YenilenebiLİr enerji kaynaklari ve teknolojileri
Yüklə 203,05 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 4.3.Yoğunlaştırıcı Sistemler İle Elektrik Üretimi
- 6 .1 Biokütle enerjili ısı-güç santraları
- 6.2. Gazlaştırma
- 6.3.Bioenerji Ve Sürdürülebilir Gelecek
|
YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE TEKNOLOJİLERİ Zehra Yumurtacı(1),Nur Bekiroğlu(2) (1) Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü,34349,Beşiktaş, İstanbul (2) Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü,34349,Beşiktaş, İstanbul ÖZET Günümüzde enerji tüketiminin hızla artmasına paralel olarak alışılagelen enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükeneceği bilimsel bulgularla ispatlanmış bir gerçektir. Ayrıca, artan nüfus ve enerji talebine bağlı olarak dünyanın emisyon değerlerinin günümüzdeki sınırlar içinde tutulması pek mümkün görünmemektedir. Bu kirliliğin devam etmesi durumunda dünya sıcaklığının artacağı ve deniz seviyesinin yükseleceği bilinmektedir. Bunun için şu an tüm dünyada enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynakları önerilmekte ve kullanılmaktadır. Bu enerji kaynakları temel olarak hidroelektrik enerji, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, jeotermal enerji, biokütle enerji ve hidrojen enerjisi olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada bu enerji kaynaklarından enerji üretimi yöntemleri, çevre ile ilişkileri, avantajları, dezavantajları, maliyet değerleri ve bu enerji kaynakları ile kullanılan yeni teknolojiler anlatılmıştır. Bu enerji kaynakları arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Anahtar Sözcükler: Hidrolik enerji, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, bioenerji, hidrojen enerji, jeotermal enerji 1.GİRİŞ Ekoloji, canlı varlıklar ile onların doğal çevresi arasındaki ilişkileri inceleyen bilim dalıdır. Bu kelimeyi ilk kez 1869 yılında Alman biyoloji bilgini Ernst Haeckel tarif etmiş ve kullanmıştır. Bu kelime iki yunanca kelimeden yani ev veya yaşanacak yer ile bilgi anlamına gelen kelimelerden türetilmiştir. Her ne kadar ekolojik bilgi, binlerce yıldır insanlar tarafından kullanılmakta ise de, ekoloji bugün yeni bilim dallarından biridir. Özellikle çevre kirliliği sorunlarının başladığı günümüzde oldukça güncel bilim dallarından biri olmuştur [6]. İçinde yaşadığımız dönem konvansiyonel enerji kaynaklarının risk faktörlerinin arttığı sürecin başlangıcıdır. Bu faktörler; klasik enerji kaynaklarının birçoğunun yakın bir gelecekte tükenecek olmaları, çevre için büyük ve geri dönüşümü olmayan tehlikeler yaratmaları ve gelişen teknolojiyi beslemekte yetersiz kalmalarıdır. Bu sebeplerle günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının çeşitliliği artmakta, bir kısmı ekonomik alternatiflik açısında değer kazanmakta ve bir kısmı üzerinde ekonomik analizler yapılmaktadır. Özellikle 1970 yılındaki enerji krizinden sonra yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Bu enerji kaynaklarının tümünün ortak sonucu çevreye kısa ve uzun vadede olumsuz etki oluşturmamalarıdır [1].
Elektrik üretimi amaçlı kullanımı son 100 yılda gerçekleşmesine rağmen asırlar boyu enerji kaynağı olarak, suyun gücünden yararlanılmıştır. Bugün ise, dünyada kapasite ve enerji verimliliği açısından önde gelen yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Bir akarsu havzasının hidroelektrik enerji üretiminin kuramsal üst sınırını gösteren değer brüt hidroelektrik enerji potansiyeli, enerji üretiminin teknolojik üst sınırını gösteren değer teknik yönden değerlendirilebilir hidroelektrik enerji potansiyeli ve hidroelektrik enerji üretiminin ekonomik sınır değerini gösteren değer de ekonomik olarak yararlanılabilir hidroelektrik enerji potansiyeli olarak tanımlanır[22]. Çizelge 2.1’de çeşitli kıtalardaki brüt teorik, teknik yapılabilir ve ekonomik yapılabilir hidroelektrik potansiyelleri GWh/yıl cinsinden verilmiştir. Buna göre en büyük hidroelektrik potansiyelin Asya kıtasında olduğu görülmektedir[14]. Çizelge 2.1 Dünyanın hidrolik potansiyeli
Hidrolik gücün, ekonomik olarak kullanılabilir potansiyelinin halen 1/3 ü kullanılarak dünya elektrik üretiminin %17 si karşılanmaktadır ve hidrolik santrallerin enerji üretimi açısından iyi kurulmuş teknolojisi olduğu gerçeği kabul edilir. Bu potansiyellerle birlikte bir hidroelektrik santralın yapılabilirliğinin olması ve güvenilir enerji için uzun süreli ölçülen debi değerlerine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu debi değerleri sağlandıktan sonra yapılacak yerin arazi koşullarının buna uygun olması gerekir. Santralın gücünü belirleyen ana parametreler debi ve arazi şartlarına bağlı olan düşüdür. Bu iki değer güç ile doğru orantılı olup santralın gücünü etkilerler. Bilindiği gibi kurulu gücü 30 MW’ a kadar olan santraller küçük ölçekli santraller, 30 MW’ ın üzerinde olan santrallerle da büyük ölçekli santraller adı verilir [5]. Kullanılmayan hidro kaynaklar Latin Amerika, Orta Afrika, Hindistan ve Çin’de hala boldur. Her enerji üretim sisteminin avantajları yanında dezavantajları da vardır, Fakat her enerji kaynağı için avantajlar, dezavantajlara karşı dikkatli bir şekilde dengelenmelidir.
2.2.Hidrolik Enerjinin Avantajları ve Dezavantajları Avantajları: Kirlilik yaratmaz.Sera gazları, SO2 ve partikül emisyonlarının olmaması gibi., ani enerji değişimlerinde çok çabuk devreye girer ve acil durumlarda da çok çabuk devreden çıkar, doğal kaynaklar kullanıldığından ithal enerji bağımlılığını önler , yapılan yatırım sadece enerji için değil, sulama ve taşkın kontrolü amaçlı da kullanılmaktadır, ırmaklarda botlar için gerekli olan su seviyesinin sabit tutulmasında rol oynar, birim elektrik enerji maliyeti ucuzdur [20]. Dezavantajları: Toplam inşaat süresi uzundur, uzun süreli ölçülen debi değerlerine ihtiyaç bulunmaktadır, yatırım maliyeti yüksektir, bazen yağışlara ve kar erimelerine bağlı olarak olumsuz etkilenmesi mümkündür.
Tüm hidroelektrik enerji kaynakları arasında küçük hidroelektrik santrallerin gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerdeki toplam elektrik enerjisi üretimindeki payı %5 ile %10 arasında olmaktadır. Küçük hidroelektrik santraller toplam kurulu gücü 10 MW’a kadar olan santrallerdir. Bunlar da kendi aralarında mikro, mini ve küçük olarak isimlendirilirler. Dünyada özellikle ABD, Çin, Japonya, Fransa’da pek çok uygulamaları mevcuttur. Küçük hidroelektrik santrallerin avantajları; Büyük projelerin gerçekleşme süresi uzundur, küçük projelerin daha kısa olur, küçük hidroelektrik santrallerin makine aksamı her ülkenin şartları ile yapılabilecek durumdadır, dolayısıyla her ülke için ithal enerji bağımlılığını azaltmaktadır, küçük hidroelektrik santrallerde standardizasyona gitmek mümkündür, bu da maliyeti azaltacaktır, üretilen elektrik enerjisi bölgesel kullanımlar için daha uygundur. Dezavantajları ise; Birim tesis maliyeti ve birim enerji maliyeti yüksek güçlü hidroelektrik santrallere nazaran daha yüksektir[3]. 2.4.Hidrolik Enerji Maliyeti Hidroelektrik santrallerde güç arttıkça birim tesis bedeli azaldığından yatırım maliyeti ve birim enerji maliyeti güç arttıkça azalmaktadır. Birim tesis bedeli hidroelektrik santrallerde (1000-1200) $/kW arasında, birim enerji maliyeti de (0,0025-0,003) $/kWh arasında değişmektedir. Ancak küçük hidroelektrik santrallerde birim tesis bedeli daha yüksek olduğundan birim enerji maliyeti de biraz daha yüksek olmaktadır. 3.RÜZGAR ENERJİSİ 3.1.Giriş Binlerce yıl önceleri insanlar rüzgarı yel değirmeni olarak, su pompası olarak ve yelkenlerine itici güç olarak kullanmışlardır. Son 20-30 yılda rüzgar; enerji kaynağı olarak popüler bir konuma erişmiş ve günümüzün en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olmuştur.1950’lerden itibaren fosil yakıtların daha ekonomik hale gelmesiyle rüzgar türbinleri daha az kullanılır hale gelmiştir. Fakat 1970’lerde başlayan yakıt kriziyle birlikte rüzgar enerjisi tekrar gündeme gelmiştir. Dünyada denizüstü rüzgar potansiyeli daha yüksektir. Bu potansiyelden daha iyi faydalanmak önemli bir adım olacaktır. Balıkçılık, gemi rotaları, askeri testler gibi kısıtlamalar dışında doğal kısıtlamalar da mevcuttur. Bunlara örnek olarak; fırtına, deniz derinliği, rüzgar hızının yüksekliği verilebilir. Bu kısıtlamalar aşıldığı ölçüde düşük maliyetli üretim yapılabilecektir. Denizüstü santralleri dışında gelişme beklenmesi gereken diğer uygulamalar ise Asya’daki potansiyelin değerlendirilmesi ve yüksek güçlü rüzgar türbinlerinin uygulamaya alınmasıdır[10]. 3.2.Rüzgar Enerji Potansiyeli Dünya rüzgar enerji potansiyelinin, 50° kuzey ve güney enlemleri arasındaki alanda 26.000 TWh/yıl olduğu ve ekonomik ve diğer nedenlerden dolayı 9.000 TWh/yıl kapasitenin kullanılabilir olduğu tahmin edilmektedir [16]. Yine yapılan çalışmalara göre, dünya karasal alanları toplamının %27’sinin yıllık ortalama 5.1 m/s’den daha yüksek rüzgar hızının etkisi altında kaldığı belirtilmektedir. Bu rüzgar enerjisinden yararlanma imkanının olabileceği varsayımıyla 8 MW/km2 üretim kapasitesi ile 240.000 GW Kurulu güce sahip olunacağı hesaplanmaktadır. 
MW Şekil 3.1. Dünyada rüzgar enerji santrallarının gücünün artışı [17] Çizelge 3.1.’de dünyanın rüzgar enerji santralarının kurulu güçlerinin artışı verilmektedir. Buradan hesaplanırsa, 2004 yılı sonuna kadar tüm dünyada kullanılan rüzgar enerji potansiyeli kurulu gücü 2/10000 oranında kullanılmaktadır. Bu da dünyada rüzgar enerji potansiyelinin yüksek olup bu potansiyeli kullanamayan ülkelerin olduğunu ve potansiyelinin tamamına yakınını kullanan ülkelerin olduğunu göstermektedir.. Şekil 3.2. kıtalara göre kurulu gücün paylaşımını göstermektedir.
Şekil 3.2. Kıtalarda kurulu gücün paylaşımı [17] Şekil 3.2.’den de görüldüğü gibi, dünya rüzgar enerjisi pazarını Amerika ve Avrupa sürüklemektedir. Amerika’da birçok hanede kişisel kullanım görülmekte; Avrupa’da da bu tip kullanım gitgide yaygınlaşmaktadır [9]. Yeni kurulan rüzgar santrallerinin %90’ı Amerika ve Avrupa’da kurulmaktadır. Bu arada Hindistan’da 2110 MW’a ulaşan güç, iyi bir pazarın habercisi olup Amerika ve Avrupa dışında bulunan en büyük kurulu güçtür. Çizelge 3.1. rüzgar enerji santrallerini en çok kullanan ülkeleri göstermektedir[7]. Çizelge 3.1. Rüzgar enerji sanrallarının en çok kullanan ülkeler
Rüzgar enerjisi kullanımında dünya genelindeki artış oranı her yıl gitgide azalmaktadır (%21). Bunun nedeni ise özellikle lider pazarların (Amerika, Almanya, Danimarka) yeni santral kurma hızlarının düşmüş olmasıdır. 2010 yılında dünya rüzgar enerji santrallarının hedefi 75000 MW olarak tahmin edilmektedir[11]. 3.3.Rüzgar Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları Avantajları : Fosil kaynaklı ya da başka bir organik veya inorganik yakıtı olmayan temiz ve emisyonsuz bir enerji kaynağıdır, emisyonu olmadığı için sera gazları oluşturmaz ve küresel ısınmaya katkı yapmaz, yakıt parası yoktur ve işletme masrafları çok azdır. Bu nedenle ekonomik bir enerji kaynağıdır, dışa bağımlı olmayan ve çevresel koşullar uygun olduğunda sürekli enerji oluşturan bir kaynaktır ,kullanılan makinalar, karmaşık olmayan ve otomatik makinalardır ve periyodik bakımlar sonucu 20-30 yıllık ömürleri boyunca sorunsuz çalışırlar, yer kaplamazlar ve bulundukları alanlar başka amaçlarla da kullanılabilir, radyoaktif ışınım veya radyasyon tehlikesi yoktur, işletmeye almak ve kullanmak üç ay gibi kısa bir sürede mümkün olabilmektedir, rüzgar türbinleri sadece tek değil gruplar halinde de kullanılabilirler ve dolayısıyla üretilen enerji miktarlarını arttırabilirler, tükenmeyen sonsuz bir enerji kaynağıdır[12]. Dezavantajları: Enerji üretimi rüzgara bağımlı olduğundan rüzgar kesilmesi veya azalması ile enerji kaybı oluşur, rüzgar miktarına bağımlı bir enerji olduğu için sadece yeterli rüzgarın bulunduğu alanlarda kurulabilir, türbin maliyetleri yüksek olabilmektedir ancak gittikçe azalan bir maliyet durumu söz konusudur , büyük dönel bir makine oluşundan ötürü çevrede kuş ölümlerine neden olabilmektedir, rüzgar türbinlerinin kurulacağı alanların durumu önemlidir. Örneğin arazinin engebeli oluşu ya da sit alanlarına yakınlığı mahzur olabilir, rüzgar türbinlerinin meydana getirdiği ses şiddeti çevreye gürültü olarak yansıyabilir, bu gürültü, türbinden uzaklaştıkça azalma eğilimi gösterir, türbin kanatlarından dönerken parçaların kopması çevreye tehlike arz edebilir, türbinler; elektromanyetik dalgaları dağıtabilir veya yön değiştirtebilir, bir türbin radyo,televizyon veya mikrodalga ileticisi ile alıcısı arasına kurulduysa elektromanyetik dalgayı etkileyebilir [8]. 3.4 Rüzgar Enerjisi Maliyeti Elektrik piyasasında rekabet edebilmek için rüzgar türbinleri, fosil kaynaklı üretim yöntemleriyle mücadele edebilecek bir maliyetle elektrik üretmelidirler. Rüzgar, doğada bedelsiz bir enerji olduğuna göre bu enerji türünde maliyet unsuru mekanik ve elektronik parçalardır. Teknolojik gelişmelere paralel olarak türbinin ilk maliyeti azalmış ve elde edilen enerji miktarı artmıştır. Bu sayede fosil yakıtlarla rekabet edebilir bir enerji türü haline gelmiştir. Çizelge 3.2.’de yıllara göre tahmini maliyet değişimleri verilmiştir. Çizelge 3.2. Rüzgar gücü teknolojisi, geçmişi, günümüz ve gelecekteki durumu
Rüzgar türbini tasarımını, konstrüksiyonunun ve çalışmasını etkileyen tüm faktörler, maliyet unsuru ile denge halindedirler. Günümüzde yapılan araştırma çalışmalarının en temel amacı rüzgar enerjisi maliyetini 2010 yılına kadar 0.025 $ civarına getirmektir. Bu sayede konvansiyonel enerji türlerine göre çok daha rekabetçi hale gelecektir. 3.5.Rüzgar enerji santralarındaki gelişmeler Rüzgar türbinleri ile ilgili gelişmeler teknoloji ile birlikte her geçen gün artmaktadır. Günümüzde rüzgar türbinlerinde en çok gelişen sahalardan biri türbinin elektronik sistemlere adaptasyonudur. Rüzgar enerji santrallarında aşağıdaki gelişmeler olduğunda bu enerji kaynağının daha da kullanılabilir olacağı aşikardır. Daha verimli tasarım ve üretim (aerodinamik tasarım, gelişmiş yük ve dayanım güvenliği, yüksek dayanımlı ve sönümlü malzemelerin kullanımı, gelişmiş üretim teknolojileri, yeni konseptlerin oluşturulması, gelişmiş kanat tasarımı ve bakım-onarım masraflarının azaltılması), türbülans altında yüklerin durumunu, yapısını ve türbin ömrüne etkisini kavrayabilmek, sistem model ve simülasyonlarını geliştirmek, entegre jeneratör ve güç elektroniği sayesinde mekanik dişli kutularından kurtulmak , verimli ve düşük maliyetli enerji depolamak, daha iyi rüzgar hızı karakter analizi yapmaktır. Yapılacak araştırmalar sonucunda daha iyi tasarım, geliştirme ve üretim yaparak rüzgar enerjisinin kullanılabilirlik yüzdesini arttırmak temel amaçtır. 4.GÜNEŞ ENERJİSİ 4.1 Dünyanın Güneş Enerji Potansiyeli Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisi teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir: Isıl Güneş Teknolojileri : Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir. Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller de denen bu yarı-iletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler [14]. 4.2.Güneş Kollektörlü Sıcak Su Sistemleri Güneş kollektörlü sıcak su sistemleri, güneş enerjisini toplayan düzlemsel kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır. Güneş enerjisi uygulamalarında düzlemsel güneş kollektör sistemlerinin yanı sıra daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için yoğunlaştırıcı kollektör sistemleri kullanılmaktadır. Düzlemsel güneş kollektörleri için kullanılan kavram ve tarifler, yoğunlaştırıcı kollektörler için de geçerlidir. Bununla birlikte yoğunlaştırıcı kollektör teknolojisinin daha karmaşıktır. Bu tür kollektörlerde güneş enerjisi, yansıtıcı veya ışın kırıcı yüzeyler yardımı ile doğrusal ya da noktasal olarak yoğunlaştırılabilir. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar, orta derecede sıcaklık isteyen uygulamalarda kullanılır. Bu sistemlerde, güneş enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaştırılacağından tek boyutlu hareket ile güneşi izlemek yeterlidir. Noktasal Yoğunlaştırıcılar, iki boyutta güneşi izleyip noktasal yoğunlaştırma yapan ve daha yüksek sıcaklıklara ulaşan sistemlerdir. Bu tür sistemler, parabolik çanak ve merkezi alıcı olmak üzere iki gruba ayrılır. 4.3.Yoğunlaştırıcı Sistemler İle Elektrik ÜretimiBugüne kadar güneş enerjisi ile elektrik üretiminde başlıca iki sistem kullanılmıştır. Birincisi, güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerdir. Fakat geçen 20 yıl içerisinde fotovoltaik sistem uygulamalarının artışına rağmen, teknolojisinin karmaşıklığı ve maliyetinin yüksek oluşu, geniş çapta elektrik üretimi için yetersiz olduğunu ortaya çıkarmıştır. İkinci seçenek ise, güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda elde edilen kızgın buhardan, konvansiyonel yöntemlerle elektrik üretimidir. Güneş termal güç santrallerinin tasarımında dikkate alınması gereken en önemli parametreler şunlardır; Bölge seçimi, güneş enerjisi ve iklim değerlendirmesi, parametrelerin optimizasyonu, santralın tesis edileceği ideal bölge seçilirken; yıllık yağış miktarının düşük olması, bulutsuz ve sissiz bir atmosfere sahip olması, hava kirliliğinin olmaması, ormanlık ve ağaçlık bölgelerden uzak olması ve rüzgar hızının düşük olması kriterleri göz önünde bulundurulmalıdır. 4.3.1.Parabolik Sistemlerle Elektrik Üretimi Parabolik oluk kollektörlü güç santralleri, güneş tarlası, buhar ve elektrik üretim sistemlerinden oluşur. Bu santrallerde proses ısısı için, doğrusal yoğunlaştırma yapılarak, güneş enerjisinden 300 øC'nin üzerinde sıcaklık elde edilir ve ısı transfer akışkanı olarak yüksek sıcaklıklara dayanıklı termal yağ kullanılır. Güneş tarlası kontrol sistemi; genel kontrol sistemi ve her kollektör grubunda bulunan lokal kontrol ünitelerinden oluşur. Genel kontrol sistemi güneşlenme durumunu izler ve buna göre sistemi tamamen ya da kısmen açar ya da kapatır. Bu işlem, lokal kontrol üniteleriyle iletişim içinde yapılır. Lokal kontrol üniteleri, her kollektör grubunu ayrı ayrı kontrol ederek güneşin takip edilmesini sağlarlar. Güneş enerjili güç santrallerinde, güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda, kesintisiz elektrik üretimini sağlamak için ilave ısıtıcılar kullanılır. Petrolle ya da doğal gazla çalışan ilave ısıtıcılar, aynı sıcaklık ve basınçta buhar üretirler. SEGS (Solar Electric Generating System) teknolojisi, güneş enerjisini birincil enerji kaynağı olarak kullanan Rankin çevrimli buhar türbin sistemine dayanır. Güneş Santralı, parabolik oluk kollektör gruplarından (Solar Collecting Assemblies-SCA) meydana gelmiştir. Güneşi iki boyutlu olarak takip eden ve yansıtıcı yüzeyleri vasıtasıyla güneş ışınlarını odaklayarak çelik boru üzerinde yoğunlaştıran kollektörler, kolonlar üzerine kurulmuş olup, esnek hortumlarla birbirine bağlanmışlardır. Parabolik sistemler konusunda dünyada güneş enerjisiyle üretilen toplam elektriğin % 92'si Amerika’da özel şirketler tarafındani gerçekleştirilmiştir. Şu anda işletmede 9 güç santralı, proje aşamasında ise 4 güç santralı bulunmaktadır. Bunların hepsi tamamlandığında, 1 milyon insanın elektrik enerjisi ihtiyacını karşılayacak ve toplam güç 680 MW'a ulaşacaktır. Günümüzde henüz ekonomik olmayan parabolik sistemlerin araştırma ve geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir. Bu çalışmalarda amaç, birim alan maliyetini düşürmek ve verimini artırmaktır[2].
Güneş enerjisini yoğunlaştırarak elektrik üreten diğer bir uygulama da merkezi alıcı güç santralleridir. Bu santrallerde güneş enerjisi, heliostat denen aynalar yardımı ile bir kule üzerine yerleştirilmiş olan alıcıya yansıtılır. Bu yolla 1000oC’nin üzerinde sıcaklık elde edilir. Heliostatlar, merkezi bir bilgisayar yardımı ile güneşi takip ederek güneş enerjisini kule üzerindeki alıcıya yansıtırlar. Alıcıda ısıtılan akışkan, buhar jeneratörüne gönderilerek buhar üretilir. Bu buhar, buhar türbininden geçirilerek elektrik üretilir. Bu çevrimden sonra buhar, kondansatörde soğutma suyu çevrimi ile soğutulur ve tekrar buhar jeneratorüne döner. Isı transfer akışkanı buhar jeneratöründen geçtikten sonra alıcıya gönderilir. Dünyada, Avrupa,Japonya ve ABD de 6 adet bu tip santral inşa edilmiştir. Günümüze kadar tesis edilmiş olan merkezi alıcı sistemlerin işletilmesi sonucunda, büyük sorunlar ortaya çıkmıştır. Dünyada mevcut merkezi alıcı sistemlerin özellikleri çizelge 4.1.’de verilmiştir. Çizelge 4.1. Mevcut güneş enerjisi sistemlerinin özellikleri
5. JEOTERMAL ENERJİ Jeotermal enerji kısaca yer ısısı olup, yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş basınç altındaki sıcak su, buhar, gaz veya sıcak kuru kayaçların içerdiği termal enerji olarak tanımlanmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalar ve hesaplamalar dünyanın başlangıçta eriyik halde bulunduğu ve binlerce yıl önce katı hale geldiğini göstermektedir. Yer kabuğunun derinliklerinde bulunan uranyum (U238, U235) toryum (Th232) ve potasyum (K40) gibi radyoaktif maddelerin bozuşması sonucu sürekli olarak ısı üretmesi prosesinin, jeotermal enerjinin kaynağı olduğuna inanılmaktadır. Yerkabuğunun kalınlığı kıtalarda 20-65 km’ye ulaşırken okyanus tabanlarında 5-6 km kalınlıktadır. Jeotermal enerji, iklim koşullarına bağlı olarak tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Bu enerji kaynağını kullanan sistemler, diğer sistemlere göre daha güvenilir, verimli ve esnektir. Jeotermal santraller maliyetleri ve çevreye verdikleri zararlı etkileri çok az olmaları yanı sıra yüksek bir kapasite kullanım oranı ile çalışabilmektedirler. Aynı zamanda bu santrallerin yapım süreleri oldukça kısadır (Güçleri 10 MW’a kadar olanların 6 ay, 250 MW ve üstü kombine tesislerin 2 yıl). Dünyada ilk jeotermal santral ünitesi 250 kW kurulu güç ile 1913 yılında İtalya’nın Larderello kentinde kurulan santraldir. 2005 yılı değerlerine göre dünya jeotermal enerji potansiyeli 14.1 TWh dir [19]. 5.1 Jeotermal Sistem Jeotermal sistem üç ana unsurdan oluşmaktadır: Isı kaynağı, rezervuar, ısıyı taşıyan akışkandır. Isı kaynağı yüksek sıcaklıklı (>600 °C) ve yüzeye yakın kısımlara ulaşabilen (5-10 km) magmatik sokulumlar olabileceği gibi, düşük sıcaklıklı sistemlerde de derinlikle birlikte artan normal sıcaklık da (jeotermik gradyan -ortalama 2,5-3 °C/100 m) olabilir. Rezervuarların üzerinde genellikle geçirimsiz tabakalar bulunmaktadır. Jeotermal akışkan ise çoğu durumda sudur ve rezervuarda sıcaklık ve basınca bağlı olarak buhar veya sıvı haldedir. Bu su genellikle bazı kimyasal maddeler ve gazlar (CO2, H2S gibi) içerir. Elektrik üretiminde kullanılan akışkan, su ve buhar olarak ikiye ayrıldıktan sonra atık hale gelen su tekrar yeraltına enjekte edilerek tekrar kullanıma sunulabilir [15]. 5.2 Jeotermal Kaynaklardan Faydalanma Yüksek sıcaklıklı jeotermal kaynakların (>150 °C) en önemli kullanım alanı elektrik üretimidir. Düşük ve orta sıcaklıklı jeotermal kaynaklar (<150 °C) çok farklı kullanım alanlarına sahiptir. Son yılarda 85 °C’nin üzerindeki jeotermal kaynakların elektrik üretiminde kullanılması da gerçekleşmiştir. 20 °C’nin altındaki jeotermal kaynaklardan ise ısı pompaları ile ısıtma ve soğutmada faydalanılmaktadır. Jeotermal kaynaklardan faydalanmada iki önemli yön bulunmaktadır: Birincisi, Faydalanılan akışkanın sıcaklığına bağlı olarak ikinci bir işte kullanılması jeotermal kaynakların kullanılabilirliğini artırır. İkincisi, jeotermal kaynağın sıcaklığı mümkün kullanılma alanını sınırlar. °C Jeotermal Akışkanın Kullanım Alanları 180 Yüksek konsantrasyon solüsyonunun buharlaşması, amonyum absorpsiyonu ile soğutma 170 Hidrojen sülfit yolu ile ağırsu eldesi, diyatomitlerin kurutulması 160 Kereste kurutulması, balık vb. yiyeceklerin kurutulması 150 Bayer’s yöntemiyle alüminyum eldesi 140 Çiftlik ürünlerinin çabuk kurutulması ( konservecilikte ) 130 Şeker endüstrisi, tuz eldesi 120 Temiz su eldesi, tuzluluk oranının artırılması 110 Çimento kurutulması 100 Organik maddeleri kurutma, ( yosun, et, sebze vb. ) yün yıkama ve kurutma 90 Balık kurutma 80 Ev ve sera ısıtma 70 Soğutma 60 Kümes ve ahır ısıtma 50 Mantar yetiştirme, balneolojik banyolar 40 Toprak ısıtma 30 Yüzme havuzları, fermantasyon, damıtma, sağlık tesisleri 20 Balık çiftlikleri, 5.3 Elektrik Üretimi Genelde elektrik üretimi, jeotermal kaynağın karakteristiğine bağlı olarak üç tip santralde yapılmaktadır. Birincisi, kuru buhar santralleri; türbini döndürmek için kuyudan üretilen kuru buhar direkt olarak kullanılır. İkincisi, flash buhar santralleri; yüksek basınçla kuyudan gelen akışkan düşük basınçlı separatörlerde su ve buhar olarak ayrılır ve ayrıştırılan buhar ile türbinin döndürülmesi sağlanır. Üçüncüsü, Binary cycle: Jeotermal akışkanın sıcaklığından faydalanılarak sudan daha az buharlaşma sıcaklığına sahip akışkan ısı değiştirgecinde buharlaştırılır ve buharlaşan bu akışkan ile türbinin döndürülmesi sağlanır. 5.4. Jeotermal Akışkanın Direkt Olarak Kullanımı Direkt kulanım yöntemi, jeotermal enerjiden faydalanmanın en eski, çok yönlü ve çok genel kullanım alanlarından biridir. Yer ve bölge ısıtmacılığı, tarımsal uygulamalar, ve endüstri uygulamaları jeotermal enerjiden faydalanmanın en çok bilinen yönüdür. Jeotermal bölge ısıtma sistemi sermaye yoğunlukludur. Ana giderler ilk yatırım giderleridir. Bunlar; üretim ve enjeksiyon kuyularının açılması, kuyu dibi ve iletim hatlarında çalışacak pompalar, borular ve dağıtım ağı, gözlem ve kontrol ekipmanları, kontrol ve dağıtım istasyonları ve depolama tankları giderleri. Jeotermal ısıtma sistemi geleneksel ısıtma sistemlerden oldukça ucuzdur. Jeotermal ısıtma ve soğutma sistemi 1980li yıllardan sonra ısı pompalarının kullanılmasıyla bir artış göstermektedir.
Jeotermal enerji çevre etkileri açısından en temiz enerji türlerinden biridir. Çünkü jeotermal santrallerde daha az karbondioksit (kömür ve petrol santralleri 1000-2000 kez daha fazla üretir) ve çok az miktarda da sülfür oksit gazı atmosfere salınır. Buhar santralleri çoğunlukla buhar emisyon eder. Binary cycle santralleri kapalı sistem olduğundan her hangi bir gaz atmosfere salınmaz. İnsanlar tarafından üretilen veya başka bir forma dönüştürülen enerjinin çevresel etkilerinin olması kaçınılmazdır. Dolayısıyla elektrik üretimi veya diğer nedenlerle kullanılan derin jeotermal suların da çevreye geniş bir oranda etkisi vardır. Bu etkiler, yüzeyde oluşan çökmelerden (tasman) jeotermal akışkanın oluşturduğu doğal güzelliklerdeki (Pamukkale Travertenleri, Türkiye) tahribatlara kadar değişebilmektedir. Bunların yanında jeotermal sıvının içerdiği bor, cıva, arsenik, kurşun, amonyak, lityum, karbondioksit, hidrojen sülfür ve tuz çevreyi olumsuz şekilde kirletmektedir. Fakat santralde kullanılan akışkanın tekrar rezervuara enjekte edilmesiyle çevreye verilen zarar minimuma indirilebilir. Jeotermal santrallerde yakıt maliyeti, pratik olarak sıfırdır. Tesis süresi, termik ve hidroelektrik santrallere göre daha kısadır. Bunların yanında, yeraltından gelen akışkanın korozif özelliği nedeniyle santralin birçok bölümünün özel alaşımlı çelikten yapılması gerekir. Ayırma ve temizleme işlemlerine rağmen, sızan ve bacadan çıkan gazlardaki kükürt gazları, havanın nemi ile birleşerek oluşan asit nitelikte bileşikler, çevredeki canlılar ve santralde kullanılan elektronik donanım için zararlıdır. Sayılan bu özellikler, jeotermal santralin kuruluş maliyetini, dolayısıyla amortisman giderlerini arttırmaktadır[4]. Dünya jeotermal kaynaklı elektrik üretim potansiyel kurulu gücü 1977 yılında 502 MW'ı ABD'nde olmak üzere 1350 MW kadardır. 1986 yılında ise kurulu güç 8228 MW'a yükselmiştir. Bu alanda dünya liderleri 1915 MW kurulu güçle Çin, 1874 MW ile ABD ve 1443 MW ile İzlanda'dır. Bu üç ülkeyi, Fransa (337 MW), Japonya (318 MW), Yeni Zelanda (264 MW), İtalya (307 MW), Arnavutluk (245 MW), Macaristan (240 MW), Rusya (210 MW) ve Türkiye (140 MW) izlemektedir. Bugün toplam 27 ülkede elektrik üreten jeotermal santraller çalışmaktadır. Özellikle İzlanda ve Yeni Zelanda'nın enerji tüketiminde (elektrik üretimi ve konut ısıtma) jeotermal enerji çok yüksek bir paya sahiptir. ABD'nin "The Geysers", İtalya'nın "Landrello", kaynakları en yüksek potansiyele sahip olanlardır. Jeotermal enerjinin elektrik üretiminde kullanılması ekonomik açıdan en önemli olan kullanılış şeklidir. Elektrik enerjisi elde edebilmek için gerekli ön araştırmaların ve tesis masraflarının çok yüksek olmasına karşın kurulduktan sonra düşük maliyetle işletilmesi çok büyük avantajdır. 1996 yılı itibariyle dünyada toplam 8600 MW gücünde jeotermal santral kurulu gücü vardır. Dünyada jeotermal enerjinin elektrik santralleri dışında kullanılmış ve 1996 yılı itibarıyla toplam 11300 MW güce ulaşmıştır. Amerika’da 1874 MW, Japonya’da 3321 MW, Çin’de 1915 MW, Macaristan 340 MW, Izlanda’da 1443 MW, Fransa’da 599 MW, Italya’da 307 MW ve Türkiye’de 635 MW düzeyindedir [15].
Karbon içeren her türlü bitkisel veya hayvansal atıklardan oluşan organik maddelere biokütle denir. Bu kaynaklar, bitkisel atıklar, hayvansal atıklar ile şehir ve endüstri atıkları olarak sınıflandırılır. Yeryüzünde doğrudan veya dolaylı olarak fotosentezin ürünü olan biokütle, yanma denilen oksijen ile tepkimesi sonucu içinde depolanmış güneş enerjisini ortaya çıkarır. Dolayısıyla her türlü biokütle yakılarak enerji elde edilebilir. Enerji üretme prensipleri termik santrallerle aynıdır. Temel fark yakıt olarak kömür yerine biokütlenin kullanılmasıdır. Biokütle enerjisinin farklı yollardan enerji sağlayabilmesi için birçok formları oluşturulmaktadır. Yenilenebilir biokütle ve biokütleden elde edilen yakıtlar çevresel fayda sağlaması sebebiyle günümüz enerji kullanımında kolaylıkla fosil yakıtların yerine geçebilecektir. Biokütle kaynaklarının sağlanması fosil kaynak sağlanmasından daha pahalıdır. Fakat biokütle yenilenebilir bir kaynak olmasıyla tükenmekte olan fosil yakıtların yanında sürdürülebilir global enerjinin önemli bir unsurudur. Buna ilaveten sera gazları emisyonu ve karbon döngüsünü azaltıp, kırsal ekonominin gelişimini desteklemektedir. Ayrıca biokütlenin gazlaştırılması ile elde edilen gaz, doğal gazın kullanıldığı yerlerde küçük modifikasyonlar yapılarak kullanılabilir ve yaygınlaştırılabilir. Bilinen bir husus da bir enerji kaynağı olarak kullanılan biokütlenin birçok dezavantajının olduğudur. Düşük enerji yoğunluğuna sahip ( yaklaşık 16-20 MJ/kg ) ham biokütle kaynakları direkt olarak yakıldığı takdirde, verim çok düşüktür ve iç-dış mekanlarda yüksek seviyede hava kirliliği oluşmasına neden olur. Sağlığa zararları açısından koku, gürültü, yanma/patlama riski, CO zehirlenmesi, akıt gaz ve gazın temizlenme prosesinden kaynaklı pis su çıkışı dezavantajlarıdır. Biokütle gazlaştırma prosesinde katı yakıt deposu, yanabilen tozlar, yakıtın kurutulması ve üretilen gaz temel risk faktörlerini oluştururlar. Renksiz ve kokusuz olan karbon monoksit gazı solunduğunda tehlikeli bir toksik etki yaratır. Daha az kullanılmasındaki en önemli faktör; petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanmasının daha zahmetli olması, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerektirmesidirYapılan araştırmalara göre, 2025 yılında dünya genelinde biokütledan sağlanacak enerji, Dünya Enerji Konseyi'nin Raporu'nda 1.339.3 Mtep ile 3.291.5 Mtep arasında bildirilmiştir. En düşük öngörüm Dünya Enerji Konseyi'ne aittir. Dünya Enerji Konseyi raporlarında 2020 yılında yeni ve yenilenebilir kaynaklarla enerji talebinin minimum % 3-4'ünün, maksimum % 8-12'sinin karşılanabileceği belirtilmektedir. Ortaya konulan senaryoya göre modern biokütle ile sağlanacak enerji jeotermal enerjinin 6.4 katı, rüzgar enerjisinin 2.6-3 katı, güneş enerjisinin 1.6-2.2 katı olabilecektir. Görüleceği gibi en büyük pay modern biokütlea ayrılmıştır. Günümüzde Avrupa Birliği kapsamında enerji tüketiminin % 2-3'ü biokütledan karşılanmakta olup, bazı AB ülkelerinde biokütleın payı % 10-16 düzeyinde bulunmaktadır. 2020 yılında modern biokütle enerji üretiminin ABD'de 235-410 Mtep, Almanya'da 11-21 Mtep, Japonya'da 9-12 Mtep olması planlanmıştır.6.1 Biokütle enerjili ısı-güç santralarıGünümüzde elektrik enerjisine katkı sağlamak için atık maddelerden faydalanılabilinir. Özellikle büyük yerleşim merkezlerinde toplanılan atıkların daha uzak bölgelere dökülmesi kısa süreli çözümlerdir. Bunları yakarak buradan açığa çıkan ısı enerjisi ile suyu buharlaştırıp türbin-jeneratör grubunun çalıştırılması ile elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Ayrıca burada atıklarda çok bol miktarda metan gazı ve açığa çıkmaktadır. Bu gazlar da ısıtma için kullanılabilmektedir. Yapılan araştırmalara göre bu yöntem, yakıttan elde edilen temel enerjinin en yüksek verim olanağını sağlayan tekniktir. 6.2. GazlaştırmaGazlaştırma biokütleden gaz yakıt elde edilen termokimyasal bir dönüşüm prosesidir. Diğer bir deyişle biokütle termokimyasal bir dönüşümle gaz yakıta dönüştürülür. Modernize edilmiş biokütle enerjisi teknolojilerinin amacı üretim ve kullanım sırasında emisyonları azaltırken yakıtın yoğunluğunu arttırmaktır. Üretilen gazın enerji içeriği içten yanmalı motorlarda, kazanlarda ve fırınlarda kullanıma uygundur. Fakat azot içeren gaz orta ve uzun taşımacılık için tavsiye edilmez. Biokütlenin gazlaştırılmasında tam kapasiteli yanmanın sağlanabilmesi için havanın yerine oksidan olarak saf oksijen veya buhar kullanıldığında yüksek enerji yoğunluğuna sahip gaz elde edilir[3].Isıl değeri düşük olmasın rağmen gaz motorları ve türbinlerinde, elektrik üretiminde veya içten yanmalı motorlarda katı biokütle gazlaştırılarak enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu metotla kullanılabilir ve modernize edilen gaz yakıtlar daha az zararlı emisyon ile geleneksel yakıtlar gibi kullanılabilir. Aşağıda üretilen biogazın ısıl değerleri ve diğer yakıtlarla karşılaştırılması verilmiştir[14]. 1 m3 Biyogazın Sağladığı Isı Miktarı (4700-5700 kcal/m3)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
