Jeotermal elektrik santrallerinde optimum performans ve verim için sistem tasarımı ve işletme şartlarının incelenmesi
Investigation system design and operational conditions for optimum performance and efficiency of geothermal power plants
Yazar: ÖZGÜR ÖZER
Danışman: PROF. DR. NAZIM USTA
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Alternatif enerji kaynakları = Alternative energy resources ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Jeotermal enerji = Geothermal energy ; Termal enerji = Thermal energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynağı olarak bilinen ve ülkemizde de bulunan
jeotermal ısı kaynaklarından elektrik üretimi önemli bir konudur. Ülkemizde
jeotermal ısı kaynaklarının sıcaklıkları bölgeye göre farklılık gösterse de
çoğunluğu düşük ve orta sıcaklıklı kaynaklardır. Orta ve düşük sıcaklıktaki
jeotermal ısı kaynaklarından elektrik üretiminde, sudan daha düşük sıcaklıkta
kaynayan akışkanların kullanıldığı organik Rankine çevrimi (ORC)
kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, Aspen Plus programı kullanılarak on farklı
iş akışkanıyla (R113, R114, R141b, n-pentan, izopentan, R245fa, n-bütan,
izobütan, R142b, R236fa) çalışan temel ve çift basınç kademeli ORC
konfigürasyonları analiz edilmiştir. Analizlerde jeotermal akışkanın basıncı 5 bar,
debisi 1400 t/h ve re-enjeksiyon sıcaklığı 65 °C seçilirken jeotermal akışkan giriş
sıcaklıkları 110 °C, 135 °C ve 160 °C olması durumları için incelemeler
yapılmıştır. Konfigürasyon tipi, jeotermal akışkan giriş sıcaklığı ve iş akışkanının
sistem net güç çıkışına, verime ve ekipman maliyetlerine etkilerini belirlemek için
termodinamik ve ekonomik analizlerde elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Jeotermal akışkan giriş sıcaklığının artmasının, her iki konfigürasyonda da net güç
çıkışını ve verimi artırdığı tespit edilmiştir. Ayrıca, çift basınç kademeli ORC
konfigürasyonun temel ORC konfigürasyonundan daha fazla net güç çıkışı ve
verimi sağlamasına rağmen, çift basınç kademeli ORC konfigürasyonun ekipman
maliyeti iş akışkanına bağlı olarak dikkate değer miktarlarda temel ORC
konfigürasyonundan daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu yüzden, optimum bir
sistem tasarımı için termodinamik ve ekonomik analizlerin birlikte yapılması
zorunluluğu sayısal değerler ile ortaya konulmuştur. Bunlara ek olarak, jeotermal
akışkan re-enjeksiyon sıcaklığının artışının, sistem net güç çıkışı ve verimine
etkilerinin hangi oranlarda olduğu da belirlenmiş ve sonuçlar sunulmuştur. Son
olarak, çift basınç kademeli ORC konfigürasyonunda yüksek ve alçak basınç
kademelerinde farklı iş akışkanı kullanımı ile daha fazla net güç çıkışı elde
edilebileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Electricity generation from geothermal heat resources which are known as
renewable energy sources and also available in our country, is an important issue.
Although temperatures of geothermal heat resources may vary depending on the
place in our country, most of the resources are low and medium temperature
geothermal resources. Organic Rankine cycle (ORC), which uses working fluids
boiling at much lower temperatures than water, is used in electricity generations
from low and medium temperature geothermal resources. In this thesis, basic and
double pressure ORC configurations with ten working fluids (R113, R114,
R141b, n-pentane, isopentane, R245fa, n-butane, isobutane R142b, R236fa) were
analysed by using Aspen Plus program for three different geothermal fluid inlet
temperatures, namely 110 °C, 135 °C and 160 °C, with 65 °C re-injection
temperature. Pressure and mass flowrate of the geothermal fluid were chosen as
1400 t/h and 5 bar for case studies. The results of thermodynamic and economic
analyses were compared to determine the effects of the configuration, the
geothermal fluid inlet temperature and the working fluid on the net power output,
the efficiency and the equipment cost of a system. It was determined that the net
power outputs and the efficiencies of both configurations were increased with
increasing the geothermal fluid inlet temperature. In addition, it was found that
although double pressure ORC configuration can generate higher power output
and efficiency than basic ORC at different quantities depending on the working
fluid, the equipment cost of a double pressure ORC configuration is significantly
higher than that of a basic ORC configuration for a working fluid. Therefore, it
was revealed that it is necessary to perform both thermodynamic and economic
analyses for optimum system design. In addition, the effects of geothermal fluid
re-injection temperatures on the net power output and the efficiency of the
systems were investigated and the results were presented. Finally, it was found
that more power output can be generated in double pressure ORC configurations
by using different working fluids at high and low pressure stages.