Kojenerasyon

Kojenerasyon (İngilizce: Cogeneration veya combined heat and power (kısaca CHP)), tercihen ısı tüketimi olan yerlerde kullanılan ve aynı zamanda bölge ısıtma ağını yararlı ısıyla besleyebilen elektrik enerjisi ve ısı üretebilen modüler yapılı bir sistemdir. Bu sistem kombine ısı ve güç sistemi ilkesine dayanmaktadır.
Elektrik üretgeçi için hareketlendirici olarak yanmalı motorlar, yani dizel veya gaz motorları ve bunun yanında gaz tribünleri kullanan bir sistemdir.
Geleneksel lokal ısıtma sistemleri ve merkezi enerji santrallerine göre gösterdiği yüksek verimlilik derecesi nedeniyle elektrik üretiminden elde edilen atık ısı doğrudan oluştuğu yerde kullanılır. Elektrik enerjisi verimliliği tesis büyüklüğünden bağımsız olarak %25 ile %50 arasında değişmektedir. Bölgesel ısıtma sistemde atık ısı kullanımıyla dahili birincil enerjinin %80'ninden %90'a kadar kullanılabilmektedir. Kojenerasyonlar %40 kadar birincil enerjiyi tasarruf edebilmektedirler.
Geleneksel kojenerasyon birimlerinin beş kilowatt (kW) ile beş megavat (MW) arasında elektrik kapasiteleri vardır. 50 kW altında olanlarda mini kombine ısı ve güç birimlerinden söz edilirken, 15 kW altında olanlara mikro kojenerasyon denir. Mini ve mikro kojenerasyonlar hanelerde, küçük işletmelerde ve yerleşim birimlerinde kullanılmaktadır. Kombine ısı ve güç birimleri aynı zamanda ısıtma santrallerinde tipik olarak birkaç yüz MW'lık enerji kapasiteli santrallerde kullanılmaktadır.
İşletme türleri
İdeal olarak referans şebeke kaplı olup, fazla üretimin elektrik şebekesini beslemesi sağlanır. Isı ısıtma ve sıcak su hazırlamak için kullanılır.
Eğer kojenerasyonun kapasite verimi bölgesel ısınma ihtiyacını karşılamaya yönelikse, ısıtma yönelimli kojenerasyondan bahsedilir. Modüler yapılı tesislerde ısıtma kapasitesindeki ayarlamalarla tek bir agregat ihtiyaca göre açılıp kapatılır. Bir agregatın yapılandırılmasıyla güç çıkışı uygun olarak ayarlanır. Bu gibi tesislerde üretilen elektrik mümkün mertebede tesis içinde kullanılırken, artan enerji genel ağa dağıtılır ve uygun şekilde mahsup edilir.
Elektrik üretimi yönelimli kojenerasyon sistemlerinde kapasite çıktıları elektrik ihtiyacına göre yönlendirilir. Elektrik üretimi sırasında üretilen ısı bir termal depoda sonraki kullanımlar için saklanır veya bir soğutma sistemi üzerinden verimliliği düşürmesine rağmen atık ısı olarak çevreye verilir. Bu tarz çalışma biçimleri genellikle genel ağdan bağımsız olan elektrik ağlarında kullanılır. Öte yandan yenilenebilir hammaddelerle işletilen kojenerasyonlar Türkiye'de genellikle elektrik enerjisi üretimi yönelimli olarak kullanılır, çünkü yenilenebilir enerji kaynakları yasasına göre elektrik dağıtım tarifesinden yüksek karlılık getirmektedir. Üretim sırasında ortaya çıkan ısı şimdiye kadar genellikle göz ardı edilmiş olup, istisnai durumlarda tamamını kullanmak mümkün olmaktadır.
Performans seviyesi bir merkezi santralden birçok tesise paylaştırılıyorsa buna "ağ yönetimli kojenerasyon" denir. Merkezi sistemler arasındaki kojenerasyon ünitelerinin planlamasını ekonomik çerçeve koşullarına göre, örneğin ortak gaz ve elektrik sözleşmeleri gereğince optimizasyonunu sağlanır. Ağ yönetimi sanal enerji santrali fikrinin temel fikirlerinden biridir.
Açıklama
Genellikle kojenerasyon tesisleri tam güç çalışma fonksiyonunda sadece bağlı kullanıcıların maksimal ısı enerji ihtiyacının bir kısmını karşılamak için tasarlanmıştır. Bu şekilde pahalı elektrik üretme tertibatının en iyi şekilde kullanımı sağlanır ve yüksek çalışma saatlerine ulaşması (yıllık 7900 saat çalışma hedeflenirken çoğunlukla 3000 saatten 4000 saate kadar gerçekleştirilebilir) sağlanabilir.
Elektrik beslemeli ısı tankları yardımıyla mini kojenerasyonlar hanelerde kazan yükünü tepe değere getirmeksizin çalışabilir. Böyle bir kojenerasyon temel yükten sonra ısı enerjisi ihtiyacına göre ayarlamaz, tam aksine geleneksel kalorifer sistemi gibi pik yüke göre ayarlama yapar. Bu ayarlama yöntemi öncelikle söz konusu mini kojenerasyonlar da yaygınlık kazanmıştır. Böyle ayarlamalarda kojenerasyonun tekrarlı olarak açılıp kapatılması, makinenin ömrünü kısaltır ve maliyet verimliliğini düşürür. Bir mini kojenerasyona geçiş yaparken mevcut bir ısıtma tesisatı genellikle küçük değişiklikler ile yeniden kullanılabilir. Bu durum öte yandan kojenerasyon tertibatının büyük depolama imkanı veren bir sistemde kullanılması imkanını da sağlar. Kış koşullarında kalorifer tertibatının yeterli olmaması durumunda, mevcut brülor ya da pit yüklü kazanla ısıtmaya eklemlenebilir. Çok nadir ortaya çıkabilen ek ısıtma ihtiyaçlarında basit bir yedek elektrikli ısıtıcının kurulumuyla ekonomiklik sağlanabilir.
Ayrıca büyük kojenerasyonlar da ilave ısıtma depolarıyla optimize edilebilir. Bu şekilde pit yükü yedeğe stoklanır ve bunun yardımıyla kojenerasyondan elde edilemeyen ek ısıtma gereksinimi azaltılır. Ayrıca bu durum yüksek elektrik fiyatlarının olduğu dönemlerde geçici bir elektrik üretimi yönelimli sistem kurmaya olanak verir.
Ekoloji ve çevre yönü
Isıtma yönelimli tesislerin kurulmasındaki ekonomik ve ekolojik tabanlı temel düşünce üretilen ısıyı tamamıyla ve eğer mümkünse elektriği üretim yerinde kullanmaya dayanmaktadır. Artan elektrik ise belirli bir fiyata mahsuben genel elektrik ağına dağıtılmaktadır. Çünkü bu şekilde daha az geleneksel enerji üretim tesisi elektrik üretimi için kullanılmakta ve yerine artan kojenerasyon tesisleri kullanımıyla fosil yakıtlar nedeniyle ortaya çıkan karbondioksit yayılımı azalmaktadır. Bu nedenle kojenerasyon tarzı yenilenebilir enerji üretim tesisleri Türkiye sınırlarında devlet tarafından da desteklenmektedir.
Bir kojenerasyon tesisi klasik ısıtma ve elektrik sağlayıcılarından oluşan santrallere göre çok daha yüksek kullanım verimliliği (kullanılan elektrik enerjisi artı kullanılan ısı enerjisi bölü enerji girdisi) sağlamaktadır. Modern bir taş kömürü enerji santrali ancak %45 verimlilik dercesine ulaşabilmektedir. Yani, yaklaşık olarak üretilen enerjinin yarısı atık ısı olarak düşülmekte, bu atık ısınınsa merkezi büyük santrallerde ısı üretgeçiyle ısı alıcısının genellikle birbirinden uzak mesafelerde bulunması ve atık ısının uzak yerlere dağıtımıyla oluşan yüksek tesis maliyeti ve %10-15 arası belirgin taşıma kaybına sebep olmaktadır. Ayrıca elektrikteki voltaj değişiklikleri ve taşıma sırasında da %2 ile %5 oranında enerji kaybı oluşmaktadır. Kojenerasyon tesisleri %25 ile %50 arasında (büyüklük ve türüne göre) verimliliğe sahip olup, toplam verimliliği elektrik ve ısı üretiminin kombine olarak doğrudan kurulduğu yerde kullanımıyla yaklaşık %90'lara ulaşmaktadır.
Fakat işlem sonrası elde edilen ısının yerinde kullanımının bu avantajı uygun alıcının olduğu varsayımına dayanmaktadır. Konutlar mevsimlere göre çeşitli ısı düzeylerine ihtiyaç duymaktadırlar, örneğin elde edilen ısının anında yerinde kullanımı yaz dönemlerinde kısmen gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca yüksek toplam verimlilik derecesi sadece işlem sonrası elde edilen ısının optimal kullanımıyla, yani yukarıda bahsedildiği gibi ısı yönelimli üretim tesisi şeklinde faaliyet gösterdiğinde geçerli olabilmektedir.
Yağ değişimi, filtre takımı ya da gaz motorlarında buji değişimleri gibi durumlarda oluşan motor bekletmeleri ve buna bağlı olarak servis personelinin geliş gidiş maliyetlerine yapılan harcamalar ekolojik bilançoyu olumsuz olarak etkilemektedir, çünkü küçük ve merkezi olmayan tesislerde özellikle mikro kojenerasyonlar da bu durum kayda değer bir maliyet yükselmesi demektir. Enerji bilançosuna pozitif olarak etkisi ancak üretilen elektriğin kısa nakil hatlarıyla mümkün olmaktadır. İletim maliyetleri bu şekilde azaltılabilir.
Teknik
Orijinal olarak kojenerasyon tesisleri yanmalı motorlara dayanmaktadır, ısı egzozdan ve soğutucu devridaiminde kalorifer suyunu ısıtmak için kullanılır. Bunun yanında Stirling motoru, buhar motoru ve biyokütle gazlaştırıcı makine gibi sistemlerde elektrik üretimi için kojenerasyon tesislerine entegre edilebilir.
Kojenerasyon kullanımı içten yanmalı motorun türüne göre, sadece oda ısıtması hazırlamaktan ziyade su buharı, sıcak hava, sıcak yağ ve emme ısı pompası üzerinden süreç ısı üretmeye hizmet etmektedir. Bu şekilde kojenerasyon tesisinin atık ısısından soğuk hava de elde edilebilir.
Yakıt olarak fosil ya da yenilenebilir hidrokarbonlardan bitki yağı (genelde hurma yağı), biyodizel (dizel motorlar için), doğal gaz, bağlı olarak biyogaz (Otto motorlar, çift yakıtlı motorlar veya gaz tribünleri için biyogaz motorları) kullanılır, bunun yanında talaş ve ahşap peletleri Stirling motorlarda yaygın kullanılan hammaddelerdendir.
Yanmalı motor veya gaz tribünü temelli kojenerasyon sistemlerinde atık ısı soğuk devir-daiminde ve egzoz sisteminde ortaya çıkmaktadır. Atık ısı, ısı eşanjörü üzerinden konutun merkezi ısıtma sistemine iletilir. Bu şekilde motor kullanımı ve motor etki derecesine bağlı olarak %95 düzeylerinde kullanım oranlarına ulaşabilmektedir. Tam kapasite motor kullanımında safi elektrik etki derecesi motorun ve jeneratörün yakıt kullanımı, büyüklük ve imal biçimine (örneğin turbolu/turbosuz) %20 (mini kojenerasyonlarda) ile %43 (1 MW üzeri kapasiteli dizel motorlarda) arasında değişmektedir.
Yaklaşık 1 ile 5 kW arasında elektrik ve 3-15 kW arası sıcaklık performanslı mikro kojenerasyonlar tek ya da çok haneli konutlarda ısıtma sistemi olarak görev yapabilmektedir. Yüzlerce kW performanslı orta büyüklükteki kojenerasyonlar genellikle küçük yerleşim bölgeleri veya yüzme havuzlarını ısıtmak ve elde edilen elektriği yerinde kullanmak için kullanılmaktadır. Gemi dizel motoruna sahip 10.000 KW üzeri büyük kojenerasyonlar büyük yerleşim birimleri ya da fabrikaların elektrik ve ısıtma sistemlerinde kullanılır.
Ekonomiklik
Bir kojenerasyon sisteminin ekonomikliği için en önemli unsur makinenin tam kapasitede yıllık çalışma saatlerinin büyüklüğüdür (genellikle 4.000 saat). Bu şekilde ekonomik açıdan elde edilen elektrik ve ısı düzeylerini mahsuben tesise yapılan yatırımlar karşılanabilir.
Isı yönelimli kojenerasyon sistemlerinde yıl içinde gerekli olan ısı performansı konut için yılda kaç saat ne kadar kapasiteyle çalışılarak elde edileceği tespit edilir ki yaklaşık olarak yıllık 3.000 saatlik çalışma saatine denk gelmektedir. Genellikle pit ısı performansının %25-30'u olan tepe ısı performansı bu şekilde tespit edilir. Bu yükseklikte bir performansa ulaşmak için kojenerasyonlar birden çok motorla donatılmaktadır.
Yerleşim yerlerinde ısıtma enerjisi ihtiyacı mevsim şartlarına göre çok fazla değişmektedir, özellikle yaz ortasında sıcak su ihtiyacı minimuma düşmektedir. Bu dönemlerde elde edilen ısıyı buna bağıl olarak elektriğe çeviren kojenerasyon modelleri kullanılır ve İhtiyaç dalgalanmaları eşitlenebilir.
Kapsayıcı bir ekonomiklik incelemesi ile bütün yatırımlar ve işletme maliyetleri (amortismanlar, yakıt ve bekleme maliyeti vs.) ve elektrik ve ısı enerjisinden elde edilen gelirler karşılaştırmalı olarak tespit edilir. Ve giderleri minimuma indirme yolları tespit edilir.
Yaz mevsiminde azalan ısı enerjisi ihtiyacının yarattığı maliyetleri düşürmek için bu artık ısıdan yararlanan emmeli soğutma makineleri kullanılarak ortam iklimlendirmesi için kullanılır. Gelecek dönemlerde ise sanal santral kurularak, merkezi olmayan birden çok tesisi merkezi bir sistemden kontrol etme olanağına sahip olunarak yönetim giderlerini düşürmek mümkündür. İhtiyaca göre enerji üretmeyip, ayrıca baz enerji veremeyen güneş ve rüzgar enerjilerine göre kojenerasyon sistemleri ayarlanabilir ısı tamponları ile çok daha verimli çalışabilmektedir. Bölgesel olarak gerekli olan elektrik enerjisi iletildikten sonra, elektrikle beslenen sıcak su tanklarında gerekli ısı enerjisi biriktirilir.
Tek haneli ya da çok haneli konutlara kojenerasyon sistemleri pazarlamanın temel sorunlarından biri tipik doğalgazlı ya da fosil ısıtmalı sistemlere göre yüksek maliyetleridir. Buna rağmen amortismanın çabuk sağlanması ve yüksek verimliliği nedeniyle diğer tip yöntemlere göre daha tercih edilebilir sistemler haline gelmektedir.