Jeotermal santrallerde atık ısıdan termoelektrik etki ile enerji geri kazanımının incelenmesi
Investigation of energy recovery by thermoelectric effect from waste heat in geothermal power plants
Yazar: MAHMUT HEKİM
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN ÇETİN
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Atık ısı = Waste heat ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Enerji geri kazanımı = Energy recovery ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Jeotermal enerji = Geothermal energy ; Termal enerji = Thermal energy ; Termoelektrik jeneratör = Thermoelectric generator ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Jeotermal Enerji Santralleri (JES), yer altındaki ısıyı elektrik enerjisine dönüştüren yapılardır. JES'lerin elektrik enerjisi üretim verimliliklerinin %20'ler civarında olduğu bilinmektedir. Bu çalışmada, JES'lere Termoelektrik Generator (TEG) entegrasyonu yapılarak, atık ısıdan elektrik enerjisi üretilmesi, böylelikle reenjekte edilen jeotermal akışkanın atık ısısının geri kazanımı hedeflenmiştir. Çalışmada tasarlanan hibrit sistemde, JES'lerdeki reenjeksiyon kuyusuna gönderilen jeotermal akışkan, TEG'ler üzerinden geçirilerek elektrik enerjisi üretilmesi sağlanmaktadır. TEG sisteminde; her biri 3,2 W gücündeki TEG modüllerinin 12 adedi seri bağlanarak bir seri kol yapısı meydana getirilmiştir. Oluşturulan 4 adet seri kol da paralel bağlanmıştır. Sistem hayata geçirilmeden önce Matlab & Simulink ortamında tasarlanıp deneyimlenmiştir. Benzetim sonucunda TEG sistem verimi %2,44 olarak elde edilmiştir. Elde edilen sistem modeli, laboratuvar ortamında deney düzeneği haline getirilmiştir. Sistem, programlanabilir mantık denetleyicisi (PLC) tabanlı bir düzenekle kontrol edilecek şekilde oluşturulmuştur.  Tasarlanan düzenekteki jeotermal kuyu ve soğutma kulesi modellerinden gelen sıcak ve soğuk su kullanılarak, TEG sisteminde DC elektrik enerjisi üretilmiştir. Sistemde yer alan evirici ile de, DC elektrik enerjisi 230 V AC elektrik enerjisine dönüştürülmüştür. Üretilen enerji, elektriksel yük olarak seçilen led lambaların enerjilendirilmesinde kullanılmıştır. Çalışmada, Denizli'de kurulu Jeoden JES'ten alınan veriler birlikte değerlendirilerek termodinamik analizler de yapılmıştır.  Analiz sonuçlarına göre; jeotermal akışkanın ısıl enerjisinin, santral evaporator bölümünde maksimum düzeyde değerlendirilememesi neticesinde JES net çıkış gücünün düştüğü, bununla birlikte TEG'lerin güç çıkışının, reenjekte edilen jeotermal akışkanın sıcaklığındaki artışla birlikte arttığı görülmüştür. Varılan sonuç; bu tür bir hibrit sistemden daha fazla enerji elde edebilmesi yolunda, TEG'lerin daha düşük güç çıkışları ile kullanılmasını gerektirir yöndedir. Bir diğer gözlem, santral soğutma suyunun yüksek sıcaklık değerleri için JES'in ve TEG'lerin çıkış gücü değerlerinin azaldığı şeklindedir. TEG'lerden, yüzeyleri arasındaki ısıl fark büyüdükçe, daha fazla güç çıkışı elde edilebilmektedir. Bu noktada, toplam sistem veriminin artırılması maksadıyla santral soğutma suyu sıcaklık değerinin mümkün olduğu kadar düşük tutulması yerinde olacaktır.

Abstract:
Geothermal Power Plants (GPP) convert the thermal energy into electrical energy which is from the geothermal reservoir. It is known that the electrical energy production efficiency of GPPs is around 20%. In this study, it is aimed to generate electrical energy from waste heat by integrating a Thermoelectric Generator (TEG) into GPPs, thus recovering the waste heat of the reinjected geothermal fluid. In the designed hybrid system, the geothermal fluid sent to the reinjection well in the GPPs is passed over the TEGs to generate electrical energy. In the TEG system; a branch is formed by connecting 12 TEG modules in series each with a power of 3.2 W. And then, 4 branches are connected in parallel. Before the system is implemented, it is designed and simulated in Matlab & Simulink. As a result of the simulation, the TEG system efficiency is obtained as 2.44%. The obtained system model is constructed as an experimental setup. The experimental setup is controlled by a programmable logic controller (PLC) based control unit. DC electrical energy is generated in the TEG system by using hot and cold water supplying from the geothermal well and cooling tower models. With the inverter in the system, DC electrical energy is converted into 230 V AC electrical energy. The generated energy is used to energize the LED lamps selected as electrical load. In the study, the data obtained from the Jeoden GPP established in Denizli are evaluated with data from experimental setup together. After that, thermodynamic analyzes are also carried out. According to the analysis results; because of the thermal energy of the geothermal fluid could not be utilized at the maximum level in the power plant evaporator section, it is observed that the net output power of the GPP decreased, however, the power output of the TEGs increased with the rising of the temperature of the reinjected geothermal fluid. According to these results, in order to obtain more energy from such a hybrid system, it requires the use of TEGs with lower power outputs. Another observation is that the output power values of the GPP and TEGs decrease for high temperature values of the GPP cooling water. For larger thermal differences between the two surfaces of TEGs, the more power output can be evaluated. At this point, it would be appropriate to keep the cooling water temperature of GPP as low as possible in order to increase the total system efficiency.