Kojenerasyon Sistemleri:

1--Kojenerasyon bileşik ısı-güç üretimi demektir. Yani tek sistemde elektrik ve buharın birarada üretilmesidir.

2--Kimyasal yakıtın(doğalgaz vs) yanmasıyla(yanma odasında) ısı enerjisi(yanmış gaz) elde edilir. Bu ısı enerjisi bir türbin vasıtasıyla mekanik enerjiye ve jeneratör vasıtasıyla da elektrik enerjisine dönüşür.

2.1—Aynı ısı enerjisinin türbinden sonra eşanjöre (atık ısı kazanı) girmesiyle elde edilir.

3--Bir kojenerasyon sisteminin toplam verimi yüzde 80'in üzerindedir.

4--Kojenerasyon sistemlerinin en önemli özelliklerinden biri de  güç çıkışı/ ısı çıkışı oranının, isteğe bağlı değiştirilebilir olmasıdır.

5--Basit çevrimde çalışan, yani sadece elektrik üreten bir gaz türbini ya da motoru kullandığı enerjinin yüzde 30-40 kadarını elektriğe çevirebilir.

5.1--Bu sistemin kojenerasyon şeklinde kullanılması halinde sistemden dışarıya atılacak olan ısı enerjisinin büyük bir bölümü de kullanılabilir enerjiye dönüştürülerek toplam enerji girişinin yüzde 70-90 arasında değerlendirilmesi sağlanabilir.

6--Kojenerasyon sistemi, elektriğin ayrı, ısı enerjisinin ayrı üretildiği sistemlerden yüzde 42 daha verimlidir.

6.1--Örneğin termik santrallerde sistemin ürettiği ısı atılarak sadece elektrik enerjisi üretilmekte ve sistem verimi yüzde 30 civarında kalmaktadır.

7-- Elektrik enerjisi talebinin artması halinde dışarıdan elektrik satın alınabilmesi ve tesis tarafından üretilen elektriğin talepten fazla olması durumunda da dışarıya elektrik satılabilmektedir.

8--Kojenerasyon sistemleri ile enerji maliyetleri düşmektedir. Daha az tesis masrafıyla, güvenilir enerji elde edilmektedir.

9--Kojenerasyon sistemleri üretilen elektriğin kalitesini iyileştirir ve aynı zamanda üretilen elektrikteki istenmeyen voltaj dalgalanmalarını yok ederek daha sağlıklı bir kullanım sağlamaktadır.

10--Gaz türbinli sistemler kullanıldığında, yakıt olarak doğal gaz tüketilmesi sebebiyle SO2 oluşumu söz konusu değildir.

11--Bileşik ısı-güç üretiminde, bir birim elektrik enerjisi üretebilmek için 1,5 birim yakıt enerjisi gerekmektedir. Bu da atmosfere verilen kirletici emisyon miktarı toplamında yüzde 50 civarında bir azalma demektir.

12-- Kojenerasyon sistemi ile 100 birim yakıt kullanılarak 85-87 birim faydalı güç elde edilmiştir.

12.1--Konvansiyonel sistem ile ancak 155 birim yakıt ile 85 birim faydalı güç elde edilmiştir.

13-- Doğal gaz ve hava karışımının (12-35 bar) yanma odasında yanmasıyla oluşan kinetik enerji türbin ve şanzıman aracılığıyla jeneratörü döndürür. Jeneratörün dönmesiyle de elektrik enerjisi elde edilir. Bu tür kojenerasyon uygulamaları 4,5-20 MW güç aralığında tercih edilir.

13.1--Türbin egzoz gazından (400-500 °C) sıcaklık atık ısı kazanı yardımıyla buhar, kızgın su ve kızgın yağ elde edilerek sistemin verimliliği artırılır.

14--Elektrik üretimi ile ısı üretimi oranları isteğe bağlı değiştirilebilir. Ek sistemlerle gerekirse elektrik üretimi arttırılıp, buhar üretimi azaltılabilir veya tersi de mümkündür.

15--Gaz motoru ile 400 kW'dan 1,3 MW'a kadar tek motor,

15.1--10 MW'a kadar birleşik motor sistemleri kurulabilmektedir.

16--Gaz motorları atık ısının yaklaşık 1/3 oranı egzos gazından 2/3’de motorun soğutma sistemlerinden geri kazanılmaktadır.

16.1--Gaz motorlarında, soğutma devrelerinden de ısı geri kazanıldığı için verimlilikleri yüzde 90'a kadar çıkabilmektedir.

16.2-- Gaz türbininde egzos gazı ısısı, bir atık ısı kazanıyla ısı proses ihtiyacına göre buhar, sıcak su, kızgın yağ üretmek için kullanılabilmektedir. Diğer bir yaygın kullanım alanı da egzos gazının hava ile karıştırılarak direk kurutma aplikasyonlarında kullanılmasıdır.

17--Gaz motorları türbinlere nazaran yüzde 10 daha fazla elektrik üretebilmektedir.

18--Dizel motorlu sistemlerde, 100 kW ile 3 MW’a kadar tek motor bulunmaktadır. 4 MW üstünde fuel-oil no:6 kullanılabilmektedir.

20-- Gaz Türbinleri ile Kojenerasyon Sistemi:

20.1--Kompresör tarafından emilen hava sıkıştırılır. Basıncı yaklaşık olarak 12 kat artan havanın sıcaklığı da yükselir.

20.2--150 °C civarındaki bu kızgın hava yanma odasına gelir. Diğer yandan yanma odasına yüksek basınçlı yakıt (doğalgaz, LPG, motorin) püskürtülür.

20.3--Havanın yakıta oranı yaklaşık olarak 1/60‘tır. Yani 60 birim hava ile 1 birim yakıt yanma odasında basınç altında yanar.

20.4--Yanma sonucunda yüksek basınçlı ve 900-1200 °C sıcaklığında egzoz gazı açığa çıkar.

20.5--Bu gaz türbinden geçerek sistemi terk eder.

20.6--Türbinin kanatçıkları çarpma etkisiyle dönecek şekilde dizayn edilmiştir. Dolayısıyla egzoz gazı türbinden geçerken türbin döner. Böylece türbin ile kompresöre bağlı bulunan şaft da dönmeye başlar.

20.7--Oluşan bu mekanik enerjiye karşılık egzoz gazının sıcaklığı 400-600 °C‘ye gerilemiştir. Sıcaklığı ve basıncı azalmış olan ve yaklaşık % 15 O2 içeren egzoz gazı türbini terk ettikten sonra atık ısı kazanına gelir.

20.8--Kojenerasyon sisteminde elektrik jeneratör vasıtasıyla üretilir.Türbin ve kompresör arasında bulunan şaft bir jeneratöre kadar uzatılır. Devir sayısı bir redüksiyon dişlisi ile ayarlanır. Şaft döndüğünde jeneratörün rotoru da döner ve stator sargılarında elektrik endüklenir. Üretilen bu elektrik enerjisini kontrol için pratikte şalt tesisleri kurulur. Sadece elektrik enerjisi üretimi için verim yüzde 30 dolayındadır.

21-- Sistemden Daha Fazla Elektrik Enerjisi Almak:

21.1--Kojenerasyon sisteminin avantajlarından biri de elektrik üretimi ile buhar üretiminin isteğe bağlı değiştirilebilir olmasıdır. Ancak bunun için sisteme ek bir tesis gereklidir.

21.2--Elektrik üretiminin daha fazla olmasını istiyorsak üretilen buharı kullanarak iki yolla elektrik üretimini arttırabiliriz. Bunlardan ilki, buhar enjeksiyonlu gaz türbinlerinin kullanımıdır.

21.3--Atık ısı kazanından elde edilen buharın bir kısmı gaz türbinin yanma odasına enjekte edilir. Enjekte edilen buhar miktarı ayarlanabildiği için işletmenin ihtiyacına göre elektrik üretimi gerçekleştirilir. Burada kullanılan buhar miktarının kullanılan hava miktarına oranı % 15 dolayındadır. Bu ek sistem elektrik üretimini yüzde 60-80 oranında arttırmaktadır.

21.4--İkincisi, sistemde buhar türbini kullanımıdır. Sistemde gaz türbininin yanı sıra atık ısı kazanında üretilen buharı kullanan bir buhar türbini mevcuttur. Böylece atık ısı kazanında üretilen buhar, bir buhar türbinine girerek elektrik enerjisine dönüşür.

21.5--Bu şekilde buhar üretimi azalacak ancak elektrik üretimi artacaktır. Buhar türbininden çıkan buharın basıncı ve ısısı düşmüş olacaktır.

21.6--Gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinin oranca yüksek olan ısıl çıkışından elde edilen buharın doğrudan işlemde kullanılmasına ihtiyaç duyulmadığında, gaz türbini atık ısı sistemine bağlanan buhar türbini ile kojenerasyon sisteminden daha fazla elektrik üretilebilir.

21.7--Bu prensiple gerçekleşen sistemlere ”kombine çevrim santralleri” denilmektedir. Dünyada en iyi kombine çevrim örneklerinden biri olan Ambarlı kombine çevrim termik santralinde verim yüzde 50 civarlarındadır.

22-- Sistemden Daha Fazla Buhar Enerjisi Almak

22.1--İşletmenin buhar ihtiyacı üretilen buhardan fazla ise buhar üretimini artırmak için ilave bir yanma odası kullanılır.

22.2--Gaz türbininin egzoz gazları yüzde 15 O2 içeriyordu. İşte bu egzoz gazları atık ısı kazanına girmeden ilave bir yanma odasında yakıtla yakılarak gazın sıcaklığı ve basıncı arttırılabilir. Bu da daha fazla buhar demektir.

23-- Kojenerasyon Sistemlerinde Kullanılabilecek Yakıtlar:Gaz türbinleri ile kojenerasyon sistemlerinde kullanılabilen yakıtlar; doğal gaz, LPG (%30 propan, % 70 bütan), dizel, fuel-oil no:6 ve naftadır.

24--Motor kojenerasyon sistemlerinde kullanılan motorlar genel olarak 2 tiptir;

24.1-- Fakir karışım yanmalı otto motorları

24.2-- Dizel (sıkıştırma patlatmalı) prensibe göre çalışan motorlar

24.3--Otto motorlarında sadece gaz yakıtlar kullanılabilir. Bunlar; doğalgaz, biogaz (arıtma tesislerinde), propan, kok gazı, pyrolis gazı (odun gazı).

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

24.5--Bunlardan sadece doğalgaz ve propan ticari olarak kullanıma açık yakıtlardır. Diğerleri ya arıtma tesisleri, ya çöplükler ya da özel proseslerden elde edilir.

24.6--Özellikle proseslerinde solvent ağırlıklı atmosfer yaratan ya da özel gazlar üreten işletmelerde bu imkan çok verimli yatırım sonuçları vermektedir.

25-- Kojenerasyon Sistemi ve Kapasite Seçimi

25.1--İlk olarak yıllık ortalama elektrik tüketimine bakılır ve atıl kapasite yaratmayacak şekilde bu tüketimin az altında kalacak bir kapasite seçilir. Amaç elektrik tüketimine yönelik kapasite belirleme olmalıdır. Santralin elektrik kapasitesi belirlendikten sonra ısı tüketim verilerine bakılır.

25.2--Yoğun olarak yüksek sıcaklıkta enerji gerekiyorsa (buhar, kızgın yağ ya da sıcak hava) ve bu yaklaşık 1:2 elektrik/ısı dengesine oturuyorsa, sisteme uygun yakıt ekonomik olarak mevcut ise ve santral büyüklüğü gaz türbinleri kapasite aralığına giriyorsa ihtiyaç bir gaz türbin kojenerasyon santraline işaret eder.

25.3--Tüm öncelikli kriterler bir gaz türbin santralini işaret ederken dahi, yakıtın ekonomik bulunabilirliği santrali dizel motor santralına dönüştürebilmektedir.

26--Kojenerasyona sahip işletmeler, elektriği kendileri ürettikleri için iletim kaybı ve şebeke elektriğindeki gerilim ve frekans dalgalanmalarının yol açtığı zararlar yoktur.

26.1--Atık ısıyı geri kazandıkları için birim enerji maliyetleri düşük olmaktadır.

26.2--Elektrik kesintilerinden etkilenilmemektedir. Ayrıca şebeke ile senkron çalışıldığı için santralde arıza veya bakım olduğunda şebekeden elektrik alınabilinmektedir.

26.3--Kojenerasyon sistemlerinin uygulandığı alanlar sanayi ve hizmet sektörleridir.

26.3.1--Sanayi sektöründeki uygulamaları; kimya, tuğla, selüloz ve kağıt, demir çelik, motor sanayi, petro kimya, mobilya, gıda ve tekstil alanlarındadır.

26.3.2--Hizmet sektöründeki uygulamaları; hastaneler, oteller, spor salonları ve bölgesel ısıtma alanlarıdır.

26.4--Bileşik ısı-güç üretim tesislerinde yakıt olarak yaygın şekilde doğal gaz kullanılmaktadır. Bunun sonucunda kömürün yanması sonucu meydana gelen kül ve kükürt oksitler ile fuel-oil’in sebep olduğu diğer emisyonlar ortadan kaldırılabilmektedir. Ayrıca CO2 emisyonlarının yaptığı olumsuz çevresel etki önemli oranda azaltılabilir.

27--Sistemlerin kendilerini 2,5-3 yılda geri ödediği görülmektedir. Yüksek verim ve dolayısıyla üretim esnasında sarfedilen birim enerji başına atmosfere salınan emisyonların düşük olması kojenerasyon sistemlerinin önemini bir kat daha arttırmıştır.

Kaynakça: Kojenerasyon Sistemlerine Genel Bir Bakış--Araş.Gör. Serkan ÖZER* Yard.Doç.Dr. Semih ÜZE*--*T.Ü. Çorlu Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Çorlu/TEKİRDAĞ