Yüzeysel jeotermal kaynaklardan güneş enerjisi entegrasyonu ile güç üreten sistemlerin geliştirilmesi
Development of near surface geothermal source based power systems with solar energy integration
Yazar: BETÜL GENÇASLAN
Danışman: DOÇ. DR. HASAN ÖZCAN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında güneş enerjisinin kullanımı ve depolanmasıyla elektrik ve ısı üretimi yapan sistemlerin termodinamik ve termoekonomik analizleri yapılmıştır. Üç farklı konfigürasyonun karşılaştırıldığı bu çalışmada referans sistem Parabolik oluk kolektörler ile sadece elektrik enerjisi üretmekte (Sistem I) ve ısı depolama sistemi bulundurmamaktadır. İkinci sistemde (Sistem II) elektrik ve ısının kojenerasyonu göz önüne alınarak aynı zamanda ısıl enerji depolanmasından da faydalanılmıştır. Son olarak ikinci sisteme yüzeye yakın jeotermal kaynaktan gelen ısı yardımı yapılarak sistemdeki termodinamik ve ekonomik değişiklikler gözlemlenmiştir (Sistem III). 1 MW elektrik üretimi yapan bu tesisler öncelikle parametrik çalışmalar yardımıyla optimize edilmiş ve optimum termal koşullar altında termoekonomik analizleri yapılmıştır.
 
Karşılaştırılan tesislerin sonuçlarına göre Sistem I'de ısıl depolama olmadığı için sadece gündüzleri çalışmıştır ve12581 m^2 ile en küçük panel alanına sahiptir. Sistemin enerji ve ekserji verimi sırasıyla %16,3 ve %17'dir. Benzer şartlar altında bakıldığında depolama olmayan sistemden üretilen elektriğin maliyeti 0.2625 $/kWh olarak hesaplanmıştır. Depolama kullanılan ikinci sistemde gece enerji ihtiyacını kararlı olarak karşılayabilmek için gerekli panel alanı artmakta ve bu artış yatırım maliyetleri ve dolayısıyla elektrik üretim maliyetlerini fazlasıyla arttırmaktadır. İkinci sistemde benzer koşullar altında elektrik üretim maliyeti 0.4358 $/kWh ve kojenerasyon için ısıtma maliyeti 0.0023 $/MWh olarak hesaplanmıştır. Jeotermal enerji desteğinin maliyet ve verim üzerine etkisi az olmasına rağmen ikinci sisteme göre daha ekonomik olduğu hesaplanmıştır. Hibrit (sistem III) sistemde elektrik ve ısı üretim maliyetleri sırasıyla 0.4 $/kWh ve 0.013 $/MWh olarak bulunmuştur. Yüksek yatırım maliyeti ve yenilenebilir kaynakların kesintili oluşu bu tip sistemlerden elde edilen faydalı enerjinin maliyeti üzerinde etkilidir ve fosil kaynaklı enerji üretimi ile kıyaslandığında halen dezavantajlıdır. Ancak Türkiye gibi enerji bağımlılığı olan ülkelerde uygulanması durumunda enerji fiyatlarını arttırsa dahi döngüsel ekonomiye katkı sağlaması beklenmektedir.

Abstract:
In this thesis, thermodynamic and thermoeconomic analyzes of the systems that produce electricity and heat through the use and storage of solar energy have been carried out. In this study comparison of three different configurations are conducted; the reference system produces only electrical energy (System I) with parabolic trough collectors and does not have a heat storage system. In the second system (System II), considering the cogeneration of electricity and heat, thermal energy storage was also utilized. Finally, thermodynamic and economic analysis is conducted in the third system by assistance of near-surface geothermal source (System III). These facilities, which produce 1 MW of electricity, are first optimized with the help of parametric studies, and thermoeconomic analysis is performed under optimum thermal conditions.

According to the results, System I have no thermal storage and only operated during the day and has the smallest panel area of 12581m2. The energy and exergy efficiencies of the system are %16.33 and %17 respectively. Cost of electricity generated from the non-storage system is calculated as 0.2625 $/kWh. In the second system, the panel area required to provide storage energy in order to meet the energy demand at night increases significantly compared to non-storage system and this also increases the investment costs and therefore, the electricity production costs. In the second system, the cost of electricity generation under similar conditions is calculated as 0.4358 $/kWh and the heating cost for cogeneration was calculated as 0.0023 $/MWh. Although the effect of geothermal energy support on cost and efficiency is small, it is still more economical than the second system. The electricity and heat generation costs in the hybrid system are 0.4 $/kWh ve 0.013 $/MWh, respectively. The high component investment cost and the intermittent availability of solar energy have a significant impact on the cost of product energy derived from such systems and are still disadvantageous compared to fossil-based power generation. However, their applications in energy dependent countries like Turkey are expected to contribute to domestic and circular economy with the disadvantage of increased energy prices.