Jeotermal Enerji,Kaynaklari ve Kullanim AlanlariJeotermal enerji
Giriş
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