jeotermal enerji kaynakları ve kullanım alanları

Jeotermal Enerjİ,kaynaklari Ve Kullanim Alanlari(santraller)






Jeotermal enerji, yer kabuğunun işletilebilir
derinliklerinde birikmiş olan ısının meydana getirdiği bir enerji türüdür.
Yeraltına sızan sular burada gözenekli


ve geçirimli özellikleri bulunan hazne kayalarda toplanır.
Hazne kayalar üstünde geçirimsiz örtü kayalar vardır. Isı,, yerkabuğundaki
kırık veya çatlaklarda


dolaşan sular vasıtasıyla yeryüzüne aktarılır. Eğer
yerkabuğunda doğal su dolaşımını sağlayacak yeterli kırık yoksa ve ısı birikimi
tespit edilirse, oluşturulacak


yapay kırıklardan dolaştırılacak akışkanlardan enerji elde
edilmesi mümkündür. Jeotermal enerji alanları, etkin depremlerin olduğu
tektonik bakımdan aktif


olan genç volkanların bulunduğu kuşaklardır. Yeryüzüne
ulaşan buhar ve sıcak suyun içerdiği enerjiden ya doğrudan ya da başka enerji
türlerine dönüştürülerek


yaralanılmaktadır.





Jeotermal enerji kullanımındaki en büyük problem bu enerji
kaynağının oldukça yayılmış bir karaktere sahip olmasıdır. Dünyadan uzaya yılda
yaklaşık 4x1017


KJ jeotermal enerji yayılmaktadır. Eğer biz bu enerjiyi
kullanabilseydik dünyanın tüm enerji ihtiyacını 20 kez karşılayabilirdik.
Yalnız bu miktar tüm


dünya yüzeyine yayıldığından metrekare başına sadece 0.063 W
enerji düşer ki bu güneşten gelen enerjiden çok daha azdır. Eğer jeotermal
enerji tüm yer


kabuğuna eşit olarak dağılmış olsaydı, belki de faydalı
enerji olarak kullanılma olasılığı olmayacaktı.





Jeotermal enerji kaynakları





Genellikle tektonik levha sınırları diye bilinen ve
depremlerin sık ve şiddetli olmasıyla veya volkanik faaliyetlerle de tanımlanan
bölgelerde, yer kabuğunda


kırıklar oluştuğundan bu bölgeler genellikle jeotermal
enerji açısından zengin bölgelerdir. Jeotermal enerji kaynakları şu şekilde
sınıflandırılabilir:





(a) Normal ısı gradyanlı sahalar: Jeotermal olarak yüksek
ısı akısı gösteren alanların dışındaki alanlardır. Bu alanlarda yaklaşık her
100 metrede sıcaklık


2.5 °C
artar. Eğer 150°C’lik bir sıcaklık elde etmek istiyorsak yaklaşık 5000m
derinliğinde kuyu kazılması gerekir. Bu uygulama şu anda ekonomik değildir.





(b) Radyojenik sahalar: Bu tür bölgeler kayaların
içerisindeki radyoaktf elementlerin bozulmasıyla ortaya çıkan ısıyla,
sıcaklıkları normal ısı gradyanının


üzerine çıkmış bölgelerdir. Genellikle granit gibi kaya tabakalarında
toplanan bu enerji, granit tabakalarının su geçirgenliği az olduğundan doğal
olarak


suya aktarılma olasılığı pek yüksek değildir.





(c) Yüksek ısı akışlı bölgeler: Yeraltından yeryüzüne ısı
transferi iletim mekanizmasıyla olur. Dünyanın bazı bölgelerinde yerkabuğunun
ısıl geçirgenlik


katsayısı çok düşük olabilir. Eğer bu yüksek ısı akışı ile
bir arada bulunuyorsa sıcaklıklar normal gradyanın üzerine çıkabilir. Örneğin
Macaristan'da


sıcaklık değişimi 40-75 °C/km civarındadır. Bu değer normal
gradyanın yaklaşık üç misli civarındadır. Bu tür yüksek ısı akışlarının
oluşmasının sebebi


bu bölgelerde yer kabuğunun göreceli olarak ince olması veya
kabuğun içine sıkışmış yüzeye yakın bir magma tabakasının olması olabilir.





(d) Basınç altındaki jeotermal sahalar: Bazı sedimenter kaya
oluşumlarının arasında sıkışmış fosil su kaynakları bulunabilir. Bu tür su
kaynakları basınç


olarak normal basınç gradyanının üzerinde değerlere sahip
olabilir. Eğer basınç gradyanı metre başına 10.5 kPa değerinin üzerindeyse bu
tür alanlara basınç


altında jeotermal alanlar adı verilir. Bu tür alanların
çekici tarafı genelde basınç, sıcaklık ve metan kaynakları olarak üç enerji
kaynağının kullanılmasını


sağlayacak bir ortam oluşturmasıdır.





(e) Nokta ısı kaynakları: Bu tür ısı kaynakları en kolay
kullanılabilen jeotermal enerji kaynaklarıdır. Termal kaynak, ya yerin içinde
oldukça yüksekte


bulunan bir magma bölgesi veya çatlaklar boyunca yükselmiş
bir magma (ergimiş bazalt) tabakasıdır. Genelde yerin 7-15 km altında bulunur. Bu magmadan
direk


olarak enerji sağlanması için çalışmalar varsa da eğer
çatlaklardan kaynaklanan su sızıntıları magmaya yakın bir bölgede gözenekli
kayaçlar içerisinde


bir su reservuarı oluşturabiliyorsa, su buhar enerji elde
edilebilmesi için daha elverişli bir kaynak oluşturur. Şekil 5.1 bu tür bir
kaynağın yapısını


göstermektedir.





Kaynak kapasitelerinin incelenmesi için bir çok yöntem
mevcuttur. Bunlar jeolojik etütler, hidroloji, jeokimya ve jeofizik
etütleridir. Başlıca Jeofizik


etütler; ısı akış ölçümleri, elektrik direnç,
elektromanyetik, gravity ve pasif sismik ölçümler olarak sıralanabilir. Fakat
her zaman ancak kuyu açımlarından


sonra kaynağın gerçek kapasitesini anlayabiliriz. Genel
olarak kuyudan çıkan buhar ve su yüzdesine göre jeotermal kaynaklar kuru buhar,
buhar çoğunluklu


karışım ve su çoğunluklu karışım olmak üzere üç temel kısma
ayrılabilir.





Hidrotermal kuyulardan çıkan sıvı aslında sadece sudan
ibaret değildir. Kimyasal olarak çok kompleks bir yapı içerir. İçinde çok
miktarda ergimiş mineraller


ve gazlar vardır. Bu mineral ve gaz miktarlarına göre bu
sıvıları alkali klorik, asit sulfat, asit sülfat-klorat ve bikarbonat gibi
gruplara ayırabiliriz.


Jeotermal sıvıların kapsadıkları başlıca gazlar ise
karbondioksit, hidrojensülfit, metan, hidrojen, azot, oksijen, amonyak, argon,
neon, kripton, zenon


olarak sıralanabilir. Bu kimyasal maddeler jeotermal
enerjinin kullanımındaki en önemli zorluğu oluştururlar. Bilhassa suda bulunan
silikat ve kalsitler


boruların tıkanmasına sebep olur. Genellikle jeotermal
kaynaklar 10 000 – 25000 ppm civarında katı ergimiş madde içerirler. Bu
miktarın bazı özel bölgelerde


300000 ppm bulduğu da gözlenmiştir.





Jeotermal enerji kullanım alanları





Jeotermal akışkanın sıcaklığına bağlı olarak kullanım
alanları Tablo 5.1‘de verilmektedir. Yeryüzüne çıkan jeotermal akışkandan
İtalya, Amerika, Japonya,


Filipinler ve Meksika borikasit, amonyum bikarbonat, ağır su
(döteryum oksit), amonyum sülfat, potasyum klorür gibi kimyasal maddeler elde
etmektedirler.


Jeotermal akışkan sıcaklığına bağlı olarak jeotermal
enerjinin kullanım alanları sıralanırsa;(Rinehart,1980)





Jeotermal akışkanın kimyasal özelliklerinden dolayı korozif
maddelerin, kalıntı bırakan veya yoğunlaşmayan bileşenlerin doğrudan sisteme
gönderilmesi çeşitli


problemlere neden olmaktadır. Bu nedenle kullanılan
akışkanın kimyasal özelliklerine uygun inhibitörlerin seçimi ve uygun ekipman,
sistem dizaynı ile jeotermal


akışkanın kabuklaşma ve korrozyon sorunu çözülerek verimli
olarak kullanmak mümkündür.





Jeotermal enerjiden elektrik üretimi





Jeotermal enerjiden elektrik enerjisi üretiminde çeşitli
santral tipleri kullanılmaktadır. Şu anda kullanılmakta olan jeotermal santral
tiplerini şu şekilde


sınıflandırmamız mümkündür:





(a) Kuru Buharlı Jeotermal Santraller: Tüm jeotermal santral
türleri arasında en basit olanı kuru buhar santralleridir. Bu tür santraller
temel olarak


doymuş veya kızgın jeotermal buhar bulunan bölgelerde
kullanılabilir. Dünyadaki doymuş veya kızgın jeotermal sıvı bulunan jeotermal
alanlar oldukça sınırlıdır.


Başlıcaları; Kalifornia Geyser (USA), Lorderello ve Monte
Amita (İtalya) ve Matsukawa (Japonya).





(b) Buhar Ayırmalı (Tek faz dönüşümlü) Santraller: Yeryüzüne
pompalanmadan direkt olarak çıkartılan jeotermal sıvıların pek çoğu iki fazlı
(buhar ve sıvı)


olarak yer yüzüne ulaşır. Bu iki fazdaki buhar miktarı
kaynak özelliklerine ve kuyu başı basıncına göre değişiklikler gösterebilir.
Genellikle jeotermal


akışkan kaynakta sıvı fazdadır. Fakat kuyu çıkışında bir
basınç düşümünden dolayı buharlaşır. Bundan dolayı bu tür kaynağın kullanıldığı
santrallere tek


faz dönüşümlü santraller adı verilir. Şekil 5.2’de tek faz
dönüşümlü bir jeotermal santralın basitleştirilmiş akış diyagramı
görülmektedir. Kuyu çıkışındaki


iki fazlı jeotermal sıvı ayırıcıda fazlarına ayrıldıktan
sonra buhar fazı buhar türbinini döndürme amacıyla kullanılır. Sıvı fazındaki
jeotermal akışkan


re-enjeksiyonla kuyulara tekrar geri basılır. Bu tür bir
santralın kullanım verimi kuru buharlı bir santralın kullanım verimiyle
kıyaslandığında çok düşüktür.


Bu tür santrallere örnek olarak Türkiye'deki Kızıldere
jeotermal santralı verilebilir. Yalnız bu santralde jeotermal sıvı kaynağa geri
basılmamaktadır.


Jeotermal sıvının kaynağa geri basılması jeotermal kaynağın
ömrünü uzatması bakımından önemlidir. Ayrıca Cerro Prietto (Meksika); Otake ,
Onuma, Onikobe,


Kakkonda (Japonya); Ahuchapan (El Salvador), Pauzhetka
(Rusya) 'da bulunan santraller bu türün örnekleri arasında sıralanabilir.





(c) Buhar Ayırma ve Su Buharlaştırmalı (Çift Faz Dönüşümlü)
Santraller: Bu santralın buhar ayırmalı santralden temel farkı separatörden
çıkan jeotermal


sıvının basınç düşürücü (faz dönüştürücü) ikinci bir
seperatörden geçirilerek ilave düşük basınçlı buhar elde edilmesi ve bu ilave
buharın ikinci kademe


bir türbinde işe dönüştürülmesidir. Bu yüzden bu çevrim çift
faz dönüşümlü (birinci faz dönüşümü kuyu içerisinde olmaktadır) santraller
olarak da anılırlar.


Bu tür santrallere örnek olarak Hatchobaru (Japonya), Krafla
(İzlanda) santralleri verilebilir. Toplam kullanım verimi tek faz dönüşümlü
sistemlere göre


biraz daha yüksektir.





(d) Buhar Ayırma ve Çok Kademeli Su Buharlaştırmalı (Çok faz
dönüşümlü) Santraller: Bu tür santrallerde üç veya daha fazla basınç düşümü ve
faz ayrımı


oluşturulur. Faz dönüşüm sayısı arttıkça kullanım veriminde
artış gözlenmekle birlikte hem sistem daha kompleks hale geldiğinden hem de
maliyetler arttığından


toplam faz dönüştürme sayısının ekonomik analizle
belirlenmesi gerekir. Bu tür santraller şu anda ekonomik olarak pek cazip
görünmemektedir. Türünün tek


örneği olan Wrakei (Yeni Zellanda) santralının bu tür için
seçilmiş olmasının temel nedeni bir kimya tesisi için jeotermal sıvıdan
kimyasal madde elde


edilmesidir.





(e) Kuyudan Pompayla Jeotermal sıvı çekilen sıvı
buharlaştırmalı (tek faz dönüşümlü) santraller: Eğer kuyunun içine pompa
yerleştirilmemiş ve jeotermal


akışkan direkt basınçlı sıvı olarak kuyudan çekiliyorsa, yer
altında ilk basınç düşümü gerçekleşemeyecektir. Bu yüzden pompa çıkışında faz
dönüşüm işlemi


basınç düşürücü bir seperatörle gerçekleştirilir. Oluşan
buhar aynı seperatörde ayrıldıktan sonra türbine gönderilir. Bu tür sistemlere
örnek olarak East


Mesa Republic (USA) jeotermal santralı verilebilir





(f) İkinci Bir Termodinamik Çevrim Sıvısı Kullanan (Bınarı
Tipi) Santraller: Bu tür santrallerde jeotermal akışkanın enerjisi ikincil bir
sıvıya aktarılır.


İkincil sıvı olarak freonlar veya hidrokarbonlar
kullanılabilir. Bu çevrimin kritik parametresi jeotermal sıvıdan ikincil sıvıya
ısı aktarımı yapan ısı


değiştirgecidir. Burada ısı eşanjörü çalışma şartlarının çok
iyi denetlenmesi, ikincil bir yedek ısı eşanjörü imali gibi tedbirler
uygulanmalıdır. Diğer


bir uygulama da direk temaslı ısı değiştirgeçlerinin
kullanılmasıdır. Direk temaslı eşanjörlerde jeotermal sıvı ve jeotermal sıvıyla
direk olarak karışmayan





ikincil çevrim sıvısı ters akışlı olarak aynı reaktöre
gönderilir. Buharlaşan ikincil sıvı rektörün üst bölgesinden toplanarak ikincil
(binari) sıvıyla


çalışan türbine gönderilir. İkincil sıvı termodinamik
çevrimi temel olarak kapalı bir çevrimdir. Bu yüzden normal gövde boru tipi
kondenser düşük basınç


değerleriyle rahatlıkla kullanılabilir. Binari
santrallerinin kullanılabilirlilik verimi faz dönüşümü santrallerine göre
oldukça yüksektir. Genellikle


ikincil sıvılar sistemde yüksek basınçlar altında
bulunduğundan türbinler, su buhar ı türbinlerine göre daha küçüktür. İlave ısı
eşanjörü maliyeti sistemi


pahalı kılan başlıca unsur olarak görülebilir. Binari
(ikincil sıvı) santrallerinin faz dönüşüm santrallerine göre avantaj ve
dezavantaj lar ını şöyle


sıralayabiliriz :





Avantajlar ı :





- Düşük sıcakl ıkl ı jeotermal kaynaklar ın kullanılmasına
daha elverişli olmaları





- Türbin boyutunun küçüklüğü ve daha ucuz olması





- Yüksek basınçta çalışma





- Hava sızması gibi problemlerin yaşanmaması





- Çalışma sıvısının korozif olmaması





- Isantropik türbin verimlerinin daha yüksek olması





- Türbin genleşmesinin tamamen kuru bölgede gerçekleşmesi,
böylece toplam türbin ömrünün uzatılması





- Daha düşük kondenser basıncı, daha yüksek sistem verimleri





Dezavantajlar ı :





■ İkincil sıvı maliyetlerinin yüksekliği





- Kaçaklara müsaade edilemeyişi





- Isı değiştirgeçlerin pahalı oluşu





- Toplam jeotermal akışkan akış oranlarının yüksek olma
gereksinimi





■ İkincil sıvı olarak hidrokarbon kullanılırsa,
hidrokarbonun yanıcı olma riski taşıması





■ İkincil sıvı olarak freonlar kullanıldığında ozon
tabakasına zarar vermeyecek sıvılar seçme zorunluğu olması





Rusya Freon 12 ile çalışan bir binari tipi jeotermal
santralı Kamçatka yar ımadasındaki Patunka'da başar ıyla denemiştir. 1967
yılında kurulan bu santral


birkaç yıl çalıştıktan sonra sökülmüştür. Japonlar Otake ve
Mori’de bu tür santraller çalıştırmaktadır. ABD East Mesa'da izobütan, propan
kullanan bir


santral çalışmaktadır.





Çalışan ilk jeotermal santral jeotermal sıvının enerjisini
bir ısı eşanjörü ile saf suya aktaran bir jeotermal sıvı/saf su binari sitemi
idi. Bu santral


İtalya'da çalıştırmıştır. Daha sonra modern türbinlerin
geliştirilmesiyle bu uygulamaya son verilmiş ve jeotermal buhar direk olarak
kullanılmaya başlanmıştır.





(g) Hibrid Fosil /Jeotermal Santraller: Jeotermal enerji
santrallerinin en büyük problemi jeotermal sıvıların sıcaklıklarının düşük
olması nedeniyle sistem


verimlerinin düşük olması ve santrallerden alınan toplam
gücün sınırlı kalmasıdır. Bu yüzden birim enerji olarak yatırım maliyetleri de
yüksek olmaktadır.


Jeotermal kaynakların elektrik enerjisi elde edilmesinde daha
etkili kullanılmasının yollarından birisi, klasik fosil enerji santralleriyle
hibrit olarak


kullanılmalarıdır. Böyle bir santralın en büyük dezavantajı
fosil santral yakıtının ve jeotermal enerjinin aynı bölgede bulunma
olasılıklarının düşüklüğüdür.


Şu anda ülkemizde yap işlet devret modeliyle kurulan doğal
gaz santrallerinin çoğalması ve doğal gazın dağıtımının ülke boyutunda
dağıtılması hibrit jeotermal


santrallerin ülkemiz için geçerli bir alternatif olmasını
getirebilir.





Doğal gaz tek başına pahalı bir santral yakıtıdır. Özel
şirketler tarafından ucuz ilk yatırım maliyeti ve küçük boyutta ısı - elektrik
santralleri olarak


kurulan bu üniteler eğer jeotermal kaynaklarla
birleştirilebilire ham daha ekonomik olarak kullanılabilecekler, hem de
jeotermal enerji kaynaklarının kullanımlarını


fizibil hale getirebileceklerdir.





Türkiye'nin ve dünyanın jeotermal enerji potansiyeli





Türkiye jeotermal zenginlik açısından dünyanın yedinci
ülkesidir. Jeotermal enerji aramaları, 1962 yılında MTA Genel Müdürlüğü ’nün termal
sulara yönelik


envanter çalışması ile başlamış, ilk kuyu 1963 yılında İzmir
Balçova’da açılmış ve 40 m
derinlikte 124 °C
akışkan (sıcak su + buhar) bulunmuştur. Ülkemizde


yüzey sıcaklığı 40°C’nin üzerinde 140 adet jeotermal saha
vardır. Bu sahaların 136 tanesi merkezi ısıtmaya, sera ısıtmasına, endüstriyel
proses ısı kullanımına


ve kaplıca kullanımına uygundur. Diğer 4 sahanın teknik ve
ekonomik olarak elektrik üretimine uygun olduğu saptanmıştır. Jeotermal
enerjiden ilk ve tek


elektrik üretim santrali Kızıldere’de 1984 yılında
kurulmuştur. 20.4 MW kurulu gücü ile dünyadaki jeotermal santraller arasında
14. sırayı almasına karşın


12 MW kapasite ile çalıştırılmaktadır. 200°C’de üretilen su
elektrik enerjisi üretiminde kullanıldıktan sonra sera ısıtması ve kuru buz
üretiminde kullanılmaktadır.


Ayrıca santralde buhardan ayrıştırılan karbondioksit gazı
atmosfere verilmeyip santrale entegre olan Karboğaz Şirketi tarafından 40.000
ton sıvı CO2 ve


kuru buza dönüştürülmektedir. Bu üretim ile Türkiye’ nin
karbondioksit ihtiyacının %50 si bu santral vasıtasıyla karşılanmaktadır.
Elektrik üretimine aday


bir diğer sahalar Aydın-Germencik (200-232°C), Çanakkale-Tuzla (173°C) ve Aydın-Salavatlı (171°C) sahasıdır.





Bugüne kadar jeotermal enerjinin başlıca tüketim alanı
ısıtmacılık (konut, sera), elektrik üretimi ve sağlık turizmi olmuştur.
Türkiye’deki jeotermal enerji


tüketiminin %87’si ısıtma amaçlı kullanılmaktadır.
Türkiye'nin görülebilir mevcut toplam jeotermal ısı kapasitesi 2264 MW
civarındadır. Halen Türkiye’de


50000 konut eşdeğeri jeotermal ısıtma, 20000 m2 sera ısıtması
gerçekleştirilmektedir. Türkiye’de jeotermal enerji ile bazı büyük çaplı
merkezi ısıtma uygulamaları


aşağıda verilmektedir.





- Gönen’de 1500 konut, 56 adet tabakhane, 200 m2 sera, 600 yataklı otel
ısıtması ve tabakhanelerin


sıcak su proses suyu ihtiyacını karşılayan sistemin
kapasitesi 16.2 MW’dır.





■ İzmir’de Tıp Fakültesi (30.000 m2), Balçova
Jeotermal Sahasından üretilen akışkanla 1983’den beri ısıtılmaktadır. İlave 110.000 m2 ‘lik ısıtma
sistemi


ile sıcak su kullanımı durumunda sistemin toplam kapasitesi
17.8 MW olmaktadır.





-Türkiye’de ilk kuyu içi eşanjör uygulaması 1981 yılında
Balçova Termal Tesislerinde gerçekleştirilmiştir. Bu tesis hotel, açık ve
kapalı yüzme havuzu


ve kür merkezini içermektedir.





- Simav’da 3500 konut, toplam 730 yataklı termal kompleks ve
80.000 m2
alana sahip bir seranın


toplam kapasitesi 66 MW’dır.





■Kırşehir’de 1800 konut ve 530 yatak kapasiteli 5 adet oteli
ısıtan merkezi ısıtma sisteminin kapasitesi 18.3 MW’dır.





Jeotermal enerjinin elektrik üretiminde kullanılması,
ekonomik açıdan en önemli olan kullanım şeklidir. Elektrik enerjisi elde
edebilmek için gerekli ön


araştırmaların ve tesis masraflarının çok yüksek olmasına
karşın kurulduktan sonra çok düşük maliyetle işletilmesi de en büyük
avantajlardandır. Tablo


5.1'de ülkelerin kurulu jeotermal elektrik üretim
kapasiteleri verilmektedir. 1996 yılı itibariyle dünyada toplam 8600 MW gücünde
jeotermal santral kurulu


gücü vardır. Dünyada jeotermal enerjinin elektrik santralleri
dışında kullanımı,





1996 yılı itibariyle toplam 11300 MW güce ulaşmıştır.
Amerika Birleşik Devletlerinde 1874 MW, Japonya’da 3321 MW, Çin’de 1915 MW,
Macaristan 340 MW, İzlanda’da


1443 MW, Fransa’da 599 MW, İtalya’da 307 MW ve Türkiye’de
635 MW düzeyindedir.