Jeotermal Enerjiden Elektrik Üretimi

Türkiye’de ilk elektrik santralı MTA tarafından 1974 yılında 0,5 MW gücünde pilot bir türbinle deneme üretimi yapıldı. Jeotermal enerjiden elde edilen elektrik üretimi yönünden, Dünya’da ABD, Filipinler, Meksika, İtalya ve Japonya ilk beş sırada yer alırken Türkiye 14. Sıradadır.

Jeotermal Terimler

Enjeksiyon, akışkanların yapay yöntemlerle jeolojik yapı ve oluşumlara gönderilmesidir.

Reenjeksiyon, üretilen jeotermal akışkanların yapay yöntemlerle kullanıldıktan sonra tamamının veya kalan bir kısmının üretildikleri jeolojik formasyonlara geri gönderilmesidir.

Deşarj, jeotermal akışkanın kullanımından sonra reenjekte edilemeyen kısmının veya tamamının çevre kirliliğine neden olmaksızın başka alıcı ortamlara gönderilmesidir.

Sondaj, jeotermal akışkanları aramak, üretmek, kullanım sonrası reenjekte etmek, rezervuarı gözlemlemek veya test etmek için bilimsel yöntemler ve uygun araçlar kullanılarak, gereken derinlik ve çapta yeryüzünden kaynağa doğru jeolojik izleme yapmak üzere derin çukur açma işlemi ile jeotermal rezervuar oluşturmak ve akışkan enjekte etmek için kuyu kazma işlemidir.

Akışkan, jeotermal kaynaklardan elde edilen su, gaz ve buharı temsil eder.

Kaptaj, akışkanın doğal olarak veya bilimsel yöntemler ve uygun araçlar kullanılarak rezervuardan yeryüzüne ulaşmasından itibaren kirlenmesi önlenerek ve korunarak daha sağlıklı şekilde değerlendirilebilmesi için kullanım öncesi özel tekniklerle toplama havuzlarında, galeri veya kuyularda biriktirilmesi işlemidir.

Koruma alanı, kaynak ve bunların bağlı olduğu jeotermal sistemin bozulmasına, kirlenmesine ve sürdürülebilir özelliğinin yitirilmesine neden olacak dış etkenlerden korumak amacıyla, sahanın jeolojik ve hidrojeolojik yapısı, iklim koşulları, zemin cinsi ve tipleri, drenaj sahası sınırı, kaynak ve kuyu çevresindeki yerleşim birimleri, endüstri tesisleri, çevrenin topografik yapısı gibi unsurlara bağlı olarak belirlenmiş, önlemler alınması gereken, içerisinde yapılan faaliyetlerin kontrol ve denetime tâbi olduğu ve gerektiğinde yapılaşma ve arazi kullanım faaliyetleri kısıtlanabilir tüm alanları tanımlar.

Bloke alan, işletme ruhsatı verilmiş bir jeotermal kaynaktan yapılan üretim faaliyetlerinin etkilenmemesi için işletme ruhsatı sahibi dışındaki talep sahiplerine kapatılmış ve işletmeye açılmayacak alanları ifade eder.

Jeotermal Gradyan, yerin ısısının 1 °C artışı için inilmesi gereken derinliğe denir. Birimi metredir. Jeotermal gradyan °C / 100 m, °C / km, °F / 100 m, °F / km veya °F / 100′ gibi çeşitli şekillerde de belirlenebilir. Karalardaki ortalama gradyan 3 °C / 100 m’dir. Bu değer, termal sahalarda önemli ölçüde artar. Jeotermal gradyan, bulunulan yerin jeolojik yapısı ve çökellerin litolojisine göre değişir. Litolojideki önemli değişiklikler kuyuların gradyan eğrilerine, eğim değişiklikleri şeklinde yansırlar.

Isı Akısı, teorik olarak bir yüzeyin ya da bir ortamın herhangi bir noktasındaki sıcaklık gradyanına dik düzlemin, birim alanından birim zamanda geçen ısıyı gösteren ve o alana dik olan vektörel nicelik olarak tanımlanır. Başka bir deyişle derinlere doğru gidildikçe sıcaklığın artmasıyla yerin iç kesiminden dışına doğru bir ısı enerjisi yayılmasıdır.

Isı akısı birimi joule/m².saniye veya kısaca HFU (Heat Flow Unit) ‘tir. Yeryüzünün ortalama ısı akısı 1,5 ± %10 HFU’dur. Bu, ortalama yeryüzündeki güne ş enerjisinin yaklaşık 1/200’i olup küçük miktarlarda olmasına rağmen önemli bir enerjidir. Isı akısı 0 ile 3 HFU arasında olan yerler “Normal alanlar”, 3 HFU’dan büyük olan yerler ise “Termal alanlar” olarak adlandırılırlar.  Şu andaki amaçlar için, 0,8-2,0 HFU aralığında olan “normal” ısı akısı göz önüne alınır. Çoğu normal alanlar ticari jeotermal aramalar bakımından cazip değildir ve yakın gelecekte ve onların depoladığı ısı kullanılabilir kaynak olarak göz önüne almayabilir.

Isıl İletkenlik, teorik olarak bir maddenin birim kesitinden, birim zamanda ne ölçüde ısı geçirebildiğini gösteren nicelik olarak tanımlanır. Birimi W/m.K ‘dir. Şeyllerin ısısal iletkenlikleri yaklaşık 2, kireçtaşlarının 3,2 , kumtaşlarının 4,15 , kuvarsın ise 15 W/m.K ‘dir. Jeotermal gradyan, ısı akısı ve ısısal iletkenlik arasında Q= K.T şeklinde bir bağıntı vardır. Burada Q=Is ı akısı; K=Isısal iletkenlik, T=Jeotermal gradyandır.

Jeotermal Anomi, bazı jeotermal alanlarda, bazı derinliklerde sıcaklıklar, komşu alandaki sıcaklıklardan farklılık göstermesine denir. Jeotermal anomali küçük bir alan ile sınırlı olabilir ve sadece küçük bir sıcak su kaynağı anomaliyi gösterebilir. Öte yandan anomali binlerce kilometrekarelik bir alanda da oluşabilir. Jeotermal kuyuların sondajı, geliştirilmesi ve işletmesi çok pahalı işlemler oldukları için jeotermal aramalarda pozitif jeotermal anomalilerin (yüzeye yakın ve yüksek sıcaklıklı) yerleri tespit edilmeye çalışılır.

Proje Fizibilitesi için Ölçütler

Belirli bir konum için bir jeotermal enerji projesinin fizibilitesinin belirlenmesinde birtakım teknik ölçütler bulunmaktadır;

• Bölgenin elektrik ve/veya ısı talebi,
• İletim ve dağıtım altyapısına mesafe,
• Yüksek kaliteli rezervuarının hacim ve yüzey özellikleri,
• Rezervuar ömrü ve yedek kuyular,
• Çevrim akışkanı kimyası,
• Flaş ve ikili çevrim teknolojisi kıyaslaması,
• Maliyet/kurulu güç (MWe), maliyet/iletilen enerji (MWh) oranları,
• Yük takibi ve baz yük kabiliyeti kıyaslaması,
• Santral güvenilirliği ve güvenliği,
• Büyük sismik olaylara, yıkıcı heyelanlara veya büyük göçmelere sebebiyet vermeyecek jeolojik oluşumlar,
• Uygun arazi kullanımı,
• İçme suyu ve su yaşamı koruması,
• Hava kalite standartları,
• Gürültü standartları,
• Sera gazı emisyonları,
• Katı atık bertaraf standartları,
• Harcanan akışkanın ve atık ısının tekrar kullanımı,
• Isı atımının yerel etkilerinin kabul edilebilir olması,
• Yürürlükte olan tüm federal, eyalet ve yerel kanunlara uyum,

Tüm bu ölçütler bir projenin uygunluğunu ve maliyetini etkilemekte ve projenin uygulanabilirliğini belirlemektedir.

Jeotermal Sistemlerden Elektrik Üretimi

Jeotermal elektrik üretimi bugün dünyada yaklaşık 24 ülkede gerçekleştirilmekte ve jeotermal ısıtma ise 70 ülkede uygulanmaktadır. Jeotermal enerji çoğunlukla yerkabuğundaki kayaçlarda, ikincil olarak da kayaçlardaki çatlakları, gözenekleri dolduran su, su buharı veya diğer akışkanlarda bulunur. Jeotermal suyu ve sahip olduğu ısıl enerjiyi ekonomik olarak elde edebilmek için suyun içinden geçtiği kayaçların çok miktarda su içermeleri ve geçirgenliklerinin fazla olması gerekir. Kayacın su depolayabilme kapasitesi depolama katsayısı olarak adlandırılır. Suyun geçirgenlik özelliği ise hidrolik iletkenlik veya geçirgenlik olarak adlandırılır. Çatlaklı kuvars, kireçtaşı, kırılmış volkanik kayalar, serbest kum ve çakıl yüksek depolama katsayısına ve yüksek hidrolik iletkenliğe sahiptir ve genellikle büyük miktarlarda su üretimine olanak sağlarlar.

Gözenekliliği ve geçirgenliği az olan kayaçlardan enerji üretimi, sınırlı sirkülasyon çevrimleri ile sağlanabilir. Bu durumda iki kuyu birbirine kırık ve çatlaklar sistemi ile hidrolik olarak bağlıdır. Soğuk su bir kuyudan aşağıya doğru pompalanır, pompalanan su kayaçlardaki çatlaklardan geçerek iletim yoluyla ısınır ve ikinci kuyudan yukarı doğru pompalanır. Kayaçlardaki çatlakların geçirgenliği az olan kayaçlar tarafından çevrelenmesi, çevrimdeki su kaybının az miktarda kalması için önemlidir. Bu teknolojiye sıcak kuru kayaç ‘HDR’ teknolojisi denmektedir. Bu yayılmış enerjiyi kullanılabilir hale getirmek için önce büyük hacimlerdeki kayaç kütlelerinden toplanması ve sonra da bir boşaltım noktasına taşınması gereklidir. Yerkabuğunun en üst birkaç kilometrelik bölümünde neredeyse bütün kayaçlarda bulunan su, enerjiyi toplamak ve almak için bir mekanizma oluşturulmasını sağlar.

Elektrik üretiminde kullanılan türbinler

Kondansörsüz Türbinler

Bu türbinler serbest egzozludur. Daha çok küçük türbinlerdir. Kuruluş ve işletme masrafları düşüktür. Ancak burada elektrik üretimi düşüktür.

Kondansörlü Türbinler

Bu türbinlerin kuruluş ve işletme masrafları yüksektir. Çünkü ilave olarak kondansör ve soğutma kuleleri gerekmektedir. Kondansörlü türbinler iki türlüdür;

 Su ile yıkanmalı kondansörlü türbinler

Bu tipte kondanse olmayan gazlar yüksek kapasiteli santrifüj kompresörler yardımı ile havaya atılır veya kimyasal madde üretim tesislerine sevk edilir.

Isı eşanjörlü kondansörlü türbinler

Bu sistemde yalnız buharın ısıdan değil akan sıcak suyun ısısından da yararlanılmaktadır.

Hazne sıcaklığı 200 °C ve daha fazla olan jeotermal akışkandan elektrik üretimi gerçekleşmektedir. Ancak günden güne gelişmekte olan yeni teknolojilere göre 150 °C’ye kadar düşük hazne çıkışlı akışkandan da elektrik üretilebilmektedir. Son yıllarda geliştirilen ve ikili (binary) çevrim olarak adlandırılan bir sistemle, buharlaşma noktaları düşük gazlar (freon, izobütan vb.) kullanılarak 70°C civarlarına kadar düşürülmüştür. Buhar ve sıvı baskın sistemlerin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için çeşitli sistemler mevcuttur.

Buhar Ağırlıklı Sistemler

Bu sistemler yeryüzünde çok az bulunmalarına ve rağmen temiz olmaları ve çevre açısından en az risk içermeleri nedeniyle en çok istenen sistemlerdir. Kullanımı en kolay olan sahalar kuru buhar sahalarıdır. Yaklaşık 350 m derinlikte ve altında oluşan akiferlerin başlangıç sıcaklığı 240 °C dolayındadır. Kuyudan alınan buhar filtreden geçirilerek bir yoğuşturmalı türbine gönderilir. Kondensere ilave olarak doğal ya da mekanik soğutma kulesi kullanılır.

Sıvı Ağırlıklı Sistemler

Bu sistemlerde sıvı faz süreklilik arz eden ve basıncı kontrol eden faz olmaktadır. Bu sistemlerdeki su bir kimyasal çözelti olup içinde sodyum, potasyum, lityum, kalsiyum, klor, bikarbonat, sülfat, borat ve silikat içermektedir. Dünyaca ünlü sıvı ağırlıklı jeotermal sistemler arasında Yeni Zelanda’dan Wairakei, Meksika’dan Cerro Prieto ve ülkemizden Kızıldere vardır. Bu sistemlerdeki üretim problemleri ise buhar ağırlıklı sistemlere göre daha zorludur.

Atmosferik egzozlu konvansiyonel buhar türbinleri

En basit ve ilk yatırım masrafları açısından en ucuz türbinlerdir. Bu tip bir santralde, jeotermal akışkan önce seperatöre gelir. Burada sıvı ve buhar fazları ayrılır. Buhar fazı bir buhar türbinini besler ve çürük buhar direkt olarak atmosfere atılır. Atmosferik egzozlu santrallerin basitleştirilmiş şematik gösterimi aşağıda verilmiştir.

Yoğuşturmalı konvansiyonel buhar türbinleri

Atmosferik egzoz tasarımının termodinamik olarak gelişmişidir. İki fazlı akışkan önce seperatörde sıvı ve buhar fazlarına ayrılır. Buhar, türbinden direkt atmosfere atılmak yerine çok düşük bir basınçta tutulan (yaklaşık 0.12 bar) bir kondensere atılır.

Çift kademeli buharlaştırma

Kuyu başı akışkanı önce seperatöre gider, buhar ve sıvı fazlarına ayrılır. Buhar bir yüksek basınç türbinine, su ise bir buharlaştırıcıya (flaş tankı) gönderilir. Burada düşük bir basınca flaşlanan sıvının kalanı enjeksiyona, elde edilen buhar alçak basınç türbinine gönderilir. Böylece sistem verimi arttırılmış olur.

Çoklu buharlaştırma (multi-flash)

Seperatörden ayrılan sıvı ikinci bir seperatöre gönderilir, seperatör sayısı ekonomik kısıtlar çerçevesinde arttırılabilir. Bu tip bir uygulama Wairakei Jeotermal Santrali, Yeni Zelanda’da gerçekleştirilmiştir.

İkili çevrim santralleri

Jeotermal sahalarda en önemli atık ısı kaynağı seperatörde ayrılmış sıvıdır. Konvansiyonel buhar türbinleri sadece buhar kullandıkları için kalan büyük miktarlardaki sıvı genelde yerüstü sularına atılmakta ya da yeraltına enjekte edilmektedir. Binary teknolojisi, orta-düşük sıcaklıklı kaynaklardan elektrik üretmek, termal kaynakların kullanımını arttırarak atık ısıyı geri kazanmak amacıyla geliştirilmiştir.

Binary sistemler, düşük kaynama sıcaklıklı ve düşük sıcaklıklarda yüksek buhar basıncına sahip ikincil bir çalışma akışkanı kullanırlar. Bu ikincil akışkan, konvansiyonel bir Rankine çevrimine uygun olarak çalışır. Uygun bir çalışma akışkanı ile binary sistemler, 70-170°C aralığındaki giriş sıcaklıklarında çalışabilirler. Binary sistemlere ait basitleştirilmiş şematik gösterim aşağıda verilmiştir.

Hibrid fosil-jeotermal sistemler

Bu sistemlerde jeotermal enerji, ya ön ısıtıcı olarak, ya da kızgın buhar eldesinde kullanılır.

Toplu akış

İki fazlı buhar-su karışımlarından doğrudan enerji elde etmek amacıyla geliştirilmiştir. Bu tip santrallerin ekonomisi henüz iyi belirlenememiştir. Çünkü işletme tecrübesi 5 yıldan fazla değildir. Tek örnek Desert Peak, Nevada, ABD’ndeki 9 MWt ‘lik iki fazlı rotary seperatörlü turbo-alternatörlü santraldir.

Jeotermal Uygulamalardaki Genel Sorunlar

Kabuklaşma

Jeotermal akışkanlar bileşimlerinin ve asiditelerinin bir fonksiyonu olarak çoğu kez kireç (CaCO3) ve bazı durumlarda ise silis (Si02) kabuklaşmaları yapabilirler. Bu kabuklaşmalar sondaj boruları içerisinde olabildiği gibi seperatör içerisinde eşanjör levhalarında türbin kanatlarında ve iletim borularında da bulunabilir. Suları 350 ppm’den daha fazla Si02 içeren termal sahalardaki sondajlarda, sıcaklığın belli bir limitin altına düşmesi halinde, borular içerisinde Si02 kabuklaşması kendini gösterir.

Kaynak sularında 6 ile 8 PH’ın arasında olduğu ve Ca iyonu konsantrasyonunun birkaç ppm’i bulduğu her termal ortamda ise CaCO3 kabuklaşması görülür. Bunun nedeni, kuyunun üretime geçmesiyle birlikte basıncın, dolayısıyla CO2 gazı kısmi basıncının düşmesi ve ani basınç dengesi koşuluna uyacak şekilde sıvı ortamdan atmosfere doğru CO2 gazı kaybı ile, pH yükselmesi ve suda erimeyen CaCO3 kimyasal tuzunun oluşarak sıvı ortamı terk etmesidir.

Bu duruma karşı alınan bazı önlemlerin en basiti üretimi zaman zaman durdurarak mekanik yolla temizleme yapmaktır. Diğer bir yöntem, kuyu başı basıncını belli bir limitin daima üzerinde kalacak şekilde yüksek tutmaktır. Tabii bu da üretimin kısılması ve kuyu veriminin düşmesi demektir. Kuyu içi kabuklaşmasını engelleyecek diğer bir yöntem ise, kuyu içerisine belli bir basınç altında CO2 gazı enjekte edilmesidir. Son yıllarda geliştirilen diğer bir yöntem de kuyu içerisine belli miktarlarda inhibitör maddelerin enjekte edilmesidir.

Kuyu dışındaki taşıma yollarında gelişebilecek kabuklaşma, korozyon vb. olumsuz etkileri önlemek için ise, jeotermal akışkanın ısıl enerjileri, eşanjörlerde (ısı değiştiricileri), kullanılabilir özellikteki sulara aktarılır. Ancak bu işlem de tabi ki bir miktar enerji kaybı yaratacaktır.

Korozyon

Bazı jeotermal akışkanlar ise agresiftirler, yani asit karakterli olup, betonu, metalleri, harçları vb. malzemeyi tahriş edebilirler. Bunun önlenebilmesi için korozyona dayanaklı malzemenin kullanılması tercih edilmeli ve toprağa gömülü metalik elemanlar, katodik koruma ile korozyonun etkisinden kurtarılmalıdır. Alternatif çözüm olarak da yine jeotermal akışkanın direkt olarak kullanımı yerine, ısı enerjisinin eşanjörler vasıtasıyla agresif olmayan başka bir suya aktarılarak değerlendirilmesidir.

Isı Kaybı

Jeotermal akışkanı kuyu başından türbinlere, meskenlerdeki radyatörlere, sera vb. yerlere ileten borulardan kaybedilen ısı, iyi bir izolasyonla minimuma indirilmelidir. Metalik borular genellikle, su geçirmez asbestli (amyantlı) çimento boru kılıfı içerisine sokularak izole edilmektedir. Bu izolasyon, boruları toprak altında korozyona karşı da korumaktadır.

Sonuç olarak özellikle santral veya ısıtma şebekesi kurulması ve gelir akışından çok önce, kaynağın aranması ve geliştirilmesi için yapılan sondaj nedeniyle masrafları yüksek yatırımlardır. Kaynağın aranmasıyla işletmeye geçmesi arasındaki gerekli minimum zaman ise 5-6 yıl kadardır. Bugüne kadar yapılan jeotermal çalışmalar sırasında elde edilen verilerin değerlendirilmesi sonucunda görülmektedir ki, sadece jeotermal potansiyelin ortaya çıkarılması yeterli olmayıp, bu enerjiden yararlanma ve geliştirme aşamaları da bilimsel ve teknik çalışmalarla desteklenerek gerçekleştirilmelidir.