Farklı iklim şartlarındaki jeotermal santrallerin soğutma sisteminin optimizasyonu
Optimisation of geothermal power plant cooling systems at different climatic conditions
Yazar: TUĞRUL BAŞARAN
Danışman: DOÇ. DR. BURHANETTİN ÇETİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Modern dünyada elektrik enerjisi, gıda, barınma, sağlık gibi en temel ihtiyaçlardan birisi
haline gelmiştir. Elektrik enerjisi evlerden sanayiye tüm alanlarda ve sağlıktan ulaşıma
tüm sektörler için yaşamsal önem taşımaktadır. Bu enerjinin önemli bir kısmı hala fosil
yakıtlı konvansiyonel elektrik santralleri ile üretilmektedir. İklim değişikliğine negatif
etkileri nedeniyle söz konusu santraller yavaş yavaş kullanımdan çıkarılmaktadır.
Almanya gibi bazı gelişmiş ülkeler ileride bu santralleri tamamen kapatacaklarını
açıklamaktadırlar. Nükleer enerji konusundaki atıkların depolanması ve güvenlik
endişeleri, nükleer santrallerin yaygınlaşmasında soru işaretleri oluşturmaktadır.
Bununla birlikte, nükleer enerji sera gazları yaymadan elektrik üretimi yapabilen
önemli bir alternatiftir. Son yıllarda ise rüzgar, jeotermal, güneş, biyokütle gibi
yenilenebilir enerji kaynakları daha önemli hale gelmiştir.
Jeotermal enerji de dünya genelinde yaygın olarak kullanılan yenilenebilir
kaynaklarından biridir. Jeotermal enerjinin diğer yenilenebilir enerji çeşitlerine göre
önemli avantajları vardır. Jeotermal kaynaklardan kesintisiz, sürekli, sürdürülebilir ve
meterolojik koşullara bağlı olmadan, güvenilir enerji elde edilebilir. Diğer yenilenebilir
kaynaklardan enerji üretimi jeotermale göre daha kısıtlı olabilmektedir.

Jeotermal santrallerde su ve hava soğutmalı sistemler soğutma işlemi için
kullanılabilmektedir. Yaygın olarak enerji üretiminde kullanılan binary tip santrallerde,
ağırlıklı olarak hava soğutmalı sistemler kullanılmaktadır. Bu nedenle bu tip jeotermal
santrallerde soğutma akışkanı olarak havanın kullanıldığı kuru soğutma sistemleri
tercih edilmektedir. Kuru soğutma sistemleri su tüketmezler. Bununla birlikte kuru
soğutma sistemlerinin uygulandığı santrallerin sıcak günlerde performansları önemli
ölçüde düşer. Bir miktar suyun kullanıldığı ıslak soğutma sistemlerinin kuru soğutma
bileşenlerine eklenmesi ile hibrit soğutma sistemleri oluşturulabilir. Hibrit soğutma
sistemleri tamamen ıslak soğutma sistemlerine göre daha az su harcarlar ve santral
performansı daha yüksektir. Bu sistemler sayesinde sıcaklığın yüksek olduğu günlerde
daha az soğutma suyu harcanarak santralin üretim kapasitesi artar.
Bu çalışmada farklı hibrit soğutma sistemi seçenekleri değerlendirilmiştir. Bu amaçla bir
analiz metodu geliştirilmiştir. Çalışmada ortaya çıkarılan metod ile jeotermal santralde
sıcak havalarda düşen performansı iyileştirmek için kullanılan sistemlerin ekonomik
analizi gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca bu sistemlerin kullandığı su miktarları da
hesaplanabilmektedir.
Çalışmada geliştirilen analiz metodunun adımları takip edilerek gerçek bir jeotermal
santralin verileri ile bilgisayar ortamında jeotermal santral ve hibrit soğutma sistem
modelleri Ebsilon Professional programında hazırlanmış, ardından matematiksel
modelleme ile analiz için kullanılan denklemler türetilmiştir. Denklemlerde iklim verileri
yerlerine konarak hesaplama yapılabilir. Çalışmada, kuru hava termometre sıcaklığı ve
bağıl nem, denklemlerde değişken olarak kullanılan iklim değerleridir. Analizin
yapılacağı bölgede bulunan yerel meteoroloji istasyonundan alınan değerler geliştirilen
denklemlerde yerlerine konularak hesaplamalar yapılabilir. Böylece çalışmada üretilen
denklemler ile farklı iklimlerde çalışan santrallerin analizlerinin yapılması imkanı
olmaktadır. Analizlerde kullanılan iklim verileri için istenilen zaman aralığı kullanılabilir.
Zaman dilimi küçüldükçe, hesaplamalardaki hata oranı azalır. Çalışmada saatlik veriler
kullanılmıştır.
Ebsilon Professional programı, ticari bir profesyonel termodinamik dizayn ve analiz
yazılımıdır. Çalışmada, jeotermal santralin referans modeli, tamamen ıslak soğutma
yapılan model, ilave kuru soğutma yapılan model ve üç farklı hibrit soğutma sistemi
modelleri kurulmuştur. Hazırlanan hibrit soğutma modelleri şunlardır: hava soğutmalı
kondenser giriş havası sıcaklığının evaporatif soğutma tekniği ile düşürüldüğü model,
ıslak ve kuru soğutma sektörlerinin entegre edildiği hibrit kulenin kullanıldığı model ve
ıslak ve kuru soğutma sistemlerinin seri olarak bağlandığı hibrit soğutma sistem modeli.
Modellerin güç üretim ve su tüketim karakteristik özellikleri bulunmuştur. Bu veriler
kullanılarak matematiksel modelleme yapılmış ve her bir model için dış ortam ve bağıl
nem değerlerine göre santralin ürettiği gücü ve harcanan su miktarının
hesaplanabildiği denklemler geliştirilmiştir. Böylece farklı iklim şartlarında hibrit
soğutma sistemlerinin gösterdiği performans ve bu sistemlerde tüketilen su
miktarlarının hesaplanabildiği matematiksel modeller literatüre kazandırılmıştır.
Hazırlanan modeller ile farklı iklimlerde bulunan santrallerin güç üretim ve su tüketim
değerleri bulunabilir. Saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak
hassas hesaplamalar yapılabilir. İncelenen santralin bulunduğu bölgenin su rezervleri
dikkate alınarak hibrit soğutma sistemlerinin yıl içerisinde çalıştırılacağı zaman aralıkları
belirlenebilir. Çalışmada sunulan modeller ile santral işletmecileri kendi koşullarına
göre hibrit soğutma sistemlerini kıyaslayabilir.
Bu çalışmada oluşturulan modeller kullanılarak Türkiye'de jeotermal sahaların ve
üretim santrallerinin bulunduğu üç farklı bölgenin iklim koşulları göz önüne alınarak
örnek vaka analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz için Aydın-Köşk, Kütahya-Simav ve
Çanakkale-Ayvacık ilçeleri seçilmiştir. Örnek çalışma için faal jeotermal kuyuların
bulunduğu yerlerden seçim yapılmıştır. Bu bölgelerde hâlihazırda üretim yapan
jeotermal santraller bulunmaktadır. Ayrıca iklimleri birbirinden farklı olan bölgeler
seçilmiştir. Aydın-Köşk sıcak ve nemli bir iklime sahip iken Kütahya-Simav daha soğuk
ve kuru bir iklime sahiptir. Çanakkale-Ayvacık ise ılıman ve fazla nemli olmayan bir
iklime sahiptir. Bu ilçelerdeki Meteoroloji Müdürlüğü yerel istasyon verilerinden elde
edilen Mayıs-Eylül arası beş aylık zaman diliminin saatlik dış ortam sıcaklık ve bağıl nem
değerleri kullanılarak tüm modeller için analizler gerçekleştirilmiştir. Bütün modeller
için saatlik güç artışı ve su tüketim değerleri bulunmuş, toplam mali getiri
hesaplanmıştır. Hibrit sistemlerin beş aylık çalışma getirisinin yıllık kazanca tekâbül
ettiği varsayılmış ve her hibrit sistemin maliyeti göz önüne alınarak yatırım geri dönüş
süreleri hesaplanmıştır.
Hibrit kule sistemi kullanıldığında Köşk'te 623.651 $/yıl, Ayvacık'ta 496.829 $/yıl ve
Simav'da 498.498 $/yıl kazanç elde edildiği hesaplanmıştır. Bu değerler brüt güç
üretimi dikkate alınarak hesaplanmıştır. Santral iç ihtiyacı hesaplamaya dâhil edilip net
güç üretimine göre analiz yapılırsa Köşk'te 443.525 $/yıl, Ayvacık'ta 326.527 $/yıl ve
Simav'da 316.689 $/yıl getiri olacağı bulunmuştur. Hibrit kule çalıştırıldığında Köşk'te
317.802 ton/yıl, Ayvacık'ta 259.340 ton/yıl ve Simav'da 233.834 ton/yıl su harcandığı
gözlenmiştir. Bu değerler tamamen ıslak soğutma sisteminde harcanan suyun sırasıyla
%59,5; %51,1 ve %47,3'üdür. Bu sistemin yatırım geri dönüş süresi 12 yıldan fazla
bulunduğu için ekonomik bir seçenek olmadığı değerlendirilmiştir.
Hibrit soğutma sistemi modeli ile yapılan hesaplamalarda Köşk'te 551.595 $/yıl,
Ayvacık'ta 491.485 $/yıl ve Simav'da 510.933 $/yıl kazanç elde edildiği, bununla birlikte
sırası ile 247.101 ton/yıl, 226.506 ton/yıl ve 215.971 ton/yıl su harcandığı tespit
edilmiştir. Buna göre hibrit sistem modeli ile kullanılacak su miktarının, tamamen ıslak
soğutmalı sistemin tüketeceği su miktarının Köşk'te %46,28'i; Ayvacık'ta %44,6'sı ve
Simav'da %43,69'u olduğu bulunmuştur. Santralin ürettiği net güç değerlerine göre
yapılan analizde Köşk için 709.032 $/yıl, Ayvacık için 653.209 $/yıl ve Simav için
671.002 $/yıl kazanç hesaplanmıştır. Aynı zamanda hibrit soğutma sisteminin yatırım
geri dönüş süreleri tüm bölgeler için yaklaşık 1,5 yıl olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç
sistemin ekonomik olarak uygun bir tercih olduğunu göstermiştir.
Evaporatif soğutma modeli ile yapılan hesaplamada Köşk'te 275.904,7 $/yıl, Ayvacık'ta
176.266,3 $/yıl ve Simav'da 170.545,2 $/yıl kazanç elde edilebileceği, bunun için sırası
ile yıllık 260.919 ton, 197.826 ton ve 168.131 ton su harcandığı gözlenmiştir. Bulunan
sonuçlar tamamen ıslak soğutma su tüketim değerlerinin %48,87'si, %38,96'sı ve
%34,01'idir. Net güç üretimine göre Köşk'te 257.389 $/yıl, Ayvacık'ta 162.953 $/yıl ve
Simav'da 155.442 $/yıl maddi getiri olduğu bulunmuştur. Evaporatif soğutma ile geri
dönüş süreleri 2 ile 3,5 yıl arasında değişmektedir. Çıkan sonuçlar evaporatif
soğutmanın yatırım yapılabilir bir sistem olduğunu ortaya koymuştur. Evaporatif
soğutma pratik manada da uygulaması en kolay ve en ucuz hibrit soğutma sistemidir.

Çıkan sonuçlar en fazla kazancın hibrit kule kullanımı ile sağlandığı, bununla beraber bu
sistemin yatırım geri dönüş süresi çok fazla olduğu için ekonomik bir tercih olmadığını
ortaya koymuştur. Hibrit soğutma sistemi ile hibrit kule seçeneğine yakın getiri elde
edilirken yatırım geri dönüş süresi 2 yıl gibi kısa bir süre olduğu bulunmuştur.
Evaporatif soğutma sistemleri ile elde edilen kazancın diğer sistemlere göre kısıtlı
kaldığı, bununla birlikte su tüketiminin daha az olduğu tespit edilmiştir. Bu sistemlerin
geri dönüş sürelerinin yatırım yapmak için mâkul sürelerde olduğu gözlenmiştir. Elde
edilen sonuçlar farklı iklim koşullarının jeotermal santrali performans ve su tüketim
değerlerini önemli ölçüde etkilediğini, bu nedenle jeotermal santral ile ilgili
hesaplamalarda santralin bulunduğu bölgenin iklim koşullarının mutlaka dikkate
alınması gerektiğini ortaya koymuştur.

Abstract:
Electrical energy became one of the basic human needs in the modern world as food,
shelter and health. Electrical energy has vital importance from houses to the industry
in all sectors from health to transportation. The important part of this energy is still
produced from fossil fuelled conventional power plants. Due to environmental
pressures, these power plants are gradually taken out of operation. Developed
countries for example, Germany, declared that these power plants will be closed
permanently in the near future. Storage of nuclear energy waste and safety fears on
nuclear energy prevents spreading of nuclear power plants. On the other hand, nuclear
energy is an important alternative for the generation of electricity without emission of
green house gasses. In recent years, renewable energy such as hydroelectric, wind,
geothermal and solar became popular.
Geothermal energy is one of the widely used renewable energy sources. Geothermal
energy has some important advantages compared to other renewable energy sources.
Other renewable energy sources are not reliable and consistent. However, consistent,
sustainable and reliable energy can be produced from geothermal sources,
independent of meteorological conditions.
In geothermal power plants, water and air cooling systems can be used for cooling
process. Binary type power plants that are commonly used in energy production

mainly use air cooling systems. Therefore dry cooling systems are used in geothermal
power plants where air is used as the cooling fluid. Dry cooling systems do not
consume water. However the performance of these power plants with dry cooling
systems drops substantially at hot days. Hybrid cooling systems can be created with
addition of wet cooling systems using low amount of water to dry cooling systems.
Hybrid cooling systems consume less water than completely wet cooling systems and
power plant performance is higher. Due to these systems, the performance of power
plants is increased with the consumption of low amount of water at hot days.
In this study, different hybrid cooling system alternatives are evaluated. For this
purpose, an analysis method is developed. The generated method in this study can be
used for economic analysis of systems applied for improving decreased performance of
geothermal power plants under hot temperature conditions. Additionally, it is possible
to calculate water consumption of these systems.
Steps of the analysis method developed in this study are followed, geothermal power
plant and hybrid cooling system models based on real geothermal power plant data
are prepared on Ebsilon Professional program in computer environment and equations
for analysis are derived for mathematical modelling. Climate data can be used as
variables in these equations for calculations. In this study, dry air thermometer
temperature and relative humidity are climate values selected as variables for
equations. Values obtained from local meteorological stations in analyzed region can
be used in equations for calculations. Thus, it is possible to conduct analysis for
different power plants operating in different climatic conditions by using these
equations. Desired timeframe can be used for climatic data used in the analysis. As
timeframe decreases, calculation errors decrease as well. For this study, hourly data is
selected.
Ebsilon Professional program is a professional commercial thermodynamic design and
analysis software. In this study, geothermal power plant reference model, the model
with completely wet cooling, model with additional dry cooling system and three
different hybrid cooling system models were developed. Prepared hybrid cooling
models are these: the model that evaporative air coolers are added to air cooled
condensers, hybrid cooling tower model which dry and wet cooling elements are
integrated and the model that dry and wet cooling systems are connected in series.
Power production and water consumption characteristic properties of different
models were found. Mathematical modelling is conducted based on this data and for
each model, equations to calculate power plant power production and consumed
water amount which use dry air bulb temperature and relative humidity values as
variables are developed. For each model, depending on the ambient temperature and
relative humidity values, equations were developed to calculate the power production
and water consumption of the power plant. As a result, equations for calculation of
performance and water consumption of different hybrid systems at different climatic
conditions were presented to the literature.
With models derived, values for power production and water consumption of power
plants at different climates can be calculated. Using hourly ambient temperature and
relative humidity, precise calculations can be made. Considering water reserves in the
area where power plant is located, time periods when the hybrid cooling system will
be operated can be determined. With models derived, power plant operators can
compare hybrid cooling systems according to their conditions.
With models developed in this study, case study analysis were carried out considering
climatic conditions in three different regions in Turkey where geothermal fields and
power plants are present. Aydın-Köşk, Kütahya-Simav and Çanakkale-Ayvacık provinces
are selected for analysis. For the case study, locations with active geothermal wells are
selected. These regions have operating geothermal power plants. Regions with
different climatic conditions are selected. While Aydın-Köşk has hot and humid
climate, Kütahya-Simav has relatively cold and dry climate. Çanakkale-Ayvacık has mild
and less humid climate. For these provinces, General Directorate of Meteorology local
station data are obtained for five month period between May-September and hourly
dry air bulb temperature and relative humidity values are used for calculations in all
models. For all these models, hourly power increase and water consumption values
and total financial gain are calculated. Five month operation gain of hybrid system is
accepted as annual gain and return of investment durations are calculated for each
hybrid system by considering investment cost.
With the application of hybrid tower, the benefits are as follows: Köşk 623.651 $/year,
Ayvacık 496.829 $/year and Simav 498.498 $/year. These revenues are calculated with
gross power values. If auxiliary power consumption of the geothermal power plant is
considered results would be as follows; Köşk: 443.525 $/year, Ayvacık: 326.527 $/year
and Simav: 316.689 $/year. With the application of hybrid tower, water consumptions
are as follows; Köşk: 317.802 ton/year, Ayvacık: 259340 ton/year and Simav: 233.834
ton/year. These values are 59,5%, 51,1% and 47,3% respectively compared with the
water consumption of complete wet cooling systems. Return on investment was found
to be more than 12 years. Therefore it was concluded that hybrid tower system is not
an economic choice.
In calculations with hybrid system model, benefits are; Köşk: 551.595 $/year, Ayvacık:
491.485 $/year and Simav: 510.933 $/yıl; water consumptions are: 247.101 ton/year,
226.506 ton/year and 215.971 ton/year respectively. These values are 46,28%, 44,6%
and 43,69% respectively compared with the water consumption of complete wet
cooling systems. Analysis with net power generation values revealed following gains;
Köşk: 709.032 $/year, Ayvacık: 653.209 $/year and Simav: 671.002 $/year. At the same
time, return on investment for hybrid system is calculated as approximately 1,5 years
in all regions. This result shows hybrid system is economically the reasonable
preference.
Benefits with the evaporative cooling model are; Köşk: 275.904,7 $/year, Ayvacık:
176.266,3 $/year and Simav: 170.545,2 $/year; annual water consumptions are:
260.919 ton, 197.826 ton and 168.131 ton respectively. These values are 48,87%,
38,96% and 34,01% respectively compared with the water consumption of complete
wet cooling systems. Results are calculated as Köşk: 257.389 $/year, Ayvacık: 162.953
$/year and Simav:155.442 $/year if analysis is carried out according to net power
production values. With the evaporative cooling system the rate of return on
investment varies from 2 to 3,5 years. These results emphasise that evaporative
cooling is an appropriate system that is economically viable. Also evaporative cooling
systems are the cheapest hybrid cooling system that can be implemented easily
compared to other systems.
Results show that highest income can be gained with the application of hybrid tower.
However, since the rate of return of investment is too high, it is not preferred from
economic point of view. With the application of hybrid cooling system, benefits are
very close to hybrid tower model, but return of investment is a short time as 2 years.
The benefit with the application of evaporative cooling system is rather limited
compared with other systems, however water consumption is less than others. The
return of investment period for other systems were seen to be reasonable. Results
found proved that the performance and water consumption of geothermal power
plants are affected substantially in different climatic conditions. Therefore it was
determined that climatic conditions in the area where the geothermal power plant is
located should be definitely considered in calculations for geothermal power plants.