Benim güneş enerjisini kullanarak elektrik üretimi konusu ile ilgilenmeye başlamam 1980leri buluyor. O zaman güneş elektriği denince ilk akla gelen teknoloji "Yoğunlaştırılmış Güneş Termal " (YGT) idi. İngilizcesi "Concentrating Solar Thermal". Mesela, "Solar Energy Generating Systems (SEGS)" 1984 te devreye girmişti. Geçen sene İvanpah üretime başlayana kadar dünyanın en büyük güneş termal santralı bu 30 senelik ve 361-MWe etiket kapasiteli SEGS santralı idi.
SEGS parabolik güneş kollektörleri kullanıyordu
O zamanlar Fotovoltaik (Photovoltaics ya da PV) vardı ama çok pahalı idi ve maliyet yüksekliği nedeni ile yalnızca NASA nın uzaya attığı uzay araçları gibi özel durumlarda kullanılabilecek egzotik bir şey olarak görülüyordu.
O zamandan bu zamana, YGT cephesinde teknoloji çok yavaş ilerledi ama PV teknolojisi o kadar hızlı gelişti ki bugün artık güneş elektriği dendiğinde bir çok insanın aklına sadece PV geliyor. Bu gelişmenin ardında PV teknolojisi üzerine harcanan milyarlar var. PV için son 30-40 senede tüm dünyada harcanan parayı şu aşağıdaki şekilden görebilirsiniz.
YGT ye kıyasla PV maliyetleri o kadar düştü ki, 8-10 sene önce genel kanaat YGT nin geleceği olmadığı yolunda idi. Bu kanaat 2010 larda değişti ve şu anki öngörüler gelecekte hem PV ve hem YGT nin birlikte çalışacağı yönünde. Mesela International Energy Agency(IEA) gelecekte güneş enerjisi santrallerinin yaklaşık üçte ikisinin PV, üçte birinin YGT teknolojisi kullanacağını tahmin ediyor. Yine IEA tahminlerine göre, 2050 senesinde YGT santrallerinin senelik elektrik üretimi 4600 TWh ve toplam elektrik içindeki payı da 12% olacak. Aşağıdaki şekilde, ülkelere göre bu üretimin gelecek dağılımı üzerine IEA tahminleri çizilmiş. Çin ve Türkiye'nin bugünkü senelik toplam elektrik üretimlerini ben nokta olarak IEA şeklinin üzerine iliştirdim bir kıyaslama olanağı versin diye.
Uluslararası Enerji Ajansına (IEA) göre, YGT kullanımının PV ile birlikte artmasının sebebi YGT maliyetlerinin PV ile aynı olması değil. IEA ya göre, YGT birim maliyetleri bugün olduğu gibi gelecekte de PV maliyetlerinin 2.5 kat üstünde olmaya devam edecek. Aşağıdaki şekilde bu anlatılıyor.
Bu güzel bir soru. Işte MMO Ocak 2017 seminerlerinde bu sorunun cevabını verip bunun Türkiye'nin gelecek enerji stratejileri ile muhtemel ilişkilerine değinmeye çalıştım.
PV/YGT ikilemi ve gelecek teknolojiler konusuna girmeden bir parantez açalım ve bu konuların Türkiye için önemini irdelemeye çalışalım.
Türkiye elektrik üretimi tercihlerine dikkat etmek zorunda
Türkiye elektrik talebi yıldan yıla artmaya devam ediyor. MMO tarafından yayınlanan bir raporda elektrik tüketimindeki talep artışları şöyle tahmin ediliyor.
Şekilde görüldüğü gibi, 2002 yılında 132 TWh olan elektrik tüketimi 2015 yılında 264 TWh olmuş ve 2020 ye kadar 356 TWh olması bekleniyor. 2015 elektrik üretimi kurulu gücünün yaklaşık 60% ı termik (kömür ve gaz) ve 40% i hidrolik santrallermiş MMO raporundan aktardığım aşağıdaki grafiğe göre (milyon kWh denmesinin bir yazım hatası olduğunu sanıyorum, megawatts olmalı. Mesela, sevgili Oğuz Türkyılmaz'ın bir sunumunda gördüğüm rakamlara göre, Türkiye'nin 2015 kurulu gücü 73147 MW imiş. Rakamlar uyuyor.) Kurulu güç üretim oranları için sadece bir gösterge. Genellikle, hidrolik santrallerden elde edilen elektriğin toplam elektrik üretim içindeki payı, hidroliğin toplam kurulu güç içindeki payından çok daha düşük oluyor su yetmezliği dolayısı ile.
Santraller için taş kömürü ve doğal gaz ithal edildiğine göre, mevcut üretim yapısı devam ettiği sürece, elektrik üretiminin artması, dışarıdan yakıt ithalini de arttıracak haliyle. Enerji ithal girdileri aşağıdaki şekilde görüldüğü şimdiden yüksek.
Şekilde görüldüğü gibi, 2014 yılında 242 milyar dolarmış Türkiye Cumhuriyeti'nin toplam ithalatı ve bu yekünün 56 milyarı yani neredeyse dörtte biri enerji ithalatı imiş. Turkiye'nin cari açığının 2015 senesinde 32 milyar dolar civarında olduğunu hatırlarsak, enerji ithalatının cari açık üzerindeki etkisini daha iyi anlamış oluruz.
Bunlar yeni şeyler değil. Türkiye'nin enerji güvenliği ve enerjide dışa bağımlılığı başlıkları altında mevcut enerji politikalarını eleştirenler buna benzer şeyleri söylediler zaten. Ben burada şu noktaya temas etmek istiyorum.
Mevcut enerji politikalarına yöneltilen eleştirel bakışların bazıları, Türkiye'nin bir yenilenebilir enerji cenneti olduğunu ve dışa bağımlılıktan kurtulmak için yenilenebilir enerji tercihleri yapılmasını öne sürüyorlar. Argümanlar bu düzeyde kaldığı ve daha detaylanmadığı takdirde, eksik kalıyor ve ikna edici olmuyor.
Her şeyden önce Türkiye bir "yenilenebilir enerji cenneti" değil. Bir çok ülke gibi, Türkiye'nin de yenilenebilinir enerji kuvvetleri var zayıflıkları var. Bu yazının amacı Turkiye'nin yenilenebilir enerji atlası çıkarmak değil. Ancak konumuz güneş enerjisi olduğu için, Türkiye DNI ve GHI haritalarını vereyim burada. Bu terimlerin anlamlarını ve ne işe yaradıklaarını daha sonra açıklayacağım.
Benim esas belirtmek istediğim, salt yenilenebilir enerji tercihi ile enerjide dışa bağımlılığın önüne geçilemeyeceği. Yenilenebilir enerji santrallarını, yatırım harcamaları açısından kömür ve gaz santrallerinden ayıran önemli bir husus şu: kömür ve gaz santrallerinde, elektrik maliyetinin büyük bir kısmı santral hayatı boyunca elektrik üretildikçe ortaya çıkıyor yakıt alımları ile, yenilenebilir enerji santralinde ise maliyetin hemen hemen tümü daha santral 1 watt elektrik üretmeden santralın inşası için harcanıyor. Yenilenebilir enerjide santral ekipmanının maliyet içindeki rolü kömür ve gaza göre çok daha fazla. Bunu aşağıdaki şekilde özetlemeye çalıştım. Doğal gaz ve linyit için yatırım ve işletme maliyeti oranları, piyasada aktif arkadaşlarla konuşmalarım sırasında ortaya çıkan rakamlar. Daha sıhhatli bir referans veremiyeceğim.
Bunlar yeni şeyler değil. Türkiye'nin enerji güvenliği ve enerjide dışa bağımlılığı başlıkları altında mevcut enerji politikalarını eleştirenler buna benzer şeyleri söylediler zaten. Ben burada şu noktaya temas etmek istiyorum.
Mevcut enerji politikalarına yöneltilen eleştirel bakışların bazıları, Türkiye'nin bir yenilenebilir enerji cenneti olduğunu ve dışa bağımlılıktan kurtulmak için yenilenebilir enerji tercihleri yapılmasını öne sürüyorlar. Argümanlar bu düzeyde kaldığı ve daha detaylanmadığı takdirde, eksik kalıyor ve ikna edici olmuyor.
Her şeyden önce Türkiye bir "yenilenebilir enerji cenneti" değil. Bir çok ülke gibi, Türkiye'nin de yenilenebilinir enerji kuvvetleri var zayıflıkları var. Bu yazının amacı Turkiye'nin yenilenebilir enerji atlası çıkarmak değil. Ancak konumuz güneş enerjisi olduğu için, Türkiye DNI ve GHI haritalarını vereyim burada. Bu terimlerin anlamlarını ve ne işe yaradıklaarını daha sonra açıklayacağım.
Yukarıdaki DNI idi, bu da GHI:
Yenilenebilir enerji santrallerinin yatırım maliyetleri, doğal gaz ve kömüre göre çok daha fazla. Sonuçta üretilen enerjinin yıllara yayılmış birim kWh fiyatı benzer bile olsa, ilk yatırım maliyetinin yüksekliği, yenilenebilir enerji santralı yatırım finansmanını zorlaştırıyor. Eğer santral ekipmanının tamamı ithal edilirse, yenilebilir enerjiye geçmek enerjide dışa bağımlılığını arttırmayacak sadece bağımlılığı dönüştürecek. Eskiden yakıt bağımlısı iken, o zaman da teknoloji bağımlısı haline geleceğiz.
Benim bu yazıda değinmek istediğim hususlar şöyle özetlenebilir:
- Dünya yenilenebilir enerji kullanımı artarak yükseliyor
- Güneş bunun önemli bir parçası olacak
- Turkiye'nin güneş enerjisi kullanımı konusunda stratejik bir görüş oluşturması gerekiyor. Aksi halde, şu anda kömür ve gaza ödediğimiz paranın bir kaç mislini 2020 ler ve sonrasında güneş enerjisi üreten cihazları ithal için ödemek zorunda kalacağız
- Kaçan trenler
- Rüzgar santralleri donanımında treni kaçırdık. 10 sene önce olsa durum değişikti ama artık rüzgar santralleri ekipman imali konusunda dünyada bir güç olmamız zor.
- Silikon PV üretiminde de treni kaçırdık. Turkiye'nin silikon PV gibi büyük yatırım gerektiren bir konuda dünya devleri ile rekabeti bana imkansız gibi geliyor.
- Jeotermal santral makinalarında tren henüz kaçmadı ama kaçmak üzere
- Güneş termal elektrik için treni kaçırmayalım.
Benim bu konularla ilgilenmemin temel nedeni, "enerji fakirliği" ve enerji fakirliğine çare bulma gerekliliğinin ahlaki ve pratik gerekliliği.
Milyarlarca insan elektriksiz susuz yaşıyor
1.5 milyar insan elektriksiz yaşıyor. Akan susuz, soğutmasız ve ışıksız. Bu böyle süremez. Fakir milletleri dünyanın dengesini bozmadan elektriğe kavuşturmak zorundayız.
Elektriksizlik sadece ışıksızlık demek değil. Günümüzde bol enerji olmadan refah seviyemizi arttırmamızın imkanı yok. Açlığın bile üstesinden ancak daha fazla enerji ile gelinebiliyor. Mesela aşağıdaki şekil, Hindistan'in Andhra Pradesh eyaletinde son kırk senede pirinç üretiminin nasıl 2.5 misli arttığını gösteriyor.
Bu artış, 7.5 kat daha fazla enerji harcayarak mümkün olmuş. Dünyanın yoksullarına, "aman sakın daha fazla elektrik tüketme, hava kirlenir, iklim değişikliği var" falan diyemeyiz. Onlara yeni ve dünyanın dengesini bozmayan ve ucuz elektrik üretim modelleri bulmak zorundayız.
Sonuç olarak, fakir ülkeler de zenginler gibi yaşamak istiyor. Bu yüzden daha fazla elektrik tüketecekler. Bu tüketim tam olarak nasıl artacak bunu şimdiden kestirmek kolay değil çünkü nüfus projeksiyonları gibi bir çok bilinmeyeni var. Ama şu aşağıdaki gibi bir exponensiyal artış söz konusu:
Bu ilave elektrik nerden gelecek? Elektriksiz milyarlara elektrik götürürken yenilenebilir kaynaklara rağbet etmek için üç kuvvetli neden var:
- Fosil yakıtların tükenmesi
- Hava kirliliği
- İklim değişikliği
Fosil yakıtlar
Tahminler değişiyor ve bilinmeyenler fazla ama sonuç olarak fosil yakıtlar yüz sene bilemedin yüz elli sene içinde iyice tükenmeye başlayacak. En azından kömür ve petrol için bu geçerli. Doğal gaz rezervleri hakkında bir tahminde bulunmak imkansız denecek kadar zor. Şu haritayı, BP rakamlarını kullanarak çizdim. Bir misal olarak veriyorum. Farklı eğriler de çizilebilir ama sonunda kömür ve petrolun yakın zamanda tükenirliği gerçeği değişmiyor.
Hava kirliliği
Elektriği kömür yakarak elde ediince, ille de hava kirlenecek diye bir şart yok çünkü baca gazlarını temizleyerek semaya atmak mümkün. Baca temizleyicilerinin maliyete etkisi oluyor tabii ve elektrik santrallerini ilk kurmaya başlayan fakir ülkelerde maalesef ilk santraller hep ucuz kirli kömür yakarak ve iptidai (ve ucuz) teknolojiler kullanarak kurulduğundan çevre sağlığı üzerindeki etkileri felaket oluyor. Bu benim yakından tanıdığım Çin'de böyle oldu. Türkiye'de de benzer örnekleri var. Gelecekte kalkınmak isteyen ülkelerde de farklı mülahazalar devreye girmezse böyle olacak. Geri kalmış ülkeler kömür santralleri kurmaya karar verirlerse elektrik talebi az oldugu icin küçükten başlayacaklar. Ve küçük kömür santralleri maalesef en kirlileri oluyor. Çin sanayi atılımına başladığı zaman henüz ülke şebekesi yoktu ve bu yüzden her fabrika kendi elektrik ihtiyacını karşılamak için kendi santralını kurarak başladı. Bu yüzden Çin'in bir çok sanayi şehrinde hava tahammül edilemiyecek kadar kirli.
Diğer ülkelerde bu tuzağa düşmemek gerekiyor. Bu yüzden, özellikle yenilenebilir enerji maliyetleri de bu kadar düşmüşken, baştan onunla başlamak en doğrusu.
İklim Değişikliği
İklim değişikliği ve küresel ısınma üzerine çok yazıldı çizildi. Bunları burada tekrarlamak istemiyorum. Bu satırları okuyan herkesin bildiği gibi, şu anda dünya bilim çevrelerinin ezici çoğunluğunca kabul gören teoriye göre sanayii devrimi ile birlikte semaya atmaya başladığımız CO2 ve diğer sera gazlarının etkisi ile, dünya bu yüzyılda tehlikeli miktarlarda ısınacak. Aşağıdaki haritada, havadaki CO2 miktarının nasıl arttığı gösteriliyor. Sanayileşmeden önce havadaki CO2 miktarları nisbeten sabitti. 1700 lerle birlikte hızla artmaya başladı. Bu haritaya baz teşkil eden değerler Cape Grim istasyonu ölçümlerine ve Antarktika kıtasındaki Law Dome yöresinde yüzey buzunu matkapla delerek elde edilen fosil buz analizlerine dayanıyor.
Bu yukarıdaki CO2 artış haritası üzerinde herkes müttefik. Ölçümlere dayanıyor ve karşı çıkmak imkansız. İklim değişikliği konusundaki görüş ayrılıkları, bu haritanın yorumlanmasında ortaya çıkıyor. Çeşitli tahliller, modellemeler, ve yan ölçümler sonucunda bir araya getirilip bilimsel çevrelerce genel kabul gören modellere göre, dünyayı 21. yüzyıl sonunda iki farklı gelecek bekliyor. Soldaki dünya, eğer şimdiden önlem almaya başlarsak, iklim değişikliğinin nasıl köşesinden döneceğimizi gosteriyor. Sağdaki dünya,yani bir çok yerin hamam gibi olduğu dünya, eğer hiç bir önlem almadan olduğu gibi devam edersek torunlarımızı bekleyen geleceği tasvir ediyor.
Türkiye'nin yakınında bir kaç yerden örnek vereyim. Aşağıda, Arabistan ve körfez ülkelerinden çoğunun iklim değişikliği dolayısı ile nasıl yaşanmaz hale geleceği gösteriliyor. İnsan vücut sıcaklığı 36.5 derece olduğu için, havanın yaş sıcaklığı 35 dereceyi geçerse orada insan yaşayamaz. Vücut artık ısıyı terleyerek dışarı atamayacağı için, kendi sıcaklığımızda yavaş yavaş pişeriz.
Böyle bir dünyayı kimse istemiyor. Şu anda, öyle bir ihtimalin olamazlığına inanmak istiyoruz. Ancak iklim değişikliğini reddetmekle çok büyük bir risk alıyoruz.
Fosil yakıtlardan vazgeçmenin maliyeti
Bir çok insan, buna gelişmekte olan ülke kamuoyları da dahil, fosil yakıtlardan vaz geçme lüzmunu kabul ediyor ama böyle bir tercihin maliyetinden çekiniyor.
Her şeyden önce, bence bu bir maliyet değil, hayat memat meselesi. Mesela, konu hava ve iklim değil de, içtiğimiz su olsaydı, bizi hasta edeceğini bildiğimiz kirli suyu içmeye razı olmaz, maliyetini kabul ederek, temiz su isterdik.
Yenilenebilir enerji maliyetleri artık ucuzladı. En ucuz kömür santralinden belki 2 bilemedin 3 kat daha pahalı. İlk bakışta 2-3 kat az değil gibi gözüküyor ama, elektrik için ödediğimiz miktarın ancak küçük bir parçasının jenerasyon olduğunu, geri kalanın transmisyon ve dağıtım olduğunu düşünürsek, o kadar da fazla değil. Mesela, taş kömürü santrallerinde üretilen kömürün santral çıkış fiyatı 4 sent/kWh diyelim. Aynı elektriği, 6 saat depolaması da olan bir YGT(Yoğunlaştırılmış Güneş Termal) santralinde üretirseniz, santral çıkış maliyeti 10 sent/kWh olacak.
Bir ülkede üretilen toplam mal ve hizmetler toplamına kıyaslandığında, elektrik için santral çıkışında ödenen maliyeti belli bir perspektif içinde incelemek mümkün oluyor. Mesela Avustralya'da, GSMH (Gayri Safi Milli Hasıla) nın her bir doları için 0.231 kW-h saat elektrik tüketiliyormuş istatistiklere göre. Bu elektrik eğer kömür yakarak üretilirse, her bir doları kazanmak için elektrik maliyeti $0.0084 yani 0.84 sent; yok eğer yenilenebilir enerji kullanarak üretilirse $0.021 yani 2.1 sent oluyor. Buna göre, eğer Avustralya milleti eğer mevcut santralleri zaman içinde yenilenebilir enerji santralleri ile değiştirirse, 1.3% fakirleşecek. Detayları aşağıda ama, özetle Türkiye için, bu rakam 2% çünkü Türkiye ekonomisi birim değer başına daha fazla elektrik harcıyor.
Burada bir not düşelim. Bugünden yarına toptan değişim değil, zaman içinde doğal dönüşümden bahsediyoruz Aksi halde, topyekün değişim bedeli çok daha yüksek olur. İnşallah, topyekün ve kısa zamanda bütün santralleri yeniden kurmak zorunda kalmaz çocuklarımız.
Son paragrafları şöyle özetleyeceğim:
- Yenilenebilir enerjiye ani geçişin fiyatı çok yüksek olabilir
- Ama, bu geçişi zamana yayarsak, mesela sadece yeni santralleri yenilenebilir inşa ederek devam edersek, bu maliyet GSMH nin yüzde 2-3 ü olur ancak
- Bu bile yüksek bir maliyet tabii ki.
- Ekonomi ne kadar enerji yoğun ise, yenilenebilinir enerjiye geçiş maliyeti de o kadar yüksek olur.
Biraz uzun bir girizgah oldu ama bu girizgahı yapmadan güneş enerjisi teknoloji tercihlerine başlamam ikna edici olmayabilirdi.
Güneş enerjisi çok ucuzladı
İki hafta önce Bloomberg yayınladı. Artık PV elektrik fiyatı rüzgar enerjisi ile aynı maliyette. Altı sene önce, PV rüzgardan dört kat daha pahalı idi.
Maliyetler düşük, miktar olarak da güneş enerji mebzul miktarda var. Biraz dünyanın neresinde olduğumuza bağlı ama dünyanın çoğu yerinde, özellikle fakir milletlerin yaşadığı kıt'alarda güneş bol.
Avustralya, güneş enerjisi açısından, Türkiye'ye göre daha zengin. Aşağıdaki harita, Avustralya DNI (Direkt Normal Işınım) değerlerini gösteriyor (DNI nin ne demek olduğunu biraz aşağıda anlatacağım).
Türkiye ETKB 2019 Stratejik Belgesi ve 2023 2023 Ulusal Yenilenebilir Enerji Eylem Planında öngörülen kapasiteler, önümüzdeki 7 sene içinde çok büyük bir sıçrama vaad ediyor.
Ben bu stratejik planların eksik olduğuna ve içinde YGT olmayan bir güneş enerjisi stratejisinin yetersiz ve hatta Türkiye ekonomisi için sakıncalı olduğuna inanıyorum. Simdi niçin böyle düşündüğümü açıklamaya çalışacağım.
YGT Nedir?
İlkokulda yaptığımız bir deneyde, büyüteç ile güneş ışınlarını bir kağıt üzerine teksif ederek kağıdı tutuştururduk. YGT ile elektrik üretimi de aynı prensip. Mercek yerine ayna kullanıyoruz güneş ışıklarını nisbeten küçük bir alıcı üzerine yansıtmak için.
Alıcı içinden geçen bir sıvı bu sayede ısınıyor, aynı bir kömür santralindeki kazanda olduğu gibi. YGT 1980lerde başladığında, kömür santrallerindeki elektrik üretme biçimi olan buhar çevrimlerini kullanmaya başladı. Bu sayede, yeni teknoloji geliştirme gereği kalmadan süratle gelişti ilk senelerde. Fakat, buhar çevrimi tercihi YGT nin büyümesini sınırladı. Buhar santralleri büyük ölçeklerde kurulmazsa ticari olarak rantabil olmadığı için, YGT santralleri hep büyük ölçeklerde kurulmak zorunda kaldı bu yüzden de PV teknolojisinin izlediği tecrübe eğrisini yakalayamadı.
Buna rağmen, son senelerde YGT elektrik üretim maliyetlerinde kayda değer düşüşler gözlemlendi.
Santralın kurulduğu yer ne kadar bulutsuz ve güneşli ise, YGT elektriğinin birim fiyatı da o kadar düşük yukarıdaki tabloda. Bir coğrafyadaki havanın ne kadar az bulutlu ve çok güneşli olduğunu temsil eden ölçüm, Direkt Normal Işınım olarak tanımlanıyor. Aşağıdaki harita, dünya üzerindeki DNI dağılımını gösteriyor.
Bazı şeylerin daha iyi anlaşılması için, bir iki tanımlama yapmak gerekiyor. Bir bölgedeki güneş enerjisi potansiyelini betimlerken, eğer amacımız PV ise GHI (Global Horizontal Irradiance yani yatay toplam ışınım), YGT ise DNI (Direct Normal Irradiance yani direkt toplam ışınım) ölçümlerini kullanıyoruz. Yukarıda DNI haritasını verdik. Eksik kalmasın diye, GHI haritasını veriyorum aşağıda.
Yatay bir düzey üstüne düşen tüm güneş ışınları toplamına GHI diyoruz. Bu ışınların bir kısmı doğrudan güneşten, bir kısmı çevreden gelir. Mesela, puslu bir günde, etraftan yansıyarak gelen ışınlar ağır basar, açık güneşli bir günde direkt güneşten gelen ışınım.
Direkt normal ışınım ise, sadece güneşten gelen ışınların toplamını ölçer. DNI ölçerken kullanılan yüzey, her zaman güneşe dönük olarak durur, yani güneşi izler. Bu yüzden, DNI ölçümleri genel olarak GHI dan daha büyüktür.
Mesela, Şili'nin Atacama çölünde kurulan Copiapo, dünyada DNI nin en yüksek olduğu bölgelerden birinde kurulmuş. Birim maliyet biraz da onun için düşük:
YGT ucuzlamasına rağmen, hala PV den daha pahalı. Hala niçin YGT konuşuyoruz o zaman?
Niçin YGT?
Benim çalıştığım üniversite, hem PV hem YGT üzerine çalışıyor. YGT grubunu on sene önce başladığımız jeotermal santraller yolculuğunun devamı olarak ben kurdum. PV grubunun başında da, yakın zamana kadar mesai arkadaşım ve YGT/PB Hibrid Santral projesinde beraber çalıştığımız Professor Paul Meredith var. Üniversite son beş yılda PV üzerine büyük yatırım yaptı ve su anda Gatton yerleşkesinde 3.5 MW lik ve diğer yerleşkelerde 2 MW civarında PV kurulumları var ve bu kurulumlar hem elektrik üretiyor, hem araştırma amacı ile kullanılıyor.
Aşağıdaki resim, üniversite ana yerleşkesinde bir oto park binasının çatısına kurulmuş PV panellerini gösteriyor.
Aşağıdaki resimde de UQ Gatton yerleşkesindeki güneş enerjisi araştırmasına ayrılmış alanı havadan görüyorsunuz.
Bunları, körü körüne PV ye karşı YGT yi savunan biri olmadığımı, hem PV nin hem YGT nin meziyetlerine ve zaaflerine aşina biri olduğumu belirtmek için yazdım.
UQ web sayfası "http://solar.uq.edu.au/" adresinden yukarıdaki PV kurulumunun hangi gün ne kadar elektrik ürettiğini canlı olarak izleyebilirsiniz.
Mesela, 30 Aralık 2016 günü herhalde güneşli bir gündü:
Ama iki gün önce biraz bulutlu imiş ki PV üretim eğrisinde kesintiler var:
"Niçin YGT?" sorusunun cevabı bu son iki resimde gizli aslında. UQ PV üretimi gibi eğer santralın üretimi toplam şebeke kapasitesine göre nisbeten küçükse, o zaman bulutlar geçerken anlık düşüşler inişler şebeke için bir sorun yaratmaz. Ancak, güneş elektriğinin toplam şebekeye oranı 30-35% i aştığı zaman, böyle ani değişikliklerle şebeke başa çıkamayıp çökebilir. Eylül ayında Güney Avustralya'da bu olmuştu.
Elektrik üretimi bilançosu içindeki güneş ve rüzgar katkıları arttıkça, akla gelen soru, güneş ve rüzgar olmadığı zaman elektriğin nerden geleceği. PV gibi, ruzgar gibi kesintili enerji kaynaklarına dayalı elektrik katkısının, şebeke içinde 35% i geçmemesi gerekiyor. Bu sadece, gece ne olacak meselesi değil. Onun için, depolama söz konusu olabilir, elektrik depolamanın yüksek maliyetlerine rağmen. Esas mesele, güneş bir an görünüp bir an kaybolduğunda, ya da rüzgar bir esip bir esmediğinde, şebeke frekansının kontrol problemi. Şebeke frekansını sabit tutmak için dönen atalete ihtiyaç var. DC jeneratör kullanarak DC üretip onu inverter ile AC ye çevirdiğiniz zaman, frekansı kontrol edecek bir atalet söz konusu olmuyor. Güneş ve rüzgar türü kesintili yenilenebilir enerji katkısının artmasının sonuçları, 2016 Eylül ayında Güney Avustralya eyaletinde yaşandı. Bu eyalet bir kaç ay önce son kömür santralını kapatmıştı ve elektriğini rüzgar ve güneşten üretiyor, yetmeyeni de Viktorya eyaletinden ithal ediyordu. Geçen Eylül çok büyük bir fırtına oldu, şebekenin frekansı bozuldu,Viktorya transmisyon hattı yetersiz kaldı, ve bütün eyalet saatlerce elektriksizdi. Bu olayın otopsisi hala sürüyor ama yenilenebilir enerji miktarının orantısız artmasının sebeplerden biri olduğunda hemen herkes müttefik.
PV ve rüzgar kesintili olduğu için, elektrik depolamanın maliyeti çok yüksek olduğu için, bu maliyet göze alınsa bile, akülerle frekans kontrolü mümkün olmadığı için, işte bütün bu nedenlerle, son senelerde YGT tekrar gündeme geldi.
Elektriği depolama için akü kullanmak gerekiyor. Akü fiyatları, son kullanıcılar için cazip gelecek kadar ucuzladı ama şebeke çapında depolama maliyetleri hala çok yüksek ve yakın zamanda da düşeceğe benzemiyor.
Depolama maliyetleri düşse bile, akü+inverter kullanımının şebeke frekansına bir faydası yok. Çünkü, inverter zaten frekans standardını şebekeden alıyor Bu frekansı sağlayan da şebeke içindeki dönen mekanik atalet. DC+inverter kapasitesi 35% i arttı mı, bu frekansı tutturmak imkansız hale geliyor. Bu hem daha elektrik mühendislerini ilgilendiren bir konu, hem de bu konuşmanın süresi içinde tam olarak incelemem zor. Bu yüzden bazı referanslar vermekle yetineceğim. İsteyen oralardan araştırabilir.
Yenilenebilir enerji içinde, dönen atalet öngören ve bu yüzden şebeke frekansını kontrol etme meziyetine sahip tek teknoloji şu anda YGT dir. Bu yüzden YGT tekrar gündeme geldi ve PV penetrasyonu arttıkça, YGT nin önemi de artacak.
Hangi YGT?
Burada şöyle bir sorun var: Mevcut YGT teknolojisi hibrid PV+YGT kavramına uymuyor. Mevcut YGT teknolojisi ile küçük santrallerden üretilen elektrik çok pahalıya geliyor Oysa ki, PV+YGT konseptinde, en fazla 30-MW kapasiteli, tercihen daha düşük kapasiteli, YGT teknolojisine ihtiyaç var.
Mevcut YGT teknolojisi buhar çevrimine dayalı olduğu için, bu büyüklüklerde verimlilikleri çok düşük olur. Yeni teknolojiye ihtiyaç var. Ancak bu teknolojiyi yoktan var etmenin imkanı yok. Termodinamik esnek bir ilim değil. Neyi yapabileceğimiz maddenin fiziksel özellikleri ile sınırlı. YGT için sıcaklık ve kapasiteye göre, hangi çevrimlerin kullanılabileceğini aşağıdaki grafikte görebilirsiniz:
YGT santrallarında yüksek verim elde etmek için yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekiyor. Verimlilik çok önemli, özellikle ısı depolamasına dayalı bir teknoloji için çok önemli. Çevrim verimi düşükse, aynı miktar elektriği üretmek çin çok daha fazla ısı depolamak gerekiyor. Bu da depo hacmini ve maliyetleri arttırıyor. Bu yüzden sıcaklık ne kadar yüksek olursa o kadar iyi. Grafikte de gösterildiği gibi, 1-30 MW kapasitelik santrallar ve yüksek sıcaklıklar için tek teknoloji süperkritik CO2 çevrimi.
Niçin süperkritik CO2 çevrimi? Çünkü buhara nazaran daha verimli; daha ufak ve daha basit; ve daha ucuz. Bunları özetle geçeceğim. İlgilenenler için kaynakları da veriyorum.
Aşağıdaki grafikte, türbin giriş sıcaklığı 560 dereceyi geçtiği zaman, sCO2 çevriminin buhardan daha verimli olduğu görülüyor.
Süperkritik CO2 akışkanının yoğunluğu buhardan kat kat daha yüksek olduğu için, santral ekipmanı da çok daha küçük olacak. Aşağıdaki grafik, buhar türbinleri ile süperkritik CO2 türbinleri arasında bir kıyaslama sunuyor.
Süperkritik CO2 santrallerinin daha düşük maliyetli olmasının sadece bir nedeni ekipmanın daha ufak olması. Bir başka neden, süperkritik CO2 çevriminin buhar çevrimine göre çok basit olması. Aşağıda, buhar çevrimi kullanan tipik bir YGT santral şeması gösteriliyor. Bir çok türbin devreleri ve yeniden ısıtma işlemleri buhar çevrimi için zaruri ama santralın maliyetini yükseltiyor. İlaveten, türbin çıkışı atmosfer basıncının altında olduğu için, buhar santrallerinde çevrim içine hava sızmasını engellemek zor oluyor ve bu da korozyon problemleri doğurabiliyor. Bu problemlerin üstesinden gelmek için suyun kimyasını devamlı kontrol altında tutmak gerekiyor ki bu da maliyetleri ayrıca arttırıyor.
PV ve rüzgar kesintili olduğu için, elektrik depolamanın maliyeti çok yüksek olduğu için, bu maliyet göze alınsa bile, akülerle frekans kontrolü mümkün olmadığı için, işte bütün bu nedenlerle, son senelerde YGT tekrar gündeme geldi.
Elektriği depolama için akü kullanmak gerekiyor. Akü fiyatları, son kullanıcılar için cazip gelecek kadar ucuzladı ama şebeke çapında depolama maliyetleri hala çok yüksek ve yakın zamanda da düşeceğe benzemiyor.
Depolama maliyetleri düşse bile, akü+inverter kullanımının şebeke frekansına bir faydası yok. Çünkü, inverter zaten frekans standardını şebekeden alıyor Bu frekansı sağlayan da şebeke içindeki dönen mekanik atalet. DC+inverter kapasitesi 35% i arttı mı, bu frekansı tutturmak imkansız hale geliyor. Bu hem daha elektrik mühendislerini ilgilendiren bir konu, hem de bu konuşmanın süresi içinde tam olarak incelemem zor. Bu yüzden bazı referanslar vermekle yetineceğim. İsteyen oralardan araştırabilir.
- Ulbig et al (2013) https://arxiv.org/pdf/1312.6435.pdf
- https://judithcurry.com/2016/01/06/renewables-and-grid-reliability/
- Güney Avustralya'da Eylül 2016 de olan şebeke çöküşü üzerine: http://www.aemo.com.au/Media-Centre/AEMO-publishes-preliminary-recommendations-following-the-South-Australian-state-wide-power-outage
Yenilenebilir enerji içinde, dönen atalet öngören ve bu yüzden şebeke frekansını kontrol etme meziyetine sahip tek teknoloji şu anda YGT dir. Bu yüzden YGT tekrar gündeme geldi ve PV penetrasyonu arttıkça, YGT nin önemi de artacak.
Hangi YGT?
Burada şöyle bir sorun var: Mevcut YGT teknolojisi hibrid PV+YGT kavramına uymuyor. Mevcut YGT teknolojisi ile küçük santrallerden üretilen elektrik çok pahalıya geliyor Oysa ki, PV+YGT konseptinde, en fazla 30-MW kapasiteli, tercihen daha düşük kapasiteli, YGT teknolojisine ihtiyaç var.
Mevcut YGT teknolojisi buhar çevrimine dayalı olduğu için, bu büyüklüklerde verimlilikleri çok düşük olur. Yeni teknolojiye ihtiyaç var. Ancak bu teknolojiyi yoktan var etmenin imkanı yok. Termodinamik esnek bir ilim değil. Neyi yapabileceğimiz maddenin fiziksel özellikleri ile sınırlı. YGT için sıcaklık ve kapasiteye göre, hangi çevrimlerin kullanılabileceğini aşağıdaki grafikte görebilirsiniz:
Niçin süperkritik CO2 çevrimi? Çünkü buhara nazaran daha verimli; daha ufak ve daha basit; ve daha ucuz. Bunları özetle geçeceğim. İlgilenenler için kaynakları da veriyorum.
Aşağıdaki grafikte, türbin giriş sıcaklığı 560 dereceyi geçtiği zaman, sCO2 çevriminin buhardan daha verimli olduğu görülüyor.
Süperkritik CO2 akışkanının yoğunluğu buhardan kat kat daha yüksek olduğu için, santral ekipmanı da çok daha küçük olacak. Aşağıdaki grafik, buhar türbinleri ile süperkritik CO2 türbinleri arasında bir kıyaslama sunuyor.
Süperkritik CO2 santrallerinin daha düşük maliyetli olmasının sadece bir nedeni ekipmanın daha ufak olması. Bir başka neden, süperkritik CO2 çevriminin buhar çevrimine göre çok basit olması. Aşağıda, buhar çevrimi kullanan tipik bir YGT santral şeması gösteriliyor. Bir çok türbin devreleri ve yeniden ısıtma işlemleri buhar çevrimi için zaruri ama santralın maliyetini yükseltiyor. İlaveten, türbin çıkışı atmosfer basıncının altında olduğu için, buhar santrallerinde çevrim içine hava sızmasını engellemek zor oluyor ve bu da korozyon problemleri doğurabiliyor. Bu problemlerin üstesinden gelmek için suyun kimyasını devamlı kontrol altında tutmak gerekiyor ki bu da maliyetleri ayrıca arttırıyor.
Buhar santrallarının kompleks olması, buhar sıcaklık-entropi (T-s) diagramının biçiminden dolayı oluyor. Aşağıda görüldüğü gibi, eğer yeniden ısıtma olmazsa, türbin içinde buhar yoğuşup kısmen su oluyor ve bunun yarattığı erozyon türbin hayatını kısaltıp maliyetleri arttırıyor.
Eğer güç çevrimi tercihi küçük YGT santralleri kurmaya müsait olsaydı, o zaman güneş enerjisinin aynalarla toplanması da daha verimli olacaktı. Çünkü aynalarla alıcı arasındaki mesafe uzadıkça, aynanın yansıttığı ışınımın daha büyük bir kısmı hava içinde yitip gidiyor.
Aşağıdaki şekilde, aynalarla alıcı arasındaki mesafeden dolayı çıkan kayıpları, dünyanın en büyük santrallerinden biri olan Ivanpah geometrisinde izah etmeye çalıştım.
Süperkritik CO2 çevriminin YGT için avantajlarını, özellikle maliyetler üzerindeki etkisini, ABD Enerji Bakanlığınca yayınlanmış "Sunshot Vision Study" raporunda da görebilirsiniz.
Süperkritik CO2 Santralleri
Süperkritik CO2 çevrimine dayalı bir YGT santralı, buhar çevrimi teknolojisine göre çok daha basit, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi.
Kısaca sCO2 çevrimine dayalı ısı motoruna bir göz atalım. En basit haliyle, sCO2 çevrimi için bir ısıtıcı(HTR), bir türbin(EXP), atık ısı için bir soğutma kulesi (CT), ve de bir pompa/kompresör gerekiyor.
Yukarıdaki şemaya bir reküperatör eklemek gerekiyor, aksi halde ısı motoruna giren ısının çoğu soğutma kulesinden dışarı atılacak, türbinden çıkan güç de çok düşük olacak.
Reküperatör sayesinde, yüksek sıcaklıkta türbin çıkışındaki ısı kaybolmadan kompressor çıkışında geri tranfer ediliyor. Bu da çevrim verimliliğini arttırıyor.
Reküperatör tasarımı çok önemli. Basınç düşümünün az ve ısı transferinin yüksek olması gerekiyor. Şu anda bu ikileme en iyi cevap veren ürün bir Avustralya icadı olup Ingiltere'nin Heatric firmasınca imal edilen "Printed Circuit Heat Exchangers".
Daha fazla aşamalar ekleyerek verimliği biraz daha arttırmak mümkün ama o kadar detayına girmek istemiyorum şimdi ve ilave kazançlar da o kadar fazla değil. Atılan taş ürkütülen kurbağaya değmeyebilir.
Burada sunu sormak gerekiyor. Superkritik CO2 teknolojisi bu kadar iyi ise, nicin hala buhar cevrimli YGT kullaniyor herkes, sCO2 teknolojisini yarin kullanmaya baslamak icin eksik olan sey ne?
Sistemin genel olarak yeniden düşünülmesi gerekiyor ama esas eksik teknoloji türbin. Şu anda süperkritik CO2 türbini yapabilen hiç kimse yok. Dünyada bu amaca ulaşmayı isteyen benim bildiğim üç proje var:
- ABD de General Electric ve South West Research Institute
- Cin'de Bilimler Akademisi ve Xian Universitesi
- Avustralya'da "Australian Solar Thermal Research Initiative (ASTRI) denen ve aralarında benim üniversitemin de olduğu bir grup (bu grup içinde türbin projesini benim üniversitem yürütüyor)
Süperkritik türbin tasarımının bir çok zorluğu var. Bir tanesi, termodinamik özelliklerin kritik nokta etrafında çok büyük değişmeler göstermesi.
Kritik nokta civarında bu ani değişmeler, hidrodinamik tasarımı zorlaştırıyor. Bunun ötesinde, yüksek yoğunluktan ve yüksek sıcaklıklardan dolayı ortaya çıkan yatak ve seal problemleri var. Bunların detayına girmek bu yazıyı çok uzatacak.
Bizim grubumuzun amacı küçük ve orta ölçekli santraller (<30 MWe) olduğu için, radyal türbin teknolojisini seçtik. Buna ilaveten, küçük santraller için doğal konveksiyonlu kule tasarımı ile de ilgileniyoruz.
Teknik zorluklar halledilebilinirse, bu uygulamanın ticari getirisi çok büyük olabilir. Uluslararası Enerji Ajansı'nın YGT için tahminleri kullanarak, ben YGT santral ekipmanı pazarının senede 50 milyarı bulacağına inanıyorum. Mevcut YGT (yani buhar çevrimi) ile bu mümkün olmayabilir ama sCO2 teknolojisinin vaadettiği küçük modüler santraller sayesinde aşağıdaki eğriler yakalanabilir.
Bu pazar içindeki sCO2 türbin/kompresör payını da şöyle hesapladım.
Daha fazla uzatmadan burda toparlayıp bitireceğim.
Amacımız önümüzdeki üç sene içinde, yukarıda özetlenen sCO2 teknolojisini üniversitemizin Gatton yerleşkesinde hayata geçirmek:
Aşağıdaki iki şekil, bu projemizde şu ana kadarki gelişmeleri özetliyor.
- Ankara: Persembe, 5 Ocak, Saat 19:00, Makina Mühendisleri Odası, Meşrutiyet cad.No:19, Kat:5, Kızılay/Ankara
- Istanbul: Pazartesi, 9 Ocak, Saat 14:00, PERPA TİCARET MERKEZİ, A blok 13 kat Toplantı salonu, Okmeydanı /şişli/İstanbul
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder