MİKROTÜRBİNLER

GİRİŞ

Mikrotürbinler oldukça yeni sabit enerji üretim sistemleri olup giderek yaygınlaşmaktadır. Bu türbinler çok küçük ölçeklerde ısı ve elektrik üreten bir çeşit gaz türbinleridir. Mikrotürbinler küçük ölçekli güç üreticilerle karşılaştırıldığında önemli avantajlara sahiptir: Çok az sayıda dönen parça olması, kompakt yapısı, hafiliği, daha yüksek verim, daha düşük emisyon değerleri, ucuz elektrik üretim maliyeti, atık yakıtları kullanabilmesi gibi. Atık ısı geri kazım ünitelerinin eklenmesi ile % 80?den fazla verimliliğe ulaşmaktadırlar. Küçük yapıları, düşük ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri, otomatik elektronik kontrol sistemleriyle mikrotürbinlerin generatör piyasasında önemli bir pay alması beklenmektedir. Ayrıca doğrudan tahrik motoru olarak kullanılması halinde özellikle havalandırma ve klima sektöründe merkezi şebekeye bağlı olmadan çalışma imkanı da vermektedir.

TANIM

A.   Mikrotürbin Nedir?

Mikrotürbinler bir buzdolabı büyüklüğünde 25-500 kW elektrik üreten gaz türbin/jeneratör üniteleridir. Kamyon ve otomobillerdeki turbo chargerlar, uçaklardaki yardımcı güç üniteleri ve küçük jet motorlarından örnek alınarak geliştirilmişlerdir. Mikro türbinler genel olarak kompresör, yanma ünitesi, türbin, alternatör, rekuperatör (Kompresör kademesinin verimliliğini artırmak amacıyla atık ısıyı geri kazanmakta kullanılan ısı değiştirgeci) ve jeneratörden oluşmaktadır. Şekil 2?de mikrotürbinlerin çalışması gösterilmektedir.

Mikrotürbinler parçalarının fiziki yerleşimine göre sınıflandırılmaktadır: Tek veya iki şaftlı, basit çevrimli veya hava ısıtıcılı, ara soğutmalı ve ısı geri kazanımlı. Genel olarak 40000 dev/dak (rpm) çalışmaktadır. Yataklama seçimi kullanıma bağlı olarak yağ veya hava olarak yapılmaktadır. 90000-120000 dev/dak hızla çalışan tek şaftlı mikrotürbinler basit olması ve ucuzluğu sebebiyle daha yaygındır. Doğrudan tahrik motoru olarak kullanılanlar ise çift şaftlı olarak tasarlanmış ve AC frekansını değiştirmek için invertere gerek duyulmamaktadır. Mikrotürbinler genel olarak iki ana gruba ayrılmaktadır:

·        Basit çevrimli(Hava ısıtıcısız) mikrotürbinler: Basit çevrimli hava ısıtıcısız türbinlerde kompresörde sıkıştırılan hava yakıtla karıştırılarak sabit basınç altında yakılır. Ortaya çıkan sıcak gaz türbinden geçerek gücün elde edilmesini sağlar. Bu türbinler hava ısıtıcılı olanlara göre verimliliği % 15?e kadar düşmesine rağmen düşük ilk yatırım maliyeti, daha güvenilir olmaları, egzoz gazlarının kojenerasyon için daha fazla ısı taşıyor olması ile avantajlı hale gelmektedirler.

·        Hava ısıtıcılı mikrotürbinler: Metal sac ısı değiştirgeci egzoz gazı içindeki ısının bir kısmını sıkıştırılmış yakma havasına vererek yanma odasına çok yüksek sıcaklıkta girmesini sağlar. Egzoz gazı istendiğinde kojenerasyon amaçlı kullanılabilmektedir. Şekil 3 ve Şekil 4?te hava ısıtıcılı mikrotürbinlerin çalışma prensipleri verilmektedir. Verimliliği % 20-30 arasındadır. Hava ısıtıcılarının giriş havasını ön ısıtması sayesinde % 30-40 yakıt tasarrufu sağlanmaktadır.

Kojenerasyon seceneği mikrotürbin güç üretim sistemlerinde çoğunlukla tercih edilmektedir. Bu tip uygulamalarda toplam ısıl verimlilik  ısı proses gereksinimlerine bağlı olarak % 85?e kadar ulaşmaktadır. Seramikler ve ısı  engelleyici kaplamalar gibi gelişmiş malzemeler çalışma sıcaklığında önemli artışlara izin verdiği için mikrotürbinlerin geliştirilmesinde ve verimliliğin artmasında katkıda bulunmaktadır.  

C.    Mikrotürbinlerin Karakteristik Özellikleri

Mikrotürbinlerin kullanıldığı yerlerden bazıları:

·        Bağımsız Elektrik üretimi/Jeneratör:  Şebeke bağlantısı olmadan özellikle şantiye, kamp yeri v.b.

·        Güvenilir ve kaliteli güç üretimi: Frekans dalgalanmaları en aza indirilir, voltaj düşmeleri görülmez.

·        Yedek elektrik sağlayıcı: Düzenli olarak ana şebekelerden elektrik temininde sorunlar yaşanan bölgelerde yedek elektrik sağlayıcı olarak kullanılır.

·        Aşırı yüklenme durumlarında: Mikrotürbinler aşırı yük ihtiyacı olması halinde pik talepleri karşılamakta kullanılır.

·        Düşük maliyetli elektrik ihtiyacı: Merkezi şebekeden elektrik sağlamanın pahalı olduğu sürelerde yedek jeneratör olarak kullanılmaktadır.

·        Kojenerasyon amaçlı olarak elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılmaktadır.

Mikrotürbinleri Farklı Kılan Özellikler

Estetiktir: Merkezi dağıtım şebeke bağlantılarında kullanılan havai hatların çirkinliklerini ortadan kaldırır.

Maliyet etkinliği: Tesislerde aşırı güç çekim halinde oluşan fazla ödemeleri azaltarak enerji maliyetinin düşürülmesini sağlar (Bölüm D: Mikrotürbinlerin ekonomik yönleri bölümünde açıklanmıştır).

İşletme etkinliği ve güvenilirlik: Merkezi dağıtım hatlarının yeteri kadar güvenliği olmadığı, düzensiz kesinti ve voltaj/frekans dalgalanmalarının olduğu yerlerde güvenilir ve kaliteli güç elde edilmesini sağlar. Yeni kurulan yerlerde ve merkezi dağıtım hatlarının bulunmadığı şantiye, offshore tesisler, iletişim merkezleri gibi uzak yerlerde güç temininde jeneratör olarak kullanılabilir. Bu tip tesislere ısı ve elektriğin birlikte temin edilme olanağı verir. Enerji nakil hatlarında aşırı yüklenmenin önüne geçer. Enerji ihtiyacını artması halinde enerji nakil hatlarında iyileştirme yapılmasına ihtiyaç kalmaz. Tesislerde jeneratör için gerekli olan yer ihtiyacını azaltır.

Elektrik üretim kalitesi: Elektrik voltaj ve frekans değişimlerine hassas uygulamalarda yüksek kalitede güç sağlar. Kapasite artırma kolaylığı sayesinde acil güç artırma taleplerini kısa sürede karşılamak mümkündür.

Üretime katkısı olmayan yatırımlara daha az bütçe ayrılmasını sağlar; mikrotürbinler modüler yapıları sayesinde kapasite artırma veya azaltma yatırımlarının ihtiyaca/enerji talebine paralel olarak aşamalı yapılması imkanını verir. Merkezi güç santrallerinin yapımı genellikle gelecekte olacak tahmini enerji taleplerine göre planlanmakta ve yapımı uzun zaman almaktadır. Yedek güç üretim olanakları ile dağıtım şebekelerinde sorun olması halinde kısa sürede devreye alınarak işlerin aksamasının önüne geçer. Ayrıca içten yanmalı motorlardan çok daha sessizdir.

Güvenirlik ve güvence: Mikrotürbinlerin kullanılması enerji temininde güvence sağlamaktadır. Yedek kaynak olarak varlığı kullanıldığı yerlerde güvenilir ve sürekli enerji temininde, özellikle tesiste/şebekede yaşanan sorunlar sonrasında kısa sürede devreye alınabilmektedir.

Çevre dostu: Fosil yakıt yakılan tüm sistemler içinde en düşük emisyon üretendir. Karbon ayakizi çok düşüktür, çevreye en az zararı verir. Altyapı yatırımlarını dağıtım hatları ve trafo istasyonlarına ihtiyacı en aza indirdiği için çevre tahribatı çok azdır.

Hava ısıtıcılı mikrotürbinler, merkezi üretim tesislerden daha yüksek verimlilikte yakıtları enerjiye dönüştürmektedir. Enerji yük ve talep değişikliklerine kısa sürede cevap vermesi, enerji yönetimini de kolaylaştırmaktadır.

D.   Mikrotürbinlerin Ekonomik Değerlendirilmesi

Mikrotürbin yatırımlarının sermaye maliyeti 700-1,100 USD/kW arasında değişmektedir. Bu maliyete ekipman maliyeti, kullanılan yazılım, kullanım el kitapları ve işletmeci eğitimleri dahildir. Isı geri kazanım ünitesi ilave edildiğinde maliyet kapasiteye göre 75-350 USD/kW arasında artmaktadır. Montaj maliyetleri bölgesine göre yukarıda söz edilen maliyetlere ilave olarak % 30-50 kadar olmaktadır.

Mikrotürbin üreticilerinin hedef maliyetleri 650 USD/kW altına inmektir. Mikrotürbin piyasası genişleyip satış adetleri artarsa bu ulaşılabilir bir değer olarak görülmektedir.

Daha az dönen parçalarıyla mikrotürbinler, klasik pistonlu jeneratör teknolojilerine göre çok daha güvenilirdir. Mikrotürbin üreticileri normal kullanım halinde yılda bir bakımın yeterli olacağını belirtmektedir. Birçok üretici bakımların 5000-8000 çalışma saatinde bir defa yapılmasını öngörmektedirler. Mikrotürbin için bakım maliyetleri 0,005- 0,016 USD (0,5-1,6 cent)/kWh arasında olmaktadır. Bu değer aynı güçte ki pistonlu jeneratörlere göre daha makul bir değerdir.

E-  Mikrotürbin Uygulama Örnekleri

Mikrotürbinler yedek güç kaynağı, kaliteli ve güvenilir güç kaynağı olarak, aşırı yüklenme halinde fazla talebi karşılamak amacıyla ve kojenerasyon sistemi olarak kullanılabilmektedir. Bunlara ilave olarak çeşitli yakıtları kullanılabilme özelliği ile çöp düzenli depolama sahalarında elde edilen gazların yakılarak enerji üretilmesinde de başarıyla kullanılabilmektedir. Mikrotürbinler küçük ticari binalar için (restoranlar, otel/moteller, küçük iş yerleri gibi) çok uygundur.

Örnek Projeler:

Chicago, İllinois?de bir McDonald's restoranında doğalgaz ile çalışan mikrotürbin kullanılarak aylık elektrik faturasında 1500 USD tasarruf etmiştir.

California Spring Valley de Jamacha düzenli depolama sahasında elde edilen gazı yakan mikrotürbinlerden elde edilen elektrik, tesisin kendi elektrik ihtiyacını karşılamakta ve fazlası ise merkezi elektrik dağıtım şebekesine verilmektedir.

Lawrence, Massachusetts?te bir tekstil fabrikası düzenli olarak elektriği mikrotürbinlerden elde etmektedir.

Maryland Üniversitesi kampüsünde The Chesapeake Building?de soğutma, ısıtma ve elektrik üretimi mikrotürbin, chiller ve atık ısı geri kazanım sistemlerinden oluşan tesisten sağlanmaktadır (Şekil 6).

Şekil 6-Chesapeake Building CHP sistemi, Maryland Üniversitesi?College Park, MD

Şekil tercümeleri: Natural gas Doğalgaz/Exhaust Air Egzoz havası/Absorption Chiller Absorbsiyonlu Chiller/Chilled water soğutulmuş su/Solid Desiccant /CFM of Dry Air  ft3 Kuru hava/air to Zone 1 Bölge 1?e giden hava

Ulaşım araçlarında mikrotürbinlerin kullanımı için gelişmeler devam etmektedir. Otomotiv üreticilerinin hibrid elektrikli araçlarda, özellikle otobüslerde, hafif olması ve fosil yakıtları verimli güç üretim kapasitesi ile mikrotürbin kullanmayı amaçlamaktadırlar.

Merkezden uzak bölgelerde yakıt esnekliği, ısı geri kazanım ve kojenerasyon da kullanılabilmesi özellikleri nedeniyle mikrotürbin kullanımının yaygınlaştırılması için maliyet azaltıcı ve verimliliği artırıcı çalışmalar devam etmektedir (Örnek: Yakıt pili/mikro türbin, güç kasnağı/mikro türbin).

Mikrotürbin ile ilgili kuruluşlar

California Alliance for Distributed Energy Resources (CADER)

Distributed Power Coalition of America (DPCA)

U.S. Clean Heat and Power Association (USCHPA)

World Alliance for Decentralized Energy (WADE)

Üretici firmalar

Dünyada 20?den fazla şirket ticari olarak mikrotürbin araştırma ve üretimi yapmaktadır. Önde gelen 5 firma:

Bowman Power Systems

Calnetix Power Solutions

Capstone Turbine Corporation

Ingersoll-Rand Company (IR)

Turbec AB?dir.

KAYNAKLAR:

1. http://www.wbdg.org/resources/microturbines.php?r=minimize_consumption

 Barney L. Capehart, PhD, CEM College of Engineering, University of Florida 31-08 2010

2. California Distributed Energy Resources Guide on microturbines

3. www.slimfilms.com