alternatif enerji...

27.2.2019

1

Alternatif Enerji KaynaklarıEnerji ve Enerji Terminolojisi

Dr. Çetin ÇAKANYILDIRIM

Gazi Ün. Müh. Fak. Kimya Müh. Blm.

Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM2

GirişBir sistemin, kendisi dışında etkinlik üretme yeteneğidir (Max Planck).

Enerjiler çeşitli biçimlerde sınıflandırılabilmektedir. Sınıflandırmalarhangi esasa göre yapılırsa yapılsın, farklı gruplara giren enerjiler,birbirine dönüştürülebilmektedir. Enerjinin dönüşebilirliğinin ölçümüekserji ile ifade edilmektedir. Belirli termodinamik koşullarda diğer birenerji biçimine dönüştürülemeyen enerjiye de anerji adı verilir.

Enerjiler kaynaklarına göre; katı, sıvı, gaz yakıtlar ile hidrolik, nükleer,güneş, biyokütle (biyomas), rüzgar, jeotermal vb. enerjiler olarakayrılabilmektedir.

Fiziksel ve ekonomik yönleriyle de; mekanik(potansiyel ve kinetik), termik, kimyasal,fiziksel, elektromanyetik, elektrik vb. enerjilerolarak gruplandırılabilmektedir.

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

3

Gru

pla

nd

ırm

a

Herhangi bir değişime ya da dönüşüme uğrayıp uğramadığına göreenerjiler iki grupta toplanabilir:Birincil (Primer) enerjiler: Doğal enerjiler olarak da adlandırılan buenerjiler, doğadaki enerjilerin herhangi bir değişim ya da dönüşümgöstermemiş biçimidir (Örnek: güneş, rüzgar, hidrolik, petrol,kömür, jeotermal, nükleer enerjiler).

İkincil (sekonder) enerjiler: Türetilen enerjiler olarak da adlandırılanbu enerjiler, birincil ya da diğer ikincil enerjilerin dönüştürülmesisonucu elde edilmektedir (Örnek: elektrik, termik "ısı", mekanik,kimyasal, elektromanyetik, ışık).

Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 4

Enerji hammaddelerinin özgül enerji içeriklerine göre;Yoğun enerjiler: (Örnek: petrol ve ürünleri, kömür, hidrolik enerji,atom enerjisini veren uranyum ve toryum).Yoğun olmayan enerjiler: (Örnek: güneş ve rüzgar enerjileri).

Enerji maddesinin depolanabilme özelliğine göre:Tam olarak depo edilebilenler (Örnek: kömür, petrol ve ürünleri,bitümlü şistler, atom enerjisini veren uranyum ve toryum).Kısmen depo edilebilenler ve edilemeyen/er (Örnek: doğal gaz, su,güneş)

Enerji maddesinin kullanımı sırasında çevreye etkisi yönünden:Temiz enerjiler (Örnek: güneş, rüzgar, biyomas - biyokütle enerjisihidrolik enerjiler).Temiz olmayıp, doğayı kirleten/er (Örnek: petrol, kömür, bitümlüşistler).

Gru

pla

nd

ırm

a

27.2.2019

2

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

5

Alternatif enerji: Doğal çevreden sürekli veya tekrarlamalı olarak akanenerjiden elde edilen enerjidir. En yaygın olanı, 24 saat tekrarlamalıgüneş enerjisidir. Bu enerjinin en önemli yanı, bu gücü yakalayacakinsan yapımı bir cihaz olsun olmasın çevremizden bir enerji akımıhalinde geçmektedir.Yenilenemeyen enerji: insan müdahalesi olmadıkça salınmayan, bağlıbulunan statik enerji depolarından elde edilen enerjidir. Nükleer vefosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz vb.) bunun örnekleridir. Buenerji pratikte izole edilmiş bir potansiyele sahiptir ve enerji akımınıbaşlatmak için bir dış etki gerekmektedir.Alternatif-alışılagelmiş enerji sistemlerini şu şekilde karşılaştırabiliriz:

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

6


Enerji kaynağının kalitesi (veya stok kalitesi) sık sık tartışılmaktadır.

�� =��

�� ğ�Bir enerjinin başka bir enerjiye ve özellikle mekanik enerjiye çevrilebilmeoranına enerji kalitesi denir.

Mekanik Kaynaklar: Hidrolik, Rüzgar, Dalga ve Gelgit enerjileridir. Geneldekaynak kalitesi yüksektir ve genelde mekanik iş, oldukça yüksek verimlilikteelektriğe dönüştürülmek üzere elde edilir.

Isıl Kaynaklar: Biyokütle (biyomas) yakılması vegüneş kolektörleri örnek olarak verilebilir.Mekanik iş olarak elde edilebilen ısı enerjisininmaksimum oranı, temodinamiğin II. Yasasıtarafından belirlenmiştir. Pratikte, bir dinamikproseste elde edilebilen maksimum mekanikgüç, II. Yasa tarafından belirlenenin yarısıkadardır. Örneğin termik sistemlerde bu değer%35'dir.

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

8

Foton İşlemleri: Buna en iyi örnek fotosentez olayı ve güneş pilleri[fotovoltaik (PV)] elemanlardır.

Enerjinin Dağınık veya Merkezi olma Durumu: "Alternatif' ve "SınırlıEnerji" kaynaklan arasındaki en somut farklardan biri, enerjiyoğunluklarıdır. Alternatif enerjiler yaklaşık 1 kW/m2 olurken sınırlıve merkezi enerji yoğunluğu bundan çok fazladır (100 kW/m2).

27.2.2019

3


ISI TRANSFERİGüneş, jeotermal ve biyokütle kaynaklarından enerji transferi mekanikve elektrikten çok ısı ile olmaktadır. Alternatif enerji kaynaklarıuygulamalarında; Sıcaklık farkı genelde düşüktür. Geometrik yapı fazla karmaşık değildir. Enerji akısı düşüktür. Güneş ışınım şiddeti (en yüksek intensite) genelde 1 kW/m2,

Sıcaklık 50 °C civarındadır Faydalı ısı kütle transferi ile alınır.

Isı bir enerji türüdür. Sıcak ortamdansoğuğa geçisi: Sıcaklık farkına, Isı transfer süresine, Ortam özelliklerine, Transferin gerçekleştiği yüzey

alanına bağlıdır.Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 10

Isı iletimi (Kondüksiyon):

Taneciklerin birbirine çarpması veya değmesi ile oluşur.

�� = −��

��

Isı Taşınımı (Konveksiyon):

Gaz ve sıvılar ile temas ettikleri sıcak yüzey arasındaki moleküllerin hareketi ile olur. Doğal veya zorlanmış türleri vardır.

� = �� − ��


Isı Taşınımı (Radyasyon):

Işıma enerjisinin ışık hızında boş ortamda akmasıdır. Yayılma elektro manyetik dalgalar halinde olur. Stefan Boltzmann kanununa göre:

� = ��

ε: Işıma yeteneğiΣ: Stefan Boltzmann sabiti (5,672x10-12 W/cm2.K4)


SistemSistem nedir?İncelenen nesneye sistem denir. Çalışmak için her ne seçilmiş ise osistemdir. Sistem; üzerinde çalışılabilecek bir miktar madde veyauzayın bir bölgesidir.

Çevre: Sistemin dışında kalan her şey çevre olarak tanımlanır.Sınır: Sistemi çevreden ayıran alana sınır denir. Sınır durgun veyahareketli olabilir. Sınır sistem ve çevreye dokunur, 2 boyutludurdolayısı ile hacmi yoktur.

Ankara

Konya

Eskişehir

27.2.2019

4


Kapalı sistem: Kapalı bir yüzey içerisindeki değişmez kütledir. Bazen kontrollü kütle olarak da tanımlanır zira sistemdeki kütle miktarı her an bilinmektedir. Enerji veya iş sistem sınırlarını aşabilir.

İzole sistem: Duvarlarından enerji akışı olmayan sistemdir. Mecburen kapalı sistem olmalıdır.

Ör. Denizin dalgalı bir kısmı ne tür sistemdir?

Sistem


Açık sistem: Boşlukta tanımlanan bir bölgedir. Sistem sınırları enerjive kütle aktarımına açıktır. Sistem kütlesi değişirken hacim kontrolaltındadır zira sistemi oluşturan bölge boyutu her an bilinmektedir.

Kontrol hacmini çevreleyen sınır tabakası kontrollü sınır olaraktanımlanır. Kontrollü yüzey gerçek veya hayali olabilir.

Bir kısmında kütle akışı olan

ekipmanlar:Türbinler,Pompalar,

Şofben,…….

Sistem

Piston-silindir düzeneği genellikle kapalı sistemi göstermekiçin kullanılır.

Sistemde akış var ise açık sistemdir. Kontrollü hacim vardır.

Uygulamada kontrollü hacim sistemlerinin değişmez sınırlarıvardır.


Sistem

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

16

Dönüşüm

27.2.2019

5

6.1- ISI MAKİNALARI

1

2

1

21

Q

Q 1

Q

Q - Q

1

21

T

T - T

c

Sıcaklıklar ile ifade edilen buverime Carnot Verimi denir. Tersinirısı makinalarında termal verimCarnot verimine eşittir.

O halde çevrimin termalverimi aşağıdaki şeklindeifade edilebilir.

Eğer çevrimde, Carnot çevriminde olduğu gibi alınan ve verilenısılar tersinir işlemler ile gerçekleşiyorsa, bu durumda termalverim sıcaklıklara göre de yazılabilir.

Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM

Carnot çevrimi gibi bütün işlemleri tersinir olan ısı makinalarında ısınınişe çevrilme oranı maksimumdur. Ancak Carnot çevrimi ile çalışan ısımakinalarında türbin işi çok yüksek olmasına karşın elde edilen net işçok düşüktür. Bu durum Carnot çevriminde buharın kazana ıslak olarakpompalanmasından ileri gelir. Gazların sıkıştırılması için sıvılara göredaha fazla iş harcanır. İki fazlı Carnot çevriminde akışkanın kazanapompalanması, izentropik bir işlem olması için zorunlu olarak ıslakbuhar halinde gerçekleştirilebilir. Bu durum pompalama işinin artmasına,net işin azalmasına neden olur

Carnot çevrimi ile çalışan ısı makinalarında birbirini izleyen iki tersinirizotermik ve iki tersinir adyabatik işlem bulunur. Akışkan olarak sıvıkullanılması halinde, izotermik genişletme işlemi kazanda sabit basınçaltında buhar üretimi ile sağlanır. Türbin çıkışındaki ıslak buharınyoğunlaştırılması işlemi de izotermik sıkıştırma işlemine karşı gelir.Türbinde iş elde edilmesi ve akışkanın kazan içine pompalanmasıişlemleri de tersinir adyabatik işlemlerdir. Buhar türbinlerinde uygulananiki fazlı Carnot çevriminin akım şeması (T-s) diyagramı ile görülmektedir.

6.2 - TERSİNİR ISI MAKİNALARI

Carnot çevrimi ile çalışan bir buhar türbinindeki dört işlem şöyledir:

İzotermik genişletme işlemikazanda sabit basınç altında

buhar üretimi ile sağlanır. Türbin çıkışındaki ıslak buharın

yoğunlaştırılması işlemi de izotermik sıkıştırma işlemine

karşı gelir. Türbinde iş elde edilmesi ve

akışkanın kazan içinepompalanması işlemleri de

tersinir adyabatik işlemlerdir.

27.2.2019

6

1) İzotermik genişletme: Kazanda sıvının doygun kuru buhar halinekadar buharlaştırılması sabit sıcaklıkta yürüyen bir işlemdir. Bu işlemsırasında buhar kazandan Q1 ısısını alır.

2) Adyabatik genişletme: Buhar türbinde izentropik olarakgenişletilerek Wtürbin işi elde edilir.

3) İzotermik olarak yoğunlaştırma: Kondenserde soğutma suyu ilebuharın yoğunlaştırılması işlemi sabit sıcaklıkta yürür. Bu işlemsırasında soğutma suyuna Q2 ısısı verilir.

4) Adyabatik sıkıştırma: Sıkıştırmanın izentropik olması için, Carnotçevriminde buhar kondenserde tam olarak sıvılaştırılmaz.Pompalamanın başlamış olduğu (1) noktasında buhar+su karışımıbulunur. Kondenserden çıkan ıslak buharın kazan içine izentropik olarakpompalanması işlemi sırasında Wpompa işi harcanır. Su kazan içinepompalanırken, buhar bir kompresör ile sıkıştırılarak doygun kuru buharhalinde doğrudan türbine gönderilir.

1-2 Yolu: Pompalama (Adyabatik sıkıştırma)2-3 Yolu: Kazan (İzotermik genleşme)3-4 Yolu: Türbin (Adyabatik genleşme)4-1 Yolu: Yoğunlaştırıcı (İzotermal)

27.2.2019

7

İki fazlı carnot çevriminde termodinamik özellikler çevrimin dört köşenoktasının entalpi değerleri yardımı ile aşağıdaki şekildehesaplanabilir.

1- Kazandan alınan ısı ........................ Q1 = h3 - h22- Türbinden elde edilen iş.................. Wt = h3 - h43- Kondenserde bırakılan ısı .............. Q2 = h4 - h14- Kazan besleme suyunun pompa işi Wp = h2 - h1

İki fazlı Carnot çevrimi, termal verimi çok yüksek olmasına rağmenaşağıdaki sakıncaları nedeniyle pratikte termik santrallardakullanılmaz.

Kondenserden ıslak buhar halinde çıkan kazan beslemesuyunun izentropik olarak pompalanması için harcanan iş, busuyun fazla miktarda buhar içermesi nedeniyle çok fazladır.Türbinden elde edilen işin büyük bir bölümü pompalama içinharcanır.

Sıvı + buhar karışımının pompalanması pratikte güçlükyaratır.

Carnot çevriminde ancak doygun buhar kullanılabilir. Doygunbuharın sıcaklığı ise çok fazla artırılamaz.

Pratikte ısıdan iş elde etmek için termal verimi daha düşük olan,fakat elde edilen net işi daha yüksek olan Rankine çevrimleritercih edilmektedir

• Doygun buharlı Rankine çevriminin akım şeması

6.3 -RANKİNE ÇEVRİMLERİ

• Doygun buharlı Rankine Çevriminin (T-s) diyagramında görünüşü

27.2.2019

8

1) Kazandan ısı alınmasıKazan besleme suyu kazana (1) noktasında girer. Bu suyun basıncıkazan basıncına eşit olduğu halde (P1=P2), sıcaklığı kazansıcaklığından daha düşüktür. Bu su kazan içinde önce doygun sıvıhaline kadar ısıtılır. Sıcaklık kaynama noktasına erişince subuharlaşmaya başlar. Doygun kuru buhar elde edilinceye kadarısıtmaya devam edilir.

Q1 = h2 - h1

2) Türbinde iş elde edilmesi(2) noktasında türbine giren buhar adyabatik olarak kondenserbasıncına kadar genişletilir. Bu işlem adyabatik yapılmış olmasına rağmen,

Wt = - h = h2 - h3 türbindeki sürtünme kayıpları nedeniyle izentropik değildir.

3) Kondenserde yoğunlaştırma: Türbin çıkışındaki ıslak buhar (3)noktasında kondensere girer. Burada sabit basınçta soğutma suyu iledoygun sıvı haline kadar soğutulur.

Q2 = h3 - h4

4) Kazan besleme suyunun pompalanması: Rankine çevrimlerindekazana doygun su pompalanır. (4) noktasındaki doygun su kondenserbasıncından kazan basıncına pompalanır. Doygun suyun pompalamaişi türbinden elde edilen işe nazaran çok küçüktür.

Wpompa = h1 - h4

Wpompa = v P =v(Pkazan - Pkondenser)

Pompalama işlemisırasında sıvıhacminindeğişmediği kabuledilerek pompa işiyandaki şekilde dehesap edilebilir.

Kızgın buharlı Rankine çevriminin akım şeması ve (T-s) diyagramında görünüşü

Kızgın buharlı Rankine çevrimi

27.2.2019

9

1

net

Q

W

t


Dünyada ve Türkiye’de Enerji Kaynakları ve Kullanımı

Kişi başına düşen enerji kullanımı toplumun gelişmişliğini (veyamüsrifliğini) gösterir. Dünya nüfusu hızla artmakta, çevreye verilenkirlilik ise çok çok daha hızlı artmaktadır.

Bir ülkenin geleceğini belirlemesinde enerji kaynaklarına sahip (Irak)olması ve ya geçiş güzergahında (Türkiye) bulunması belirleyiciolabilir. Ülkenin enerji politikaları belirlenirken dikkat edilecek temelilkeler:

Enerjinin kesintisiz ve sürekli olması, Enerji kaynaklarının güvenilir olması, Enerjinin zamanında temin edilmesi, Enerjinin ilk üretimden son kullanıma kadar çevreci temiz olması, Enerji maliyetlerinin ucuz olması istenir.


Bu temel ilkeler ışığında bir ülkenin enerji planlamaları yapılırken; Enerji - ekoloji - ekonomi dengesinin (3-E) gözetilmesi, Sürdürülebilir Kalkınma anlayışının ön planda tutulması, Kaynak çeşitliliğinin yaratılması ve dengelerin korunması, Jeopolitik ve coğrafi etkenlerin değerlendirilmesi ve kendi

toplumunun lehine kullanım, Enerji güvenliğinin sağlanması gerekmektedir.

Enerji kaynaklarının sürekli hazır tutulması ve darboğazlara nedenolmamak için, Kaynak türü ve kaynak ülkeler çeşitlendirilmeli, Yakıt esnekliğini sağlanmalı (rüzgar, biyo yakıt vb. kullanımı) Yerli teknolojilerin geliştirilmesi ve kullanımının artırılması, Verimliliğin (özellikle tüketimde) arttırılması, Jeopolitik ve stratejik konumdan azami faydalanılmalı (Orta doğu,

Hazar, nakil, rafinaj, pazarlama…) Şeffaf piyasa şartları ve çevreci koşullar sağlanmalı.


2005 yılı itibariyle kişi başına yıllık elektrik tüketimi (kWh olarak)gelişmiş ülkeler için 8.900 iken dünya ortalaması ise 2.500'dür.ABD'de 12.322 kWh olan kişi başına yıllık elektrik tüketimi AB için6.000 ve Türkiye için 2.200'dür.

27.2.2019

10

Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 37 Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM38

Petrolün Tarihi:

Hz. Nuh gemisini ziftle sıvamıştır, Sümer kralı Adab’ın İstanbul müzesindeki heykelinin göz

çukurlarında asfalt bulunmuştur. Sümer, Asur ve Babil’de mozaik yapıştırılmasında zift kullanılmıştır.

Petrol kullanan ünlüler/şehirler: Babil şehir duvarları, Asur kraliçesi Semiramis’in asma bahçeleri

ve su kanalları, Babil kralı Neşubadnezzar’ın Fırat üzerine

yaptırdığı köprü

19.YY da Pennsylvania’da petrolün keşfi ileİngilizler Maden Müh. ve Jeologlarını tümdünyaya petrol araması için göndermiştir.Petrol Osmanlı İmparatorluğu topraklarındabolca bulunmuştur.

Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 39 Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 40

Petrol fiyatlarını etki eden faktörler:

Ekonomik etkenler:Rezervlerin durumu,Arz-talep dengesi,Taşıma maliyetleri,Diğer yatırım maliyetleri.

Politik etkenler: Piyasa düzenlemeleri (Yasal düzenlemeler, yönetmelikler), Ambargolar, siyasi riskler, Karteller (OPEC, şirketler, vb.), Vergiler çevre kirliliği düzenlemeleri.

Coğrafi etkenler Rezervlerin homojen olmayan dağılımı, Tanker (ya da ihraç yolu) sağlayabilme olanağı, Hava durumu, mevsimsel etkenler.

27.2.2019

11


Diğer Etkenler Ürünlerin kalitesi, alternatif ürünlerin varlığı yokluğu, Piyasanın tercihleri, Rafinaj-taşıma kısıtlamalar, Borsa spekülatörleri (şirketler, alım-satım kuruluşları, vb.), Üretici ülkelerdeki etnik kökenli hareketler, sabotajlar.

Petrol piyasasının oyuncularını ise aşağıdaki gibi sıralayabiliriz: OPEC (özellikle S. Arabistan), OPEC dışı üreticiler (Rusya, Meksika, Norveç, vb.), Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), ABD, Büyük petrol şirketleri, Uluslararası borsalar (NYMEX, IPE), Uluslararası yayınlar (Platts, Bloomberg, vb), Petrol alım satım şirketleri, Diğer.

Dr.

Ç. Ç

AK

AN

YIL

DIR

IM

42


Petrolün bu kadar önemli olmasının nedenleri: Dünya çapında enerji ihtiyacının yüzde 38'i petrolden karşılanıyor. Petrolü keşfetmek ve çıkarmak ortalama 3-10 yıl alıyor. Dünya petrol tüketiminin, 2020 yılına kadar yüzde 60 oranında arta-

rak, günlük 120 milyon varile ulaşması bekleniyor. ABD petrol ithalatının yüzde 15'ini Afrika'dan gerçekleştiriyor. Kuzey

Amerika %31,1'lik pay ile petrol tüketiminde birinci sırada yeralıyor.

Neden Ortadoğu? sorusuna baktığımızda ise; Suudi Arabistan 262 milyar varil (dünya petrol rezervinin %22,9'u) İran 130,7 milyar varil (dünya petrol rezervinin %11,4'ü) Irak 115 milyar varil (dünya petrol rezervinin %10'u) (Kerkük 40,25 milyar varil)

Dünya petrol rezervleri toplamının % 44,3'ü Ortadoğu'dabulunmaktadır. Dünyanın çıkarması en ucuz petrolü ise Irak'tadır.Petrolde varil başına çıkarma maliyeti Irak'ta 1 $, Suudi Arabistan'daise 2,5 $ civarındadır. Dr. Ç. ÇAKANYILDIRIM 44

DOGAL GAZPetrolün gaz şekli olarak tanımlanabilir. %88-95’i metandır. Avrupa,gelişen ekonomiler ve Kuzey Amerika talep gelen bölgelerdir.

27.2.2019

12


TÜRKİYE VE KONUMUJeopolitik konumu Türkiye’yi 21.YY’ın enerji terminali yapacaktır. 20yıl içinde enerji tüketimi %50 artacak, bu artış Avrasya’dankarşılanacaktır (World Energy Council, 2003)


alternatif enerji...

Documents