Termik santrallerde karbondioksit yakalama ve buhar yoğuşturma için sürdürülebilir, yenilikçi bir sistem tasarımı

Bu doktora tezi, kömür yakan termik santrallerde baca gazı emisyonlarının azaltılması ve karbon emisyonlarının çevresel ve ekonomik değer taşıyan yenilikçi yöntemlerle yeniden değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Bu kapsamda, termik santral baca gazlarından kaynaklanan karbondioksit (CO₂) emisyonlarını azaltmak ve atıksız bir teknoloji geliştirmek üzere yeni bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistemin performansı, mevcut literatürdeki solvent bazlı karbon yakalama teknolojileri ve membran sistemleriyle karşılaştırılmış; enerji verimliliği, çevresel etkiler ve uzun vadeli ekonomik faydalar açısından detaylı analizler gerçekleştirilmiştir. Bu yenilikçi sistem, düşük sıcaklık ve yüksek basınç koşullarında çalışan CO₂ sıvılaştırma teknolojilerinin, termik santral baca gazlarından CO₂ yakalama ve sıvılaştırma süreçlerine entegre edilmesi üzerine tasarlanmıştır. Sistem, baca gazında bulunan CO₂'nin sıkıştırılarak sıvı hale dönüştürülmesini sağlamakta ve soğuk ortam koşullarını oluşturmak için sıvılaştırılmış CO₂'nin kapalı bir döngüde yeniden kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Sistemde baca gazını soğutmak için ayrı bir cooler sistemi kullanmak yerine, sistemden elde edilmiş ve sıcaklığı -56,4 oC'ye düşürülmüş CO2nin direkt olarak baca gazı içine verilmesinin avantajları ve dezavantajları irdelenmiştir. CO2nin bu şekilde kullanılması, yakalanan CO2 için yeni bir kullanım alanı sağlamaktadır. Sistemde baca gazı sıcaklığı (95 oC), CO2 sıvılaştırma işlemi için kritik sıcaklık noktası olan 31,1 oC'nin altına (31 oC'ye) düşürülmektedir. Baca gazının soğutulması için gerekli CO2 debisi 713,5 kg/s olarak hesaplanmıştır. CO2'nin, baca gazı soğutulması için kullanılması ve sıcaklığının 31 oC'ye düşürülmesi sırasında, baca gazı içinde bulunan su buharı da ayrı bir yoğuşturucuya ihtiyaç duyulmaksızın yoğuşacaktır. Yoğuşmuş su, baca gazı soğutma ve CO2 yakalayarak sıvılaştırma sistemine entegre edilen yoğuşmuş su toplama, tahliye ve depolama sistemi ile ayrıştırılacaktır. Baca gazından yoğuşturularak elde edilen bu suyun debisi 13,28 kg/s , elde edilen yıllık su miktarı 418.798,08 tondur. Depolanan su yine termik santralden yakalanan uçucu külün ıslatılmasında kullanılacaktır. Termik santral bacasından yakalanan uçucu külün debisi 9,6 kg/s ve yıllık yakalanan kül miktarı 302.745,6 ton olarak hesaplanmıştır. Çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunan uçucu külün yakalanması, bu etkilerin giderilmesine katkı sağlamakla birlikte, belirli sanayi sektörlerine hammadde temini için de önemli bir fırsat sunmaktadır. Özellikle çimento ve yapı malzemeleri gibi endüstrilerde geniş kullanım alanına sahip olan uçucu kül, termik santraller için ek bir gelir kaynağı oluşturabilir. Bu durum, çevresel sürdürülebilirliğin desteklenmesinin yanı sıra ekonomik faydaların artırılmasına da olanak tanımaktadır. Sistemde kullanılan kompresörün enerji ihtiyacının yüksek olduğu tespit edilmiştir (306,6 MW). Ancak, membran teknolojisinin entegrasyonu ile baca gazı soğutma işlemi için yüzey soğutmalı bir boylerin ABG soğutma haznesine eklenmesi, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltma potansiyeline sahiptir (14 MW). Bu entegrasyon, elde edilen CO₂'nin %100 saflıkta olması sayesinde yeniden kullanım alanlarının genişlemesi ve piyasaya arz edilmesiyle sağlanacak ekonomik kazançların yalnızca sistem maliyetlerini dengelemekle kalmayıp, aynı zamanda önemli ölçüde kârlılık sağlayabileceğini göstermektedir. Bu durum, sistemin ekonomik sürdürülebilirliğini artırarak yenilikçi bir yatırım modeli olarak öne çıkmasına katkıda bulunmaktadır. Çalışma kapsamında, termik santral baca gazlarından kaynaklanan yıllık 10.596.096 ton CO₂ emisyonunun yakalanması için yaklaşık 481 milyon ağaç ve 1.059.610 hektar orman alanına ihtiyaç duyulduğu hesaplanmıştır. Bu alan, Türkiye'nin toplam orman varlığının %4,56'sına ve toplam yüzölçümünün %1,4'üne tekabül etmektedir. Böyle bir alanın yalnızca karbon emisyonlarını dengelemek için tahsis edilmesinin ekolojik ve ekonomik açıdan sürdürülebilir bir alternatif olmadığı ortaya konmuş; bu durum, karbon yakalama teknolojilerinin gerekliliğini güçlü bir şekilde vurgulamıştır. Tezin ikinci bölümünde, termik santral baca gazından elde edilen CO₂'nin çürük buharın yoğuşturulması için kullanımı analiz edilmiştir. Termik santrallerde çürük buhar yoğuşturma işleminde kullanılan soğutma suyu, genellikle iki farklı yöntemle yönetilmektedir. Kapalı döngü sistemlerde soğutma suyu, soğutma kuleleri veya havuzlarda soğutularak yeniden kullanılmak üzere sisteme geri döndürülür. Bu yöntem, su kaynaklarının sınırlı olduğu bölgelerde tercih edilmektedir. Açık döngü sistemlerde ise soğutma suyu, sıcaklığı arttıktan sonra doğrudan kaynağına (deniz, göl veya nehir) deşarj edilmektedir. Bu işlem, özellikle su kaynaklarının bol olduğu bölgelerde yaygın olmakla birlikte, termal kirlilik ve ekosistem üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle çevresel düzenlemelerle sınırlandırılmaktadır. Her iki yöntem de çevresel etkiler ve sürdürülebilirlik açısından dikkatle değerlendirilmesi gereken süreçlerdir. Deniz suyunun çürük buhar yoğuşturma sürecindeki rolü incelenmiş ve bu işlem için yıllık 1.823.231.064 ton deniz suyuna ihtiyaç duyulduğu belirlenmiştir. Termik santrallerin soğutma suyu kullanımına bağlı olarak ortaya çıkan çevresel etkiler, su ve atmosfer üzerinde ciddi sonuçlar doğurmaktadır. Kullanılan soğutma suyunun yaklaşık %5'i atmosfere su buharı olarak salındığında, hem ısı adası etkisinin şiddetlenmesine neden olmakta hem de güçlü bir sera gazı olan su buharının atmosferde birikimi nedeniyle sera etkisini artırmaktadır. Atmosferdeki su buharı birikimi, yerel sıcaklık artışlarına ve iklim dengesizliklerine yol açarken, atmosferik nem oranındaki artış ise aşırı hava olaylarının sıklığını ve şiddetini artırarak ekosistemler ve insan yaşamı üzerinde önemli olumsuz sonuçlara neden olmaktadır. Soğutma suyunun kalan %95'i ise sıcaklığı artmış bir şekilde çevredeki su kaynaklarına, genellikle denizlere, göllere ve nehirlere, deşarj edilmektedir. Bu durum, termal kirlilik olarak bilinen bir etkiye yol açmakta ve yalnızca deniz ekosistemlerini değil, aynı zamanda tatlı su ekosistemlerini de olumsuz etkilemektedir. Denizlerde ve tatlı sularda doğal sıcaklık dengesinin bozulması, balık, amfibi ve plankton gibi birçok türün metabolik oranlarını etkileyerek büyüme hızlarını ve üreme kapasitelerini azaltmakta, oksijen çözünürlüğünü düşürerek oksijene bağımlı türlerin yok olmasına neden olmaktadır. Ayrıca, termal kirlilik istilacı türlerin yayılmasına zemin hazırlamakta ve biyoçeşitliliğin azalmasına yol açmaktadır. Tasarlanan sistemde, deniz suyu yerine kapalı devrede CO₂ kullanımı önerilmektedir. Bu yöntem, santralin mevcut çürük buhar yoğuşturma sisteminin kullanılmaya devam etmesini sağlayarak ek yatırım maliyetlerini önlemektedir. Mevcut sistemin yalnızca modifiye edilmesiyle, yoğuşturma boylerinde soğutucu akışkan olarak su yerine CO₂ kullanımı mümkün hale getirilecektir. Bu yenilikçi yaklaşım, yakalanan CO₂'nin yeniden kullanım alanlarını genişletmekte ve çevresel faydalarını artırmaktadır. Sistem analizleri, çürük buharın yoğuşturulması için gerekli olan CO₂ debisini 7.823,8 kg/s olarak hesaplamıştır. Sistemin CO₂'yi kapalı devrede döngüsel olarak kullanması, bu gazın çevreye veya insan sağlığına herhangi bir olumsuz etkisinin bulunmamasını garanti etmektedir. Bu yaklaşım, CO₂'nin kontrol altında tutulmasını sağlayarak hem çevresel sürdürülebilirliği desteklemekte hem de insan sağlığına yönelik riskleri tamamen ortadan kaldırmaktadır. Bu yöntem, yalnızca çevresel etkileri azaltmakla kalmayıp, su tüketimini ve termal kirliliği önemli ölçüde düşürme potansiyeline sahiptir. Deniz ve tatlı su kaynakları üzerindeki baskının azaltılması, ekosistemlerin korunmasına katkı sağlarken, aynı zamanda suyun sürdürülebilir kullanımını desteklemektedir. Bu yaklaşım, termik santrallerde su kaynaklarına bağımlılığı azaltarak, enerji üretiminde çevre dostu bir paradigma değişikliği sunmaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, termik santrallerde karbon emisyonlarını ortadan kaldırmaya yönelik yenilikçi ve uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır. Önerilen sistem, karbon ayak izinin azaltılması, enerji maliyetlerinin düşürülmesi ve doğal kaynakların korunması gibi kritik alanlarda uygulanabilir bir model oluşturmanın yanı sıra, çevresel sürdürülebilirlik hedeflerine de katkı sağlamaktadır. Tasarlanan CO₂ yakalama ve sıvılaştırma sistemi, yalnızca termik santrallerde değil, aynı zamanda baca gazıyla CO₂ salınımı gerçekleştiren çimento fabrikaları, çelik üretim tesisleri ve petrokimya endüstrisi gibi çeşitli sanayi dallarında da uygulanabilecek geniş bir potansiyele sahiptir. Ayrıca, çürük buhar yoğuşturma sisteminin sunduğu çözüm, yalnızca enerji santralleriyle sınırlı kalmayıp, endüstriyel tesislerdeki yoğuşturma ihtiyaçlarını karşılamak için de etkin bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışma, karbon yakalama ve yeniden kullanım süreçlerinin enerji sektörü dışındaki uygulamalarını da kapsayarak, çevresel sürdürülebilirliğe katkı sağlayacak öncü bir teknoloji olabileceğini kanıtlamaktadır. Bu yönüyle, önerilen sistem, küresel ölçekte karbon yönetimi ve kaynak verimliliği hedeflerine ulaşmada yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Anahtar Kelimeler: Karbondioksit Yakalama, Termik Santral, Pasif Soğutma, Çevresel Sürdürülebilirlik, Enerji Verimliliği, Çürük Buhar Yoğuşturma için CO₂ Kullanımı