www.teknolojikarastirmalar.com e-ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (3) 41-48 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Düşük Sıcak Kaynaklı Isı Pompaların Enerji Maliyet Analizi Murat KAYA Hitit Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Çevre Yolu Bulvarı: 8 19030 Çorum/TÜRKĐYE mrtkaya@hotmail.com Özet Bu çalışmada Adapazarın da kurulu bulunan 2310 MW kurulu gücündeki doğal gaz çevrim santralının yoğuşma ünitesine ilave bir ısı pompası tasarımı düşünülmüştür. Đlave olarak düşünülen bu sistemin maliyet analizi yapıldı ve tesiste üretilmesi düşünülen ısıl enerji maliyet ilişkisi değerlendirildi. Yapılan birim maliyet analizinde; ilk önce ısı pompası birim yatırım maliyeti, işletme –bakım maliyeti ve yılık işletme bakım maliyeti (cm) olarak ele alınmıştır. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı arttıkça kompresör işi (Wkomp) değişimi irdelenmiştir. Her üç birim maliyet toplamı (gT)’a bakıldığında ise ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı artışına bağlı olarak birim maliyet 0.007449 $/kWh’dan başlayarak 0.05553 $/kWh’a kadar artış gösterdiği hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Doğal Gaz Çevrimleri, Gaz Türbinleri, Enerji Maliyet Analizi, Isı Pompası 1. Giriş Adapazarı’nda kurulu bulunan 2310 MW kurlu gücündeki doğal gaz çevrim santralının yoğuşma ünitesinden çevreye atılan atık ısı bir ısı pompası yardımıyla yükseltilerek kullanımı ele alınmıştır. Kurulumu planlanan bu ısı pompasının maliyet analizi ondukça önem arz etmektedir. Đlave olarak düşünülen bu sistemin maliyet analizi çıkartılmış ve tesiste üretilen enerji ile maliyet ilişkisi değerlendirilmiştir. Isı pompası sisteminin, konut ısıtılmasında kullanılması hem ekonomik bir kazanç hem de doğal kaynakların korunması ve çevre kirliliğinin azaltılması bakımından önemlidir. Isı pompaları geleneksel sistemlere kıyasla ısı enerjisi giderini azaltmaktadır. Bütün elektrikli ısıtıcılara kıyasla ısı pompası önemli bir enerji kazancı sağlamaktadır. Atık ısıların kullanılabilirliği sıcak akışta ki ısıya olan talep, ısı pompası kullanımını artırmaktadır. Isı pompaları, çevremizdeki hava, toprak ve su gibi doğal ısı kaynaklarından yararlanılarak endüstriyel uygulamalarda çokça kullanılmaktadır. Modern güç üretim tasarımı; sadece yüksek performans değil aynı zamanda düşük maliyetli yatırımı önceden belirlemek zorundadır. Isı pompası ile ısıl enerji üretiminin hesaplayabilmek için santrale yapılan masrafların önceden bilinmesi gerekir. Genellikle bu masraflar sırasıyla; santral yeri masrafları, santralın inşaat masrafları, işletmeye başladıktan sonra bahis konusu olan elektrik enerjisi masrafları, işletme ve bakım masraflarıdır. Belirli bir süre içinde bu masrafların tamamı, aynı sürede üretilen ısı yükü enerjisi miktarına bölünerek, üretilen birim enerji başına maliyet hesaplanır [1]. Tesise ilave edilen ısı pompasını termodinamik bakımdan incelemek yeterli değildir. Bunların birde ekonomik yönü vardır. Isı pompasının maliyeti, ürettiği enerji maliyetiyle birlikte değerlendirilir. Üretilen enerji mümkün olduğunca yüksek, maliyeti ise en azda tutarak en uygun çalışma şartları belirlenir. Bir sistemin uygulanabilir olabilmesi için ekonomik bakımdan da uygun bir maliyette olması şarttır. Yapılan birim maliyet analizinde; ilk önce ısı pompası birim yatırım maliyeti ele alınmıştır. Yatırım maliyeti (Ic) nin belirlenebilmesi için ısı pompası kapasite birim maliyeti (Ikbm) nin belirlenmesi gerekir. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kaynaklı Isı Pompaların Enerji Maliyet Analizi Đşletme –bakım maliyeti de oldukça önem arz etmektedir. Yılık işletme bakım maliyeti (cm) ise ilk yıl hariç her yıl için yaklaşık 50000 $ alınarak, birim işletme-bakım maliyeti (gm) belirlenmiştir. Üçüncü ise elektrik enerjisi birim maliyeti (ge) dir. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklık değişimine göre kompresör işi (Wkomp) değişimi irdelenmiştir. Her üç birim maliyet toplamı (gT)’a bakıldığında ise ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı artışına göre birim maliyet 0.007449 $/kWh’dan başlayarak 0.05553 $/kWh’a kadar artış gösterdiği hesaplamalar sonucunda görülmüştür. Sistemin enerji denklemleri bir bilgisayar programında değerlendirilerek enerji ile maliyet arasıda grafikler elde edilmiştir. Düşük sıcaklıklı atık suları, ısı pompasına kaynak olarak ele alan ve bunların maliyet analizini yapan bir çok çalışma mevcuttur [2-3-4-5]. Bu çalışmaların maliyet analizine göre ısı pompalarının havaya göre daha yüksek sıcaklıklı bir kayaktan beslenmesinin daha ekonomik olduğu görülmektedir. 2. Bir Değere Getirilmiş Maliyet Yöntemi Tesise ilave edilmesi tasarlanan ısı pompasının yatırım, bakım-onarım ve işletme maliyetini daha doğru olarak hesaplanabilmesi için bir değere getirilmiş maliyet yöntemi kullanılmıştır. Hangi kapasite aralığında değerlendirilecek olursa olsun, bir tesisin ekonomik açıdan geliri giderinden büyük olmalıdır. Sisteme ilave edilen ısı pompasının gider durumu; başta kompresörün çalışması ile elektrik enerji maliyeti, ısı pompası kuruluş maliyeti, bakım masrafı ayrıca ısı pompasından konutlara aktarma elemanları olan borular ve izolasyonları, sirkülasyon pompaları başlıca giderleri oluşturmaktadır. Geliri ise konutların ısı pompasından yararlanabilme miktarının fiyatı oluşturmaktadır. Enerji Üretimi Maliyeti $/kWh = Yatırım Maliyeti + $/kWqh Đşletme ve Bakım + Onarım Maliyeti $/kWqh Elektrik Motor BT TKGRŞ Buhar T19 Elektrik Maliyeti $/kWqh SP1 Kompr 1 Yoğ 2 SP2 m mC mB B 4 KV 3 Konutl TKDON T20 Yoğuşturucu P Şekil 1. Tesis için tasarlanan ısı pompasına ait şematik gösterim 2.1. Yatırım maliyeti Isı pompası yatırım maliyeti (gc) ise; bir değere getirilmiş maliyet metoduna göre birim yatırım maliyeti (1) formülünden belirlenmektedir [1]. n t − 1 1 −t I c 1 − i + (1 + r ) ∑ n n t =1 ($/kWqh) (1) gc = n −t ( Eq ) HP ∑ (1 + r ) t =1 Burada Ic toplam yatırım maliyeti ($), n ömür 20 yıl olarak alınmıştır, t geçen yıl, (1<t<n) olmaktadır, r ıskonto oranı, i faiz oranı ifade etmektedir. Isı pompası yatırım maliyeti (Ic) literatür araştırmalarına [6-7-8-9] göre ısı pompalarının ortalama yatırım maliyeti kapasitesine göre değişmektedir. Isı pompası kompresör kapasitesi ile birim maliyet değişiminin fonksiyonel ilişkisi Şekil 1.’de grafik olarak elde edilmiştir. Elde edilen grafiğin denklemi ise; Ikbm=829,47x(WHPK) –3 ($/kW) (2) 42 Kaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 olarak belirlenmiştir. Burada Ikbm: kW başına düşen maliyeti, WHPK: kompresör kapasitesi belirlemektedir. Ikbm ($/kW) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 y = 829,47x -0,3 R2 = 1 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 W HPK (MW) Şekil 2. Isı pompası kapasite değişiminde birim maliyet değişimi Şekil 3. de görüldüğü gibi ısı pompası yoğuşturucusunun farklı sıcaklıklarında, kompresör kapasite değişimi 35 MW’dan başlayarak 293 MW’a kadar artmaktadır. 350 WHPK (MW) 300 250 200 150 100 50 0 60 80 100 120 140 Tkond (oC) 160 180 Şekil 3. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişiminde kompresör kapasite değişimi Ic ($xmilyon) Isı pompası kompresör kapasite artışı beraberinde maliyeti artırmaktadır. Şekil 4.’de ısı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişiminde ısı pompası toplam maliyet (Ic) değişimi görülmektedir. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 60 80 100 120 140 160 180 Tkond (oC) Şekil 4. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişiminde kompresör maliyet değişimi 43 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kaynaklı Isı Pompaların Enerji Maliyet Analizi Şekil 4. de Ic değerleri, Şekil 2. de kullanılarak bir değere getirilmiş birim yatırım maliyeti Tkon in fonksiyonu olarak elde edilir. 2.2. Đşletme-Bakım Maliyeti Đşletme-bakım birim maliyeti (gm) ise tesisin çalışma sırasında ki giderleridir. Bu nedenle başlangıçta seçilen yıllık işletme gideri sürekli artış gösterecektir. Bu artış göz önüne alınarak ∑ (C n gm = m ) (1 + em ) t (1 + r ) −t t =0 n ( Eq ) HP ∑ ($/kWqh) (1 + r ) (3) −t t =0 formülünden hesaplanmıştır [1]. Cm işletmeye başlama tarihindeki işletme bakım masraflarının değeri 50000 ($/yıl), em ise % 5 santralın ömrü boyunca yıllık artış olarak alınmıştır. 2.3. Elektrik Maliyeti Đlave edilen ısı pompası ile yüksek sıcaklık edinilmek istenmiş. Bu nedenle de R-11, R-12, R-22, R-114, R-500 R501, R-502, R-503, R-113, R-134a, R-123, R141B ve 152a soğutucu akışkanları seçilerek bunlar için ayrı ayrı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimine bağlı olarak optimum değeriyle birlikte ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 180oC’ye kadar alınarak hesaplamalar yapılmış, maliyet analizi açısından hesaplamalarda R-11 akışkanı tercih edilmiştir [10]. Isı pompası kompresörü için gerekli elektrik enerjisi santraldan karşılanmaktadır. Isı pompasının kWeh başına düşen elektrik maliyeti (ge) hesaplanırken, santralın TEDAŞ’a sattığı elektriğin birim fiyatı olan kWeh başına 4.2 cent alınmıştır. Isı pompası için her yıl kombine güç santralından yaklaşık aynı miktarda enerji alındığı varsayılmıştır. Alınan bu elektrik enerjisi yıllık ısıl enerji üretimine oranlanarak n ge = (Ee) ∑ Ce(1 + ee ) t (1 + r ) −t t =1 n ( Eq ) HP ∑ ($/kWqh) (1 + r ) (4) −t t =1 Denklem (4) gibi ısı pompasının ömrü boyunca 1 kWqh ısı başına bir değere getirilmiş elektrik maliyeti elde edilmiştir [1]. Ee yıllık elektrik harcama maliyeti olarak alınmıştır ve ısı pompası kompresörünün bir yılda harcadığı toplam elektrik enerjisini vermektedir. Kompresör sıcaklığı arttırıldıkça yıllık harcanan elektrik enerjisi artmaktadır. Hesaplamalarda, kompresör sıcaklığı 60-180oC arasında alınarak elektrik maliyet hesabı çıkartılmıştır. ee; elektrik fiyat artışı %5 olarak alınmış, Ce; çevrim santralının TEDAŞ’a satış fiyatı alınmıştır. Her üç maliyetin toplamı ise gT= gc +gm +ge ($/kWqh) (5) (5) denklemi ısı pompasının toplam birim yatırım maliyetini vermektedir. 44 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 Birim Maliyet ($ /kWh) Kaya, M. 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 gT ($/kWh) 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 T kond (oC) Şekil 5. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklık değişiminde maliyet analizi Toplam maliyet (gT)’a bakıldığında ise ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı artışına göre birim maliyet Şekil 5.de görüldüğü gibi 0.007449 $/kWh’dan başlayarak 0.05553 $/kWh’a kadar artış göstermektedir. Birim Maliyet ($/ kWh) Her üç maliyete ayrı ayrı bakılırsa, Şekil 6. de görüldüğü gibi ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı artışında başta elektrik maliyeti, işletme maliyeti, yatırım maliyeti artmakta olduğu görülmektedir. Genel toplam maliyete bakıldığında ise ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığının artışı ile birim yatırım maliyeti artmakta olduğu görülmekte. Bir başka ifadeyle ısı pompası performans değeri küçüldükçe kWh başına düşen birim maliyet artmaktadır. 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 gT ($/kWh) 60 70 80 90 gc ($/kWh) ge ($/kWh) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Tkond (oC) Şekil 6. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişiminde elektrik, yatırım ve toplam birim maliyet değişimi 3. Isı Pompasının Isıtma Amaçlı Çalıştırılması Durumunda Maliyet Isı pompası en düşük çevre sıcaklığı şartlarına göre kurulmuştur. Isı pompası kışın ısıtma amaçlı olarak kullanıldığında yaz mevsiminde atıl kalacaktır. Ayrıca kışın bazı günlerde çevre sıcaklığının artması ile konutların ısı ihtiyacı azalacak ve ısı pompası tam kapasite ile çalışmayacaktır. Bu nedenle sistemin yaz döneminde işletme maliyetinin azalmasına rağmen yatırım-bakım, onarım maliyetleri değişmeyecektir. Bu yüzden kWh başına düşen toplam maliyet artacaktır. Aynı maliyete kurulan ısı pompası yoğuşturucusundan yaz aylarında kurutma amaçlı, kışın dış sıcaklığın yüksek olması durumunda konutların ısıl enerji ihtiyacı azalacağından, kışın da dahil olmak üzere ısı pompası yoğuşturucusundan hem kurutma hem konut ısıtma olarak tam kapasite yararlanılırsa kWh başına düşen birim maliyet azalacaktır. Isı pompası kullanım kapasitesinin tam kapasite çalışma durumuna oranı (Rk) olarak belirlenmiştir. Isı pompası yoğuşturucusu (60-180oC) sıcaklıkları aralığında alınarak, kapasite kullanım oranı (Rk) değişimi ile ısı pompası birim maliyet analizi Şekil 7. gösterilmiştir. 45 Isı pompası birim mal ($/kWh) Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kaynaklı Isı Pompaların Enerji Maliyet Analizi 0,15 Tkond60 0,14 Tkond70 0,12 Tkond80 0,11 Tkond90 0,09 Tkond100 0,08 Tkond140 0,06 Tkond180 0,05 0,03 0,02 0,00 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Rk Şekil 7. Farklı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklıklarında ısı pompası kapasite oranı değişiminde ısı pompası birim maliyet değişimi Rk değişimi ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 60oC’de birim maliyet 0.002696 $/kWh dan 0.0134 $/kWh arasında değişmektedir. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklığı en yüksek değer olan 180oC sıcaklığında birim maliyet 0.027372 $/kWh’dan 0.1368 $/kWh’a kadar yükselmektedir. Adapazarı bölgesi için Rk değeri 0.43 olarak belirlenmiştir. 4. Sonuçlar ve Öneriler Bir sistemin uygulanabilir olabilmesi için ekonomik bakımdan da uygun bir maliyette olması şarttır. Bir sistemin tercih edilebilirliği özelikler içerisinde maliyeti ilk sıraları oluşturmaktadır. Bu sebeple ısı pompasının maliyet analizi yapılmıştır. Yapılan birim maliyet analizinde; ilk önce ısı pompası birim yatırım maliyeti ele alınmıştır. Yatırım maliyeti (Ic) nin belirlenebilmesi için ısı pompası kapasite birim maliyeti (Ikbm) nin belirlenmesi gerekir. Elde edilen kapasite birim maliyet grafiği Şekil 2.de gösterilmiştir. Şekilden ısı pompasının kapasitesi arttıkça kWh başına düşen maliyetinin de (Ikbm) azaldığı görülmektedir. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı (60-180oC) aralığında değerlendirildiğinde, özelikle yüksek sıcaklıklarda kapasite artmaktadır. Bu artış, ısı pompası yatırım maliyeti (Ic)’yi azaltmaktadır. Şekil 5.de ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığının artışında birim maliyet (gc) çok az artmakta olduğu görülmektedir. Maliyeti etkileyen faktörlerden biride ısı pompasının çalışma şartlarıdır. Mevcut sistemin en yüksek kapasitesi dış sıcaklığın en düşük şartları için ayarlanmıştır. Dış sıcaklığın artması ile mevcut kapasite kullanımı azalacaktır. Bu da yatırımdan dolayı maliyeti artıracaktır. Kapasite kullanım oranı (Rk) olarak belirlenen bir ısı pompasının birim maliyeti Rk ya bağlı olarak farklı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklılarında farkı birim maliyetler göstermektedir. Şekil 7. bakıldığında Rk değişiminde ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 60oC’de birim maliyet 0.002696 $/kWh dan 0.0134 $/kWh arasında değişmektedir. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklığı en yüksek değer olan 180oC sıcaklığında birim maliyet 0.027372 $/kWh’dan 0.1368 $/kWh’a kadar yükselmektedir. Çalışmalar sonucunda Adapazarı bölgesinde optimum bir ısı pompası kapasite kullanım oranı 0.43 olarak belirlenmiştir. Tek bir yoğuşma ünitesine ilave edilen ısı pompasıyla Adapazarı’nda bir konutun ısı ihtiyacı 20 kW olmak şartıyla 20000 adet konutun ısıtılacağı belirlenmiştir. Meteorolojiden Adapazarı bölgesi için beş yıllık ortalama hava sıcaklık değerleri alınmıştır. Isı pompası, geleneksel ısıtma sistemlerine göre birincil enerjiyi daha az tükettikleri için azot oksit (NOx), sülfür dioksit (SO2) ve karbondioksit (CO2) gibi çevreye zararlı emisyonları önemli oranda azaltmaktadır. Yapılan bu çalışmada alternatif olarak sadece konut ısıtılması değil aynı zamanda bölgede üretilen başta fındık, mısır gibi bir çok tahıl ürünlerinin de kurutulması yapılabilir. Bölge orman arazilerine yakın olması nedeniyle, ağaç kurutulması, sunta imalat hanelerinin sıcak su ihtiyacını karşılamak gibi bir çok endüstriyel amaçlar için kullanılabilir. Ayrıca santralın çevresindeki verimli tarım arazilerine kurulabilecek seralarda atık ısının değerlendirilmesi incelemeye değer konudur. 46 Kaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 5. Semboller BM :Birim maliyet COP :Isı pompası performansı Ce :Elektrik fiyatı Cm :Yıllık işletme gideri Eq :Toplam yıllık konut ısı yükü Ee :Isı pompası yıllık elektrik enerjisi em : Đşletme bakım maliyetinin yıllık artışı ee :Elektrik fiyat yüzde artışı gc :Isı pompası birim yatırım maliyeti ge :Isı pompası birim elektrik maliyeti gm :Isı pompası birim işletme –bakım maliyeti gf :Kombi birim yatırım maliyeti gT :Isı pompası toplam birim maliyeti HP :Isı pompası i :iskonta oranı Ikbm :Kompresör gücüne göre birim maliyet Ic :Isı pompası yatırım maliyeti kh :Konut sayısı nö :Isı pompası ömrü nb :Yıllık ısı kullanım katsayısı ns :Eş zamanlılık katsayısı P :Basınç Po :Çevre basıncı Pv :Kısmi basınç Q :Isı akısı Qr :Isı transferi QH :Isıtma için gerekli ısı yükü QW :Sıcak su için gerekli ısı yükü qk :Kilometre başına ısı kaybı Rk :Isı pompası kullanım kapasitesi r :Faiz oranı T :Sıcaklık To :Çevre sıcaklığı Tr :Kontrol yüzey sıcaklığı ti :Đç sıcaklık tdmin :Minimum dış sıcaklık U :Toplam ısı transfer katsayısı Wkop :Kompresör gücü WHPK :Kompresör kapasitesi YKĐ :Yük komitasyonlu devir ayarlayıcı Kaynaklar 1. Aybers, N., Şahin B., ‘Enerji Maliyeti’ Yıldız Teknik Üniversitesi Yayın- Đst –1995 2. Naitai Tan. Waste water-resource heat pump air conditioning technology [J]. Construction science and technology. 2005 (16):62-63.(In Chinese) 3. Huang, G., Development and application of urban waste water-resource heat pump [J]. Fluid machinery. 2005 (16):76-78. (In Chinese) 4. Li, J., Tu,G., Zhou, W., The application of urban waste water-resource heat pump to residential heating [J]. Fluid and machinery. 2004 (9):65-68. (In Chinese) 47 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kaynaklı Isı Pompaların Enerji Maliyet Analizi 5. Cui, F., Li, X., Zhou,H., ‘Technical and economic analysis on waste water-resource heat pump heating and air conditioning system [J]. Energy efficient technology. 2005 (1):14-17. (In Chinese) 6. Yumrutaş, R., Kunduz, M., Kanoğlu, M., ‘Exergy Analysis of Compression Refrigeration systems’ Exergy Đnternational Journal 2- 266-272 2002 Elsevier 7. Bilgen, E., Takahashi, H., ‘Exergy Analysis and Experimental Study of Heat Pump Systems’ Exergy Đnternational Journal 2-259-265 2002 elsevier 8. http://www.eere.energy.goc/erec/factsheret 9. http://www.matche.com/equipcost 10. Kaya M., ‘Birleşik Çevrim Santralinde Ekserji Analizi Ve Atık Isının Değerlendirilmesi’ Sakarya Üniversitesi Fenbilimleri Enstitüsü Doktora Tez Ocak-2005 48