Jeotermal kaynaklardan flaş ve çift akışkanlı yöntemlerin birlikte optimizasyonu ile elektrik enerjisi üretilmesi

Abstract

Türkiye aktif tektonik kuşaklar üzerinde yer alması ve fay kırıklarının bulunması sebebiyle jeotermal kaynakları bakımından zengin bir konuma sahiptir. Geniş bir sıcaklık aralığına sahip jeotermal kaynakların değerlendirilmesinde farklı metotlar uygulanabilmektedir. Ülkemizde sıklıkla kullanılan yöntemlerden flaş ve çift akışkanlı sistemler, ayrı ayrı değerlendirildiğinde çeşitli avantaj ve dezavantajları beraberinde getirmektedir. Özellikle yüksek sıcaklıklarda verimli uygulamaları olan flaşlı sistemler gerek atık ısıları gerekse yoğuşturulamayan gaz içeriği ve tortu oluşturucu kimyasal içeriği yüksek kaynaklarda kullanılamamaları bakımından dezavantajlıdır. Çift akışkanlı sistemlere geçilerek bu problemler aşılabilmektedir. Ayrıca uygun koşullar seçildiğinde atık ısı miktarı en aza indirilebilmektedir. Buna rağmen düşük ısıl kapasiteleri, pompa işi gerektirmesi, daha karmaşık yapıları, ekipman sayısı ve özelliklerine bağlı daha yüksek ilk yatırım maliyetleri sebebiyle dezavantajlıdır. Flaşlı ve çift akışkanlı sistemler sıvı ağırlıklı temiz kaynaklardan daha yüksek iş elde edilmesini sağlayacaktır. Bu çalışmanın amacı bu sistemlerin birlikte kullanıldığı durumlarda seçilmesi gereken çalışma parametrelerini belirlemek ve farklı sıcaklıklı ve özellikli kaynaklardan elde edilebilecek net iş miktarını birim akışkan debisi başına belirleyebilmektir. Bu sebep ile Türkiye jeotermal kaynakları ve potansiyeli düşünülerek kuyu başı sıcaklık aralığı 373,15 K ile 573,15 K, buhar fraksiyonu 0,00 ile 0,15 arasında alındı. Yoğuşturucu sıcaklığı 293,15 K, 308,15 K, 323,15 K olmak üzere üç farklı sıcaklık seçildi. Bu şartlar için ozon tabakasına zararlı etkileri düşük olan buharlaşma basınç ve sıcaklık aralıklarının da göz önüne alınmasıyla ikincil akışkan olarak amonyak, propan, izobütan, bütan, izopentan, pentan, izoheksan ve heksan kullanılması uygun bulundu. Optimizasyon için yazılan program NIST' ten alınan buhar tablolarını kullanacak şekilde düzenlendi. Elde edilen sonuçlara göre flaşlı sistem ile birlikte çift akışkanlı sistemlerin özellikle kuyu başı sıcaklığı 423,15 K üzerinde olan jeotermal kaynaklarda kullanılmasının bu çalışmada değinilen diğer yöntemlere göre avantajlı olduğu bulunmuştur. İkincil akışkan olarak hidrokarbon kullanıldığı durumlarda en yüksek iş miktarlarının elde edildiği karbon zinciri uzunluğu ile kaynak sıcaklığı arasında doğru orantı olduğu gözlenmiştir.

Turkey has rich geothermal resources due to having active tectonic belts and fracture zones in its geographic location. Different methods can be followed for making use of geothermal resources with a wide temperature range. Flash and binary systems are most commonly preferred in our country. Both of these systems have different advantages and disadvantages. Especially, flash systems have more efficient applications at high temperatures. But on the contrary, they are disadvantageous in making use of waste heat and geothermal resources containing non-condensable gases, highly corrosive and scaling chemicals. These problems can be handled by switching to binary systems. Additionally, when optimum criteria are met waste heat generation can be minimized. Nevertheless low heat capacity, pump work requirement, more complicated system design with more equipment and initial cost are downsides of binary systems. So combining these two methods can perform better where geothermal fluid is clean and mostly in liquid form. The aim of this study was to determine the optimum operating conditions for the combination of these two systems and estimate the net work output per unit mass flow rate of the geothermal fluid. Therefore, well-head temperature and vapor fraction range was taken between 373.15 K - 573.15 K and 0.00-0.15 respectively by considering Turkey' s geothermal resources and potential. Condenser temperature was selected as 293.15 K, 308.15 K and 323.15 K. For these conditions, ammonia, propane, isobutane, butane, isopentane, pentane, isohexane and hexane is found to be suitable as binary fluids by taking into account of vaporization temperature and pressure ranges of these non-ozone depleting fluids. In order to carry out optimization calculations a computer program is written. It is designed to use vapor tables of fluids from NIST. Results indicate that it is advantageous to use combined flash and binary systems over other systems mentioned in this study for geothermal resources where well head temperature exceeds 423.15 K. It is observed that carbon chain length of hydrocarbons which returns the highest net work is directly proportional with resource temperature.