Enerji Sistemleri > Organik Rankine Çevrim Tesisleri

ORGANİK RANKİN ÇEVRİM (ORC)

 

Teknik anlamda zor ve ekonomik olmadığından dolayı, geleneksel olarak düşük sıcaklıktaki ısıdan faydalanmak çeşitli zorluklar içermektedir. Isıdan elektrik üretiminde kullanılan geleneksel teknoloji buhar türbinidir ancak uygun işletim için yüksek sıcaklık ve basınç gerektirmektedir. Düşük sıcaklıklarda (<150oC) tercih edilen teknoloji Organik Rankin Çevrimidir (ORC). Su ve yüksek basınçlı buhar yerine, organik akışkan kullanıldığı için böyle adlandırılmaktadır. ORC teknolojisinde sudan daha düşük sıcaklıkta kaynayan, yüksek moleküler ağırlıklı bir sıvılar kullanmaktadır. Bu özellik, ekonomik enerji üretimi için geleneksel olarak çok düşük kabul edilen ısı kaynaklarından ısı elde eden Rankin Çevrimine imkan tanımaktadır. Endüstriyel atık ısısı, pistonlu motor ceketinin su ısısı, jeotermal ısı, güneş havuzu, petrol ve gaz alanları vs. bu ısı kaynakları arasındadır.

ORC teknolojisi ilk olarak yaklaşık 50 yıl önce 1961’de İsrail’de geliştirilmiş ve özellikle ikili jeotermal enerji santralleri olmak üzere birçok alanda hızlı gelişen bir teknoloji haline gelmiştir. Geleneksel olarak, kuru ve flaş buhar teknolojileri, jeotermal kuyularda elektrik üretimi için kullanılan ana teknolojilerdi. Ama ikili teknoloji giderek büyümektedir ve 2020’ye geldiğimizde bütün jeotermal enerji üretim pazarına %50 ile hakim olarak öncü teknoloji olacağı tahmin edilmektedir.

 

 

 

 

ORGANİK RANKİNE ÇEVRİM TEKNOLOJİSİ

 

 

Isıdan elektrik üreten sistemi esas alan bir ORC teknolojisi (Şekil 3), buharlaştırıcı (1 nolu) içerisindeki organik çalışma sıvısını (yeşil çizgi) buharlaştırmak için sıcak kaynaktaki ısıyı kullanır (Şekil 2’deki kırmızı çizgi). Seçilen çalışma sıvısı silikon bazlı sıvılar olabilir veya düşük sıcaklıklar için hidrokarbon veya soğutucu bazlı sıvılar kullanılabilir. Basınçlı buhar daha sonra türbinlere (2 nolu) yollanır ve jeneratörle birleştiğinde elektrik üretir. Buhar, yoğunlaştırıcı içinde tekrar sıvı hale yoğunlaştırılır (3 nolu). Burada ya soğutma kulesi (5 nolu), ya yeraltı suyu ya da ırmak suyu (mavi çizgi) soğutma aracı olarak kullanılır. Hava soğutma sistemi de alternatif olarak kullanılabilir. Sonra soğutucu pompa (4 nolu) çalışma sıvısını tekrar buharlaştırıcıya pompalar ve bu kapalı çevrim süreci tekrar eder. Sıcak sıvı          yakıt kaynağı olarak kullanıldığından yakıt maliyeti sıfırdır.Ayrıca hiçbir yanma gerçekleşmediğinden, ORÇ enerji sisteminde atmosfere hiçbir salınım oluşmaz.

Sıcak kaynaklar genellikle sıcak sıvı veya gaz halindedir. Bu tip kaynaklardan gelen ısı, atık ısı kaynağı veya diğer sınırlandırmaların özelliklerine bağlı olarak, bir aracı araç vasıtasıyla doğrudan veya dolaylı olarak ORC çalışma sıvısına aktarılır. Sıvı haldeki atık ısı kaynakları genellikle ORÇ ünitesiyle doğrudan birleştirilir. Gaz haldeki ısı kaynakları ise dolaylı yoldan birleştirilir.

 

ORC’nin termodinamik çevrimi, Şekil 4’te şematik olarak gösterilmiştir. Soldaki halkaya aynı zamanda Sıcaklık-Entropi veya T-S diyagramı da denmektedir. Turbojeneratör sıcak kaynaktan ön ısıtmaya doğru ortaya çıkan ısıyı kullanır ve buharlaştırıcı içerisindeki uygun organik çalışma sıvısını buharlaştırır (2^3^4). Organik sıvı buhar, doğrudan veya devir düşürme dişlisi vasıtasıyla elektrik jeneratörüyle birleştirilebilen elektrik türbinine enerji verir (4^5). Buhar daha sonra su veya hava ile soğutularak yoğunlaştırıcı içerisinde yoğunlaştırılır (5^1). Organik sıvı son olarak ön ısıtıcı ve buharlaştırıcıya pompalanır (1 ^2); böylelikle kapalı çember devresindeki işlemler dizisi sona erer.

Çalışma Sıvısının Seçilmesi

 

Düşük sıcaklıklarda ısı transfer verimsizliği önemli olduğundan, bu sıcaklıklardaki uygulamalarda kullanılacak çalışma sıvısının seçimi kritiktir. Bu tür verimsizlikler, büyük ölçüde sıvının termodinamik özellikleri ve çalışma koşullarına bağlıdır. Düşük kalitede ısı elde etmek için, sıvı genellikle sudan daha düşük kaynama seviyesine sahip olur. Sıvının bazı önemli özellikleri aşağıdaki gibidir:

  1. İzoentropik doymuş buhar enerjisi: Geleneksel Buhar Rankin Çevrimindeki gibi bir kızdırma yaklaşımı, sıcaklık alt seviyesi nedeniyle uygun değildir. Bu yüzden, buharlaştırıcı egzozunda gerçekleşen küçük bir kızdırma işlemi her zaman tercih edilecektir. Bu “ıslak” sıvılar için bir dezavantajdır (genişlemenin sonunda iki kademeli durumdaki gibi). Kuru sıvıların kullanılması halinde, rejeneratör kullanılmalıdır.
  2.  Donma alt noktası, yüksek kararlılıktaki sıcaklık: Suyun aksine, organik sıvılar yüksek sıcaklıklarda genellikle kimyasal bozulmalara ve ayrışmaya maruz kalır. Azami ısı kaynağı sıcaklığı, bu yüzden, çalışma sıvısının kimyasal kararlığıyla sınırlıdır. Donma noktası, çevrimdeki en düşük sıcaklık olmalıdır.
  3.  Yüksek buharlaşma ısısı ve yoğunluk: Gizli sıcaklığı ve yoğunluğu yüksek olan bir sıvı buharlaştırıcı içerisindeki kaynaktan daha fazla enerji emecektir. Dolayısıyla gereken akış hızı, tesis boyutu ve pompa tüketimi düşecektir.
  4. Düşük çevre tesiri: Hesaba katılacak ana parametreler Ozon tükenme potansiyeli (ODP) ve küresel ısınma potansiyelidir (GWP).
  5. Güvenlik: Sıvı, tahriş edici, yanıcı veya zehirli olmamalıdır. Sıvı tehlikelilik seviyesini belirlemek için ASHRAE soğutkanlar güvenlik sınıflandırması kullanılabilir.
  6. Kolay bulunabilirlik ve düşük maliyet.
  7. Uygun basınçlar.

 

ORÇ’nin Bazı Önemli Avantajları

 

Buhar türbin sistemlerine kıyasla, ORÇ bazı özel avantajlara sahiptir. Buhar türbini yüksek sıcaklık ve basınçta kullanıldığı için genellikle daha verimli olsa da ORÇ aşağıda belirtilen kendine has bazı özellikler nedeniyle birçok uygulamada tercih edilmektedir. Şekil 5, jeotermal uygulama esnasında iki sistemi şematik olarak göstermektedir.

Şekil 5 Buhar ve ORC Sistemleri

 

  1.  ORC’de sıcak kaynak türbinle temas halinde olmadığından, jeotermal sularda bulunabilecek kirletici maddelerin türbine zarar verme tehlikesi yoktur. Flaş buharının jeotermal kaynaktan doğrudan buhar türbinine geçmesi sebebiyle, bu tehlike buhar türbininde mevcuttur. Jeotermal sular temiz değilse bu durum tahribata yol açabilir. Türbin bıçaklarındaki hasar elbette daha yüksek bakım maliyetine sebep olur. Zira bu durumda bıçakların sık sık yenilenmesi gerekmektedir. ORC’de, türbin bıçaklarına temas eden buharın temiz çalışma sıvısının buharı olmasından ötürü, türbinin 20 yıldan fazla sorunsuz çalışması nadir değildir.
  2.  Ayrıca organik çalışma sıvısı buhar türbinindeyken yüksek moleküler ağırlığı olan bir maddedir. Daha küçük olan yüksek hızlı buhar molekülleri türbine yüksek hızla çarpar, dolayısıyla bıçakların tahribatına neden olur. Bu da türbinin bakım ve yenileme sıklığını ve toplam maliyeti artırır.
  3.  ORC daha düşük sıcaklık ve basınçlarda çalıştığı için bileşenlerdeki mekanik ve termal gerilim, buhar türbinine kıyasla daha düşüktür. Bu da bileşenlerin ömrünü artırır.
  4.  ORC daha düşük sıcaklık ve basınçlarda çalıştığı için çalışma alanında bir operatöre ihtiyaç yoktur. ORC personele gerek duymadan uzaktan kontrol edilip çalıştırılabilir. Bu da çalışma maliyetini ciddi şekilde azaltır.
  5. ORC’nin önemli bir avantajı da nominal enerjinin %10’u gibi kısmi yüklemelerde bile nispeten daha yüksek verimlilikle çalışabilmesidir. Bu, girdi ısısının sık devinim yaptığı bazı endüstriyel uygulamalarda ve ORC’nin buhar türbinlerine kıyasla daha uzun süre çalışabildiği Güneş- Termal uygulamalarda özellikle avantajlıdır. Zira bu tür uygulamalarda güneşin doğduğu sabahın erken saatlerinde çalışmaya başlayıp güneşin battığı akşamın geç saatlerine kadar işleyebilir.
  6.  Çalışma sıvısı su/buhar yerine kullanıldığından su kullanımı gerekli değildir. Ayrıca buhar sistemlerinde genellikle gerekli olan mineralsiz su veya diğer yardımcı sistemlere ihtiyaç yoktur. Dolayısıyla sistemin tamamının işletilmesi ve kontrolü daha kolaydır.
  7. ORC’de türbin, buhar türbinine kıyasla daha düşük bir hızla döner, bu da mekanik zorlanmayı azaltır. Ayrıca, aracı olarak devir düşürücü dişli sistemi ve bağlı parçaları yoluyla doğrudan türbinle jeneratör arasında bir bağ kurulmasına imkan tanır.
  8. ORÇ ile yüksek türbin verimliliği (%85’e varıncaya kadar) elde edilebilir.
  9.  Ek olarak, çalıştırma-durdurma işlemlerinin kolaylığı, otomatik/devamlı çalıştırılabilme, güvenli ve sessiz çalıştırma, sahaya yüksek uyumluluk (%98 ve fazlası nadir değildir) ve ciddi bakımlar olmaksızın geçen uzun ömür (20+ yıl) diğer avantajları arasındadır.
  10.  Üretilen enerjinin düşük MW aralığında olduğu özel durumlarda ORC’nin buhar türbini karşısında özel ekonomik avantajı bulunmaktadır. Zira buhar türbini ek olarak çevresel bir sistem gerektirmekte; bu sistem maliyete eklenmekte ve bu da ekonomik anlamda küçük boyutlarda olmamaktadır.



Soğanlık Yeni Mah. Fuat Paşa Sk. No: 12: İST İSTANBUL Plaza K:7 D:15 T:0216 417 30 53 F:0216 549 30 53 M: info@aktermmekanik.com.tr | Tüm Hakları Akterm Mekanik Proje Taahhüt İnşaat ' a Aittir... | Designed by Marka C.A face twit en tr