Geri Dön

İçme suyu şebekelerinde mikro ve piko hidroelektrik tesis kurulumu ön fizibilite çalışmaları için karar verme yöntemi geliştirilmesi

Development of a rapid decision-making method for pre-feasibility studies of micro and pico hydroelectric plants installation in drinking water networks

PDF İndir

  1. Tez No: 930556
  2. Yazar: MUSTAFA YALTIR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜRKAN EMRE GÜRCANLI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı İşletmesi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 209

Özet

Enerjinin sürdürülebilirliği için yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretmek hayati bir öneme sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen toplam elektriğin %50'sinden fazlası hidrolik enerjiden üretilmektedir. Ancak doğada halen birçok alanda hidrolik enerji atıl olarak durmaktadır. Atıl hidrolik enerjinin bir kısmı da içme suyu şebekelerinde bulunan enerjidir. İçme suyu şebekelerinde cazibeli olarak isale edilen suyun enerjisi hat üzerinde bulunan Bkv, maslak gibi yapılarda veya depolarda kırılmakta ve enerjisinden genellikle yararlanılmamaktadır. Burada hat üzerinde bulunan Bkv, maslak gibi yapıların veya depoların içine kurulması planlanan mikro veya piko hidroenerji tesisinin kurulabilmesinin ekonomiklik analizinin yapılması gerekmektedir. Bu analizi etkileyen en önemli parametreler cazibeli kaynağın tesiste sağlayacağı düşü yüksekliği, tesise iletilen suyun debisi ve tesisin elektrik şebeke hatlarına olan uzaklığıdır. Tüm bu parametreler bir bütün halinde değerlendirilerek içme suyu tesislerine enerji tesisi kurulup kurulmayacağının ekonomiklik analizi şebekelerin projelendirilme aşamasında detaylıca yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada öncelikle hidroenerji potansiyelinin hesaplanabilmesi için gerekli olan Bkv, maslak veya depolarda atıl olarak kullanılmayan enerjinin potansiyelinin belirlenmesi ve söz konusu enerjinin ortaya çıkarılabilmesi için mikro veya piko hidroenerji tesisinin yapılıp yapılmayacağına daha kısa sürede karar verebilmek adına bir yöntem geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bir Hes'in ekonomik fizibilite çalışmalarının yapılabilmesi için öncelikle aylık getirisinin ve ilk yatırım maliyetinin bilinmesi gerekmektedir. Daha sonra yatırım değerlendirme yöntemleri kullanılarak ekonomik değerlendirmesi yapılabilecektir. İçme suyu dağıtım şebekelerinden elde edilebilecek hidroenerjinin hesabı için gerekli olan düşü, debi ve sistem verimliliği değişkenlerinden; debi ve düşü değerleri projeden veya saha ölçümlerinden alınmaktadır. Sistem verimliliği ise türbin, jeneratör ve transformatör verimliliklerinin ayrı ayrı çarpılmasıyla elde edilmektedir. Transformatör ve jeneratör gibi elektronik makinaların verimlilikleri %95 üzerinde olması sebebiyle bu tezde transformatör ve jeneratör verimlilikleri ayrı ayrı %95 olarak kabul edilmiştir. Türbin verimlilikleri için yapılan çalışmalar genellikle küçük, orta ölçekli ve büyük ölçekli türbinler üzerine yapılmaktadır ve mikro veya piko ölçekli türbinler üzerine yapılmış çalışmalar nispeten daha azdır. Ayrıca mikro ve piko ölçekteki türbin verimliliklerinin benzerlik kanunları kullanılarak belirlenmesinin doğru sonuç verip vermeyeceği literatürde tartışma konusudur. Bu sebeple tez kapsamında literatürde 100 kW gücün altındaki türbinler için yapılmış deneysel çalışmalar araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda her bir türbin için elde edilen türbin verimlilikleri ortaya konulmuştur. Buna göre mikro veya piko ölçekteki Turgo, Francis, Pat, Banki, Kaplan ve Pelton türbinleri için ulaşılabilen maksimum verimlilik değerleri sırasıyla %93,7, %92,04, %91, %88, %83,97 ve %82,60 olduğu ortaya konulmuştur. Ortaya konulan verimlilik değerleri ile hem üretilebilecek elektrik gücü hem de elektrik gücünün elektrik birim satış bedeli ile çarpılarak aylık Hes getirisi hesaplanabilecektir. Bir Hes'in ilk yatırım maliyeti; türbin elektromekanik (türbin, jeneratör, transformatöre, pano vb.), inşaat, enerji nakil hattı ve diğer maliyetlerden (lisans, mühendislik, nakliye, kar vb.) oluşmaktadır. Tez kapsamında türbin elektromekanik maliyetleri kapsamlı literatür taraması yapılarak 100 kW altında veriler kullanılarak oluşturulmuş maliyet tahmin modelleri kullanılmıştır. Elde edilen verilerden aykırı değerler istatistiksel yöntemlerle ayıklanmış. Daha sonra farklı güç aralıkları için maliyet verileri gruplandırılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda Pat'ın tüm güç aralıkları için en düşük türbin elektromekanik maliyetine sahip olduğu tespit edilmiştir. 1-5, 5-10, 10-50, 50-100, 100-200 ve 200-500 güç aralıkları için ortalama Pat elektromekanik maliyetleri sırasıyla 987, 668, 371, 251, 201, 169 Euro/kW olduğu ortaya konulmuştur. Yine neredeyse tüm güç aralıkları için (10-50 kw hariç) en yüksek elektromekanik maliyetlerin de Francis türbinine ait olduğu tespit edilmiştir. Tez kapsamında en düşük maliyeti veren, özel üretim gerektirmeyen ve her bir güç aralığı için yerel piyasada rahatlıkla bulunabilen Pat'ın türbin olarak kullanılması tercih edilmiştir. İnşaat ve enerji nakil hattı maliyetleri örnek projeler üzerinden birim fiyat analizleri yapılarak elde edilmiştir. Buna göre inşaat maliyetleri 93,71 Euro/kW ve 22,71 Euro/m olarak hesaplanmıştır. Diğer maliyetlerin de literatürden alınan bilgilerle elektromekanik maliyetlerin %51'i kadar olduğu kabulü yapılmıştır. Burada enerji nakil hattı maliyeti elektrik şebekesine olan uzaklığın araziye göre çok değişkenlik göstereceğinden dolayı ekonomik analizde ayrıca ele alınacaktır. Buna göre enerji nakil hattı hariç Pat içeren bir Hes'in maliyetlerinin 5, 7,5, 30, 75, 150, 350 kW güç için sırasıyla 1584, 1102, 654, 473, 397, 349 Euro/kW olduğu ortaya konulmuştur. 5 kW ve altındaki tesisler için 1584 Euro/kW sabit olduğu kabulü yapılmıştır. Daha sonra içme suyu şebekelerinin genel karakteristikleri gereği Pat içeren Hes'lerdeki Q=0-300 l/s debi ve H=0-150 m düşü değerleri için enerji üretim kapasitelerinin belirleneceği eş güç eğrileri python programı ile oluşturulmuştur. Bu sayede arazide işlem yapmadan elektrik üretim kapasiteleri belirlenebilecektir. İçme suyu şebekesi güç üretim kapasitesi ve enerjinin şebekeye bağlantısının yapılabilmesi için gerekli olan ENH uzunluğu bilinen bir tesis için ilk yatırım maliyetleri hesaplanacaktır. Belirlenen maliyet verilerine göre P=0-400 kW güç ve L=0-5.000 m ENH uzunluk aralıkları için ilk yatırım maliyetleri ayrı ayrı hesaplanmıştır. Son olarak tüm güç ve enh uzunlukları için fayda/maliyet oranları (ekonomik ömrü 7 yıl ve iskonto oranı %7 olduğu kabulü ile) ayrı ayrı python programında hesaplanmıştır. Her bir enh uzunluğu için Güç-F/M garfikleri çizilmiş. Her bir enh uzunluğu için F/M>1 yapan minimum güç değerleri belirlenmiştir. Yukarıda bahsedilen eş güç grafikleri ve Güç-F/M grafikleri sayesinde debi, düşü ve en yakın elektrik şebekesine uzaklığı bilinen bir tesis için Hes ön fizibilite çalışmaları kısa sürede kolaylıkla yapılabilecektir. Söz konusu eğriler Niğde ili Azatlı Beldesi içme suyu şebekesi için vaka analizi olarak uygulanmıştır. Azatlı (NİĞDE) belediyesinin içme suyu tesislerine Hes uygulanmasının ön fizibilite çalışmaları yapılmış ve tesilerde Hes uygulanabilir çıkmıştır. Uygulanacak Hes'in ilk yatırım maliyeti 156.589 Euro ve tesisin aylık getirisi 44.343 Euro/ay olarak hesaplanmıştır. Tesis geri dönüş süresi de 3,53 yıl olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar (Giugni, 2009), (Corcoran, 2013), (De Marchis, 2015), (Samora, 2016a), (Balacco, 2020) (Souzave, 2023) ve (Stefanizzi, 2023) tarafından yapılan çalışmalardaki bulgularla büyük ölçüde benzerlik göstermektedir. Bu karşılaştırma, yöntemin doğruluğunu ve uygulama alanındaki geçerliliğini desteklemektedir.

Özet (Çeviri)

With the advancement of technology, global energy consumption continues to rise. Given the constraints on energy production and the environmental impact of energy generation, particularly in terms of CO₂ emissions, the sustainability and efficient utilization of energy have become critically important. Energy sources are classified into two categories based on their renewability: renewable and non-renewable energy sources. Renewable energy sources are those that can naturally replenish within a short period after use, whereas non-renewable sources require extensive processes and long durations to regenerate. Harnessing renewable energy is essential for ensuring energy sustainability. Notably, over 50% of the total electricity generated from renewable sources comes from hydropower. However, a significant portion of hydraulic energy potential remains underutilized in natural environments. A portion of the unutilized hydraulic energy exists within drinking water networks. The energy of water transported by gravity in these networks is dissipated through structures such as pressure relief valves (PRVs), break pressure tanks along pipelines, or drinking water reservoirs, and its energy is generally not harnessed. To optimize this potential, a comprehensive economic analysis is required for the implementation of micro or pico hydropower plants in these structures. The key parameters influencing this analysis include the available head height provided by the gravity-fed system, the flow rate of water delivered to the facility, and the facility's proximity to electricity grid lines. All these parameters should be evaluated comprehensively, and a detailed economic analysis of whether an energy facility should be installed in drinking water reservoirs must be conducted during the network planning and design phase. This study primarily aims to assess the potential of unused hydraulic energy in pressure relief valves (PRVs), break pressure tanks along pipelines, or drinking water reservoirs, which is essential for calculating hydroenergy potential. Additionally, it seeks to develop a systematic and efficient methodology to facilitate a more rapid decision-making process regarding the feasibility of constructing micro or pico hydropower facilities. By doing so, this research aims to contribute to the effective utilization of untapped hydraulic energy resources and support sustainable energy generation strategies. In order to conduct economic feasibility studies for a Hydroelectric Power Plant (HEPP), its monthly return and initial investment cost must first be known. Then, its economic evaluation can be made using investment evaluation methods. In order to calculate the monthly yield of a hydropower plant, the hydropower potential must be calculated. The head, flow and system efficiency variables required for the calculation of hydropower that can be obtained from drinking water distribution networks; the flow and head values are taken from the project or field measurements. The system efficiency is obtained by multiplying the turbine, generator and transformer efficiencies separately. According to the information available in the literature, the efficiency of electrical machines such as transformers and generators typically exceeds 95%. Based on this widely accepted data, the efficiencies of transformers and generators are each assumed to be 95% in this thesis. Studies on turbine efficiencies are generally carried out on small, medium and large scale turbines and studies on micro or pico scale turbines are relatively less. In addition, it is a matter of debate in the literature whether determining micro and pico scale turbine efficiencies using similarity laws will give correct results. For this reason, a comprehensive literature review was conducted within the scope of the thesis and experimental studies conducted for turbines under 100 kW power were filtered. Turbine efficiencies obtained for each turbine in the experimental studies were presented. Accordingly, it has been revealed that the maximum efficiency values that can be achieved for Turgo, Francis, Pat, Banki, Kaplan and Pelton turbines at micro or pico scales are 93.7%, 92.04%, 91%, 88%, 83.97% and 82.60%, respectively. With the efficiency values revealed, the monthly HEPP yield can be calculated by multiplying both the electrical power that can be produced and the electrical power by the electricity unit sales price. The initial investment cost of a HEPP consists of turbine electromechanical (turbine, generator, transformer, panel etc.), construction, energy transmission line and other costs (license, engineering, transportation, profit etc.). Within the scope of the thesis, a comprehensive literature review of turbine electromechanical costs was conducted and cost estimation models created using data below 100 kW were filtered and separate cost data were obtained for each turbine. Outliers were eliminated from the obtained data using statistical methods. Then, cost data for different power ranges were grouped. As a result of this literature research, it was determined that Pat had the lowest turbine electromechanical cost for all power ranges. The average Pat electromechanical costs for the power ranges of 1-5, 5-10, 10-50, 50-100, 100-200 and 200-500 kW were revealed to be 987, 668, 371, 251, 201, 169 Euro/kW, respectively. Moreover, it was determined that the highest electromechanical costs belong to the Francis turbine for almost all power ranges (except 10-50 kW). Within the scope of the thesis, it was preferred to use the Pat turbine, which provides the lowest cost, does not require special production and can be easily found in the local market for each power range. Construction and energy transmission line costs were obtained by performing unit price analyses on sample projects. Accordingly, construction costs were calculated as 93.71 Euro/kW and energy transmission line costs were calculated as 22.71 Euro/m. It was assumed that other costs were 51% of the electromechanical costs with information obtained from the literature. Here, the energy transmission line cost will be separately addressed in the economic analysis since the distance to the electricity grid will vary greatly depending on the terrain. Accordingly, it has been determined that the costs of a HEPP containing PAT, excluding the energy transmission line, are 1584, 1102, 654, 473, 397, 349 Euro/kW for 5, 7.5, 30, 75, 150, 350 kW power, respectively. It is assumed that cost data will be interpolated for intermediate values and 1584 Euro/kW is fixed for facilities of 5 kW and below. Later, due to the general characteristics of drinking water networks, the isopower curves for determining the energy production capacities for the Q=0-300 l/s flow rate and H=0-150 m head values in HEPPs containing Pat were created with the Python program. In this way, electricity production capacities can be determined without performing any operations on the field. The initial investment costs will be calculated for a facility with known power generation capacity of drinking water network and required ETL length for connection of energy to the network. According to the determined cost data, initial investment costs were calculated separately for P=0-400 kW power and L=0-5,000 m ETL length ranges. Finally, benefit/cost ratios for all power and ETL lengths (assuming that the investment economic life is 7 years and the discount rate is 7%) were calculated separately in the Python program. Power-F/M graphs were drawn for each ETL length. Minimum power values that make F/M>1 were determined for each ETL length. Thanks to the above mentioned isopower graphs and Power-F/M graphs, HEPP pre-feasibility studies can be easily carried out in a short time for a facility whose flow rate, head and distance to the nearest electricity network are known. The curves in question were applied as a case study for the drinking water network of Azatlı Town of Niğde province. Pre-feasibility studies of the HEPP application to the drinking water facilities of Azatlı (NIĞDE) Municipality were carried out and HEPP was found to be applicable at the facilities. The initial investment cost of the HEPP to be implemented was calculated as 156,589 Euro and the monthly return of the facility was calculated as 44,343 Euro/month. The payback period of the facility was also calculated as 3.53 years. The results obtained are largely similar to the findings in the studies conducted by (Giugni, 2009), (Corcoran, 2013), (De Marchis, 2015), (Samora, 2016a), (Balacco, 2020) (Souzave, 2023) and (Stefanizzi, 2023). This comparison supports the accuracy of the method and its validity in the field of application.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    932599

    Su şebekelerinde izole bölgelerdeki basıncın kırılması için mikrohes ile enerji üretimi: Konya örneği

    Energy production with mikrohes for pressure breakdown in isolated areas in water networks: The case of Konya

    İBRAHİM SAMAST

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    İnşaat MühendisliğiNecmettin Erbakan Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE YURDAGÜL KUMCU

    DOÇ. DR. KAĞAN ERYÜRÜK

  2. Tez No

    690240

    İçme suyu şebekelerinde basınç kırıcı vananın gerçek zamanlı kontrolünün su kayıpları üzerine etkisinin model analizi ve deneysel incelenmesi

    The pressure breaker valve within the potable water distribution network and the research to its impact on water loss by taking the real-time model and experimental analyses into consideration

    MEHMET MASUM OLMUŞTUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH UYSAL

  3. Tez No

    76012

    Hydraulic modeling of water distribution networks

    İçmesuyu dağıtım şebekelerinin hidrolik modellemesi

    SELÇUK POYRAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NURİ MERZİ

  4. Tez No

    245544

    İçme suyu şebekelerinde kayıp ve kaçakların genetik algoritma yöntemi ile analizi

    Analysis of water losses in water supply networks by genetic algorithms

    CEM KISIKLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. OSMAN N. ÖZDEMİR

  5. Tez No

    68314

    Simulation of chlorine decay in water supply networks

    İçme suyu şebekelerinde klor kayıp simülasyonu

    OSMAN NURİ ÖZDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SUHA SEVÜK

Geri Dön