Jeotermal hibrit enerji santrallerinin ekonomisini değerlendiren çalışma

Kanada, Alberta, Swan Hills'de ortak üretilen doğal gaz ve jeotermal enerji projesi (kaynak: FutEra Power Kamu Raporu, Ocak 2023)

Merve Uytun 10 Eyl 2024

Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) ve Idaho Ulusal Laboratuvarı’ndan (INL) bir grup araştırmacı tarafından yapılan yeni bir çalışma, jeotermal hibrit enerji santrallerinin teknik ve ticari uygulanabilirliğini inceliyor. Çalışma, özellikle jeotermal-doğal gaz hibrit santrali ve doğal gaz, güneş ısısı, termal enerji depolama ve jeotermali birleştiren “üçlü hibrit” santral için senaryoları analiz ediyor.

Wendt ve arkadaşlarının “Güneş veya Doğal Gaz Buhar Üstü Döngüsü Kullanılarak Yeşil Alan Jeotermal Hibrit Santrallerinin Tekno-Ekonomik Analizi” başlıklı tam makalesine şu bağlantıdan ulaşılabilir: https://doi.org/10.2172/2372872 .

Verimlilik ve esneklikten yararlanma

Jeotermal enerji santralleri, ABD enerji piyasalarına rekabetçi bir şekilde güç sağlamak için çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorluklardan biri, jeotermal santrallerin esnek çalışmasını telafi etmeyen ve jeotermal sistemin elektrik arzını ve talebini dengeleme veya diğer yenilenebilir üretim azaldığında frekans düzenlemesi sağlama yeteneğini sınırlayan geleneksel PPA’lara bağımlılıktır.

Amerika Birleşik Devletleri’nde jeotermal kaynakların yaygınlaştırılması da geleneksel olarak sınırlı olup, genellikle daha yüksek sıcaklıktaki hidrotermal kaynaklara (örneğin 175–225°C) en kolay ulaşılabilen batı bölgelerinde gerçekleşmektedir.

ABD jeotermal dağıtımı geleneksel olarak daha yüksek sıcaklıktaki hidrotermal kaynaklara (örn. 175–225 °C) en kolay erişilebilen Batı Amerika Birleşik Devletleri’nde gerçekleşmiştir. Düşük ila orta sıcaklıktaki kaynaklara (örn. 90–150 °C) ABD’nin daha büyük bir bölümünden erişilebilir ve jeotermal dağıtımını artırma fırsatı sunar. Ancak daha düşük sıcaklıklar daha düşük termal verimlilik ve artan üretim maliyetleriyle sonuçlanır.

Çalışma, jeotermal ikili enerji santrallerinin güneş termal ve doğal gaz yanma atık ısısı geri kazanımına dayalı tepe döngüsü hibridizasyonunu önermektedir. Bu yaklaşım, jeotermal enerji santrallerinin daha rekabetçi maliyetlerle güç üretmesine olanak sağlayabilecek çeşitli faydalar sağlar.

• Güneş enerjisi ve doğal gaz yakma atık ısısından elde edilen ısının jeotermal enerji santraline eklenmesi, elektriğe dönüştürülebilecek ek bir girdi sağlar.
• Yoğunlaştırılmış güneş kollektörlerinden veya doğal gaz yanmasından elde edilen ısının sıcaklığı, düşük-orta sıcaklıktaki kaynaklardan elde edilen jeotermal ısıdan daha yüksek olup, bu da termal enerjinin elektrik enerjisine dönüşüm verimliliğini artırmaktadır.
• Güneş enerjisi sistemlerinin termal enerji depolama ve doğal gaz yakma sistemleriyle entegre edilmesi, enerji üretiminin en yoğun talep dönemlerinde bile gerçekleştirilebileceği anlamına geliyor.

Hibrit jeotermal enerji santrali konfigürasyonları

Çalışmada hibrit jeotermal işletmeler için çeşitli modeller önerilmiştir.

• Hibrit jeotermal – güneş enerjisini yoğunlaştırma

Buhar Rankine çevrimi ve organik Rankine çevrimi olan hibrit jeotermal-güneş enerjisi santrali konfigürasyonu araştırıldı. Hem jeotermal ısının hem de tepeleme çevriminden atılan güneş ısısının ORC çalışma sıvısını buharlaştırmak için kullanıldığı hibrit santral konfigürasyonları araştırıldı.

ORC çalışma sıvısı buharlaştırması için kullanılacak jeotermal ısının oranının değerlendirilmesi, tüm jeotermal ısının ORC çalışma sıvısını ön ısıtmak için ve tüm güneş ısısının ORC çalışma sıvısını buharlaştırmak için kullanılması durumunda hibrit santral performansının en üst düzeye çıkarıldığını (sırasıyla aynı jeotermal ve güneş termal kaynaklarıyla çalışan bağımsız bir jeotermal santral ve bağımsız bir güneş santralinin birleşik performansına göre) tespit etti (optimum tasarım noktası konfigürasyonu, ORC çalışma sıvısını buharlaştırmak için hiçbir jeotermal ısı kullanmaz).

• Hibrit jeo-gaz motoru

Doğal gazlı alternatif motor jeneratör seti ve atık ısı kullanarak bir ORC-dip çevrimini çalıştıran hibrit jeo-gaz tesisi yapılandırması. Jeotermal ısı, ORC çalışma sıvısını önceden ısıtmak için kullanılır ve alternatif motordan gelen atık ısı, ORC çalışma sıvısını buharlaştırmak için kullanılır. Bu, ORC ısı değiştiricilerinin jeotermal sıvıdan maksimum miktarda ısı çıkarırken küçük MTD değerlerine sahip olmasını sağlar.

Hibrit jeo-güneş santralinde olduğu gibi, ORC-dip çevrimi gaz motorundan gelen ısı mevcut olmadığında çalışmaya devam edebilir. Bu, jeotermal sıvının hem ORC çalışma sıvısını ön ısıtmak hem de buharlaştırmak için ısı sağlamasını gerektirir. Jeotermal sıvı akış hızının sabit kaldığı varsayıldığından, yalnızca jeotermal ısı kaynağı mevcut olduğunda ORC çalışma sıvısı akış hızı ve buna karşılık gelen ORC net güç üretimi azalacaktır.

• hibrit jeo-gaz-güneş

Potansiyel performansı ve CO? emisyonu azaltma faydalarını değerlendirmek için hibrit bir jeotermal-gaz çevrimi düşünüldü. Hibrit jeotermal-gaz çevrimi, geleneksel NGCC çevrimine benzer bir şekilde gaz türbini egzoz akışından ısıyı geri kazanır. Ancak, geleneksel NGCC çevriminin aksine, hibrit jeo-gaz çevrimi, buhar Rankine çevriminden atılan ısının bir ORC-dip çevrimine aktarılabilmesi için geri basınçlı bir buhar türbini kullanır.

Hibrit jeo-güneş santraline benzer şekilde, 18 ORC-taban çevrimi, jeotermal kaynağın ORC çalışma sıvısını ön ısıtmak için ısı sağladığı, buhar Rankine çevriminden atılan ısının ise ORC çalışma sıvısını buharlaştırmak için kullanıldığı bir tasarım noktası konfigürasyonuna sahiptir.

Modelleme ve sonuçlar

• Hibrit jeotermal – güneş enerjisini yoğunlaştırma

Bir ORC-dip döngüsü ve bir güneş termal kaynağı ve düşük sıcaklıklı jeotermal kaynağı (<120 derece C) kullanan bir buhar-tepe döngüsünü birleştiren bir hibrit tesis tasarımı, tek başına jeotermal olan bir sistemden daha düşük bir LCOE üretir. Bu, düşük jeotermal kaynak sıcaklıklarına sahip yerlerde jeotermal kaynakların ekonomik gelişimi için hibrit tesis tasarımı için ikna edici bir durum sunar.

Ancak jeotermal kaynak sıcaklıklarının daha yüksek olduğu (>120 derece C) bölgelerde, yalnızca jeotermal enerji kullanan santral, hibrit çevrime göre daha düşük LCOE’ye sahip olduğundan, güneş ısısı ilavesine gerek kalmadan geliştirilebilir.

• Hibrit jeo-gaz motoru

Jeotermal-doğal gaz pistonlu motor hibrit santraline yönelik vaka çalışması analizi, doğal gaz motorunun günde 12 saatten fazla çalışması koşuluyla, bağımsız bir jeotermal santrale kıyasla daha düşük bir LCOE’de güç üretebileceğini göstermektedir.

LCOE, bağımsız doğal gazlı pistonlu motorunkine benzerdir. Ancak, hibrit santral, doğal gazlı pistonlu motora kıyasla güç üretiminin karbon emisyonlarını azaltma avantajına da sahiptir. Bu, hibrit santralin, aksi takdirde bağımsız bir kaynak olarak geliştirilip işletilmesi için çok yüksek bir LCOE’ye sahip olabilecek düşük sıcaklıklı bir jeotermal kaynağın konuşlandırılması için bir fırsat sağladığı ve aynı zamanda doğal gaz üretim kaynaklarının karbon yoğunluğunu azalttığı bir senaryoyu temsil edebilir.

• Üçlü hibrit tesis

Doğal gaz, güneş enerjisi, termal enerji depolama ve jeotermali birleştiren “üçlü hibrit” bir santralin analizi, modelin tek başına bir NGCT’den veya orijinal jeotermal-güneş hibritinden önemli ölçüde daha yüksek enerji üretimi ve geliri sağladığını göstermektedir.

Üçlü hibrit tasarım, güneş enerjisinin en değerli zamanlarda dağıtılabilmesi için daha küçük bir güneş alanı kullanmaktan en çok faydalanır. Üçlü hibrit santral ayrıca bağımsız NGCT’den daha düşük bir LCOE’ye sahiptir.

Üçlü hibrit santral, gaz çevriminin dağıtım profili hakkında basit varsayımlar yapılarak değerlendirilmiş olup, gelecekteki çalışmalarda daha ayrıntılı ve gerçekçi dağıtım çizelgelerinin analiz edilmesi gerekmektedir.

Kaynak: ThinkGeoEnergy