Termik santralin güneş destekli bir hibrit santrale dönüşümünün teknik analizi
Technical analysis of a solar-aided thermal power plant
Yazar: HAKAN AVCI
Danışman: DOÇ. DR. BURHANETTİN ÇETİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji santralleri = Power plants ; Fosil yakıtlı santraller = Fossil fuelled plants ; Gaz emisyonu = Gas emission ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Karbondioksit salınımı = Carbondioxide emission ; Termik santraller = Thermal power plants

Özet:
Türkiye, özellikle son yıllarda, elektrik üretiminde yerli kömür ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmayı hedef edinmiştir. Elektrik üretiminde kömürün daha fazla kullanılması çevreye zararlı olan emisyon gazlarının artışına neden olacaktır. Kömür kaynaklı bu problemlerin azaltılması için ise yenilenebilir enerji kaynakları kullanılabilir.
Bu çalışmada, mevcut kömürlü bir termik santralin güneş destekli hibrit santrale dönüşümünün termodinamik ve ekonomik analizi yapılmıştır. Temel alınan santraller Yatağan ve Çan Termik Santralleridir. Çalışmada ilk olarak güneş alanının büyüklüğü optimize edilmiştir. Optimizasyon parametreleri olarak besleme suyu debisi ve modül sayısı alınmıştır. Optimizasyon yapılırken hibrit santralde güç artışının olmadığı, sadece yakıt tasarrufunun olduğu dikkate alınmıştır. Besleme suyu ön ısıtıcıları için çekilen ara buhar debisini sıfır yapacak güneş alanı değeri optimizasyonun sınır şartı seçilmiştir. Güneş destekli hibrit santral için tasarım şartları olarak kuzey yarım kürede en uzun günün yaşandığı tarih olan 21 Haziran, bu tarihte güneşin en yüksek noktada olduğu yerel saat olan 13.00, 900 W/m2 radyasyon değeri ve santralin %100 yük koşulları altında çalıştığı varsayımı kabul edilmiştir. Spesifik tarihler (21 Mart, 21 Haziran ve 21 Aralık), zaman, güneş radyasyon değeri, güneş alanı ve yük faktörü parametre olarak alınmıştır. Ele alınan parametrelere göre hibrit santralin enerji ve ekserji verimi ile özgül yakıt tüketimi hesaplanmış olup referans alınan santrallere göre değişimleri irdelenmiştir. Daha sonra %100, %75 ve %50 yük koşullarında ilk önce yıllık yakıt tasarrufu ve daha sonra yakıt tasarrufuna bağlı olarak yıllık karbondioksit emisyon azaltımı hesaplanmıştır. Son olarak ekonomik hesaplar için emisyon, güneş alanı ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Destekleme Mekanizması (YEKDEM) elektrik birim fiyatı parametre olarak alınarak yatırımların geri ödeme süreleri irdelenmiştir. Termodinamik analizler sonucunda, her iki santral için de güneş alanının yüksek basınç ön ısıtıcıların hepsine paralel olarak yerleştirilmesinin en uygulanabilir çözüm olduğu tespit edilmiştir. Güneş alanının yüksek basınç ön ısıtıcıların hepsine paralel olarak yerleştirildiği senaryolarda yıllık yakıt tasarrufu, Yatağan Termik Santrali için 16.513,3 t/yıl ve Çan Termik Santrali için 7.003,7 t/yıl değerini alarak en büyük değerine ulaşmıştır. Bu senaryolar için Yatağan Termik Santrali'nde %0,95'lik, Çan Termik Santrali'nde ise %0,61'lik yıllık yakıt tasarrufu ve yıllık emisyon azaltımı sağlanmıştır. Tasarım şartlarında, yıllık yakıt tasarrufunun en fazla olduğu senaryolar için termik verim Yatağan Termik Santrali'nde %8,9, Çan Termik Santrali'nde %7,2 düşüş göstermiştir. En iyi senaryolar için dahi güneş alanı birim fiyatının, Yatağan Termik Santrali için 138,9 €/m2'ye, Çan Termik Santrali için ise 127,1 €/m2'ye düşmesi durumunda yedi yıllık geri ödeme süresinin sağlanabileceği görülmüştür. YEKDEM elektrik birim fiyatı ise, Yatağan Termik Santrali için 0,24 €/kWh ve Çan Termik Santrali için 0,26 €/kWh olursa aynı şekilde yedi yıllık geri ödeme süresi sağlanabilir. Sonuç olarak, Türkiye'de uygulanacak bu hibrit sistemin finansal açıdan gelecek yıllarda çok daha ekonomik olabileceği görülmüştür.

Abstract:
Turkey, especially in recent years, in electricity production aims to increase the use of domestic coal and renewable energy sources. Greater use of coal in electricity generation will cause increase of emissions of harmful to the environment. Renewable energy sources can be used to reduce these problems caused by coal.
In this study, the thermodynamic and economic analysis of the conversion of an existing coal-fired thermal power plant to a solar-aided hybrid power plant was conducted. The basic plants are Yatağan and Çan Thermal Power Plants. At first in this study, the size of the solar field is optimized. Feed water and number of modules were taken as optimization parameters. When optimization is done, it is considered that there is no power increase in the hybrid power plant, only fuel saving. The boundary condition of the optimization is the value of the solar field which will make zero the extraction steam flow for the feed water preheaters. As a design condition for a solar-aided hybrid power plant, it is assumed that the longest daytime in the northern hemisphere is 21 June, at which time the sun is at its highest point 13.00, with a radiation value of 900 W/m2 and the plant operates under 100% load conditions. Specific dates (21 March, 21 June and 21 December), time, solar radiation value, solar field and load factor are taken as parameters. According to the parameters considered, energy and exergy efficiency of the hybrid power plant and the specific fuel consumption of the hybrid power plant was calculated and the changes according to the reference plants were examined. Then, at 100%, 75% and 50% load conditions, firstly annual fuel savings was calculated then annual carbon dioxide emission reduction was calculated based on annual fuel savings. Lastly, for economic calculations, the emission, solar and YEKDEM electricity unit prices have been taken as parameters and the payback times of the investments have been examined. As a result of the thermodynamic analysis, it has been found that for both power plants, it is the most feasible solution to place the solar field parallel to all of the high-pressure preheaters. In the scenario where the solar field is installed parallel to all of the high-pressure preheaters, annual fuel saving reached its highest value by taking 16.513,3 t/year for Yatağan Thermal Power Plant and 7,003,7 t/year for Çan Thermal Power Plant. For these scenarios, annual fuel savings and annual emission reductions were achieved at 0.95% at Yatağan Thermal Power Plant and 0.61% at Çan Thermal Power Plant. In the design conditions, the annual thermal efficiency of the Yatağan Thermal Power Plant decreased by 8,9% and Çan Thermal Power Plant by 7,2% in the scenario where annual fuel saving is the highest. Even for the best scenarios, seven-year payback time could be achieved if the unit price of the solar field drops to 138,9 €/m2 for Yatağan Thermal Power Plant and 127,1 €/m2 for Çan Thermal Power Plant. If the electricity unit price of YEKDEM is 0,24 €/kWh for the Yatağan Thermal Power Plant and 0,26 €/kWh for the Çan Thermal Power Plant, the same seven-year payback time can be provided. As a result, in the coming years from a financially point of this hybrid system to be implemented in Turkey it has been shown to be much more economical.