Temiz Enerji: Üretim ve depolanmada dünya devrim eşiğinde

7 Mayıs 2018

HBT’nin 17. sayısındaki ‘Yenilenebilir Enerjilerde Rekor Yıl’ başlıklı yazımızda, 2015 yılında küresel ölçekte yüz güldüren birçok gelişmeyi incelemiştik. Söz konusu gelişmeler, artan bir hızla sürmekte.

Örneğin, ABD elektrik üretimine, 2016 yılının ilk çeyreğinde, 1.291 MW gücünde temiz enerji ekledi. Bunun 707 MW’ı rüzgar, 522 MW’ı da güneş enerjisinden sağlanıyor. ABD, Paris iklim zirvesinde sera gazı üretimini 2025 yılına kadar %25 azaltmayı taahüt etmişti. Yeni bir inceleme ise, ülkenin elektrik şebekesi güncellenip yenilebilir enerji kaynaklarının elektrik üretiminin tüm ülkeye dağıtılması durumunda, elektrik enerjisi üretiminin atmosfere saldığı karbon gazlerinin 2030 yılına kadar %80 azaltılabileceğini gösteriyor (1).

Güneş hücrelerinde gelişmeler

Günümüzde güneş panellerinini üretiminde en yaygın biçimde kullanılan fotovoltaik (güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren) hücreler, bilindiği gibi silikon güneş hücreleridir. Silikon hücrelerin teorik maksimum verimleri %33.7 olup, laboratuarlarda bu verime çok yaklaşılsa bile günümüzde ticari güneş panellerinin verimi %20 yi geçmemektedir.

Öte yandan, üzerinde yoğun çalışmalar yapılan bir diğer güneş hücresi türü perovskit (perovskite) temelli güneş hücreleri. Perovskit, kurşun ya da çinko halid bazlı organik-inorganik hibrit türden bir malzeme. Konuya ilginin önemli bir nedeni perovskit’in doğada bol bulunan ve çıkartılması ucuza malolan bir mineral olması. Bir diğer neden de ve peroksit temelli güneş hücresi üretim sürecinin basitliği. Klasik bir kimya laboratuarı ortamında çeşitli sıvıların karıştırılması ile yapılıyor söz konusu üretim.

Araştırıcılar, perovskit hücrelerinin 2009'da %4 olan verimini bu yıl %22’ye kadar artırmayı başardı. Bu teknoloji böylelikle en hızla gelişen fotovoltaik teknoloji oldu (2). Halen ancak laboratuarlarda üretilebilen bu tip güneş hücrelerinin endüstriyel üretimi başarılırsa fiyatlar çok düşük düşecek.

Ama rüzgar ve güneş enerjisi sürekli değil ki !..

Yeşil enerji kaynaklarının, özellikle rüzgar ve güneş enerjilerinin üretimi ne yazık ki sürekli değil. Tüketicilere sürekli enerji sağlayabilmek için bu enerjilerin başka kaynaklarla dengelenmesi ya da bir şekilde depolanarak enerji aktarımının sürekli olmasının sağlanması gerekiyor.

Günümüzde henüz 100% temiz enerji hedefine ulaşılmadığından bu dengeleme şebekeye bağlı diğer santrallar tarafından sağlanıyor. Bunların başta geleni ve tabii en çok tercih edileni, bir temiz enerji kaynağı olan hidroelektrik santrallar. Güneş (GES) ve rüzgar (RES) enerjisi santrallarının ürettiği elektrik enerjisi yeterli olduğunda, şebekedeki hidrolik santralların üretimi durduruluyor ya da azaltılıyor, böylece onları besleyen barajların suyu azalmıyor ve enerji (suyun kitlesinin potansiyel enerjisi biçiminde) depolanmış oluyor. GES ve RES üretimleri yetersiz kaldığında ise, gereken ek enerji yeniden devreye giren hidroelektrik santrallardan alınıyor.

Örneğin, tüm elektrik enerjisinin %99’unu hidroelektrik santrallardan sağlayan Norveç, diğer ülkelere bağlı (interkonnekte) elektrik şebekesi sayesinde onların temiz enerji üretimlerini bu yöntemle dengeliyor. Başta, toplam elektrik enerjisinin %42’sini rüzgar enerjisinden sağlayan Danimarka’nın enerji üretimini. Bu arada Danimarka’nın, AB’nin, tüm üyeleri için geçerli olan, 2020 yılında en az %20 temiz enerji kullanımı direktifinin de çok ötesinde, yine 2020’de (2 yıl sonra!) yalnız rüzgardan, enerji gereksiminin %50’sini sağlama ve 2050 yılında da %100 temiz enerji kullanma hedeflerine doğru yol almakta olduğunu hatırlatalım...

Temiz enerjiyi havuzlarda depolama

Öte yandan, hedef 100% temiz enerji olduğuna göre, doğal gaz, kömür, petrol ve nükleer enerji ile çalışan santralların, birçok ülkenin halen yapmakta olduğu gibi, aşamalı olarak durdurulması gerekiyor.

Peki o zaman ne olacak? Hidroelektrik santralların kapasiteleri, diğer temiz enerji kaynaklarının ürettiği kesikli enerjiyi dengelemeye yetecek mi?

Cevap hayır! Ayrıca birçok ülkenin enerji dağıtım şebekelerinin kapsamı çok yetersiz. Bu nedenle, elektrik enerjisini şebekeden bağımsız biçimde üreten ve yakın çevresini besleyen temiz enerji sistemlerine de çok gerek var. Bu sistemler için de enerji depolama yaşamsal önemde.

Elektrik enerjisinin en yaygın kullanılan depolama biçimi akümülatörler (şarj olabilen bataryalar). Bunlar her gün kullandığımız tüm araç ve aygıtlarda bol bol mevcut ama geniş çaplı ve endüstriyel kullanımları çok daha yüksek kapasiteler gerektiriyor. Akümülatör teknolojileri gelişmelerini sürdürüyorlar, lityum-iyon polimer bataryalar en yüksek enerji yoğunluğunu sağlıyorlar ama maliyetler yüksek olmaya devam ediyor. Akülerin dolma-boşalma döngülerinin ve ömürlerinin sınırlı olması da ayrı bir sorun.

Mekanik depolama

Diğer enerji depolama yöntemlerinin başında mekanik depolama sistemleri geliyor. Bunların başta geleni, Pompalamalı Depolama (Pumped-Storage) adı verilen yöntem. Elektrik şebekesini besleyen temiz enerji üretimi tüketilen enerjiden fazla olduğunda, enerji fazlası alçak seviyede bulunan bir havuzdaki suyu yüksekteki bir diğer havuza pompalıyor.

Tersi durumda ise yüksekteki havuzdaki su, barajlarda olduğu gibi, aşağı seviyedeki havuza boşaltılarak jeneratörleri çalıştırıyor ve elektrik enerjisi üretiyor. Sistem günümüzde çok yaygın biçimde kullanılıyor ve %80 verime ulaşıyor.

Bu arada havuz denince yüzme havuzu büyüklüğünde bir rezervuar anlaşılmasın. Bazı pompalamalı depolama sistemleri (Niyagara şelalesindeki Adam Beck hidroelektrik istasyonunda olduğu gibi) devasa boyutlarda da olabiliyor ve genelde göl ya da nehirlerin yakınında, yükseklerdeki vadilerden yararlanılıyor.

Güneşi odaklayarak ısıtılan tuz eriyiğinde enerji depolama

Bu sistemler, güneş enerjisini, binlerce hareketli (güneşe dönen) ayna aracılığı ile bir kulede odaklıyor. Oluşan ısı enerjisi de, kulenin içinde bulunan sodyum ve potasyum nitrattan oluşan tuzu 500-600 derece santigrada kadar ısıtarak eriyik haline getiriyor.

Kapalı devrede dolaştırılan bu tuz eriyiği (su ısıtma yolu ile) yüksek sıcaklık ve basıçta yani yüksek verimle su buharı üretiyor. Söz konusu buhar da türbinler aracılığı ile jeneratörleri çalıştırarak elektrik üretiyor.

Sistemde tuz eriyiğinin kullanılma nedeni ise tuzun yüksek ısıl kitlesi olması yani sıcaklığını uzun süre saklaması. Santraldaki dolaşım çevriminde yüksek sığalı (kapasiteli) ve iyi yalıtılmış rezervuarlarda tutulan eriyik, 1GW-saatlik, yani 75.000 eve yetecek kadar elektrik enerjisini 10 saat süreyle üretebilecek ısı enerjisi saklayabiliyor (3). ABD ve İspanya, odaklamalı güneş enerjisi sistemlerini geliştirme ve uygulamada öncü ülkeler.

Görüldüğü gibi, uzun erimli ve gerçekçi hedefleri olan, yenilikçi ülke ve kuruluşlara temiz enerjilerin üretilmesi, aktarımı ve depolanması alanlarında büyük perspektif ve potansiyel var. Güzel ülkemizde de, gündemin ve koşulların bir gün bu konulara öncelik vermeye el vermesi umuduyla...

Erdal Musoğlu / [email protected]

Kaynaklar: