yenİlenebİlİr enerjİ sİstemlerİ dr. muharrem hilmi aksoy

HİDROLİK ENERJİHİDROLİK ENERJİ

1

YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ

Dr. Muharrem Hilmi Aksoy

Konya Teknik Üniversitesi

Makina Mühendisliği

KONYA-2019


2

1 GİRİŞ VE TANIMLAR

2 HİDROLİK ENERJİ

3 RÜZGAR ENERJİSİ

4 GÜNEŞ ENERJİSİ

5 BİYOKÜTLE ENERJİSİ

6 JEOTERMAL ENERJİ

7 DALGA ENERJİSİ

8 HİDROJEN ENERJİSİ

Ders İçeriği


3

HİDROLİK ENERJİ

Hidrolik Enerji

Hidrolik Enerji suyun basınç ve hız etkisinden faydalanarak

su türbinleri vasıtasıyla mekanik enerji elde edilmesidir.

Hidrolik enerji, tarih öncesi devirlerden bu yana insanlar

tarafından su çarkları ve su değirmenlerinde kullanılmıştır.

19. Yy dan itibaren su türbinleri geliştirilerek günümüzde

modern su türbinleri ile suyun hidrolik gücü daha yüksek bir

verimle mekanik ve elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.


4

• Günümüzde su türbinleri geliştirilerek, günümüzde modern su türbinleri

ile suyun hidrolik gücü daha yüksek bir verimle mekanik ve elektrik

enerjisine dönüştürülmektedir


5

HİDROLİK ENERJİ

Su türbinlerinden önce kullanılan muhtelif su çarkları


6


• Hidroelektrik santraller ile elektrik üretimi, dünyada toplam elektrik üretimine yaklaşık % 23 oranında katkıda bulunmaktadır.

• Günümüz koşullarında kullanılabilir hidroelektrik kapasitenin büyük bir bölümü kullanılmaktadır.

• Ülkemiz yüksek debili akarsuların varlığı açısından hidroelektrik enerji kaynakları bakımından dünyada ilk sıralarda yer almaktadır.

• Dicle, Fırat, Kızılırmak, Seyhan, Ceyhan nehirleri üzerinde hidroelektrik amaçlı barajlarımız vardır. Bunların en önemlileri “Atatürk ve Karakaya Barajları”dır.

7


8

• Hidroelektrik, yüzyıldan fazla bir deneyime sahip,

kanıtlanmış ve gelişmiş bir teknolojiye sahiptir.

• Bugünkü santraller % 80 - 95 dolayında oldukça yüksek

bir verimle çalışmaktadır.

• Bu aynı zamanda önemli bir çevresel faydadır. En gelişmiş

fosil kaynaklı santrallerin verimi %60, güneş enerji sinden

elektrik üreten PV panellerinin ise %20 dolayındadır.

• Hidroelektrik diğer büyük ölçekli enerji üretim sistemi

seçenekleriyle kıyaslandığında, en düşük işletme

maliyetine ve en uzun işletme ömrüne sahiptir (Anonim,

2010).


9

• Hidrolik enerji 4 gr/kWh ile en düşük emisyon salınımına sahiptir.

• Bu değer enerjinin üretilmesi sırasında olmayıp, enerji sistem parçalarının imalatı

aşamasında oluşmaktadır.

• Bundan dolayı ekolojik dengenin bozulması ve küresel ısınmanın durdurulması

• için hidroelektrik enerji kaynaklarının maksimum seviyede kullanılması

gerekmektedir.

• Enerji santrallerinin hava kirlenmesine, iklime etkileri, radyoaktivite durumu ve risk

önleme etkileri Şekildeki grafikte verilmiştir.

• Bilhassa nehir tipi HES’ler in çevreye ve iklime etkileri minimum, hava kirliliğine

etkileri ise sıfır seviyesindedir.

Enerji kaynaklarının meydana

getirdiği karbondioksit emisyon

miktarları


10

Enerji santrallerinin çevresel bütün tesirlerinin birlikte gösterimi

(Kaynak: Schwezerischer Wasserwirtschaftsverband)


11

Türkiye’nin en büyük bazı HES Projelerinin

Geri Ödeme Süresi


12

Dünya enerji üretiminin %16’sı hidroelektrik enerjiden üretilirken, en büyük paya

%41 ile kömür sahiptir. Bunu %21 ile doğal gaz takip ederken, nükleer %14, petrol %6,

biokütle %1,3, rüzgar %0,8 ve diğerleri %0,8 paya sahiptir


13

Avrupa’da hidroelektrik potansiyeli büyük ülkelerin fiili üretimleri (TWh/yıl)

Türkiye’nin brüt hidrolik potansiyeli 430 milyar kWh/yıl, teknik potansiyeli 215

milyar kWh/yıl ve ekonomik olarak kullanılabilir hidrolik potansiyeli de 125 milyar

kWh/yıl olarak verilmektedir.

İşletmeye açılan 125 adet hidroelektrik santralin (HES) kurulu güç kapasitesi

11.600 MW, yıllık ortalama enerji üretim potansiyeli ise 42 milyar kWh’tir. Buna

göre, ülkemizdeki teknik ve ekonomik değerlendirilebilir hidroelektrik potansiyelin

ancak %34’ünün geliştirildiğini göstermektedir.(2011) Şimdi??


14

Ekonomik olarak yapılabilir hidroelektrik santral projelerinin durum 2017


15

hidroelektrik santralin kısımlarının görünüşleri


16

Atatürk barajı ve hidroelektrik santrali

Atatürk barajı: Şanlıurfa ve Adıyaman illeri arasında Fırat Nehri üzerinde kurulu

olup enerji ve sulama amacıyla kurulmuştur. 2400 MW gücüyle yıllık 8900 GWh

elektrik üretim kapasitesine sahiptir.


17

HİDROLİK ENERJİ

Bir su kuvvetinden elde edilecek olan güç (P), suyun net

hidrolik düşüsü (H), saniyede akan su miktarı (debi, Q) ve

suyun özgül ağırlığı (ρ) ile belirlenir.

Ayrıca türbinin mekanik ve hidrolik kayıplarına bağlı türbin

verimi (ηT) göz önüne alınarak güç ifadesi (PT) aşağıdaki

şekilde yazılır. Pompanın çekeceği güç de aynı şekilde pompa

verimi (ηP) bölünerek bulunur.

PT= ρ.g.Q.H.ηT.10-3 [kW]

PP= ρ.g.Q.H.10-3 / ηP. [kW]

Burada ρ=1000 kg/m3, yer çekimi ivmesi g=9.81 m/s2, H (m)


18

HİDROLİK ENERJİ

Hidroelektrik Santrallerin sınıflandırılması

1- Düşülerine Göre;

HİDROELEKTRİK SANTRAL YÜKSEKLİK

Alçak Düşülü HES < 1 metre

Orta Düşülü HES 10-50 metre

Yüksek Düşülü HES > 50 metre


19

HİDROLİK ENERJİ


2- Kurulu Güçlerine Göre;

HİDROELEKTRİK SANTRAL GÜÇ

Mikro HES < 100 kW

Mini HES 100-1000 kW

Orta Kapasiteli HES 1000-10.000 kW

Büyük Kapasiteli HES > 10.000 kW


20

HİDROLİK ENERJİ


3- Depolama Durumuna Göre;

HİDROELEKTRİK SANTRAL

1. Depolamalı, yani yapay göllü (baraj) veya tabii göllü

santraller,

2. Depolamasız, kanal veya nehir üzerine inşa edilmiş

santraller.


21

HİDROLİK ENERJİ


4- Baraj Gövdesinin Tipine Göre;


1. Ağırlıklı beton gövdeli barajlı HES

2. Beton kemer gövdeli HES

3. Kaya dolgu gövdeli HES

4. Toprak dolgu gövdeli HES


22

HİDROLİK ENERJİ

Ağırlıklı Beton Gövdeli HES Beton kemer Gövdeli HES

Kaya Dolgu Gövdeli HES Toprak Dolgu Gövdeli HES


23

HİDROLİK ENERJİ


5- Santral Binasının Konumuna Göre;


1. Yer Üstü HES

2. Yer Altı HES

3. Yarı Gömülü veya Batık HES


24

HİDROLİK ENERJİ

Bu santraller aşağıdaki kısımlardan meydana gelir.

1. Baraj Gövdesi ve su alma tesisleri

2. Su iletim tesisleri (kanal, tünel, cebri boru gibi)

3. Santral Binası ve tesisleri (türbin, jeneratör, kontrol ünitesi)

4. Santral akış suyu tesisleri ile boşaltma su tesisleri


25

Depolamalı (Barajlı) HES ler

Depolamalı sistemde suyun önü bir baraj ile kapatılarak, barajın gerisinde bir

rezervuar oluşturulur. Böylece, yağışlı sezonda akarsuyun debileri bu rezervuarda

biriktirilir.

Yağışsız ve kurak sezonda ihtiyaç duyulan su eksiği bu birikmiş su hacminden temin

edilir.

Ayrıca, rezervuarda biriken sular baraj yüksekliğine yakın bir düşü de kazanarak

potansiyel enerjilerini artırmış olurlar.


26

Geometrik, faydalı ve net düşünün baraj

üzerinde gösterilişi


27

Nehir tipi (Regülâtör) HES ler

Nehir Tipi Santrallerde akarsuyun üzerine yapılan bir regülatör

(düzenleyici) ile su seviyesi bir miktar kabartılır

Böylece debilerin su alma yapısı tarafından daha kolay alınması sağlanır, hem de

bir miktar düşü kazanılmış olur. Bu tip tesislerde debi düzenlemesi olmaz.

Santralin üreteceği elektrik enerjisi mevsimlere bağlı olarak değişir.


28

Nehir tipi HES ler


29

Pompajlı rezervuarlı hidroelektrik santraller

• Hidroelektrik santrallerin bir çeşidi de pompajlı depolamalı santraller olup,

amaçları enerji talebinin düşük olduğu saatlerde şebekeden aldıkları enerji ile

suyu pompalayarak bir Üst Rezervuarda depolamak ve enerji ihtiyacının fazla

olduğu saatlerde biriktirilmiş suyu Üst Rezervuardan Alt Rezervuara akıtırken

türbinden geçirerek hidroelektrik enerji elde etmektir


30

Avusturya’da inşa edilmiş pek çok büyük barajlar ve yüksek düşülü

hidroelektrik santraller yanında, çok sayıda Nehir tipi HES de geliştirilmiştir.

Bunlardan ilginç bir örnek Salzach çayının orta mecrasında zincirleme olarak

inşa edilen ve toplam kurulu gücü 106,6 MW olan toplam 7 santraldir


31

HİDROLİK ENERJİ


32

HİDROLİK ENERJİ

Hidroelektrik Santrallerdeki Kayıplar


33

HİDROLİK ENERJİ

Hidrolik Enerji yeryüzü şekillerine ve akarsu debilerine bağlı

yenilenebilir bir enerji türü olduğu için her yıl yenilenmekedir.

Dağlık kesimlerde akarsuların debileri az, düşüleri büyük

olduğundan bu bölgelerde suyun hız enerjisinden

faydalanılan aksiyon (impuls, etki) türbinleri olan Pelton

türbinleri kullanılır.

Orta Debi ve düşülerde reaksiyon (tepki) türbini olan Francis

türbinleri;

Büyük Debi ve küçük düşü olan yerlerde ise eksenel akışlı

reaksiyon (tepki) türbinleri olan Uskur çark ve Kaplan

türbinleri kullanılır.


34

HİDROLİK ENERJİ

Net Düşü – Debi grafiğine göre türbinler


35

HİDROLİK ENERJİ

Hidroelektrik Santrallerde Kullanılan Türbinler

1- Üst Basınç Türbinleri

•Francis Türbinleri

•En yaygın olarak kullanılan türbin tipidir.

•Orta debi, orta düşü ve orta özgül devir sayılıdır.

•Küçük düşülerde salyangozsuz yapılabilirler.

•Küçük güçlü olanlar yatay eksenli, büyük güçlüler düşey

eksenlidir.

•2-600 m düşüler arasında 2-800.000 kW ve daha büyük

güçlerde imal edilebilirler.


36

HİDROLİK ENERJİ


37

https://zippy.gfycat.com/AlertGlumFairyblu

ebird.webm


38


39

HİDROLİK ENERJİ


40

HİDROLİK ENERJİ

Francis Türbini Çarkı


41

HİDROLİK ENERJİ


•Deriaz Türbinleri

•Francis türbinlerinin gelişmiş şeklidir.

•Büyük özgül devir sayılı Francisler ile küçük özgül devir sayılı

kaplan türbinleri sahalarında kullanılır

•Çark kanatları ayarlanabilir (hareketli) ve diagonal (karışık)

akışlıdır.

•Çark kanatlarının ayarlanabilir olması dolayısı ile geniş bir

debi aralığında yüksek verimli çalıştırılabilirler.


42

HİDROLİK ENERJİ


•Uskur ve Kaplan Türbinleri

•Eksenel akışlı olup büyük debi ve küçük düşülerde kullanılır.

•Kaplan türbini, Uskur türbininin gelişmiş şeklidir.

•Uskur türbinlerinde çark kanatları sadece dip taraftan türbin

gövdesine bağlıdır ve sabittir.

•Kaplan türbinlerinde ise türbin mili içinden çark gövdesine

ulaşan bir kumanda tertibatıyla çark kanatları döndürülebilir.

•Kaplan türbinlerinde uskur türbinlerine göre daha geniş bir

debi aralığında yüksek verimle çalışma sağlanmaktadır.


43

HİDROLİK ENERJİ

Uskur-Kaplan Türbini Çarkı


44

HİDROLİK ENERJİ

Uskur-Kaplan Türbini


45

HİDROLİK ENERJİ


•Boru Türbinleri

•Uskur ve Kaplan türbinlerinin bir silindir şekilli boru gövde içerisine

yerleştirilmiş şeklidir.

•Bu türbinlerde suyun eksenel akışını korumak için türbin çarkı ile

dağıtıcı kanalları aynı silindir gövde içine yerleştirilmiştir.

•Bu sayede yük kayıplarının azaltılması ve verimde de artış

sağlanması mümkündür.

•Hem türbin hem de pompa olarak çalışabilecek şekilde imal

edilebilirler.

•Denizlerin gel-git olayından faydalanılarak enerji üreten barajlı

santrallerde kullanılabilirler.


46

HİDROLİK ENERJİ

Boru Türbini


47

HİDROLİK ENERJİ

1- Serbest Püskürtmeli (İmpuls, Etki, Aksiyon) Türbinler

•Pelton Türbinleri

•Genel olarak yüksek düşü ve küçük debiler için uygundur.

•Bu türbinlerin çalışma prensibi yüksek basınçtaki suyu atmosfer

basıncında yüksek hızlı su jetine dönüştürerek, bu su jetinin kinetik

enerjisini de çark çevresine dizilen kepçeler vasıtası ile türbin miline

aktarmaktır.

•Bu türbinlerin verim eğrileri diğer türbinlere göre daha geniş bir debi

aralığında daha yatık, yani daha geniş bir çalışma aralığında daha

yüksek kalmaktadır.

•Yatay ve düşey eksenli olarak çalıştırılabilirler.


48

HİDROLİK ENERJİ

Pelton Türbini


49

HİDROLİK ENERJİ

Pelton Türbini Kepçesi

Su Jeti


50


51


52

HİDROLİK ENERJİ

1- Serbest Püskürtmeli (İmpuls, Etki, Aksiyon) Türbinler

•Banki (Ossberger) Türbinleri

•Bu türbinler Pelton ve Francis türbinleri arasında her ikisinin de

kullanım sahasına giren bir sahada kullanılmaktadır.

•Bu türbinler kısmi girişli, serbest jetli ve radyal çark tipine

sahiptirler.

•200 m düşüye, 75 d/d özgül devir sayısına ve 13 m3/s debi

değerlerine kadar imal edilmektedir.

•Daima yatay milli olarak, türbine suyun girişi yatay veya düşey

olacak şekilde yapılırlar.

•Türbin çarkı, sac diskler arasına eksene paralel olarak kaynak

edilmiş, daire yayı biçiminde silindirik kanatlardan oluşur.


53

HİDROLİK ENERJİ

Banki Türbini


54

HİDROLİK ENERJİ

Banki Türbini


55

HİDROLİK ENERJİ

ÖRNEK-1

•Bir biriktirmeli hidroelektrik santralinde günde 13 saat elektrik

üretilirken 11 saatte türbin pompa olarak çalıştırılıp aşağıdaki

depodan yukarıya su basılmaktadır.

Toplam verimler; Türbin için ηT:0,90, pompa için ηP:0,80, motor ve

jeneratör verimleri eşit olup ηm,g:0,97 dir. ρ= 1000 kg/m3 g=9,81 m/s2

a. 75 m net düşüde 100 kW güç elde edebilmek için gerekli debiyi

hesaplayınız?

b. Elektrik üretimi için günlük sarf edilen suyun tekrar rezerve

(depoya) basılabilmesi için gerekli elektrik pompa gücü ne

olmalıdır?

c. Günlük üretilen ve günlük tüketilen enerji miktarlarını

karşılaştırınız?


56

HİDROLİK ENERJİ

a. 75 m net düşüde 100 kW güç elde edebilmek için gerekli debiyi

hesaplayınız?

PT= ρ.g.Q.H.ηT.10-3 [kW] ifadesinde H=75 m ve PT=100 kW

değerlerini kullanarak;

100 kW = 1000 kg/m3 x 9,81 m/s2 x Q x 75 m x 0,9 x 10-3

Q = 0,151 m3/s debi gerektiği bulunur.


57

HİDROLİK ENERJİ

b. Elektrik üretimi için günlük sarf edilen suyun tekrar rezerve

(depoya) basılabilmesi için gerekli elektrik motor gücü ne

olmalıdır?

Günde 13 saat türbin olarak çalışılırken harcanan su miktarı;

Q = 0,151 m3/s x 13 saat/gün x 3600 saniye / saat = 7071,48 m3/gün

QP=7071,48 / 11x3600=0,17857 m3/s

Gerekli pompa gücü ise;

PP= ρ.g.Q.H.10-3 / ηP. [kW] ifadesinde H=75 m değerini

kullanarak;

PP kW = 1000 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 0,17857 m3/s x 75 m x 10-3 /

0,80PP = 164,22 kW olarak bulunur.


58

HİDROLİK ENERJİ

c. Günlük üretilen ve günlük tüketilen enerji miktarlarını

karşılaştırınız?

Türbin tarafından üretilen elektrik enerjisi;

ET = PT x 13 x ηg = 100 x 13 x 0,97 = 1261 kWh/gün

Pompa tarafından tüketilen elektrik enerjisi;

EP = PP x 11 / ηm = 164,22 x 11 / 0,97 = 1862,29 kWh/gün

Pompanın harcadığı elektrik enerjisi, türbinin ürettiği elektrik enerjisinden

fazladır. Fakat pompanın harcadığı elektrik enerjisi, gece vakitlerinde

elektrik enerjisinin tüketiminin çok az olduğu bir zamandaki elektrik

enerjisini değerlendirdiği için faydalıdır.


59

HİDROLİK ENERJİ

ÖRNEK-2

•30 m yükseklikteki bir depodan günde 15 saat, saatte 54 m3 su

verilmektedir. Türbin kurulacak yere kadar olan boru kayıpları 10

mSS’dur. Türbinin genel verimini %80, jeneratör verimini %90

alarak:

Türbinin gücünü (kW), bir günde ve bir yılda üretilebilecek elektrik

enerjisi miktarlarını (kWh) hesaplayınız.


60

HİDROLİK ENERJİ

ÖRNEK-2H= 30 – 10 = 20 mSS – Net düşü

Debi m3/saat olarak verilmiştir. Bu, 54 m3/h / 3600 s/h = 0,015 m3/s

PT= ρ.g.Q.H.ηT.10-3 [kW] ifadesine göre;

PT = 1000 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 0,015 m3/s x 20 m x 0,8 x 10-3

PT = 2,354 kW

Jeneratör Gücü: PG = PTxηg=2,354 x 0,9 =2,118 kW.

Bir günde 15 saat su verildiğine göre 15 saat elektrik üretilebilecektir.

E=P.Z.N = 2,118 x 15 x 1 = 32,37 kWh/Gün

E=P.Z.N = 2,118 x 15 x 365 = 11596,05 kWh/Yıl


61

• Dünyada 24 ülkede toplam ulusal elektrik üretiminin %90’ının ve 63

ülkede %50’sinin hidroelektrik santrallerden elde ediliyor olması bu

yapıların enerji temininde önemini göstermektedir.

• Hidroelektrik enerji, şebekelerin stabilitesinde hayati rol oynar.

• Şebekede sık sık görülebilecek olan yük değişiklikleri ve frekans

değişikliklerine anında müdahale ederek şebekenin işleyişini

düzenleyerek, tüketicilerin elektriksiz kalmalarını ve elektrikli cihazların

bozulmalarını önler.

• Şebekedeki reaktif gücü kontrol eder ve böylece elektriğin üretim

noktasından tüketim noktasına düzgün akışını sağlar. Hiçbir yabancı

güç kaynağına ihtiyaç duymadan, sıfırdan üretime geçebilir ve böylece

başlaması uzun zaman alan diğer enerji kaynaklarına yardımcı güç

sağlayarak onların üretime geçmelerini sağlar.


62

Hidroelektrik enerjinin avantajları

• Ekonomik ömrü uzun,

• Dünya genelinde yaygın (kolay temin edilebilirlik),

• Çevre dostu,

• İşletme ve bakım gideri düşük,

• Yakıt gideri olmayan,

• Geri ödeme süresi kısa (5–10 yıl),

• Yüksek verimli (% 90’ın üzerinde),

• İşletmede esneklik ve kolaylık sağlayarak pik talepleri

karşılayabilen,

• Yöre halkına ekonomik ve sosyal katkılar sağlayan,

• Devreye alınma süresi kısa olması,

• Dışa bağımlı olmayan yerli bir kaynaktır.


63

Hidroelektrik enerjinin dezavantajları

• Fiziksel çevreye etkileri Haznelerin su geliştirme

projelerinin çoğu ekosistemde değişikliğe yol açmaktadır. Bu

değişikliklerin başlıcaları akarsu akış düzeninin değişmesi,

baraj haznelerinin büyük alanları su altında bırakması ve yer

altı seviyesinin yükselmesi gibi sakıncalardır. Baraj

haznelerinin kapladığı büyük alanlar tarihi yapıların, tarım

arazilerinin ve fiziki güzelliklerin bir daha geri gelmeyecek

şekilde yok olmasına neden olmaktadır.

• Biyolojik çevreye etkileri Sulama amacını da içeren

geliştirme projelerinin en önemli sonucu, su kaynaklı

hastalıkların yaygınlaşmasıdır. Sulama sistemleri, parazitler ve

humma, ciğer trematodu, sıtma gibi hastalıklar yapan canlılar

için uygun bir ortam oluşturmakta ve bu yüzden canlılar

hastalıklardan etkilenmektedir.

• Sosyal çevreye etkileri


64

• Ülkemizde, Çevresel Etki Değerlendirmesi (ÇED) raporu olmayan baraj yapımı

mümkün değildir.

• ÇED, belirli bir proje veya gelişmenin, çevre üzerindeki önemli etkilerinin

belirlendiği bir süreçtir.

• Bu süreç, kendi başına bir karar verme süreci olmayıp, karar verme süreci ile

birlikte gelişen ve onu destekleyen bir süreçtir.

yenİlenebİlİr enerjİ sİstemlerİ dr. muharrem hilmi aksoy

Documents