plastik-ambalaj.com

Kaynak tüketimi açısından buhar üretim yöntemlerinin karşılaştırılması ve güneş enerjisi kullanım olanaklarının araştırılması

1. Giriş

Pastörizasyon ve sterilizasyonun temel gereksinimleri olan sıcak su ve buhar çeşitli yöntemlerle hazırlanmakta ve proseste kullanılmaktadır. Günümüz piyasasında yaygın olarak katı yakıt ve doğal gazlı sistemler kullanılmaktadır. Tesislerin işleme kabiliyetlerine göre, küçük işletmelerde elektrikli buhar jeneratörleri yeterli olmaktadır.

De Bonis ve Ruocco (2010), sıvı gıdalar ve gıda endüstrisinde güvenliğin ve kalite özelliklerinin sağlanabilmesi için ısıl uygulamaların önemi üzerine bir çalışma yapmıştır. Bu uygulamalar, ileri işlemeyi engelleyecek ve tüketici güvenliği ile ürün kabul edilebilirliğini koruyacak şekilde doğru olarak seçilmesi ve takip edilmesi vurgulanmıştır. 

2. Buhar ve sıcak su üretim yöntemleri

Nijmeha ve ark. (1998), gıda atıklarının hayvan yemi olarak değerlendirilmesi maksadıyla, yerel malzemeler kullanılarak üretilen iki tip güneş enerjili kurutucunun Ürdün’ün iklim koşulları altında kullanım potansiyeli üzerinde çalışmıştır. İlki, ışınım - taşınım tipi bir güneş enerjili kurutucu olup, ikincisi güneş enerjili bir kurutucu kazandır. Kullanılan yöntemlerle üretilen kurutulmuş ürünlerin besleyici değerleri de araştırılmış ve hem nicelik (Şekil 1), hem nitelik (Tablo 1) bakımından güneş enerjili kazanın bu tip bir üretimde daha verimli olduğu tespit edilmiştir.

Işınım – taşınım tipi güneş enerjili kurutucu, bir hava ısıtıcı ve kurutma bölmesinden oluşmaktadır. Hava ısıtıcı, 2 m uzunluk, 1 m genişlik ve 20 mm hava kanalı derinliğine sahip bir güneş kollektörüdür. 0,7 mm kalınlığında galvanizli çelik plakadan üretilmiştir. Kurutucunun dibi 10 mm polistiren tabaka ile izole edilmiştir. Kurutma bölmesi, ürünlerin yerleştirildiği ve kurutucu havanın giriş ve çıkışına olanak sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.

Güneş enerjili kurutucu kazanda ise sıvı atık kaynatılarak su içeriği düşürülmektedir. Bu kaynatmada, güneş enerjisi kullanılmaktadır. Kullanılan sistem evlerde su ısıtma amaçlı kullanılan güneş kollektörleri ile benzerdir. Kollektöre net bağlanmıştır ve kurutulacak ürün, bu net üzerine yerleştirilmektedir.

Gıda atıklarının kullanımı için güneş enerjili kurutucular Ürdün’de revaçtadır ve küçük ve orta büyüklükteki tavuk işletmelerinde uygulamaları yapılabilir. Her iki kurutucu da yerel piyasada bulunabilecek malzemeler ile küçük atölyelerde imal edilebilir. Güneş enerjili kurutucu kazan, yüksek sıcaklıklara çıkma eğiliminden dolayı daha güvenli bir ürün üretmektedir. 

Munoz ve ark. (2009) yaptıkları çalışmada, güneş enerjili bir boylerin kavramsal tasarımını önermiştir. Bu görüşte, ısıyı, yakıt alevi ve sıcak gazlar yerine, güneş radyasyonunu düzlem dizilimindeki güneş kollektörlerinde yoğunlaştıran aynalar ile sağlayan geleneksel termal güç tesislerinin boylerlerinden yola çıkılmıştır (Şekil 2). Elektrik üretimi için adapte edilen bu yenilikçi güneş enerjili boylerde sistem verimi, doğrudan güneş ışınımı enerjisinin elektriğe çevriminde %20’nin üzerinde olup, parabolik çukur ve merkezi kule teknolojileri ile rekabetçi bir seviyededir. Ayrıca, bu görüş çok kuvvetlidir ve basınç düşüşleri, kontrol karmaşası ve malzemenin termomekanik gerilimi gibi sakıncaların da üstesinden gelebilecektir.

Şekil 3’te güneş enerjili boylerin ısı alıcısının kesiti görülebilir. Şekil 4’te ise Rankin döngüsüne bağlanmış güneş enerjili boylerden elektrik üretimi şematize edilmiştir. Şemadaki ana basamaklar şöyledir:

 Bir ilk ısıtma modülünde (Ön ısıtıma ve boyler) 1. noktadan soğuk su boylere girer ve 2. noktada belli bir buhar payı oluşturuna kadar kaynar. 

 Bir faz ayırıcıda doygun su, 4-b noktasında karıştırıcıya ve doygun su-buhar 4-c noktasında ikinci ısıtma evresine gönderilmek üzere ayrılır.

 5. noktada, ikinci ısıtma evresinde (süper ısıtma) süper ısıtılmış buhar oluşturulur.

 Buhar kullanımı evresinde klasik buhar türbini ve yoğunlaştırıcının bulunduğu bir su – buhar Rankine döngüsü uygulanır.

Şekil 5’te güç açısında elektrik üretim kapasitesi göz önüne alınarak heliostat* sahasında doğrudan ışınıma bağlı %20 toplam tesis verimine ulaşıldığı rapor edilmiştir.

Çalışmanın yapıldığı dönemde gerçekleştirilen analiz, örnek alınan radyasyon sahasında bu kavramda, toplam verimin, diğer güneş enerjili güç tesislerinden yüksek olduğunu göstermektedir.

Omara ve ark. (2013), tuzlu suyun tuzdan arındırılması amacıyla melez bir güneş enerjisi çanak yoğunlaştırıcısı, basit bir güneş kolektörü (SDC) ve değiştirilmiş bir boyler tasarımını ve kurulumunu yapmışlardır. Programlanabilir mantıksal kontrol (PLC) programı ile çalışan, açık döngülü kontrol kullanan, iki eksenli bir takip sisteminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çanak yoğunlaştırıcı yüzeyi olarak cam aynalar kullanılmıştır. Tuzlu suyun, boylere girmeden önce, lastik siyah hortum kangalı içerisinde ilk ısıtılma işlemi yapılmıştır. Boyler olarak kullanılan küçük bir tek açılı hava geçirmez güneş enerjisi toplayıcısı, çanak yoğunlaştırıcısının odağında tasarlanmış ve kurulmuştur. Otomatik takip sistemi, yeni boylerin tasarımı tuzlu su ısıtmalı ve ısıtmasız olarak araştırılmıştır. Geliştirilen tuzdan arındırma sistemi değerlendirilmiş ve geleneksel güneş enerjili toplayıcı (CSS) ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, ön ısıtmalı SDC için ortalama günlük arıtılmış suyun 6,7 lt/m2/gün iken, CSS için bu miktarın 1,5 lt/m2/gün olduğunu göstermiştir. Yapılan çalışmada, SDC ve CSS verimleri sırasıyla %68 ve %34’tür. SDC’nin artılmış su üretimindeki artış, CSS’ye göre, ısıtmasız ve ısıtmalı şekilde sırasıyla, yaklaşık %244 ve %347’dir.

Şekil 6’da Omara ve ark. (2013) tarafından gerçekleştirilen çalışmaya ait deney düzeneği şematik olarak gösterilmiştir.

Al-Salaymeh ve ark. (2006), Ürdün’de entegre boyler – güneş enerjisi depolama sistemi üzerine ekonomik bir inceleme yapmışlardır. Ürdün, bilinen enerji kaynakları yönünden oldukça yetersizdir ve petrol üretmeyen bir ülkedir. Enerji kaynaklarının büyük çoğunluğu ithalata dayanmaktadır. Bu yüzden, Ürdün için, güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını içermeyen bir enerji senaryosu olası değildir. Yapılan çalışmanın ana motivasyon unsuru, sıcak su şebekelerinde ve ısıtma sistemlerinde güneş enerjisinin kullanımı da içeren bir entegre enerji tasarruf sisteminin eksikliğidir. Ürdün’de, elektrikle yakıt yanmasında, güneş enerjisi entegrasyon mekanizmalarını var olan hiçbir sistem sağlayamamaktadır. Ayrıca, yeni ve uygun ürünler, boyler ürünlerinin satışında rekabetçi fiyatları da beraberinde getirebilir. Yapılan çalışmalar esnasında, petrol fiyatlarının değişkenliğinin de etkisiyle, sistem kabul edilebilirliği, sistem geri dönüşü ve sistem değeri açısından boyler- güneş enerjisi entegrasyonu talebinin yükseldiği ortaya çıkarılmıştır. Piyasa eğilimi göstermiştir ki, salt güneş kolektörünün sıcak su üretimi için çekici bir kaynak olmamasına rağmen, kombi sistemler tam kabul edilebilirdir. Acak, konu üzerinde bu tip bir sistemin piyasası da henüz oluşmamıştır ve bu fikrin tartışılması, iyi bir potansiyel olduğunu göstermiştir. Yapılan ekonomik çalışma, güneş enerjisi ile suyun ısıtıldığı entegre boyler sistemlerinin masraf azaltıcı olduğunu göstermiştir. Geri dönüş süresi 3 yıla kadar inmektedir ve temel gider faturaları da, bilinen sistemlerin kullanımına nazaran çok daha düşüktür. Çalışmada, boyler – güneş enerjisi – elektrik entegrasyon sistem prototipinin tasarımı ve ilk taslağı gerçekleştirilmiştir. 

Boyler, elektrikli ısıtıcı, güneş kolektörü ve depolama tankını içeren ve sıcak su üretimi için önerilen sistem, şematik olarak Şekil 7’ de gösterilmiştir. Yine boyler, elektrikli ısıtıcı, güneş kolektörü ve depolama tankını içeren entegre enerji tasarruf sistemi Şekil 8’de, şematize edilmiştir. Şekil 9’da sadece boyler yerine kombine edilmiş entegre boyler – güneş enerjisi sisteminin kullanılması durumunda yıl içindeki zamanın fonksiyonu olarak enerji tasarrufunun oranları belirtilmiştir.

Yassı plakalı bir güneş kollektörü kullanılarak su ve ortam ısıtmalarının yapılması ile enerji tüketiminde toplam %39’luk bir düşüş sağlanabilir. Güneş enerjisinin kullanımı, fosil yakıt tüketimini düşürmek için çekici bir yöntemdir. Yerden ısıtma sistemleri, yüksek bir verime sahiptir ve yeni yatırımlarda kullanımı enerji maliyetlerini düşürecektir. Var olan yapılarda ise, fan ünitelerinin konması uygun bir çözüm olacaktır. Vakumlu tüpler, bu yapılarda güneş kollektörlerine göre daha ekonomik bir çözüm olacaktır.

Rabaçal ve ark. (2012), çam odunu, endüstriyel ormancılık atıkları ve şeftali çekirdeklerini kulanan boylerlerin yanma ve salınım özelliklerini değerlendiren bir çalışma yapmışlardır. Öncelikle, ısıl girdi olarak çam odununun tutuşmasını, boyler performansının bir fonksiyonu olarak değerlendirmişlerdir. Ardından, bu yakıtın tiplerinin boyler performansı üzerindeki etkileri de ayrıca incelenmiştir. Sonuçlar, boyler emisyon özelliklerinin yakıt tipine bağımlı olduğunu göstermiştir. Orman endüstrisi atıkları ve şeftali çekirdeklerini kullanan boylerlerin daha yüksek bir performansa ulaştığı gözlenmiştir.

Saidur ve ark. (2011), biyokütle ile çalışan boylerler üzerine bir araştırma yapmıştır. Günümüzde petrol, kömür ve doğal gaz dünyada kullanılan ana enerji kaynaklarıdır. Ancak bu kaynakların yaklaşık 50 yıllık bir süreç içerisinde tükenmesi beklenmektedir. Bu yakıtların tüketiminden kaynaklanan emisyonlardan karbon emisyonunu %80 oranında azaltılmaya çalışılmaktadır ve güneş, rüzgar, biyokütle enerjisi gibi çevreye daha az zarar veren, sürdürülebilir yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına dönülmesini gerektirmektedir. Biyokütle, oldukça özgün özelliklere sahip en eski kaynaklardan biridir. Yapılan araştırmada, biyokütlenin kompozisyonu, biyokütleden daha yüksek ısıl değerler elde edilmesi, biyokütle ve diğer yakıtlar arasındaki farklar, biyokütlenin ekonomik analizi, biyokütle ve kömürün beraber yakılması, biyokütlenin ekonomik analizi, taşınması, sorunları ve geleceği gibi, biyokütlelerin boylerlerde kullanımı üzerine çeşitli yönler incelenmiştir. Biyokütlelerin boylerlerde kullanımının, finansal tasarruf, fosil yakıtlarının muhafaza edilmesi, yeni iş potansiyelleri oluşturması, CO2 ve NOx emisyonlarını azaltması gibi çeşitli ekonomik, sosyal ve çevresel faydalarının olduğu ortaya çıkarılmıştır. Ancak, biyokütle kullanımında, toprak ve su kaynakları, erozyon, biyoçeşitlilik ve ormanların azalması gibi konular üzerinde azami dikkat gösterilmelidir. Kızışma, düşük ısıl değeri, depolaması ve taşınması, biyokütlenin yakılması konusundaki çeşitli problemlerdir. Biyokütlenin kullanımı, fosil yakıtları piyasasının zaman içindeki değişimine ve kullanım konusundaki politikaların oluşturulmasına bağımlıdır.

Şekil 10’da çeşitli biyokütle örnekleri verilmiştir. Şekil 11’de dünya enerji tüketim piyasası ve tüketilen enerjinin tipleri grafik halinde sunulmuştur. Şekil 12’de ise örnek bir endüstriyel faaliyette hangi birimin ne kadar enerji tükettiği görülebilmektedir.

Boait ve ark. (2012), Birleşik Krallık’ ta hijyenik kullanım amaçlı 5 farklı su ısıtma sisteminin, enerji kullanımı ve karbon emisyonlarını değerlendirerek, verimleri üzerine bir çalışma yapmışlardır. 

Çalışmada, durum analizlerinin sonuçları ile karşılaştırılacak değişik sistemler ve kullanım seviyeleri için bir normalleştirme yöntemi uygulanmıştır. Sıcak suyun ani ısıtma ile elde edilmesinin, gaz - sıvı yakıt sistemlerindeki gibi tankta biriktirilmesinden daha verimli olduğu hesaplanmıştır. Elektrikli sistemler için, uzun vadeli, düşük karbon emisyonlu sıcak su hazırlığı olarak, daldırmalı ısıtıcının, belli açılardan ısı pompalarına göre daha iyi görev yaptığı ve ayrıca güneş enerjili ısıl sistemlerle kombine edildiğinde avantajlarının olduğu ve bu kombinasyonun da, en kullanışlı yöntem olduğu önerisine ulaşılmıştır. Daha iyi ısıl girdi kontrolleri doğrultusunda, tüm sistemlerin performanslarını iyileştirecek durumlar da göz önüne çıkarılmıştır. Sıcak su sistemlerindeki Legionella aktivitesi de ayrıca takip edilmiştir.

Ani su ısıtma sistemlerine sahip yeni gazlı boyler kurulumlarının, depo ısıtmalı yöntemlere göre verim karbon emisyonu açılarından daha avantajlı olacaktır ve masrafları daha düşüktür. Bu tip sistemlerin kullanılması, yer kazanma açısından da olumludur. Güneş enerjili sistemlerde bir stok tankının varlığı elzem olduğundan, güneş enerjili sistemler için bu durum bir hassas nokta olarak tanımlanmaktadır. Ayrıca, elektrikle ısıtma yapılan bir ortamda iyi izole edilmiş bir sıcak su tankının varlığı avantajlıdır, çünkü karbon emisyonlarının ve enerji fiyatının düşük olduğu zamanlarda bu ısıtma yapılabilmekte ve su, sıcak olarak saklanabilmektedir. Elektrik, dekarbonize olduğunda, ısı pompaları ile akuple edilmiş bir akıllı güneş enerjisi sisteminin uzun vadede en iyi çözüm olabileceği görülmüştür. 

Sıcak su sistemlerinin kararlı bir sıcaklığa sahip olması, Legionella riskini de beraberinde getirmektedir. Bu nedenle, bu riski ortadan kaldırabilmek için çok ciddi kontrol parametrelerinin uygulanması şarttır.

3. Sonuçlar

Literatür üzerinde yapılan incelemeler sonucunda, çeşitli kaynaklardan elde edilen bilgiler ışığında, sıcak su ve buhar üretim yöntemi olarak, bilinen yakıtlardan daha fazla avantajlara sahip olan güneş enerjisi uygulamalarının yakın bir gelecekte piyasa eğilimi olarak karşımıza çıkabileceği görülmektedir. İncelenen kaynaklarda, geleneksel yöntemler ile modern yöntemler karşılaştırılmış ve yenilenebilir enerji türlerinden güneş enerjisinin en verimli sonuçları vereceği anlaşılmıştır. Özellikle yeni yatırımlarda mutlaka güneş enerjisi ile ilgili önerilerin de tavsiye edilmesi ile projenin genel giderler unsurlarının başında gelen enerji maliyetinin, özellikle ısıl işlem uygulamaları kaçınılmaz olan gıda sektöründe, bilinen enerji kullanımına göre yatırımcı lehine olacağı göz önünde bulundurulmalıdır.

Referanslar

1.De Bonis, M. V., Ruocco,  G., Heat and mass transfer modeling during continuous flow processing of fluid food by direct steam injection, International Communications in Heat and Mass Transfer, 37 (2010); 239–244, Potenza, Italy.

2.Nijmeha, M. N., Ragaba, A. S., Emeisha, M. S., Jubran, B.A., Design and testing of solar dryers for processing food wastes, Applied Thermal Engineering, 18 (1998); 1337–1346, Kuala Lumpur Malaysia.

3.Munoz, J., Abnades, A., Martinez-Val, J. M., A conceptual design of solar boiler, Solar Energy, 83 (2009); 1713–1722, Madrid, Spain.

4.Omara, Z. M., Eltawil, M. A., Hybrid of solar dish concentrator, new boiler and simple solar collector for brackish water desalination, Desalination, 326 (2013); 62–68, Kafrelsheikh, Egypt.

5.Al-Salaymeh, A., Al-Rawabdeh, I., Emran, S., Economical investigation of an integrated boiler–solar energy saving system in Jordan, Energy Conversion and Management, 51 (2010); 1621–1628, Amman, Jordan.

6.Rabaçal, M., Fernandes, U., Costa, M., Combustion and emission characteristics of a domestic boiler fired with pellets, Renewable Energy, 51 (2013) 220–226, Lisboa, Portugal.

7.Saidur, R., Abdelaziz, E. A., Demirbas, A., Hossain, M.S., Mekhilef, S., A review on biomass as a fuel for boilers, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (2011); 2262–2289, Kuala Lumpur, Malaysia.

8.Boaita, P. J., Dixon, D., Fan, D., Stafford, A., Production efficiency of hot water for domestic use, Energy and Buildings, 54 (2012);160–168, Leicester, United Kingdom.