Enerjinin Sakınımı ve Mühendislik Etiği
Yazan: Prof.Dr.Birol Kılkış
Bu yazıda uzunca bir ders sunmak amaç olmasa da sektöre iletilmesi gereken mesaj doğrultusunda Enerjinin Sakınımı Prensibini birlikte ziyaret etmenin gereğine inanıyorum:
Çevre ile ilişkisi olmayan (isolated) ve sınırları (hacmi) sabit bir fiziksel sistem içerisindeki toplam enerji nicelik (miktar) olarak değişmez, ancak bir enerji türünden diğerlerine geçişler olabilir.
1905 yılında Görecelik Teorisi ile kütlenin enerji denkliği ortaya konulduktan sonra bu prensip enerji-kütle sakınımı (Toplam Enerji) olarak da anılmaya başladı. Bu prensip daha sonraları nükleer alanda beta çözünümü laboratuvar gözlemlerinde pek de başarılı olamayınca bilim adamları nötrino adını verdikleri atom-altı parçacığın varlığını tahmin ettiler. Bugün nötrinoların var oldukları ve hem dalga hem de kütle özelliklerinin bulunduğu belirlendi ve böylelikle Enerjinin Sakınımı Prensibi değişmeksizin yerinde duruyor. Bu prensip aslen termodinamiğin birinci yasasını oluşturmaktadır. Kısacası, enerji yoktan var edilemez veya var olan bir enerji de yok edilemez, yani birinci yasa verimi yüzde yüzden fazla olamaz. Peki nasıl oluyor da yoğuşmalı kazanlarda %107 hatta %115 gibi verimlerden bahsedebiliyoruz? Etik ve bilimsel temellere dayanmayan bu sorun birinci yasaya göre kazan veriminin tanımındaki karmaşadan kaynaklı:
Kazanın Isıl Verimi, η = Toplam Yararlı Isıl Çıktı/ Yakıtın Enerji İçeriği (1)
Doğru tanım ısıl verim olmakla birlikte standart deney koşullarının maliyeti ve sahada yapılmasının zorlukları nedeni ile bazen yakıt verimi de kullanıldığında ilk farklılıklar ortaya çıkmaya başlamaktadır (ASHRAE Handbook, 2016). Yakıtın enerji içeriğinde ise alt ve üst ısıl değerleri (LHV, HHV) söz konusudur ve esas sorun bu noktada başlamaktadır. Hangi koşulda hangi doğru değeri kullanacağız? Sorunun nedenini biraz da kazanların tarihsel gelişiminde aramak gerekir. Geçmişte, döküm, çelik ve bakır malzemelerin paslanmasının önüne geçilmesi ve olası ısıl sarsımların (şok) önlenmesi için baca gazlarının yoğuşması arzu edilmez ve kazan dönüş suyu da 60oC’ın altına indirilmezdi. Yoğuşma gerçekleşmediğinden de doğal olarak verim ve maliyet hesaplarında yakıtın alt ısıl değeri kullanılırdı. Teknoloji geliştikçe ve bugünün küresel ısınma sorunu arttıkça kazan verimlerinin çevre ve ekonomi platformunda daha da önem kazanması ile birlikte yoğuşmalı kazanlar yaygın biçimde uygulanmaya başladı. Şekil 1’de de gösterildiği üzere yoğuşma rejiminde ideal kazan verimi daha yüksektir ama asla %100’ü aşamamaktadır (ASHRAE Handbook, 2016). Verim üst sınırı Alman Federal Ministry of Economic Affairs and Energy tarafından da %98 olarak verilmiştir.
Şekil 1. Kazan Giriş Suyu Sıcaklığı ile İdeal Kazan Verimi İlişkisine Örnek.
(ASHRAE Handbook-HVAC Systems and Equipment, 2016-Kısım 32.4, Şekil 6 üzerinde Çalışılmıştır)
Eğer gizli ısı kazan çıkışında değerlendiriliyorsa (Yoğuşmalı kazan ve toplam ısı) bu ısı aynen yakıt girdi tarafında da yani verim hesabının paydasına da aktarılmalıdır (Üst ısıl değer). İşte bu yapılmadıkça bilinçli veya bilinçsiz yaklaşımlarla verim %100’den fazla gözükebilmektedir. Bu tür bir yaklaşım bir unutkanlık veya alışkanlığın ötesinde, bazen yoğuşmalı kazanların yoğuşmasız kazanlara olan üstünlüğünü kuvvetli bir biçimde kitlelere duyurmak için de yapılmaktadır. Diğer bir olası etken de birçok yönergede ısıl değer tam olarak açıklanmamakta yakıtın ısıl değeri tümcesi ile yetinilmektedir. Bu da yanlışlıklara yol açabilmektedir. Verimin %100’den fazla gösterilmesi ve bu şekilde kullanılması sadece ülkemizle sınırlı kalmamakta özellikle Almanya’da sadece sektör değil bazı akademisyenler bile makalelerinde yoğuşmalı kazanlar için alt ısıl değeri kullanagelmektedirler. Halbuki yoğuşmalı kazanların fizik yasalarına tamamen aykırı biçimde tanıtılmalarına hiç ihtiyaçları yoktur ve önemli verim farkı Şekil 1’de zaten gösterilmektedir. Örneğin, 55oC kazan dönüş suyu sıcaklığındaki bir doğalgazlı örnek yoğuşmalı kazan verimi doğalgazın üst ısıl değerine göre hesaplandığında %88 olup kazan dönüş suyu sıcaklığı 40oC’a indirildiğinde bu verim aynı koşullarda %93 e yaklaşmaktadır. 70oC kazan dönüş suyuna sahip bir yoğuşmasız kazan verimi ise doğalgazın alt ısıl değerine göre hesaplandığında %86 dolayında gözükebilmektedir. Bu kez yoğuşmalı kazan üreticileri yoğuşmasız kazanlarla aralarındaki verim avantajının küçüldüğünden yakınabileceklerdir. Amaç her iki teknolojinin verim farkını gerçekçi bir biçimde ve eş bazda topluma yansıtmak ise fizik yasalarına uygun tek çözüm kazan teknolojisi farkı gözetmeksizin hesaplarda yakıtın üst ısıl değerini (LHV) kullanmaktır. Bunun sadece fiziksel olarak değil geçerli mantıksal ve ekserjik nedenleri de bulunmaktadır. Madem ki yakıt kazan teknolojine duyarsız yani yakıt aynı yakıt ise ve her iki teknolojide de kazana aynı özellikte ve enerji içeriğinde yakıt giriyorsa neden iki ayrı ısıl değer kullanıyoruz? Her iki teknolojide de kullanılan aynı tür yakıtın içerisinde gizli ısı (su buharı) var olduğuna göre kazanların verim performansı eş baza göre değerlendirilmelidir. Yoğuşmasız kazan gizli ısıyı değerlendirmiyorsa bu kazanın bir teknolojik sorunudur ve yakıtın kalitesini (Yararlı iş potansiyeli: Ekserji) tam anlamı ile değerlendiremiyor demektir. Bunun da bir bedeli olmalıdır ve hesaplara yansıtılması gerekir. IEA Annex 64’te bu konulara değinilmiş ve ekserjik anlamda yakıtın üst ısıl değerinin kullanılmasının gereğine işaret edilmiştir. Benim de katılmakta olduğum BSR/ASHRAE Standart 204 çalışmalarında da konu tartışılmış ve tüm mikro-kojenerasyon sistemlerinde yoğuşma olsun veya olmasın üst ısıl değerin kullanılması yönünde görüşler ortaya çıkmıştır. Konuya diğer bir açıdan bakacak olursak yakıt fiyatları üreticiler tarafından yakıt üst ısıl değerine göre belirlenmektedir. Eğer hesaplarda alt ısıl değer kullanılmaya devam edilirse yakıta verilen bedelin de tam karşılığını hesaplara yansıtamıyoruz gibi bir anlam çıkmaktadır ki bu olgu ünlü termodinamik bilim adamı Prof. Peter Novak’ın
“Enerjinin miktarına para ödüyoruz ama sadece niteliğini (İkinci Yasaya göre) kullanabiliyoruz”şeklindeki ünlü tümcesi ile de örtüşmektedir. Sonuç olarak, teknik anlamda yapılacak tek şey yoğuşmasız kazanlarda da yakıtın üst ısıl değerinin kullanılmasıdır. Bu yöntem elbette yoğuşma yapılamayan/yapılmayan kojenerasyon sistemleri gibi uygulamaları da aynı yönde etkileyecektir. HHV/LHV oranı doğalgazda 1.1 alındığında bir yoğuşmasız doğalgaz kazan verimi %86’dan yaklaşık %78’e inecek ve yoğuşmalı kazan-yoğuşmasız kazan verim farkı gerçekçi olarak ve bu kez Enerjinin Sakınımı Prensibini ihlal etmeksizin ortaya çıkarılmış olacaktır.
Yoğuşmalı kazanların Birinci-Yasa verimlerinin daha da artması Şekil 1’e göre ancak kazan dönüş suyu sıcaklığının azaltılmasına bağlıdır. Burada değinilmesi gereken ama pratikte göz ardı edilen üç karşıt konu bulunmaktadır:
1- Ekserji yıkımları kazan dönüş suyu sıcaklığı, (Tin) azaltıldıkça artar. Bu durumda sorumlu olunan CO2 salımları artar.
2-Kazan dönüş suyu azaltıldıkça ısıtma birimlerine giden su sıcaklığı da göreceli biçimde azalacağından -eğer orijinal konfor koşulları aynen korunacak ise- ısıtıcı birimlerin (Radyatör gibi) de büyütülmesi (Dilim eklemek gibi) gerekir. Bu işlem ek malzeme ve üretimden kaynaklı gömülü CO2 salımları demektir.
3- Isıtıcı birimlerin büyütülmesi sonucu genelde basınç kayıpları artar ve pompa işletiminden kaynaklanan CO2 salımları işletim süresince artar.
Eşitlik 2 kullanılarak, bütüncül bir yaklaşımla, bir yoğuşmalı kazanın ısıtma tesisatı ile olan ilişkisi de göz önünde tutulduğunda toplam CO2 sorumluluğunu belirleyen Z faktörü elde edilir. Kazan dönüş suyu sıcaklığı Tin azalırken Birinci Yasa Verimi η artmakta, işletim sırasındaki ekserji yıkımları artmaktadır. Bu etki Eşitlik 2’nin paydasındaki ikinci terim ile gösterilmiştir. Cihaz büyütmeye orantılı olarak kullanılacak ek malzeme ve ek üretim sürecine ilişkin gömülü CO2 değeri ise değişik malzemelere göre Z’ faktörü ile belirtilebilmektedir. Alüminyum malzemenin gömülü ekserjisi çok yüksektir. Çeliğin ise oldukça azdır. Demek ki geniş çerçeveden bakıldığında çelik malzemenin özellikle çok düşük sıcaklıklarda daha yararlı olduğu Eşitlikten 3 ve Şekil 2’den görülebilmektedir (©2018 Birol Kılkış).
1 kW-h ısıtma yüküne karşılık toplam özgül CO2 salımı ise Eşitlik 4’ten bulunmalıdır. 
Bu eşitliklerde cHHV yakıtın üst ısıl değerine göre hesaplanması gereken kg CO2/kW-h birimindeki özgül CO2 içeriğidir (API: American Petroleum Institute). Uygulamalarda ise bu değerin genelde alt ısıl değere göre hesaplandığı görülmekte ve bu nedenle de en az %11 dolayında bir hata da burada oluşmaktadır. Şekil 2’deki grafiğe henüz ısıtma cihazlarının büyütülmesinden kaynaklanan ek basınç kayıplarının pompa tahrikindeki işletme gider artışı dahil edilmemiştir. Buna rağmen CO2 salımlarının azaltılması için Z ve Z’ değerlerinin mümkün olan en üst değerlere (maks) ulaşması gerektiği gayet açıktır. Böylelikle ısıtıcı birimlerde kullanılan malzeme etkisi de sıfıra yaklaşmaktadır. Bu nedenlerle eğer amaç bütüncül bir yaklaşımla toplam CO2 salımlarının azaltılması ise Tin değerinin 50oC a (Çiğ noktasına) yaklaşarak kazan veriminin biraz azalmasını zorunlu kılabilir. Dolayısı ile, bir kazan otomasyonunda anlık işletme ve çevre değerlerine göre optimum noktaların dinamik olarak tespiti ve uygulanması gerekir. Bu arada mevsimlik yükler (derece-saat tabanında) ve mevsimlik verim hesapları da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu gerekler tasarım sırasında performans kestirimlerinde bulunurken yük hesaplarında derece-saat değerlerinin ve saatlik dış hava koşullarının kullanılmasını şart kılar. Tasarım ve uygulamada ise bu parametrelerin çoğu kez göz ardı edildiklerine şahit oluyoruz. Halbuki bu parametrelerin tasarımcı tarafından çok titiz irdelenmesi ve bütüncül bir yaklaşımla optimum kazan dönüş suyunu kazanın bağlı olduğu konum ve sistemlere göre tespit etmesi gerekir.
Şekil 2. Kazan Giriş Suyu Sıcaklığına Göre Z ve Z’ sayısının Değişimi ©2018 Birol Kılkış.
Optimum noktalarda kazan verimi biraz düşük gözükse de (Şekil 1) günümüzün gereği toplam CO2 salım sorumluluğu ön planda tutulduğunda bu verimin kabule şayan olduğu ve dolayısı ile de mutlaka kazan verimi en üst noktada olacak diye bir zorunluluğun olmadığı ortaya çıkar. Bu sonuç doğru bilinenlerin çoğu kez yanlış olabileceğini vurgulamaktadır. Burada da ezber bozulmaktadır: CO2 salımlarının en az olabilmesi için yoğuşmalı kazan veriminin en üst noktada- dönüş suyu sıcaklığının da en az noktada olması diye bir kural yoktur. Burada konu edilen yoğuşmalı kazan verimlerindeki sorunlar yakıtın her hesap aşamasında üst ısıl değere göre yapılması ile tamamen çözülebilmektedir. Artık literatürde üst ısıl değerlerinin tüm yakıt türleri için bulmak mümkündür. Hemen belirtmeliyim ki biz sorumlu mühendisler olarak doğru bilinen yanlışları düzeltmek çok önemli vazifelerimiz arasındadır.
