Alternatif süperkritik karbondioksit çevrimlerinin termodinamik analizi

Abstract

Fosil kaynak temelli insan yaşamının yol açtığı etkiler, tabiatta ve günlük hayatta artık görünür hale gelmiş ve tehlikeli boyutlara ulaşmıştır. Enerji üretiminde, hava, kara ve deniz taşımacılığında, ulaşımda neredeyse tamamen fosil kaynaklara bağlılığımız atık ve iklim sorunlarına yol açmıştır. Geri dönülemez noktaya hızla ilerlerken fosil kaynaklara bağlı olduğumuz sektörlerdeki alışkanlıkların da değişmesi gerekmektedir. Dünyada, enerji üretiminde, yaklaşık %60 oranında fosil yakıtlı santraller, %10 civarı ise nükleer santraller kullanılmaktadır (IEA, 2020). Karbondioksit ve diğer sera gazı salımlarına sebep olan fosil yakıt kullanımının azaltılması için yenilenebilir kaynakların kullanımının yaygınlaşması gerekmektedir. Güneş enerjisinin ısıl uygulamaları için büyük bir potansiyel vadeden süperkritik karbondioksit (sCO2) çevrimleri dikkat çeken bir konudur. Güneş enerjili santrallerin yanında, yeni nesil nükleer santraller, jeotermal santraller, fosil yakıtlı santraller, ağır sanayide atık ısı geri kazanımı uygulamaları gibi çeşitli ısı kaynaklarına uygulanabilme esnekliği, bu çevrimler için geniş bir araştırma alanı oluşturmaktadır. sCO2 çevrimlerinin tasarım noktası ve tasarım dışı durumlardaki davranışlarını değerlendiren modellere ihtiyaç vardır. sCO2'nin bir güç çevriminde iş akışkanı olarak kullanılması fikri 1950 yılında Sulzer tarafından ortaya atılmış ve sCO2 Brayton çevriminin patentini almıştır (Sulzer, G., 1950). Daha sonra yapılan araştırmalarla yüksek potansiyel vadeden bir konu olduğu görülmüş ve son 10 yılda yapılan çalışmalar da büyük bir ivme kazanmıştır. Bu çalışmada ısı kaynağından bağımsız, sabit bir ısı girişinde üç farklı sCO2 çevriminin performansının modellenmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında, üç çevrim için (Basit Çevrim, Yeniden Sıkıştırma Çevrimi, Birleşik Çevrim) tasarım noktaları belirlenmiş ve bir termodinamik model oluşturulmuştur. EES (Engineering Equation Solver) programında oluşturulan modeller için belirlenen tasarım noktası esnektir ve modelin belirlenen farklı tasarım koşullarında çalışmasına olanak verir. Modellenen 3 çevrim için en uygun tasarım noktalarının hesaplanması hedeflenmiştir. Tasarım noktası için, kompresör giriş sıcaklığı 32 °C, türbin giriş sıcaklığı 600 °C ve türbin giriş basıncı 25 MPa seçilmiştir. Tasarım noktasında en yüksek verime birleşik çevrimde (~%50), en düşük verime de basit çevrimde (~%35) ulaşılmıştır. Çevrimlerin basınç oranı, yeniden sıkıştırma ayrılma oranı, kompresör giriş sıcaklığı, türbin giriş sıcaklığı gibi parametrelerinin değişimlerine çevrim veriminin tepkisi incelenmiş ve en uygun noktalar belirlenmiştir. Çevrimler de sadece o çevrime ait olan parametre değişimi açısından değerlendirilmiştir (Örneğin, Birleşik Çevrimdeki sıkıştırma ve genişleme oranları). Bu değişkenlerin ısıl verim üzerindeki etkisi ayrı ayrı incelendikten sonra, ikili, üçlü ve dörtlü olarak aynı andaki değişimlerine karşılık en yüksek ısıl verim değerleri araştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda ve yapılan diğer araştırmalar incelendiğinde, belirli bir ısı kaynağıyla birlikte tüm diğer değişkenlerin hesaba katıldığı ayrıntılı bir sCO2 çevrimi modellemesi bu konudaki araştırmaların ve deneysel çalışmaların, ticari bir uygulamaya dönüşmesini hızlandıracaktır.