ve biyodizel yakıtlarına dönüştürülebilir. Bunlar modern biyokütle olarak adlandırılır.

Biyokütle Enerji Etanol, fermantasyonla mısır ve şeker kamışından elde edilir. ABD’de üretim, ithal edilen etanolün % 2.6’sı kadardır. Etanol doğrudan doğruya, benzine veya dizel yakıtına karıştırılarak yanmayı arttırmayı ve taşıt emisyonunu azaltmayı sağlar ( CO, % 25-35 azalabilir).

Biyokütle Enerji Bu gün biyoyakıtların %40`ı Güney Amerika ülkelerinde üretilmektedir. Brezilya şeker kamışından etanol üretiminde en ileri ülkedir. Brezilya, 2007 yılında 900 milyar galon etanol üretmiş olup, bunun yaklaşık yarısı ABD’de yapılmıştır.

Biyokütle Enerji ABD’de 2000 yılında etanol üretimi 1.6 milyar galon iken, 2007 yılında 5 milyar galon olmuştur. Bu miktar,110 etanol üretim tesisinde yapılmaktadır. ABD’de 2009 yılında etanol üretiminin 11.4 milyar galon olacağı ilan edilmişti.

Biyokütle Enerji Biyodizel, dizel motorları için alternatif bir yakıt olup, bitki yağlarından ve hayvansal yağlardan üretilen, yenilenebilir bir enerji kaynağıdır.

Biyokütle Enerji % 100 biyodizel, sülfür emisyonunu ortadan kaldırır, fakat azot oksit (NOx) emisyonunu arttırır. Biyodizel doğrudan saf olarak kullanıldığı gibi, dizel yakıtı ile de karıştırılabilir.

Biyokütle Enerji- Örnek Problem 7.2: Bir bölgede güneş radyasyonundan yüzeye düşen ısıl radyasyon günde 10MJ/m2 ise ve bunun % 0.1 miktarı biyokütleye transfer ediliyorsa, bir hektarlık alanda bulunan mahsule transfer edilen senede ısıtma değerini, biyokütlenin ısıl değerinin % 25 miktarı elektrik üretimine harcanabilirse, bir hektardan üretilecek elektrik gücünü, ve elektrik fiyatı 0.03 $/kWh ise bu alandan elde edilen kazancı hesap ediniz.

Biyokütle Enerji- Örnek Çözüm:

Biyokütle-Çevre Biyokütlenin yanmasından çıkan emisyonlar fosil yakıt emisyonlarından az değildir. Verimli toprakların mısır üretimi ve biyokütle üretimine ayrılması, özel gübreler, ilaçlar kullanılması çevreye tesir eder. Örnek: Odun ve artıkları bir gazlaştırma tesisi, 8MW elektrik güç elde etmek için, günde 200 ton odun kırıntıları, diğer atıkları kullanmayı gerektirir.

Güneş Enerjisi Güneş Enerjisi, yer kürenin her köşesinde var olup, büyük bir enerji potansiyeline sahiptir. Asırlardan beri kullanılmakta olup, yenilenebilir bütün enerji kaynaklarının kaynağı da güneş enerjisidir.

Güneş Enerjisi Fakat güneş enerjisinin güneş kolektörleri ile gerekli miktarda bir yerde toplanması ve depolanması bir problemdir; yani Yüzey alanlarının, verimli alanların, güneş kolektörleri ile kaplanması düşünülemez.

Güneş Enerjisi Enerji dağılım merkezlerinden uzak, küçük yaşam alanlarında, güneş enerjisi kullanılarak 1-2 MW gücünde küçük santraller yapılabilmektedir. Yeni, güvenilir, ekonomik teknolojiler geliştirilmedikçe, güneş enerjisinin bir ülkenin elektrik enerjisi gereksinimine önemli katkısı olanak dışıdır.

Güneş Enerjisi-Kollektörler Genel olarak kollektörler iki türlüdür: Düz levha tipi kollektörler Aynalı kollektörler-concentrating solar collec. Levha tipi kollektörler: Böyle bir kollektör şeması Şekil-7.7’de verilmektedir. Bu tip bir kollektörden güneş ısıl enerjisi, borulardan geçen akışkana transfer olur. Kollektör bir camla kaplı olup, bu cam, çevreye olan ısıl kayıpları azaltır.

Levha Tipi Kollektör Bir levha tipi kollektörün şeması Şekil-7.7’de verilmektedir. Isı, kollektör levhasından borulardan geçen akışkana transfer olur.

Şekil-7.7

Kollektör-flat-plate Borulardan ısı transferi akışkanı dolaşır ve absorbe edilen güneş enerjisinin % 50-70, borulardan geçen akışkana (su...) transfer edilir, sıcak su ve ısıtmada kullanılır. Absorber levhanın, absorpsiyon katsayısı yüksek, %90-95, emissivity düşük % 4-10 gibi malzemeler..

Levha Tipi Kollektör Sıcaklıklar şekil üzerinde işaretlenmiştir. Kollektöre gelen radyasyon ısıl değer, bölgeden bölgeye değişir ve W/m2 olarak ifade edilir. Bir kısmı aynadan geri yansır, bir kısmı absorbe edilir. Levha tarafından absorbe edilen ß % ise, absorbe edilen miktar ßI olup, ısınan kollektör levhası, çevreye ısı kaybeder ve toplam ısı transferi katsayısı U ise, net ısı akısı, yani toplanan ısı akısı q deklem (7.2)’de ifade edilir: (7.2)

Levha Tipi Kollektör Ta=Çevre sıcaklığı Tc=Kollektör levha sıcaklığı I=Kollektöre gelen ısıl radyasyon, bu radyasyonun bir kısmı yüzeyden geri yansır, bir kısmı absorbe olmadan geçer, bir kısmı da absorbe edilir. Dolayısı ile, Tc yükseldikçe, toplanan ısı q azalır. Eğer q=0 ise, kollektör sıcaklığı maximum olur. Buradan, (7.3)

Levha Tipi Kollektör ifadesi elde edilir. (7.3) Kollektör verim, q/I, (7.4) ile ifade edilir: (7.4)

Levha Tipi Kollektör Pratikte, kollektör sisteminde Tc <(Tc)max Kollektör verimi yazın yüksek, kışın düşüktür. Örneğin ß=0.80, U=5 W/m2.K, kışın ve yazın I=870 W/m2, I=910 W/m2 , ev sıcak su için Tc=60ºC, kışın Ta=0ºC, yazın 21ºC kabul ederseniz, kış ve yaz kollektör verimleri: ηw=45.5 %, ηs=58.6 % elde edilir.

Levha Tipi Kollektör- Örnek Problem 7.6: Bir evde su ihtiyacı 500 litre/gün olup, suyu 15ºC’den 80ºC’ye bir plaka tipi güneş kollektörü ile ısıtılacaktır. Kollektöre gelen ısı radyasyon değeri 1.13E(7) J/m2 olup, kollektör verimi % 33 ise, kollektör alanını hesap ediniz.

Su Isıtıcı Kollektör

Levha Tipi Kollektör- Örnek Çözüm:

Problem-1 Solar kollektör alanı 54m2,bir otel için sıcak su temini için kullanılacaktır. Kollektör girişine soğuk su sıcaklığı 𝑇 𝑐 = 𝑇 𝑖𝑛 =32℃, kollektör çıkışında sıcak su çıkışı 𝑇 ℎ = 𝑇 𝑜 =68℃ Kollektör optical verimi 0.80, β (kitapta) 𝑈=3.95 𝑊 𝑚 2 𝐾 toplam ısı geçirme katsayısı, çevre sıcaklığı Ta=25℃, Güneş enerji akısı kollektör yüzeyine 𝐼 𝑐 =790 𝑊/ 𝑚 2 , su için Cp=4187 J/kg-K Kollektör faydalı ısı üretimini J/s (W), olarak hesaplayınız. 𝑄 𝑐 =𝐴( 𝐼 𝑐 β− 𝑈 𝑐 𝑇 𝑖𝑛 − 𝑇 𝑎 ) (W) =54∗ 790∗0.8−3.95 32−25 =32634,9 𝑊

Problem 1 Saatte ısıtılmış su miktarını hesaplayınız. 𝑄 𝑐 =𝑚 𝐶 𝑝 𝑇 ℎ − 𝑇 𝑐 =32635∗4187∗ 60−32 = =779.4 𝑘𝑔/ℎ

Problem 2 Bir önceki problemde verilen değerler için kollektör verimi, η 𝑐 , kollektör verimini hesaplayınız. η 𝑐 = 𝑄 𝑐 𝐴 𝐼 𝑐 =β− 𝑈 𝑐 ( 𝑇 𝑖𝑛 − 𝑇 𝑎 )/ 𝐼 𝑐

Aynalı Kollektörler Bu tip kollektörlerin amacı, kollektör yüzeyine düşen ısıl radyasyonu artırmaktır. Daha yüksek sıcaklıkta, toplamak, ve kollektör alanını, levha tipine oranla küçültmek mümkün olur. Bu sebepten konsantrasyon oranı, CR, önemlidir.

Şekil-7.9 Çukur (Odaklayan) Ayna

Aynalı Kollektörler Kollektör verimi: (7.7) Kollektör max. sıcaklığı: (7.8)

Aynalı Kollektörler- Örnek Problem 7.10: Isıl radyasyonu konsantre edebilen ayna tipi kollektörler kullanarak 1000MWe gücünde bir güç santrali kurmak istenmektedir. Her ayna tipi kollektör 700W/m2 ısı radyasyon almaktadır. Isıl radyasyonu elektrik enerjisine çevirme ısıl verimi % 35 ise, ve her aynanın kapladığı alanın iki misli araziye ihtiyaç varsa, gerekli olan arazi alanını km2 cinsinden hesaplayınız. 8.16 km2!

Aynalı Kollektörler- Örnek Çözüm:

Güneş Enerjisi Güneş enerjisini, direkt elektrik enerjisine çevirebilen fotovoltaik (PV) pillerin geliştirilmesi önem taşımaktadır. Bu piller, üzerine düşen güneş enerjisinin %10-20’sini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürür.

Güneş Pilleri Güneş pilleri, güneşden gelen enerjiyi absorbe ettiğinde elektrik enerjisi üretir. Yalnız, güneş pili üzerine düşen enerjinin ancak bir kısmı elektrik enerjisine dönüşür. Solar sistemlerde durum budur. Fakat elektrik ve mekanik sistemleri basit, ve işletme masraflarının az olması, bunları cazip kılmaktadır. Fiyatları henüz çok yüksektir!

Güneş Pilleri Bu pillerin fiziği, Kuantum Mekaniğine dayanır. Güneşten gelen elektromanyetik dalgalar fotonları ihtiva eder. Her foton hc/λ kadar enerjiye sahiptir. h= Planck sabiti,c=ışık hızı, λ=dalga boyu Photon enerji at λ= 0.4 mic.m 4.1356.10E(-15)eVsx3.10E(8)m/s/0.4.10E(-6m)=3.1 ev

ince (0.5 μm) n-tipi yarı iletken Şekil 7.3 250 μm p-tipi yarı iletken n Güneş ışığı (fotonlar) p ince (0.5 μm) n-tipi yarı iletken

Güneş Pilleri Güneş ışınlarının dalga boyları genellikle 0.3-2.5 μm arasında değişir. Eğer foton bütün enerjisini (hc/λ)yarı iletkendeki elektrona transfer ederse, elektronu daha yüksek elektrik potansiyeline getirir ve bunun değeri hc/eλ olur. E, elektron yükünü göstermektedir.

Electronlar, p tipi semi-conductor tabakasından, n-tipi yarı iletken tabakasına akar, elektron “hol” ler ise, n tipinden p tipine akarak,böylece,elektronlar n-tipi yarı iletkende,hol” ler ise p- tipi yarı iletkende toplanarak, bir elektriki voltaj farkı meydana gelir, ve devrede elektrik akımı doğurur, DC akımı.

Güneş Pilleri Güneş fotonları için bu değer 0.5-2.5 V elektrik potansiyeli mertebesine karşılıktır. Eğer bu elektronlar bir elektrik devresinden akar ise, elektrik enerjisi üretir. PV bileşenleri Şekil-7.3’te verilmektedir. PV hücre (cell) p-tipi yarı iletken, yaklaşık 250 μm kalınlığında (baz tabaka) ve buna birleşik gayet ince (0.5 μm) n-tipi yarı iletken olup, bu güneş ışınlarına maruzdur. n-tipi ve p-tipi yarı iletken malzemeler “saf” yarı iletkenlerdir (silikon gibi).

Güneş Pilleri PV verimi V=voltaj, j=akım yoğunluğu (A/m2), I=pil yüzeyine düşen radyasyon, Vj=birim yüzeyden güç üretimi

Güneş Pilleri Sayısız PV hücreleri, seri halde birleştirilerek istenilen güç elde edilir ve üretilen akım DC olup AC’ye çevirilir.

Problem λ=0.4 μm, 1.08 μm ve 1.8 μm radyasyon dalga boyları için foton enerjisini hesaplayınız. λ=0.4 μm için ; 𝐸 𝑝ℎ = ℎ𝑐 λ = 4.1358∗ 10 −15 𝑒𝑉𝑠∗3∗ 10 8 𝑚 𝑠 0.4∗ 10 −6 =3.1 𝑒𝑉 λ=1.08 μm için; 𝐸 𝑝ℎ = ℎ𝑐 λ = 4.1358∗ 10 −15 𝑒𝑉𝑠∗3∗ 10 8 𝑚 𝑠 1.08∗ 10 −6 =1.12 𝑒𝑉

Eph değerlerine göre absorbe edilir ve ısıya dönüşür. λ=1.8 μm için; 𝐸 𝑝ℎ = ℎ𝑐 λ = 4.1358∗ 10 −15 𝑒𝑉𝑠∗3∗ 10 8 𝑚 𝑠 1.8∗ 10 −6 =0.69 𝑒𝑉 Solar cells are manufactured from different semiconductors and their combinations. Eph değerlerine göre absorbe edilir ve ısıya dönüşür.

FOTOELEKTRİK-Örnek Problem 7.11: Bir uydunun fotovoltaik güç sisteminde, güneşten gelen solar ısıl enerji 1367W/m2 ise ve PV verimini %17 kabul edersek birim yüzey başına elektrik gücünü, eğer gelen ısıl radyasyonun % 90 absorbe ediliyorsa, birim yüzey başına uzaya transfer edilen ısı miktarını eğer yüzeyi siyah bir yüzey olarak kabul edersek, yakıt pilinin yüzey sıcaklığını hesap ediniz.

FOTOELEKTRİK-Örnek a)

FOTOELEKTRİK-Örnek Gelen radyasyon yansır, hücreden geçer, dolayısı ile gelen radyasyonun %90’ı absorbe edilirse; b) c)

Güneş Pilleri İşletme masrafı ihmal edilebilir. İstenilen kapasitede güç üretilebilir. Mekanik ve elektrik sistemi basittir.

Güneş Pilleri Bugün dünyada yaklaşık 3000 MWe gücünde photovoltaik-elektrik enerjisi sistemi kuruludur. Bütün gayretler, yatırım masraflarını düşürerek, düşük cent/kWh değerine ulaşmaktır.

Güneş Enerjisi Yıllık tesis artışı, %43 ile Japonya birinci, AB ülkeleri özellikle Almanya yıllık %43 artışla ikinci sıradadır. Japonyada 1990 yılından başlayarak, yıllık %43 artışla 2010 yılında 4820 MWe fotovoltaik sistemi kurulmuş olacaktır. Yine Japonya`da, kuruluş masrafları $5500/kWe düşmüştür.

Güneş Enerjisi Tam ekonomik olursa, dünya elektrik ihtiyacının % 10-15 fotovoltaik-elektrik sistemlerinden elde edilebileceği, belki 2050 yılına kadar, tahmin edilmektedir. Halihazırda fosil yakıt santralleri, doğal gaz, nükleer enerji ve rüzgar türbinleri ile ekonomik bakımdan yarışması mümkün değildir.

Güneş Enerjisi Amerika ve AB de bu sistemleri kullanıcılara, hükümet büyük süpvansiyonlar vermektedir. Şu aşamada bu piller, pahalı sistemlerdir (~ 20 cent / kW-saat). Yapılan araştırmalar ışığında PV destekleyici kuruluşlar, 2020 yılında enerji fiyatını 6 cent / kW-saat olarak hedeflemektedirler.

Türkiye Güneş Potansiyeli

Hidrolik Güç Bu gün dünyada, elektrik enerjisinin % 19’dan fazlası hidrolik santrallerden temin edilmektedir. Ülkemizde, kurulu güç 15.000 MWe civarında olup, 500’den fazla muhtelif kapasitede hidrolik santrallerin inşaası için lisans alinmiştir. Hidrolik santrallerin ekonomik olabilmesi için, Güvenilir su debisi, m kg/s veya Q m3/s Belli bir düşü, h(m) aranır.

Hidrolik Potansiyel Baraj düşüsünden borularla gelen su, hidrolik türbinlerin girişine akar ve mekanik enerji üretilir, bu mekanik enerji, jeneratör ile elektrik enerjisine donüştürülür. Türbinin maksimum gücü P=ρghQ ifadesi ile bulunur, burada g=9.8m/s2, Q=m3/s, ρ =kg/m3

Hidrolik Güç- Örnek Problem-7.1: Bir hidrolik santralde debi Q=100m3/s, düşü 10m, türbin-jeneratör verimi % 85 ise bu barajın, maksimum elektrik gücünü, bu santralin kapasite faktörünü % 65,elektrik fiyatını da 0.03 $/kWh kabul ederek yıllık gelirini $ olarak , Bu santralin yatırım fiyatı $1000/kWe ise, yıllık kazancın yatırım masrafına oranını hesap ediniz.

Hidrolik Güç- Örnek 1N=kg.m/s2 Çözüm: 1N=kg.m/s2 Enerji = kuvvet x uzunluk = N.m = kg.m2/s2 =J

Hidrolik Güç- Örnek

Hidroelektrik Güç Santrallerinin Performansı Yer çekimi ivmesi g (9.81 𝑚 𝑠 2 ), suyun yoğunluğu 𝜌 (1000 𝑘𝑔 𝑚 3 ), türbinde su debisi V (m3/s), suyun net yüksekliği (head) H (m) ve santralin elektrik verimi η 𝑒 ise, bir HES elektrik üretimi şu ifade ile hesaplanır : 𝑊 𝑒 =𝑔∗𝜌∗𝑉∗𝐻∗ η 𝑒 (W) 𝑊 𝑒 =Elektrik Gücü

Hidroelektrik Güç Santrallerinin Performansı Buradan η 𝑒 için, η 𝑒 = 𝑊 𝑒 𝑔∗𝜌∗𝑉∗𝐻 = η 𝑡 η 𝑔 yazılır. η 𝑡 𝑡ü𝑟𝑏𝑖𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑚𝑖𝑑𝑖𝑟, η 𝑔 𝑖𝑠𝑒 𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡ö𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑚𝑖𝑑𝑖𝑟. Tipik η 𝑡 =0.92-0.96 değerleri arasındadır. Tipik η 𝑔 =0.97-0.99 değerleri arasındadır. Santralin kapasite faktörü (CF); 𝐶𝐹= 𝐸 𝑔 /8760 𝑊 𝑒 olarak tarif edilir ve suyun debisinin değişimine bağlı olarak CF=0.4-0.75 arasında değişir.

barajın, maksimum elektrik gücünü(8 Türbin) Ece Özkaya – 06150083 Problem-7.1: Atatürk Barajı ve hidroelektrik santralinde ortalama debi, Q=200m3/s, düşü 170m, türbin-jeneratör verimi % 90 ise barajın, maksimum elektrik gücünü(8 Türbin) santralin kapasite faktörünü % 60,elektrik fiyatını da 0.07 $/kWh kabul ederek yıllık gelirini $ olarak santralin yatırım fiyatı $1000/kWe ise,yıllık kazancın yatırım masrafına oranını hesap ediniz. *: Fırat nehrinin yıl boyunca akış rejiminin 100 m3/s’den 5000 m3/s’ye kadar çıkabildiği bilinmektedir. Bu nedenle ortalama bir debi ile hesaplar yapılmaktadır. **:Türkiye’de yenilenebilir enerji kaynakları için devlet teşviki ile kabul edilen hidrolik enerji için belirlenen rakam,2010 yılı itibarı ile 68

Düşey eksenli Francis tipi türbin (8 adet) Q=200 m3/sn h=170 m P= η(ρgh)Q P= 0.90 x (1000 kg/m3 x 9.81 m/s2 x 170 m) x 200m3/sn P= 300.186 MWe ( bir türbin gücü) Pt = 8 x 300.186 = 2400 MWe (8 türbin kapasitesi)

c) Toplam maliyet = 2.4 x 106kW x 1000 $/kW b) kWh/y = 0.6 x 2.4 x 106kW x (365x24) h/y = 12.6 x 109 kWh/y $/y = 12.6 x 109 kWh/y x 0.07 $/kWh = 883 x 106 $/y c) Toplam maliyet = 2.4 x 106kW x 1000 $/kW = 2.4 x 109 $

Hidrolik Güç Konferans da,Davetli konuşmacımızdan, bu konu hakkında ek bilgiler sahibi olacağınızı umarım. Hidro güç için gerekli teknoloji geliştirilmiştir. Hidrolik türbinler tam olarak geliştirilmiştir: Kaplan Türbini Francis Türbini Pelton Türbini

Hidrolik Güç Kaplan Türbini: Alçak-düşülü olan fakat hacimsel debisi yüksek olan barajlarda kullanılır (Şekil-7.1) eksenel akışlı! Francis Türbini: Radyal akışlı olup, daha yüksek düşülü barajlarda, Pelton Türbini: Çok düşük debilerde, su nozüller ile basınçlı su hızı fazla olan jet haline getirip türbinin kanatçıklarına püskürtür (Şekil-7.1)

Şekil-7.1

Hidroelektrik Santral Adı TÜRKİYE’DEKİ EN BÜYÜK 20 BARAJ Hidroelektrik Santral Adı Bulunduğu İl Kurulduğu Yıl Kurulu Güç (MW) Atatürk Şanlıurfa 1992 2405 Karakaya Diyarbakır 1987 1800 Keban Elazığ 1974 1330 Altınkaya Samsun 702.55 Berke Osmaniye 2002 510 Hasan Uğurlu 1979 500 Sır Kahramanmaraş 1991 283.5 Gökçekaya Eskişehir 1973 278.4 Batman 2003 198 Karamış Gaziantep 1999 189 Özlüce 170 Çatalan Adana 1997 168.9 Sarıyar Hasan Polatkan Ankara 1956 160 Gezende İçel 1954 159.37 Aslantaş 1984 138 Hirfanlı Kırşehir 1960 128 Menzelet 124 Kılıçkaya Sivas 1990 110 Dicle 2000 Kral Kızı 1998 94.5

TÜRKİYE’DEKİ HİDROELEKTRİK SANTRALLERİ Ekonomik olarak yapılabilir HES Projelerinin Durumu HES Sayısı Toplam Kurulu Kapasite (MW) Ortalama Yıllık Üretim (GWh/yıl) Oran (%) İşletmede 172 13,700 48,000 35 İnşa Halinde 148 8,600 20,000 14 İnşaatına Henüz Başlanmayan 1,418 22,700 72,000 51 Toplam Potansiyel 1,738 45,000 140,000 100 2008 yılı itibariyle, enerji üretimimizin %17’si yenilenebilir kaynak olarak nitelendirilen hidrolik kaynaklardan, %81’i ise fosil yakıtlardan sağlanmakta idi.

Hidrolik Güç Barajlarda, esas masraf, inşaat masraflarıdır ve güç üreten, türbin, jeneratör gibi ekipman fiyatı baraj inşaat masrafının ufak bir kısmıdır. Ömürleri uzundur, yalnız güç üretimi için değil, sulama ve seller ve feyezandan korumayı da sağlar.

Hidro Güç- Çevre Ciddi Çevre sorunları doğurur; baraj arkasındaki eko sistem tamamen değişir. Ziraat için elverişli alanlar, yerleşim bölgeleri su altında kalır. Medeniyetin oluştuğu nehir havzalarında, tarihi yapıtların sular altında kalmasına sebep olur veya bunlar başka yerlere taşınır. Bölgede olabilen kıymetli balık türleri kaybolabilir.

Rüzgar Enerjisi Rüzgar enerjisi de güneş enerjisinin bir sonucudur. Güneş enerjisi sonucu atmosferde meydana gelen sıcaklık farkları, yerkürenin yüzey yapısının değişik formlarda oluşu ve yer kürenin dönmesi rüzgarları doğurur.

Rüzgar Enerjisi

Rüzgar Enerjisi İnsanlar yüzyıllardan beri, bu enerjiden de çeşitli amaçlar için yararlanmaktadırlar. Şimdi önemli olan elektrik enerjisinin de rüzgar enerjisinden üretilebilmesidir.

Rüzgar Enerjisi Rüzgar enerjisi, mekanik güç (yel değirmeni, su pompaları vb.) olarak kullanıldığı gibi, bir jeneratör aracılığı ile rüzgarın mekanik enerjisi elektrik enerjisine de dönüştürülebilir.

Rüzgar Enerjisi 11’inci asırda, Ortadoğu’da insanlar yel-değirmenlerini kullanmışlardır. Yel-değirmenleri, Ortadoğu’dan Avrupa’ya, ticaret yapan kişiler ve haçlılarla geçmiştir. 1890 yılında Danimarka, rüzgarın kinetik enerjisini, bir jeneratör ile elektrik enerjisine dönüştürmüş, ve bu sistem rüzgar türbini olarak adlandırılmıştır.

Rüzgar Enerjisi Bugün, dünyada elektrik dağılım hatlarına bağlı olan toplam rüzgar türbinlerinin kapasitesi 40 x 109 W (40.000 MW) dır. Geçen 25 yılda, ABD’de rüzgar enerjisi kullanımı artmış olup, 1980 yılında 80 cent / kW-saat enerji fiyatı, 2005 yılında 4 cent / kW-saate düşmüştür.

Rüzgar Enerjisi Fakat bu fiyatlar, çok çeşitli yerel şartlara bağlı olup, her ülke için ayrı bir analizi gerektirir. Bununla beraber, enerji dağıtım hatlarından (interkonnekte) uzak yerleşme bölgelerinde (örneğin, adalarda) 30 kW – 2 MW ünite güçleri ile, istenilen güce göre ünite sayıları arttırılarak çok faydalı enerji kaynağı olmaktadır.

Türkiye de Durum-Rüzgar Türkiye toplam rüzgar enerjisi potansiyelinin karasal alanlarda 37.386 MWe, denizlerde ise 10.463MWe olarak tespit edilmiştir. Çalışmalar,1980’li yıllarda Elektrik İşleri Etüd İdaresi (EİE) Genel Müdürlüğü tarafından başlatılmıştır. İlk rüzgar türbin çiftliği 1998 yılında Çeşme’de 0.6 MW toplam güç kapasitesi ile kurulmuştur.

Türkiye de Durum- Rüzgar Türkiye’de 2007 yılı sonu itibarı ile 146 MW olan kurulu güç 2013 Temmuz ayı itibarı ile 2600 MW’a çıkmıştır ki bu, toplam elektrik üretim kapasitesinin yaklaşık %5’ine denk gelmektedir. Bu kapasitenin 2015 yılına kadar 5,000 MW, 2023 yılına kadar ise 20,000 MW kurulu güce ulaşılması stratejik hedef olarak belirlenmiştir.

Rüzgar Güç

Rüzgar Güç (devam)

Rüzgar Güç (devam) Türbin gücü bu değerden daha azdır. Çünkü, türbin kanatçıkları etrafında akışta kütle debisi azalır. Kanatçık etrafındaki hıza Vt diyelim. Türbinden çıkışta hız daha azalır, buna da Vm dersek, kinetik enerji farkı türbin gücünü verir.

Türbinde Rüzgar hızı Vt Türbinden geçişte basınç düşümü: Eksenel itme kuvveti: Bu kuvvet momentum değişimine eşit olmalı:

Rüzgar Güç (devam) Böylece, güç için aşağıdaki ifade elde edilir. Parantezin içerisindeki ifadenin max. değeri:

Rüzgar Güç (devam) Rüzgar türbini performansı boyutsuz güç faktörü olarak CP ifade edilir. A= türbin rotorunun disk alanı

Rüzgar Güç (devam) Örnek 7.14 : Eğer rüzgar hızı 20 mil/h, CP=0.5, ρ=1.2 kg/m3 ise, rüzgar türbininin disk yüzey alanının m2 sinden üretilen gücü hesap ediniz.

Rüzgar Güç (devam) Bu şartlar altında 1 MW güç üretimi için, rüzgar türbini kanat çapını hesaplayınız.

Rüzgar Güç-Problem 1 Rüzgar türbin çapı 122m olan bir rüzgar türbinine, rüzgar 14 m/s hızla gelmektedir. Türbin performans katsayısı 0.41, dişli kutusu verimi 0.98, elektrik jeneratör verimi 0.97 olduğuna göre, rüzgarla elde mevcut rüzgar enerjisini, türbin gücünü ve elektrik üretim gücünü hesaplayınız.(ρ=1.2 𝑘𝑔/ 𝑚 3 ) 𝑊 𝑝 =0.5ρ π 4 𝐷 2 𝑈 ∞ 3 =0.5∗1.2∗ π 4 ∗ 122 2 ∗ 14 3 = =19.25 MW

Rüzgar Güç-Problem 1 Türbin gücü : 𝑊 𝑡 =0.41∗19.25 𝑀𝑊=7.89 𝑀𝑊 Elektrik gücü : 𝑊 𝑒𝑙 = 𝑊 𝑡 ∗ η 𝑔𝑏 ∗η 𝑔 =7.89 𝑀𝑊∗0.98∗0.97= =7.5 𝑀𝑊

Rüzgar Güç-Problem 2 Bir rüzgar türbini gücü, 𝑈 ∞ =13.5 𝑚 𝑠 rüzgar hızında Wt=6 MW dır. Rotor güç katsayısı Cp=0.42 ise, a)Rüzgar türbini rotor kanat çapını hesaplayınız. b) Rüzgar hızı 7 m/s, dişli kutusu ve jeneratör birleşik verimi η 𝑔𝑏,𝑔 =0.95 ise elektrik gücünü hesaplayınız.

Rüzgar Güç-Problem 2 a) 𝐷= 8∗ 𝑊 𝑝 𝜋 𝑐 𝑝 𝜌 𝑈 ∞ 3 0.5 = 8𝑥6𝑥 10 6 𝜋𝑥0.42𝑥1.2𝑥 13.5 3 0.5 = =111 𝑚 b) 7m/s rüzgar hızı ile üretilen elektrik : 𝑊 𝑒𝑙 =0.5 ∗𝐶 𝑝 ∗𝜌∗ π 4 ∗ D 2 ∗ U ∞ 3 ∗ η 𝑔𝑏,𝑔 = =0.5∗0.42∗1.2∗ π 4 ∗ 111 2 ∗ 7 3 = =794.6 kW

Med-Cezir yükseklik havuz

Med-Cezir Deniz seviyesinin, yükselip belirli periotlarla düşmesinden istifade edilerek elde edilen enerjidir, ve bir baraj ve türbin sistemine benzer, ve okyanus üzerinde, yerçekim kuvvetinin değişim farklarının bir neticesidir. Su seviyesinin yükselişi, ay-güneş-yerküresi durumlarına bağlı olarak değişir.

Med-Cezir Şekil 7.21 de işaret edildiği gibi, okyanus ve havuz arasına bir baraj ve türbin yerleştirilir. Deniz tarafı en alçak seviyeye, ve havuz tarafı en yüksek seviyeye geldiğinde, kapaklar açılarak türbin çalışır.

Med-Cezir The world tidal enerji potential is estimated at 40 GW of electric power. This energy is a result of mutual gravitational interaction of the earth,moon, and the sun. Only a few locations in the world are suitable for harnessing tidal energy. At the present, there are several operational tidal power plants and some under construction.

Med-Cezir As of May 2012, the world’s largest tidal power station Sihwa Lake in South Korea with an electric capacity of 254 MWe has 10 sabmerged water turbines (10X25.4-MW), average height difference between high and low tides is 5.6 m.

Tidal Power The world’s second largest tidal power station “Rance in France” which has been in operation since 1966. The total power capacity is 240MWe, it generates 600 GWh/y with a capacity factor of 40%. Tidal basin occupies 22.5 km2, the storage reservoir capacity is 200 million m3, tidal height reaches 13 m. Cost of electricity is $18MWh.

Med-Cezir

Med-Cezir There are two measures of performance of a tidal power plant: High capacity factor η, the ratio of the average turbine power output to to the rated turbine output. Second measure is the plant effectiveness, - ε , is the ratio of the average power output to the ideal power output given by Eq. 7.17. See table 7.6 for two tidal power plants!

Med-Cezir Problem 7.17 Bir med-cezir güç santrali havuz alanı (Tablo-7.6) A=4.8 km2 ve yükselme halinde yüksekliği H=6.3 m, ve elektrik gücü de 17.8 MWe, kapasite faktörü de η=0.32 olduğuna göre a) (7.16) ve (7.17) no’lu denklemleri kullanarak, ideal enerjiyi ve ideal gücü hesaplayınız. (T = 4.46 x 104 s) b) Ortalama güç ve efektifliği (effectiveness - ε) hesaplayınız.

Med-Cezir

Med-Cezir

Denizlerden Isıl Güç-Ocean-Termal

Ocean Thermal-OTEC-devam Senelik yer yüzüne gelen solar thermal radyasyon E=5.5 xE(24) J. Okyanuslar yer kürenin, yaklşık %70’ini kaplar ve gelen thermal radyasyonun % 15 absorbe edilir, ve havanın açık olabilme yüzdesi de K=0.50 kabul edilirse, okyanusların absorbe ettiği miktar: 2.96xE(24) J/sene

OTEC Okyanuslarca, absobe edilen thermal radyasyon neticesi, okyanus sıcaklığı, derinliğe göre exponensiyel olarak azalır. Bu, ekvatordan uzaklığa ve mevsimlere göre değişir. Tropik bölgelerde yüzey sıcaklığı 25-30 C, ve 1 km derinlikte 5-8 C arasında değişir. Max. Possible thermal efficiency?

OTEC -Şeması

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Bazılarına göre fosil yakıtların yerine geçebilecek çok cazip bir alternatif olarak görünebilirse de, doğada hidrojen, enerji taşıyıcısı olarak serbest halde mevcut değildir.

Dalga (Wave) Enerjisi 𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑔𝑎 =0.5𝑔∗𝜌∗ 𝛼 2 𝐽 𝑚 2 Güç : 𝑃=𝑐∗𝐿∗𝑊/𝜏 (w) Yeryüzünün ısınması, solar radyasyonun absorbe edilmesi, bu sebepten sıcaklıkların değişmesi ve yer kürenin dönmesi sonucu dalgalar oluşur. Toplam enerji, dalganın hareket istikametinde birim uzunluk ve dalga yüzeyinin birim alanı başına : 𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑔𝑎 =0.5𝑔∗𝜌∗ 𝛼 2 𝐽 𝑚 2 𝛼 : Dalganın genliği (Amplitude) (m), L : uzunluk (m) W: genişlik, derinlik (m) Güç : 𝑃=𝑐∗𝐿∗𝑊/𝜏 (w) 𝑃 𝑊 =𝑔∗𝜌∗ 𝛼 2 ∗ 𝑔𝐿 2𝜋 0.5 ( 𝑊 𝑚 )

Jeotermal Enerji

Jeotermal Enerji

Rankine çevrimi özelliğine sahiptir ! Jeotermal Enerji Bu çevrim, Rankine çevrimi özelliğine sahiptir ! üretim kuyusu Tekrar kuyuya

JEOTERMAL ENERJİ NEDİR?-Jeotermal Enerji Santralleri Çalışma Prensibi

Jeotermal – Dünyadaki Durum ABD’de 2594 MWe, 463 MWt (termal enerji, ısıtmada kullanılıyor) Filipinler’de 888 MWe

Jeotermal - Türkiye’deki Durum Jeotermal enerji, jeotermal kaynaklardan gelen sıcak su, su-buhar, buhar ısı enerjisinden istifade etmektir. Düşük sıcaklık : 20 ºC-70 ºC Orta sıcaklık : 70ºC-150ºC Yüksek sıcaklık : 150ºC’den yüksek

Jeotermal - Türkiye Merkezi ısıtma: 117.000 konut (983MWt) 215 Kaplıca (eşdeğeri 402 MWt) Elektrik üretimi : 20 MWe (Denizli-Kızıldere) Aydın – Salavatlı : 10 MWe Proje aşamasında : 55 MWe Toplam Elektrik : 85 MWe

Türkiye’deki Jeotermal Enerjiden Elektrik Üretiminin Gelişimi TÜRKİYE’DE JEOTERMAL ENERJİ 2000 2005 2010 Ağustos 2013 2013 Sonu Gelişme ve İnşaat Aşamasında 2018 Sonu ile Planlanan 15 MWe 94,2 MWe 242 MWe ~ 750 MWe MWe ~ 300 MWe Türkiye’deki Jeotermal Enerjiden Elektrik Üretiminin Gelişimi

JEOTERMAL ENERJİ DOĞRUDAN KULLANIM ALANLARI TÜRKİYE’DE JEOTERMAL ENERJİ JEOTERMAL ENERJİ DOĞRUDAN KULLANIM ALANLARI (Eylül 2013) KAPASİTE JEOTERMAL YERLEŞİM ALANI ISITMASI (ŞEHİRLER, KONUTLAR) Yaklaşık 89.443 Konut (805 MWt) SERA ISITMASI ~ 3 Milyon m2 (612 MWt) TERMAL TESİS ISITMALARI Yaklaşık 42.000 Konut (380 MWt) BALNEOLOJIK KULLANIM 350 Ilıca, termal tesis (870 MWt) (Yıllık 16 Milyon Ziyaretçi) JEOTERMAL ISI POMPASI 38 MWt TOPLAM JEOTERMAL ISI KULLANIMI 2705 MWt (Yaklaşık 260.000 Konut) TOPLAM ELEKTRİK URETİMİ 310,8 MWe (Aydın-Germencik, Denizli-Sarayköy, Aydın Salavatlı, Aydın-Hıdırbeyli, Çanakkale-Tuzla) KARBONDİOKSİT ÜRETİMİ 160.000 ton/yıl

Jeotermal - Türkiye 2007-2013 hedefleri: Jeotermal elektrik, ısıtma, sera ısıtma, kurutma için: Elektrik Üretimi : 550 MWe Isıtma : 500.000 konut (400MWt) Sera Isıtma : 5000 dönüm (1700MWt) DPT’na göre toplam yatırım: 3.25 Milyar $

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Yakıt pilleri, benzin ve dizel yakıtları gibi, motorlu taşıtlar, konut ve fabrikalarda güç kaynağı olarak kullanılabilir. Elektrik dağılım ağlarından uzak bölgelerde faydalı bir enerji kaynağıdır. Taşıt araçlarının çokluğundan hava kirliliğinin arttığı şehir ve şehir bölgelerinde taşıt araçları için kullanılabilir; hiç bir zararlı emisyonu yoktur.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri H2, gazdan “steam reforming” yolu ile elde edilir ve dolayısı ile fosil yakıt kullanımını azaltmaz; ayrıca CO2 emisyonu vardır. Bu nedenle H2 ekonomisinin gerçekleştirilmesi, fosil yakıt kullanmadan, özel nükleer reaktörler, güneş enerjisi vb. kullanılarak, yüksek sıcaklıklarda (600-700oC.) suyu ayrıştırıp H2’i ayırmakla mümkün olmaktadır.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Bunun için gerekli teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Ancak, bu yöntemi ticari hale getirebilmek için aşılması gereken sorunlar olduğundan, gerekli teknolojileri geliştirmeden, kullanıcılar için bir seçenek oluşturduğu söylenemez. H2 üretimi pahalıdır ve üretim yöntemleri sınırlıdır.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Emniyet açısından üretim ve dağıtım sorunları vardır. Gaz halinde depolanması, hacim başına düşük enerji yoğunluğu dolayısı ile çok sınırlıdır. Diğer seçenekler, kriyojenik (cyrogenic) sıvı veya katı halde depolanmasıdır.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Gaz / sıvı depolanması ve gaz olarak boru hattı ile uzak mesafelere pompalanması sorunludur. Katı halde depolanma daha güvenli olup taşıt araçları için, taşıt içinde depolanabilmesi açısından önemlidir. Dolayısıyla, yüksek basınçlı depolama tankları teknolojileri geliştirilmelidir.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Hidrojeni katı fazda depolama tekniklerinden birisi metal hidratlar, yani hidrojenin bir metal ile kimyasal olarak tutulması ve belirli bir sıcaklıkta veya ortamda hidrojenin açığa çıkmasıdır. Bu yöntemde güvenlik önemli bir sorundur, bu nedenle emniyet kodları ve standartlarının geliştirilmesi ve kullanıcılar tarafından iyi bilinmesi gerekir.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri ABD’de enerji bakanlığı, 2030 yılında ve daha sonra H2 ekonomisine geçiş için çalışmalarını sürdürmektedir. Motorlu taşıtlar, kullanılan yakıt pillerinin ürettiği elektrik enerjisi ile çalıştırılırsa, yakıt enerjisinin %40-60’ını kullanmış olurlar. Ancak, yakıt pilleri halen gelişme sürecindedir.

Hidrojen ve Yakıt Pilleri Yakıt pilleri hidrojeni, hava ile reaksiyonu sonucu elektrik enerjisine çevirir ve H2O açığa çıkar. Bugün 200 kW, 3 – 4 MW kapasitelerde yakıt pilleri olup, bu yakıt pilleri bir akü gibi çalışır, fakat akü gibi boşalmaz. H2 yakıtı geldikçe, elektrik enerjisi üretilir.

Yakıt Pilleri (1) Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), (2) Alkaline Fuel Cell (AFC), (3) Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), (4) Molten Carbonate Fuel Cell, (5) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), (6) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC

Yakıt Piller Bu yakıt pillerinde kullanılan “Elektrolit” cinsine göre bu çeşitlendirme yapılmıştır. Yakıt pillerini artan çalışma sıcaklık derecesine göre şöyledir: (1) Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), ~ 80°C (2) Alkaline Fuel Cell (AFC), ~ 100°C (3) Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), ~ 200°C 4) Molten Carbonate Fuel Cell, ~ 650°C (5) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), ~ 650 – 1000°C

Yakıt Pilleri Bileşenler: Collector Plate Electrode Membrane

Planar solid oxide fuel cell (PSOFC) Interconnect Cathode Electrolyte Anode Interconnect Air / Oxygen Fuel O2 H2 O= This is a schematic diagrams of the PSOFC with counter-flow configuration. Basic components of solid oxide fuel cells as you can see are interconnects, cathode channel and electrode, anode channel and electrode, and electrolyte. O2 H2O

PEM Fuel cell

Genel Görüşler Sonuç: Enerji sorununu çok doğru stratejiler kullanarak çözmüş ve endüstride hızlı gelişme sağlamış ülkeler; Fosil–yakıt santrallerini, Hidrolik santralleri (Kyoto Protokolüne uygun) Nükleer Santralleri, Alternatif Enerji Kaynaklarını, beraberce kullanan ülkelerdir.

Genel Görüşler Yenilenebilir enerji kaynakları da GRİT’e fossil yakıt santralleri ile bağlanınca hava kirliliğini ve carbon-dioxit salınımlarını azaltır. Yatırım masreafları henüz fosil yakıt santrallerinden çok fazladır ve kapasite faktörleri düşüktür,dolayısı ile, enerji fiatına, yatırım masraflarınıntesiri büyüktür.

SORULAR?

Wind Energy Capital cost 1000-2000U $/kWe Construction time one-two years in most cases. Availability: 17-38 % for onshore plants 40-45 % for offshore plants Cost of energy: cent 3.5-9.5/kWh depending on the size of the plant

Solar Generating Technologies Construction costs: 5000-5500 $/kWe Bu rakam, Japonyada geçmiş yıllarda $11000-16000/kWe idi! Availability factor: 9-24 % Energy costs: 15-20 cent/kWh Japonya`da 11-15 cent/kWh

Nuclear Power Construction costs: 2000-3000 $/kW Availability: 80-90 % Generating costs: 3-5 cent/ kWh The share of the investment in total generation cost is 70 %, O&M 20% Fuel cost 10%

Gas-Fired Stations Construction costs: 400-800 $/Kwe Lower than those of coal-fired and nuclear power plants. Availability: depends on Gas supply! Fuel cost: 80-90 % of the total cost Energy security remains main concern