Bu çalışma, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrallerinde yani Concentrating Solar Power (CSP) sistemlerinde en kritik sorunlardan biri olan su tüketimi ile elektrik üretim performansı arasındaki dengeyi incelemektedir. CSP santralleri, güneş enerjisini yalnızca anlık elektrik üretimi için değil, termal enerji olarak depolayabilme ve gerektiğinde üretimi yönlendirebilme potansiyeli nedeniyle düşük karbonlu enerji sistemleri için önemli görülmektedir. Ancak bu santrallerin çoğu yüksek güneşlenme alanlarında, yani çoğu zaman kurak veya yarı kurak bölgelerde kurulur. Bu da önemli bir çelişki doğurur: Güneş kaynağı güçlüdür, fakat su kıttır.

Çalışma, İspanya’daki 50 MWe Enerstar–Villena parabolik oluk tipi CSP santrali üzerinde yapılan bir modelleme ve retrofit değerlendirmesine dayanmaktadır. Santralin mevcut soğutma sistemi klasik ıslak soğutma kulesi yani Wet Cooling Tower (WCT) sistemidir. Islak soğutma, termodinamik verim açısından güçlüdür; fakat soğutma sırasında önemli miktarda su buharlaştırır. Araştırmanın temel amacı, mevcut ıslak soğutma sistemine bir hava soğutmalı ısı değiştirici yani Air-Cooled Heat Exchanger (ACHE) eklenirse, santral ne kadar su tasarrufu sağlayabilir ve bunun elektrik tüketimi ile işletme maliyetine etkisi ne olur sorusunu yanıtlamaktır.

Çalışma iki farklı birleşik ıslak/kuru soğutma mimarisini karşılaştırır. Birincisi seri konfigürasyondur. Bu düzende su önce ACHE’den geçirilerek hava ile ön soğutulur, ardından kalan ısı yükü ıslak soğutma kulesinde atılır. İkincisi paralel konfigürasyondur. Bu düzende su akışı iki kola ayrılır; bir kısmı ACHE’ye, kalan kısmı WCT’ye gönderilir ve çıkışlar daha sonra karıştırılır. Paralel düzende ACHE’ye ayrılan debi oranı %0 ile %100 arasında %5 adımlarla değiştirilerek en uygun çalışma noktaları araştırılmıştır.

Çalışmanın en önemli bulgusu şudur: Her iki birleşik soğutma sistemi de mevcut ıslak soğutma kulesine göre buharlaşma kaynaklı su tüketimini azaltmaktadır; ancak bunu farklı bedellerle yapmaktadır. Seri konfigürasyon yıllık buharlaşan su tüketimini %32,14 azaltarak en büyük su tasarrufunu sağlamıştır. Buna karşılık ACHE fanlarının elektrik tüketimi nedeniyle yardımcı elektrik ihtiyacı belirgin şekilde artmıştır. Paralel konfigürasyon ise daha ölçülü bir su tasarrufu sağlamış, yıllık buharlaşan su tüketimini mevcut sistemin %88,25 seviyesine indirmiş, yani yaklaşık %11,75 azaltmıştır. Fakat paralel sistemin elektrik cezası daha düşüktür ve operasyonel esnekliği daha yüksektir.

Ekonomik analiz, hangi soğutma sisteminin daha uygun olduğunun yalnızca teknik su tasarrufuna bakılarak belirlenemeyeceğini göstermektedir. Eğer su pahalı, elektrik ucuz ise kuru soğutma katkısı daha cazip hale gelir. Eğer elektrik pahalı ise ACHE fanlarının ek tüketimi özellikle seri konfigürasyonu ekonomik olarak zorlar. Çalışma, bu nedenle birleşik soğutma mimarilerinin yalnızca “kaç metreküp su tasarrufu sağlıyor?” sorusuyla değil, aynı zamanda su fiyatı, elektrik fiyatı, iklim koşulları, kuraklık riski, regülasyonlar ve santralin operasyonel dayanıklılığı açısından değerlendirilmesi gerektiğini savunmaktadır.

Çalışmanın temel problemi nedir?

Bu araştırmanın merkezinde, güneş enerjisi santrallerinin geleceği açısından çok önemli bir su-enerji çelişkisi vardır. CSP santralleri, güneş ışığını aynalarla yoğunlaştırarak bir ısı transfer akışkanını ısıtır. Bu ısı daha sonra buhar çevrimi üzerinden elektrik üretmek için kullanılır. Bu yönüyle CSP, fotovoltaik panellerden farklıdır. Fotovoltaik sistemler güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürken, CSP sistemleri termal bir güç santrali gibi çalışır.

CSP’nin büyük avantajı, termal enerji depolama ile birlikte çalışabilmesidir. Böylece güneş varken ısı depolanabilir ve elektrik üretimi talebin yüksek olduğu saatlere kaydırılabilir. Bu, enerji sistemlerinde “dispatchability” yani üretimi ihtiyaç anına göre yönlendirebilme açısından çok değerlidir. Ancak CSP santralleri termal çevrim kullandığı için, klasik buhar çevrimli santrallerde olduğu gibi kondansatörde ısı atmak zorundadır. Bu ısı atımı da çoğu zaman soğutma sistemi üzerinden yapılır.

Buradaki temel sorun şudur: En verimli soğutma yöntemlerinden biri ıslak soğutmadır; fakat ıslak soğutma su buharlaştırır. CSP santralleri ise genellikle yüksek doğrudan normal ışınım yani DNI alan, güneş kaynağının güçlü olduğu kurak ve yarı kurak bölgelerde kurulur. Bu bölgelerde su zaten kıttır. Dolayısıyla santral ne kadar verimli elektrik üretmek isterse, o kadar fazla su tüketme riski doğar. Bu çalışma, tam olarak bu çatışmayı çözmeye çalışır: CSP santralinde su tüketimi azaltılabilir mi, fakat bunu yaparken elektrik üretim performansı ve işletme maliyeti kabul edilebilir düzeyde tutulabilir mi?

Neden CSP teknolojisi hâlâ önemli?

Çalışma, küresel elektrik talebinin arttığı bir dönemde CSP’nin enerji sistemindeki yerini tartışarak başlar. Elektrifikasyon, yaşam standartlarının yükselmesi, şehirleşme, veri merkezleri ve yapay zekâ altyapıları elektrik talebini büyütmektedir. Rüzgâr ve fotovoltaik güneş enerjisi bu dönüşümde çok önemli olsa da, hava koşullarına bağlı ve doğrudan yönlendirilemeyen kaynaklardır. Bu nedenle elektrik sistemleri yalnızca ucuz yenilenebilir üretime değil, aynı zamanda esnek, depolanabilir ve talep saatlerine uyarlanabilir üretim teknolojilerine de ihtiyaç duyar.

CSP burada özel bir konuma sahiptir. Çünkü termal enerji depolama ile birlikte çalıştığında, güneş enerjisini elektrik üretim saatinden ayırabilir. Bu durum özellikle akşam saatlerinde artan talebi karşılamak için önemlidir. Fotovoltaik üretimin öğle saatlerinde yüksek olup akşam saatlerinde düşmesi, elektrik sistemlerinde “duck curve” olarak bilinen net yük eğrisini oluşturur. CSP, termal depolama sayesinde bu eğriyi dengelemeye yardımcı olabilir.

Ancak CSP’nin iki büyük zorluğu vardır. Birincisi maliyetidir. CSP’nin seviyelendirilmiş elektrik maliyeti birçok fotovoltaik ve rüzgâr projesine göre yüksek kalabilir. İkincisi ise su tüketimidir. Bu çalışma özellikle ikinci zorluğa, yani soğutma sistemlerinden kaynaklanan su kullanımına odaklanır.

Enerstar–Villena CSP santrali neden seçilmiş?

Çalışmanın gerçek saha temeli, İspanya’nın Villena bölgesinde bulunan Enerstar–Villena CSP santralidir. Bu santral 50 MWe gücünde, parabolik oluk kolektörlü bir güneş termal santralidir. Santralin termal enerji depolaması yoktur. Yani güneşten gelen ısı doğrudan güç çevrimine aktarılır ve elektrik üretimi güneş kaynağına daha doğrudan bağlıdır.

Santral, toplam 339.506 m² açıklık alanına sahip bir güneş sahasına sahiptir. Solar saha 105 loop ve 420 solar concentrator assembly yani SCA içerir. Isı transfer akışkanı olarak Dowtherm A kullanılır ve alıcı tarafında yaklaşık 293 °C giriş ve 393 °C çıkış sıcaklıklarıyla çalışır. Güç bloğu, tekrar kızdırmalı buhar Rankine çevrimine dayanır ve yaklaşık 100 bar basınçta çalışır.

Santralin mevcut soğutma sistemi, üç hücreli karşı akışlı, indüklenmiş çekişli bir ıslak soğutma kulesidir. Tasarım ısı yükü 91,44 MW, toplam dolaşım suyu debisi 2230 kg/s, tasarım kuru termometre sıcaklığı 28,4 °C, bağıl nem %70 ve yaş termometre sıcaklığı 24 °C olarak verilmiştir. Bu teknik bilgiler, çalışmanın soyut bir model değil, gerçek bir santral retrofit problemi üzerine kurulduğunu gösterir.

PDF’deki Şekil 1 ne anlatıyor?

PDF’nin 6. sayfasındaki Figure 1, Enerstar–Villena santralinin solar saha dağılımını ve güç bloğunun büyütülmüş görünümünü göstermektedir. Görselde solar alanın beş alt saha halinde düzenlendiği, kolektör alanlarının geniş bir araziye yayıldığı ve güç bloğunun ayrı bir merkezde konumlandığı görülür.

Bu şekil, CSP santralinin yalnızca birkaç panelden oluşan basit bir sistem olmadığını anlatır. Parabolik oluk kolektörleri, ısı transfer akışkanı devresi, buhar çevrimi, türbin, kondansatör ve soğutma sistemi birlikte çalışan büyük bir termal enerji altyapısı oluşturur. Soğutma sistemindeki bir değişikliğin yalnızca bir yardımcı ekipman değişimi değil, santralin su tüketimi, elektrik tüketimi ve çalışma esnekliği üzerinde doğrudan etkisi vardır.

SAM modeli çalışmada ne işe yarıyor?

Çalışmada santralin yıllık enerji performansını modellemek için System Advisor Model (SAM) kullanılmıştır. SAM, NREL tarafından geliştirilen ve özellikle yenilenebilir enerji sistemlerinin teknik-ekonomik performansını analiz etmek için kullanılan bir modelleme aracıdır. CSP sistemlerinde solar saha, güç bloğu, meteorolojik veri, üretim profili ve yıllık performans gibi birçok çıktıyı hesaplayabilir.

Çalışmada 2024 meteorolojik verileri ve Enerstar–Villena santralinin teknik özellikleri SAM modeline girilmiştir. SAM çıktısına göre santralin yıllık brüt elektrik üretimi yaklaşık 94.694 MWh, şebekeye verilen elektrik yaklaşık 79.088 MWh, kapasite faktörü %18,1 ve su tüketimi 277.443 m³ olarak verilmiştir.

Ancak çalışma SAM’i olduğu gibi kabul etmemektedir. Tam tersine, SAM’in özellikle su tüketimi hesaplarında önemli sınırlılıkları olduğunu göstermektedir. SAM enerji üretimini oldukça iyi modelleyebilirken, ıslak soğutma kulesindeki buharlaşma kayıplarını ortam koşullarına yeterince duyarlı biçimde hesaplayamamaktadır. Bu nedenle çalışma, SAM’in enerji modelini korur; fakat soğutma sistemi ve su tüketimi için Matlab içinde daha fiziksel bir model kurar.

Şekil 2 ve Şekil 3 neyi gösteriyor?

PDF’nin 8. sayfasındaki Figure 2, Enerstar–Villena santralinin 2024 SAM yıllık performans özetini göstermektedir. Görselde yıllık üretim, kapasite faktörü ve su tüketimi gibi ana çıktılar sunulur. Bu, çalışmanın başlangıç referansını oluşturur.

PDF’nin 9. sayfasındaki Figure 3 ise SAM simülasyonundan elde edilen ana enerji akışlarını Sankey diyagramı olarak gösterir. Sankey diyagramlarında akışların kalınlığı enerji miktarını temsil eder. Bu görsel, güneş sahasından güç bloğuna, yardımcı tüketimlerden şebekeye verilen net elektriğe kadar enerji akışının nasıl dağıldığını göstermesi açısından önemlidir. Çalışmanın ilerleyen bölümlerinde ACHE fanlarının ek elektrik tüketimi tartışılırken, bu enerji dengesi mantığı arka planda önem taşır.

SAM enerji üretiminde ne kadar başarılı?

Çalışma, SAM modelinin enerji üretimi tarafında güvenilir olduğunu göstermek için 2024 yılı gerçek işletme verileriyle doğrulama yapıldığını belirtir. Doğrulama, negatif parasitik tüketim saatlerini üretim saatleriyle karıştırmamak için yalnızca şebekeye pozitif elektrik verilen saatler üzerinden yapılmıştır.

Bu ayrım şu denklemle ifade edilir:

\[ E_{\mathrm{grid,total}} = E_{\mathrm{grid,>0}} + E_{\mathrm{grid,<0}} \]

Çalışmadaki sayısal ayrıştırma şöyledir:

\[ 82\,383 \, \mathrm{MWh} = 88\,453 \, \mathrm{MWh} - 6\,070 \, \mathrm{MWh} \]

Burada \(E_{\mathrm{grid,total}}\) toplam şebeke elektrik dengesini, \(E_{\mathrm{grid,>0}}\) üretim saatlerinde şebekeye verilen pozitif elektriği, \(E_{\mathrm{grid,<0}}\) ise üretim dışı saatlerde sabit yardımcı tüketimlerden kaynaklanan negatif katkıyı ifade eder.

Doğrulama sonuçları oldukça güçlüdür. SAM modelinin yıllık elektrik üretimi için MAPE değeri %1,06, aylık ölçekte ortalama MAPE değeri %2,23 olarak verilmiştir. Kapasite faktörü hataları aylık ölçekte %1,06 RMSE, günlük ölçekte %3,36 RMSE düzeyindedir. Ayrıca 2990 işletme saatinin 2457’si ±%10 MAPE aralığında kalmıştır. Bu sonuçlar, SAM’in santralin enerji tarafını iyi temsil ettiğini gösterir.

Su tüketimi neden SAM ile yeterince iyi hesaplanamıyor?

SAM enerji üretimi tarafında başarılı olsa da, çalışma su tüketimi tarafında SAM’in daha zayıf kaldığını göstermektedir. Bunun nedeni, SAM’in ıslak soğutma kulesindeki buharlaşma kayıplarını basitleştirilmiş bir enerji dengesiyle hesaplamasıdır. SAM’de buharlaşan su debisi şu formülle verilir:

\[ \dot{m}_{\mathrm{evap}} = \frac{\dot{Q}_{\mathrm{rej}}}{\Delta h_{\mathrm{evap}}} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{evap}}\) buharlaşan su kütlesel debisini, \(\dot{Q}_{\mathrm{rej}}\) atılması gereken ısı yükünü, \(\Delta h_{\mathrm{evap}}\) ise suyun buharlaşma entalpisi farkını ifade eder. Bu formül basit ve kullanışlıdır; ancak ıslak soğutma kulesindeki gerçek ısı ve kütle transferini tam temsil etmez.

Gerçek bir soğutma kulesinde buharlaşma yalnızca toplam ısı yüküne bağlı değildir. Ortam kuru termometre sıcaklığı, yaş termometre sıcaklığı, bağıl nem, hava debisi, su-hava kütlesel debi oranı, dolgu malzemesinin performansı, kule yaşlanması ve su dağıtım kalitesi de buharlaşma kayıplarını etkiler. SAM’in basitleştirilmiş yaklaşımı bu değişkenlere sınırlı duyarlılık gösterir. Çalışmanın gösterdiği en önemli metodolojik sorun budur.

Soğutma kulesi su dengesi nasıl kuruluyor?

Islak soğutma kulesinde toplam su tüketimi yalnızca buharlaşmadan oluşmaz. Üç ana kayıp vardır: buharlaşma, drift ve blowdown.

Buharlaşma, soğutmanın ana mekanizmasıdır. Su buharlaşırken gizli ısı alır ve böylece sıcak dolaşım suyu soğur. Drift, hava akımıyla taşınan küçük su damlacıklarıdır. Miktar olarak genellikle küçüktür; fakat kimyasal ve mikrobiyolojik içerik taşıyabileceği için çevre ve sağlık açısından önemlidir. Blowdown ise çözünmüş katıların ve tuzların birikmesini önlemek için sistemden kontrollü su boşaltılmasıdır.

SAM drift kaybını dolaşım suyu debisinin sabit bir oranı olarak hesaplar:

\[ \dot{m}_{\mathrm{drift}} = f_{\mathrm{drift}}\dot{m}_{\mathrm{cw}} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{drift}}\) drift debisini, \(f_{\mathrm{drift}}\) drift oranını ve \(\dot{m}_{\mathrm{cw}}\) dolaşım suyu debisini ifade eder.

Blowdown ise konsantrasyon çevrimleri yani Cycles of Concentration (CC) ile ilişkilendirilir:

\[ \dot{m}_{\mathrm{bd}} = \frac{\dot{m}_{\mathrm{evap}}+\dot{m}_{\mathrm{drift}}}{CC-1} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{bd}}\) blowdown debisini, \(CC\) ise konsantrasyon çevrim sayısını gösterir. \(CC\) ne kadar yüksekse, su sistem içinde daha fazla çevrim yapar; fakat çözünmüş madde birikimi de artabilir. Bu nedenle yasal deşarj limitleri ve su kalitesi bu değeri sınırlar.

Toplam makeup yani takviye suyu debisi ise kayıpların toplamıdır:

\[ \dot{m}_{\mathrm{makeup}} = \dot{m}_{\mathrm{evap}} + \dot{m}_{\mathrm{drift}} + \dot{m}_{\mathrm{bd}} \]

Bu denklem, soğutma kulesinin su bütçesini açıklar. Santral, buharlaşan, drift ile taşınan ve blowdown ile boşaltılan suyu telafi etmek zorundadır.

Poppe modeli neden kullanılmıştır?

Çalışma, SAM’in basitleştirilmiş buharlaşma hesabı yerine Poppe teorisine dayalı daha fiziksel bir soğutma kulesi modeli kullanır. Islak soğutma kulelerinde ısı ve kütle transferi birlikte gerçekleşir. Su, hava ile temas eder; suyun bir kısmı buharlaşır; hava nemlenir ve entalpisi değişir; su sıcaklığı düşer. Bu nedenle soğutma kulesini doğru modellemek için yalnızca gizli buharlaşma ısısına bakmak yeterli değildir.

Soğutma kulesi performansında önemli bir boyutsuz büyüklük Merkel sayısıdır. Çalışmada genel tanım şu şekilde verilir:

\[ Me = \frac{h_D A}{\dot{m}_w} = \frac{h_D a_v V}{\dot{m}_w} \]

Burada \(Me\) Merkel sayısıdır. \(h_D\) kütle transfer katsayısını, \(A\) efektif transfer alanını, \(a_v\) birim hacim başına değişim yüzey alanını, \(V\) transfer bölgesi hacmini ve \(\dot{m}_w\) su kütlesel debisini ifade eder. Bu sayı, kulenin su akışına göre ne kadar etkili ısı-kütle transferi sağlayabildiğini özetler.

Çalışmada Poppe tabanlı model, Enerstar–Villena santralinden alınan gerçek işletme verileriyle kalibre edilmiştir. Üretici katalog verilerine dayalı ilk yaklaşım yeterli sonuç vermemiştir; kule performansının katalogdan türetilen beklenen Poppe Merkel değerlerinin ortalama yaklaşık %32 altında kaldığı görülmüştür. Yazarlar bunu zamanla dolgu malzemesi ve su dağıtım sistemlerinde oluşabilecek performans düşüşüne bağlamaktadır. Bu nokta önemlidir; çünkü gerçek santrallerde ekipmanlar katalog performansıyla sonsuza kadar çalışmaz.

Son kullanılan ampirik Poppe korelasyonu şu şekilde verilmiştir:

\[ Me_{\mathrm{Poppe}} = 776.8 \left( \frac{\dot{m}_w}{\dot{m}_a} \right)^{-1.399} \left( T_{\mathrm{wb}} \right)^{-1.097} \]

Burada \(Me_{\mathrm{Poppe}}\) Poppe teorisine göre kalibre edilmiş Merkel sayısını, \(\dot{m}_w\) su kütlesel debisini, \(\dot{m}_a\) hava kütlesel debisini ve \(T_{\mathrm{wb}}\) yaş termometre sıcaklığını ifade eder. Bu formül, soğutma kulesinin performansını yalnızca sabit bir nominal değere bağlamaz; su/hava debi oranı ve ortam yaş termometre sıcaklığını da hesaba katar.

Poppe modeli gerçek veriye göre nasıl doğrulanmış?

Çalışmada Poppe modeli, santralden 10 dakikalık örnekleme frekansıyla alınan 12 günlük işletme verisiyle desteklenmiştir. Her ayı temsil edecek bir gün seçilmiş, böylece farklı ortam ve işletme koşulları kapsanmıştır. Direkt hava debisi ölçümü olmadığı için fanların çektiği elektrik akımı kullanılarak fan hızları ve hava debisi fan benzerlik yasalarıyla tahmin edilmiştir.

PDF’nin 13. sayfasındaki Figure 5, soğutma kulesi giriş suyu sıcaklığı, çıkış suyu sıcaklığı ve ortam yaş termometre sıcaklığının zaman içindeki değişimini göstermektedir. Poppe modeli tahminleri dairesel işaretlerle gösterilmiştir. Model, özellikle su/hava kütlesel debi oranının belirli bir aralıkta kaldığı kararlı dönemlerde soğuk su çıkış sıcaklığını iyi temsil eder. Çalışmada bu doğrulama için ortalama mutlak hata 0,45 °C olarak verilmiştir. Bu oldukça iyi bir pratik mühendislik doğruluğudur.

ACHE modeli neyi temsil ediyor?

Çalışmada mevcut Villena santralinde gerçek bir kuru hava soğutucu bulunmadığı için, ACHE modeli literatür ve üretici katalog bilgileri kullanılarak geliştirilmiştir. ACHE, suyu havayla soğutan bir çapraz akışlı kanatlı borulu ısı değiştirici olarak modellenmiştir. Bu sistemde su boruların içinden geçerken, hava fanlarla boruların ve kanatların üzerinden geçirilir. Böylece su, buharlaştırılmadan soğutulur.

Kuru soğutmanın en büyük avantajı su tasarrufudur. Çünkü ana soğutma mekanizması buharlaşma değil, hava ile duyulur ısı transferidir. Ancak kuru soğutmanın dezavantajı vardır: Hava, suya göre daha zayıf bir ısı taşıyıcıdır ve sıcak günlerde soğutma kapasitesi düşer. Ayrıca büyük fanlar elektrik tüketir. Bu nedenle ACHE eklemek suyu azaltırken elektrik cezası doğurur.

ACHE’nin ısı transferi klasik LMTD yaklaşımıyla hesaplanır:

\[ \dot{Q} = U A F \, LMTD \]

Burada \(\dot{Q}\) ısı transfer hızını, \(U\) toplam ısı transfer katsayısını, \(A\) dış ısı transfer alanını, \(F\) çapraz akış için LMTD düzeltme faktörünü ve \(LMTD\) logaritmik ortalama sıcaklık farkını ifade eder.

LMTD şu şekilde hesaplanır:

\[ LMTD = \frac{ (T_{w,in}-T_{a,out})-(T_{w,out}-T_{a,in}) }{ \ln \left( \frac{T_{w,in}-T_{a,out}}{T_{w,out}-T_{a,in}} \right) } \]

Burada \(T_{w,in}\) su giriş sıcaklığını, \(T_{w,out}\) su çıkış sıcaklığını, \(T_{a,in}\) hava giriş sıcaklığını ve \(T_{a,out}\) hava çıkış sıcaklığını ifade eder. Bu formül, ısı değiştirici boyunca sıcaklık farkının sabit olmadığını hesaba katar.

Toplam ısı transfer katsayısı nasıl hesaplanıyor?

ACHE’de toplam ısı transferi yalnızca su tarafındaki taşınıma bağlı değildir. Su tarafı taşınımı, boru duvarı iletimi ve hava tarafı taşınımı birlikte direnç oluşturur. Çalışmada kullanılan dirençler-serisi yaklaşımı şu şekildedir:

\[ \frac{1}{UA} = \frac{1}{h_i A_i} + \frac{\ln(D_o/D_i)}{2\pi k_t L n_t} + \frac{1}{h_o A_o} \]

Bu denklemde \(h_i\) iç su tarafı taşınım katsayısını, \(A_i\) iç ısı transfer alanını, \(D_i\) iç boru çapını, \(D_o\) dış boru çapını, \(k_t\) boru malzemesi ısıl iletkenliğini, \(L\) boru uzunluğunu, \(n_t\) boru sayısını, \(h_o\) dış hava tarafı taşınım katsayısını ve \(A_o\) dış ısı transfer alanını ifade eder.

Bu formül gündelik bir benzetmeyle şöyle anlaşılabilir: Isı, sıcak sudan havaya geçerken üç kapıdan geçmek zorundadır. Önce su tarafından boru duvarına taşınır, sonra boru duvarından iletilir, ardından boru/kanat yüzeyinden havaya aktarılır. Hangi kapı daha zorsa, toplam performansı o sınırlar. Hava tarafı çoğu zaman en zor kısımdır; bu nedenle kanatlar ve fanlar kullanılır.

Hava tarafı Nusselt sayısı Grimison tipi bir korelasyonla tahmin edilir:

\[ Nu_a = C Re_a^m Pr_a^n \]

Burada \(Nu_a\) hava tarafı Nusselt sayısını, \(Re_a\) hava tarafı Reynolds sayısını, \(Pr_a\) Prandtl sayısını, \(C\) ve \(m\) boru demeti geometrisine bağlı katsayıları, \(n\) ise çalışmada klasik öneriye göre \(0.36\) alınan üsteli ifade eder.

Çalışmada ACHE için toplam ısı transfer alanı yaklaşık 1,96 × 10⁵ m², boru sayısı yaklaşık 17.646, boru dış çapı 25,4 mm, boru iç çapı 22,8 mm, boru uzunluğu 9,55 m, kanat yoğunluğu 354 fin/m, kanat verimi 0,91, maksimum hava hızı 3,5 m/s ve fan sayısı 42 olarak verilmiştir. Bu, kuru soğutma eklemenin küçük bir ekipman eklemekten çok daha büyük bir mühendislik müdahalesi olduğunu gösterir.

SAM–Matlab birleşik modeli nasıl çalışıyor?

Çalışmanın modelleme stratejisi iki seviyelidir. SAM, santralin yıllık enerji performansını, meteorolojik koşulları, saatlik ısı atım yükünü ve güç bloğu davranışını verir. Matlab ise bu saatlik bilgileri kullanarak soğutma sisteminin daha ayrıntılı tepkisini hesaplar.

PDF’nin 16. sayfasındaki Figure 6, bu bağlantı yapısını şematik olarak göstermektedir. SAM’den Matlab modeline saatlik ısı atım yükü \(Q_{\mathrm{sal}}\), sınır koşulları, bağıl nem, basınç, kuru termometre sıcaklığı ve su giriş sıcaklığı aktarılır. Matlab tarafında WCT için Poppe tabanlı model, ACHE için fiziksel ısı değiştirici modeli çalıştırılır. Sonuçta final soğutma suyu sıcaklığı, ACHE performansı, WCT buharlaşma kayıpları ve kümülatif su tüketimi elde edilir.

Bu yöntem önemlidir. Araştırmacılar SAM’in iç güç çevrimi çözücüsünü değiştirmemiştir. Bunun yerine SAM’in güçlü olduğu enerji üretimi tarafını kullanmış, zayıf olduğu soğutma suyu hesabını ise daha ayrıntılı Matlab modeliyle tamamlamıştır. Bu, mühendislik modellemesinde sık kullanılan akıllı bir stratejidir: Var olan güvenilir modeli koru, sınırlı olduğu kısmı özel fiziksel modelle güçlendir.

Seri soğutma konfigürasyonu nasıl çalışıyor?

Seri konfigürasyonda dolaşım suyu önce ACHE’den geçer. ACHE mümkün olduğu kadar ısıyı havaya atarak suyu ön soğutur. Daha sonra kalan ısı yükü WCT tarafından atılır. Amaç, ıslak soğutma kulesine giren ısı yükünü azaltmak ve böylece buharlaşan su miktarını düşürmektir.

Bu sistemde ACHE önceliklendirilir. Eğer ACHE tek başına gerekli soğutmayı sağlayabiliyorsa, WCT devre dışı kalabilir ve suyun kule dolgusuna püskürtülmesi önlenebilir. Böylece buharlaşma kayıpları azaltılır. Ancak aşırı soğutmayı önlemek için minimum soğuk su çıkış sıcaklığı 20 °C olarak sınırlandırılmıştır. Bu sıcaklığa ulaşıldığında fan hızları düşürülerek gereksiz elektrik tüketimi azaltılmaya çalışılır.

Seri sistemin mantığı su tasarrufu açısından güçlüdür; çünkü kuru soğutma her zaman ilk aşamada devrededir. Fakat bunun bir bedeli vardır: ACHE fanları çok sayıda ve büyük olduğu için yardımcı elektrik tüketimi belirgin şekilde artar.

Seri konfigürasyonun sonucu nedir?

PDF’nin 24. sayfasındaki Figure 10, mevcut WCT sistemi ile seri birleşik soğutma sisteminin saatlik buharlaşma ve yıllık kümülatif su tüketimini karşılaştırır. Şekil, su tüketiminin mevsimsel olarak değiştiğini gösterir. Yaz aylarında ortam sıcaklığı ve ısı yükü arttığı için buharlaşma yükselir. Kış ve geçiş mevsimlerinde ise ACHE daha etkili çalışır ve WCT’nin yükünü daha fazla azaltır.

Yıllık sonuçta seri konfigürasyonun buharlaşan su hacmi 134.951,34 m³ olarak verilmiştir. Bu, mevcut WCT konfigürasyonuna göre %32,14 su tasarrufu anlamına gelir. Bu sonuç teknik olarak çok güçlüdür. Ancak aynı zamanda en yüksek elektrik cezasını doğuran seçenek de seri sistemdir.

PDF’nin 25. sayfasındaki Figure 11, seri konfigürasyonun yardımcı elektrik tüketimini gösterir. Seri sistemde ACHE fanları ve ardından WCT fanları birlikte çalışabildiği için elektrik tüketimi mevcut WCT’ye göre çok daha yüksektir. Çalışmaya göre yıl sonunda seri konfigürasyonun kümülatif elektrik talebi yaklaşık 10.000 kWh seviyesine yaklaşırken, referans WCT sistemi 1.000 kWh altında kalmaktadır. Bu, su tasarrufunun bedelinin ek parasitik elektrik tüketimi olduğunu açıkça gösterir.

Paralel soğutma konfigürasyonu nasıl çalışıyor?

Paralel konfigürasyonda toplam dolaşım suyu iki kola ayrılır. Debinin bir bölümü ACHE’ye, kalan bölümü WCT’ye gönderilir. İki koldan çıkan su daha sonra karıştırılır ve kondansatör giriş sıcaklığı enerji dengesiyle belirlenir.

Bu yapı daha esnektir. Çünkü sistem her saat için ACHE’ye gönderilecek debi oranını değiştirebilir. Çalışmada ACHE’ye yönlendirilen akış oranı %0 ile %100 arasında %5 adımlarla denenmiştir. Her saat için hedef kondansatör giriş sıcaklığını sağlayan seçenekler arasından en düşük su tüketimini veren, yani mümkün olan en yüksek kuru soğutma katkısını sağlayan oran seçilmiştir.

Paralel sistemin avantajı, kuru ve ıslak soğutmanın aynı anda fakat kontrollü oranlarda kullanılabilmesidir. ACHE’nin etkili olduğu soğuk veya ılıman saatlerde kuru soğutma payı artırılabilir. Sıcak yaz saatlerinde ACHE’nin etkinliği düştüğünde WCT daha fazla yük alabilir. Bu nedenle paralel sistem, seri sisteme göre daha düşük su tasarrufu sağlasa da daha dengeli ve esnek davranır.

Paralel konfigürasyonun sonucu nedir?

PDF’nin 27. sayfasındaki Figure 12, paralel konfigürasyonun saatlik buharlaşma, kümülatif su tüketimi ve ACHE kullanım yüzdesini gösterir. Şekil, ACHE’nin özellikle düşük kuru termometre sıcaklıklarında daha yüksek oranda devreye girebildiğini gösterir. Yaz aylarında ortam sıcaklığı yükseldiğinde kuru soğutma katkısı azalır ve WCT daha fazla yük taşır.

Yıllık sonuçta paralel konfigürasyonun buharlaşan su tüketimi 175.520,06 m³ olarak verilmiştir. Bu değer, mevcut WCT sisteminin su tüketiminin %88,25 seviyesine karşılık gelir. Başka bir ifadeyle paralel sistem yaklaşık %11,75 su tasarrufu sağlamaktadır.

Çalışmada ayrıca ACHE’nin yıllık çalışma yükü açısından esnek davrandığı gösterilir. Sistem yılda 1829 saat boyunca kuru soğutucuya hiç akış yönlendirmezken, 927 saat boyunca ACHE toplam soğutma yükünün %100’ünü karşılayabilmiştir. Bu sonuç, paralel mimarinin saatlik iklim ve yük koşullarına göre farklı çalışma noktalarına geçebildiğini gösterir.

PDF’nin 28. sayfasındaki Figure 13, paralel sistemin yardımcı elektrik tüketimini gösterir. Paralel konfigürasyon, WCT’ye göre daha fazla elektrik tüketir; ancak seri sistemden çok daha düşük bir elektrik cezasına sahiptir. Yıl sonunda paralel sistemin kümülatif elektrik tüketimi yaklaşık 4.000 kWh iken, WCT sistemi yaklaşık 650 kWh civarındadır. Bu nedenle paralel sistem, su tasarrufu ve elektrik cezası arasında daha dengeli bir ara çözüm olarak görünmektedir.

Ortam sıcaklığına göre su tasarrufu nasıl değişiyor?

PDF’nin 29. sayfasındaki Figure 14, ortam kuru termometre sıcaklığı ile buharlaşan su tüketimi arasındaki ilişkiyi WCT, seri ve paralel konfigürasyonlar için karşılaştırır. Bu şekil çalışmanın en açıklayıcı görsellerinden biridir.

Üst saçılım grafiğinde, mevcut WCT sisteminin yüksek buharlaşma tüketimiyle daha dar bir çalışma bandında kaldığı görülür. Seri ve paralel birleşik sistemler ise özellikle düşük ortam sıcaklıklarında çok daha düşük su tüketimi noktalarına ulaşır. Yaklaşık 15 °C altındaki koşullarda birçok çalışma noktası neredeyse sıfıra yakın buharlaşma tüketimi göstermektedir. Bu, ACHE’nin soğuk havalarda soğutma yükünün büyük kısmını, hatta bazı saatlerde tamamını karşılayabildiğini gösterir.

Şeklin alt bölümünde su tasarrufu sıcaklığa göre verilir. En yüksek ortalama tasarruflar yaklaşık 8 °C ile 15 °C arasındaki ortam sıcaklıklarında oluşur. Seri sistem bu sıcaklık aralığında paralel sistemden daha fazla tasarruf sağlar ve bazı koşullarda göreli su azaltımı %80 seviyelerine yaklaşabilir. Fakat sıcaklık 20 °C üzerine çıktığında, özellikle paralel sistemin su tasarrufu kapasitesi azalır. Çünkü sıcak havada ACHE’nin suyu hava ile soğutma etkisi düşer.

Bu görselin ana mesajı şudur: Kuru soğutma katkısı iklim koşullarına çok duyarlıdır. Su tasarrufu en çok soğuk ve ılıman koşullarda güçlüdür. Sıcak yaz dönemlerinde ise sistem hâlâ su tasarrufu sağlayabilir, fakat ACHE’nin etkinliği azalır.

Su tasarrufu tek başına yeterli ölçüt mü?

Hayır. Çalışmanın en önemli katkılarından biri, su tasarrufunun tek başına karar ölçütü olamayacağını göstermesidir. Seri sistem en fazla su tasarrufunu sağlar; fakat aynı zamanda en yüksek yardımcı elektrik tüketimine sahiptir. Paralel sistem daha az su tasarrufu sağlar; fakat elektrik cezası daha düşüktür ve çalışma esnekliği daha fazladır. Mevcut WCT sistemi ise suyu çok tüketir; fakat elektrik tüketimi düşüktür.

Bu nedenle doğru karar, yerel su fiyatına, elektrik fiyatına, iklim koşullarına, kuraklık riskine, santralin izin ve regülasyon koşullarına bağlıdır. Eğer su çok ucuz ve bol ise kuru soğutma eklemek ekonomik olarak cazip olmayabilir. Ancak su kıtlığı, kuraklık kısıtları veya yüksek su fiyatı varsa, su tasarrufu stratejik değer kazanır. Böyle durumlarda birleşik soğutma sistemleri yalnızca maliyet hesabıyla değil, santralin çalışmaya devam edebilme kabiliyetiyle de değerlendirilmelidir.

İşletme maliyeti analizi ne gösteriyor?

PDF’nin 30. sayfasındaki Figure 15, mevcut WCT, seri ve paralel konfigürasyonların saatlik işletme maliyetlerini ve yıllık kümülatif OPEX değerlerini karşılaştırır. Bu analizde temsilî fiyatlar olarak elektrik için 0,05 €/kWh ve su için 2,00 €/m³ kullanılmıştır.

Bu fiyat senaryosunda mevcut WCT sistemi en düşük yıllık işletme maliyetine sahiptir. Seri sistem en yüksek maliyeti verir; çünkü su tasarrufu sağlasa da ACHE fanlarının elektrik tüketimi yüksek kalır. Paralel sistem ise ara konumdadır ve WCT’ye daha yakın bir maliyet davranışı gösterir.

Bu sonuç ilk bakışta “su tasarrufu ekonomik değil” gibi görünebilir. Ancak çalışma bunun sabit bir sonuç olmadığını gösterir. Su ve elektrik fiyatları değiştiğinde sıralama değişebilir. Bu nedenle yazarlar daha geniş bir parametrik ekonomik analiz yapmıştır.

Parametrik ekonomik analiz ne anlatıyor?

PDF’nin 32. sayfasındaki Figure 16, yıllık işletme maliyetini elektrik ve su fiyatlarına göre karşılaştırır. Elektrik fiyatı 0 ile 0,30 €/kWh arasında, su fiyatı ise 0,5 ile 5,0 €/m³ arasında değiştirilmiştir.

Bu analizde her sistemin maliyet duyarlılığı farklıdır. WCT’nin elektrik tüketimi düşük olduğu için elektrik fiyatına duyarlılığı zayıftır; fakat su tüketimi yüksek olduğu için su fiyatına duyarlılığı güçlüdür. Seri sistemin su tüketimi düşüktür; fakat elektrik tüketimi yüksek olduğu için elektrik fiyatına çok duyarlıdır. Paralel sistem ise iki uç arasında dengeli bir davranış gösterir.

Çalışmanın verdiği kritik ekonomik eşik şu şekilde ifade edilir:

\[ \left(\frac{c_w}{c_e}\right)_{\mathrm{crit}} = 92.4 \, \mathrm{kWh\,m^{-3}} \]

Burada \((c_w/c_e)_{\mathrm{crit}}\), su maliyeti ile elektrik maliyeti arasındaki kritik oranı temsil eder. Fiziksel anlamı şudur: Bir metreküp su tasarrufunun ekonomik değeri, seri konfigürasyonun ek elektrik tüketimini karşılayacak kadar yüksekse, seri sistem ekonomik olarak WCT’ye göre avantajlı hale gelebilir. Bu eşik altında WCT genellikle daha düşük OPEX verir. Eşik üstünde ise özellikle düşük elektrik fiyatı ve yüksek su fiyatı koşullarında seri sistem ekonomik olarak rekabetçi olabilir.

Bu çok önemli bir sonuçtur. Çünkü doğru soğutma sistemi seçimi yalnızca “seri mi daha iyi, paralel mi daha iyi?” sorusuyla cevaplanamaz. Cevap, yerel su ve elektrik fiyatlarının oranına bağlıdır.

Bu çalışma gündelik yaşam açısından nasıl anlaşılmalı?

Bu çalışma büyük bir güneş termal santralini inceliyor gibi görünse de, gündelik yaşam açısından çok anlaşılır bir problem anlatır: Bir şeyi soğutmak için su kullanırsanız genellikle daha iyi soğutursunuz, fakat su harcarsınız. Sadece hava ile soğutursanız suyu korursunuz, fakat daha fazla fan gücü ve daha büyük ekipman gerekir.

Ev tipi bir örnekle düşünürsek, sıcak bir yüzeyi suyla soğutmak hızlı ve etkilidir; ama su tüketir. Fanla soğutmak su tüketmez; ama fan elektrik harcar ve çok sıcak havalarda etkisi azalır. CSP santrallerinde bu basit mantık çok büyük ölçeğe taşınır. Burada soğutulan şey bir cihaz değil, onlarca megavatlık ısı yüküdür. Bu yüzden küçük bir verim farkı bile yıllık yüz binlerce metreküp su veya binlerce kilovat-saat elektrik anlamına gelebilir.

Çalışmanın günlük hayata bakan tarafı, suyun enerji sistemleri için görünmeyen ama kritik bir kaynak olduğunu hatırlatmasıdır. Yenilenebilir enerji projeleri çevresel açıdan daha temiz olabilir; fakat bu onların hiç kaynak tüketmediği anlamına gelmez. Özellikle termal yenilenebilir teknolojilerde su tüketimi ciddi bir tasarım kriteridir.

Geçmiş, bugün ve gelecek açısından çalışmanın önemi

Geçmiş açısından bakıldığında, CSP teknolojisi uzun süre elektrik üretimi ve termal depolama avantajıyla değerlendirilmiştir. Ancak su tüketimi, özellikle Güney İspanya, Kuzey Afrika, Orta Doğu, ABD’nin güneybatısı gibi güneş kaynağı yüksek ama su kıtlığı olan bölgelerde önemli bir sınırlayıcı faktör olmuştur. Islak soğutma verimli olsa da, su kıtlığı bu avantajı çevresel ve operasyonel bir probleme dönüştürebilir.

Bugün açısından bakıldığında, enerji dönüşümü yalnızca daha fazla yenilenebilir kapasite kurmak anlamına gelmez. Bu kapasitenin iklim streslerine, kuraklık riskine, değişken elektrik fiyatlarına ve yerel kaynak kısıtlarına dayanıklı olması gerekir. Bu çalışma, mevcut CSP santrallerinin retrofit yoluyla daha az su tüketen, daha esnek ve daha dirençli hale getirilebileceğini göstermektedir.

Gelecek açısından bakıldığında, birleşik ıslak/kuru soğutma sistemleri yalnızca sabit bir donanım değişikliği değil, akıllı kontrol stratejileri için de fırsat sunar. Santral, su kıtlığı dönemlerinde kuru soğutmayı daha fazla kullanabilir; elektrik fiyatının yüksek olduğu saatlerde ise fan tüketimini azaltıp ıslak soğutmaya daha fazla yük verebilir. Eğer kısa vadeli hava durumu, elektrik fiyatı ve su kısıtı tahminleri kontrol sistemine entegre edilirse, santral her saat su tasarrufu ve maliyet arasında dinamik karar verebilir.

Çalışmanın güçlü yönleri nelerdir?

Çalışmanın güçlü yönlerinden biri, gerçek bir santral verisine dayanmasıdır. Enerstar–Villena santralinin 2024 yılı işletme verileri, SAM modeli ve Matlab soğutma sistemi modeli birlikte kullanılmıştır. Bu, çalışmayı yalnızca teorik bir tasarım egzersizi olmaktan çıkarır.

İkinci güçlü yön, SAM’in sınırlılığını açıkça göstermesi ve bunu daha fiziksel bir Poppe modeliyle gidermeye çalışmasıdır. SAM enerji üretimi tarafında güçlüdür; fakat soğutma kulesi su tüketimini ortam koşullarına yeterince duyarlı hesaplamaz. Çalışma bu eksikliği görmezden gelmemiş, özel bir su dengesi modeli kurmuştur.

Üçüncü güçlü yön, yalnızca bir birleşik soğutma düzenine bakmamasıdır. Seri ve paralel ACHE-WCT konfigürasyonları ayrı ayrı incelenmiş, su tasarrufu, elektrik cezası ve işletme maliyeti birlikte değerlendirilmiştir.

Dördüncü güçlü yön, sonuçları tek bir fiyat senaryosuna hapsetmemesidir. Parametrik ekonomik analiz sayesinde su ve elektrik fiyatları değiştiğinde hangi konfigürasyonun daha uygun olabileceği gösterilmiştir.

Beşinci güçlü yön, çalışmanın operasyonel dayanıklılık konusunu vurgulamasıdır. Bir sistem yalnızca bugün daha ucuz olduğu için en iyi olmayabilir. Kuraklık, su kullanımı kısıtları veya regülasyonlar altında çalışmaya devam edebilmek, uzun vadeli santral değeri açısından çok önemli olabilir.

Çalışmanın sınırlılıkları nelerdir?

İlk sınırlılık, PDF üzerinde açıkça belirtildiği gibi çalışmanın henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprint olmasıdır. Bu nedenle bulgular dikkatle okunmalı ve hakemli yayın süreci tamamlanmadan nihai bilimsel sonuç olarak görülmemelidir.

İkinci sınırlılık, çalışmanın CAPEX yani yatırım maliyetini içermemesidir. Analiz işletme maliyetine, su tüketimine ve yardımcı elektrik tüketimine odaklanır. Fakat ACHE eklemek büyük bir ekipman yatırımı gerektirir: 42 fan, yaklaşık 17.646 boru, büyük ısı transfer alanı, borulama, kontrol sistemi, montaj, bakım alanı ve mühendislik maliyetleri vardır. Bunlar hesaba katılmadan nihai ekonomik karar verilemez.

Üçüncü sınırlılık, ACHE’nin gerçek santralde mevcut olmaması ve modelin literatür/üretici bilgilerine dayanarak tasarlanmış olmasıdır. Gerçek kurulumda hava dağılımı, kirlenme, bakım, fan verimi, arazi yerleşimi ve hidrolik kayıplar farklı sonuçlar doğurabilir.

Dördüncü sınırlılık, sonuçların Enerstar–Villena santralinin iklimi, teknik yapısı ve 2024 işletme koşulları için geçerli olmasıdır. Farklı ülkelerde, farklı CSP teknolojilerinde, termal enerji depolamalı santrallerde veya farklı su fiyatı yapılarında sonuçlar değişebilir.

Beşinci sınırlılık, kontrol stratejisinin daha da geliştirilebilir olmasıdır. Çalışma seri ve paralel sistemleri belirli mantıklarla değerlendirmiştir; fakat gelecekte tahmine dayalı kontrol, dinamik fiyat optimizasyonu, kuraklık uyarıları ve hava durumu tahminiyle daha iyi işletme kararları üretilebilir.

Bu çalışma ne söylüyor, ne söylemiyor?

Bu çalışma, CSP santrallerinde mevcut ıslak soğutma sistemine ACHE eklenmesinin buharlaşma kaynaklı su tüketimini azaltabileceğini söylüyor. Seri konfigürasyon en yüksek su tasarrufunu sağlıyor; paralel konfigürasyon ise daha dengeli elektrik tüketimi ve daha yüksek operasyonel esneklik sunuyor.

Çalışma, SAM’in varsayılan soğutma kulesi su tüketimi hesabının ortam koşullarına sınırlı duyarlılık gösterdiğini ve Poppe tabanlı Matlab modelinin gerçek santral verilerine daha iyi uyum sağladığını gösteriyor. Bu, su tüketimi çalışmaları için önemli bir metodolojik uyarıdır.

Çalışma, su tasarrufu ile elektrik tüketimi arasında doğrudan bir takas olduğunu gösteriyor. Daha fazla kuru soğutma genellikle daha az su, fakat daha fazla fan elektriği anlamına geliyor. Bu nedenle en iyi çözüm her yerde aynı değildir.

Buna karşılık çalışma, birleşik soğutma sistemlerinin her durumda ekonomik olarak en iyi seçenek olduğunu söylemiyor. Temsilî 0,05 €/kWh elektrik ve 2 €/m³ su fiyatı senaryosunda mevcut WCT en düşük yıllık işletme maliyetini vermektedir. Ayrıca çalışma CAPEX’i içermediği için doğrudan yatırım kararı üretmemektedir. Çalışmanın asıl katkısı, su kıtlığı koşullarında retrofit seçeneklerini daha doğru modellemek ve su-enerji-maliyet dayanıklılığı dengesini görünür hale getirmektir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Bu araştırma, İspanya’daki 50 MWe Enerstar–Villena parabolik oluk CSP santralinin ısı atım sistemini retrofit açısından değerlendiren birleşik bir SAM–Matlab modelleme çalışmasıdır. SAM, santralin saatlik enerji üretimi ve ısı atım yüklerini hesaplamak için kullanılmıştır. Matlab ise ıslak soğutma kulesi ve hava soğutmalı ısı değiştirici için ayrıntılı fiziksel modelleri çözmüştür.

Çalışmada kullanılan temel su dengesi formülleri şunlardır:

\[ \dot{m}_{\mathrm{evap}} = \frac{\dot{Q}_{\mathrm{rej}}}{\Delta h_{\mathrm{evap}}} \]

\[ \dot{m}_{\mathrm{drift}} = f_{\mathrm{drift}}\dot{m}_{\mathrm{cw}} \]

\[ \dot{m}_{\mathrm{bd}} = \frac{\dot{m}_{\mathrm{evap}}+\dot{m}_{\mathrm{drift}}}{CC-1} \]

\[ \dot{m}_{\mathrm{makeup}} = \dot{m}_{\mathrm{evap}} + \dot{m}_{\mathrm{drift}} + \dot{m}_{\mathrm{bd}} \]

Bu formüller, evaporasyon, drift, blowdown ve makeup suyu arasındaki ilişkiyi tanımlar. Ancak çalışma, SAM’in buharlaşmayı çok basitleştirilmiş hesapladığını ve bu nedenle Poppe tabanlı daha fiziksel bir model geliştirdiğini göstermiştir.

Soğutma kulesi için kullanılan temel Merkel sayısı tanımı şöyledir:

\[ Me = \frac{h_D A}{\dot{m}_w} = \frac{h_D a_v V}{\dot{m}_w} \]

Gerçek Villena işletme verilerinden türetilen Poppe korelasyonu ise şu şekilde verilmiştir:

\[ Me_{\mathrm{Poppe}} = 776.8 \left( \frac{\dot{m}_w}{\dot{m}_a} \right)^{-1.399} \left( T_{\mathrm{wb}} \right)^{-1.097} \]

ACHE modeli için kullanılan temel ısı değiştirici formülleri şunlardır:

\[ \dot{Q} = U A F \, LMTD \]

\[ LMTD = \frac{ (T_{w,in}-T_{a,out})-(T_{w,out}-T_{a,in}) }{ \ln \left( \frac{T_{w,in}-T_{a,out}}{T_{w,out}-T_{a,in}} \right) } \]

\[ \frac{1}{UA} = \frac{1}{h_i A_i} + \frac{\ln(D_o/D_i)}{2\pi k_t L n_t} + \frac{1}{h_o A_o} \]

\[ Nu_a = C Re_a^m Pr_a^n \]

Bu formüller, ACHE’nin su-hava ısı değişimini, toplam ısı transfer direncini ve hava tarafı taşınım performansını hesaplamak için kullanılmıştır.

Modelleme adımları şöyle özetlenebilir:

• Enerstar–Villena CSP santrali SAM ile 2024 yılı için modellenmiştir.
• SAM enerji üretimi gerçek işletme verileriyle doğrulanmıştır.
• Yıllık elektrik üretimi doğrulamasında MAPE değeri %1,06 olarak verilmiştir.
• Soğutma kulesi su tüketimi için SAM’in sınırlılıkları gösterilmiştir.
• Poppe tabanlı Matlab soğutma kulesi modeli gerçek kule verileriyle kalibre edilmiştir.
• ACHE, çapraz akışlı kanatlı borulu ısı değiştirici olarak modellenmiştir.
• Seri ve paralel ACHE-WCT konfigürasyonları saatlik olarak karşılaştırılmıştır.
• Paralel düzende ACHE’ye giden debi oranı %0-%100 arasında %5 adımlarla optimize edilmiştir.
• Sonuçlar su tüketimi, yardımcı elektrik tüketimi ve işletme maliyeti açısından değerlendirilmiştir.

Temel bulgular şunlardır:

• Mevcut WCT sistemi su tüketimi açısından en yüksek buharlaşma kaybına sahiptir, ancak yardımcı elektrik tüketimi düşüktür.
• Seri birleşik soğutma konfigürasyonu yıllık buharlaşan su tüketimini %32,14 azaltmıştır.
• Seri konfigürasyonda yıllık buharlaşan su hacmi 134.951,34 m³ olarak verilmiştir.
• Seri sistem en büyük su tasarrufunu sağlasa da ACHE fanları nedeniyle en yüksek yardımcı elektrik tüketimine ve en yüksek OPEX değerine sahiptir.
• Paralel konfigürasyon yıllık buharlaşan su tüketimini yaklaşık %11,75 azaltmıştır.
• Paralel konfigürasyonda yıllık buharlaşan su tüketimi 175.520,06 m³ olarak verilmiştir.
• Paralel sistem, seri sisteme göre daha düşük elektrik cezası ve daha yüksek operasyonel esneklik sağlamıştır.
• Soğuk ve ılıman ortam sıcaklıklarında ACHE katkısı daha yüksek olduğu için su tasarrufu artmıştır.
• Yaklaşık 8-15 °C ortam sıcaklığı aralığında en yüksek göreli su tasarrufları elde edilmiştir.
• Temsilî 0,05 €/kWh elektrik ve 2 €/m³ su fiyatı senaryosunda mevcut WCT en düşük yıllık OPEX değerini vermiştir.
• Su fiyatı yükselip elektrik fiyatı düşük kaldığında birleşik soğutma, özellikle seri konfigürasyon, ekonomik olarak daha cazip hale gelebilir.
• Seri sistemin WCT’ye göre ekonomik olarak avantajlı hale gelebilmesi için kritik su-elektrik maliyeti oranı yaklaşık \(92.4 \, \mathrm{kWh\,m^{-3}}\) olarak hesaplanmıştır.

Bu sonuçlar birlikte değerlendirildiğinde, çalışma CSP santrallerinde soğutma retrofit kararlarının yalnızca enerji üretimi veya yalnızca su tasarrufu üzerinden alınmaması gerektiğini göstermektedir. En doğru değerlendirme, su tüketimi, fan elektriği, yerel fiyatlar, iklim koşulları ve kuraklık altındaki operasyonel dayanıklılığı birlikte içermelidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Bu içerik, “Advanced Modelling of Novel Combined Cooling Architectures to Optimise the Water-Energy Trade-off in CSP Plant Retrofitting” başlıklı PDF araştırma metnine dayanarak hazırlanmıştır. PDF metadata alanında yazarlar M. Lucas, J. Catalán, C. Caro, J. M. Serrano, L. Roca, P. Palenzuela, J. Ruiz, P. Navarro, F. J. Aguilar ve P. Martínez olarak görünmektedir. Kurumsal bağlantılar arasında Universidad Miguel Hernández, CSP Enerstar Villena ve CIEMAT-Plataforma Solar de Almería-CIESOL yer almaktadır.

PDF üzerinde açıkça “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadesi bulunmaktadır. Bu nedenle çalışma bu içerikte hakem değerlendirmesinden geçmemiş preprint / ön baskı araştırma metni olarak değerlendirilmiştir.

Bu makale hazırlanırken PDF’deki özet, giriş, Enerstar–Villena santral açıklaması, SAM modeli, soğutma kulesi su dengesi, Poppe modeli, ACHE fiziksel modeli, SAM–Matlab bağlantı stratejisi, enerji ve su tüketimi doğrulama bölümleri, seri ve paralel konfigürasyon sonuçları, ekonomik analiz, şekiller ve sonuç bölümü temel alınmıştır. PDF’de yer almayan yatırım maliyeti, saha uygulaması, kesin geri ödeme süresi veya genel geçer ticari karar iddiaları eklenmemiştir.

Çalışma özellikle işletme maliyetine ve yıllık OPEX’e odaklanmaktadır; ACHE retrofit sisteminin CAPEX yatırım maliyeti analiz kapsamına dahil edilmemiştir. Bu nedenle sonuçlar, doğrudan nihai yatırım kararı olarak değil, CSP santrallerinde su-enerji-maliyet dengesini anlamaya yönelik teknik ve operasyonel bir değerlendirme olarak okunmalıdır.