HASTANELERDE TRİJENERASYON SİSTEMLERİNİN UYGULANMASI

TRİJENERASYON

Hastanelerin ısıtılması, odalardaki banyolarda kullanım suyu, çamaşırhane, mutfak gibi enerji giderlerinin en büyük kalemlerini oluşturan bu departmanların sıcak su ve buhar ihtiyacı trijenerasyon ile çok düşük bir fiyatla elde edilmektedir. Ayrıca ilkbahar ve sonbahar gibi mevsimsel geçiş dönemlerinde hastane odalarında ve alışveriş merkezi gibi kapalı alanlarda, hem sıcak hem de soğuk havanın birlikte hazır olabilmesine olanak sağlamaktadır. Bu yüzden trijenerasyon, hastane ve AVM’ler için en uygun sistem dizaynıdır.

Özellikle doğal gazın yaygınlaşmasından ve elektrik fiyatlarının yükselmesinden sonra, bu yatırım daha feasible hale gelmiş; ayrıca Kyoto Protokolü’ne paralel olarak karbon salımının azaltılması ile çevresel pozitif etkisi de, bu teknolojiyi, dünyadaki en verimli ve en hızlı geri dönüşümü olan enerji yatırım aracı haline getirmiştir. Bu çalışmada, bir hastanenin ve alışveriş merkezinin yıllık ihtiyaç duyduğu elektrik ve ısıtma–soğutma ihtiyaçları düşünülmüş ve trijenerasyon uygulaması ile fizibilite hesaplamaları yapılmıştır.

Trijenerasyon sisteminin herhangi bir hastanede veya alışveriş merkezinde uygulanmasıyla, konvansiyonel sistemlere nazaran, hem enerji verimliliği, hem de ekonomik açıdan büyük bir tasarruf sağladığı görülmektedir. Türkiye’de gün geçtikçe artan nüfusla ve sosyal ihtiyaçlarla beraber, birçok yeni yerleşim bölgeleri oluşturulmaktadır. Bu yeni binaları projelendirmeden önce, enerji üretim teknolojilerinden kojenerasyon ya da trijenerasyon aynı anda, birden fazla enerjiyi birlikte üreten sistemler tercih edilmelidir.

Trijenerasyon Sistemlerin Tanımı;

Eş zamanlı olarak ısı–güç üretimi sağlayabilen bir kojenerasyon sitemine ilave edilen absorbsiyonlu soğutma sistemi ile atık ısıdan soğutma enerjisi de üretmeyi başaran üçlü bir sistemdir.

Isı ve elektriğin birlikte üretildiği kojenerasyon sistemleri ısının özellikle daha az gerekli olduğu yaz aylarında kış aylarına nispeten daha az verimli olmaktadırlar. Bu nedenle bu sistemler geliştirilerek trijenerasyon sistemleri ortaya çıkarılmıştır. Kojenerasyon sonucu elde edilen sıcak su veya buhar soğurmalı soğutucular aracılığı ile soğutma da yararlanılması esasına dayanan sisteme “trijenerasyon” denir. Sistemde üretilen elektrik enerjisinin veya ısı enerjisinin bir bölümü kullanılarak soğutma enerjisi üreten soğutma bileşenleri mevcuttur. Elektrik enerjisi kullanan soğutma ünitelerine elektrik tahrikli; ısı enerjisini kullanan soğuma ünitelerine ise absorbsiyonlu (soğurma) veya adsorpsiyonlu (yüzeye verme) soğutma üniteleri adı verilmektedir. Tüketilen yakıt kojenerasyon sisteminle aynı olmasına rağmen elektrik, ısı ve soğutma ihtiyaçları karşılanabilmektedir. Bu sistemle yakıttan yararlanma oranı en yüksek değere ulaşmakta ve toplam verim bu sayede artırılabilmektedir.

Trijenerasyon Sisteminin Çalışma Prensibi

Atmosferden alınan hava, bir filtre sisteminden geçirildikten sonra gaz türbininin kompresör kısmına girer ve burada sıkıştırılarak yanma odasına iletilir. Yanma odasında (12-35 bar) püskürtülerek verilen yakıt da bu sıkıştırılmış hava ile karışarak yanar. Yanma odası çıkışında 1000 - 1500 ˚C sıcaklıktaki oluşan yüksek basınçlı sıcak gazlar gaz türbini kanatlarından geçerek türbini döndürür ve türbine bağlı jeneratörden elektrik enerjisi üretilir. Gaz türbininden çıkan sıcak atık gazlar (400- 600 ˚C ) bir egzoz kanalıyla atık ısı kazanına iletilir. Egzoz gazları ısılarını burada su buhar çevrimine transfer ederek soğur ve daha sonra kazan bacasından atmosfere atılır. Atık ısı kazanında üretilerek türbine verilen buhar, türbin kademelerinde genleşir ve böylece termik enerji mekanik enerjiye dönüşmüş olur. Türbinin tahrik edilmesiyle de türbine bağlı jeneratörden elektrik ve ısı enerjisi üretilir. Atık ısı kazanından düşük sıcaklıkta atılan egzoz gazı absorbsiyonlu (LiBr-H2O) soğutma çevrimine verilir.

 ( Kakilli, 2003).

Absorberden çıkıp bir pompa vasıtasıyla eriyik ısı değiştiricisinden geçerek bir miktar ısınan soğutkan madde miktarınca zengin olan eriyik jeneratöre gelir. Burada atık ısı kazanından gelen egzoz gazı ısısıyla soğutucu akışkan buharlaşarak eriyikten ayrışır. Buharlaşarak jeneratörü terk eden soğutkan buharı, yoğuşturucuya gider. Jeneratörde, eriyik içinden soğutkan buharının ayrılmasıyla soğurucu akışkanca zenginleşen eriyik, ısı değiştiricisinden geçerek absorbere geri döner. Yoğuşturucuya giren soğutkan buharı, burada yoğuşarak sıvı hale gelir. Yoğuşturucudan tamamen yoğuşmuş olarak çıkan soğutucu akışkan, genleşme valfinden geçerek buharlaştırıcıya ulaşır. Buharlaştırıcıda, soğutucu akışkan buharlaşarak gerekli soğutma yükünü ortamdan çeker. Buharlaştırıcıdan çıkan soğutkan buharı, absorbere gelir. Absorbere gelen soğutkan buharı, jeneratörden gelen eriyik tarafından absorbe edilir. Absorberde, soğutucu akışkan miktarınca zenginleşen eriyik, bir pompa vasıtasıyla tekrar jeneratöre gönderilir ve çevrim böylece devam eder.

Trijenerasyon Sisteminin Elemanları

Gaz türbini: Gaz türbinleri son yıllarda büyük ölçekli kojenerasyon sistemlerinde genellikle 1-100 MW elektriksel güç üretimi ile en çok kullanılan güç üreticiler olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Gaz türbini temelli bir sistemi var olan bir sisteme entegre etmek, yüksek basınçlı kazan ve buhar türbininden oluşan sistemi entegre etmeye göre çok daha kolaydır. Gaz türbinleri, az yer kaplaması, modern cihazların artan güvenlikleri ve azalan yatırım maliyetleri ile optimum seçim olarak karşımıza çıkmaktadır. Gaz türbinlerinde, yanma havası, yanma odasına türbin ile aynı şafta bağlı olarak çalışan bir kompresörle basınçlandırılarak gönderilir. Böylece yakıt yüksek basınç altında yakılır. Çok yüksek sıcaklıktaki (900 - 1200 °C) yanma ürünü gazları türbin içinden geçerken türbin kanatlarını ve dolayısıyla bağlı oldukları şaftı döndürür ve böylece mekanik enerji elde edilmiş olur. Türbinden egzoz edilen gazlarda kalan enerji kullanım alanındaki ısı ihtiyaçlarının bir kısmını veya tamamını karşılamak amacıyla kullanılmaktadır.

Buhar türbini: Buhar türbinleri esas itibariyle gaz türbinleri ile benzerdir. Fakat türbini çalıştırmak için gerekli enerji, buhar ile sağlanır. Buhar basıncına ve debisine bağlı olarak ısı enerjisi türbin kademelerinde mekanik enerjiye dönüşür. Konvansiyonel bir kazanda üretilen yüksek basınçlı buhar, elektrik jeneratörünü döndürmekte kullanılabilecek mekanik enerjiyi üretmek üzere türbinde genişletilmektedir. Tüm buhar akışı türbinden geçer ve ihtiyaç duyulan basınçta türbinden egzoz edilir. Birden fazla kademede ısı gereken yerlerde, yüksek kademede kullanmak için türbin boyunca uygun basınçta ektraksiyon buharı çekilir. Daha düşük basınçlı prosesler için egzoz edilmeden önce ilave güç üretimi için buhar devam eder. Çıkışa bir kondenser konularak vakuma doğru genişletilen buhar ile güç çıkışı artırılabilir. Bu şekilde düşük seviyeli ısı açığa çıkar ki genel kural olarak bu bir kombine ısı ve elektrik üretim sistemi değildir. Buhar türbin setleri çalışma şekillerine göre isimlendirilirler. Buhar türbinleri sadece yüksek basınç ve sıcaklıkta buhar girişi ve nispeten düşük mertebede ısı çıkışında önemli miktarda güç üretirler. Türbin giriş basıncı ne kadar yüksek ise üretilen güçte o kadar yüksek olur.

Yanma odası: Kompresörde izentropik olarak sıkıştırılmış düşük sıcaklıktaki hava yanma odasına püskürtülerek yakıtla yanması sağlanarak, yüksek sıcaklıkta gaz türbinine gönderilir.

 Kompresör: Düşük sıcaklıktaki hava kompresörde izentropik olarak sıkıştırılır ve yakıtla yanması için düşük sıcaklıkta ve yüksek basınçta yanma odasına gönderilir.

Atık ısı geri kazanı: Atık ısı kazanı, gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinin en önemli parçalarından biridir. Atık ısı kazanından atmosfere atılan yüksek ısı enerjisine sahip egzoz gazı,  atık buhar veya sıcak su üretmek amacıyla kullanılır.

Absorbsiyonlu soğutma sistemleri doğrudan egzoz gazlarından ısı geri kazanımı yaparak birincil ısı geri kazanım ünitesi olarak veya ısı geri kazanım kazanında üretilen buhar veya sıcak suyu kullanarak ikincil ısı geri kazanım sistemi olarak çalışabilen tipleri mevcuttur. Isı geri kazanım sistemleri için çeşitli konfigürasyonlar kullanılmaktadır. Isı geri kazanım kazanları üç kategoriye ayrılmaktadır. Bunlar ateşlemesiz, kısmi ateşlemeli ve tamamen ateşlemelidir. Ateşlemesiz ısı geri kazanım kazanları aslında konveksiyonlu ısı değiştiricilerdir. Kısmi ateşlemeli ısı geri kazanım kazanları kanal tipi yakıcı içermektedirler. Bu yakıcı sistemde genellikle doğal gaz kullanılmakta ve ısı geri kazanım kazanına doğru akan egzoz gazlarının sıcaklıkları yakıcı kısmında yükseltilerek ısı geri kazanım kazanına gönderilmektedir. Tamamen ateşlemeli ısı geri kazanım sistemleri ise basitçe egzoz gazlarını ön ısıtılmış hava olarak kullanan kazanlardır. Bu ısı geri kazanım kazanlarının çoğunda egzoz gazları kazan boyunca yukarı doğru akmakta ve üst noktadan kazanı terk ederek atmosfere atılmaktadır.

Yoğuşturucu: Yoğuşturucuda, soğutucu su ile su buharı yoğuşturulur. Yoğuşturulacak su buharı, yoğusturucuya sıkıştırılmış sıvı veya kızgın buhar olarak girmemeli, sadece doymuş buhar olarak girmelidir.

Absorbsiyonlu Soğutma Sistem Elemanları

 Jeneratör: Boyler veya kaynatıcı olarak da adlandırılmaktadır. İç içe geçmiş iki borudan oluşmaktadır. İç kısımdaki boru içerinde soğutucu akışkan bulunmaktadır. Atık egzoz gazının ısısı jeneratöre verilerek burada ısı ile LiBr H2O çifti ayrıştırılır. Jeneratörden ayrılan H2O buharı, kondensere gelir. Jeneratörde karışıma ısı geçtiği gibi çevreye de bir miktar ısı geçişi olup, sistemin termodinamik analizi yapılırken çevreye geçen ısı geçişi ihmal edilir (Şencan, 1999; Tarakcıoğlu, 2005).

Kondenser: Sistemin tasarımına göre su veya hava soğutmalı olabilir. İç içe geçmiş iki borudan oluşmaktadır. Jeneratörden gelen soğutucu akışkan buharının sıcaklığını düşürerek yoğuşmasını ve evaporatöre soğutucu akışkanın sıvı halde gelmesini sağlar.

 Evaporatör: Yoğuşturucuda sıvılaşan soğutucu akışkan düşük basınçta ortamın ısısını çekerek soğutucu akışkan buhar haline geçer. Evaporatördeki basınç bir genişleme valfi ile kontrol altında tutulur. Absorbsiyonlu soğutma sisteminde genellikle karşı akımlı olarak tasarlanır.

Absorber: Absorber dış görünümü ile yoğuşturucuya benzemekle beraber, iç kısmı iyi bir karışım sağlayacak şekilde bir veya daha fazla sayıda üst üste levhalardan oluşmaktadır. Lityum bromürün suda çözülmesini sağlayan soğutma elemanıdır. Soğutucu akışkan evaporatörden çıktıktan sonra bir ısı değiştiriciden geçerek absorbere girer. Absorberdeki karışımın bir sıvı eriyik pompası ile sürekli püskürtülerek çözünmenin kolaylaşması sağlanır.

Eriyik ısı değiştiricisi: Isı değiştiricisine gelen fakir eriyik burada bir miktar ısı alarak jeneratöre gider. Jeneratörde atık egzoz gazının ısısını alarak soğutucu akışkan buharlaşır ve ısı alan zengin eriyik ısı değiştiriciye gelerek burada ısısını fakir eriğe ısısını verir. Isısını veren zengin eriyiğin absorbere dönmesini sağlar. Ön ısıtıcı ve ön soğutucu olmak üzere iki adet ısı değiştirici kullanılabilir. Genellikle karşı akımlıdırlar.

Eriyik ısı pompası: Zengin eriyiğin absorberden ısı değiştiricisine iletilmesini sağlamaktadır. Genellikle kapalı pompalar seçilmektedir.

 Genleşme Valfi: Biri soğutkan eriyiğin diğeri ise zayıf eriyiğin basıncını düşürmek için kullanılmaktadır.

Trijenerasyon Sistemlerinin Yararları

Trijenerasyon sistemleri kojenerasyon sistemine ek olarak soğutma ihtiyacını da karşılayabilen sistemler olması sebebiyle genel olarak kojenerasyonun sağladığı faydalara da sahiptirler. Kojenerasyonun en büyük avantajı Enerji Bağımsızlığı’dır. Enerji Bağımsızlığı ise ihtiyaç duyulan enerji türlerinin istenildiği zaman ve miktarda üretilebilmesi anlamına gelmektedir. Kojenerasyon sistemlerinin bir diğer önemli avantajı da enerji kalitesi ve devamlılığıdır.

Sistemin enerji, ısı ve soğutma ihtiyacını karşılayacak şekilde seçilen Trijenerasyon sistemleri şu faydalara sahiptir:

·  Enerji dönüşüm ve kullanımında verimlilik artışı sağlar. İyi tasarlanmış ve işletilen kojenerasyon yâda trijenerasyon sistemleri her zaman geleneksel üretime göre hem maliyet hem de enerji açısından daha verimlidir. Tek bir yakıt ısı ve elektrik üretimi için kullanılır dolayısıyla maliyet tasarrufu satın alınan elektrik ile birincil enerji yakıtının fiyatı arasındaki farka bağlıdır. Trijenerasyonun karlılığı ucuz elektrik üretimi ile sonuçlanmasına rağmen, sistemin başarısı geri kazanılmış ısının verimli kullanımına bağlıdır. Dolayısıyla ana ölçüt uygun bir ısı veya soğutma gerekliliğidir. Kaba bir rehber olarak, yılda en az 4500 saatlik sürekli bir ısıtma yada soğutma talebinin olduğu sistemler kojenerasyon kurulumu için uygundur.

· Düşük sera gazı salınımına sahiptir.

 · Bazı sistemlerde biokütle yada rafineri gazları, proses veya tarımsal atık gibi bazı atık malzemelerin sistemde yakıt olarak kullanılması maliyet etkinliği artırır ve atık bertarafı ihtiyacını azaltır.

· Büyük maliyet tasarrufunun yanında endüstriyel ve ticari kullanıcılar için ekstra bir rekabet gücü kazandırır ve bireysel kullanıcılar için uygun fiyatlı ısı ve soğutma sunar.

· Sistemin ihtiyacı olan enerji türlerinin üretim ve tedarik güvenliğini artırır. Trijenerasyon sayesinde elektrik, ısıtma yâda soğutma ihtiyacının karşılanmama riskini azaltır. Buna ek olarak; kojenerasyon sistemi sayesinde azaltılan yakıt ihtiyacı, Avrupa’nın enerji geleceğinde kilit bir konu olan ithalat bağımlılığını azaltır.

Abdullah POLAT

Makine Yüksek Mühendisi

KAYNAKLAR

Akdeniz, N., 2007. Doğal Gazlı Kojenerasyon Sisteminin Ekserjetik Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 138s, Isparta.

Çengel, Y.A., Boles, M.A., 1999. Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik. Literatür Yayıncılık, 867s, İstanbul.

Şencan, A., 2004. Atık Isı ile Çalışan Absorbsiyonlu Sistemlerin Modellemesi, Ekserji Analizi ve Optimizasyonu. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 152s, Isparta.

[5] Cengiz, M., ProjeAnaliz, Kojenerasyon Yatırımları Hakkında, 2011, www.projeanaliz.com