GÜNEŞ VE RÜZGAR ENERJİLİ UYGULAMALAR

Birol Kılkış

Başkent Üniversitesi

TTMD, Fellow ASHRAE

Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü

YAPILI ÇEVREDE YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI İLE BERABER ISI VE GÜÇ ÜRETİMİNİN AKILCILIĞI

9. Enerji Verimliliği Forumu ve Fuarı

Özel Oturum 30 Mart 2018 Ġstanbul

VERİMLİ KOJENERASYON / YERİNDE ÜRET YERİNDE TÜKET

JEOTERMAL

.

.

.

Mevcut Binaların Rehabilitasyonu ve Enerji Verimliliğinin

Geliştirilmesi (Eylem B5)

Yeni Binalarda Enerji Verimliliğinin

Özendirilmesi (Eylem B9)

Binalarda Yenilenebilir Enerji ve Kojenerasyon Sistemlerinin Kullanımının Yaygınlaştırılması

(Eylem B11)

Merkezi ve Bölgesel Isıtma/Soğutma Sistemlerinin

Kullanımının Özendirilmesi (Eylem B6)

Kojenerasyon ve Bölgesel Isıtma – Soğutma Sistemlerinin Potansiyelinin

Belirlenmesi ve Yol Haritasının Hazırlanması (Eylem E1)

"Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı 2017-2023" (Eylem B5, B9, B11, B6, E1)

•

•

3

4

5

6

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

• Enerjide en Büyük Sorun: Dışa Bağımlılık ve Pahalılık (Kadir Has Ü.)

ψR

Ġkinci Yasa

talep

R

jeotermal

Birinci Yasa

SÜRDÜRÜLEBİLİR KALKINMA VE CO2

KALKINMA

CO2

Zaman

CO2 ≈ (1-Akılcılık Oranı)

AYRIŞTIRMA DECOUPLING

YENĠLENEBĠLĠR ENERJĠ KAYNAKLARININ KISITLARI

• Eş-Yersizlik

• Eş Zamansızlık

• Kestirimsizlik

• Kesiklilik

4/12/2018 5

Kaynak Zaman

HOLLANDA DA GÜNEġ KENTĠ GÜNEġ VE RÜZGARIN BULUġMASI

• Melez Uygulamalar

ENERJĠ DEPOLAMASIZ SĠSTEM

4/12/2018 7

ENERJĠ DEPOLAMASI

4/12/2018 8

Zaman Ekseni

GüneĢ veya Rüzgar

Enerjisi

Isıl Yük

PV SĠSTEMLERĠNĠN YÜKSELĠġĠ

• Türkiyede de durum aynı. Hızla PV sistemlere geçiyoruz.

• Konya Karapınar: 22.5 MWe kurulu güç: • İlk aşama 17.8 MWe.

• 22.5 MWe , which is completed on 4 May 2016.

• 2 x 500 MWe-kapasite % 65% yerli üretim.

• PV destekli ısı pompalı uygulamalar da yükselişte

• Kentsel uygulamalarda neden PVT kullanmıyoruz?

Güneş Enerjisi 2016 2023 (Hedef)

Kurulu Güç 832.5 MW 3.000 MW (PV)

Kaynak: ETKB

Largest Solar Energy Plant: Total 22.5 MW (2016) 1 GW Solar Energy Plant Tender (2017)

ÖZET

Her şey güzel de. elektrik gücü üretirken ortaya çıkan ısı yaklaşık üç kat. ηE: 0.2, ηE: 0.6 PV gözeler ısındıkça güç üretimi daha da azalıyor ve kentsel ortamda ısı adaları oluşuyor

Bu olgu hemen bizi yanıltmasın, elektrik gücünün ekserjisi ısıl güç ekserjisinin yaklaşık altı katı. PV veriminin azalımı da göz önünde tutulduğunda artık ısının potansiyel katma değeri elektriğin olası katma değerinin yaklaşık yarısı kadar bir değerde.

Bu ısıyı neden kullanmayalım?

SICAKLIK ETKĠSĠ

11

BĠRLĠKTE ÜRETĠMDE AKILCILIK

47.2%

34.6%

18.2%

Ex

Elektrik

Yıkım

Isı

Ġkinci Yasa Performansı

QT

TE

f

ref

maksx

1

GÜNEġLĠ SICAK SU TOPLAÇLARI GĠDEREK PAZAR PAYI KAYBEDĠYOR PV SĠSTEMLERĠ YÜKSELĠġTE

• Bu konuda neler yapabiliriz? • PC sistemlerle ortak çözüm: PVT Sistemleri, Ayı çatı veya cephe yüzeyinde birlikte üretim,

hatta üçlü üretim.

• PVT sistemlerinde farkındalık yaratmak

• Exergy-Tabanlı gerçekçi ve optimum çözümler üretmek

• Sertifikasyon

• TSE Standardı

• Endüstriyi desteklemek

GÜNEġLĠ ÜÇLÜ ÜRETĠM KAVRAMI Bir Yüzeyde Üç İşlev

Güneş Gözesi Levha

TEC

©2006 Birol Kilkis

POTANSİYEL BAŞARIMIZ

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250

GÜ

Ç, W

Işınım Yoğunluğu, W

Total Solar Power

Solar Cooling

Solar Heat

Net Solar Power

Toplam Işınım

Soğutma

Isıtma

Elektrik

ITK (COP) > 1

KAVRAM

ELEKTRİK

SICAK SERVİS SUYU

GÜNEŞ GÖZESİ

TEC KATMANI

ISITMA VE/VEYA SOĞUTMA

ABS

ISI

GÜNEġ DUVARI

İÇ MEKAN

DIŞ ORTAM

ISI DEĞİŞİMİ

MELEZ GÜNEġLĠ AYDINLATMA

HER ġEY MELEZ OLABĠLĠR (PVT): Güneş Bacası

Dikkat: • Pompaj için gereken güç ekserjisi elde edilen toplam güç ekserjisinden fazla olmamalı • Isı çok çekilirse baca etkisi azalır türbin gücü azalır

By Dr. Özgür Erol, Başkent University

YENĠLĠKÇĠ ÇÖZÜMLER 1: PHVT

TERMODĠNAMĠK ANALĠZ DÜZLEMSEL TOPLAÇ

GüneĢ Enerjisi, Tf , I

Isı (Sıcak Su), Tapp

sıcaksuR

güneş

ε

ε

ε

1

13661 1

5778 5778

ref

f güneş

ref ref

T

TI

T T

K K

2 (1 )RCO

0.25

GÜNEġ GÖZESĠ PV

Güneş Enerjisi, Tf , I

Elektrik Gücü

TE

εsup

Tf

TE

Tref

εdes

1

1 1

1

ref

des ER

refarz

f

T

T

T

T

0.50

PVT

ε

ε

Elektrik Gücü

ε

Isıl Güç

ψR: 0.85

PERFORMANS MUKAYESESĠ

Sistem Birinci Yasa

Verimi, ηI

Ġkinci Yasa

Verimi, ηII

Akılcı Ekserji

Yönetim

Verimi, ψR

CO2

salım

azaltımın

a katkı

DT 0,65 0,175 0,25 1

PV 0,20 0,36 0,50 1,62

PVT (0,22+0,70) 0,58 0,85 7,31

YENĠLĠKÇĠ PVT TÜRLERĠ

ELECTRIC %15

LOSS %85

PV

ELEKTRIC %20

HEAT %72

PVT %8

PVT

COOLING 10% POWER

10%

SOLAR HEAT 72%

HEAT FROM INDOORS

> 8%

PVTC

Elektric % 60

LOSS %30

HEAT %10 PHVT

Avrupada PVT Sistemlerinin Akılcılık Atlası ©Birol Kilkis, 2016

I = 2000 kW-h/m2year South Mediterranean I = 1800 kW-h/m2year Mediterranean

I = 1600 kW-h/m2year South Europe

I = 1400 kW-h/m2year Europe

I < 1000 kW-h/m2year Nordic

I = 1200 kW-h/m2year Europe I = 1000 kW-h/m2year North Europe

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700

Sim

ple

Pay

bac

k ye

ars

PVT Area m2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700

Sim

ple

Pay

bac

k Y

ear

s

PVT Area m2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700

Sim

ple

Pay

bac

k Y

ear

s

PVT Area m2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700

Sim

ple

Pay

bac

k Y

ear

s

PVT Area m2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

0 100 200 300 400 500 600 700

Sim

ple

Pay

bac

k Y

ear

s

PVT Area m2

I = 1800 kW-h/m2year South Mediterranean

I = 1600 kW-h/m2year Mediterranean

I = 1400 kW-h/m2year South Europe

I = 1200 kW-h/m2year Europe

I < 1000 kW-h/m2year Nordic

Uygulama Büyüklüğü Etkisi ©Birol Kilkis, 2016

PVT MODELĠ

30

ENİYİLEME ALGORİTMASI

XTPXTESXPXHXExT EEEEEE 1

IEsEXE QE

31

PHVT-2

Coolant

PV (CdTe)

TEG

Heat Conducting Film

E1+E2

LowEx water

PHVT

PHVT-2

E1+E2

Temperature

PHVT-3

Patent Pending, 2016

PV

Insulation TEG

Insulation

PCM

Glass

Frame

Heat Conducting Nano-Sheet

GÜNEġ ENERJĠLĠ ÜÇLÜ ÜRETĠM DUVARI

PVT-3 SĠSTEMĠ

0

20

40

60

80

100

120

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Güç

Çık

tısı

, W

Saat, h

E1 PV

E2 TEG

Total Power Output

PVT-3 nin SAATLĠK PERFORMANS ÖRNEĞĠ

We Must Also Diversify the Applications and the Market: Organic Animal Farm and the Greenhouse

AKDENĠZ GÜNEġ EVĠ

ISI POMPASI NE ZAMAN AKILCI OLUR?

PVT TEST STANDARDI

40

out

ref

outinmpmXTT

TTTTCjVTviE 1))(()()(96.0)(

DEĞERLENDİRME

Tin = 293 K

V

Ex

Ex = aVn/Im

I

I

I

DEĞERLENDİRME

I = 1000 W V = Vtest

DT = 20 K

I

Ex

Ex = bIk/Tinl

Tin

Tin

Tin

Sistem ηPV ηH ηTEG Tin Tout

PVT 0.18-5% * 0.6 na 318 K 328 K

PHVT 0.18-5% 0.55 0.06 310 K 320 K

PHVT-2 0.19-0.02 0.50 0.07 295 K 305 K

PHVT-3 0.20 0.55 0.08 295 K 305 K

* DolaĢım pompa enerji talebinden kaynaklı verim azalması.

ÖRNEK SONUÇLAR

REMM Verimi PVT PHVT PHVT-2 PHVT-3

ΨR 0.74 0.79 0.88 0.92

Birim GüneĢ

Enerjisinden

Toplam Ekserji

0.19 W/W 0.25 W/W 0.27 W/W 0.3 W/W

ÖRNEK SONUÇLAR

ψR değeri yükseldikçe önlenebilir CO2 salım oranı azalır

RψCO 12

YAPILMASI GEREKENLER

• Güneş enerjisi hem kendi içinde melezleşmeli (PVT, PHVT, PVTC gibi)

• Hem de dışında melezleşmeli (Rüzgar, Jeotermal gibi)

• Özgün otomasyon ve optimizasyon algoritmaları geliştirilmeli

• Enerji depolama sistemleri geliştirilmeli

• Atık ısı ile buluşmalı

• Melez enerji potansiyeli atlasları hazırlanmalı

UYGULAMA ATLASI

GüneĢ KuĢağı

Bölgesi

Önerilen PV ve PVT sistemleri ve konumları

1 Çatıda PVT, Cephelerde PVT

2 Çatıda PVT veya yerel iklime göre sadece PV

3 Çatıda veya düz çatıda PV

4 Çatıda PV

AMAÇLAR NE OLMALI

• Birim m2 den en fazla ExT

• Isı Depolaması

• Melezleşme

• Hidrojen Ekonomisi

out

ref

XTT

THEE 196.0

4/12/2018 49

KOMPOSĠT ATLAS

ε

ε

ε

ε

GELECEĞĠN GÜNEġ ENERJĠSĠ

MELEZ HĠDROJEN EVĠ

SIRADIġI BĠR ÇÖZÜM

SIRADIġI UYGULAMALAR

JES UYGULAMALARI

4/12/2018 57

İşletmede Parasal Tasarruf- Birinci Yasa

4/12/2018 58

ISI POMPASI

1 kWhE @ 42 kuruş/kWhE

DG

K

E MITKkW

1Tüketim Isı

3

0.85 14 kuruş/kWH

= 49.4 kuruş/kWH

Kazanç = 49.4-42 = 7.4 kuruş/kWH

Enerjide tasarruf

BEO = ηTH x ITK

4/12/2018 59

ηTH= 0.27 ITK=3

Isı Pompası

Fosil Yakıtlı Güç Santrali

BEO = 0.27 x 3 = 0.81

CO2 salımlarında azaltım-Birinci Yasa

4/12/2018 60

ISI POMPASI

0.2x[1 kWhE/(0.27)]= 0.74 kg CO2

DG

K

E MITKkW

1Tüketim Isı

3

0.85

= 0.70 kg CO2

Kazanç = 0.74-0.70 = 0.04 kg CO2/kWH

0.2

Gerçek Katma Değer-İkinci Yasa Demek ki başka parametreler var

4/12/2018 61

COP x (1-Tref/(55+273.15))= 0.16 x COP 283 3

= 0.48 kWH

K

KCOP

)27355(

2831

1min = 7.28

in

out

ref

in

outEX

T

T

COPCOPCOP

1

Rout TTbaCOP

b

aTTT Rfretou

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

290 310 330 350 370 390 410

Tout

COPEX

COP

a = 5, b = 0.04 K-1, Tin = 288 K, Tref = 283 K Performansı en üst düzeyde tutmak için değişken debili pompalara komut

veren ekserji tabanlı yazılımlar gerekir.

< 1 kWE

Doğalgazın bulunmadığı bölgelerde, sezonluk ısıtmada COPmin koşulunun sağlanamadığı ısıtma sistemlerinde, hava kaynaklı ısı pompalarının kullanımı, fosil tabanlı diğer yakıtlar temel alınmak suretiyle

yapılacak enerji ve salım etüdleri ile belirlenmeli ve bu amaçla bir simülasyon programı kullanılmalıdır.

Ancak, Tout u azaltırken eşanjör boyutlarının ve pompaj giderlerinin de artacağı unutulmamalıdır.