Borulu Sulama Şebekelerinde Enerji Potansiyeli

BORULU SULAMA ŞEBEKELERİNDE ENERJİ POTANSİYELİ
Gökhan Marım1, Soner Löğün2, Ahmet Baş3
1
Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti. , [email protected]
Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti. , [email protected]
3
Sufen Proje Yazılım Muh. Ins.San.Tic.Ltd.Şti. , [email protected]
2
ÖZET
Dünya’da ve Türkiye’de enerji talebi gün be gün artmakta, enerjiye olan talep her ülkenin yatırımlarını ciddi
şekilde etkilemektedir. Nüfus artışı; hızlı kentleşme ve sanayileşme, enerjiye olan talebi arttırmakla beraber, klasik
enerji kaynaklarının dışında farklı enerji kaynaklarının da değerlendirilmesini önemli kılmaktadır. Çalışmanın temel
amacı, sulama ve içmesuyu projelerinde kullanılmayan hidroelektrik potansiyelin kullanılmasını sağlamak,
potansiyelin ortaya çıkarılmasını sağlamaktır. İşletme de ya da proje aşamasında olan içmesuyu ve sulama
projelerinde basınç kırıcı vana gibi suyun potansiyel enerjisini sönümlendiren yapılar yerine borulara monte edilebilen
boru tipi türbin yardımı ile değerlendirilmeyen enerjinin kullanılması sağlanabilmektedir. Sulama borulu şebekesi
hatlarında basınç kırıcı vanalar yerine türbin yerleştirilmesi ile enerji üretilecek hem de basınç kırıcı vana görevi
görecektir. Sulama projelerine entegre edilebilecek enerji sektöründe kullanılan türbinler sulama şebekeleri
işletmelerine uyum sağlamalıdır. Sulama sezonlarında kullanılan sulama debisinin sürekli değişkenliği sulama
şebekesinde kullanılacak türbin seçiminde önemli bir kriter oluşturmaktadır. Sulama şebekelerinde basıncı düzenleyen
yani yapı sonrası boru da basınç olması gereken vanaların yerine de türbin yerleştirilmesi mümkün olabilmektedir.
Türbin basınç düzenleyici gibi çalışabilmektedir. Enerji sektöründe kullanılan Pelton, Francis ve Kaplan türbinlerinin
yanında Ossberger, Crossflow Türbinleri sulama projelerinde kullanılabilirlik açısından öne çıkmaktadır. Bu türbinlere
tasarım debisinin % 6 sı dahi gelse yüksek verim elde edilebilmektedir. Değişken debilerde Ossberger Crossflow
türbinler kullanımı önemli avantaj sağlamaktadır. Bu türbinlerin sulama şebekelerine entegre edilmesinde sulama
şebekelerinin ana amacının sulama olduğu unutulmamalı ve sistemde herhangi bir sıkıntıya neden olmamalıdır.
Anahtar Kelimeler: Sulama Şebekesi, Enerji, Türbin , Ossberger Türbin, Crossflow Türbin , Boru Çapı Optimizasyonu
1. GİRİŞ
Hızlı nüfus artışı, kentleşme ve sanayileşme, tüm dünyada enerjiye olan talebi artırmakta, ülkeleri
yeni enerji kaynakları bulma konusunda zorlamaktadır. Yeni enerji kaynaklarının bulunması talebi sürekli
artırmaktadır. Bu çalışmada sulama projelerinde hidroelektrik potansiyel değerlendirilmesi yapılmıştır.
2. ENERJİ
Uluslararası Su Enerji Birliği (IHA) verilerine göre dünyada tüketilen elektrik enerjisinin %65,1’i
fosil yakıtlardan üretilmektedir. Fosil yakıtların kullanımı da küresel ısınmayı artırmaktadır (Şekil 1).
Şekil 1. Ortalama Sıcaklık Artışı ve Yıllara Göre Yakıt Tüketimi (1)
2008 yılında Türkiye’de kişi başına yıllık elektrik tüketimi 3000 kWh (KiloWatt-Saat) iken, ABD’de
bu rakam 12322 kWh ‘dır. Bu tablo gelişmekte olan ülkelerin enerjiye olan ihtiyacının daha da artacağını
göstermektedir (Şekil 2).
1
Şekil 2. Dünya da Enerji Tüketimi Dağılımı (1)
Dünya da üretilen enerji kaynaklarının %65'i fosil yakıtlardan temiz enerji kaynağı olan
hidroelektrikten ise sadece % 16.48 'i üretilmektedir (Şekil 3). Fosil yakıtların kullanımı ise küresel
ısınmaya, ortalama dünya sıcaklığı artmaktadır. Hidroelektrik enerji temiz enerji kaynağı olarak
değerlendirilmekte diğer enerji kaynaklarının çevresel etkilerinin dışsal maliyetleri karşılaştırıldığında en
risksiz ve temiz enerji kaynaklarından biridir (Şekil4).
Şekil 3. Dünya da Farklı Kaynaklardan Enerji Tüketimi Dağılımı (1)
2
Şekil 4. Farklı Enerji Kaynaklarının Çevresel Etkilerinin Karşılaştırılması (2)
Ülkemizin enerji potansiyelinin %33'ü hidroelektrikten, %50 'den fazlası fosil yakıtlardan elde
edilmektedir. Fosil yakıt santral sayısı 261 iken, hidroelektrik santral sayısı 520'dir. Şuandaki 23 binlik
kurulu güce 24 binlik yeni kurulu güç eklenecektir. Yeni eklenen kurulu güce karşılık santral sayısında artış
olmaktadır. Yani her geçen gün birim santrale düşen kurulu güç miktarı azalmaktadır. Bu durum söyle
yorumlanabilir; ülkemizde büyük kurulu güce sahip hidroelektrik santraller yatırımlar büyük oranda
tamamlanmış, her geçen gün küçük kurulu güce sahip yatırımlar devreye girmektedir. Tablo 2'de görüldüğü
üzere mevcut işletmede olan santrallerin birim santrale düşen kurulu güç miktarı 46 MW/santral iken inşa
edileceklerin oranı 18 MW/santral'dir.
Tablo 1. Ülkemizin Kaynaklara Göre Kurulu Güç Kapasitemiz (3)
3
Şekil 5. Hidrolik Potansiyel (3)
Tablo 2. Birim Santrale Düşen Kurulu güç
mevcut
yapım aşamasında
inşa edilecek
HES
adedi
Toplam Kurulu Güç
(MW)
HES Başına Düşen Kurulu Güç
(MW/ADET)
510
256
1084
23640
10590
19535
46
41
18
3. SULAMA
Türkiye’de sulanan alan 4.9 milyon ha olup, tarımsal alanın (26 milyon ha) yaklaşık olarak %19’unu
oluşturmaktadır (4). Türkiye'de son yıllarda sulama alanında önemli gelişmeler olmuş birçok bölgede
sulama borulu şebeke yatırımı gerçekleştirilmiştir. Sulama borulu şebekeleri hem sektörel sulama suyu
kullanımı azaltmakta hem de tarımsal verimi artıran modern sulama tekniklerine olanak sağlamaktadır. Son
yıllarda yapılan tüm DSİ yatırımlarının neredeyse tamamı borulu sulama şebekeleridir. Her ne kadar son
yıllarda tüm sulama şebekesi inşaatları borulu Şekil 6'da gö Tablo 3 'te görüldüğü üzere sektörel sulama suyu
kullanımı %70'ler mertebesinde seyretmektedir. Dünyadaki sektörel sulama suyu kullanımı %30'larda iken
biz de kullanım %70'ler mertebesindedir (Şekil 7). Borulu sulama şebekelerinin klasik kanal sistemlerinin
yerini alması, borulu sulama sisteminde suyun kullanımının kontrol altına alınması sektörel sulama suyu
kullanımının azalmasına neden olacaktır.
Şekil 6. Sulama Kanallarının Tip ve Uzunlukları (4)
4
Şekil 7. Dünya da Sektörsel Su Kullanımı
Tablo 3. Türkiye’de sektörlere göre su kullanımı (5)
4. SULAMA VE ENERJİ
Damla ve yağmurlama sistemlerine uygun borulu şebekelerde, borulu sulama şebekelerinin
hidrantlarında, tarlalara su veren yapılarda minimum 20-25 m su basınç sağlanmalıdır. Basınçlı sulama
şebekeleri çözümünde su kaynağının ve sulama alanının kotuna bağlı olarak birçok projede basınç kırıcı yapı
kullanılmaktadır. Bu basınç kırıcı yapılar genellikle borulu şebekelerde basınç kırıcı vanalar olmaktadır.
Kontrol altına alınmış tortularından arındırılmış sulama suyundan enerji elde edilebilir. Borulu şebekelerde
basınç kırıcı vanalar yerine türbinler konulabilir. İşletme ve bakım açısından basınç kırıcı vanalardan farkı
olmayan bu türbinlerin tasarımı ve şebekenin enerji faydası da düşünülerek şebekelerin tasarlanması oldukça
önemlidir. Basınç kırıcı vanalar genellikle statik şebeke basıncı 80-100 m su sütununu geçince, yüksek atülü
yani yüksek maliyetli boruların konulmasını önlemek amacıyla konur. Basınç kırıcı vanalar ile boru
maliyetlerinin optimizasyonu yapılmaya çalışılmaktadır.
Borulu sulama şebekelerin en önemli maliyet kalemi boru maliyetleridir. Devlet Su İşleri'nin belirli
bölgelerdeki işlerinin metraj keşif çalışmaları incelenerek aşağıdaki tablo oluşturulmuştur (Tablo 4). Yapılan
çalışmaya göre borulu sulama şebekelerinin ortalama % 60'lık kısmını boru ve kazısının maliyetini
oluşturmaktadır. Şekil 8'de de görüldüğü üzere sulama alanı artıkça boru ve kazısının maliyet oranı
artmaktadır.
5
Tablo 4. Borulu Şebekelerde Boru ve Kazısı Maliyet Oranları
Proje Adı
Edirne-Keşan Bahçeköy ,Çamlıca-Ihlamurdere,
Yenimucahir-Gökyar Gölet ve Sulaması
Isparta Yalvaç Çakırcal Gölet ve Sulaması
Karaman-Ermenek Sarıvadi Gölet ve Sulaması
Tunceli Hozat Uzundal Gölet ve Sulaması
Bingöl Merkez Göltepesi Gölet ve Sulaması
Elazığ Karakoçan Bazlama Gölet ve Sulaması
Karaman-Ermenek Kazancı Gölet ve Sulaması
Konya Hüyük Göçeri Gölet ve Sulaması
Konya Hüyük Mutlu Gölet ve Sulaması
Konya Hüyük Burunsuz Gölet ve Sulaması
Boru
Keşfinin
Boru ve
Toplam
Kazısı Keşif Keşifde
Bedeli (TL) Oranı (%)
Brüt
Sulama
Alanı
284,76
132
16
706,9
325
224
42
20
94,4
37
937.357
405.117
41.339
7.875.318
1.709.711
1.418.897
206.241
38.085
274.665
109.641
Ortalama
62
52
36
78
65
65
53
48
71
68
60
Sanat
Yapıları
Keşif Bedeli
(TL)
569.585
375.287
75.007
2.230.471
923.042
771.681
183.818
41.506
109.874
50.508
Sanat Yapısı
Keşfinin
Toplam
Keşifde
Oranı (%)
38
48
64
22
35
35
47
52
29
32
40
Şekil 8. Sulama Alanı ile Şebeke Maliyeti İlişkisi
Enerji potansiyeli açısından sulama şebekesinde yapısal değişikler yapılmalıdır. Bu yapısal
değişikler basınç kırıcı yapı yerine konulacak Hidroelektrik Santral yapılarının sistem ile entegre çalışmasını
sağlayacak düzenlemelerdir. Türbinlerin düzenli çalışabilmesi için sulama suyundaki tortu maksimum
büyüklüğü 0.2 mm olmalıdır. Türbinin çalışması basınç ölçüm cihazları ya da su kaynağındaki sensörle
kontrol edilmelidir. Ana kanalı klasik kanal olan sulama şebekelerinde yosun ve tortu gibi problemlere
yönelik extra önlem almak gerekebilir. Sulama şebekesinin etkilenmesini önlemek için türbine paralel
bypass hattı da herhangi bir arıza durumuna karşı teşkil edilmelidir. Hatta koç darbesi etkisi analiz edilmeli
boru tasarımında koç darbesi dikkate alınmalıdır. HES'lerde üretilen enerjiyi nakil edecek enerji nakil hatları
ve elektrik aksamları ek işletme ve bakım maliyeti getirecektir. HES'lere yerleştirilecek türbin tasarımı
sulama şebekesinin çalışma sistemine uyum sağlamalıdır. HES konulacak boru hattında HES'e giriş ve çıkış
basınçları önemli bir tasarım kriteridir. HES'ler de kullanılacak türbin çeşitleri nehir tipi santrallerde
kullanılan tüm türbin çeşitlerinden olabilir.
5. TÜRBİN ÇEŞİTLERİ

Türbinler iki ana gruba ayrılmaktadır:
İtki, aksiyon, etki tipi olarak adlandırılan türbinler (impulse turbines): Pelton,Turgo, Crossflow ya
da Ossberger tipi türbinler
Türbin çarkı üzerinde çukur çanak şeklindeki kanatlara su fiskiyesinin (su jeti) çarparak su hızının
değişmesi sonucu türbinin dönmesi sağlanır. daralan bir boru sisteminden (nozul) geçirilerek suya bir hız
6
kazandırılır ve su jeti oluşturulur. Su jetinin kanatlara çarpması sonucu kinetik enerji, potansiyel
enerjiye dönüşür. Bu sistemde çark kanatlarında basınç değişimi ortaya çıkmaz ve türbin kapalı bir ortama
gereksinim duymaz. Daha ziyade çok yüksek düşülerde tercih edilir.
a)
b)
c)
d)
Şekil 9. Crossflow Türbin (7)
a)
b)
Şekil 10. Pelton Türbin (7)

Reaksiyon, tepki tipi olarak adlandırılan türbinler (reaction turbines) : Francis ve Kaplan
Türbin çarkının dönmesi, suyun çark çıkışında ivmelenmesi sonucu oluşan tepki kuvvetiyle sağlanır.
Su enerjisini türbine verirken basınç değişir. Burada su basıncı ya da su emişi sağlanması için kapalı bir
ortam ya da çarkın tamamen suyun içinde olması gerekir. Bu nedenle fazla miktarda suya gereksinim
duyarlar.
7
a)
b)
Şekil 11. Francis Türbin (7)
a)
b)
Şekil 12. Kaplan Türbin (7)
Bu türbin çeşitleri arasından sisteme en uygun türbin çeşidinin seçilmesi önemli bir kriterdir.
Örneğin HES sonrasında basınç isteniyorsa Francis tipi türbin olmalıdır. Crossflow türbinlerinin sonrasında
basınç sağlanamaz (7).
Crossflow türbinler tasarım debisinin %6'sında çalışmaya başlayabilir. Francis türbinler ise tasarım
debisinin % 60'lık kısmı sisteme ulaşmalıdır. Crossflow türbinler Şekil 9-c'de görüldüğü gibi kapaklı sisteme
sahiptirler. Debinin 1/3'ü geldiğinde küçük kapak debinin 2/3'ü gelirse büyük kapak, debinin tamamı gelirse
her iki kapakta açılacaktır. Francis türbinlerinin tasarım debisinin %60'lik kısmı gelmezse verimi düşüktür.
Şekil 13. Crossflow ve Francis Tipi Türbin Verim Karşılaştırması (7)
8
Crossflow türbinleri değişken debili sulama şebekelerine oldukça uygun türbindir. Bilindiği sulama
şebekeleri kullanımı günlere ve aylara göre oldukça değişkendir. Crossflow türbinleri debi ve basınç
değişkenliğine toleransı oldukça yüksek türbinlerdir.
Kullanım kolaylığının yanısıra çalışma aralığı oldukça geniştir (7) örneğin:
CINK firması üretim aralığı
Düşü yüksekliği: H = 5… 200 m
Debi: Q = 0,03… 13 m³/s
Güçler: N = 10… 3 500 Kw
Crossflow türbinlerin sediment büyüklüğü töleransı normal türbinlere göre yüksektir. Ortalama
maksimum sediment büyüklüğü 0.2 mm iken Crossflow türbinlerde 0.4 mm'dir.
Francis türbinlerin Crossflow türbinlere göre avantajı HES çıkışında basınç verebilmesidir. Yani
HES çıkışında istenirse basınç sıfırlanmamakta su açığa çıkarılmamaktadır. Basınç ayar vanası olarak
çalışabilmektedir. Şebekenin farklı özelliklerine göre farklı türbin tasarımları gerçekleştirilebilir.
6. SULAMA ŞEBEKESİ OPTİMİZASYONU
Borulu sulama şebekeleri optimizasyonunda basınç kırıcı vana ya da türbin yerleri dikkate alınmalı
optimizasyonun bir girdisi olmalıdır. Borulu şebekeleri optimize etmede amaç boru çaplarını dolayısıyla
boru maliyetlerini optimize etmektedir. Boru atülerinin de optimizasyona katılması gerekir.Atülü çözüm
yapıldığında ters redüksiyon durumu ortaya çıkabilmektedir. Bir tepeden aşağı inen membadaki boruda hafif
bir ters eğim olduğunda mansaptaki yüksek atülü boruyu değiştirmektense ters eğimin olduğu yerdeki
boruyu değiştirmek daha optimum olabilir. Buradaki boru sisteminde ters reduksiyon yani mansaba giderken
boru çapında artma görülebilir. Kullanıcı bu durumu istemezse programa empoze yani belirlenmiş çap bilgisi
girerek bu durumu ortadan kaldırabilir.
Atülü çözüm yapan sisteme basınç kırıcı yapı ya da türbin maliyetleri girilerek uygun basınç kırıcı
yapı ya da türbin yeri seçimi ve kırılan basınç miktarı önerilebilir. Tabi ki kullanıcı muhtemel basınç kırıcı
vana ya da türbin yerlerini sınırlamalıdır. Şebeke basıncının 30 m'yi geçtiği kullanıcı tarafından tanımlanan
şebekenin belirli bölgelerine basınç kırıcı vana ya da türbin konulması istenebilir. Yer seçimi ve kırma
miktarı çözümleri belirli aralıkta olacaktır. Çözüm sonucunda yazılım optimum kırma miktarı ve uygun yeri
kullanıcın görüşüne sunabilir. Böylelikle HES ve sulama şebekeleri boruları birlikte değerlendirilmiş olur.
Burada şebekede hidrantlarda istenen basıncın sağlanmasıdır enerji değerlendirilmesi bunun üzerine
yapılmalıdır. Yani enerji üretme potansiyeli daha fazla olsun diye sulama şebekesi kalitesinden
vazgeçilmeyecek hidrantlarda istenen enerji sağlanacaktır. Yazılım iterasyonlar yaparak en uygun basınç
kırıcı yeri ve kırma miktarını kullanıcıya sunacaktır. Borulu sulama şebekelerinde HES düşünüldüğünde
doğru problem çözümü atülü optimizasyon çözümü ile farklı türbin yeri ve basınç kırılma miktarı birlikte
düşünülerek sağlanmalıdır. Türbin çalışma prensipleri de optimizasyon çalışmalarının girdisi olmalıdır.
7. SONUÇ
Borulu sulama şebekelerinin enerji potansiyeli oldukça yüksektir. Basınç kırıcı yapılar yerine uygun
türbin seçimleri yapılarak sulama projelerinin enerji potansiyeli değerlendirilmiş olunur. Sulama şebekesi
optimizasyonunda atülü ve basınç kırıcı vana ya da türbinli çözüm yapılarak en ekonomik çözüme
yaklaşılabilir. Crossflow türbinlerinin değişken debilerdeki töleransı önemli avantaj sağlamaktadır. Doğru
türbin seçimi sulama şebekesinin çalışmasında önemli bir etken olacaktır. Sulama şebekesi optimizasyon
çalışmaları ve türbin seçimi çalışmaları bütünlüklü olarak tasarlanmalı, sistem mimarisi en ekonomik sulama
şebekesi maliyeti sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır.
KAYNAKLAR
[1] IEA- International Energy Agency ,2003
[2] DSI Vakfı - http://www.dsivakfi.org.tr/index_enerji.htm (Erişim tarihi: Eylül 2015).
9
[3]
DSİ
2014
Stratejik
Planı
http://www.dsi.gov.tr/docs/stratejik-plan/dsi-2014-faaliyetraporu.pdf?sfvrsn=2#page=59 (Erişim tarihi: Eylül 2015).
[4] Anonymous, 2005.2004 yılı DSİ’ce İşletilen ve Devredilen Sulama Tesisleri Değerlendirme Raporu. DSİ
Genel Müdürlüğü, İşletme ve Bakım Dairesi Başkanlığı, Ankara.
[5] Anonymous, 2004. 1995-2004 50.Yılında DSİ. Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı DSİ
Genel Müdürlüğü, DSİ İdari ve Mali İşler Daire Başkanlığı, Basım ve Fotofilm Şb.Md.
84s. Ankara.
[7] Cink Hydro Enerji Firması web sayfası, 2015, http://www.cink-hydro-energy.com/tr (Erişim tarihi: Eylül
2015).
[8] Hansen C.T. , Madsen K., Nielsen H.B. 1989 , Optimization of pipe networks
[9] Adebe A.J., Solomatine D.P. Application of global optimization to the design of pipe networks
[10] Theocharis M. , Tzimopoulos C., Yannopoulos S., Sakellariou M., Makrantonaki, Dynamic method and
a simplified nonlinear method in irrigation networks optimization
[11] Collins M., Cooper L, Helgason R., Kennington J. , LeBlanc L. Solving the pipe network analysis
problem using optimization techniques.
10