Ortam Isısı ile Elektrik Üretimi

Bu yazımızda bir mühendislik çalışmasını akademik makale biçiminde sizlere aktarıyoruz. Ortam ısısı ile elektrik üretimi konulu bu yazıyı dikkatle okumanızı tavsiye ederiz.

Ortam Isısı Çevreci Enerji Kaynağı

Ortam ısısı sahip olduğu enerji değeri, şu ana kadar tüketilen ve gelecekte tüketilecek olan bütün fosil kaynaklarının verebileceği enerji miktarından daha fazla olup, her geçen gün güneş, biyolojik yaşam ve tüketilen diğer enerji kaynakları ile sürekli olarak beslenerek artan bir enerji kaynağıdır. Bu kaynağın kullanılabilmesi, hem insanlığın enerji ihtiyacını sonsuza kadar temin edecek, hem de ortam sıcaklığının azalması ile bugün felaket boyutuna doğru evrilen küresel ısınmaya doğrudan çözüm üretecektir.

Ortam ısısı enerji kaynağı olarak kullanılması yeni bir düşünce değildir. Fakat konunun termodinamiğin 2. Yasası ile çeliştiği öne sürülerek yapılacak düzenlemenin 2.tip bir devridaim makinesi olacağı kabul edilmiş ve üzerinde fazla çalışma yapılmamıştır. Bu önerme bilimsel bir gerçek mi, yoksa dev enerji şirketlerin geleceklerini korumak için ürettiği bir saptırma masalı mıdır?

Peki biz sonucun başarısız olacağı söylendiği halde bu konu üzerinde niye tekrar çalışıyoruz?

Dünyamız şu anda etkilerini her geçen gün daha belirgin bir şekilde gösteren büyük bir tehlike altında ve bu tehlike her geçen gün artarak devam ediyor.

Peki nedir bu tehlike?  Hiç kuşkusuz küresel ısınma…

Bugün bizi etkileri ile rahatsız eden durum gelecekte torunlarımıza yaşanması mümkün olmayan bir ortam yaratacak. Bu duruma seyirci mi kalacağız ?

Benim şahsi cevabım HAYIR!!!!

Bu konuda yapılan çalışmalar ve çözüm yaklaşımı beni tatmin etmiyor. Sunulan sorun çözümü, dünyadaki fazla ortam ısısı uzaya kaçmasını önleyen sera etkisini kaldırmak. Bu amaç ile fosil yakıt kullanımının azaltılmaya zorlanması gerekmektedir. Bu çözüm yaklaşımının etkisini göstermesi çok uzun bir süreç gerektirmektedir.

Bu problemin başka çözüm yolları yok mudur?

Soğuma olgusunu tekrar incelersek; ısınmanın, bir kütledeki enerji yoğunluğunun artması olduğunu görürüz. Peki bu kütledeki enerjiyi azaltırsak kütle soğumayacak mı?

Bu metodoloji bana daha etkin geliyor. Bu işlem için önce enerjiyi ortamdan almamız, sonra ortamdan uzaklaştırmamız gerekir. Bu işlemi, eğer ortam ısısı elektriğe dönüştürülebilirse ki bunu kolaylıkla yapabiliriz. Ortamdan alınan enerjiyi insanlığın hizmetine sunarsak hem medeniyetin enerji gereksinimini karşılar hem de dünyanın ısınmasını engelleriz.

Ortam Isısı Kullanımının Termodinamiksel Modellenmesi

Ortam ısısı enerji kaynağı olarak kullanılırsa küresel ısınma durabilir ve insanlığın enerji ihtiyacı sonsuza kadar karşılanabileceği için geleceğimizi kurtarabiliriz. Ayrıca kullanılan enerji ısı olarak tekrar atmosfere geri döneceğinden sonsuz bir enerji kaynağımız olacaktır.

Bu nedenle konuyu daha dikkatlice araştırıp termodinamik açıdan çelişkileri belirleyerek bunları ortadan kaldırmaya çalışacağız.

Önce nasıl bir sistem tasarladığımızı ve bu tasarımın termodinamik ile çelişkilerini irdeleyelim.

Yapılacak sistem ortam ısısı ile çalışan bir yapı olacaktır. Bu nedenle senelerce denenen ve başarı ile uygulanan tasarım modelleri esas alınacaktır.

Klasik ısı makinelerinde (gerek içten yanmalı gerek dıştan yanmalı), tasarımlarındaki ortak noktalar şu şekildedir.

1. Enerji kaynağından ısı üretilir.
2. Oluşan bu ortam ısısı ile kapalı bir kaptaki çalışma akışkanı ısıtılır ve gaz oluşumu sağlanır.
3. Gazın ısınması ile genleşme sağlanır.
4. Kapalı kaptaki genleşmenin yarattığı basınç gücünün bir piston üzerine etkisi veya Venturi etkisi yaratarak gaz hareket ettirilip hızlandırılır ve gaz kitlesinin sahip olduğu momentum türbin yapısına aktarılarak iş yapımı sağlanır.

Bizim çalışma koşulumuzda birinci adım yapılmış ve ısı atmosfere bırakılmıştır. İkinci adımdan devam edersek, ortam ısısı  kapalı bir ortama aktarılması gerekir. Bu işlemi bir ısı pompası ile de yapabiliriz. (Mevcut ısı pompaları ile kapalı kaptaki çalışma akışkanını 80 °C ye kadar ısıtabiliriz). Bu sıcaklıkta 10 Bar üzerinde basınç üretebilecek organik akışkanlar mevcut (Örneğin Amonyak 50 °C de 23 Bar üretebilir).  Kapalı kapta oluşan basınçlı buhar bir türbin yapısında mekanik enerjiye dönüştürülür.

Termodinamiğin 2. Yasasını hatırlarsak;

1. Isı, sıcak ortamdan daha soğuk ortama kendiliğinden geçer. Soğuk ortamdan daha sıcak ortama ancak iş yapılarak geçebilir.
2. İş yapılarak ısının soğuk ortamdan daha sıcak ortama aktaran makineler tersinir ısı makineleri olarak tanımlanır. Verimlilikleri aynı ısı kaynakları ile çalışan ısı makinelerinin verimliliğinin tersidir.
3. Isı sıcak kaynaktan soğuk kaynağa aktarılırken bir kısmı iş enerjisine dönüşürken bir kısımda muhakkak sistem dışına atılması veya sistem içinde kaybolması gerekir. Bu ısı kaybı, sistemin entropisinin artmasına neden olur.
4. Isı makinelerindeki verimlilik, makinenin tasarımından ziyade makinenin çalıştığı ısı kaynaklarına bağlıdır. Bu değer Carnot verimliliği olan (1 – Tc /Th) değerinden fazla olamaz. (Th sıcak ısı kaynağının, Tc soğuk ısı kaynağının Kelvin derecesi). Verimlilik her zaman 1’den küçüktür, eksilen kısım sistemin entropisinin artmasını sağlar. Kaybı sıfır olan makine yapılamaz, sistem entropisinin her zaman artması gerekir.
5. Aynı ısı kaynakları ile çalışan iş makineleri aynı verimliliktedir. (Tersinir ısı makinelerde dahil)

Termodinamik olarak değerlendireceğimiz sistem üniteleri:

1. Ünite A (Isı pompası),
2. Ünite B (Türbin)
3. İki ünitenin birlikte (A + B) etkileşimi

Söylenen ünitelerin çalışma ortamı tercihlerimiz:

Ortam ısısı sıcaklığı                                    : To Kelvin

Kazan sıcaklığı                                             : Tb Kelvin

Türbin ısı atım ortam sıcaklığı                 : Tr Kelvin

1) B ünitesi [Türbin]

Carnot verimliliği N= (Tb – Tr) / Tb) = 1 – Tr/Tb

Klasik bir ısı makinesi olup kazandaki buhar, ısı pompası ile verilen ısı enerjisi ile oluşturulan basınçlı buhar ile iş gücü üretir. Bu ünite 2 ayrı ısı kaynağı (Tb ve Tr) ile çalışmaktadır.  Kazandan alınan basınçlı buhar, kazandaki ısının azalmasına neden olur. Fakat, ısı pompası bu ısıyı tekrar tedarik ederek kazanın ısı kaynağı olma özelliğini korur. Verimliliği carnot verimliliğini geçemez ve sonuç olarak bir kısım ısı enerjisi (Tr/Tb) türbinde entropisinin artışını sağlamak üzere kaybedilir. Kazana verilen toplam enerjiye (Et) karşı (N * Et) miktarda iş gücü oluşturur (Et ısı pompasının çalışması için verilen enerji ve buna karşılık ortamdan alınan enerji toplamıdır).

2) A ünitesi [Isı pompası].

Carnot verimliliği (COP): Tb / (Tb – To),

Ters bir ısı makinesidir. Yani, B ünitesinin tersine iş uygulayarak ısı akışı yaratır. Kazana ısı pompalamak için verilen giriş enerjisine (Eg) karşı Et=(COP+1) * Eg miktarda toplam ısı enerjisi aktarır.   2. Yasada belirtilen “Isı soğuk ortamdan daha sıcak ortama ancak iş yapılarak aktarılabilir.” Kuralına uymaktadır. Verimliliği Carnot verimliliğini geçemez. Sonuç olarak bir kısım ısı enerjisi kaybedilir. Bu da pompada entropi artımı anlamına gelir.  Ortam (To) ve Kazan (Tb) gibi 2 farklı ısı kaynağı ile çalışmakta 2. Yasa ile çelişen bir durum yoktur. Yine kazanda oluşan buharın türbin ünitesi tarafından kullanıldığında kazandaki ısı azalacaktır. Pompanın ürettiği ısı bu sıcaklıktan fazla olduğu sürece kazana ısı aktarılacak, fakat kazandaki sıcaklık pompanın ürettiği sıcaklığa gelince ısı aktarımı 1. kural nedeni ile duracaktır. Diğer deyişle kazan sıcaklığı belirli bir derecenin üzerine çıkamaz.

3) A ve B ünitelerinin birlikte (etkileşimli):

Sistem verimliliği: (Tb-Tr) /Tb * Tb / (Tb – To) = (Tb – Tr) / (Tb-To).

Burada 2. Yasanın öngördüğü “Hiçbir ısı makinesi Carnot verimlilik kuramından büyük olamaz” göreceli olarak önem kazanmakta. Carnot teoremi verimliliğin ısı makinesinin tasarım yapısına değil, tamamen makinenin kullandığı ortam ısısı kaynaklarının sıcaklık değerlerine bağlı olduğunu aynı ısı kaynaklarını kullanan ısı makinelerin aynı verimlilikte olacağını (ters ısı makineleri de dahil).  Eğer Tr = To olursa yani türbin ısı atımını ortama yaparsa sonuç 1 olacak ve sistem ancak verilen enerji kadar bir iş gücü üretecektir.

Yapacağımız sistem tasarımı (Tb–Tr) / (Tb-To)> 1 oluşturmalıdır ki sistem çalışabilsin. Bu şart ancak To değerinin Tr değerinden büyük olması ile sağlanır. Bu durumu A ve B ünitelerinin beraber olduğu sanal bir ısı makinesi olarak düşünürsek To sıcaklığından Tr sıcaklığına doğal bir akış olması için Tr değerinin To değerinden küçük olması gerektiği görülecektir.

Türbin ısı atımının ortam sıcaklığının altında bir ortama yapıldığında, A ve B ünitelerinin birlikte (etkileşimli) çalışmasında toplam verimlilik tasarlandığı gibi 1’den büyük olacaktır. Sistem A ve B ünitelerinin verimlilik çarpımı kadar verimli olacaktır. Verilen Eg miktardaki bir enerjiye karşı N * ((COP+1) *Eg) miktarda iş gücünü üretebilecektir. Verimliliği ise (çıkan enerji / giren enerji) = N*((COP+1) *Eg) /Eg = N*(COP+1) olacaktır. Burada verimliliğin 1’den büyük olması yoktan enerji üretildiği anlamına gelmez. Çünkü sisteme giren enerji sadece Eg değildir.

(Ortamdan alınan COP * Eg miktardaki enerjide sisteme girmekte) ama çıkış enerjisini (sadece bizim verdiğimiz Eg ye böldüğümüzden dolayı 1’den büyük olmakta). Çıkış enerjisini gerçek giriş enerjisine ((COP+1) *Eg) bölersek sonuç 1’den küçük olacaktır. Sistem verimliliğinin 1’den büyük olması yoktan enerji yaratıldığı değil sistemin ortamdan aldığı enerjiyi de başarılı bir şekilde dönüştürüldüğünü gösterir.

Eğer türbin ısı atımını pompanın ortam ısısı aldığı ortama yaparsa hiçbir sonuç üretilemez.

Fakat türbin ısı atımı akarsu vs. gibi ortam ısısından daha soğuk bir ortama yapılacak olursa, Ortam ısısı başarılı bir şekilde enerji kaynağı olarak kullanılabilir.

A + B ünitesinin oluşturduğu etkileşimli yapıda da To ısı kaynağından Tr ısı kaynağına (2 ısı kaynağı) ısı akımına karşı iş üretilmektedir. (Termodinamik çelişki yok)

Her zaman sisteme soğutma suyu gibi düşük sıcaklı ısı kaynakları bulamayabiliriz. Sistemimizdeki ısı pompasının soğutma işlemini değerlendirip önce yoğunlaşma tankına uygularsak, yapay bir düşük sıcaklığı üretebiliriz. Isı pompası, soğutma işlemine önce termik olarak yalıtılmış yoğunlaştırma bölmesinden başlarsa, bu bölümün sıcaklığı ortam sıcaklığının altına inecektir. Devamında, ortam ile temas ettirildiğinde, ortamdan daha soğuk olduğu için ortam ısısı transfer edilecek, sıcaklığı ortam sıcaklığına yükselecektir.

Türbin ısı atımı için ortamdan daha soğuk bir kaynak yaratıldığı gibi ısı pompasına giren sıcaklığında ortam sıcaklığının üzerine çıkarabiliriz. Eğer tasarımda ısı pompasının ısı atımı mekanizmasına odaklanırsak, ısı atımı sadece buhar kazanına yapıldığını ve istenilen buhar üretim sıcaklığına erişildikten sonra Th değerine eriştiğini görürüz. Bu sıcaklıkta genleştirme bölümüne girince, genleşme ile erişilecek sıcaklık azalması doyurucu olmayacaktır. Genleşmeye daha soğuk bir sıcaklıkla başlanırsa erişilen sıcaklık düşüşü daha fazla olacaktır. Bu da yoğunlaştırma tankını daha fazla soğutacaktır. Bu sıcaklığı genleşme işlemine başlamadan ortam ile temas ettirecek olursak soğuyacak ve (Th + To) / 2 değerine inecektir. Bu sırada kompresöre giren sıcaklık To olduğunu hatırlar ve genleşme öncesi ortamla temas etmeyi bu noktada yaparsak, genleşmeye giren sıcaklık Th den (Th + To) / 2 ye düşerken kompresöre giren sıcaklık To değerinden (Th + To) / 2 değerine yükselecektir.

Bu yöntemle akarsu gibi tabiatta bulunan ortam sıcaklığının altındaki ısı kaynaklarına gerek kalmadan ortam ısısı enerji kaynağı olarak kullanılabilir.

Sonuç ve Öneriler

Yapılan bu düzenlemelerle sistemin ısı alımını ortam sıcaklığının üstünde ve türbin ısı atımını ortam sıcaklığının altında bir sıcaklığa indirgeyerek, sistem verimliliğinin 1’den büyük olmasını sağlayabiliriz.

Ortam ısısı enerji kaynağı olarak kullanacak çevirim düzenekleri bilinçli bir şekilde tasarlanacak olursa hiçbir şekilde 2. Sınıf devridaim makinesi olmaz. Bu tip bir düzenek ile biz ortam ısısını enerji kaynağı olarak kullanabiliriz. Böylece insanlığın enerji ihtiyacını sonsuza kadar sağlayacağımız gibi, ortamdan enerji alacağımız için soğuyacağından küresel ısınmaya da doğrudan bir çözüm üretmiş oluruz.

YAZARLAR

Mustafa Tamer TEZGEL, B.S. E.E. METU 1976

tamer.tezgel@gmail.com

Büyükçekmece İstanbul, 34535

Emre LEBLEBİCİOĞLU

emreleblebicioglu001@gmail.com

Üsküdar, İstanbul