T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ POLİJENERASYON ENERJİ ÜRETİM SİSTEMLERİNİN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ Yunus EmreYÜKSEL Danışman Prof. Dr. NuriÖZEK DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI ISPARTA - 2016 II. Danışman Doç. Dr. Murat ÖZTÜRK
179
Embed
9 t r s x o - Süleyman Demirel Universitytez.sdu.edu.tr/Tezler/TF03449.pdf · 2016-09-10 · analiz çalışmaları enerji analizi, ekserji analizi, ekserji yıkım oranı ve enerji
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ POLİJENERASYON ENERJİ ÜRETİM SİSTEMLERİNİN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ Yunus EmreYÜKSEL Danışman Prof. Dr. NuriÖZEK DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI ISPARTA - 2016
Bu tez çalışmasında tek veya daha fazla enerji girdisinden güç, ısıtma, soğutma, sıcak su, hidrojen, metanol gibi dört veya daha fazla çıktı sağlayan polijenerasyon enerji üretim sistemleri modellenmiş olup termodinamik açıdan incelenmiştir. Yapılan modellemeler ve tasarım parametreleri Engineering Equation Solver (EES) adlı yazılımda detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Polijenerasyon enerji üretim sistemleri bir veya birden fazla enerji girdisi ile dört veya daha fazla ürün çıktısı sağlayan sistemlerdir. Yapılan termodinamik analiz çalışmaları enerji analizi, ekserji analizi, ekserji yıkım oranı ve enerji ve ekserji verimliliklerini içermektedir. Tasarlanan beş adet sistemin her bir alt sistemine ve sistemin tamamına bu analizler uygulanmıştır. Ayrıca sistem performansını etkileyen parametrelerin değerlendirilmesi için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar tekli enerji üretim santrallerine kıyasla iki, üç ve daha fazla çıktı veren sistemlerin performansında artış olduğunu göstermiştir. Polijenerasyon enerji üretim sistemlerin enerji ve ekserji verimlilikleri ve bunların hangi şartlarda değiştikleri incelenmiş ve sonuç kısmında çizelge ve şekillerle verilmiştir. Ayrıca sistem performansını etkileyen çevre şartları da parametrik çalışmalar ile analiz edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Polijenerasyon enerji üretimi, termodinamik analiz, enerji analizi, ekserji analizi. 2016, 164 sayfa
iv
ABSTRACT
Ph.D. Thesis
THERMODYNAMIC MODELLING OF POLYGENERATION ENERGY PRODUCTION SYSTEMS
Yunus Emre YÜKSEL
Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences
Department of Physics
Supervisor: Prof. Dr. Nuri ÖZEK
Co-Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Murat ÖZTÜRK
In this thesis polygeneration energy production systems which produce more than four outputs such as power, heating, cooling, hot water, hydrogen and methanol by using one or two energy input are analyzed in thermodynamic viewpoint. Polygeneration systems use one or more energy input and produce four or more than four outputs. Thermodynamic analyses used in this thesis contain energy analysis, exergy analysis, exergy destruction rate, energy efficiency and exergy efficiency. These analyses are performed to subsystems and whole system of five energy production system designed fort his thesis. Parametric studies are performed also in order to see how design parameters affect the system performance. The results of studies show that cogeneration, trigeneration or polygeneration systems have higher efficiencies than single energy production options. Energy and exergy efficiencies of polygeneration energy production systems are analyzed and analysis results are given in tables and figures. In addition design parameters affecting system performance are analyzed in parametric studies. Keywords: Polygeneration energy production, thermodynamic analysis, energy analysis, exergy analysis. 2016, 164 pages
v
TEŞEKKÜR
Bu araştırma için beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan değerli Danışman Hocam Prof. Dr. Nuri ÖZEK’e teşekkürlerimi sunarım. Literatür araştırmalarımda ve analiz kısımlarında yardımcı olan değerli hocam ikinci danışmanım Doç. Dr. Murat Öztürk’e teşekkürü borç bilirim. Ayrıca değerli bilgi ve tecrübesi ile çalışmalarımda yardımını esirgemeyen Prof. Dr. İbrahim DİNÇER’e teşekkür ederim. Yine literatür çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen arkadaşım Uzman Murat KOÇ’a teşekkür ederim. Tezimin her aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.
Yunus Emre YÜKSEL
ISPARTA, 2016
vi
ŞEKİLLER DİZİNİ
Sayfa
Şekil 3.1. Parabolik oluk tipi kolektör ve biokütleyi kullanan polijenerasyon
enerji üretim sistemi .............................................................................................. 26
Şekil 3.2. Guneş ve komur kullanan polijenerasyon enerji uretim sisteminin
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ A Alan AGKF Anaparanın geri kazanım faktörü c Ekserji başına maliyet C Maliyet C0 Kolektör konsantrasyon oranı COP Coefficient of Performance (Performans katsayısı) ÇEASS Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi DEASS Dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi DS-ORC Çift basamaklı organik Rankine çevrimi En Enerji EES Engineering Equation Solver ETKB Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı ex Spesifik ekserji Ex Ekserji F Faraday sabiti FR Isı çıkış katsayısı h Entalpi HEX Isı değiştirici HHV Üst ısıl değer IEA International Energy Agency Ids Direk güneş radyasyonu I, ExY Ekserji yıkımı J Akım yoğunluğu LHV Alt ısıl değer Lm Membran kalınlığı m Kütle M Moleküler ağırlık ORC Organik Rankine çevrimi P Basınç PEM Proton exchange membrane PÇK Parabolik çanak kolektör POT Parabolik oluk tipi PV Fotovoltaik Q Isı R Direnç s Spesifik entropi S Entropi T Sıcaklık TK Tesis kapasitesi UL Isı kayıp katsayısı V Elektriksel potansiyel W iş WCED World Commission on Environment and Development z Yükseklik Z Yatırım, işletme ve bakım maliyeti
xi
ΔG(T) Gibbs serbest enerjisi αr,C Kolektör yansıtıcı yüzeyinin soğurma katsayısı σ[λ(x)] Lokal iyonik iletkenlik ε Alıcı yayma kuvveti σ Stefan-Boltzmann sabiti λ Su içeriği ∆G Gibbs serbest enerjisi η Enerji verimliliği Ψ Ekserji verimliliği ρr,C Kolektör yansıtıcı yüzeyinin yansıtma katsayısı ξ Kimyasal ekserjinin alt ısıl enerjiye oranı ηohm Ohmik aşırı potansiyel ω Nem içerik faktörü
1
1. GİRİŞ
Yeryüzündeki tüm canlıların yaşamlarının devam etmesi enerjinin varlığıyla
sağlanmaktadır. Bazı canlılar kendileri için gerekli olan enerjiyi fotosentez
vasıtasıyla güneş enerjisini dönüştürerek sağlarken, tüketici canlılar da
besinlerdeki depolanmış kimyasal enerjiyi kullanmaktadır. İlk çağlarda insanoğlu
sadece beslenmek ve barınmak için yaşarken, zamanla ihtiyaçlar artmış, ihtiyaçları
karşılamak adına da çeşitli teknolojik aletler yapmışlardır. Bu durum insanoğlunun
konfor anlayışını değiştirmiş ve teknolojinin ilerlemesiyle enerji ihtiyacı sadece
organizma için gerekli olmaktan çıkmış ve hayatın her alanında daimi bir ihtiyaca
dönüşmüştür. Antik çağlarda atalarımız günde 8 saat sadece beslenmek adına
yürürken, modern zamanda insanoğlu yürümeyi bir spora dönüştürmüş, bir yerden
başka bir yere gitmek için ulaşım araçları kullanmaya başlamıştır. Teknolojinin
hayatımıza getirdiği konfor anlayışı pekâlâ bununla sınırla kalmamıştır. Yiyecekleri
taze tutmak için soğutucular, kapalı ortamların havasını düzenlemek için klimalar,
bilgi paylaşımı için televizyonlar ve bilgisayarlar, yemek pişirmek için fırınlar, sıcak
su için ısıtıcılar, daha uzağa daha kısa sürede gidebilmek için uçaklar icat edilmiştir.
Bu icatların tamamı ve saymadığımız niceleri artan nüfusla birleşince enerji
ihtiyacını çok hızlı bir şekilde artırmıştır.
Enerji ihtiyaçları ilk başlarda yel değirmenleri, su değirmenleri ve biokütlenin
yanması ile giderilirken daha sonraları kömür ve petrol türevleri enerji ihtiyacını
karşılamada kullanılmıştır. Ne var ki kömür, petrol ve doğalgaz gibi yakıtlar sonlu
kaynaklar olup, bu kaynakların çevreye verdiği zararlar ancak günümüzde yeni
yeni anlaşılabilmiştir. Bir zamanlar otomobil firmaları reklamlarında
otomobillerinin ne kadar güçlü ve seri olduklarından bahsederken, son zamanlarda
bir kilometrede ne kadar az emisyon ürettiklerini vurgulamaktadırlar. Isı yalıtım
kavramı hayatımızda çok hızlı yer edinmekle birlikte binalar için bir ön şart
olmaktadır. Bu ve buna benzer durumlar insanoğlunun farkındalığının arttığını
göstermektedir. Farkındalığın artması mevcut enerji politikalarında değişikliği
kaçınılmaz hale getirmektedir. Son kullanıcının yapabileceği enerji tasarrufu ve
2
enerji verimi yüksek cihazlar kullanmak yeni yaklaşımın bir parçasıdır fakat daha
da önemli olan kısım enerjinin nasıl ve hangi kaynaktan üretildiğidir.
ETKB’ye (Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, 2015) göre, enerjinin verimli
kullanılması ile Türkiye’deki enerji yoğunluğunun 2023 yılında 2011 yılına göre
%20 azalacağı öngörülmektedir. Bir diğer yandan mevcut fosil yakıtlara dayalı
üretimin yenilenebilir enerji kaynaklarıyla yer değiştirmesinin de çevreye verilen
zararı en aza indireceği ve enerjide dışa bağımlılığı azaltacağı bilinen bir gerçektir.
Yenilenebilir enerjiye geçiş aşamasında fosil kökenli kaynakların bir anda terk
edilmesi söz konusu olmamaktadır. Bu geçiş süresinde fosil yakıtlardan enerji
üretimi daha temiz ve etkili bir şekilde yapılmalıdır. Tek kaynaktan tek bir enerji
üreten sistemlerin çalışma verimi yan ürünlerin kullanılmamasından ve atıkların
çok olmasından dolayı düşüktür. Günümüzde alternatif olarak ortaya çıkan
kojenerasyon, trijenerasyon ve hatta multi-jenerasyon sistemler bu düşük verimi
artırmayı hedeflemektedir. Bu sistemler tek bir kaynaktan daha fazla ürün elde
etmeye yönelik sistemlerdir. Örneğin, kojenerasyon tesisleri sistemde oluşan atık
ısıyı ısıtmada veya sıcak su üretiminde kullanarak tekli sistemlere göre daha fazla
avantaj sunmaktadır. Bahsedilen sistemlerin de dezavantajları bulunmaktadır.
Bunlardan bir tanesi de sistemlerin tek bir kaynakla çalışması ve bu kaynakta bir
azalma, bitme veya fiyatında bir artış söz konusu olduğunda üretim aksamaktadır.
Bu sorunu gidermenin yolu da entegre sistemler kullanmaktır. Entegre multi-
jenerasyon ya da entegre poli-jenerasyon sistemler hem birden fazla enerji kaynağı
kullanan hem de elektrik, ısıtma, soğutma sıcak su, hidrojen ve kimyasallar gibi
birden fazla ürün çıktısı sağlayan sistemlerdir. Entegre poli-jenerasyon sistemler
birden fazla kaynağı verimli bir şekilde kullanarak tek kaynağa olan bağımlılığı
azaltmaktadır. Örneğin güneş enerjisi ile elektrik, sıcak su, ısıtma ve soğutma
sağlayan bir sistem güneş ışınlarının pik yaptığı zamanlarda yüksek verimle
çalışmakta güneş ışınının az ya da hiç olmadığı zamanlarda üretimde kesintiler
yaşanmaktadır. Bu sisteme eklenen kömür ya da biokütle gazlaştırma alt sistemleri
sistemde kesinti meydana gelmeden beslemeyi sağlamaktadırlar.
3
1.1. Gerekçe
2013 yılı içinde, dünyadaki enerji tüketiminin yaklaşık %91’i fosil yakıtlar ve
nükleer enerji tarafından karşılanmıştır (BP Statistiscal Review, 2014). Fosil
yakıtlar çevresel açıdan değerlendirildiğinde doğaya en zararlı kaynaklardır. Bunun
yanında fosil yakıtlardan elektrik üretirken kullanılan yöntem de kaynağın seçimi
kadar önem arz etmektedir. Örneğin, termik santrallerde kömürden üretilen
elektrik enerjisi çevreye çok fazla atık bırakmakta ve yakın çevresindeki
ekosisteme de ciddi zararlar vermektedir.
Yolcu ve yük taşımasında deniz ve demir yolu kullanılması hem maliyeti hem de
çevreye verilen zararı azaltmaktadır fakat halen karayolu taşımacılığı birçok ülkede
revaçtadır. Hava kirliliği açısından bakıldığında küresel ısınmaya neden olan sera
gazlarına demiryolunun etkisi %5’lerdeyken, karayolunun etkisi %85’lerdedir. Bir
diğer etki de ulaşımın sağlandığı yerlerdeki bitkilerde gözlenen metal birikimidir.
Ağır metaller için öngörülen sınır değer 0,2mg/kg iken, Adana-İçel karayolu
üzerinde yapılan ölçümlerde şu sonuçlar elde edilmiştir:
Yola 5 metre uzaklıktaki bitkilerde: 1,85-2,17 mg/kg
Yola 10 metre uzaklıktaki bitkilerde: 1,8-1,23 mg/kg. (Enerji Verimi Derneği, 2015)
Çevreye verilen zararların dışında, enerji politikalarındaki dışa bağımlılık ülkelerin
ekonomisini ve kalkınmasını derinden etkilemekte, uzun vadeli kalkınma planlarını
sekteye uğratmaktadır. Türkiye gibi enerji kaynakları bakımından zengin fakat
kendi enerjisini üretmede geç kalmış ülkeler, gelişmişlik düzeyini artırmak ve
refaha ulaşmak için enerjideki dışa bağımlılığı bitirmelidirler.
1.2. Amaç
Bu çalışmanın amacı mevcut enerji üretim sistemlerinin çevreye verdiği zararları
azaltacak ve yakıt fiyatlarını düşürecek ve enerji güvenliğini artıracak alternatifler
sunmaktır. Çalışmada önerilen entegre polijenerasyon sistemler birden fazla
4
kaynağı verimli bir şekilde kullanarak faydalı ürünler ürettiği için konvansiyonel
sistemlere göre çok daha tercih edilebilir seçenek olmaktadırlar. Entegre
polijenerasyon sistemler görece yeni sistemler olmalarından dolayı araştırmaya
açık sistemlerdir. Bu çalışmada önerilen sistemlerin özel amaçları şunlardır:
Güneş enerjisi ile üretilen elektrik enerjisi oldukça temiz bir alternatif
olmasına rağmen süreklilik arz etmemektedir. Güneşin olmadığı
dönemlerde elektrik ve faydalı ürünlerin üretilmesinin aksamaması için
güneş enerjisine entegre edilmiş kömür ve biogaz gazlaştırma gibi
seçenekler sunmak.
Düşük ısıl değeri olan kömürleri daha verimli ve temiz bir yöntem olan
gazlaştırma teknolojisi ile enerji üretimine katarak ekonomiye katkıda
bulunmak ve enerji kaynağı çeşitliliğini artırmak.
Polijenerasyon sistemler kullanıcı odaklı ve kullanıldığı yerlerde enerji
üretiminin yapılmasının verimli olduğu sistemlerdir. İhtiyacın olduğu
yerlerde enerji kaynağının türüne göre sistemler önermek.
Önerilen sistemlerin enerji ve ekserji analizlerini yapmak.
Sistemlerin ekserji analizi yapılmasıyla, tersinmezliklerin yerini ve
büyüklüklerini belirlemek.
Tersinmezliklerin giderileceği sistem bileşenlerini tespit etmek ve
sistemin iyileştirme potansiyelini bulmak.
Sistemlerin çevresel etki analizini yapmak ve çevreye salınan
Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserjetik performans katsayısı
(COPex) şu şekilde ifade edilmektedir;
COPex =Exsoğutma
Q
Wpompa−II+Exjen−IQ (3.161)
3.5.6. Çevresel etki değerlendirmesi
Tüm sistem ve alt bileşenlerinden üretilen karbondioksit emisyon miktarlarının
değerlendirilmesi için dört farklı sistem olarak ele alınıp incelenmiştir. Birinci
sistem sadece elektrik üreten bir sistem, ikinci sistem ısı ve elektrik üreten
kojenerasyon, üçüncü sistem ısıtma, soğutma ve elektrik üreten bir tri-jenerasyon
ve son olarak ısıtma, soğutma, elektrik ve sıcak su sağlayan polijenerasyon sistem
olarak değerlendirilmiştir. Üretilen karbondioksit miktarları kaynak kullanımı,
elektrik tüketimi ve materyal üretimi ile doğrudan alakalıdır. Her bir üretim şekli
için CO2 emisyon miktarları aşağıdaki şekilde verilmiştir;
𝜀𝑡𝑒𝑘−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2
��𝑛𝑒𝑡 (3.162)
𝜀𝑘𝑜−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2
��𝑛𝑒𝑡+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 (3.163)
𝜀𝑡𝑟𝑖−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2
��𝑛𝑒𝑡+��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎 (3.164)
78
𝜀𝑝𝑜𝑙𝑖−𝑗𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 =��𝐶𝑂2
��𝑛𝑒𝑡+∑ ��𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎+∑ ��Ķ𝑜ğ𝑢𝑡𝑚𝑎+��𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑠𝑢 (3.165)
79
4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA
Bu bölümde çalışmada kullanılan 5 adet polijenerasyon enerji üretim sistemi için
yapılan analizlerin sonuçları verilmiştir. Polijenerasyon sistemin tamamına ve alt
ünitelerine uygulanan termodinamik değerlendirmeler ve parametrik çalışmalar
sunulmuştur.
4.1. Sistem 1 Bulguları ve Tartışma
Engineering Equation Solver (EES) adlı yazılım kullanılarak bir termodinamik
model oluşturulmuştur. Bu modele ait termodinamik analizde Çizelge 3.2’de verilen
ekserji yıkım denklemleri ve ekserji verimlikleri kullanılmıştır. Entegre sistem
tasarımında kullanılan girdi parametreleri Çizelge 4.1’de verilmiştir. Bu çalışmada,
ORC alt sisteminde organik akışkan olarak yüksek kritik sıcaklığından (Tc=569K)
dolayı n-oktan seçilmiştir. Çift etkili absorpsiyonlu soğutma ve ısıtma sistemi
akışkanı olarak Li-Br ve su çifti seçilmiştir.
Sistem tasarımı ve analizi için yapılan bazı ön kabuller aşağıda listelenmiştir.
Polijenerasyon sistemin tüm bileşenlerinde durgun hal şartları olduğu ve
kimyasal reaksiyon gerçekleşmediği kabul edilmiştir.
Sistem bileşenlerinden çevreye ısı kaybı ve pompa işleri ihmal edilmiştir.
Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmiştir.
Genleşme ve sıkışma valflerinin izentropik oldukları kabul edilmiştir.
Alt sistemleri bağlayan bağlantı borularında gerçekleşen ısı kayıpları ve
basınç düşüşleri düşük miktarda olduklarından göz ardı edilmişlerdir.
80
Çizelge 4.1. Entegre sistem girdi verileri (Ahmadi vd., 2015; Ahmadi vd., 2012)
Organik Rankine Çevrimi (ORC) Değer ORC pompa verimi 80% ORC türbin verimi 85% Kütle akış oranı 7,2 kgs-1
ORC boylerinin temel hattının sıkışma noktası sıcaklığı
20 K
ORC türbin giriş basıncı 2 MPa ORC türbin giriş sıcaklığı 550 K Parabolik oluk tipi kolektör Değer Bir kolektörün genişliği 5,76 m Bir kolektörün uzunluğu 12,27 m Alıcı iç çapı 0,066 m Alıcı dış çapı 0,07 m Kapak iç çapı 0,115 m Kapak dış çapı 0,121 m Kolektör kapağının yayıcılığı 0,86 Kolektör alıcısının yayıcılığı 0,15 Kolektör aynasının yansıtıcılığı 0,94 Cam kapağın geçirgenliği 0,96 Alıcının soğuruculuğu 0,96 Sistemde bulunan yoğunlaştırıcı kolektör sayısı 20 Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi Değer Absorber ısı transfer katsayısı 75 kWK-1
Evaporatör ısı transfer katsayısı 95 kWK-1
Kondenser ısı transfer katsayısı 80 kWK-1
Yüksek sıcaklık jeneratörü ısı transfer katsayısı 80 kWK-1
Düşük sıcaklık jeneratörü ısı transfer katsayısı 70 kWK-1
Biokütle yakıcı Değer Biokütle akış oranı 80 kgs-1
Biokütle yakıcı sıcaklığı 2073,15 K Standartkimyasal ekserji Değer
𝑒𝑥 𝐻2𝑂𝑘𝑖𝑚,𝑜 9,5 kJ/mol
𝑒𝑥 𝑂2
𝑘𝑖𝑚,𝑜 3,97 kJ/mol
𝑒𝑥 𝑁2
𝑘𝑖𝑚,𝑜 0,72 kJ/mol
𝑒𝑥 𝐶𝑂2
𝑘𝑖𝑚,𝑜 19,87 kJ/mol
Referans şartlar Değer Referans sıcaklık 298,15 K Referans basınç 101,3 kPa
81
EES yazılımı kullanılarak entegre polijenerasyon sistemin güneş ve biokütle modu
Tablolardan görüldüğü üzere güneş ve biokütle modu için en yüksek ekserji yıkım
miktarları sırasıyla parabolik oluk kolektör ve biokütle yakıcıda gerçekleşmektedir.
Çevresel değişken olarak ortam sıcaklığının sistem performansı üzerine etkisi
oldukça önemlidir. Şekil 4.1 referans sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu sistemin
verimine etkisini göstermektedir. Şekilden görüldüğü üzere COPen değeri referans
sıcaklığın artışına rağmen değişmemektedir. Bunun nedeni COPen değeri
hesaplanırken sistemden çevreye gerçekleşen ısı kayıplarının ihmal edilmesidir.
COPex değeri ise referans sıcaklığın 0°C’den 35°C’ye artmasıyla birlikte artmaktadır.
Bunun sebebi de sıcaklığın artması ile referans çevre ve soğutma sistemi arasındaki
sıcaklık farkının azalmasıdır. Bir diğer ifade ile prosesteki ekserji içeriği referans
çevre ile doğrudan ilintilidir.
83
Şekil 4.1. Referans sıcaklığın artışına bağlı olarak çift etkili absorpsiyonlu sistemin enerjetik ve ekserjetik COP değerlerindeki değişim
Ekserji yıkım oranı faydalı enerjideki azalmayı göstermektedir, fakat entegre
sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji verimlerini göstermemektedir. Genellikle
entegre sistemin ekserji verimi değeri çevreye salınan ekserji kayıplarını analiz
etmede daha pratiktir. Entegre polijenerasyon sistemin referans sıcaklığa göre
ekserji yıkım oranları ve ekserji verimi güneş ve biokütle modu için sırasıyla Şekil
4.2 ve 4.3’de verilmiştir. Şekillerden görüldüğü üzere, çevre sıcaklığı arttıkça her iki
sistem modu için ekserji yıkım oranı azalmakta, ekserji verimi artmaktadır. Bu
parametrik çalışma sonucu beklenen bir sonuçtur çünkü ekserji yıkım oranı ve
ekserji verimi ters orantılı bir büyüklüktür.
0 5 10 15 20 25 30 350
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
T0 (oC)
CO
Pen
CO
Pex
COPen
COPex
84
Şekil 4.2. Güneş modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim
Şekil 4.3. Biokütle modu için, referans sıcaklığa göre entegre sistemin ekserji yıkım oranındaki ve ekserji verimindeki değişim
0 5 10 15 20 25 30 35 405200
5400
5600
5800
6000
6200
0,574
0,576
0,578
0,58
0,582
0,584
0,586
0,588
0,59
T0 ( 0C )
Ex
Y,s
iste
m (
kW
)
sis
tem
ExY,sistem (kW)
sistemsistem
0 5 10 15 20 25 30 35 405500
5700
5900
6100
6300
6500
0,638
0,64
0,642
0,644
0,646
0,648
0,65
0,652
0,654
0,656
T0 ( 0C )
Ex
Y,s
iste
m (
kW
)
sis
tem
sistemsistem
ExY,sistem ExY,sistem
85
Entegre sistemin ve alt bileşenlerinin farklı çalışma şartlarında ve çevresel
durumlarda nasıl davrandığını görmek için bazı analizler yapılmış ve sonuçları
verilmiştir. Referans sıcaklığın tüm sistemin ve alt bileşenlerinin enerji ve ekserji
verimlerine etkisi güneş ve biokütle modu için sırasıyla Şekil 4.4 ve 4.5’de
verilmiştir. ORC alt sisteminin enerji verimi artan referans sıcaklığa rağmen
değişmemekte fakat ekserji verimi 0°C’de %18.5’den 35°C’de %20’ye kadar
artmaktadır. Buna ek olarak, hem güneş hem de biokütle modunda absorpsiyonlu
soğutma sistemi dışındaki tüm alt sistemler ve sistemin tamamı için enerji ve
ekserji verimleri artan referans sıcaklıkla birlikte artmaktadır. Bu iki şekilden
görüldüğü üzere, biokütle temelli sistemin hidrojen üretim performansı güneş
temelli sisteme göre az da olsa yüksektir. Bunun sebebi de biokütle temelli
sistemde enerji üretim oranının daha yüksek olmasıdır.
Küresel güneş radyasyonunun polijenerasyon sistemin elektriksel güç ve hidrojen
üretimine etkisi Şekil 4.6’da gösterilmiştir. Bu sonuç küresel güneş radyasyonuna
dair olduğu için sadece güneş modu için gösterilmiştir. Şekil 4.6’nın sol tarafı ORC
alt sisteminin güç üretimini, sağ tarafı ise PEM elektrolizör alt sisteminin hidrojen
üretim hızını göstermektedir. Elektrik güç üretim miktarı 500 Wm-2’de 255 kW
iken 1000 Wm-2’de 308 kW’a kadar çıkmaktadır. Benzer olarak hidrojen üretim hızı
aynı radyasyon değerlerinde 3.5 kgs-1’den 5.3 kgs-1 değerine çıkmaktadır. Bu
artışlar boylerin çıkış sıcaklığının, T2, artışıyla alakalıdır. Bu şekilden de görüldüğü
üzere, entegre sistemin elektrik üretimi öğlen vaktinde en yüksektir. Bu yüksek
miktarda üretilen elektrik PEM elektrolizör kullanılarak depolanabilmektedir.
86
Şekil 4.4. Güneş modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt
bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerinin değişimi
Şekil 4.5. Biokütle modu için, güneş ve biokütle temelli entegre sistemin alt bileşenlerinin referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerinin değişimi
87
Şekil 4.6. Güneş modu için küresel güneş radyasyonunun elektrik ve hidrojen
üretimine etkisi
ORC alt sisteminin ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığının elektrik ve
hidrojen üretimine etkisi hem güneş hem de biokütle modu için analiz edilmiştir.
Teorik analiz sonuçları Şekil 4.7’de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi, sıkışma
noktası sıcaklığı 20K’den 70K’e arttıkça elektrik üretimi 580 kW’dan 390 kW’a
düşmektedir. Benzer şekilde hidrojen üretim hızı aynı sıcaklık değişimi için 8 kgs-
1’den 6 kgs-1’e düşmektedir. Bu beklendik bir sonuçtur, çünkü ORC ısı
değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığı arttıkça ORC alt sistemine ısı girişi
azalmaktadır. Bu yüzden ORC sistemi ve PEM elektrolizörü için daha az faydalı
enerji kalmaktadır.
88
Şekil 4.7. Her iki mod için, ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimine etkisi
ORC türbin giriş basıncının değişmesinin hidrojen ve elektrik üretimine etkisi Şekil
4.8’de gösterilmiştir. Giriş basıncı 2000 kPa’dan 6000 kPa’a çıkarıldığında, entegre
sistemin elektrik üretimi 520 kW’dan 482 kW’a düşmektedir. PEM elektrolizörün
hidrojen üretim hızı da 7,02 kgs-1’den 5,88 kgs-1’e düşmektedir. Bunun nedeni diğer
termodinamik değişkenler sabit iken, giriş basıncının artması akışkan sıvının çıkış
entalpilerini değiştirmezken giriş entalpisini azaltıyor olmasıdır.
89
Şekil 4.8. ORC türbin giriş basıncının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi
ORC ısı değiştiricisinin sıkışma noktası sıcaklığına bağlı olarak CO2
emisyonlarındaki değişim Şekil 4.9’da verilmiştir. Sıkışma noktası sıcaklığının
artması konvansiyonel sistemlerde, kojenerasyonda, trijenerasyonda ve
polijenerasyonda CO2 emisyonunu artırmaktadır. Konvansiyonel sistemlerdeki CO2
emisyonu diğer sistemlere göre daha fazladır. ORC ısı değiştiricisi sıkışma noktası
sıcaklığındaki artış akış entalpisinin düşmesinden dolayı ORC türbin gücünde her
zaman azalmaya neden olmaktadır. Buna ek olarak Şekil 4.7’de görüldüğü gibi
sıkışma noktası sıcaklığındaki artış hidrojen üretiminde azalmaya neden
olmaktadır. Fakat sıkışma noktası sıcaklığındaki artış ısıtma ve soğutma yükü ile
evsel sıcak su üretimini kapsamadığından, trijenerasyon ve polijenerasyon
sistemlerinde CO2 emisyonu az da olsa artmaktadır.
90
Şekil 4.9. Sıkışma noktasının artışına bağlı olarak farklı sistemlerde CO2 emisyonundaki değişim
ORC türbininin giriş basıncındaki değişimin CO2 emisyonlarına etkisi Şekil 4.10’da
gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere, sadece elektrik üreten sistemde CO2
emisyonları görece yüksektir. Entegre sistemin sadece elektrik üreten durumunda
MWh’dır. Diğer yandan, trijenerasyon ve polijenerasyon durumlarında CO2
emisyonları 2000 kPa için 610 kg-MWh ve 6000 kPa için 490 kg-MWh’dır.
91
Şekil 4.10. Türbin giriş basıncının değişimine bağlı olarak sistemlerin karbondioksit emisyonları
4.2. Sistem 2 Bulguları ve Tartışma
2 numaralı sistemin analizlerinde her bir bileşen için ekserji yıkım oranları
hesaplanmış ve sistem bileşenlerinin verimleri değerlendirilmiştir. Prosesler
boyunca bileşenlerden termal enerji kayıplarının gerçekleştiği birçok çalışma ile
gösterilmiştir. Ekserjinin tanımından yola çıkarak, entropi oluşumu ekserji yıkımını
tetiklemektedir. Çünkü entropi oluşumu ile faydalı iş miktarı azalmakta ve geri
kazanılmamaktadır. Sıcaklık farkından kaynaklanan ısı transferi, kompresör işi,
genleşme işi, kimyasal reaksiyon gibi olaylar daima entropi üretimine neden
oldukları için, ekserji yıkımı tersinmezlik olarak da ifade edilmektedir. Toplam
sistem performansını değerlendirmek için, ekserji analizinden yararlanmak
oldukça mantıklıdır. Çünkü ekserji analizi sayesinde ekserji yıkımının en fazla
nerelerde gerçekleştiği görülür ve bu sayede sistemde olası bir iyileştirme
yapılmak istendiğinde bu bileşenler iyileştirilir.
92
Bu sistem için enerji ve ekserji verimlerini içeren enerji ve ekserji analizlerinin yanı
sıra bileşenler için ekserji yıkım oranları da verilmiştir. Sonuçlardan görüldüğü
üzere kömür gazlaştırma ünitesinin giriş ve çıkış ekserji akışları kullanılan
kömürün ve havanın enerji ve ekserji girdileriyle doğrudan alakalıdır. Buna ek
olarak, başta gazlaştırma olmak üzere bir takım kimyasal olaylardan kaynaklanan
ekserji kayıpları da hesaplanmıştır.
Ayrıca işletme şartlarındaki değişikliklere bağlı olarak enerji ve ekserji
verimlerinde meydana gelen değişiklikler termodinamik analiz şeklinde ele
alınmıştır. Termodinamik analiz enerji ve ekserji verimleri ile birlikte parametrik
çalışmalar da içererek iş çıktısı ve proses ısısı hakkında da bilgi verir. Entegre
sistemin tasarımında enerji ve ekserji verimini birçok faktör etkileyebilmektedir.
Şekil 4.11. Ortam sıcaklığına bağlı olarak kolektörde meydana gelen ekserji yıkım
miktarı ve ekserji verimi
Şekil 4.11 ortam sıcaklığının 0°C’den 40°C’ye artmasının kolektör üzerindeki
etkisini göstermektedir. Sıcaklık artışı kolektörün ekserji yıkım oranın yaklaşık 248
0 5 10 15 20 25 30 35 40215
220
225
230
235
240
245
250
0,2475
0,248
0,2485
0,249
0,2495
0,25
0,2505
0,251
T0 ( 0C)
Ex
Y, kole
ktö
r (M
W)
kole
ktö
r
ExY, kolektör (MW)ExY, kolektör (MW)
kolektör kolektör
93
MW düzeylerinden 215 MW seviyelerine kadar düşürmektedir. Ortam sıcaklığının
artışı kolektörde ısınan akışkan sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farkı
azalttığından ekserji yıkım oranı azalmaktadır. Buna bağlı olarak, ekserji verimi de
çok az olsa da artış göstermiştir.
Şekil 4.12. Ortam sıcaklığına bağlı olarak gazlaştırıcıda meydana gelen ekserji yıkım
miktarı ve ekserji verimi
Şekil 4.12 kömür gazlaştırma ünitesinin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarı
ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Ortam sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye arttıkça, ekserji yıkım miktarı az miktarda azalmaktadır. Ekserji yıkım miktarının azalmasıyla birlikte kömür gazlaştırma ünitesinin ekserji verimi artmaktadır.
Şekil 4.13 Rankine çevriminin ortam sıcaklığına bağlı olarak ekserji yıkım
miktarındaki ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Ortam sıcaklığı
arttıkça ekserji yıkım miktarı azalmakta ekserji verimi artmaktadır.
0 5 10 15 20 25 30 35 40337,5
338
338,5
339
339,5
340
340,5
341
341,5
342
0,4604
0,4606
0,4608
0,461
0,4612
0,4614
0,4616
0,4618
0,462
0,4622
T0 ( 0C)
Ex
Y, gazla
stirici (
MW
)
gazla
stirici
ExY, gazlastirici ExY, gazlastirici
gazlastirici gazlastirici
94
Şekil 4.13. Ortam sıcaklığına bağlı olarak Rankine çevriminde meydana gelen
ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi
Şekil 4.14. Ortam sıcaklığına bağlı olarak absorpsiyonlu sistemde meydana gelen
ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi
0 5 10 15 20 25 30 35 4020
25
30
35
40
45
50
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
T0 ( 0C)
Ex
Y, R
anki
ne (
MW
)
Ranki
ne
Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine
Rankine Rankine
0 5 10 15 20 25 30 35 4028,5
29
29,5
30
30,5
31
31,5
32
32,5
29
29,5
30
30,5
31
31,5
32
32,5
T0 ( 0C)
Ex
Y, A
bsor
psiy
on (
MW
)
Abs
orps
iyon
Absorpsiyon Absorpsiyon
Ex Y, AbsorpsiyonEx Y, Absorpsiyon
95
Şekil 4.14’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığının 0°C’den 40°C’ye çıkması,
absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserji yıkım miktarını artırmakta ve ekserji
verimini azaltmaktadır. Bunun nedeni ortam sıcaklığı arttıkça absorpsiyonlu
soğutma sisteminin soğutma yükü artmaktadır.
Şekil 4.15. Ortam sıcaklığına bağlı olarak metanol üretim alt sisteminde meydana
gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi
Şekil 4.15 metanol üretim alt sisteminin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım
miktarını ve ekserji verimini göstermektedir. Dış ortam sıcaklığının artışı metanol
üretim sisteminin ekserji verimini artırmaktadır.
Son olarak Şekil 4.16 tüm sistemin sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarını ve ekserji
verimini göstermektedir. Sıcaklık artışı tüm sistemin ekserji yıkım oranını büyük
ölçüde artırmaktadır bu da ekserji veriminin %60 seviyelerinden %55 seviyelerine
düşmesine neden olmaktadır.
0 5 10 15 20 25 30 35 4061,4
61,5
61,6
61,7
61,8
61,9
62
62,1
0,14
0,141
0,142
0,143
0,144
0,145
0,146
0,147
0,148
T0 ( 0C)
Ex Y
,meta
nol (
MW
)
meta
nol
metanol metanol
Ex Y,metanol Ex Y,metanol
96
Şekil 4.16. Ortam sıcaklığına bağlı olarak polijenerasyon enerji üretim sisteminde
meydana gelen ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimi
Burada önerilen sistemde yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi ve onu
destekleyecek kömür gazlaştırma ünitesi sunulmuştur. Türkiye’deki kömür
rezervlerinin büyük çoğunluğu linyit kömürüdür. Linyit kömürü taşkömürüne
kıyasla yüksek oranda kül, uçucu madde ve kükürt içermektedir. Yani enerji içeriği
taşkömüründen azdır. Dolayısıyla doğrudan yakarak kullanılması hem verimsiz
hem de çevreye oldukça zararlıdır. Önerilen sistemde kömür gazlaştırılarak
kullanılır ise bu atık maddeler çevreye salınmaz ve üretilen sentez gaz sayesinde
nispeten temiz olan elektrik enerjisi üretilir. Önerilen sistemin termodinamik
analizlerinden başlıca şu sonuçlar çıkarılabilir;
Entegre polijenerasyon sistemin kapasite ve performansı güneşlenme
verilerine ve sistemin tasarım parametrelerine bağlı olarak değişmektedir.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0,54
0,55
0,56
0,57
0,58
0,59
0,6
0,61
T0 ( 0C)
Ex
Y,s
iste
m (
MW
)
sis
tem
sistem sistem
Ex Y,sistem Ex Y,sistem
97
Entegre polijenerasyon sistemde meydana gelen ekserji yıkım oranının
%18’ünden kömür gazlaştırma ünitesi sorumludur.
Entegre sistemin toplam enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %67 ve %58
olarak hesaplanmıştır.
Polijenerasyon amaçlı entegre sistemler elektrik, hidrojen, kimyasal, sıcak
su, ısıtma ve soğutma sağlamak amaçlı umut veren teknolojilerdir.
Uygulama örnekleri bulunsa da yeni teknoloji olmalarından dolayı
araştırmalar devam etmektedir.
4.3. Sistem 3 Bulguları ve Tartışma
Bu bölümde jeotermal ısıyı kaynak olarak kullanan polijenerasyon enerji üretim
sistemi termodinamik ve termoekonomik bakış açısıyla değerlendirilmiştir.
Polijenerasyon enerji üretim sistemi jeotermal güç tesisi, organik Rankine çevrimi,
dört etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi, PEM elektrolizörü ve evsel sıcak su alt
sistemleri olmak üzere beş adet alt sistemden oluşmaktadır. Bu alt sistemlerin ve
tüm sistemin enerji verimleri, ekserji verimleri ve ekserji yıkım oranları analiz
edilmiştir. Bunlara ek olarak polijenerasyon sistemin farklı çalışma şartlarında
performansının nasıl etkilendiğini tespit etmek için, bazı performans
değerlendirmeleri ve parametrik çalışmalar yapılmıştır. Herhangi bir
polijenerasyon enerji üretim tesisi tasarımında bu değişkenler önemli rol
oynamaktadır. Bu sistemde tasarlanan polijenerasyon sistemin önemli çıktıları
hidrojen ve elektrik olduğundan, hidrojen üretimini ve elektrik üretimin etkileyen
çevre sıcaklığı, jeotermal su giriş basıncı, jeotermal su kütle akış oranı, jeotermal su
sıcaklığı, elektrolizör sıcaklığı, ORC türbin giriş basıncı, buharlaştırıcı sıkışma
noktası sıcaklığı, kondenser sıcaklığı ve türbin giriş ve çıkış sıcaklıkları analiz
edilmiştir. Ayrıca jeotermal su sıcaklığının ve çok yüksek sıcaklık jeneratörünün
sıcaklığının maliyetleri nasıl etkilediğini görmek için termoekonomik analiz
yapılmıştır. Polijenerasyon sistemin termodinamik hesaplamaları EES yazılımı ile
yapılmıştır. Entegre proseslerin tersinmezliklerinin incelenmesi için, tüm sistem
98
elemanları için ekserji yıkım miktarları (kW) hesaplanmış, ekserji yıkım yüzdeleri
(%) ve ekserji verimleri (%) ile Çizelge 4.4’de verilmiştir.
Çizelge 4.4. Sistem elemanlarının ekserji yıkım miktarları, ekserji yıkım yüzdeleri ve ekserji verimleri
Sistem Cihazı Ekserji Yıkım Miktarı (kW)
Ekserji Yıkım Yüzdesi (%)
Ekserji Verimi (%)
Flaş odası-I 710,8 8,81 98,64 Flaş odası -II 727,7 9,02 96,06 Flaş ayırıcı-I 218,9 2,71 97,35 Flaş ayırıcı -II 216,04 2,68 99,78 Buharlaştırıcı 1590 19,7 66,16 Türbin 673 8,34 80,62 HEX-I 405,4 5,02 75,06 HEX-II 260,1 3,22 46,38 Kondenser-I 150,7 1,87 62,61 Su ön ısıtıcı 18,861 0,23 99,53 PEM elektrolizör 239,39 2,97 41,65 Evsel su ısıtıcı 486,4 6,03 35,41 Çok yüksek sıcaklık jeneratörü 576 7,14 46,62 Yüksek sıcaklık jeneratörü 288,5 3,57 54,42 Orta sıcaklık jeneratörü 208,45 2,58 84,52 Düşük sıcaklık jeneratörü 152,8 1,89 76,52 Genleşme valfi-I 6,85 0,08 96,72 Genleşme valfi -II 7,84 0,1 97,04 Çok yüksek sıcaklık HEX 249,4 3,09 59,08 Yüksek sıcaklık HEX 197,53 2,45 67,42 Orta sıcaklık HEX 86,82 1,08 68,21 Düşük sıcaklık HEX 74,5 0,92 66,86 Kondenser HEX 46,82 0,58 42,81 Kondenser-II 275,45 3,41 65,24 Evaporatör 78,82 0,98 48,42 Absorber 124,42 1,54 24,56
En yüksek ekserji yıkım miktarı buharlaştırıcıda (1590 kW) gerçekleşmiştir. Ayrıca
flaş odası-I ve flaş odası-II (218,9 kW ve 216,04 kW) diğer bileşenlere kıyasla
yüksek ekserji yıkım miktarlarına sahiptir. HEX-III ve su ön ısıtıcının ekserji yıkım
99
miktarları sırasıyla 8,961 kW ve 18,861 kW’dır. Alt sistemler ve tüm sistemin enerji
ve ekserji verimleri Çizelge 4.5’de verilmiştir.
Çizelge 4.5. Alt sistemler ve tüm sistemin enerji ve ekserji verimleri
Alt Sistem Enerji verimi Ekserji verimi
Jeotermal güç tesisi 0,474 0,1461
ORC 0,368 0,4442
Absorpsiyonlu soğutma 0,533 0,1648
Hidrojen üretimi 0,6287 0,5819
Evsel sıcak su 0,5075 0,2768
Tüm sistem 0,4704 0,3215
Çizelge 4.5’den görüldüğü üzere en düşük ekserji verimi jeotermal güç tesisinde
iken (%14,61) en yüksek ekserji verimi hidrojen üretim biriminde (%58,19)
gözlemlenmiştir. Fakat enerji verimi bakış açısıyla bakılırsa, en düşük enerji verimi
ORC alt sisteminde (%36,8), en yüksek enerji verimi hidrojen üretim alt
sistemindedir (%62,87).
Referans çevre sıcaklığının, jeotermal su giriş basıncının, jeotermal su kütle akış oranının, jeotermal su sıcaklığının, elektrolizör sıcaklığının, ORC türbin giriş basıncının, buharlaştırıcı sıkışma noktası sıcaklığının, ORC türbin giriş ve çıkış sıcaklığının ve kondenser sıcaklığının elektrik üretimine, hidrojen üretimine, enerji ve ekserji verimine etkisi parametrik çalışmalarla analiz edilmiştir. Ekserji veriminin hesaplanmasında referans çevre değişkenleri oldukça önemlidir çünkü polijenerasyon sistemin tersinmezliklerinin belirlenmesi bu değişkenlere bağlıdır.
Şekil 4.17 artan referans çevre sıcaklığına bağlı olarak alt sistemler ve tüm
sistemde meydana gelen ekserji verimini göstermektedir.
100
Şekil 4.17. Referans sıcaklığa bağlı olarak tüm sistem ve alt sistemlerde meydana
gelen ekserji değişikliği
Referans çevre sıcaklığı 0°C’den 35°C’ye yükseldikçe, DEASS hariç alt sistemlerin ve tüm sistemlerin ekserji verimi artmaktadır. DEASS’ın ekserji verimi ise %21,12’den
%12,18’e düşmektedir. Bunun nedeni referans çevre sıcaklığının artması absorpsiyonlu soğutma sisteminin soğutma yükünü de artırmasıdır. Diğer alt
sistemlerin ve tüm sistemin ekserji veriminin artmasının nedeni de jeotermal su sıcaklığı ile referans çevre sıcaklığı arasındaki farkın azalmasıdır. Entegre
polijenerasyon sistemin veriminin iyi ya da kötü olduğunu görmek için ekserji yıkım miktarı önemli bir göstergedir. Bir diğer ifadeyle, ekserji yıkımının nerede
gerçekleştiğini bilmek entegre prosesin verimini artırmak için hangi sistemle ilgilenilmesi gerektiğini göstermektedir. Alt sistemlerin ve tüm sistemin ekserji
yıkım miktarları Şekil 4.18’de gösterilmiştir.
101
Şekil 4.18. Tüm sistemin ve alt sistemlerin ekserji yıkım miktarları
Şekle göre en yüksek ekserji yıkım miktarı jeotermal güç tesisinde en düşük ekserji
yıkım miktarı ise absorpsiyonlu soğutma sisteminde gözlemlenmektedir.
Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinin daha detaylı analizi için performans katsayısı
(COP) kullanılması oldukça faydalıdır.
Şekil 4.19’dan görüldüğü üzere, absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik
performans katsayısı (COPen) artan sıcaklığı rağmen neredeyse değişmeden
kalmıştır. Ekserjetik performans katsayısı ise (COPex) artan sıcaklıkla birlikte
artmıştır. Bunun nedeni de artan referans çevre sıcaklığı evaporatör sıcaklığı ile
arasındaki farkın artmasına neden olur böylece soğutma amaçlı kullanılmak üzere
daha fazla faydalı enerji elde edilmiş olur.
Flaş ayırıcıların kullanıldığı sistemlerde, jeotermal su giriş basıncı sistemin
performansını etkileyen önemli bir faktördür. Çünkü flaşlama yoluyla üretilen
102
toplam buhar miktarı flaş odasından çıkan jeotermal suyun basıncı ile doğrudan
alakalıdır.
Şekil 4.19. Referans sıcaklığa bağlı olarak absorpsiyonlu soğutma sisteminin
performans katsayılarındaki değişim
Şekil 4.20. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak alt sistemler ve entegre
sistemde meydana gelen ekserji değişiklikleri
0 5 10 15 20 25 30 35 400,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
0,34
T0 ( 0C)
CO
Pen
CO
Pex
COPenCOPen
COPexCOPex
103
Şekil 4.21. Jeotermal su giriş basıncına bağlı olarak sistemden üretilen elektrik ve
hidrojen miktarındaki değişim
1 ve 4 numaralı akışlarda gösterilen jeotermal suyun giriş basıncının 500 kPa’dan 1000 kPa’a artması tüm alt sistemlerin ve ana sistemin ekserji verimini azaltmaktadır. ORC türbininde üretilen elektriğin bir kısmı daha önce de belirtildiği üzere PEM elektrolizörde kullanılmaktadır. Dolayısıyla elektrik üretimi ve hidrojen üretimi arasında doğru orantılı bir ilişki bulunmaktadır.
Şekil 4.21’den görüldüğü üzere, jeotermal su giriş basıncı arttıkça hem elektrik hem
de hidrojen üretimi azalmaktadır. ORC türbininde üretilen elektrik miktarının
azalması, PEM elektrolizörüne daha az elektriğin gelmesi anlamına gelir. Bu yüzden
PEM elektrolizörün bağ ayırma kapasitesi azalır ve sonuç olarak daha az hidrojen
gazı üretilir.
Bir diğer parametrik çalışma jeotermal suyun kütle akış hızının alt sistemlerin ve
ana sistemin ekserji verimini nasıl etkilediği üzerine yapılmıştır.
104
Şekil 4.22. Jeotermal su kütle akış oranına bağlı olarak ekserji verimlerindeki
absorpsiyonlu soğutma sistemi dışında tüm alt sistemlerin ve ana sistemin ekserji
veriminin arttığını göstermektedir. Bunun arkasındaki mantık şudur: jeotermal
suyun kütle akış hızının artması ile jeotermal güç tesisinin verimi artar bu sayede
buna bağlı olan absorpsiyonlu soğutma sistemi dışındaki diğer alt sistemlerin de
verimi artar.
105
Şekil 4.23. Jeotermal su kütle akış hızına bağlı olarak elektrik ve hidrojen
üretimindeki değişim
Şekil 4.23 jeotermal suyun kütle akış hızındaki değişimin üretilen elektrik ve
hidrojen miktarına etkisini göstermektedir. Kütle akış hızının artması üretilen
elektrik miktarını dolayısıyla hidrojen miktarını da artırmaktadır. Çünkü jeotermal
suyun kütle akış hızının artması ORC türbininden daha fazla buhar geçmesini
sağlamakta bu sayede net elektrik enerjisinin artmasını sağlamaktadır. Jeotermal
su kütle akış hızının 100 kg/s’den 200 kg/s’e artması, net elektrik miktarını 6 MW
seviyelerinden yaklaşık 10 MW’a, üretilen hidrojen gazı miktarını da 0,054
kg/s’den 0,086 kg/s’a çıkarmaktadır.
Jeotermal temelli polijenerasyon enerji üretim sisteminin verimini etkileyen bir diğer önemli değişken de jeotermal su sıcaklığıdır.
Şekil 4.24’den görüldüğü üzere, jeotermal su sıcaklığı 130°C’den 200°C’ye kadar
yükseldikçe, üretilen elektrik yaklaşık 4 MW’dan yaklaşık 8 MW’a kadar, hidrojen
üretim hızı ise yaklaşık 0,04 kg/s’den yaklaşık 0,07 kg’s’ye kadar artmaktadır.
Bunun nedeni jeotermal su sıcaklığının artması 1 ve 4 numaralı akışlarda daha
106
fazla faydalı enerjiye sahip jeotermal suya neden olmaktadır. Bu yüzden daha sıcak
jeotermal su tüm sistemin daha yüksek verimde olmasını sağlamaktadır.
Şekil 4.24. Jeotermal su sıcaklığının elektrik ve hidrojen üretimine etkisi
Şekil 4.25. Jeotermal su sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi
107
Şekil 4.25 jeotermal su sıcaklığının artışının tüm sistemin enerji verimini
%46,12’den %65,81’e, ekserji veriminin de %30,52’den %32,53’e arttığını
göstermektedir. Sistemin enerji veriminin ekserji verimine nazaran daha yüksek
olması aynı zamanda ekserji veriminin daha temiz ve gerçekçi bir gösterge
olduğunu belirtmektedir.
Bu polijenerasyon sistemin iki önemli çıktısından biri hidrojendir ve hidrojen PEM
elektrolizöründe üretilmektedir. Bu yüzden PEM elektrolizör sıcaklığının
elektrolizör alt sistemin enerji ve ekserji verimine etkisi analiz edilmiştir.
Şekil 4.26. Elektrolizör sıcaklığının enerji ve ekserji verimine etkisi
Şekil 4.26’dan görüldüğü üzere, PEM elektrolizör sıcaklığı 60°C’den 120°C’ye kadar
arttıkça elektrolizör sisteminin enerji ve ekserji verimi sırasıyla %60,62’den
%67,24’e ve %60,14’den %62,26’ya kadar artmaktadır. Bunun nedeni PEM
elektrolizör sisteminin sıcaklığının artması elektrik talebini düşürmesidir.
108
PEM elektrolizör alt sisteminin çalışmasını etkileyen bir diğer önemli faktör de
referans çevre sıcaklığıdır. Şekil 4.27 referans çevre sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar
çıktıkça, PEM elektrolizörünün ekserji yıkımının azaldığını buna bağlı olarak ekserji
veriminin arttığını göstermektedir.
Şekil 4.27. Referans çevre sıcaklığının PEM elektrolizörünün ekserji verimi ve ekserji yıkımına etkisi
Şekil 4.28 ise ORC alt sisteminin elektrik üretiminin ve sistemin hidrojen
üretiminin farklı ORC türbin giriş basınçlarında nasıl değiştiğini göstermektedir.
Şekilden görüldüğü üzere türbin giriş basıncı arttıkça hem elektrik üretimi hem de
hidrojen üretimi azalmaktadır. Bunun sebebi ORC türbin çıkışında azalma olmakta
ve bu yüzden ekserji yıkım miktarı artmaktadır. Elektrik enerjisi azalması artan
basınçla birlikte jeotermal sudan aktarılan ısı enerjisinin azalması ile alakalıdır.
0 5 10 15 20 25 30 35 40210
220
230
240
250
260
270
280
290
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
T0 ( 0C)
Ex Y
,PE
M e
lek (
KW
)
PE
M
Ex Y,PEM elekEx Y,PEM elek
PEM PEM
109
Şekil 4.28. ORC türbin giriş basıncının üretilen hidrojen ve elektrik miktarına etkisi
Şekil 4.29. Buharlaştırıcının sıkışma noktasının üretilen elektrik ve hidrojen
miktarına etkisi
110
Buharlaştırıcının sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimi üzerine etkisi
Şekil 4.29’de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere buharlaştırıcının sıkışma
noktası sıcaklığı 20K’den 70K’e kadar arttıkça, elektrik üretimi 6125 kW
değerinden 5140 kW değerine, üretilen hidrojen hızı ise 0,0536 kg/s’den 0,0448
kg/s’e azalmaktadır. Bunun sebebi buharlaştırıcı sıkışma noktasının artışı izobütan
tarafından jeotermal sudan ORC alt sistemine aktarılan ısı enerjisinin azalmasına
neden olmasıdır.
Şekil 4.30. ORC türbine giren akışkanın sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen
miktarına etkisi
Elektrik ve hidrojen üretimini etkileyen bir diğer önemli parametre ORC türbine giren akışın sıcaklığıdır.
Şekil 4.30’dan görüldüğü üzere giren akışkanın sıcaklığı arttıkça üretilen hidrojen
ve elektrik miktarı artmaktadır. Bu sıcaklık artışının hidrojen ve elektrik
üretiminde artışa yol açmasının nedeni ORC türbine daha fazla ısı enerjisinin giriş
yapmasıdır. Bu da türbinde üretilen elektriği buna bağlı olarak da hidrojen
üretimini artırmaktadır.
111
Şekil 4.31. ORC türbinden çıkan akışkan sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen
miktarına etkisi
ORC türbine giren akışın sıcaklığının incelenmesinden sonra türbinden çıkan akışın sıcaklığının da elektrik ve hidrojen üretimine etkisi incelenmiştir.
Şekil 4.31 türbin çıkış sıcaklığının 60°C’den 100°C’ye kadar çıktıkça, elektrik
üretiminin 6362 kW’tan 5906 kW’a hidrojen üretim hızının da 0,0568 kg/s’den
0,0527 kg/s’ye azaldığını göstermektedir.
Şekil 4.32 kondenser sıcaklığındaki değişimin elektrik ve hidrojen üretimini nasıl
etkilediğini göstermektedir. Kondenser sıcaklığındaki yaklaşık 10°C’lik artış
elektrik üretiminde yaklaşık 500 kW, hidrojen üretiminde ise 0,005 kg/s’lik
azalmaya yol açmaktadır. Diğer nicelikler sabit kalıp kondenser çıkış sıcaklığı
arttığı zaman kondenserden çıkan akışkanın daha düşük entalpi içeriğine sahip
olmasına neden olmaktadır.
112
Şekil 4.32. Kondenser sıcaklığının üretilen elektrik ve hidrojen miktarına etkisi
İncelenen bu 3 numaralı sistem için termoekonomik analiz de yapılmıştır. Şekil 4.33 enerji üretim hızının ekserji verimine ve toplam maliyete etkisini
göstermektedir.
Şekil 4.33. Enerji üretim hızının ekserji verimine ve toplam maliyete etkisi
113
Enerji üretim hızı 3000 kW değerinden 7000 kW değerine kadar arttıkça, toplam
yatırım maliyeti yaklaşık 8 M$’dan 16 M$’a kadar, ekserji verimi de %26’dan %34’e
kadar artmaktadır.
Şekil 4.34. Jeotermal su sıcaklığının ORC alt sistemi maliyetine ve ekserji verimine
etkisi
Şekil 4.34 jeotermal su sıcaklığının ORC alt sisteminin birim maliyetine ve ORC
sisteminin ekserji verimine etkisini sunmaktadır. Şekilden görüldüğü gibi jeotermal
su sıcaklığının 130°C’den 200°C’ye artması ORC sisteminin ekserji verimini
artırmakta verimin artışıyla birlikte ORC alt sisteminin birim maliyeti de 2500
Şekil 4.35. Çok yüksek sıcaklık jeneratörünün (VHTG) sıcaklığının DEASS birim
maliyetine ve DEASS verimine etkisi
DEASS’ın ilk kaynağının çok yüksek sıcaklık jeneratörü olmasından dolayı bu bileşenin sıcaklığı DEASS’ın verimi ve maliyeti açısından önem arz etmektedir.
Şekil 4.35 çok yüksek sıcaklık jeneratörüne giren akışkan sıcaklığının 100°C’den
göstermektedir. Ayrıca DEASS alt sisteminin ekserji verimi sıcaklık artışına bağlı
olarak yaklaşık olarak %6 artmıştır.
3 numaralı sistemin en önemli ürünlerinden biri hidrojendir ve hidrojenin üretim maliyeti uygulanabilirliği açısından oldukça önemlidir. Hidrojenin birim maliyetini
etkileyen başlıca faktör jeotermal su sıcaklığıdır. Şekil 4.36 jeotermal sıcaklığının 130°C’den 200°C’ye artmasının hidrojenin birim
Şekil 4.36. Jeotermal su sıcaklığının hidrojen maliyetine etkisi
4.4. Sistem 4 Bulguları ve Tartışma
Bu kısımda güneş enerjisi temelli entegre polijenerasyon sistemin termodinamik analiz ve parametrik çalışmalarının sonuçları verilmiştir. 4 numaralı sistemde kullanılan parabolik oluk tipi kolektörün tasarım parametreleri Çizelge 4.6’da verilmiştir.
Çizelge 4.6. POTK alt sisteminin tasarım parametreleri (Yüksel vd., 2016)
Akışkanın spesifik 𝐶𝑝,𝑐 2314 J/kg °C
Alıcı dış çapı 𝐷𝑜,𝑟 0,07 m
Alıcı iç çapı 𝐷𝑖,𝑟 0,066 m
Kolektör ısı kaybı katsayısı 𝑈𝐿 3,82 W/m2 °C
Alıcı iç sıcaklığı 𝑇𝑟𝑖 300 °C
Alıcı iç çeperinde ısı transfer katsayısı ℎ𝑓𝑖
300 W/m2 °C
116
Çizelge 4.7. POTK alt sisteminin tasarım parametreleri (Yüksel vd., 2016) (Devam)
Toplam güneş radyasyonu 𝐺𝑡 850 W/m2
Cam kapağın geçirgenlik değeri ô𝑐𝑜𝑣𝑒𝑟
0,90
POTK efektif geçirgenliği ô𝑃𝐷𝐶 0,94
Alıcının soğurma katsayısı á𝑟 0,87
Dağılan radyasyon için düzeltme
katsayısı ã
0,95
Bir kolektörün genişliği 𝑤 5,76 m
Bir kolektörün uzunluğu 𝐿𝑐 15 m
Seri kolektör sayısı 𝑛𝑐𝑠 10
Paralel kolektör sayısı 𝑛𝑐𝑝 5
Entegre polijenerasyon sistemin ekserji yıkım miktarları ve ekserji verimleri
Çizelge 4.7 ve Çizelge 4.10’deki denklemlerden yararlanılarak hesaplanmıştır.
Çizelge 4.8. Entegre sistemin alt sistemleri için enerji denge denklemleri
Çizelge 4.11. Sistem bileşenleri için ekserji yıkım miktarı, ekserji yıkım yüzdesi ve ekserji verimleri (Devam)
Pompa-II 99,66 0,967 74,29
Pompa-III 54,4 0,528 86,2
Pompa-IV 60,14 0,584 88,3
Pompa-V 56,92 0,552 70,41
Genleştirici-I 116,1 1,127 92,42
Genleştirici-II 126,7 1,229 90,74
Ayrıştırıcı 109,7 1,064 78,48
Türbin 417,6 4,052 91,24
Geri emici-I 88,47 0,858 42,3
Geri emici-II 41,93 0,407 50,48
Karıştırma odası 80 0,776 84,27
Su ön ısıtıcı 1839 1,784 86,97
PEM elektrolizör 835 8,102 74
Hidrojen sıkıştırma/dep. 963 9,344 28,49
PEM yakıt hücresi 524,4 5,088 35,14
Çok yüksek sıcaklık jen. 876 8,5 47,87
Yüksek sıcaklık jeneratörü 312,8 3,035 57,86
Orta sıcaklık jeneratörü 213,3 2,07 88,56
Düşük sıcaklık jeneratörü 163,1 1,583 75,85
Genleşme valfi-I 4,24 0,041 98,84
Genleşme valfi-II 7,911 0,077 97,51
Çok yüksek sıcaklık HEX 252,1 2,446 57,78
Yüksek sıcaklık HEX 209,8 2,036 65,17
Orta sıcaklık HEX 99,2 0,963 66,07
Düşük sıcaklık HEX 73,3 0,711 67,82
Kondenser HEX 43,69 0,424 44,54
Kondenser 291,8 2,831 63,09
Evaporatör 76,4 0,741 45,92
Absorber 138,8 1,347 23,84
123
4.4.1. Ortam sıcaklığının etkisi
Genellikle enerji ve ekserji miktarları ortam sıcaklığı ve basıncı gibi referans
durumlardan etkilenmektedir. Dolayısıyla enerji ve ekserji analizleri bu şartlara
bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada basıncın enerji ve ekserji miktarlarına çok
az etkisi olduğu gözlenmiştir. Buna karşın ortam sıcaklığı enerji ve ekserji
verimlerinde etkili olmaktadır.
Performans katsayısı (COP) soğutma sistemlerinin performansını değerlendirmede kullanılan klasik ve faydalı bir yoldur (Dincer ve Rosen, 2013). Enerjetik performans katsayısı (COPen) soğutma etkisinin enerji girdisine bölünmesiyle hesaplanırken, ekserjetik performans katsayısı da (COPex) soğutma etkisinin ekserji girdisine bölünmesiyle bulunmaktadır.
Şekil 4.37 DEASS alt sisteminin değişen çevre sıcaklığına bağlı olarak COPen ve
COPex değerlerini göstermektedir.
Şekil 4.37. Çevre sıcaklığına bağlı olarak DEASS alt sisteminin performans
katsayılarındaki değişim
0 5 10 15 20 25 30 35 401
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
T0 ( 0C)
CO
Pen
CO
Pex
COPexCOPex
COPenCOPen
124
Şekil 4.37’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye çıktıkça COPen
neredeyse aynı kalmaktadır. Fakat ortam sıcaklığı aynı miktarda arttıkça COPex
yaklaşık %30 oranında artmaktadır. Bunun sebebi de ekserjinin tanımında
yatmaktadır. Ekserji miktarı hem sistemin hem de çevrenin durumuna bağlı olarak
değişmektedir. Ortam sıcaklığının artmasıyla DEASS alt sisteminin evaporatör
sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki fark artmakta böylece entegre sistem için
faydalı enerji miktarı artmaktadır.
Tüm sistemin ve alt sistemlerin ortam sıcaklığına bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerindeki değişim sırasıyla
Şekil 4.38 ve Şekil 4.39’de verilmiştir.
Şekil 4.38. Ortam sıcaklığının enerji verimine etkisi
125
Şekil 4.39. Ortam sıcaklığının ekserji verimine etkisi
Şekil 4.38’den görüldüğü üzere ortam sıcaklığındaki artış depolama alt sisteminin
enerji veriminde gözle görülür bir artışa neden olmuştur. Bunun nedeni depolama
alt sisteminin ortama kaybettiği ısı miktarı azalmaktadır. Fakat ortam sıcaklığı
arttıkça DS-ORC alt sisteminin ve tüm entegre sisteminin enerji verimi
azalmaktadır. Ortam sıcaklığının 5°C’den 40°C’ye artmasıyla entegre sistemin
enerji verimi %2 oranında azalırken ekserji verimi yaklaşık %1 olarak
azalmaktadır. Şekil 4.39 ortam sıcaklığına bağlı olarak ekserji verimindeki değişimi
göstermektedir. Ortam sıcaklığı arttıkça depolama sisteminin ekserji verimi
artmakta, DS-ORC ve tüm entegre sistemin ekserji verimi azalmakta ve diğer alt
sistemler neredeyse aynı kalmaktadır.
4.4.2. Güneş radyasyon yoğunluğunun etkisi
Güneş radyasyon yoğunluğu 400-1000 W/m2 arasında değişmektedir. Parabolik
oluk tipi kolektörün yansıtıcılarının büyük yüzey alanı nedeniyle güneş radyasyonu
126
oldukça önemli etki bırakmaktadır. Yansıtıcılar güneş radyasyonunu
yoğunlaştırarak POTK alt sisteminin alıcı tüplerine göndermektedir. Bu entegre
sistemin tek kaynağı güneş olduğu için, güneş radyasyonu elektrik ve hidrojen
üretmede oldukça etkilidir.
Şekil 4.40. Güneş radyasyonuna bağlı olarak alt sistemlerin ve tüm sistemin enerji
ve ekserji verimleri
Şekil 4.40 güneş radyasyonuna bağlı olarak kolektör alt sistemi ve tüm sistemin
enerji ve ekserji verimini göstermektedir. Güneş radyasyon yoğunluğu 400
W/m2’den 1000 W/m2’ye yükseldikçe, hem kolektör alt sisteminin hem de tüm
sistemin enerji ve ekserji verimi artmaktadır. Güneş radyasyonunun artması bariz
bir şekilde akışkan sıvıya aktarılan ısı enerjisini artırmaktadır. Böylece üretilen
elektrik ve hidrojen miktarları da artmaktadır.
Güneş radyasyonu 400 W/m2’den 1000 W/m2’ye kadar arttıkça üretilen elektrik
miktarı 170 kW değerinden yaklaşık 350 kW değerine kadar artmaktadır.
127
Şekil 4.41. Güneş radyasyon yoğunluğunun üretilen elektrik miktarına ve
soğutmaya etkisi
Şekil 4.42. Güneş radyasyon yoğunluğunun ekserji yıkım miktarına ve hidrojen
üretimine etkisi
128
Şekil 4.42’den görüldüğü üzere güneş radyasyonundaki değişim ekserji yıkım
miktarında 7000 kW değerinden 11500 kW değerine ulaşmasına neden olmuştur.
Aynı radyasyon artışı aynı zamanda hidrojen üretiminde 0,1016 kg/h değerinden
0,1028 kg/h değerine çıkmasını sağlamıştır. Bu ekserji yıkım miktarındaki ve
hidrojen üretimindeki artışın sebebi güneş radyasyonundaki artış POTK alt
sistemindeki akışkanın çıkış sıcaklığını artırmaktadır. Bu artış daha yüksek elektrik
enerjisine dolayısıyla PEM elektrolizör alt sisteminde daha fazla hidrojen
üretilmektedir. Güneş radyasyonunun bu denli önemli olması sistemin nereye
kurulacağını da önemli kılmaktadır.
4.4.3. Absorber boru iç yüzey sıcaklığı
Absorber boru iç yüzey sıcaklığı sistem performansını etkileyen bir başka
faktördür.
129
Şekil 4.43. Absorber iç yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin enerji verimine etkisi
Şekil 4.43 ve Şekil 4.44 absorber iç yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin enerji ve
ekserji verimine etkisini göstermektedir. Şekillerden görüldüğü üzere absorber
giriş yüzey sıcaklığındaki artışın DS-ORC alt sistemi, depolama alt sistemi ve tüm
sistemin enerji ve ekserji verimi üzerinde pozitif etkisi vardır. Hidrojen üretim ve
kullanım alt sistemi ile absorpsiyon sisteminin enerji ve ekserji verimi hemen
hemen hiç değişmemiştir.
Şekil 4.44. Absorber giriş yüzey sıcaklığının alt sistemler ve entegre sistemin
ekserji verimine etkisi
Şekil 4.45 ise absorber iç yüzey sıcaklığının güç üretimine ve hidrojen üretimine
etkisini göstermektedir. Şekle göre, absorber iç yüzey sıcaklığı 175°C’den 265°C’ye
kadar arttıkça, güç üretimi 175 kW değerinden yaklaşık 350 kW değerine
130
çıkmaktadır. Diğer yandan, hidrojen üretimi aynı değer aralığında 0,1012 kg/h
değerinden 0,1030 kg/h değerine yükselmektedir.
Şekil 4.45. Absorber iç yüzey sıcaklığının güç ve hidrojen üretimine etkisi
4.4.4. Amonyak-su karışımının konsantrasyonunun etkisi
Güç ve soğutma çevrimlerinde doğru akışkan seçimi oldukça önem arz etmektedir. Bu çalışmada DS-ORC alt sistemi ve DEASS için akışkan olarak amonyak-su karışımı seçilmiştir. Amonyak-su karışımının artı yanlarından birisi istenilen duruma göre konsantrasyonunu değiştirilebilmesidir. Parametrik çalışmanın son değişkeni olarak amonyak-su karışımının konsantrasyonu ele alınmıştır. DS-ORC alt sisteminin enerji ve ekserji verimleri iki farklı çalışma durumunda incelenmiştir. Birincisi i) sıcak su ve ısıtmanın entegre edildiği, ikinci durum ii) sıcak su üretiminin ve ısıtmanın olmadığı durumdur. Bu durum incelenmesinin sonuçları
Şekil 4.46 ve Şekil 4.47’de görülmektedir.
131
Şekil 4.46. Sıcak su üretimi ve ısıtma ile birlikte, DS-ORC alt sistemi için amonyak-
su konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi
Şekil 4.47. Sıcak su ve ısıtma olmadan, DS-ORC alt sistemi için amonyak-su
konsantrasyonun enerji ve ekserji verimine etkisi
132
Şekillerden görüldüğü üzere amonyak-su karışımının kütle yüzdesi 0,2’den 0,3’e
çıktıkça her iki durum için de DS-ORC sisteminin hem enerji hem de ekserji verimi
artmaktadır.
Şekil 4.48. Amonyak-su konsantrasyonunun DEASS alt sistemi için enerji ve ekserji
verimine etkisi
Şekil 4.48 53 numaralı DEASS alt sistemine giren amonyak-su akışkanının
konsantrasyon değişiminin DEASS için enerji ve ekserji verimine etkisini
göstermektedir. Amonyak konsantrasyonunun artışı DEASS alt sisteminin hem
enerji hem de ekserji verimini yaklaşık olarak %8 oranında artırmaktadır.
miktarını ve nerelerde olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak sistemin farklı şartlar
altında nasıl çalıştığını ve performansının nasıl değiştiğini görmek için parametrik
134
çalışmalar yapılmış ve sonuçları çizelge ve şekillerle sunulmuştur. Entegre
polijenerasyon sistemin değerlendirilmesinde kütle, enerji ve ekserji denge
denklemleri kullanılmıştır. Referans çevre sıcaklığı 20°C ve basınç 101,3 kPa olarak
kabul edilmiştir. Polijenerasyon sistemde kullanılan akışkanların termodinamik
özellikleri EES yazılımı ile elde edilmiştir (Klein, 2007). Aynı zamanda
polijenerasyon sistemin tamamının ve alt sistemlerinin incelenmesi için EES kodu
geliştirilmiştir. Polijenerasyon enerji üretim sisteminin ekserji yıkım miktarları
(kW), ekserji verimleri (%) ve bileşenlerin güç ve ısı transfer miktarları güneş ve
biokütle modu için sırasıyla Çizelge 4.13 ve Çizelge 4.14’de verilmiştir.
Sistemin daha anlaşılabilir bir değerlendirilmesinin yapılması için her bir alt
bileşenin ekserji verimi analiz edilmiştir. Entegre sistemin enerji ve ekserji
verimleri tek başına çalışan sistemler ile kıyaslanınca daha yüksek olarak
bulunmuştur. Entegre polijenerasyon sistemlerin sistemdeki atık ısıları
değerlendiği göz önüne alındığında bu beklenen bir sonuçtur. Çizelge 4.13 ve
Çizelge 4.14’den görüldüğü üzere, güneş ve biokütle modu için en yüksek ekserji
yıkım miktarları sırasıyla parabolik çanak kolektör ve biokütle yanma odasında
gerçekleşmiştir. Bu yüksek ekserji yıkım miktarının sebebi yoğunlaştırıcı kolektör
ile çevre sıcaklığı arasındaki yüksek sıcaklıktan kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde
biokütle yanma odasındaki alev sıcaklığı ile biokütle yanma odasına giren hava
sıcaklığı arasındaki yüksek fark ekserji yıkımına neden olmaktadır. Yenilenebilir
kaynakları kullanan entegre polijenerasyon sistemler için yeni tasarımlar ve
optimizasyon çalışmaları performansları artırmada katkıda bulunabilir. Rankine
çevriminde bulunan kondenser bileşeni ikinci en yüksek ekserji yıkımına sahiptir.
Bunun sebebi de akışkan ve soğutucu akışkan arasındaki sıcaklık farkı ve
kondenser boyunca basınç düşmesidir. Çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin
de ekserji yıkım miktarı her iki çalışma modu için önemli ölçüde yüksektir. Bunun
sebebi HEX-V ve HEX-VI arasındaki akışkanların sıcaklık farkı ve basınç düşmesidir.
Aynı zamanda çizelgelerden görüldüğü üzere absorpsiyonlu soğutma sistemi diğer
alt sistemlere nazaran hem güneş modu hem biokütle modu için en düşük ekserji
135
verimine sahiptir. Çift etkili absorpsiyonlu sistemde ısı transferinden kaynaklanan
ekserji yıkımından dolayı ekserji verimi de düşük olmaktadır.
Çizelge 4.12. Entegre polijenerasyon sistemin güneş modu için termodinamik değerlendirme sonuçları
Bileşenler Ekserji yıkım miktarı (kW)
Ekserji verimi (%)
Güç veya ısı transfer miktarı (kW)
Parabolik çanak kolektör
4393 36,25 88577
HEX-I 999,6 82,43 81347
HEX-IV 35,44 91,63 1224
HEX-V 36,38 79,67 777,7
HEX-VI 22,39 64,38 462,1
Sıcak su tankı 419,5 34,28 6743
Kolektör fanı 425,5 23,98 1775
Türbin 3324 90,55 31854
Kondenser-I 1392,2 72,99 49904
Kondenser-II 281,7 73,78 662
Pompa-I 57,65 86 411,8
Pompa-II 47,78 74,12 350,7
Jeneratör-I 160,9 58,51 1224
Jeneratör-II 34,64 53,54 219,7
Genleşme valfi-I 2,897 99,31 16,24
Genleşme valfi -II 1,236 84,09 7,284
Genleşme valfi -III 2,062 73,18 9,328
Genleşme valfi -IV 1,263 99,72 14,67
Absorber 8,686 34,28 239
Evaporatör 105,9 44,26 1457
136
Çizelge 4.13. Entegre polijenerasyon sistemin biokütle modu için termodinamik değerlendirme sonuçları
Bileşenler Ekserji yıkım miktarı (kW)
Ekserji verimi (%)
Güç veya ısı transfer miktarı (kW)
Yanma odası 4666 28,47 106346
HEX-II 1087 76,10 85180
HEX-III 37,54 89,75 46572
HEX-V 29,41 79,67 628,7
HEX-VI 18,1 64,38 373,6
Sıcak su tankı 1343 37,58 16486
Türbin 4731 91,21 49111
Kondenser-I 1598 71,41 62479
Kondenser-II 227,8 73,78 535,1
Pompa-I 50,22 81,73 607,6
Pompa-II 38,62 74,12 283,5
Jeneratör-I 145,5 55,77 989,3
Jeneratör-II 28 52,68 177,6
Genleşme valfi-I 2,342 98,24 13,13
Genleşme valfi -II 0,9989 83,41 5,889
Genleşme valfi -III 1,667 72,84 7,541
Genleşme valfi -IV 1,021 97,98 11,86
Absorber 7,022 32,96 193,2
Evaporatör 85,63 44,26 1178
137
Şekil 4.50. Referans çevre sıcaklığının absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik
ve ekserjetik performans katsayısına etkisi
Çift etkili absorpsiyonlu sistem için referans çevre sıcaklığındaki değişime bağlı olarak enerjetik ve ekserjetik performans katsayılarının incelenmesi için parametrik çalışma da yapılmıştır.
Şekil 4.50’den görüldüğü üzere, referans çevre sıcaklığı 0°C’den 30°C’ye kadar
arttıkça, COPex artmaktadır. Bunun nedeni çevre sıcaklığı arttıkça evaporatör ile
referans çevre sıcaklığı arasındaki fark artmakta böylece entegre sistemin soğutma
uygulamaları için daha fazla faydalı enerji üretilmektedir. COPen ise neredeyse aynı
kalmaktadır, çünkü referans çevre sıcaklığı enerjetik performans katsayısını
etkileyen bir faktör değildir.
Polijenerasyon enerji üretim sisteminin performansı enerji ve ekserji verimleri,
ekserji yıkım oranı, güç veya ısı transfer oranı, ısıtma ve soğutma oranları gibi farklı
değişkenlerle analiz edilmiştir. Bu göstergeler ortam sıcaklığı, güneş radyasyonu,
Rankine evaporatör sıkışma noktası sıcaklığı, Rankine türbin giriş basıncı ve
biokütlenin kütle akış hızına göre incelenmiştir. Biokütle modu için ekserji
verimleri ve CO2 emisyonları elektrik üretimi, kojenerasyon ve trijenerasyon olmak
138
üzere üç farklı üretim seçeneği için analiz edilmiştir. Tasarım parametrelerinin
sistem performansına etkisini gözlemlemek için parametrik çalışmalar yapılmıştır.
Parabolik çanak kolektörün referans sıcaklığa bağlı olarak ekserji yıkım miktarında
ve ekserji verimlerinde meydana gelen değişiklikler Şekil 4.51’de verilmiştir.
Şekil 4.51. Referans çevre sıcaklığının kolektörün ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine etkisi
Parabolik çanak kolektörün veriminin görece düşük olmasının nedeni kolektörden
geçen akışkanın sıcaklığındaki yüksek değişim miktarıdır. Parabolik çanak
kolektörün 40°C’deki ekserji verimi %14,76’dir. Ayrıca şekilden görüldüğü üzere
sıcaklık arttıkça ekserji verimi de artmaktadır. Bunun nedeni de akışkan sıcaklığı
ile çevre sıcaklığı arasındaki farkın azalması ile faydalı iş miktarının artmasıdır.
Şekil 4.52 ve Şekil 4.53 sırasıyla güneş ve biokütle modu için referans çevre sıcaklığının Rankine
çevrimi alt sisteminin ekserji yıkım miktarı ve ekserji verimine etkisini
göstermektedir.
0 5 10 15 20 25 30 35 404780
4790
4800
4810
4820
4830
4840
4850
4860
0,134
0,136
0,138
0,14
0,142
0,144
0,146
0,148
T0 ( 0C)
Ex Y
,kole
ktö
r (k
W)
kole
ktö
r
kolektör kolektör
Ex Y,kolektörEx Y,kolektör
139
Şekil 4.52. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın Rankine çevrimi alt sistemine
etkisi
Şekil 4.53. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın Rankine çevrimi alt
sistemine etkisi
0 5 10 15 20 25 30 35 404730
4740
4750
4760
4770
4780
4790
4800
4810
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
T0 ( 0C)
Ex Y
, R
ankin
e (
kW
)
Rankin
e
Rankine Rankine
Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine
0 5 10 15 20 25 30 35 404100
4300
4500
4700
4900
5100
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
T0 ( 0C)
Ex
Y, R
anki
ne (
kW)
Ranki
ne
Rankine Rankine
Ex Y, Rankine Ex Y, Rankine
140
Şekillerden görüldüğü üzere referans çevre sıcaklığı her iki mod için de Rankine
çevriminin ekserji verimini %10’dan daha az artırmıştır. Referans çevre sıcaklığın
0°C’den 40°C’ye çıkması ile Rankine alt sisteminin ekserji yıkım miktarı azalmıştır.
Şekil 4.54. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu
soğutma sistemine etkisi
Şekil 4.54 ve Şekil 4.55 sırasıyla güneş ve biokütle modu için değişen referans çevre sıcaklığının
çift etkili absorpsiyonlu soğutma sisteminin ekserji yıkım miktarını ve ekserji
verimini nasıl etkilediğini göstermektedir. Termodinamik analiz sonuçlarına göre
absorpsiyonlu soğutma sistemi ekserji yıkımı oluşturmamaktadır, bunun nedeni
absorpsiyonlu soğutma sistemi üretilen ısı yerine parabolik çanak kolektör ve
biokütle sisteminde oluşan atık ısıyı kullanmaktadır.
0 5 10 15 20 25 30 35 40670
680
690
700
710
720
730
740
750
760
0,14
0,145
0,15
0,155
0,16
0,165
0,17
0,175
0,18
T0 ( 0C)
Ex Y
,absorp
siy
on (
kW
)
absorp
siy
on
absorpsiyon absorpsiyon
Ex Y,absorpsiyon Ex Y,absorpsiyon
141
Şekil 4.55. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın çift etkili absorpsiyonlu
soğutma sistemine etkisi
Şekil 4.56. Güneş modunda referans çevre sıcaklığının sıcak su depolama tankına
etkisi
0 5 10 15 20 25 30 35 40600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
0,15
0,155
0,16
0,165
0,17
0,175
T0 ( 0C)
Ex Y
,absorp
siy
on (
kW
)
absorp
siy
on
absorpsiyon absorpsiyon
Ex Y,absorpsiyonEx Y,absorpsiyon
0 5 10 15 20 25 30 35 40390
400
410
420
430
440
450
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
T0 ( 0C)
Ex Y
,dep
olam
a (k
W)
dep
olam
a
depolama depolama
ExY,depolamaExY,depolama
142
Güneş modunda çalışan sıcak su depolama tankının ekserji yıkım miktarındaki ve ekserji verimindeki referans çevre sıcaklığa bağlı değişimi
Şekil 4.56’da gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere referans çevre sıcaklığı
arttıkça sıcak su depolama tankının ekserji yıkım miktarı azalmaktadır. Çevre
sıcaklığının artması ile sıcak su depolama tankında depolanan sudan çevreye olan
ısı kaybı azalmaktadır böylece ekserji veriminde artış elde edilmektedir.
Şekil 4.57. Güneş modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım
miktarına ve ekserji verimine etkisi
0 5 10 15 20 25 30 35 4010640
10660
10680
10700
10720
10740
10760
10780
0,5
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
0,58
T0 ( 0C)
Ex
Y,s
iste
m (
kW
)
sis
tem
sistem sistem
ExY,sistemExY,sistem
143
Şekil 4.58. Biokütle modu için referans çevre sıcaklığın sistemin ekserji yıkım
miktarına ve ekserji verimine etkisi
Şekil 4.57 ve Şekil 4.58 sırasıyla güneş ve biokütle modu için referans çevre sıcaklığının sistemin
ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine etkisini göstermektedir. Beklendiği
üzere referans çevre sıcaklığındaki artış sistemin ekserjetik performansını
artırmaktadır. Referans çevre sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar çıktıkça sistemin
ekserji verimi %2 civarında artmaktadır. Tüm sistemin ekserji yıkım miktarı da %2
civarında azalmaktadır.
0 5 10 15 20 25 30 35 409500
10000
10500
11000
11500
12000
12500
0,49
0,5
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
T0 ( 0C)
Ex Y
,sis
tem
(kW
)
sis
tem
sistem sistem
ExY,sistemExY,sistem
144
Şekil 4.59. Referans çevre sıcaklığın biokütle yakıcı performansına etkisi
Şekil 4.59 Referans çevre sıcaklığına bağlı olarak biokütle yakıcının ekserji yıkım
miktarındaki ve ekserji verimindeki değişimi göstermektedir. Referans çevre
sıcaklığı 0°C’den 40°C’ye kadar arttıkça biokütle alt sisteminin ekserji yıkım miktarı
azalmakta böylece sistem için daha fazla faydalı enerji üretilmektedir. Ayrıca
sıcaklığın artışı az miktarda ekserji verimini de artırmaktadır. Diğer değişkenlerin
sabit kalması durumunda referans çevre sıcaklığın artması sistem performansını
olumlu şekilde değiştirmektedir.
Sıkışma noktası sıcaklığı ısı değiştiriciler için önemli bir göstergedir. Sıkışma
noktası sıcaklığının artması ısı değiştiriciden elde edilen faydalı ısı miktarını
azaltacağı için entegre polijenerasyon sistemin performansını da azaltmaktadır.
Her iki sistem çalışma modunda da HEX-I ve HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığı
artınca ekserji veriminde azalma ekserji yıkımında artış gözlemlenmektedir.
Sıkışma noktası sıcaklığı arttıkça, Rankine türbinine giren akışkanın sıcaklığı
artmakta böylece enerji denge denkleminden yola çıkarak türbin etrafında kontrol
0 5 10 15 20 25 30 35 403750
4050
4350
4650
4950
5250
0,18
0,1825
0,185
0,1875
0,19
0,1925
0,195
0,1975
0,2
0,2025
T0 ( 0C)
Ex
Y,b
iokütle y
ak (
kW
)
bio
kütle y
ak
biokütle yak biokütle yak
ExY,biokütle yakExY,biokütle yak
145
hacmi için entalpi ve kütle akış oranı artmaktadır. Bunun sonucunda daha yüksek
entalpi ve kütle akış oranı elektrik yükünü artırmaktadır. Bir başka ifadeyle
elektrik yükünün artması sistemin ekserji verimini azaltmaktadır. Sonuçlara göre
polijenerasyon sistemin ekserji verimi tek başına elektrik üreten bir sistemin
ekserji veriminden yaklaşık 5 kat daha fazladır. Bunun başlıca nedeni
polijenerasyon enerji üretim sisteminin faydalı ürün sayısının çok sayıda olmasıdır.
Bir diğer önemli tasarım parametresi de Rankine türbinin giriş basıncıdır.
Bulgulara göre, Rankine türbinin giriş basıncının artması Rankine çevriminin
ekserji yıkım miktarını azaltmakta buna karşın Rankine alt sisteminin ekserji
verimini artırmaktadır. Rankine çevrimi için giriş ve çıkış kütle akış miktarları sabit
tutulduğunda, HEX-I ve HEX-II etrafında kontrol hacmi için enerji dengesinden yola
çıkarak artan giriş basıncı türbinin giriş entalpisini artırmaktadır. Rankine türbinin
giriş basıncının ekserji verimine etkisini daha iyi analiz etmek için, entegre
polijenerasyon sistemin net elektrik üretimi, ısıtma ve soğutma üretimi ve sıcak su
üretimi üzerinde durulmuştur. Diğer faktörler sabit tutulup Rankine türbinin giriş
basıncı artırıldığında Rankine çevrimindeki kütle akış miktarı artmaktadır. Daha
önce vurgulandığı gibi kütle akış miktarı Rankine çevriminin verimini doğrudan
etkilemektedir. Rankine türbinin giriş basıncının artması Rankine çevriminin
verimini az miktarda artırmakta bu da sistem verimine artış olarak yansımaktadır.
Sistem performansını etkileyen bir diğer faktör de Rankine pompası giriş
sıcaklığıdır. 1 numaralı pompanın giriş sıcaklığının artması Rankine çevriminin
ekserji verimini artırmakta ve ekserji yıkım miktarını azaltmaktadır. Bunun nedeni
pompanın giriş sıcaklığının artması akışkanın entalpisini artırmasıdır. Entalpinin
artması da türbinden üretilen elektrik miktarını artırmaktadır.
146
Şekil 4.60. Güneş radyasyonu yoğunluğunun kolektör alt sistemine etkisi
Sistemin ana kalbi parabolik çanak kolektör olduğu için kolektör performansı
sistemin performansını doğrudan etkilemektedir. Bu yüzden güneş radyasyon
yoğunluğu oldukça önemli bir parametredir. Şekil 4.60 güneş radyasyonu
yoğunluğunun kolektör alt sisteminin ekserji yıkım miktarına ve ekserji verimine
etkisini göstermektedir. Şekilden görüldüğü üzere güneş radyasyonu
yoğunluğunun artışı kolektör alt sisteminin ekserji yıkım miktarını artırmaktadır.
Bununla birlikte güneş radyasyon yoğunluğunun 200 W/m2 değerinden 900 W/m2
değerine artması kolektör alt sisteminin ekserji verimini de artırmaktadır. Güneş
radyasyonu miktarının artması konsantre kolektörün yansıtıcı ve alıcı yüzeyinin
sıcaklığının artmasına neden olmaktadır. Daha yüksek kolektör yüzey sıcaklığı
parabolik kolektörden üretilen faydalı enerji miktarının artmasını sağlamaktadır.
Böylece entegre polijenerasyon sistemin ürün miktarı da artmaktadır. Bütün
bunlar bir araya geldiğinde sistemin performansı artmaktadır. Güneş radyasyonu
yoğunluğunun artması sistemin ekserji yıkım miktarını ve ekserji verimini
artırmaktadır. Bunun nedeni yüksek miktarda güneş radyasyonu yoğunluğu
parabolik kolektör alt sisteminin akışkan sıcaklığını artırmasıdır.
200 300 400 500 600 700 800 9004100
4200
4300
4400
4500
4600
4700
4800
4900
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
Günes Radyasyonu (W/m2)
Ex
Y,k
ole
ktö
r (k
W)
kole
ktö
r
kolektör kolektör
ExY,kolektörExY,kolektör
147
Çevresel değerlendirme kısmında, entegre sistemin çevresel etkileri diğer üretim
opsiyonları ile kıyaslanarak analiz edilmiştir. Rankine türbini giriş basıncının
artması tekli üretim, kojenerasyon, trijenerasyon ve polijenerasyon sistemleri için
CO2 emisyonlarını azaltmaktadır. Fakat en fazla azalış tekli üretim sisteminde
gerçekleşmiştir. Bu emisyonların azalması türbin basıncının artışının türbinden
üretilen elektrik miktarının artmasıyla açıklanabilmektedir. Böylece daha fazla
faydalı iş sağlanır bu da emisyonları azaltmaktadır.
Diğer bir parametrik çalışma Rankine çevriminin pompasının giriş sıcaklığı için
uygulanmıştır. Rankine çevrimi pompasının giriş sıcaklığının artmasının farklı
üretim opsiyonları için CO2 emisyon üretiminde negatif etkisi vardır. Çünkü
Rankine pompasının giriş sıcaklığının artması net elektrik çıkışını azaltmakta bu
yüzden emisyon miktarı artmaktadır.
Son olarak, HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığındaki değişimin CO2 emisyonlarına
etkisi analiz edilmiştir. Sonuç olarak HEX-II’nin sıkışma noktası sıcaklığındaki artış
net elektrik üretimini azalttığından dolayı CO2 emisyonlarında da artışa neden
olmaktadır.
148
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
Polijenerasyon üretim için kullanılan entegre enerji üretim sistemleri yüksek
performansları, düşük maliyetleri ve düşük emisyonları nedeniyle güç ve diğer
faydalı ürünlerin üretilmesinde önemli bir alternatif sunmaktadır. Küresel ısınma,
iklim değişiklikleri ve ozon tabakasının tahrip olması gibi çevresel kaygıların
artması, enerjinin giderek daha pahalı olması gibi nedenler entegre polijenerasyon
sistemlerin önemini artırmaktadır. Bu araştırmada 5 farklı enerji üretim opsiyonu
termodinamik açıdan analiz edilmiş ve sistem performansını etkileyen
parametrelerin etkisini ölçmek için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Parametrik
çalışmalar çevre sıcaklığının, güneş radyasyonunun, biokütle veya kömürün
besleme miktarının gibi sistemler için önemli olan değişkenlerin etkisini
göstermiştir. Bu bölümde her bir sistem için sonuç ve öneriler ayrı ayrı verilmiştir.
5.1. Sistem 1
Absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerjetik performans katsayısı çevresel
sıcaklığın değişmesi ile değişmezken ekserjetik performans katsayısı artan
sıcaklıkla birlikte artmaktadır.
Güneş modu için, POT kolektör, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma
sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin enerji verimleri
sırasıyla %24,83, %13,32, %29,96, %19,96 ve %52,27’dir.
Güneş modu için, POT kolektör, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma
sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin ekserji verimleri
sırasıyla %20,22, %19,51, %15,21, %20,11 ve %57,16’dır.
Biokütle modu için, biokütle yakıcı, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma
sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin enerji verimleri
sırasıyla %42,91, %14,56, %20,08, %30,98 ve %53,28 olarak
hesaplanmıştır.
149
Biokütle modu için, biokütle yakıcı, ORC alt sistemi, absorpsiyonlu soğutma
sistemi, hidrojen üretimi alt sistemi ve tüm sistemin ekserji verimleri
sırasıyla %38,24, %19,37, %16,49, %21,27 ve %57,26 olarak
hesaplanmıştır.
Güneş ve biokütle modu için sırasıyla en yüksek ekserji yıkımı POT
kolektörde ve biokütle yakıcıda gerçekleşmiştir.
Güneş ve biokütle modunda en düşük ekserji yıkım miktarı genleşme
valfinde gerçekleşmiştir.
Güneş modu için, güneş radyasyonunun artışı üretilen net elektrik ve
hidrojen miktarını artırmaktadır.
Polijenerasyon sistemden çıkan CO2 miktarı trijenerasyon ve kojenerasyon
sistemlerinden daha az olmaktadır.
5.2. Sistem 2
Toplam ekserji yıkım miktarının %18’i kömür gazlaştırma, %14’ü kolektör
alt sistemine aittir.
Entegre polijenerasyon sistemin toplam enerji ve ekserji verimleri sırasıyla
%67 ve %58’dir.
Entegre polijenerasyon sistemin kapasite ve performansı güneşlenme
verileri ile doğrudan alakalıdır.
5.3. Sistem 3
Jeotermal alt sistemin ekserji yıkım miktarı diğer sistemlere göre daha
yüksektir.
Artan çevre sıcaklığı absorpsiyonlu soğutma sistemi dışındaki tüm