1. Giriş

Primer yakıt rezervlerinin azaldığı ve global rekabetin arttığı günümüz ortamında enerji girdilerinde süreklilik, kalite ve asgari maliyetleri sağlamak, kaçınılmaz olmuştur. Bu anlamda kojenerasyon günümüz çağdaş "enerji yönetimi" teknikleri içinde ön sıralarda yeralmaktadır.

Kojenerasyon kısaca, enerjinin hem elektrik hem de ısı formlarında aynı sistemden beraberce üretilmesidir. Bu birliktelik, iki enerji formunun da tek tek kendi başlarına ayrı yerlerde üretilmesinden daha ekonomik neticeler oluşturmaktadır. Basit çevrimde çalışan, yani sadece elektrik üreten bir gaz türbini ya da motoru kullandığı enerjinin %30-40 kadarını elektriğe çevirebilir. Bu sistemin kojenerasyon şeklinde kullanılması halinde sistemden dışarıya atılacak olan ısı enerjisinin büyük bir bölümü de kullanılabilir enerjiye dönüştürülerek toplam enerji girişinin % 70-90 arasında değerlendirilmesi sağlanabilir. Bu tekniğe "birleşik ısı-güç sistemleri" ya da kısaca "kojenerasyon" diyoruz

Her iki enerji formumun ayrı ayrı aynı nihai miktarlarda üretilmesi için gerekli birincil enerji miktarının bunların kojenerasyonla üretilmesi durumunda ne oranda azalacağı aşağıdaki grafikte görülmektedir.

Yukarıdaki grafiğe göre kojenerasyon tekniği ile kullanılan birincil enerjiden tasarruf %42 seviyesinde gerçekleşmektedir. dolayısı ile kojenerasyon sisteminin çevreye en önemli katkılarından biri de burada ortaya çıkmakta, büyük eneji tasarrufu yanında atık emisyonları da aynı oranda azalmaktadır. ülkemizde henüz üzerinde çok durulmayan bu husus, sistemin özellikle avrupa ülkelerinde yaygın teşvik görmesinin ana sebeplerinden biridir.

2. Birleşik Isı-Güç Üretiminin Yararları

Makro düzeyde :

– Yüksek birincil enerji kullanım verimliliğinin sağladığı yerel veya ithal enerji kaynaklarının tasarrufu
– Enerji çevriminin tüketim yerinde gerçekleştirilmesi sonucunda elektrik enerjisi iletim ve dağıtım kayıplarının yok edilmesi
– Merkezi santrallara göre daha kısa inşaat ve devreye alma sürelerinin sağladığı hızlı elektrik enerjisi arz satışı
– Üretilen yararlı ısı güç birimi başına çevreye atılan katı, sıvı ve gaz madde miktarının, yalnız elektrik üreten merkezi enerji santrali veya yalnız buhar üreten bir endüstri kazanına göre daha az olması
– Sanayi tarafından tüketilen elektrik enerjisinin az sayıda merkezi santral yerine, dağılmış bir şekilde endüstriyel tüketim yerlerinde üretilmesinin ulusal güvenliğe sağlayacağı katkı

İşletme bazında:

– İşletmenin azalan toplam enerji giderleri, nihai ürün kalitesini düşürmeden maliyetini azaltacak, şirketin rekabet gücü artacaktır.
– İşletmenin enerji temin güvencesi olacak, üretim kesintilerinin yol açtığı ziyanlar ortadan kalkacaktır.

3. Kojenerasyonda Üretim Teknikleri

Kojenerasyon iki çeşit ana tahrik ünitesi vasıtasıyla uygulanmaktadır.

gaz türbini

gaz motoru ya da dizel motor

 

Gaz türbinleri kojenerasyon uygulamaları için yaygın olarak 4,5 – 20 mw güç aralığında kullanım bulmaktadır. Buna karşılık gaz motorları da daha küçük güçlerde, yurdumuzda da özellikle 1 mw seviyelerinde uygulanmaktadır. Ancak gaz motor kojenerasyon uygulamalarını bu boyutta sınırlamak doğru değildir. Tek modülde 100 kw seviyelerinden 3 mw seviyelerine kadar motorlar mevcut olup, bunların çoklu modülleri ile yapılan santrallarda 10 mw seviyelerine ulaşılması avrupa’da yaygın uygulamalardır. Kojenerasyonda kullanılacak ana tahrik ünitesinin seçim kriterlerine daha sonra değineceğiz.

Resimlerde gördüğünüz bu üniteler kendi başlarına sadece elektrik üretebilecek durumdadırlar. Bu üniteleri kojenerasyon sistemi haline getirmek için dışarı atılan ısının kullanılır ısı haline dönüştürülmesi gerekmektedir. Gaz türbininde bu ısı egzos gazı ısısı şeklinde olup, bir atık ısı kazanı marifetiyle bu ısı proses ihtiyacına göre buhar, sıcak su, kızgın su ya da kızgın yağ üretmek için kullanılabilmektedir.

Diğer bir yaygın kullanım alanı da egzos gazının hava ile karıştırılarak direkt kurutma aplikasyonlarında kullanılmasıdır. Bu işlemler sayesinde toplam çevrim verimi % 80 seviyelerini yakalayabilmektedir.

Gaz motorlarında ise atık ısının yaklaşık 1/3 oranı egzos gazından 2/3 de motorun soğutma sistemlerinden geri kazanılmaktadır. Şekilde görüleceği üzere soğutma devreleri; silindir-gömlek soğutması, karterdeki yağın soğutulması ve turbocharger soğutmasından oluşmaktadır. Buna egzos eşanjöründen elde edilen ısı eklenmektedir.

Motor kojenerasyon sistemlerinin bu soğutma gerekliliği özellikleriyle geri kazanılan ısı en verimli şekilde sıcak su olarak kullanılabilmektedir. Böyle bir sistemde toplam sistem verimi % 90 seviyesini geçebilmektedir.

Proses ihtiyacına göre, toplam verimden feragat etmek suretiyle yine buhar üretimi ya da direkt kurutma suretiyle ısı kullanımı kabildir. İstenen enerji formlarının üretilmesine karşılık gelen verimler aşağıdaki sankey diyagramında görülebilir.

4. Kojenerasyonda Sistem ve Kapasite Seçimi

Bu sistemlerin seçimi başlıca şu kriterlere göre yapılır:

– İşletmenin elektrik-ısı tüketim yapısı ve ısı-elektrik tüketim dengesi
– İşletmenin yıllık çalışma süresi
– İşletmenin enerji ihtiyacı seviyesi
– Birincil enerji kaynaklarının (gaz, lpg, nafta, fuel oıl no:6 ) temin edilebilirliği ve ekonomik uygulanabilirlikleri

Bunların en önemlisi ilk iki kriterdir. Sağlıklı bir santral seçimi için mümkünse yıllık, yoksa aylık ya da haftalık bazda tüketim değerleri tesbiti
yapılmalı, bunlar grafiklere dökülmelidir. İlk olarak yıllık ortalama elektrik tüketimine bakılır ve atıl kapasite yaratmayacak şekilde bu tüketimin az altında kalacak bir kapasite seçilir. 1.amaç elektrik tüketimine yönelik kapasite belirleme olmalıdır. Her ne kadar -"hazır santral kuruyorum, tüm ısı ihtiyacımı da karşılayacak bir kapasite seçeyim, fazla elektriği satarım!" felsefesi genel olarak pazarımıza hakim olmuşsa da bu şebekenin enerji alış şartlarındaki uygunsuzluk ve ilerde kapasite ile karşılaşıldığında şebekenin enerji fazlasını almaması gibi durumlar kabil olduğundan kesinlikle yanlış bir yaklaşımdır. Sistem pazarlamacıların bu konudaki olası yanlış yönlendirmelerine karşı dikkatli olunmalıdır.

Santralin elektrik kapasitesi belirlendikten sonra ısı tüketim verilerine bakılır. Yoğun olarak yüksek sıcaklıkta enerji gerekiyorsa – buhar, kızgın yağ ya da sıcak hava – ve bu yaklaşık 1:2 elektrik/ısı dengesine oturuyorsa, sisteme uygun yakıt ekonomik olarak mevcut ise ve santral büyüklüğü gaz türbinleri kapasite aralığına giriyorsa ihtiyaç bir gaz türbin kojenerasyon santralına işaret eder.

Dikkat edileceği üzere sonuca etken değişken sayısı çok fazladır. Tüm öncelikli kriterler bir gaz türbin santralını işaret ederken dahi, yakıtın ekonomik bulunabilirliği santralı diesel motor santralına dönüştürebilmektedir.

Bir motor santralına ait prensip şeması aşağıda görülebilir :

Yukardaki değerlendirme sonucu, proses yüksek ısı ihtiyacı göstermeyen sıcak su ya da kızgın su ihtiyacına işaret ediyorsa, ve elektrik:ısı dengesi elektrik lehinde daha fazla ise elektrik talebine göre bir gaz ya da diesel motor santralına işaret edilmektedir. Burada odak motorlardaki yaklaşık 10 puanlık daha yüksek elektrik çevrim verimidir. %40 elektrik verimli bir motor santralında doğalgazdan elde edilecek elektrik ısıdan hiç yararlanılmasa dahi şebeke elektriğinden daha ucuza mal olmaktadır. bu gaz türbinlerinde mümkün değildir.

Sistem seçimi ile santral büyüklüğü ve tipini belirledikten sonra santralın kaç modülden oluşacağını tesbit etmek gerekmektedir. Burada ilk kısıtlama piyasada mevcut üretilmekte olan modül büyüklüğüdür. Bu problem aşılabildiği zaman ilke olarak en az iki modülden oluşan bir santral yapmak enerji temin güvencesi açısından her zaman tercih edilmelidir. İkinci önemli kriter ise mümkün olan en yüksek verimde çalışabilmek amacıyla yıllık tüketim eğrisini değerlendirmektir. Modül sayısını bu eğriye oturttuğumuzda aşağıdaki gibi bir tablo ile karşılaşırız.

Eğriden görüleceği üzere elektrik talebi yaklaşık 1,4 mw olarak tesbit edilmiş santral ısı eğrisine çakıştırılmış ve 1 modül yılın büyük bölümünde (7000 saat) diğerinin ise 3000 saat tam yükte çalışması durumunda en yüksek verimle santralın çalışabileceği tesbit edilmiştir. Buna göre yapılacak fizibilite çalışmaları uygun sonuç verirse santral yatırımıyapılabilir.

Bir diğer önemli değerlendirme ise eğer gün içinde elektrik ve ısı yükünde önemli değişiklikler oluyorsa modül sayısının buna göre tesbitidir. Bu gibi durumlarda santral modül sayıları genellikle artar, modül kapasiteleri daha düşük seçilir. Bu durumu anlatan bir gün grafiğini aşağıda görebilirsiniz.

Grafikte görüleceği üzere 22.00 – 08.00 arası gece operasyonunda üç modülden ikisi çalıştırılmasına rağmen elektrik üretim fazlası oluşmakta ve şebekeye satılmaktadır. Buna karşın 09.00-20.00 arasında her üç modülün de elektrik üretimi yaklaşık tamamen kullanılabilmektedir. Isı talebi ise 3 module rağmen ancak 21.00-08.00 arasındaki gece rejiminde karşılanabilmekte, gün içinde pik yük kazanları ısı sistemini takviye etmektedir. Bu durumda her ünitenin yıllık çalışma saatlerine bakılarak yapılacak fizibilite etüdü santral yatırımının yapılabilirliği hakkında kesin sonucu verecektir.

5. Motor Kojenerasyon Sistemlerinde Kullanılabilecek Yakıtlar

Motor kojenerasyon sistemlerinde kullanılan motorlar genel olarak 2 tiptir;

Fair karışım yanmalı otto motorları
Dizel – sıkıştırma patlatmalı – prensibe göre çalışan motorlar

Otto motorlarında sadece gaz yakıtlar kullanılabilir ve emisyon değerleri herhangi bir katalizör sistem kullanmadan alman ta-luft sınırlarının altındadır. kullanılabilecek gazlar sırasıyla :

– doğalgaz
– biyogaz
– propan
– kok gazı
– pyrolis gazı (odun gazı)

Bunlardan sadece doğalgaz ve propan ticari olarak kullanıma açık yakıtlardır. Diğerleri ya arıtma tesisleri, ya çöplükler ya da özel proseslerden elde edilir. Özellikle proseslerinde solvent ağırlıklı atmosfer yaratan ya da özel gazlar üreten müesseselerde bu imkan çok rantabıl yatırım sonuçları vermektedir.

Dizel motorlarda ise belli bir kapasiteye ( yaklaşık 4mw ) kadar ancak dizel ya da gaz-dizel çift yakıt, bu kapasitenin üzerinde gaz-dizel makinalar ile fuel oil no 4 ve no 6 yakabilen makinalar bulunmaktadır.

Ticari olarak bulunabilen yakıt seçeneklerinin özellikleri ve bugünkü fiyat seviyeleri

Gaz yakıtların motorlarda yakılabilmesinin en önemli kriteri metan sayısıdır. arkasından kalorifik değer ve laminer alev hızı gelir. gazların özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

yakıt	kompozisyon	spesifik gravite (kg/nm3)	alt ısıl değer (kwh/nm3)	metan sayısı	laminar alev hızı (cm/sn)
h2	hidrojen	0,0899	2,996	0	302
ch4	metan	0,717	9,971	100	41
c3h8	propan	2,003	26	33	45
co	karbon monoksit	1,25	3,51	75	24
doğalgaz	ch4 %88,5 c2h6=%4,7 c3h8 %1,6 c4h10=%0,2 n2=%5	0,798	10,14	80	41
arıtma gazı	ch4 = %65 co2 = %35	1,158	6,5	135	27
çöplük gazı	ch4=%50 co2=%40 n2=%10	1,274	4,98	150	20
odun gazı	h2=%7 co=%17 cnhm=%5 n2=%56 co2=%15	1,25	1,38	13

Doğalgaz : Kojenerasyonun ticari olarak bulunabilen tartışmasız temel yakıtıdır. Hem yanma özellikleri hem çevre dostu oluşu hem depolama gerektirmemesi hem de ekonomik açıdan en geçerli yakıttır.

Propan : % 95 üzerinde saflık gerekliliği ithal edilmesini gerektirmektedir. Enerji üretimi amaçlı olarak ithalatı bazı firmalarca yapılmaktadır. Ancak çok düşük metan sayısı yüksek kalorifik değerine karşın motorlardaki üretimi aynı kapasitedeki gaz motoruna oranla % 65 düzeyinde kalmaktadır. Bu üretimin verimsiz olması anlamında değil, spesifik yatırım maliyetinin artması şeklinde yorumlanmalıdır. Enerji bakanlığının yaz aylarında aldığı kararlar sonucu enerji üretiminde kullanımı halinde atv ve afif oranlarının pratikte sıfırlanmış olması sonucu ekonomik olarak kabul edilebilir bir alternatif haline gelmiştir.

Dizel : Yanması en az problemli ve zararlı emisyonu en düşük likit yakıttır. Ancak fiyatı sebebiyle kojenerasyonda ana yakıt olarak kullanılması ekonomik olarak mümkün değildir. Ancak gaz kesintilerine karşı, eşzamanlı şebeke elektriği kesilmesinde kullanılmak üzere yedek yakıt olarak değerlendirilebilecek en uygun yakıttır.

F.Oil no:4 : Bir diğer uygun likit yakıttır. Ancak emisyonlarında arıtma gerekmekte, fiyat açısından da yine ekonomik saymak mümkün olmamaktadır.

F.Oil no:6 : Birçok yöremizde bulunabilirliği, ülkemizde zaman zaman üretim fazlası vermesi (ithalattan bağımsız olabilme) ve enerji üretiminde kullanılması durumunda devletten gördüğü teşvik nedeniyle en uygun yakıtlardan biri olmasına karşın, gaz ve katı atıklarının arıtılması ve bertaraf edilmesinde karşılaşılan problemler ve maliyetler negatif taraflarıdır.

Fiyat Tablosu

	doğalgaz	propan	motorin	f.oil 6
kal.değer	8250	11200	10200	9600
birim fiyat	150 $/m3	300 $/ton	317 $/ton	105 $/ton
spesifik fiyat	0.016 $/kwh	0.023 $/kwh	0.027 $/kwh	0.009 $/kwh

6 – Sonuç

Kojenerasyon özellikle son 10 yılda muazzam bir kullanım sahası bulmuş 20 yılı aşkın bir süredir dünyada başarıyla uygulanan ve sürekli teknik gelişmelerle desteklenen bilinen en verimli enerji üretimidir

Dünyadaki itici gücü bu emsalsiz veriminin ve dolayısı ile üretilen birim enerji başına atmosfere atılan emisyonları ciddi bir oranda azaltması ile çevre
açısından gittikçe daha duyarlı hale gelen dünyanın enerji üretim sistemleri içinde gözbebeği olmuş, halen de bu statüsünü korumaktadır

Yurdumuz bu açıdan avrupa ülkelerinin henüz çok gerisinde olmasına karşın, doğalgaz temin politikalarında kaydedilecek gelişmelerle karşısında durulamayacak bir talep patlamasını muhakkak yapacak, bu çerçevede sistemin yararlarını zamanında görmüş yatırımını zamanında yapmış müesseseler bundan büyük karlar edecek, rakiperinin önüne geçeceklerdir

Kojenerasyon sistemlerine yaygın ilgi ülkemizde beklenen elektrik enerjisi krizi ve şebekedeki elektriğin kalite problemleri nedeniyle yaygınlaşmışsa da sonunda bu sistemler verimlilikleri, sağladıkları ekonomi ve rekabet gücüne katkıları nedeniyle sanayimizde hak ettikleri konuma erişeceklerdir.