Farklı iklim şartlarındaki jeotermal santrallerin soğutma sisteminin optimizasyonu
Optimisation of geothermal power plant cooling systems at different climatic conditions
- Tez No: 604921
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURHANETTİN ÇETİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Modern dünyada elektrik enerjisi, gıda, barınma, sağlık gibi en temel ihtiyaçlardan birisi haline gelmiştir. Elektrik enerjisi evlerden sanayiye tüm alanlarda ve sağlıktan ulaşıma tüm sektörler için yaşamsal önem taşımaktadır. Bu enerjinin önemli bir kısmı hala fosil yakıtlı konvansiyonel elektrik santralleri ile üretilmektedir. İklim değişikliğine negatif etkileri nedeniyle söz konusu santraller yavaş yavaş kullanımdan çıkarılmaktadır. Almanya gibi bazı gelişmiş ülkeler ileride bu santralleri tamamen kapatacaklarını açıklamaktadırlar. Nükleer enerji konusundaki atıkların depolanması ve güvenlik endişeleri, nükleer santrallerin yaygınlaşmasında soru işaretleri oluşturmaktadır. Bununla birlikte, nükleer enerji sera gazları yaymadan elektrik üretimi yapabilen önemli bir alternatiftir. Son yıllarda ise rüzgar, jeotermal, güneş, biyokütle gibi yenilenebilir enerji kaynakları daha önemli hale gelmiştir. Jeotermal enerji de dünya genelinde yaygın olarak kullanılan yenilenebilir kaynaklarından biridir. Jeotermal enerjinin diğer yenilenebilir enerji çeşitlerine göre önemli avantajları vardır. Jeotermal kaynaklardan kesintisiz, sürekli, sürdürülebilir ve meterolojik koşullara bağlı olmadan, güvenilir enerji elde edilebilir. Diğer yenilenebilir kaynaklardan enerji üretimi jeotermale göre daha kısıtlı olabilmektedir. Jeotermal santrallerde su ve hava soğutmalı sistemler soğutma işlemi için kullanılabilmektedir. Yaygın olarak enerji üretiminde kullanılan binary tip santrallerde, ağırlıklı olarak hava soğutmalı sistemler kullanılmaktadır. Bu nedenle bu tip jeotermal santrallerde soğutma akışkanı olarak havanın kullanıldığı kuru soğutma sistemleri tercih edilmektedir. Kuru soğutma sistemleri su tüketmezler. Bununla birlikte kuru soğutma sistemlerinin uygulandığı santrallerin sıcak günlerde performansları önemli ölçüde düşer. Bir miktar suyun kullanıldığı ıslak soğutma sistemlerinin kuru soğutma bileşenlerine eklenmesi ile hibrit soğutma sistemleri oluşturulabilir. Hibrit soğutma sistemleri tamamen ıslak soğutma sistemlerine göre daha az su harcarlar ve santral performansı daha yüksektir. Bu sistemler sayesinde sıcaklığın yüksek olduğu günlerde daha az soğutma suyu harcanarak santralin üretim kapasitesi artar. Bu çalışmada farklı hibrit soğutma sistemi seçenekleri değerlendirilmiştir. Bu amaçla bir analiz metodu geliştirilmiştir. Çalışmada ortaya çıkarılan metod ile jeotermal santralde sıcak havalarda düşen performansı iyileştirmek için kullanılan sistemlerin ekonomik analizi gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca bu sistemlerin kullandığı su miktarları da hesaplanabilmektedir. Çalışmada geliştirilen analiz metodunun adımları takip edilerek gerçek bir jeotermal santralin verileri ile bilgisayar ortamında jeotermal santral ve hibrit soğutma sistem modelleri Ebsilon Professional programında hazırlanmış, ardından matematiksel modelleme ile analiz için kullanılan denklemler türetilmiştir. Denklemlerde iklim verileri yerlerine konarak hesaplama yapılabilir. Çalışmada, kuru hava termometre sıcaklığı ve bağıl nem, denklemlerde değişken olarak kullanılan iklim değerleridir. Analizin yapılacağı bölgede bulunan yerel meteoroloji istasyonundan alınan değerler geliştirilen denklemlerde yerlerine konularak hesaplamalar yapılabilir. Böylece çalışmada üretilen denklemler ile farklı iklimlerde çalışan santrallerin analizlerinin yapılması imkanı olmaktadır. Analizlerde kullanılan iklim verileri için istenilen zaman aralığı kullanılabilir. Zaman dilimi küçüldükçe, hesaplamalardaki hata oranı azalır. Çalışmada saatlik veriler kullanılmıştır. Ebsilon Professional programı, ticari bir profesyonel termodinamik dizayn ve analiz yazılımıdır. Çalışmada, jeotermal santralin referans modeli, tamamen ıslak soğutma yapılan model, ilave kuru soğutma yapılan model ve üç farklı hibrit soğutma sistemi modelleri kurulmuştur. Hazırlanan hibrit soğutma modelleri şunlardır: hava soğutmalı kondenser giriş havası sıcaklığının evaporatif soğutma tekniği ile düşürüldüğü model, ıslak ve kuru soğutma sektörlerinin entegre edildiği hibrit kulenin kullanıldığı model ve ıslak ve kuru soğutma sistemlerinin seri olarak bağlandığı hibrit soğutma sistem modeli. Modellerin güç üretim ve su tüketim karakteristik özellikleri bulunmuştur. Bu veriler kullanılarak matematiksel modelleme yapılmış ve her bir model için dış ortam ve bağıl nem değerlerine göre santralin ürettiği gücü ve harcanan su miktarının hesaplanabildiği denklemler geliştirilmiştir. Böylece farklı iklim şartlarında hibrit soğutma sistemlerinin gösterdiği performans ve bu sistemlerde tüketilen su miktarlarının hesaplanabildiği matematiksel modeller literatüre kazandırılmıştır. Hazırlanan modeller ile farklı iklimlerde bulunan santrallerin güç üretim ve su tüketim değerleri bulunabilir. Saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak hassas hesaplamalar yapılabilir. İncelenen santralin bulunduğu bölgenin su rezervleri dikkate alınarak hibrit soğutma sistemlerinin yıl içerisinde çalıştırılacağı zaman aralıkları belirlenebilir. Çalışmada sunulan modeller ile santral işletmecileri kendi koşullarına göre hibrit soğutma sistemlerini kıyaslayabilir. Bu çalışmada oluşturulan modeller kullanılarak Türkiye'de jeotermal sahaların ve üretim santrallerinin bulunduğu üç farklı bölgenin iklim koşulları göz önüne alınarak örnek vaka analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz için Aydın-Köşk, Kütahya-Simav ve Çanakkale-Ayvacık ilçeleri seçilmiştir. Örnek çalışma için faal jeotermal kuyuların bulunduğu yerlerden seçim yapılmıştır. Bu bölgelerde hâlihazırda üretim yapan jeotermal santraller bulunmaktadır. Ayrıca iklimleri birbirinden farklı olan bölgeler seçilmiştir. Aydın-Köşk sıcak ve nemli bir iklime sahip iken Kütahya-Simav daha soğuk ve kuru bir iklime sahiptir. Çanakkale-Ayvacık ise ılıman ve fazla nemli olmayan bir iklime sahiptir. Bu ilçelerdeki Meteoroloji Müdürlüğü yerel istasyon verilerinden elde edilen Mayıs-Eylül arası beş aylık zaman diliminin saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak tüm modeller için analizler gerçekleştirilmiştir. Bütün modeller için saatlik güç artışı ve su tüketim değerleri bulunmuş, toplam mali getiri hesaplanmıştır. Hibrit sistemlerin beş aylık çalışma getirisinin yıllık kazanca tekâbül ettiği varsayılmış ve her hibrit sistemin maliyeti göz önüne alınarak yatırım geri dönüş süreleri hesaplanmıştır. Hibrit kule sistemi kullanıldığında Köşk'te 623.651 $/yıl, Ayvacık'ta 496.829 $/yıl ve Simav'da 498.498 $/yıl kazanç elde edildiği hesaplanmıştır. Bu değerler brüt güç üretimi dikkate alınarak hesaplanmıştır. Santral iç ihtiyacı hesaplamaya dâhil edilip net güç üretimine göre analiz yapılırsa Köşk'te 443.525 $/yıl, Ayvacık'ta 326.527 $/yıl ve Simav'da 316.689 $/yıl getiri olacağı bulunmuştur. Hibrit kule çalıştırıldığında Köşk'te 317.802 ton/yıl, Ayvacık'ta 259.340 ton/yıl ve Simav'da 233.834 ton/yıl su harcandığı gözlenmiştir. Bu değerler tamamen ıslak soğutma sisteminde harcanan suyun sırasıyla %59,5; %51,1 ve %47,3'üdür. Bu sistemin yatırım geri dönüş süresi 12 yıldan fazla bulunduğu için ekonomik bir seçenek olmadığı değerlendirilmiştir. Hibrit soğutma sistemi modeli ile yapılan hesaplamalarda Köşk'te 551.595 $/yıl, Ayvacık'ta 491.485 $/yıl ve Simav'da 510.933 $/yıl kazanç elde edildiği, bununla birlikte sırası ile 247.101 ton/yıl, 226.506 ton/yıl ve 215.971 ton/yıl su harcandığı tespit edilmiştir. Buna göre hibrit sistem modeli ile kullanılacak su miktarının, tamamen ıslak soğutmalı sistemin tüketeceği su miktarının Köşk'te %46,28'i; Ayvacık'ta %44,6'sı ve Simav'da %43,69'u olduğu bulunmuştur. Santralin ürettiği net güç değerlerine göre yapılan analizde Köşk için 709.032 $/yıl, Ayvacık için 653.209 $/yıl ve Simav için 671.002 $/yıl kazanç hesaplanmıştır. Aynı zamanda hibrit soğutma sisteminin yatırım geri dönüş süreleri tüm bölgeler için yaklaşık 1,5 yıl olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç sistemin ekonomik olarak uygun bir tercih olduğunu göstermiştir. Evaporatif soğutma modeli ile yapılan hesaplamada Köşk'te 275.904,7 $/yıl, Ayvacık'ta 176.266,3 $/yıl ve Simav'da 170.545,2 $/yıl kazanç elde edilebileceği, bunun için sırası ile yıllık 260.919 ton, 197.826 ton ve 168.131 ton su harcandığı gözlenmiştir. Bulunan sonuçlar tamamen ıslak soğutma su tüketim değerlerinin %48,87'si, %38,96'sı ve %34,01'idir. Net güç üretimine göre Köşk'te 257.389 $/yıl, Ayvacık'ta 162.953 $/yıl ve Simav'da 155.442 $/yıl maddi getiri olduğu bulunmuştur. Evaporatif soğutma ile geri dönüş süreleri 2 ile 3,5 yıl arasında değişmektedir. Çıkan sonuçlar evaporatif soğutmanın yatırım yapılabilir bir sistem olduğunu ortaya koymuştur. Evaporatif soğutma pratik manada da uygulaması en kolay ve en ucuz hibrit soğutma sistemidir. Çıkan sonuçlar en fazla kazancın hibrit kule kullanımı ile sağlandığı, bununla beraber bu sistemin yatırım geri dönüş süresi çok fazla olduğu için ekonomik bir tercih olmadığını ortaya koymuştur. Hibrit soğutma sistemi ile hibrit kule seçeneğine yakın getiri elde edilirken yatırım geri dönüş süresi 2 yıl gibi kısa bir süre olduğu bulunmuştur. Evaporatif soğutma sistemleri ile elde edilen kazancın diğer sistemlere göre kısıtlı kaldığı, bununla birlikte su tüketiminin daha az olduğu tespit edilmiştir. Bu sistemlerin geri dönüş sürelerinin yatırım yapmak için mâkul sürelerde olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar farklı iklim koşullarının jeotermal santrali performans ve su tüketim değerlerini önemli ölçüde etkilediğini, bu nedenle jeotermal santral ile ilgili hesaplamalarda santralin bulunduğu bölgenin iklim koşullarının mutlaka dikkate alınması gerektiğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Electrical energy became one of the basic human needs in the modern world as food, shelter and health. Electrical energy has vital importance from houses to the industry in all sectors from health to transportation. The important part of this energy is still produced from fossil fuelled conventional power plants. Due to environmental pressures, these power plants are gradually taken out of operation. Developed countries for example, Germany, declared that these power plants will be closed permanently in the near future. Storage of nuclear energy waste and safety fears on nuclear energy prevents spreading of nuclear power plants. On the other hand, nuclear energy is an important alternative for the generation of electricity without emission of green house gasses. In recent years, renewable energy such as hydroelectric, wind, geothermal and solar became popular. Geothermal energy is one of the widely used renewable energy sources. Geothermal energy has some important advantages compared to other renewable energy sources. Other renewable energy sources are not reliable and consistent. However, consistent, sustainable and reliable energy can be produced from geothermal sources, independent of meteorological conditions. In geothermal power plants, water and air cooling systems can be used for cooling process. Binary type power plants that are commonly used in energy production mainly use air cooling systems. Therefore dry cooling systems are used in geothermal power plants where air is used as the cooling fluid. Dry cooling systems do not consume water. However the performance of these power plants with dry cooling systems drops substantially at hot days. Hybrid cooling systems can be created with addition of wet cooling systems using low amount of water to dry cooling systems. Hybrid cooling systems consume less water than completely wet cooling systems and power plant performance is higher. Due to these systems, the performance of power plants is increased with the consumption of low amount of water at hot days. In this study, different hybrid cooling system alternatives are evaluated. For this purpose, an analysis method is developed. The generated method in this study can be used for economic analysis of systems applied for improving decreased performance of geothermal power plants under hot temperature conditions. Additionally, it is possible to calculate water consumption of these systems. Steps of the analysis method developed in this study are followed, geothermal power plant and hybrid cooling system models based on real geothermal power plant data are prepared on Ebsilon Professional program in computer environment and equations for analysis are derived for mathematical modelling. Climate data can be used as variables in these equations for calculations. In this study, dry air thermometer temperature and relative humidity are climate values selected as variables for equations. Values obtained from local meteorological stations in analyzed region can be used in equations for calculations. Thus, it is possible to conduct analysis for different power plants operating in different climatic conditions by using these equations. Desired timeframe can be used for climatic data used in the analysis. As timeframe decreases, calculation errors decrease as well. For this study, hourly data is selected. Ebsilon Professional program is a professional commercial thermodynamic design and analysis software. In this study, geothermal power plant reference model, the model with completely wet cooling, model with additional dry cooling system and three different hybrid cooling system models were developed. Prepared hybrid cooling models are these: the model that evaporative air coolers are added to air cooled condensers, hybrid cooling tower model which dry and wet cooling elements are integrated and the model that dry and wet cooling systems are connected in series. Power production and water consumption characteristic properties of different models were found. Mathematical modelling is conducted based on this data and for each model, equations to calculate power plant power production and consumed water amount which use dry air bulb temperature and relative humidity values as variables are developed. For each model, depending on the ambient temperature and relative humidity values, equations were developed to calculate the power production and water consumption of the power plant. As a result, equations for calculation of performance and water consumption of different hybrid systems at different climatic conditions were presented to the literature. With models derived, values for power production and water consumption of power plants at different climates can be calculated. Using hourly ambient temperature and relative humidity, precise calculations can be made. Considering water reserves in the area where power plant is located, time periods when the hybrid cooling system will be operated can be determined. With models derived, power plant operators can compare hybrid cooling systems according to their conditions. With models developed in this study, case study analysis were carried out considering climatic conditions in three different regions in Turkey where geothermal fields and power plants are present. Aydın-Köşk, Kütahya-Simav and Çanakkale-Ayvacık provinces are selected for analysis. For the case study, locations with active geothermal wells are selected. These regions have operating geothermal power plants. Regions with different climatic conditions are selected. While Aydın-Köşk has hot and humid climate, Kütahya-Simav has relatively cold and dry climate. Çanakkale-Ayvacık has mild and less humid climate. For these provinces, General Directorate of Meteorology local station data are obtained for five month period between May-September and hourly dry air bulb temperature and relative humidity values are used for calculations in all models. For all these models, hourly power increase and water consumption values and total financial gain are calculated. Five month operation gain of hybrid system is accepted as annual gain and return of investment durations are calculated for each hybrid system by considering investment cost. With the application of hybrid tower, the benefits are as follows: Köşk 623.651 $/year, Ayvacık 496.829 $/year and Simav 498.498 $/year. These revenues are calculated with gross power values. If auxiliary power consumption of the geothermal power plant is considered results would be as follows; Köşk: 443.525 $/year, Ayvacık: 326.527 $/year and Simav: 316.689 $/year. With the application of hybrid tower, water consumptions are as follows; Köşk: 317.802 ton/year, Ayvacık: 259340 ton/year and Simav: 233.834 ton/year. These values are 59,5%, 51,1% and 47,3% respectively compared with the water consumption of complete wet cooling systems. Return on investment was found to be more than 12 years. Therefore it was concluded that hybrid tower system is not an economic choice. In calculations with hybrid system model, benefits are; Köşk: 551.595 $/year, Ayvacık: 491.485 $/year and Simav: 510.933 $/yıl; water consumptions are: 247.101 ton/year, 226.506 ton/year and 215.971 ton/year respectively. These values are 46,28%, 44,6% and 43,69% respectively compared with the water consumption of complete wet cooling systems. Analysis with net power generation values revealed following gains; Köşk: 709.032 $/year, Ayvacık: 653.209 $/year and Simav: 671.002 $/year. At the same time, return on investment for hybrid system is calculated as approximately 1,5 years in all regions. This result shows hybrid system is economically the reasonable preference. Benefits with the evaporative cooling model are; Köşk: 275.904,7 $/year, Ayvacık: 176.266,3 $/year and Simav: 170.545,2 $/year; annual water consumptions are: 260.919 ton, 197.826 ton and 168.131 ton respectively. These values are 48,87%, 38,96% and 34,01% respectively compared with the water consumption of complete wet cooling systems. Results are calculated as Köşk: 257.389 $/year, Ayvacık: 162.953 $/year and Simav:155.442 $/year if analysis is carried out according to net power production values. With the evaporative cooling system the rate of return on investment varies from 2 to 3,5 years. These results emphasise that evaporative cooling is an appropriate system that is economically viable. Also evaporative cooling systems are the cheapest hybrid cooling system that can be implemented easily compared to other systems. Results show that highest income can be gained with the application of hybrid tower. However, since the rate of return of investment is too high, it is not preferred from economic point of view. With the application of hybrid cooling system, benefits are very close to hybrid tower model, but return of investment is a short time as 2 years. The benefit with the application of evaporative cooling system is rather limited compared with other systems, however water consumption is less than others. The return of investment period for other systems were seen to be reasonable. Results found proved that the performance and water consumption of geothermal power plants are affected substantially in different climatic conditions. Therefore it was determined that climatic conditions in the area where the geothermal power plant is located should be definitely considered in calculations for geothermal power plants.
Benzer Tezler
- Toz metalurjisi ile üretilen mağnezyum-alüminyum alaşımlarının hidrojen depolama kapasitelerinin ölçülmesi
Hydrogen storage capacity measurements of magnesium-aluminium alloys produced with powder metallurgy
MUHAMMET ALİ NALBANT
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
EnerjiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZLEM KORKUT
- Sezgisel bulanık sayılar ile reel opsiyon değerlemesi ve güneş enerjisi yatırımı uygulaması
Real option valuation with intuitionistic fuzzy numbers and its application to solar energy investment
HÜSEYİN YİĞİT ERSEN
Doktora
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKTAY TAŞ
- Ön ısıl işlem uygulanmış ahşap taşıyıcı yapı elemanlarının farklı iklim şartlarındaki davranışlarının incelenmesi
Investigation of the behavior of pre-heat treated wood carrier building elements in different climate conditions
MEHMET GÜNEŞ
Doktora
Türkçe
2022
Ağaç İşleriGazi ÜniversitesiAğaç İşleri Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ALTUNOK
- Bitümlü sıcak karışımların farklı iklim şartlarında bozulmasına filler etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation the effect of the filler on the deterioration of the bituminous hot mixtures in climatic conditions
NUR ERDEM AKGÜL ŞEKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
UlaşımHarran Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SARIIŞIK
- Enerji ve maliyet etkin tarihi yapı restorasyon sürecinin çok kriterli karar verme metodu ile belirlenmesi
Determination of energy and cost effective historic building restoration process with multi-criteria decision making method
EBRU ULAŞ SARIAYDIN