JEOTERMAL KAYNAKLARDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ
Ucuz enerji çağından pahalı enerji çağına girilirken ömrü son derece kısıtlı olan konvansiyonel enerji kaynaklarının, bir gün tükenebileceği düşünülmeye başlanmıştır. Bu kaynaklardan kömür, dünya rezervlerinin %15’ini, petrol %14’ünü, doğal gaz ise %11’ini oluşturmaktadır. Yeni rezervler bulunmaması durumunda, kömürün 240 yıl, doğal gazın 50 yıl, diğer hidrokarbonların 64 yıl süreyle dünya enerji gereksinimini karşılayacağı varsayılmaktadır. Bu nedenle, hızla artan nüfusun ve teknolojik yeniliklere bağlı olarak gelişen endüstrinin enerji gereksinimi karşısında, konvansiyonel enerji kaynaklarının yerine geçebilecek, yeni ve yenilenebilir doğal kaynakların araştırılması, bulunması ve bunlardan yararlanılması konusunda büyük bir arayış içine girilmiştir.
Dünyadaki enerji kaynakları, fosil kaynaklar (kömür, petrol, doğal gaz, turba, petrollü kayalar vb.) yenilenebilir kaynaklar (hidrolik, biyomas, jeotermal, güneş, rüzgar, gelgit dalga, jeotermal gradyan) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bunlardan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerindeki araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Jeotermal enerji, yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde çok önemli bir yer tutmaktadır.
JEOTERMAL ENERJİ
Jeotermal enerji, yerkabuğu içerisinde hazne kayalarda bulunan, basınç altında aşırı derecede ısınmış suların içerdiği bir enerjidir. Ekonomik önemdeki jeotermal enerji birikimi, sıcaklığı 40° C-380° C arasında olup, 3000 metreye kadar olan derinliklerde geçirimsiz kayalar altında yer alan, geçirimli hazne kayalar içinde bulunmaktadır. Bugüne kadar yapılan araştırmalar, üç jeotermal sistemin varlığını ortaya koymuştur. Bunlar, sıcak su sistemi, kuru buhar sistemi ve sıcak kuru kaya sistemleridir.
Sıcak Su Sistemi
Yeryüzünde sıcak su esaslı sistemler, buhar esaslı sistemlerden yirmi kat daha fazla bulunmaktadır. Sıcak su sisteminde, derindeki hazne kaya içerisinde, basınç altında, yüksek sıcaklıkta, erimiş kimyasal madde bakımından çok zengin, farklı kimyasal özellikte sular bulunmaktadır. Bu tür sistemlerden sondajlarla yeryüzüne çıkarılan sıcak su+buhar karışımından elde edilen buhardan, elektrik enerjisi üretilmekte, buharı alınmış sıcak su ise, atılmaktadır.
Kuru Buhar Sistemi
Buhar esaslı sistemler, sıcak su sistemlerinden farklı olarak, çok fazla ısınmış, nem miktarı az, sıcaklığı yüksek buhar üretirler. Bu tür buhar, bir enerji kaynağı olarak doğrudan jeoterman santrallere gönderilerek elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Bir bakıma, bu tür enerji kaynakları, yerkabuğu içerisinde oluşmuş birer doğal nükleer reaktör olarak kabul edilebilir.
Sıcak Kuru Kaya Sistemleri
Yerküremizde özellikle genç aktif volkanik kuşaklarda, jeotermal gradyanın çok yüksek olduğu bölgelerde, sıcak su içermeyen yüksek sıcaklığa sahip kızgın, kuru kayalar bulunmaktadır. Bu tür sistemlere soğuk su basılarak sıcak su + buhar karışımı alınmakta ve bu, bir enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır.
JEOTERMAL ENERJİNİN ELEKTRİK ÜRETİMİNDE KULLANILMASI
Çeşitli araştırma tekniklerinin uygulanması sonucunda, jeotermal enerjinin oluştuğu uygun jeolojik koşullarda yapılan sondajlarla aşırı derecede ısınmış sular, yaş ve kuru buhar olarak yeryüzüne çıkarılmaktadır. Bu jeotermal akışkan, üzerindeki basıncın azalması ile su-buhar fazlarına ayrılmaktadır. Ayrılan buhar, jeotermal santrallere gönderilerek, elektrik enerjisine dönüştürülmekte, atık su ise, diğer ısıtma sistemlerinde kullanılmakta veya yeraltına basılmaktadır. Yaş buhar, buhar yüzdesinin ve entalpisinin yüksek olması durumunda elektrik üretimi için daha verimli olmaktadır.
Yerkabuğunun derinliklerinden elde edilen kızgın kuru buhar ise, doğrudan jeotermal santrallere gönderilerek elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.
Elektrik üretimi için en elverişli jeotermal kaynaklar, yüksek sıcaklıklı ve yüksek entalpili kuru buhar sistemleridir. Bunların sıcaklıkları 250ºC-380ºC arasında değişmektedir. Çok az nemliliğe sahip buhar, kızgın kuru buhar olarak tanımlanmaktadır.
1985 yılı sonunda Yerküre üzerindeki jeotermal santralların toplam kapasitesi 4763MW (Megavat) dolayında bulunmaktaydı. Yapımı sürdürülen jeotermal santrallarla 2000 yılından, 72890MW elektrik enerjisi üretimi beklenmektedir. Bu veriler, jeotermal enerjinin ileride önemli bir güç kaynağı haline geleceğini ve konvansiyonel fosil enerji kaynaklarının yerini alacağını göstermektedir.
Bugünkü enerji gereksinimi karşısında jeotermal kaynakların enerji üretimine olan katkısı küçük görülebilir. Ancak bu enerji türünün araştırılması ve yararlanma biçimi ile ilgili çalışmaların oldukça yeni olması da gözden uzak tutulmamalıdır.
Tükenirliği olmayan, yenilenebilen bu enerji kaynağı üzerinde, yerküremizde çalışmalar sürdürülmekte, özellikle yararlanma biçimleri konusunda yeni araştırmalar yapılmaktadır. Jeotermal enerji kaynaklarının araştırılması konusunda başarılı çalışmalar yapılmakta ancak, bu enerjiden pratik ve ekonomik biçimde yararlanma konusunda yavaş bir ilerleme gözlenmektedir.
JEOTERMAL ENERJİNİN ELEKTRİK ÜRETİMİ DIŞINDA KULLANILMASI
Isıtmada, soğutma sistemlerinde, jeotermal akışkanlardan kimyasal maddelerin elde edilmesinde, ziraat sektöründe, balinoterapide, seraların ısıtılmasında, turizmde çeşitli alanlarda jeotermal enerjiden oldukça önemli biri şekilde yararlanılmaktadır. Bu tür kullanımlar için düşük entalpili ve 25ºC-180ºC arasındaki sıcak sular, yeterli olmaktadır. Bunlar az miktarda çözünür madde içermekte, ekonomik (kolaylıkla elde edilebilir, yüksek yatırıma gerek olmayan) derinliklerde yer almaktadır. Bu nedenle orta sıcaklıktaki jeotermal kaynaktan bu tür enerjinin elde edilmesi kolay ve ekonomiktir.
Düşük sıcaklıklı akışkanlar ısı kaynağı olarak kullanılabildiği gibi, yüsek sıcaklıklı jeotermal sistemlerde yer alan sıcak sular da bir ısı kaynağı olarak kulllanılmaktadır.
ABD’de tüketilen enerjinin %15-%20’, sıcaklığı 100ºC-150ºC arasında değişen jeotermal akışkanlardan karşılanmaktadır. Jeotermal enerjinin kullanılmasıyla bu ülkede, önemli ölçüde petrol ve doğal gazdan tasarruf sağlanmaktadır.
Jeotermal enerjinin elektrik enerjisi dışında kullanım alanları çok yaygın olup, enerji dönüşümündeki etkinliği, elektrik enerjisi üretiminden beş, altı kez daha fazladır. Ayrıca ısı depolaması, yüksek sıcaklıklı jeotermal sistemlerin yüz katını aşmaktadır. Çünkü, elektrik dışı uygulamalar için gerekli olan düşük ve orta sıcaklıklı jeotermal kaynaklar, sayı ve potansiyel bakımından yerküre üzerinde elektrik üretimi için kullanılan yüksek sıcaklıklı jeotermal kaynaklardan daha fazla bulunmaktadır. Bu nedenle, jeotermal enerjinin elektrik enerjisi eldesi dışında kalan alanlardaki kullanımı, gelecekte bu enerjiden elde edilen elektrik enerjisi üretimini aşacaktır.
DÜŞÜK VE ORTA SICAKLIKLI JEOTERMAL KAYNAKLARDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ
Bugüne kadar jeotermal kaynakları, yüksek sıcaklıklı (180ºC-380ºC), düşük ve orta sıcaklıklı (25ºC-180ºC) olmak üzere araştırılmış; bunlardan yüksek sıcaklıklı jeotermal kaynaklar, elektrik enerjisi eldesi dışında kalan alanlarda kullanılmıştır. Ancak özellikle ileri ülkelerde yapılan yeni araştırmalar, düşük ve orta sıcaklıklı kaynaklardan da elektrik enerjisi üretilebileceğini ortaya koymaktadır. Bu nedenle, jeotermal enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretilmesi konusunda sınırlamalar ortadan kalkmış, elektrik enerjisi üretim sıcaklığı 80ºC’ye kadar inmiştir.
Konvansiyonel buhar türbinlerinde olduğu gibi düşük ve orta sıcaklıkta jeotermal kaynaklardan elektrik enerjisi üretebilen yeni sistem, rankine güç devresi prensibine dayanmaktadır. Fakat, konvansiyonel buhar türbinlerinden farklı olarak, sistemde, su yerine kaynama noktası düşük karbonflorür veya hidrokarbon ailesinden organik hareketli bir sıvı kullanılmaktadır. Bu organik sıvının seçiminde, molekül ağırlığı, kimyasal kararlılığı, sistemde kullanılan malzeme ile olan uygunluğu, optimal hacim/basınç karakteristikleri için kaynama noktası gibi özellikler gö önüne alınmaktadır. Bu organik sıvı ile çalışan enerji dönüştürücüleri standart, taşınabilir, komple üretim santrallarıdır. Bu tür santrallarda, bütün güç üniteleri fabrikasyon olarak imal edildiğinden, güç santralinin kurulması için gerekli olan proje uygulaması uzun zaman almamaktadır. Jeotermal kaynağın sıcaklık ve debisine bağlı olarak, 300kW arasında değişen elektrik üretebilen uygun paket santraller imal edilmiştir.
Elektrik üretilebilen bu paket güç santralleri, kendi içerisinde tam otomatik olup ısı kaynağının parametrelerine bağlı olarak uygun bir güç üretmektedir. Sistemde kullanılan organik sıvı, düşük ve orta sıcaklıklı jeotermal akışkanlarla çalıştığı zaman buhardan çok daha fazla avantaja ve verime sahiptir. Bu çalışma sıvısı, güç çıkışını optimize edecek şekilde, jeotermal kuyudan elde edilen suyun sıcaklık ve debisine göre seilmektedir. Üretim sırasında kullanılan çalışma sıvısı, buharlaşma aygıtı içerisinde yer alan eşanjörden geçen jeotermal akışkanının sıcaklığı ile ısınarak buharlaşmakta, elde edilen buhar ise türbine gönderilerek jeneratörleri çalıştırmaktadır. Türbinden çıkan kullanılmış buhar, su ve hava soğutmalı yoğunlaştırma sistemlerinde yoğunlaştırıldıktan sonra pompa yardımıyla buharlaştırma aygıtına tekrar gönderilmektedir.
Bu santraller, buhar santrallerine göre çok daha pratik olup, ekonomik ve teknik avantajlara sahiptir. Her şeyden önemlisi, büyük alanlar kaplamamakta, daha basit bir teknoloji gerektirmekte, bir yerden bir yere taşınabilmekte, her türlü jeotermal kaynaktan elektrik üretilebilecek şekilde imal edilmektedir. Bu tür santraller için 80ºC-180ºC arasında değişen sıcaklığa sahip jeotermal kaynaklar ile 1-10 bar arasındaki düşük basınçlı doğal buhar yeterli olmaktadır.
Gelişmiş ülkelerde elde edilen enerjinin düşüklüğüne bakılmaksızın, bu tür enerji kaynaklarını değerlendirmeye yönelik yatırımlar yapılmaktadır.
Jeotermal kaynakların karakteristik özelliklerine göre bazı örnekler vermek gerekirse, bunlar kısaca şöyle özetlenebilir: 160ºC giriş, 85ºC çıkış sıcaklığına sahip, 2210 ton/saat debisi olan sıcak su kütlesinden 8,4MW; giriş sıcaklığı 130ºC, çıkış sıcaklığı 100ºC, debisi 1415 ton/ssat olan sıcak su kütlesinden 6MW, 120ºC giriş, 80ºC çıkış sıcaklığı olan 850 ton/saat debideki jeotermal kaynaktan da 3,6MW elektrik üretilebilmektedir.
SONUÇLAR
Jeotermal kaynaklardan elektrik üretmek için yüksek sıcaklıklı sistemler öncelikle araştırılırken, düşük ve orta sıcaklıklı sistemlerden de, elektrik üretilebileceği göz önüne alınmalı, bunu gerçekleştirmek için yeni teknolojiler vakit geçirilmeden uygulanmalıdır. Özellikle, büyük miktarlara varan atık sıcak sulardan elektrik üretimi için yeni santraller kurulmalıdır.
Jeotermal enerji uzun ömürlü olup, maliyeti diğer konvansiyonel enerji kaynaklarına göre çok daha ucuzdur. Bu enerjinin çok yönlü kullanılması durumunda, fosil enerji kaynaklarından büyük ölçüde tasarruf sağlanacaktır.
