candyengineer
Üye
- Katılım
- 30 Eyl 2009
- Mesajlar
- 43
- Puanları
- 1
1
BÖLÜM 1
GENEL BİLGİLER, ENERJİ SINIFLANDIRILMASI, KAYNAKLARI
GİRİŞ:
Toplumların gelişmişlik düzeyi enerji tüketim miktarlarıyla orantılıdır. Bugün enerji tüketimi bir ülkede yaşayan toplumun yaşam standartları ve ülkenin endüstrileşme derecesiyle doğrudan ilgilidir.
Son yıllarda düşük maliyetli enerjiye sahip ülkeler bu kaynaklarını normal diplomatik yollarla çözemedikleri (gerçekleştiremedikleri) politikaları için potansiyel bir politik ve ekonomik silah olarak kullanmaktadırlar. Bu nedenle dünyadaki enerjiye bağımlı ülkeler yeni enerji kaynakları bulabilmenin yanında enerjinin korunması, ekonomik kullanılması ve dönüştürülmesinin öneminin daha iyi farkındalar.
Bugün bilim adamlarının, mühendislerin ve enerji teknisyenlerinin yeni enerji kaynaklarını bulmaları, geliştirmeleri ve insanlığın kullanımına sunmaları önemli bir sorumluluktur. Bunu başarabilmek için değişik enerji formları, kaynakları, dönüşüm teknikleri ve koruma metotları bilinmelidir.
20.yy‘ın ilk yarısında enerji kaynakları önceliğini ekonomik olarak düşük maliyet düşüncesi ile tüketildi.1970’lerden sonra mühendisler enerji dönüşümünde 3E kuralını dikkate almak zorunda kaldılar.
Enerji – Ekonomi -Ekoloji
Bugün bu 3E arasında denge kurmak halen önemli ve geçerli teknik sorumluluktur. 20.yy son çeyreğinde enerji mühendisleri 3E’ye ilave olarak 6P’yi de dikkate almak durumunda kaldılar.
1.
Güç (Power) 4. Politika (Politics)
2.
Para (Pennies) 5. Hukuk (Prejudice)
3.
Kirlenme (Pollution) 6. Toplum İlişkileri (Public Relations)
2
1.2. KÜTLE-ENERJİ İLİŞKİSİ
Termodinamiğin I. Kanuna göre; enerji yoktan var edilemez var olan enerji yok edilemez. Ancak başka bir enerji biçimine dönüşür. Benzer bir ilişkiyle kütlede yoktan var edilemeyeceği gibi yokta edilemez. Albert Einstein (1879-1955) kütle ve enerjinin birbirine dönüşebileceğini ifade etmiş ve ikisi arasında çok bilinen;
Bağıntısını ortaya atmıştır. Burada E joule olarak enerjiyi ifade etmektedir. m kilogram olarak enerjiye dönüşen kütle miktarı, c ise ışık hızıdır.(c=2,9979.108 m/s) dir.
Bu bağıntı bir sistemin enerjisi değiştiği zaman kütlesinin de değişeceğini ifade etmektedir. Yukarıdaki bağıntı kullanıldığında çok küçük miktardaki bir kütle çok büyük miktarda enerji üretmektedir Örneğin bir güç santralinde sürekli çalışma durumun da saatte yaklaşık 220 ton kömür tüketilecek 600.000 kWe üretilir (e elektrik gücü). Bu, yılda yaklaşık 2.000.000 ton kömüre eşdeğerdir. Aynı güç santrali aynı enerji için yılda yaklaşık 1 ton uranyumu yakıt olarak harcar.
1.3. ENERJİ- KÜTLE VE GÜÇ BİRİMLERİ
Enerji hesapları yapılırken enerji birimleri ve güç birimleri karıştırılmamalıdır.
Güç enerji miktarıdır. P=dE/dT
Enerji ise verilen bir zaman aralığında gücün integraline eşittir.
SI birim sisteminde;
Enerji joule
Elektron volts(eV)
Million elektron volts(MeV)
Calori(cal)
British termal unit (Btu)
Ayrıca; enerji güç ve zaman birimleri ile ifade edilir.
Kilovat saat (kWh)
3
Beygir gücü saat (hPh)
SI biriminde güç; İngiliz birim sisteminde;
Watt (W) hP
Kilowatt (kW) J/s
Megawatt (mW) Btu/h
Gigawatt (GW)
Terawatt (TW)
1.4. ENERJİ TİPLERİ VE SINIFLANDIRMALARI
İki tür enerji tipi vardır.
1. Geçişken Enerji: Sistem sınırlarını geçebilen hareket halindeki enerjidir.
2.Depolanmış Enerji: Kütlede veya bir kuvvet alanındaki bir maddenin pozisyonundan kaynaklanan enerjidir. Bu depolanmış enerji formları diğer enerji formlarına kolayca dönüştürülebilir.
Enerji türlerinin sınıflandırılmasında kabul edilmiş genel bir metot ya da sistem olmamasına rağmen farklı enerji formlarını biz 6 sınıfta inceleyeceğiz.
1.
Mekanik enerji
2.
Elektrik enerjisi
3.
Elektromanyetik enerji
4.
Kimyasal enerji
5.
Nükleer enerji
6.
Termal (ısıl) enerji
4
1.Mekanik enerji: Termodinamik yaklaşımda mekanik enerji bir ağırlığı kaldırmak için kullanılabilen enerji olarak tanımlanmaktadır. Daha genel bir tanımlamayla; ideal türbin gibi bir cihazla, doğrudan ve tamamen mekanik ise dönüştürülebilen enerji biçimidir. Kinetik ve potansiyel enerji mekanik enerjinin benzer biçimleridir.
Mekanik enerjinin geçişken hali “İş“ olarak adlandırılır. Depolanmış mekanik enerji “potansiyel enerji“ terimi altında ifade edilebilir.
Potansiyel enerji bir maddenin bir kuvvet alanı içinde maddenin pozisyonu ile ilişkili olan enerjisidir. Bu genel bir tanımlamadır. Bu genel tanımlamaya göre potansiyel enerji 5 alt grupta incelenebilir.
1. Yerçekimi kuvvet alanında bir maddenin pozisyonu ile ilgili enerji. (potansiyel enerjinin klasik termodinamik tanımı). ( kaldırılmış bir ağırlık)
2. Atalet kuvvet alanında bir maddenin pozisyonu ile ilgili enerji (kinetik enerji). (Volan çark)
3. Sıkıştırılmış bir akışkanla ilgili enerji. (Sıkıştırılmış gazlar)
4. Elastik-gerilme alanda maddenin pozisyonu ile ilgili enerji. (Yaylar)
5. Manyetik alandaki mıknatıs özelliği olan malzemenin pozisyonu ile ilgili enerji. (Demir malzemenin magnetik çekimleri)
5
2. Elektrik enerjisi; elektron hareketleri veya yığılmasıyla ilgili enerji biçimidir. Bu enerji Wh veya kWh ile ifade edilir. Elektrik enerjisinin geçişken formu bir iletkenden elektronların geçişidir. Elektrik enerjisi yüksel voltaj iletimi hatlarıyla uzak mesafelere transfer edilebilir. Elektrik enerjisi bir akü ile kapasitör bir levha üzerine elektronların yığılmasıyla depolanabilir.
3.Elektromanyetik enerji: Elektromanyetik radyasyonla ilgili enerji formudur. Radyasyon enerjisi genellikle elektron volt (eV) olarak adlandırılan çok küçük enerji birimleri ile ifade edilir. Elektromanyetik radyasyon tamamen geçişken enerji türüdür. Işık hızında hareket eden tamamen geçişken bir enerji türü olduğu için depolanmış enerji formunda bulunmaz.
4. Kimyasal Enerji: İki veya daha fazla atom ya da molekülün daha kararlı bir kimyasal bileşen üretmek için birleştiği elektron etkileşimlerinin bir sonucudur. Kimyasal enerji sadece depolanmış olarak bulunur. Bir kimyasal reaksiyon sonucunda enerji ortaya çıkıyorsa bu reaksiyona ekzotermik reaksiyon ismi verilir.
5. Nükleer enerji: Nükleer enerjide yine yalnız depolanmış formda bulunur. Atom çekirdeği içindeki partikül etkileşimleri ile ilgilidir. Üç tip nükleer reaksiyon vardır. Radyoaktif gecikme, fisyon ve füzyon.
6
6. Thermal (ısıl) Enerji: Atomik ya da moleküler titreşimlerle ilgili enerjidir. Diğer enerji türleri tamamen termal enerjiye dönüştürülebilirken termal enerjinin diğer enerji formlarına dönüşü Termodinamiğin İkinci Kanununa göre sınırlıdır. Termal enerjinin geçişken formu ısı olarak adlandırılır. Depolanmış hali ise duyulur ve gizli ısı olarak bilinir.
1.5 ENERJİ KAYNAKLARI
Akla gelebilecek tüm enerji kaynakları iki genel başlık altında incelenebilir:
1.
Gelen (income) enerji: dünyaya uzaydan gelen enerji
2.
Kapital (capital) enerji: dünyada hali hazırda var olan enerji.
Income enerji: güneş enerjisi, ay enerjisi
Capital enerji: fosil yakıtlar, jeotermal enerji, nükleer enerji, vs.
Gelen enerji kaynakları: Gerçekte yeryüzüne dışarıdan gelen tüm muhtemel enerji kaynaklarıdır. Bu, yıldızlar, gezegenler ve ayın elektromanyetik çekimsel ve partikül enerjileri ve atmosfere göre meteorların potansiyel enerjisi olabilir. Ancak bunlardan kullanılabilir ve yararlı olan enerji türleri sadece güneşin elektromanyetik ışınları ve ay çekiminden kaynaklanan gelgit enerjisidir.
Direk güneş enerjisi birçok tükenmeyen dolaylı enerji türlerinde ortaya çıkarılmıştır. Direk güneş ışıtması dünyanın dönüşüyle birlikte atmosferde ve okyanus üzerinde çok büyük konveksiyon dalgaların (rüzgar formunda) oluşmasına neden olur. Okyanus veya denizler üzerindeki suyun buharlaşması sonucu bulutlar oluşur, daha sonra yüksek yerlere taşınan bulutlarda yoğuşma sonucunda yağmurlar ve karlar oluşur. Bu olay hidroelektrik santralleri için kaynaktır. Ayrıca rüzgârla okyanuslar dalgaların oluşmasına neden olur.
Direk güneş enerjisinin endirekt formlarında biri de yaşayan materyallerdir. Bu kaynağın genel adı biyomas’dır ve ağaçlar hayvanlar, bitkiler, organik atıklar ve bunlardan üretilen diğer ürünleri kapsamaktadır. Odun gibi bunlardan bazıları doğrudan yakıt olarak
7
kullanılabildiği gibi mangal kömürü, alkol, methane gibi diğer yakıtların üretilmesinde de kullanılır.
Son yıllarda okyanuslar üzerindeki sıcaklık gradyanlarından yararlanmaya yönelik birçok çalışma yapılmıştır. Bu tür enerji dönüşüm çalışmalarına OTEC (ocean thermal energy conversion) ismi verilmektedir. Bu sistemlerde okyanus suyu üzerindeki ılık tabaka Rankine sisteminde çalışan bir iş yapan akışkanı buharlaştırır ve türbinde iş yaptıktan sonra derindeki soğuk su ile yoğunlaşır. Bu prensipte çalışan ilk sistem 1926 yılında KÜBA da inşa edilen 40 kWe kapasitesinde bir sistemdir. Bu sistemlerin en büyük problemleri okyanus yüzeyindeki 16–20 C civarında olan düşük sıcaklıktır buda termal verimin düşük olmasına neden olur. 0
HlcarnetTTth−=1η
Buda dikkate değer bir güç üretmek için sistemin çok büyük olmasını gerektirir. Çok büyük boyutlardaki sistem gereksinimi ilk yatırım maliyetinin büyük olması anlamına gelir.
Bir başka income (gelen) enerji kaynağı lunar (ayla ilgili) enerjidir. Ayın çekim kuvvetiyle ilgilidir. Bu çekim kuvveti nedeniyle bazen birkaç cm’den 9 m’ye kadar dalgalar oluşur. Gelgit oluşturan kuvvetler yerçekimine göre çok küçüktür. Ancak bu kuvvetlerin yatay bileşenleri denizlerde büyük etki gösterir (yani kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan coriolis kuvveti).
Kapital enerji kaynakları: Bugün dünyanın en büyük yakıt enerji kaynağı fosil yakıtlar olarak adlandırılan kapital enerji kaynaklarıdır. Bu kaynaklar ABD’nin toplam enerji kaynağının %90 nını karşılar. Diğer %10 luk kısmı hidroelektrik ve nükleer ağırlıklıdır.
İnsanlık için kullanılabilen son kapital yakıt türü ‘’jeotermal enerji’’dir. Bu yerkabuğu altında hapsolmuş olan termal enerjidir. Bu enerji buhar, sıcak su ve/veya sıcak erimiş kayalar şeklinde bulunmaktadır. Jeotermal enerji kaynakları iki kategoride incelenmektedir:
1.
Hidrotermal jeotermal kaynaklar: buhar sıcak su
2.
Petrotermal jeotermal kaynaklar: sıcak kayalar
8
Bu enerji türleri tek tek ders kapsamında ele alınmaya çalışılacak ve geniş bilgi ilerdeki bölümlerde verilecektir.
1.6 ENERJİ REZERVLERİ
Dünyadaki enerji rezervleri 4 genel kategoriye bölünebilir
1.
Yenilenebilir ve tükenmeyen kaynaklar
2.
Fosil yakıtlar
3.
Parçalanabilir ve üretken malzemeler
4.
Parçalanabilir izotoplar
Enerji rezervlerinin miktarı o günkü Pazar fiyatlarıyla ilişkilidir. Örneğin doğal uranyum elementinde izotopun parçalanmasıyla oluşan U235 kullanılabilir yakıttır. U3O8’in her bir paund’u 30$ dır ve J rezervi vardır eğer uranyum fiyatı 4 katına çıkarsa (120$) kullanılabilir rezerv J çıkar. 2110*7,132110*22
1.7 ENERJİ KULLANIMI
İnsanoğlu tarihin gelişiminden beri yeni enerji kaynakları bulundukça ve daha yeni ve iyi dönüşüm metotları geliştirebildikçe çok daha fazla enerji kullanmaya devam etti. İlk enerji kaynağı önce insan gücü ve daha sonra hayvanların gücüdür. Daha sonra insanlar bitki ve ağaçlar gibi karbonhidratların yakılmasından enerji üretmeyi öğrendi.
1.8. ENERJİ BİÇİMLERİ ARASINDAKİ DÖNÜŞÜM
Enerji dönüşümü arasında bir enerji türünden diğerine dönüşüm olabileceği gibi çoğu uygulamada her bir adımda birden fazla enerji türüne dönüşüm olmaktadır örneğin bir güç santralinde enerji biçimleri arasında dönüşüm zinciri vardır. Aşağıdaki tabloda enerji türlerinin birbirlerine doğrudan dönüşümleri gösterilmiştir.
9
Başlangıçtaki Enerji Formu
Dönüştüğü Enerji Formu
Kimyasal Enerji
Radyant Enerji
Elektrik Enerjisi
Mekanik Enerji
Isıl Enerji
Nükleer Enerji
Reaktörler,
Kimyasal Enerji
Yakıt Pilleri
Kazanlar, boylerler
Radyant Enerji
Fotoliz
Fotovoltaik piller
Yutucu yüzeyler
Elektrik Enerjisi
Elektroliz, pil şarjı
Lamba, lazer
Elektrik Motoru
Rezistans, ısı pompası
Mekanik Enerji
Elektrik Jeneratörü,
Türbinler
Sürtünme, karıştırma
Isıl Enerji
Termoelektrik jeneratörler
Termodinamik motorlar
Konvektör, radyatör, ısı borusu
1.9. BÜYÜME ORANLARI
Sürekli büyüyen bir niceliğin (enerji tüketimi, nüfus, kişisel gelir veya herhangi bir değişken) büyümesi incelenirken, mesela (Power) olarak enerji tüketimi, P, Aynı Yıllık oranlarla büyüyorsa (i) büyüklüğün birim zamandaki değişim miktarı,
idtPdPPidtdP==)(
P0= Herhangi bir zamandaki (t0) başlangıç güç değer olmak üzere entegre edilirse,
tiPoPIn.=⎥⎦⎤⎢⎣⎡ itePoP.=
İ=yıllık büyüme sabiti
P/P0
10
-4 -2 0 2 4
t/tD
Şekil= Sabit Büyüme oranında enerji tüketimi değişimi
tD=P0’yı 2 katına çıkarmak için gerekli zaman
t=tD P=2P0 itD=In 2
iiIntD693,02==
Örnek 1.1:
1970 yılı değerlerine göre ABD’nin enerji tüketim miktarı 70,8x1018 j/yıl ‘ dır. Yıllık büyümenin %4 olduğunu kabul ederek doubling time ( Katlanma Zamanı tD) ve 2000 yılındaki enerji tüketim miktarını bulunuz.
i=0,04
P0=70,8x1018 j/yıl
t=0 t=30
1970 2000
33,1704,0693,02===iIntD Yıl
11
P2000= P30=P0.eit=70,8x1018.e(0.04).(30)
=235,1x1018j/yıl
Verilen bir zaman periyodunda toplam enerji tüketimini bulmak için
P=P0.eit ifadesini entegre etmek gerekir.
Üssel büyüme oranının t=-’dan başladığı kabul edilirse, toplam enerji tüketimi (E0) , t=- ile t=t1 arasında ∞∞
∫∫∞−∞−===111..).(ttititeiPodtePodttPEo
E1=t=t1 ile t2 arasındaki tüketim ise
()1221.1...titttiteeiPodtePoE−==∫ [][11)()(12121−=−=−−ttittiiteEoeeiPo
Örnek 1.2.
Enerji tüketim miktarı 70,8x1018 j/yıl ve büyüme oranı %4 ise bir ülkenin kömür rezervinin 70,8x1021 j olduğunu kabul ederek kömür ne kadar gider?
[]110.70)(211121−==−ttiiteeiPoE ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=110.8,7004,0.10.7004,0111182112InPoiEInit
56,922=t Yıl
BÖLÜM 1
GENEL BİLGİLER, ENERJİ SINIFLANDIRILMASI, KAYNAKLARI
GİRİŞ:
Toplumların gelişmişlik düzeyi enerji tüketim miktarlarıyla orantılıdır. Bugün enerji tüketimi bir ülkede yaşayan toplumun yaşam standartları ve ülkenin endüstrileşme derecesiyle doğrudan ilgilidir.
Son yıllarda düşük maliyetli enerjiye sahip ülkeler bu kaynaklarını normal diplomatik yollarla çözemedikleri (gerçekleştiremedikleri) politikaları için potansiyel bir politik ve ekonomik silah olarak kullanmaktadırlar. Bu nedenle dünyadaki enerjiye bağımlı ülkeler yeni enerji kaynakları bulabilmenin yanında enerjinin korunması, ekonomik kullanılması ve dönüştürülmesinin öneminin daha iyi farkındalar.
Bugün bilim adamlarının, mühendislerin ve enerji teknisyenlerinin yeni enerji kaynaklarını bulmaları, geliştirmeleri ve insanlığın kullanımına sunmaları önemli bir sorumluluktur. Bunu başarabilmek için değişik enerji formları, kaynakları, dönüşüm teknikleri ve koruma metotları bilinmelidir.
20.yy‘ın ilk yarısında enerji kaynakları önceliğini ekonomik olarak düşük maliyet düşüncesi ile tüketildi.1970’lerden sonra mühendisler enerji dönüşümünde 3E kuralını dikkate almak zorunda kaldılar.
Enerji – Ekonomi -Ekoloji
Bugün bu 3E arasında denge kurmak halen önemli ve geçerli teknik sorumluluktur. 20.yy son çeyreğinde enerji mühendisleri 3E’ye ilave olarak 6P’yi de dikkate almak durumunda kaldılar.
1.
Güç (Power) 4. Politika (Politics)
2.
Para (Pennies) 5. Hukuk (Prejudice)
3.
Kirlenme (Pollution) 6. Toplum İlişkileri (Public Relations)
2
1.2. KÜTLE-ENERJİ İLİŞKİSİ
Termodinamiğin I. Kanuna göre; enerji yoktan var edilemez var olan enerji yok edilemez. Ancak başka bir enerji biçimine dönüşür. Benzer bir ilişkiyle kütlede yoktan var edilemeyeceği gibi yokta edilemez. Albert Einstein (1879-1955) kütle ve enerjinin birbirine dönüşebileceğini ifade etmiş ve ikisi arasında çok bilinen;
Bağıntısını ortaya atmıştır. Burada E joule olarak enerjiyi ifade etmektedir. m kilogram olarak enerjiye dönüşen kütle miktarı, c ise ışık hızıdır.(c=2,9979.108 m/s) dir.
Bu bağıntı bir sistemin enerjisi değiştiği zaman kütlesinin de değişeceğini ifade etmektedir. Yukarıdaki bağıntı kullanıldığında çok küçük miktardaki bir kütle çok büyük miktarda enerji üretmektedir Örneğin bir güç santralinde sürekli çalışma durumun da saatte yaklaşık 220 ton kömür tüketilecek 600.000 kWe üretilir (e elektrik gücü). Bu, yılda yaklaşık 2.000.000 ton kömüre eşdeğerdir. Aynı güç santrali aynı enerji için yılda yaklaşık 1 ton uranyumu yakıt olarak harcar.
1.3. ENERJİ- KÜTLE VE GÜÇ BİRİMLERİ
Enerji hesapları yapılırken enerji birimleri ve güç birimleri karıştırılmamalıdır.
Güç enerji miktarıdır. P=dE/dT
Enerji ise verilen bir zaman aralığında gücün integraline eşittir.
SI birim sisteminde;
Enerji joule
Elektron volts(eV)
Million elektron volts(MeV)
Calori(cal)
British termal unit (Btu)
Ayrıca; enerji güç ve zaman birimleri ile ifade edilir.
Kilovat saat (kWh)
3
Beygir gücü saat (hPh)
SI biriminde güç; İngiliz birim sisteminde;
Watt (W) hP
Kilowatt (kW) J/s
Megawatt (mW) Btu/h
Gigawatt (GW)
Terawatt (TW)
1.4. ENERJİ TİPLERİ VE SINIFLANDIRMALARI
İki tür enerji tipi vardır.
1. Geçişken Enerji: Sistem sınırlarını geçebilen hareket halindeki enerjidir.
2.Depolanmış Enerji: Kütlede veya bir kuvvet alanındaki bir maddenin pozisyonundan kaynaklanan enerjidir. Bu depolanmış enerji formları diğer enerji formlarına kolayca dönüştürülebilir.
Enerji türlerinin sınıflandırılmasında kabul edilmiş genel bir metot ya da sistem olmamasına rağmen farklı enerji formlarını biz 6 sınıfta inceleyeceğiz.
1.
Mekanik enerji
2.
Elektrik enerjisi
3.
Elektromanyetik enerji
4.
Kimyasal enerji
5.
Nükleer enerji
6.
Termal (ısıl) enerji
4
1.Mekanik enerji: Termodinamik yaklaşımda mekanik enerji bir ağırlığı kaldırmak için kullanılabilen enerji olarak tanımlanmaktadır. Daha genel bir tanımlamayla; ideal türbin gibi bir cihazla, doğrudan ve tamamen mekanik ise dönüştürülebilen enerji biçimidir. Kinetik ve potansiyel enerji mekanik enerjinin benzer biçimleridir.
Mekanik enerjinin geçişken hali “İş“ olarak adlandırılır. Depolanmış mekanik enerji “potansiyel enerji“ terimi altında ifade edilebilir.
Potansiyel enerji bir maddenin bir kuvvet alanı içinde maddenin pozisyonu ile ilişkili olan enerjisidir. Bu genel bir tanımlamadır. Bu genel tanımlamaya göre potansiyel enerji 5 alt grupta incelenebilir.
1. Yerçekimi kuvvet alanında bir maddenin pozisyonu ile ilgili enerji. (potansiyel enerjinin klasik termodinamik tanımı). ( kaldırılmış bir ağırlık)
2. Atalet kuvvet alanında bir maddenin pozisyonu ile ilgili enerji (kinetik enerji). (Volan çark)
3. Sıkıştırılmış bir akışkanla ilgili enerji. (Sıkıştırılmış gazlar)
4. Elastik-gerilme alanda maddenin pozisyonu ile ilgili enerji. (Yaylar)
5. Manyetik alandaki mıknatıs özelliği olan malzemenin pozisyonu ile ilgili enerji. (Demir malzemenin magnetik çekimleri)
5
2. Elektrik enerjisi; elektron hareketleri veya yığılmasıyla ilgili enerji biçimidir. Bu enerji Wh veya kWh ile ifade edilir. Elektrik enerjisinin geçişken formu bir iletkenden elektronların geçişidir. Elektrik enerjisi yüksel voltaj iletimi hatlarıyla uzak mesafelere transfer edilebilir. Elektrik enerjisi bir akü ile kapasitör bir levha üzerine elektronların yığılmasıyla depolanabilir.
3.Elektromanyetik enerji: Elektromanyetik radyasyonla ilgili enerji formudur. Radyasyon enerjisi genellikle elektron volt (eV) olarak adlandırılan çok küçük enerji birimleri ile ifade edilir. Elektromanyetik radyasyon tamamen geçişken enerji türüdür. Işık hızında hareket eden tamamen geçişken bir enerji türü olduğu için depolanmış enerji formunda bulunmaz.
4. Kimyasal Enerji: İki veya daha fazla atom ya da molekülün daha kararlı bir kimyasal bileşen üretmek için birleştiği elektron etkileşimlerinin bir sonucudur. Kimyasal enerji sadece depolanmış olarak bulunur. Bir kimyasal reaksiyon sonucunda enerji ortaya çıkıyorsa bu reaksiyona ekzotermik reaksiyon ismi verilir.
5. Nükleer enerji: Nükleer enerjide yine yalnız depolanmış formda bulunur. Atom çekirdeği içindeki partikül etkileşimleri ile ilgilidir. Üç tip nükleer reaksiyon vardır. Radyoaktif gecikme, fisyon ve füzyon.
6
6. Thermal (ısıl) Enerji: Atomik ya da moleküler titreşimlerle ilgili enerjidir. Diğer enerji türleri tamamen termal enerjiye dönüştürülebilirken termal enerjinin diğer enerji formlarına dönüşü Termodinamiğin İkinci Kanununa göre sınırlıdır. Termal enerjinin geçişken formu ısı olarak adlandırılır. Depolanmış hali ise duyulur ve gizli ısı olarak bilinir.
1.5 ENERJİ KAYNAKLARI
Akla gelebilecek tüm enerji kaynakları iki genel başlık altında incelenebilir:
1.
Gelen (income) enerji: dünyaya uzaydan gelen enerji
2.
Kapital (capital) enerji: dünyada hali hazırda var olan enerji.
Income enerji: güneş enerjisi, ay enerjisi
Capital enerji: fosil yakıtlar, jeotermal enerji, nükleer enerji, vs.
Gelen enerji kaynakları: Gerçekte yeryüzüne dışarıdan gelen tüm muhtemel enerji kaynaklarıdır. Bu, yıldızlar, gezegenler ve ayın elektromanyetik çekimsel ve partikül enerjileri ve atmosfere göre meteorların potansiyel enerjisi olabilir. Ancak bunlardan kullanılabilir ve yararlı olan enerji türleri sadece güneşin elektromanyetik ışınları ve ay çekiminden kaynaklanan gelgit enerjisidir.
Direk güneş enerjisi birçok tükenmeyen dolaylı enerji türlerinde ortaya çıkarılmıştır. Direk güneş ışıtması dünyanın dönüşüyle birlikte atmosferde ve okyanus üzerinde çok büyük konveksiyon dalgaların (rüzgar formunda) oluşmasına neden olur. Okyanus veya denizler üzerindeki suyun buharlaşması sonucu bulutlar oluşur, daha sonra yüksek yerlere taşınan bulutlarda yoğuşma sonucunda yağmurlar ve karlar oluşur. Bu olay hidroelektrik santralleri için kaynaktır. Ayrıca rüzgârla okyanuslar dalgaların oluşmasına neden olur.
Direk güneş enerjisinin endirekt formlarında biri de yaşayan materyallerdir. Bu kaynağın genel adı biyomas’dır ve ağaçlar hayvanlar, bitkiler, organik atıklar ve bunlardan üretilen diğer ürünleri kapsamaktadır. Odun gibi bunlardan bazıları doğrudan yakıt olarak
7
kullanılabildiği gibi mangal kömürü, alkol, methane gibi diğer yakıtların üretilmesinde de kullanılır.
Son yıllarda okyanuslar üzerindeki sıcaklık gradyanlarından yararlanmaya yönelik birçok çalışma yapılmıştır. Bu tür enerji dönüşüm çalışmalarına OTEC (ocean thermal energy conversion) ismi verilmektedir. Bu sistemlerde okyanus suyu üzerindeki ılık tabaka Rankine sisteminde çalışan bir iş yapan akışkanı buharlaştırır ve türbinde iş yaptıktan sonra derindeki soğuk su ile yoğunlaşır. Bu prensipte çalışan ilk sistem 1926 yılında KÜBA da inşa edilen 40 kWe kapasitesinde bir sistemdir. Bu sistemlerin en büyük problemleri okyanus yüzeyindeki 16–20 C civarında olan düşük sıcaklıktır buda termal verimin düşük olmasına neden olur. 0
HlcarnetTTth−=1η
Buda dikkate değer bir güç üretmek için sistemin çok büyük olmasını gerektirir. Çok büyük boyutlardaki sistem gereksinimi ilk yatırım maliyetinin büyük olması anlamına gelir.
Bir başka income (gelen) enerji kaynağı lunar (ayla ilgili) enerjidir. Ayın çekim kuvvetiyle ilgilidir. Bu çekim kuvveti nedeniyle bazen birkaç cm’den 9 m’ye kadar dalgalar oluşur. Gelgit oluşturan kuvvetler yerçekimine göre çok küçüktür. Ancak bu kuvvetlerin yatay bileşenleri denizlerde büyük etki gösterir (yani kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan coriolis kuvveti).
Kapital enerji kaynakları: Bugün dünyanın en büyük yakıt enerji kaynağı fosil yakıtlar olarak adlandırılan kapital enerji kaynaklarıdır. Bu kaynaklar ABD’nin toplam enerji kaynağının %90 nını karşılar. Diğer %10 luk kısmı hidroelektrik ve nükleer ağırlıklıdır.
İnsanlık için kullanılabilen son kapital yakıt türü ‘’jeotermal enerji’’dir. Bu yerkabuğu altında hapsolmuş olan termal enerjidir. Bu enerji buhar, sıcak su ve/veya sıcak erimiş kayalar şeklinde bulunmaktadır. Jeotermal enerji kaynakları iki kategoride incelenmektedir:
1.
Hidrotermal jeotermal kaynaklar: buhar sıcak su
2.
Petrotermal jeotermal kaynaklar: sıcak kayalar
8
Bu enerji türleri tek tek ders kapsamında ele alınmaya çalışılacak ve geniş bilgi ilerdeki bölümlerde verilecektir.
1.6 ENERJİ REZERVLERİ
Dünyadaki enerji rezervleri 4 genel kategoriye bölünebilir
1.
Yenilenebilir ve tükenmeyen kaynaklar
2.
Fosil yakıtlar
3.
Parçalanabilir ve üretken malzemeler
4.
Parçalanabilir izotoplar
Enerji rezervlerinin miktarı o günkü Pazar fiyatlarıyla ilişkilidir. Örneğin doğal uranyum elementinde izotopun parçalanmasıyla oluşan U235 kullanılabilir yakıttır. U3O8’in her bir paund’u 30$ dır ve J rezervi vardır eğer uranyum fiyatı 4 katına çıkarsa (120$) kullanılabilir rezerv J çıkar. 2110*7,132110*22
1.7 ENERJİ KULLANIMI
İnsanoğlu tarihin gelişiminden beri yeni enerji kaynakları bulundukça ve daha yeni ve iyi dönüşüm metotları geliştirebildikçe çok daha fazla enerji kullanmaya devam etti. İlk enerji kaynağı önce insan gücü ve daha sonra hayvanların gücüdür. Daha sonra insanlar bitki ve ağaçlar gibi karbonhidratların yakılmasından enerji üretmeyi öğrendi.
1.8. ENERJİ BİÇİMLERİ ARASINDAKİ DÖNÜŞÜM
Enerji dönüşümü arasında bir enerji türünden diğerine dönüşüm olabileceği gibi çoğu uygulamada her bir adımda birden fazla enerji türüne dönüşüm olmaktadır örneğin bir güç santralinde enerji biçimleri arasında dönüşüm zinciri vardır. Aşağıdaki tabloda enerji türlerinin birbirlerine doğrudan dönüşümleri gösterilmiştir.
9
Başlangıçtaki Enerji Formu
Dönüştüğü Enerji Formu
Kimyasal Enerji
Radyant Enerji
Elektrik Enerjisi
Mekanik Enerji
Isıl Enerji
Nükleer Enerji
Reaktörler,
Kimyasal Enerji
Yakıt Pilleri
Kazanlar, boylerler
Radyant Enerji
Fotoliz
Fotovoltaik piller
Yutucu yüzeyler
Elektrik Enerjisi
Elektroliz, pil şarjı
Lamba, lazer
Elektrik Motoru
Rezistans, ısı pompası
Mekanik Enerji
Elektrik Jeneratörü,
Türbinler
Sürtünme, karıştırma
Isıl Enerji
Termoelektrik jeneratörler
Termodinamik motorlar
Konvektör, radyatör, ısı borusu
1.9. BÜYÜME ORANLARI
Sürekli büyüyen bir niceliğin (enerji tüketimi, nüfus, kişisel gelir veya herhangi bir değişken) büyümesi incelenirken, mesela (Power) olarak enerji tüketimi, P, Aynı Yıllık oranlarla büyüyorsa (i) büyüklüğün birim zamandaki değişim miktarı,
idtPdPPidtdP==)(
P0= Herhangi bir zamandaki (t0) başlangıç güç değer olmak üzere entegre edilirse,
tiPoPIn.=⎥⎦⎤⎢⎣⎡ itePoP.=
İ=yıllık büyüme sabiti
P/P0
10
-4 -2 0 2 4
t/tD
Şekil= Sabit Büyüme oranında enerji tüketimi değişimi
tD=P0’yı 2 katına çıkarmak için gerekli zaman
t=tD P=2P0 itD=In 2
iiIntD693,02==
Örnek 1.1:
1970 yılı değerlerine göre ABD’nin enerji tüketim miktarı 70,8x1018 j/yıl ‘ dır. Yıllık büyümenin %4 olduğunu kabul ederek doubling time ( Katlanma Zamanı tD) ve 2000 yılındaki enerji tüketim miktarını bulunuz.
i=0,04
P0=70,8x1018 j/yıl
t=0 t=30
1970 2000
33,1704,0693,02===iIntD Yıl
11
P2000= P30=P0.eit=70,8x1018.e(0.04).(30)
=235,1x1018j/yıl
Verilen bir zaman periyodunda toplam enerji tüketimini bulmak için
P=P0.eit ifadesini entegre etmek gerekir.
Üssel büyüme oranının t=-’dan başladığı kabul edilirse, toplam enerji tüketimi (E0) , t=- ile t=t1 arasında ∞∞
∫∫∞−∞−===111..).(ttititeiPodtePodttPEo
E1=t=t1 ile t2 arasındaki tüketim ise
()1221.1...titttiteeiPodtePoE−==∫ [][11)()(12121−=−=−−ttittiiteEoeeiPo
Örnek 1.2.
Enerji tüketim miktarı 70,8x1018 j/yıl ve büyüme oranı %4 ise bir ülkenin kömür rezervinin 70,8x1021 j olduğunu kabul ederek kömür ne kadar gider?
[]110.70)(211121−==−ttiiteeiPoE ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=110.8,7004,0.10.7004,0111182112InPoiEInit
56,922=t Yıl
