YOĞUNLAŞTIRILMIŞ GÜNEŞ ENERJİSİ (CSP) UYGULAMALARI İÇİN BOR KATKILI ERİYİK TUZLARIN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
Fatih Selim BAYRAKTAR
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalında
YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır.
Danışman: Prof. Dr. Ramazan KÖSE Ortak Danışman: Doç. Dr. Mükerrem ŞAHİN
YOĞUNLAŞTIRILMIŞ GÜNEŞ ENERJİSİ (CSP) UYGULAMALARI İÇİN BOR KATKILI ERİYİK TUZLARIN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
Fatih Selim BAYRAKTAR
Makine Mühendisliği, Yüksek Lisans Tezi, 2020 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ramazan KÖSE Ortak Danışman: Doç. Dr. Mükerrem ŞAHİN
ÖZET
Enerji talebindeki artış ve elektrik üretimi için kullanılan fosil yakıtların rezervlerinin azalması günümüzde enerji açısından en büyük endişe kaynağıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması bu sorunların üstesinden gelmek için en iyi seçenek olarak kabul edilebilmektedir. Güneş enerjisi, elektrik ve ısı üretmek için en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Elektrik üretimi, deniz suyunu tuzdan arındırma, iklimlendirme ve sıcak su temini için güneş enerjili termal sistemler kullanılmaktadır. Güneş enerjisi sistemlerinde ısı transfer sürecinin iyileştirilmesi en önemli konulardan biridir. Bu ise kompakt tasarımlı sistemlerin daha iyi performans gösterebilmesi için gelişmiş termo-fiziksel özelliklere sahip çalışma akışkanları tasarlanarak ve üretilerek başarılabilir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) sistemlerinde en çok kullanılan akışkanlardan biri olan solar tuzun termal özelliklerini geliştirmek için yapılan bu tezde katkı malzemesi olarak amorf B2O3, camsı B2O3 ve hegzagonal bor nitrür kullanılmıştır. Solar tuz referans olarak kullanılmış ve %0,5, %1 ve %2 oranlarında katkı malzemeleri ayrı ayrı konularak erime noktası, kütle kaybı ve ısı kapasitesi analizleri yapılmıştır. En umut verici değerlere %2 hegzagonal bor nitrür içeren numunede ulaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Bor, CSP, Erime Sıcaklığı, Kütle Kaybı, Özgül Isı Kapasitesi, Solar Tuz, Termal Analiz
INVESTIGATION OF THERMAL PROPERTIES OF BORON ADDED MOLTEN SALTS FOR CONCENTRATING SOLAR POWER (CSP) APPLICATIONS
Fatih Selim BAYRAKTAR
Mechanical Engineering, M. S. Thesis, 2020 Thesis Advisor: Prof. Dr. Ramazan KÖSE Thesis Co-Advisor: Assoc. Dr. Mükerrem ŞAHİN
SUMMARY
The increase in energy demands and depletion of fossil fuel for power generation are the major concern nowadays. Utilization of renewable energy sources can be regarded as one of the best options to tackle these issues. Solar energy is one of the most important renewable energy sources to produce electricity and heat. Many solar based thermal systems are used for generating electricity, water desalination, air-conditioning, and water heating. Enhancing heat transfer process in solar energy systems is one of the most important issues. This aim may be achieved by designing and producing working fluids with enhanced thermo-physical properties to achieve a better performance of these systems with compact designs. In this thesis, amorphous B2O3, glassy B2O3 and hexagonal boron nitride were used as additives to improve the thermal properties of solar salt, one of the most commonly used fluids in concentrated solar power (CSP) systems. Solar salt was used as a reference and melting point, mass loss and heat capacity analyzes were made by adding 0,5%, 1% and 2% additives separately. The most promising values were achieved with the sample containing %2 hexagonal boron nitride.
Keywords: Boron, CSP, Mass Loss, Melting Temperature, Solar Salt, Specific Heat Capacity, Thermal Analysis
TEŞEKKÜR
Kariyerimin en önemli basamaklarından biri olan bu çalışmada yardımlarını eksik etmeyen danışmanlarım Prof. Dr. sayın Ramazan KÖSE ve Doç. Dr. sayın Mükerrem ŞAHİN’e teşekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca desteklerini her daim yanımda hissettiğim aileme, zorluklarla karşılaştığımda cesaret veren arkadaşlarıma, deneylerin yapılışı sürecinde yardımcı olan tüm laborant ve eğitimcilere, malzeme temininde yardımcı olan firmalara ve personellerine ayrı ayrı teşekkür ederim.
İÇİNDEKİLER
Sayfa ÖZET ………...………. v SUMMARY ……….……...………...……...……...…. vi ŞEKİLLER DİZİNİ ………...……… x ÇİZELGELER DİZİNİ ………...…...…… xiii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ……….………...… xv 1. GİRİŞ ………...………...…. 1 2. ENERJİ ... 42.1. Tükenir (Konvansiyonel) Enerji ... 6
2.2. Tükenmez (Yenilenebilir) Enerji ... 14
2.2.1. Rüzgâr enerjisi ... 16 2.2.2. Güneş enerjisi ... 19 2.2.3. Biyokütle enerjisi ... 22 2.2.4. Hidroelektrik enerji ... 24 2.2.5. Jeotermal enerji ... 26 2.2.6. Hidrojen enerjisi ... 30 2.2.7. Dalga enerjisi ... 32 2.3. Dünyada Enerjinin Görünümü ... 34 2.4. Türkiye’de Enerjinin Görünümü ... 36 3. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI ………...………...…..…... 39
3.1. CSP (Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi) Sistemleri ………...…. 39
3.1.1. Doğrusal odaklı CSP sistemleri ………...…. 41
3.1.2. Nokta odaklı CSP sistemleri ……….……….……... 48
3.2. HTF (Isı Taşıyıcı Akışkan) ………...….... 55
3.3. PCM (Faz Değiştiren Malzemeler) ……….……... 57
İÇİNDEKİLER (devam)
Sayfa 4. MATERYAL VE METOT ………...…………...………..…... 63 4.1. Materyal ………...………...…….... 63 4.1.1. Bor ………...…... 63 4.1.2. Kullanılan malzemeler ………...…... 80 4.1.3. Kullanılan cihazlar ………..……...… 86 4.2. Metot ……….………...……...… 87 4.2.1. Akışkan hazırlama ………..………...…. 874.2.2. TGA (Termogravimetrik analiz) yöntemi ………...…...… 89
4.2.3. DSC (Diferansiyel taramalı kalorimetre) yöntemi ………..…...…... 90
5. DENEYLER ... 92 5.1. Numunelerin Hazırlanması ... 93 5.2. Deneylerin Yapılışı ... 96 5.3. Deney Değerleri ... 97 6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ………..……...…… 108 6.1. Sonuçlar ………...……... 108 6.2. Öneriler ………...……...…... 111 KAYNAKLAR DİZİNİ ……….………..…...…... 113 EKLER
1. Amorf Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 2. Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 3. Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 4. Amorf Bor Oksit Isı Kapasitesi Karşılaştırması
5. Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması 6. Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması 7. Tüm Numunelerin Isı Kapasitesi Karşılaştırması
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
2.1. Kömür oluşum süreci ... 7
2.2. Küresel elektrik üretiminde yenilenebilir enerjinin payı ...………... 15
2.3. Rüzgâr türbini çalışma şeması ... 16
2.4. 100 metre yükseklikte rüzgâr hızı haritası ………..…………...…..… 17
2.5. Bir PV sistemin tasarımı ... 20
2.6. Türkiye’nin DNI değerleri haritası ...………..……...… 21
2.7. Hidroelektrik santralin çalışma şeması ... 25
2.8. İdeal bir jeotermal sistemin gösterimi ... 26
2.9. Türkiye'de jeotermal enerji alanları ....…………..…………....…...…..…… 29
2.10. Hidrojen üretimi için en sık kullanılan yöntemler …….………..…...… 31
2.11. Yakıt türüne göre küresel birincil enerji tüketimi oranları ………….…………... 34
2.12. Ağustos 2019 tarihinde Türkiye'nin kurulu gücü …………...………...….. 36
3.1. 2008-2018 yılları arasında CSP küresel kapasitesi ……….……....… 40
3.2. PROMETEO parabolik oluk test tesisi ....…………..………...……… 41
3.3. Parabolik oluk toplayıcılı CSP'ler için tasarım aşamasında dikkat edilmesi gereken 42
parametreler ……..…... 3.4. Parabolik oluk toplayıcılı CSP sistemleri tasarımı ……….………... 43
3.5. FRESDEMO doğrusal Fresnel yoğunlaştırıcı sistemi ………….………... 45
3.6. Doğrusal Fresnel alıcılı CSP sistemi diyagramı …………...……...…………... 46
3.7. İkizkenar yamuk şeklinde boşluk alıcılar …….……….…….……….. 46
3.8. LFR sistemlerinde birincil yansıtıcılar: a) düz yansıtıcı b) kavisli yansıtıcı ... 47
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
3.10. Isıl depolama özelliği olan eriyik tuz akışkanlı merkezi alıcılı güneş ... 50
santrali tasarımı 3.11. 17 metre çaplı nokta odaklı çanak/Stirling sistemi, Suudi Arabistan…………... 52
3.12. EuroDISH sisteminin a) görünümü, b)şematik diyagramı ….……... 54
3.13. Çeşitli tipte HTF ve TES malzemelerinin çalışma sıcaklık aralıkları ……... 56
3.14. PCM'lerin faz değişimi-sıcaklık döngüsü ….………...……... 58
3.15. Faz değiştiren malzemelerin sınıflandırılması ………...…….. 59
4.1. Bor elementinin enerji sektöründe kullanıldığı alanlar …….…………...……... 63
4.2. Bor tüketiminin nihai kullanım alanlarına göre dağılımı ………... 73
4.3. Dünya bor üretiminin üreticilere göre dağılımı ……….………...……. 74
4.4. Türkiye'deki görünür ve muhtemel bor yatakları ………..………... 79
4.5. Erime noktası için kullanılan TGA-DTA cihazı ……….……….……. 85
4.6. Isı kapasitesi ölçümü için kullanılan DSC cihazı …….……….…... 86
4.7. Kullanılan TGA cihazının bileşenleri ………..………...………... 90
5.1. Solar Tuzun ana bileşenleri: a) Potasyum Nitrat (KNO3) b) Sodyum Nitrat (NaNO3) 93 5.2. Katkı maddesi olarak kullanılan bileşenler: a) Camsı B2O3 ve Hegzagonal Bor 93
Nitrür b) Amorf B2O3 ... 5.3. Karışım hazırlama safhası ………..……….…... 94
5.4. Malzeme hazırlamada kül fırını safhası ………...……....……. 94
5.5. Karışımların havanda toz haline getirilmesi aşaması ...…...…………... 95
5.6. Deneylere hazır haldeki numuneler …….………...………... 95
5.7. Deneylerde kullanılan TGA/DTA cihazı ………..………...…... 96
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
5.9. Numune-2’nin TG / DTA analiz sonucu …….………...…... 99
5.10. Numune-3’ün TG / DTA analiz sonucu ………..………...…... 101
5.11. Numune-4’ün TG / DTA analiz sonucu ……….………...………... 101
5.12. Numune-5’in TG / DTA analiz sonucu ……….……...…....………... 102
5.13. Numune-6’nın TG / DTA analiz sonucu …….………... 103
5.14. Numune-7’nin TG / DTA analiz sonucu ………..………..…... 104
5.15. Numune-8’in TG / DTA analiz sonucu ………...……... 105
5.16. Numune-9’un TG / DTA analiz sonucu ………...………... 106
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
2.1. Rezervlerine göre kömür zengini ülkeler ………...….. 8
2.2. Rezerv miktarlarına göre petrol zengini dünyanın ilk 10 ülkesi………..………..… 10
2.3. Rezervlerine göre doğal gaz zengini ülkeler ………..………..…….… 12
2.4. Nükleer kaynaklı enerji üretim değerleri ....…………..…………...…….… 13
2.5. Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke ……..…...… 15
2.6. Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi ………... 18
2.7. Güneş enerjisinden elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi ……….... 22
2.8. Biyoyakıt üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ………...………….…..… 23
2.9. Hidroelektrik kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke ………..……....… 25
2.10. Jeotermal enerji kurulu güç bazında dünyanın ilk 10 ülkesi....……...…....…… 27
2.11. Hidrojenin fiziksel özellikleri …….………...……..…...… 30
2.12. Bölgelere göre ortalama dalga enerjisi yoğunlukları ... 33
2.13. Kaynaklara göre kurulu güç değerleri ………….…………...………... 37
2.14. Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli ... 38
3.1. Çeşitli CSP teknolojileri ... 39
3.2. Eriyik tuz karışımlarının özellikleri ... .. 60
4.1. Bor mineralinin doğadaki dağılımı …………...………...……….. 64
4.2. Bor elementinin fiziksel özellikleri …….………...………... 70
4.3. Bor elementinin kimyasal özellikleri ……….………... 71
4.4. Bor ürünleri ve kullanım alanları ………... 72
4.5. Eti Maden rezerv miktarları ….………... 77
ÇİZELGELER DİZİNİ (devam)
Çizelge Sayfa
4.7. Numunelerin kütlece karışım oranları ……….………... 80
4.8. Solar tuzun fiziksel özellikleri ... 81
4.9. Amorf ve camsı bor oksitlerin fiziksel özellikleri ….………....………..………... 82
4.10. Hegzagonal bor nitrürün fiziksel özellikleri ………...…….. 85
4.11. STA 7300 TG/DTA cihazının özellikleri ….………...………..………... 86
4.12. Hitachi DSC 7020 cihazının özellikleri ………...…….. 87
6.1. Numunelerin sıcaklık analizi .…….…...………..………... 108
6.2. Numunelerin kütle analizi ………..………...………... 109
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
Simgeler Açıklama
Aa Yoğunlaştırıcının açıklık alanı, m2
Ac Toplayıcının alanı, m2
𝐴𝐻𝑒𝑙 Heliostat alanı, m2
Ahex Isı değiştirici yüzey alanı, m2
Ar Yansıtıcının alanı, m2
Arec Alıcının alanı, m2
B2O3 Bor Oksit
C Yoğunlaştırma oranı
cp Özgül ısı kapasitesi, J/kg.K
𝐷𝑐𝑜𝑛𝑐 Çanak açıklık çapı, m DNI Direkt güneş ışınımı, kWh/m2
FR Toplayıcı uzaklaştırma faktörü
ℎ𝑟𝑎𝑑 Işınım esnasında akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m2.K ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Toplam ısı taşınım katsayısı, W/m2.K
h-BN Hegzagonal Bor Nitrür
𝐼𝑠𝑢𝑛 Ortalama güneş ışınımı, kWh/m2
𝑚̇ Kütlesel debi, kg/s
mtep Milyon ton eşdeğer petrol
𝜂𝑎𝑡𝑚 Atmosfer zayıflatması verimi (atmosfer ya da hava durumu kaynaklı ışınım absorbe etme nedeniyle) (%)
𝜂𝑏&𝑠 Engel ve gölgeleme verimi (%)
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
𝜂𝑑𝑒𝑠 Tasarım verimi (%)
𝜂𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑 Solar tarlanın verimi (%)
𝜂𝐻𝑒𝑙 Heliostat verimi (%)
𝜂𝑖𝑛𝑡 Işıma ile kaybı engelleme verimi (%)
𝜂𝑜𝑝𝑡 Optik verim (%)
𝜂𝑝𝑏 Güç blokunun verimi (%)
𝜂𝑟𝑒𝑐 Alıcının verimi (%)
𝜂𝑟𝑒𝑓𝑙 Yansıtıcı verimi (%)
𝜂𝑡ℎ Isıl verim (%)
Pel Üretilen elektrik gücü, W
𝑃𝑖𝑛𝑡 Toplayıcı açıklığında engellenen ışınım gücü, W Psolar Kullanılabilir güneş ışınımı, W
𝑃𝑡ℎ Isıl güç, W
𝑄𝑎𝑏𝑠 Absorbe edilen güneş ışınımı ısı değeri, J 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 Isıl kayıp, J
𝑄̇𝑙𝑜𝑠𝑠,𝑐𝑜𝑛𝑑 İletimle ısı kaybı, J 𝑄̇𝑙𝑜𝑠𝑠,𝑐𝑜𝑛𝑣 Taşınımla ısı kaybı, J 𝑄̇𝑙𝑜𝑠𝑠,𝑟𝑎𝑑 Işınımla ısı kaybı, J
Qnet Net ısı üretimi, J
𝑄𝑠 Kullanılabilir güneş ışınımı, J
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
Qu Faydalı enerji, J
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Toplam ısıl direnç, m2.K/W
S Absorbe edilen güneş ışınımı, kWh/m2
SM Güneş çarpanı
Sm3 Standart metreküp (15℃ ve 1,013 bar mutlak basınç şartlarında)
Ta Çevre sıcaklığı, ℃
Tfm Anlık akışkan sıcaklığı, ℃
Ti Akışkanın toplayıcıya giriş sıcaklığı, ℃ To Akışkanın toplayıcıdan çıkış sıcaklığı, ℃
Tr Anlık alıcı sıcaklığı, ℃
𝑇𝑠,𝐴𝑣𝑒 Ortalama yüzey sıcaklığı, ℃
UL Toplam ısı kayıp katsayısı, m2.K/W Wpb,des Güç blokunun tasarımsal güç çıkışı, W
Kısaltmalar Açıklama
BOREN Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü
CPC Bileşik Parabolik Yoğunlaştırıcı (Compound Parabolic Concentrator) CSP Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (Concentrated Solar Power)
DTA Diferansiyel Isıl Analiz (Differential Thermal Analysis)
DPT Devlet Planlama Teşkilatı
DSC Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (Differential Scanning Calorimetry) EİGM Enerji İşleri Genel Müdürlüğü
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Kısaltmalar Açıklama
ETKB Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı GEPA Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası
HTF Isı Transfer Akışkanı (Heat Transfer Fluid)
LFR Doğrusal Fresnel Yansıtıcı (Linear Fresnel Reflector) MTA Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü
NATO Kuzey Atlantik Anlaşması Örgütü (North Atlantic Treaty Organization) OECD Ekonomik Kalkınma ve İş Birliği Örgütü (The Organization for
Economic Co-Operation and Develeopment) ORC Organik Rankine Çevrimi (Organic Rankine Cycle) PCM Faz Değiştiren Malzeme (Phase Change Materials) PTC Parabolik Oluk Kolektör (Parabolic Trough Collector) REPA Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası
SPD Solar Parabolik Çanak (Solar Parabolic Dish) SPT Solar Güç Kulesi (Solar Power Tower) TEİAŞ Türkiye Elektrik İletim A.Ş.
TES Isıl Enerji Depolama (Thermal Energy Storage)
TGA Termogravimetrik Analiz (Thermo-Gravimetric Analysis) YEGM Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü
1. GİRİŞ
İnsanoğlu var olduğundan beri merak duygusuyla hareket etmiştir. Amerikan düşünür Emerson (1899: 152): “İnsanoğlu merak etmeyi sever ve bu da bilimin tohumudur.” der. İlk zamanlarda çevresini tanıma isteği, daha sonra ise yaşam koşullarını iyileştirme hedefi insanların merak duygusunu yönlendirmiştir. Çevresini tanıma isteği biyoloji, jeoloji, kimya, astronomi gibi bilim dallarının; yaşam koşullarını iyileştirme isteği ise teknolojinin temel itici kuvvetidir.
Doğanın kanunları sürekli işlemektedir, teknoloji ise bu kanunları kullanarak insanların gereksinimlerine çözümler bulmayı amaçlamaktadır. Taş devri ile başlayan bilginin araç gerece dönüştüğü teknoloji evrimi sırasıyla kalkolitik çağ, tunç devriyle ve en son olarak da demir çağı ile devam etmiştir.
Teknoloji, ihtiyaçlar doğrultusunda insanların taleplerini karşılamak amacıyla, araç ve sistemleri geliştirebilmek için gerekli teknik bilgilerin sistematik olarak tasarlanıp kullanılmasıdır. Teknoloji bir amaç değildir; insanların hizmetine sunulan bir araçtır. Fakat teknolojinin gelişmesi bireysel olarak insanlara kolaylık sağlamanın yanında, alışkanlıklarımıza ve beklentilerimize etki ederek, bireysel ve/veya kitlesel olarak kontrol edilebilirliği, ekonominin argümanlarını, sosyolojik ilişkileri ve bu sebeple de uluslararası alanı etkiler düzeye gelmiştir. Kısacası teknoloji ve bilgi bir güç unsuru haline gelmiştir.
Teknoloji, herkesin yaşamını direkt ya da endirekt açıdan belli seviyede etkileyerek ve gittikçe artan bir hızla ekonomik hayatın vazgeçilmez bir ögesi konumuna gelmiştir. Günümüzde uluslararası bir ekonomik mücadele ve egemenlik arayışından söz edilecek olursa, bunun içerisinde teknolojinin etkisi en önemli güç kaynağıdır. Şu günlerde uğraşlar, güçlü ve daha güçlü olmak adına sürekli üretim ve egemenlik alanı oluşturmak, tükenmekte olan kaynakları denetim altına almaktan geçmektedir.
Teknolojinin yaşamımızdaki etkileri o kadar artmış ve hızlı bir etkileşime geçmiştir ki etkileri kişiselden, şirket ve ülke boyutlarına ulaşmıştır. Son zamanlarda gözlenen gelişmelere göre teknoloji; onu elinde bulunduran ülke ya da kurumlar tarafından sosyal ve toplumsal etkileriyle, hayatımıza müdahale ederek yeniden düzenlemekte kullanılan bir araç haline gelmiştir.
Günümüzde, bilginin kuvvetlenmeyi belirlediği, bilimsel ve toplumsal Ar-Ge’ye son derece önem addeden yeni bir finansal bakış açısı egemendir. Teknolojik alanda yaşanan hızlı ve çarpıcı değişimler, finansal gelişmenin en önemli itici gücü konumuna gelmiştir. Bu sebepten
ötürü teknolojik gelişmeler ekonominin ilerlemesini, toplumsal refah seviyesinin artmasını ve tabana yayılmasını direkt etkilemektedir.
Bu kadar etkili olan ve sosyal alanımıza kadar etkileyen bu yeniden düzenleme mekanizmasının pek çok açıdan değerlendirilmesi, daha iyi anlaşılmasının yanında onun en doğru şekilde yönetilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır.
Küresel bakış açısı teknolojik imkânlarla daha rahat hareket etmektedir. Onu güç aracı olarak kullanan ülkeler için iktisadi, sosyal ve kültürel olmak üzere iletişimden, beyaz perdeye oradan ulaşıma kadar her alanda elinde onu bulunduran ülkenin amaçlarına hizmet etmektedir. Özellikle Sovyet Rusya’nın dağılmasının ardından ABD, tek kutuplu dünya modelinin devamı için uğraşırken Almanya, Fransa, Rusya ve Çin gibi gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler dış politika tercihlerini, çok kutuplu bir dünyadan yana yapmaktalar ve bu kutupların birbiri ile olan ekonomik, sosyal ve sanayi üretimlerindeki çekişmeler devam etmektedir.
Bundan dolayı teknoloji, fiziki sınırlar dışında kendi sınırlarını çizecek şekilde hareket eder. Kendine özgü yapısıyla teknoloji, fiziksel alanından farklı zihinsel bir etki ile sosyal alanda fertlerin geleceklerine şekil verebilecek bir etmen konumuna gelmiştir.
Ülkemiz, teknolojinin önemini kavramaya ve bilinçlenmeye başlayarak ne yapabileceğini araştırma ve geleceğe yönelik teknoloji tahminleri geliştirme yönünde önemli adımlar atmasına rağmen, planlama, sürekliliğinin sağlanması ve uygulanması konularında hala eksiklikler gözlenmektedir. Bundan dolayı, dünyada örnekleri olan ve kuruldukları ülkelerde kendi teknolojik altyapısını ve sanayileşmesini kurmakta merkez haline gelmiş enstitü ve teknoloji merkezlerinin örneklerine ülkemizde ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tasarımın toplumun tüm kesimleri tarafından benimsenmesiyle oluşacak çalışma enerjisi ülkemiz açısından büyük yararlar sağlayacağı beklenmektedir.
Ulusal güvenlikle ilgili tehlike ve tehditlerin arttığı bu dönemde ülkemizin milli ve yerli cihaz, ürün, teknoloji, proje gibi çıktılara ihtiyacı da artmaktadır. Araştırmacılar ve akademisyenlere bu aşamada çok önemli görevler düşmektedir. Ülkemizde bol bulunan materyaller ile katma değeri yüksek ürünlerin üretimi öncelikli hedeflerimiz olmalıdır.
Bor, toplumumuzun geniş kesimleri tarafından kabul gören ve teknolojik ilerleme arzusu ile birleşen geniş bir halk desteğine sahiptir. Devletimizin ekonomisini sağlam temeller üstüne kurma arzusu üretim, enerji ve madencilik gibi sahalarda katma değeri yüksek ürünlere ilgisini artırmıştır. Bu bağlamda bor madeninin rafine ürünlerinin üretilmesinin yanı sıra enerji gibi
gelecek vaat eden sektörlerde kullanım alanlarının artması ülkemizin ekonomisine yardımcı olacaktır.
Ülkemiz, enerji konusunda uzun dönemli stratejik planlarda dışa bağımlılığı azaltma ve yerli üretimi destekleme kararı almıştır. Bu amaçla fosil kaynakların rezerv araştırması ülkemiz toprakları ve Münhasır Ekonomik Bölgeleri’nde devam ederken yenilenebilir enerji konusunda da çeşitli atılımlar yapılmaktadır. Rüzgâr ve PV sistemleri sektör olarak hızlı büyürken jeotermal ve biyokütle konusunda da umut veren gelişmeler gözlenmektedir. Bu enerji kaynakları konusunda birçok araştırma da yapılmaktadır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde enerji kaynaklarına değinilmiştir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) sistemleri dünyada hala fazla çalışılmamış bakir alanlardan biridir. Günümüzde dünyanın ilgisini yeni yeni çekmeye başaran CSP sektörü kurulu güç bazında tabiri caizse İspanya ve ABD tekelindedir. Çin, Fas, Güney Afrika ve Şili gibi ülkeler bu sektöre ciddi yatırımlarda bulunmaktadır. Güneş enerjisi konusunda zengin olan ülkemizde CSP konusundaki çalışmaların ve bilgi birikiminin azlığı, tez konusu seçiminde etkili olmuştur. Çalışmanın üçüncü bölümünde CSP sistemleri anlatılmaktadır.
CSP sistemleri, ısı taşıyıcı akışkanlar (HTF) vasıtasıyla topladığı enerjiyi güç bloğuna aktarmaktadır. En eski HTF’lerden biri olan solar tuz düşük maliyeti ve yüksek ısıl özellikleri sebebiyle günümüzde de kullanılmaktadır. Bu akışkanın fiziksel ve ısıl özelliklerini optimize etmek adına çeşitli katkı maddeleri eklenmekte ve sonuçlar irdelenmektedir. Literatür incelendiğinde yüksek ısıl özelliklere sahip bor ve bileşenlerinin solar tuza katkı maddesi olarak katılmadığı gözlemlenmiş ve bu konuda çalışma yapılmasına karar verilmiştir. Bu amaçla çalışmanın dördüncü bölümünde anlatılan malzemeler yine bu başlıkta verilen metotlar eşliğinde hazırlanmıştır. Deneyler beşinci bölümde detaylıca açıklanmıştır. Sonuçlar ve öneriler ise çalışmanın altıncı bölümünde toplanmıştır.
Özetle, bu çalışmada geleneksel bir ısı taşıyıcı akışkan olan solar tuza bor katkısının fiziksel ve ısıl açıdan etkisi incelenerek hem ülkemizde yeterince ilgi göremeyen CSP sistemlerine literatür katkısı amaçlanmış hem de bor bileşiklerinin kullanım alanlarının arttırılması ve katma değeri yüksek bor bileşiklerinin üretimi hedeflenmiştir.
2. ENERJİ
Tarihin her döneminde insanoğlunun temel gereksinimleri arasında önemli bir konumda olan enerji; teknoloji ve bilimin artması ile insan hayatındaki konumunu daha üst seviyelere taşımaktadır. İlk insanlardan Orta Çağ’a kadar insanlar enerjiyi genellikle ısınma ve yemek pişirme amacı ile kullanmışlardır. Bu süreçte insanoğlu, enerji ihtiyaçlarını geleneksel biyokütleden karşılamıştır. Denizci milletler, İlk Çağ’da rüzgâr enerjisini tekneler için tahrik kuvveti olarak tercih etmişlerdir. Ayrıca bu dönemde Arşimet, Siraküza savunmasında düşman deniz kuvvetlerine ait gemileri odakladığı güneş enerjisi ile yakarak muhasarayı kaldırtmıştır (Aplak, 2018). Orta Çağ’da enerjinin kullanım alanları artmaya başlamıştır. Rüzgâr enerjisi ve hidrolik enerji, değirmenlerde mekanik işe dönüştürülmüştür. Petrol ve türevlerinin kullanımı başlangıçta askeri amaç taşıyordu ve ilk örnekleri şehir kuşatmalarında görülmektedir. Şehir savunucuları, petrolü kızgın halde surlardan dökerek saldıran taraflar ise mancınık topları ve okları yakarak karşı tarafa zarar vermeyi amaçlamışlardır. Cengiz Han’ın torunu olan Hulagu Han’ın mühendisleri, 1256 yılında geleneksel yöntemler ile ele geçirilemeyen Alamut Kalesi’nin altındaki mağaralardan petrol aktığını fark ettiklerinde bu galerilerdeki petrollerin ateşlenmesi ile kalenin büyük kısmının yıkılmasını ve böylelikle kolay bir biçimde ele geçirilmesini sağlamışlardır (Devrimci, 2013:403). Ayrıca sonradan keşfedilen lambalarda kullanılan petrol türevleri aydınlatmada da görev almıştır.
Bahsedilen kaynakların modern düzeyde enerji kaynağı olarak kullanılması Sanayi Devrimi ve sonrasına denk gelmektedir. Buhar makinesinin icadı ile başlayan bu devrim enerji yoğunluğu yüksek bir kaynağa ihtiyaç duymaktadır. Biyokütlenin yetersiz kaldığı anlaşıldığında yeni enerji kaynakları araştırılmaya başlanmıştır. Bu süreçte kömürün ihtiyaç duyulan enerjiyi karşılamadaki kabiliyeti, yıldızının parlamasına yol açmıştır. Buhar motorlu araçların inşası ülkelerin refah düzeyini artırmıştır. Bu motorların ulaşımda kullanımı amaçlanmış ve Stephenson tarafından lokomotif icat edilmiştir. Buhar motoru ile tahrik edilen lokomotif, büyük bir kömür deposuna ihtiyaç duyuyordu ve raylardan dolayı sınırlı bir hareketliliğe sahipti. İnsanoğlunun özgürlüğe düşkünlüğü onu yeni arayışlara sürüklemiştir. İçten yanmalı motorların icadı, demir yoluna göre daha fazla serbestlik sağlamakta olup yakıt konusunda kömüre bağlılık, araçların ebatlarının büyük olmasına neden olmaktadır. Aydınlatma amaçlı kullanılan petrol türevlerinin içten yanmalı motorlara entegre edilmesi dünyanın enerji kaynağı tüketiminde görünümünü değiştirmiştir. Fosil yakıtlar temel enerji kaynağı olmaya başlamıştır. Bu eğilim ile kömür ve petrol rezervlerine sahip olan ülkelere olan ilgi de artırmıştır. Kömür rezervleri dönemin birçok güçlü devletinde ya da sömürgelerinde bulunduğundan genelde savaşa neden olmamıştır. Ancak
kömür açısından zengin olan Alsas-Loren bölgesi Fransa ile Almanya’yı defalarca karşı karşıya getirmiştir. Petrolde durum ise oldukça farklıdır. Başta Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri’nde düşük miktarlarda üretilmeye başlanan petrolün Orta Doğu’da zengin rezervlerinin keşfedilmesi ve üretim maliyetlerinin düşüklüğü büyük devletlerin ilgisini çekmiştir (Johns, 1923). Bu süreçten sonra petrol zengini ülkeler defalarca saldırı ve işgallere maruz kalmıştır. Birinci Dünya Savaşı’nda Orta Doğu haritası değişmiş ve petrol zengini yapay ülkeler ortaya çıkmıştır.
Savaş sonrasında farklı enerji kaynağı arayışları sürmüş, jeotermal ve atom enerjisi üzerinde çalışmalar artmıştır. Jeotermal enerjinin ilkel örnekleri savaş sonrası gözlenmeye başlamış ancak istenilen verimlere ulaşılamamıştır. Atom enerjisinde ise dünya devleri büyük araştırmalara imza atmış ve hızlı bir gelişme sağlanmıştır. Her ne kadar bu ilerlemenin asıl amacı silah üretimi olsa da atom enerjisinin kontrol altına alındığında sivil kullanım için de uygun olduğu ispatlanmıştır. SSCB’de ilk ticari nükleer santralin devreye girmesini müteakip ABD, İngiltere ve Fransa bu yeni enerji kaynağını hızlıca benimsemiştir. İkinci Dünya Savaşı sonrası yıldızı oldukça parlayan nükleer enerjinin gelecek nesillerin yegâne enerji kaynağı olacağına dair görüşler ortaya atılmıştır. Kömür ve petrol gibi çevreyi kirletmeyen nükleer santraller, alternatif kaynaklara göre daha yüksek verim ve çalışma saatine sahip olması da ona olan güveni artırmaktadır. Önce Three Miles Island Kazası tedirginliğe yol açmış ardından da Çernobil Felaketi kamuoyunda nükleer enerjinin albenisini hızlıca azaltmıştır. Bu süreçte 1973’te yaşanan petrol krizi, ülkelerin petrol üreten devletlere olan güvenini azaltmış ve ülkeleri enerjide dışa bağımlılığı azaltma arayışına yöneltmiştir (Yılmaz, 2012). Kaynakların eşit olmayan dağılımı ve ülkelerin çevre bilincinin artması, temiz ve alternatif enerji kaynakları arayışlarını hızlandırmıştır. Özellikle 1980’li yıllardan sonra artan bu arayışlar hızlıca çözüme ulaşmış ve güneş, rüzgâr, modern biyokütle ve jeotermal enerji sistemleri geliştirilmeye başlanmıştır.
Günümüzde fosil yakıtlar, dünyada birincil enerji kaynağı olarak hala ilk sıradadır ve 2040’lı yıllara kadar da liderliğini sürdüreceği tahmin edilmektedir (EIA, 2017). Kömürden elektrik üretim maliyetinin düşüklüğü, petrolün ulaşımda temel enerji kaynağı oluşu ve doğal gazın ısınma ve elektrik üretiminde kullanım kolaylığı bu görünümün temel sebepleridir. Elektrik üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artışı, ulaşımda yakıtlara biyokütle katkısı ve elektrik araçların oranının artması umut verici gelişmelerdir (REN21, 2019).
Enerji, artan enerji talebi karşılamanın yanı sıra imalatta çok önemli bir etmen olup bir devletin kalkınma değerlerini ifade etmede ana göstergeler arasındadır (Koç vd., 2013). Enerjinin bu anlamda kalkınma için zorunlu bir girdi olduğu söylenebilir.
Çağın teknolojik gelişmelerinin gündelik yaşantımıza girmesi geçmiş yıllara oranla artan enerji talebinin önümüzdeki dönemlerde nasıl karşılanabileceği sorusu, devletleri güncel, yeni ve alternatifarayışlara yönlendirmiştir. Bu arayışlar ile enerji, devletler bazında hem çekişmelerin hem de iş birliklerinin ortak noktası olarak uluslararası düzeyde önem kazanmıştır. Ülkelerin pek çoğu yenilenebilir enerjinin; güneş, biyokütle, jeotermal ve rüzgâr gibi alanlarında araştırma yapmaktadır. Güneş enerjisi, sınırsız ve çevreye zararsız olması gibi özellikleriyle en ilgi çeken ve gelecek vaat eden yenilenebilir enerji dallarından biri haline gelmiştir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının bir türü olan güneş enerjisi, dünya çapında ilgi görmektedir fakat kesikli enerji üretimi uzun süredir bir engel olarak önünde durmaktadır. Isıl enerji depolama ile birleştirilmiş bir yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrali, gece-gündüz ya da havanın bulutlu olması fark etmeksizin sürekli enerji üretimine olanak sağlamakta ayrıca karbon salımının olmaması onu güvenilir bir enerji kaynağı haline getirmektedir.
Dünya enerji talebinin artmasına bağlı olarak artan karbon dioksit salımlarına endüstriyel uygulamalarda enerji verimliliğinin yaygınlaştırılması (ısı geri kazanımı gibi) ya da güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının teşvik edilmesiyle çözüm getirilmesi olasıdır. Bu doğal kaynakları maliyetlerini düşürerek daha rekabetçi hale getirmek hedeflenmelidir.
Tezin temel ilgi alanlarından güneş enerjisinden bahsetmeden önce enerji kaynakları ve çeşitleri hakkında bilgi sunma gereği duyulmuştur. Enerji kaynakları günümüzde tükenir (konvansiyonel, geleneksel, fosil) ve tükenmez (yenilenebilir, temiz) olarak iki ana grupta incelenmektedir:
2.1. Tükenir (Konvansiyonel) Enerji
Dünyada günümüzde en çok tercih edilen enerji türü, yenilenemeyen enerji de denilen fosil yakıtlardan oluşmaktadır. Buna rağmen bu kaynakların yeniden oluşmaları için milyonlarca yılın geçmesi zorunluluğu nedeniyle hemen tüketilmesi mümkün olmamaktadır. Bu kaynaklar özellikle sınırlı kaynaklar olduğu, yoğun olarak bulundukları ülkeler için de stratejik önem arz ettiğinden dolayı bu ülkeler üretim ve tüketimleri konusunda çeşitli düzenlemelere gitmektedir.
Fosil yakıtlar, özellikle kış mevsiminde hava kirliliğine sebep olduğundan insan sağlığını olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca termik santrallerde yakılan fosil kaynaklar atmosfere karışarak asit yağmurları şeklinde doğaya ve dolaylı olarak insan sağlığına zarar vermektedir.
BP’nin Dünya Enerji İstatistikleri Raporuna (2019) göre günümüzdeki tüketim değerleri göz önüne alındığında ve yeni rezervlerin tespit edilememesi durumunda yaklaşık olarak kömür
200 yıl, petrol 53 yıl ve doğal gaz 51 yıl sonra tükenecektir. Bu senaryo ülkelerin tüketim değerleri, rezerv araştırmaları gibi konuları ihmal ettiği için yeterince güvenilir değildir. Ülkelerin çevre duyarlılığı, enerji verimliliği gibi konularda eğilmesi ile fosil yakıt tüketiminin azalması beklenirken gelişmekte olan ülkelerin acil ve güvenilir enerji için ise ilk tercihlerinin fosil yakıtlar olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca Kuzey Buz Denizi ve Doğu Akdeniz Havzası’nda yoğunlaşan hidrokarbon yatağı arayışlarının rezervleri artırması kuvvetle muhtemeldir. Bu gibi sebepler rezervlerin tükenme tarihlerini tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır.
Kömür: Kömür, organik formda, yanabilen ve kayaç formunda bir kaya çeşididir. Esas olarak
C, H ve O elementlerinden meydana gelen kömür madeni, yer altında diğer katmanlar arasında tabakalaşması oldukça uzun süreler boyunca mikrobiyolojik etkiler, basınç ve ısı gibi etmenlerin müdahalesiyle meydana gelmektedir. Şekil 2.1.’de kömürün oluştuğu süreç görsel hale getirilmiştir.Şekil 2.1. Kömür oluşum süreci (Eskin, 2018).
Bataklık alanlarında ömrü dolan bitkilerin birikmesi ve biriken bu organik yapıların tabakalaşması sonucu kömür oluşmaktadır. Birikim miktarlarının artması ve jeolojik hareketler bu tabakaların gezegenimizin daha derin tabakalarına doğru gömülmesini sağlamaktadır. Derine inildikçe daha da artan basınç ve ısı değerleri sonucu bu organik yapılar çeşitli kimyasal ve fiziksel etkileşimlere uğrayarak kömürleşme aşamalarına geçmektedir. Milyonlarca yıl süren bu proses sonucunda oluşan kömürler organik olgunluklarına göre Linyit, Alt bitümlü kömür, Bitümlü kömür ve Antrasit olarak sınıflandırılmaktadır. Linyit ve kısmen Alt Bitümlü kömürler
genellikle yumuşak, kırılgan ve mat görünümlüdür. Bu kömür çeşitlerinin temel niteliği fazla nemli olmaları ve karbon oranlarının düşük olmasıdır. Antrasit ve Bitümlü kömürler ise genellikle sert ve parlak görünümdedir. Nispeten nem değerleri az, karbon oranları ise fazladır. Kömürlerin yaşları jeolojik olarak bakıldığında 15 ile 400 milyon yıl arasında değişmektedir. Yıl değerleri yüksek olan kömürler daha kaliteli olarak kabul edilmektedir (Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı [ETKB], 2019a).
Linyit, ısıl değeri düşük, kül oranı ve nem değeri yüksek olduğu için bilhassa termik santrallerde yakıt olarak değerlendirilen bir kömür türüdür. Yeryüzünde bol miktarda bulunması sebebiyle dezavantajlarına rağmen tercih edilen ve sıklıkla kullanılan bir enerji hammaddesidir. Taşkömürü ise yüksek kalorili kömürler grubunda bulunmaktadır.
Çizelge 2.1. Rezervlerine göre kömür zengini ülkeler (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı
(milyar ton) Rezerv Oranı (%) 1 ABD 250,2 23,7 2 Rusya Federasyonu 160,4 15,2 3 Avustralya 147,4 14 4 Çin 138,8 13,2 5 Hindistan 101,4 9,6 6 Endonezya 37 3,5 7 Almanya 36,1 3,4 8 Ukrayna 34,4 3,3 9 Polonya 26,5 2,5 10 Kazakistan 25,6 2,4 11 Türkiye 11,5 1,1 Diğer 85,5 8,1 Toplam: 1.054,8 100
Dünya kanıtlanmış işlenebilir kömür rezervi toplam 1.054,8 milyar ton düzeyindedir. Bu rezervin; 734,9 milyar tonu antrasit ve bitümlü kömür, 319,9 milyar tonu alt bitümlü kömür ve linyit kategorisindedir. Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin rezerv miktarı Çizelge 2.1.’de verilmiştir. Kömür üretimi açısından Çin %46 ile ilk sıradadır. Çin’i %9,3 ile ABD ve %8,3 ile Endonezya takip etmektedir. Üretimin %72,8’ini Asya-Pasifik gerçekleştirirken
Kuzey Amerika %10,2 ile onu takip etmektedir. Kömür tüketimi incelendiğinde dünya tüketiminin %50,5 ‘ini Çin, %12’sini Hindistan ve %8,4’ünü ABD gerçekleştirmektedir. Bölgesel görünüm incelendiğinde ise Asya Pasifik ezici bir çoğunlukla toplam tüketimin %75,3’ünü gerçekleştirirken en yakın bölge %9,1 ile Kuzey Amerika olmuştur (BP, 2019).
MTA’nın koordinatörlüğünde çeşitli kamu kurumlarının özellikle son dönemde ortaklaşa gerçekleştirdiği ciddi kömür arama tarama çalışmaları nihayetinde Türkiye’nin linyit rezervinde önemli ölçüde artış olmuştur. Bunun yanında bahse konu rezervlerin uluslararası standartlar gözetilerek sınıflandırılması ve ekonomik rezervlerin tespiti sürecindeki çalışmalar devam etmektedir. Türkiye, rezerv ve üretim miktarları bakımından linyitte dünya standartlarında orta seviyede, taşkömüründe ise alt seviyelerdedir. Dünyadaki toplam linyit/alt bitümlü kömür rezervinin yaklaşık %3,2'sinin Türkiye’de bulunmasına rağmen sahip olduğumuz linyitlerin çoğunluğunun ısıl değeri düşük olduğundan termik santraller dışında kullanımı mümkün olmamaktadır. Ülkemiz linyit rezervinin yaklaşık yarısı Afşin-Elbistan yataklarında yer almaktadır. Taşkömürünün ülkemizde en çok bulunduğu bölge ise Zonguldak ve civarıdır. Zonguldak Havzası'ndaki toplam taşkömürü rezervi 1,30 milyar ton olmasına rağmen görünür rezerv ise 506 milyon ton civarındadır (ETKB, 2019b).
Petrol : Petrol, gündelik hayatımızın vazgeçilmez enerji kaynaklarından biridir. Petrol Latince’de
bulunan petra ve oleum kelimelerinin birleştirilmesi ile oluşmuştur. Petra kaya manasına gelirken oleum ise yağ anlamındadır. Türkçe karşılığı olarak taş yağı veya kaya yağı olarak ifade edilmektedir. Çoğunlukla karbon ve hidrojenden oluşan petrol; neredeyse eser miktarlarda oksijen, kükürt ve azot ihtiva etmektedir. Maddenin 3 halinde de bulunabilmektedir. Gaz formunda bulunan petrol, üretilen petrol türevi gazdan ayırt etmek amacıyla genelde doğal gaz olarak isimlendirilmektedir. Doğal gaz ve ham petrolün asıl yapıları hidrojen ve karbon olduğu için bu yakıtlar ''Hidrokarbon” olarak da adlandırılmaktadır.Enerji ana başlığında aktarıldığı gibi, türevleri her ne kadar ilk çağlardan beri bilinse de petrolün sektör ve sanayi kolu olarak doğuşu aydınlatmada kullanmak için gazyağı üretimi ile başlamıştır. Kanadalı bilim insanı Abraham Gesner’in 1800’lü yılların sonlarında yeraltından hareket ederek yüzeyde çıkış alanı bulan ham petrolden gazyağı üreterek insanların aydınlanma gereksinimlerini düşük maliyetli ve daimî şekilde çözmüş ve bunu takiben petrol endüstrisinin meydana gelmesine ön ayak olmuştur (Eskin, 2018). Özellikle 1860-1885 yılları arasında aydınlatma amaçlı gazyağının yoğun kullanımına ithafen gazyağı üretimi dönemi olarak adlandırılmıştır. 1900 yılına kadar konutlarda ve işyerlerinde petrol, bitkisel yağların yerine
geçmiştir. Ayrıca 1900-1914 yılları arasında sanayi ve ulaşımda kullanımının artmasıyla yakıt sektöründe benzin önemli bir konuma gelmiştir.
Petrolün yakıt ve ham madde olarak kullanımının yaygınlaşmasını müteakiben 20. yüzyılın başından itibaren bu önemli maddenin bulunduğu bölgeler güçlü devletler arasında hakimiyet savaşlarına yol açmıştır (Kocaoğlu, 1996: 89). Petrolün bu hızlı yükselişi, yeni tüketim alanlarının oluşmasına yol açmıştır. Tüketimin hızlı artışı ile yüzeye sızan petrolün toplanması ihtiyacı karşılamaya yetmemeye başlamış ve bu devir, yerini ciddi şekilde arama tarama faaliyetleri ve petrol çıkarma tekniklerine bırakmıştır. Yeni dönem ve anlayış kapsamında petrol sahaları için arama ve imtiyaz hakları oluşturulması ile ham petrol endüstrisi devasa bir sektör haline gelmiştir (Uluğbay, 2003: 467).
Çizelge 2.2. Rezerv miktarlarına göre petrol zengini dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı
(milyar ton) Rezerv Oranı (%) 1 Venezuela 48 19,7 2 S. Arabistan 40,9 16,8 3 Kanada 27 11,1 4 İran 21,4 8,8 5 Irak 19,9 8,2 6 Rusya Federasyonu 14,6 6 7 Kuveyt 14 5,7 8 B.A.E. 13 5,3 9 ABD 7,3 3 10 Libya 6,3 2,6 50 Türkiye 0,5 0,2 Diğer 30,7 12,6 Toplam: 244,1 100
2018 yılı dünya ispatlanmış petrol rezervi 244,1 milyar varil olarak tespit edilmiştir. Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve ülkemizin rezerv miktarı Çizelge 2.2.’de verilmiştir. Petrol rezervinin113,2 milyar varili (%48,3) Orta Doğu ülkelerinde, 51,1 milyar varili (%18,8) Güney ve Orta Amerika ülkelerinde, 35,4 milyar varili Kuzey Amerika ülkelerinde (%13,7) bulunmaktadır. En önemli birincil enerji kaynaklarından birisi olan ham petrol, 2018 yılında
enerji talebinin %33,6’sını tek başına karşılayabilmiştir. Petrol üretimi incelendiğinde ABD %15 ile lider konumda iken Suudi Arabistan %12,9 ve Rusya %12,6 ile onu takip etmektedir. Petrol tüketimine bakıldığında ise dünyadaki tüketimin %19,7’sini ABD, %13,8’ini Çin ve %5,1’ini Hindistan gerçekleştirmektedir. Bölgesel bazda bakıldığında Asya-Pasifik %36,4’ü, Kuzey Amerika ise %23,9’u tüketmektedir (BP, 2019).
Petrol ve doğal gaz gibi hidrokarbon yataklarının çoğunluğu ülkemize komşu ya da yakın coğrafyalarda bulunmaktadır. Ülkemiz, jeopolitik ve coğrafik pozisyonundan dolayı dünyadaki hidrokarbon rezervlerinin ¾’üne sahip ülkelerle sınırdaş konumda olmasının yanında üretici ülkeler ile tüketici ülkeler arasında adeta köprü konumundadır. Bu konumu iyi değerlendirmek amacıyla pek çok projenin içinde bulunan Türkiye enerji konusunda merkez haline gelme çabası içindedir (ETKB, 2019c).
Doğal Gaz: Doğal gaz, havadan hafif, renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gazdır. Büyük oranlarda
metan (CH4) ve nispeten daha az oranda etan (C2H6) olmak üzere birçok hidrokarbonlardan müteşekkildir. Oluşum süreci petrol ile benzerlik gösterdiği için petrolle birlikte bulunma olasılığı yüksektir. Ayrıca tek başına da rezervuarlarda bulunabilmektedir. Yer altından çıkarıldıktan sonra saflaştırmaya tabi tutulmadan da tüketilebilen doğal gaz çeşitli yöntemlerle nakledilmektedir. Boru hatları ile karadan ve sıvılaştırmayı takiben denizden tankerlerle taşınması en çok tercih edilen yöntemlerdir.Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin doğal gaz rezervi Çizelge 2.3.’te verilmiştir. Toplam 196,9 trilyon m3 doğal gaz rezervlerinin 75,5 trilyon metreküpü (%38,3) Orta Doğu ülkelerinde, 66,7 trilyon metreküpü (%33,9) Avrupa ve Avrasya ülkelerinde, 32,5 trilyon metreküpü (%16,5) Afrika/Asya Pasifik ülkelerinde bulunmaktadır. Doğal gaz üretimi sıralamasında ilk üç ABD (%21,5), Rusya Federasyonu (%17,3) ve İran (%6,2) olarak sıralanmaktadır. Tüketim analiz edildiğinde ise dünyadaki tüketimin %21,2’sini ABD, %11,8’ini Rusya Federasyonu, %7,4’ünü Çin gerçekleştirmektedir. Bölgeler incelendiğinde ise Kuzey Amerika %26,6 oranında Asya-Pasifik %21,4 oranında tüketimde pay almaktadır (BP, 2019).
2017 yılında Türkiye’nin doğal gaz tüketimi 53,5 milyar m³ olarak gerçekleşmiştir. Ülkemizin doğal gaz denklemleri göz önüne alındığında ihtiyacı karşılama noktasında sıkıntı görülmemektedir. Fakat özellikle kış döneminde ihtiyacın yüksek olduğu zaman dilimlerinde üretici ülkelerde ya da doğal gaz ticareti rotalarında meydana gelen sıkıntılar bazen talebi karşılamada yetersizliğe sebep olmaktadır. Bu sıkıntıları minimize etme adına düzenlemeler gerçekleştirilmektedir (ETKB, 2019d).
Çizelge 2.3. Rezervlerine göre doğal gaz zengini ülkeler (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı (trilyon Sm3) Rezerv Oranı (%) 1 Rusya Federasyonu 38,9 19,8 2 İran 31,9 16,2 3 Katar 24,7 12,5 4 Türkmenistan 19,5 9,9 5 ABD 11,9 6 6 Venezuela 6,3 3,2 7 Çin 6,1 3,1 8 B.A.E. 5,9 3 9 S. Arabistan 5,9 3 10 Nijerya 5,3 2,7 80 Türkiye 0,005 0,01 Diğer 40,6 20,6 Toplam: 196,9 100
Atom (Nükleer) Enerjisi:
Maddenin en küçük temel birimi olan atomların bölünme ya da birleşmesi ile meydana gelen reaksiyonlar neticesinde ortaya çıkan enerji çeşidine atom enerjisi denmektedir. Bölünme ile gerçekleşen nükleer reaksiyonda kütle numarası büyük ve kararsız durumdaki atom çekirdeklerine nötron fırlatılması ile bu büyük çekirdek parçalanmaya başlamaktadır ve bu duruma “fisyon” adı verilmektedir. Birleşmede ise kütle numarası küçük ve hafif olarak nitelendirilen atomların belli koşullar altında bir araya gelerek daha ağır atomlar oluşmaktadır ve bu olaya da “füzyon” adı verilmektedir.Evrendeki her madde, her oluşum atomlardan yani merkezde çekirdek ve etrafında belli yörüngede hareket eden elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdeğin muhtevası her daim aynıdır: + yüklü protonlar ve yüksüz nötronları içermektedir. Örnek olarak atom santrallerinde yakıt olarak kullanılan uranyum (U-235) atomu çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron bulundurmaktadır. Bu ağır atom parçalandığında ise çekirdekte proton ve nötronları bir arada tutan bağ enerjisinin bir bölümü enerjiye dönüşmektedir ki fisyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan nükleer enerji bu bağ enerjisinden meydana gelmektedir. Uranyum 235’in kararsız ve büyük çekirdeği enerjisi düşürülerek yavaşlatılmış bir nötronun çarpmasına maruz kaldığında çekirdeği bir arada tutan bağ enerjileri dengesizleşir ve çekirdek parçalanması gerçekleşir. Bu
olayda 2 ya da 3 yeni nötron oluşur. Yeni çıkan nötronlar diğer uranyum atomlarına çarparak parçalanma sürecini devam ettirir. Bu sürece birbirini takip eden parçalanmalara ithafen zincirleme reaksiyon adı verilir. Reaktörlerde zincirleme reaksiyon bazı mekanizmalar yardımıyla sürekli denetim altında tutulur. Bağ enerjisi, çarpışmalar neticesinde oluşan parçacıklar ve nötronlara aktarılmaktadır. Bu taneciklerin enerjisi de reaktörde bulunan soğutucu akışkana aktarılır ve akışkanın enerji kazanması sağlanır. Isı ve sıcaklığı artan akışkan buharlaşır ve daha sonra klasik türbin-jeneratör çevrimi ile elektrik enerjisi elde edilir (Özemre vd., 2000: 5).
Çizelge 2.4. Nükleer kaynaklı enerji üretim değerleri (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep) Üretimdeki Payı (%)
1 ABD 192,2 31,4 2 Fransa 93,5 15,3 3 Çin 66,6 10,9 4 Rusya Federasyonu 46,3 7,6 5 Güney Kore 30,2 4,9 6 Kanada 22,6 3,7 7 Ukrayna 19,1 3,1 8 Almanya 17,2 2,8 9 İsveç 15,5 2,5 10 Birleşik Krallık 14,7 2,4 - Türkiye - - Diğer 94,1 15,4 Toplam: 611,3 100
Nükleer enerji ile tanışma 1789 yılında uranyumun keşfi, 1934 yılında atom çekirdeğinin parçalanması ile gerçekleşmiştir. Bu süreçte bilim adamları, iş adamları ve siyasiler nükleer teknolojideki gelişmeleri yakından takip etmiştir. Bu teknolojik adım da diğerleri gibi önce askeri amaçlarla geliştirilmiş daha sonra sivil ve ticari sistemler açısından değerlendirilmiştir. Özellikle 1970’lerin başındaki petrol krizi nükleer santrallerin daha çok tercih edilmesinin yolunu açmıştır. Doğal gaz ve petrol gibi hidrokarbon kaynakları yönünden fakir ülkeler bu kaynaklar sebebiyle dışa bağımlılığı azaltma ve enerji güvenliğini sağlama adına nükleer yakıtlı tasarımlara başvurmuştur. Bu nükleerleşme sürecinde önce 1979 yılında Three Mile Island (ABD) kazası ardından da 1986 yılında Çernobil (SSCB) kazası nükleer konusunda kamuoyunda ciddi bir
olumsuz bakış açısı ve antipati meydana getirmiştir. Bu kazalardan sonra santral yapım süreci yavaşlasa da küresel bazda santral kurulumları devam etmiştir.
Bu ciddi kazaların ardından “nükleer güvenlik kültürü” ifadesi geliştirilmiştir. Küresel çapta nükleer santrallerin kurulumu ve işletilmesi açısından güvenlik kodları geliştirilmiş ve hem yönetim hem de işletilme konusunda ciddi çalışmalar yapılmıştır. Bu düzenlemelerin yapılmasının yanında denetim süreci de geliştirilmiştir. Santral yapımında kullanılan malzemeler ve sistemlerin imalinde yüksek standartlar belirlenmiş ve kalite normları ortaya konulmuştur.
2018 yılının Temmuz ayı itibariyle, 31 ülkede 453 adet nükleer reaktör işletmede, 17 ülkede 57 adet nükleer reaktörde inşa durumundadır. Küresel elektrik tüketiminde nükleer enerji santralleri ihtiyacın yaklaşık %11’ini karşılamıştır. Fransa elektrik ihtiyacının %72’sini, Ukrayna %55’ini, Belçika %50’sini, İsveç %40’ını, Güney Kore %27’sini, Avrupa Birliği %30 ve ABD %20’sini nükleer enerji santrallerinden temin etmiştir. Nükleer enerji kaynaklı enerji üretim değerleri baz alındığında dünyanın ilk 10 ülkesi toplam üretimin yaklaşık %85’ine sahiptir (ETKB, 2019e). Çizelge 2.4. üretim açısından dünyanın ilk 10 ülkesini açıklamaktadır.
2.2. Tükenmez (Yenilenebilir) Enerji
Fosil yakıtlar, geçmişten günümüze kadar olan süreçte çok önemli bir yere sahip olmalarının yanı sıra bu kaynakların sınırlı kaynaklar olmaları sebebiyle hızla tükenmekte olduğu gerçeği göz önüne alındığında, çevreye duyarlılığı fosil kaynaklardan daha yüksek olan yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi ve talep artmıştır. Doğanın sahip olduğu enerji, gerekli teknik işlemler vasıtasıyla yenilenebilir enerji üretiminde enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerji ile doğal kaynaklar; ısıya, elektriğe veya yakıta dönüştürülür. Temiz ve tükenmez enerji kaynakları; güneş, biyokütle, rüzgâr, jeotermal ve hidroelektrik enerjidir. Bu enerji kaynaklarının en büyük artıları karbondioksit salımlarının az olması ve çevrenin zarar görmesinin engellenmesidir.
Şekil 2.2. Küresel elektrik üretiminde yenilenebilir enerjinin payı (REN21, 2019).
Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN 21) Küresel Enerji Raporu’na göre elektrik üretiminde %73,8 oranında fosil kaynaklar, %26,2 oranında yenilenebilir enerji kaynakları kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerjide kaynak türlerinin üretimdeki oranları Şekil 2.2.’de verilmektedir.
Çizelge 2.5. Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep)* Üretimdeki Payı
(%) 1 Çin 143,5 25,6 2 ABD 103,8 18,5 3 Almanya 47,3 8,4 4 Hindistan 27,5 4,9 5 Japonya 25,4 4,5 6 Birleşik Krallık 23,9 4,3 7 Brezilya 23,6 4,2 8 İspanya 16 2,9 9 İtalya 14,9 2,7 10 Fransa 10,6 1,9 12 Türkiye 8,5 1,5 Diğer 115,5 20,6 Toplam: 561,3 100
* Tüketim değerleri rüzgâr, jeotermal, güneş, biyokütle ve atık kaynakları ile yapılan üretime göre düzenlenmiştir. Hidroelektrik dahil değildir.
73,8% 15,8% 5,5% 2,4% 2,2% 0,4% 26,2%
Tükenir (Fosil) Enerji Hidroelektrik Rüzgar PV Biyokütle
Ülkeler, enerji ihtiyacını yenilenebilir enerjiden karşılayarak, fosil yakıtlara dayanan ithalat bağımlılığını azaltacak ve enerji üretimini sürdürülebilir kılacaktır. Ayrıca yenilenebilir enerji endüstrisi, teknolojik yenilikleri ve dünya çapında istihdamı canlandırma açısından da önemlidir (Avrupa Birliği [AB], 2000:53).
Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretimi dünyada incelendiğinde Çin’in toplam üretimdeki payı %25’i geçmektedir. Uzun süre liderliği elinde bulunduran ABD %18,5 ile ikinci sıradadır. Üçüncü sırada ise bir başka yenilenebilir enerji devi Almanya %8,4 ile yer almaktadır. Yenilenebilir enerjiye dayanan enerji üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin durumu Çizelge 2.5.’te verilmiştir.
2.2.1. Rüzgâr enerjisi
Bugün sıkça görmeye başladığımız rüzgâr türbinleri ya da birden çok türbinin bir arada olduğu rüzgâr enerjisi santralleri (RES) son 15-20 yılda gelişmiş olsa da rüzgârın enerjisinden yararlanma fikri oldukça eskidir. Yelkenli gemilerden çamaşırların kurutulmasına, yel değirmenlerinden su pompalama sistemlerine kadar birçok yerde rüzgâr enerjisinden yararlanılmıştır (Gürbüz, 2010).
Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden olan rüzgâr enerjisi; güneş kaynaklıdır, temiz ve tükenmez özelliklere sahiptir. Güneşten gelen ışınlarının yeryüzüne düşme açılarının farklı olması nedeniyle ortaya çıkan sıcaklık farkından kaynağını alan rüzgâr, sıcaklık farklarından kaynaklanan hava hareketleri ile oluşmaktadır. Isınan hava genleşerek yükselir. Nispeten sıcaklığı düşük olan hava katmanı ise yüksek yoğunluğa sahip olmasından ötürü yeryüzüne doğru hareketlenir. Hava katmanlarının bu devinimleri de rüzgârı meydana getirir. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin çok az bir kısmı rüzgâr enerjisine çevrilmektedir. Havanın çabuk hareket etmesi ve bulunduğu ortamın tamamını kaplaması neticesiyle hızlı bir şekilde yer değiştirmesiyle kinetik enerjiye dönüşür. Bu enerjiyi elektrik üretme amaçlı kullanan sistemler de rüzgâr türbini olarak isimlendirilmektedir. Şekil 2.3.’te bir rüzgâr türbinin çalışma prensibi gösterilmektedir. Rüzgâr türbinlerinin oluşturduğu elektrik üretim tesisine de rüzgâr santrali adı verilmektedir. Bu santral çeşidiile havanın kinetik enerjisi, pervaneleri döndürerek bir jeneratör ile hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Yani bu sistemlerde hava kütlelerinin hareketi ortaya çıkan kinetik enerji ilk olarak mekanik enerjiye ardından da elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. (Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü [YEGM], 2019a).
Rüzgâr enerjisinin etkin kullanımı, belirli bir yerdeki rüzgâr karakteristikleri hakkında ayrıntılı bilgi gerektirmektedir. Rüzgâr hız dağılımı rüzgâr çiftlikleri, enerji üreteçleri ve sulama gibi tarımsal uygulamalar için önemlidir. Şekil 2.4.’te Türkiye’de 100 metre yükseklikte rüzgâr hızları gösterilmektedir. Bir rüzgâr türbini için uygun yer seçmek kolay bir iş değildir, çünkü birçok faktörün dikkate alınması gerekir. En önemli faktörler rüzgâr hızı, rüzgârın enerjisi, jeneratör tipi ve fizibilite çalışmasıdır (Köse, 2004).
Rüzgâr enerjisinin temiz ve yenilenebilir olması bu enerji türünün önemini artırır. Rüzgâr enerjisinden elektrik üretimini hemen her ülke sağlayabilmektedir. Ancak verimlilik rüzgârın hızına ve sürekliliğine bağlı olarak değişebilmektedir. Dünya yüzeyinde çeşitli bölgelerin rüzgâra elverişli bölgeler olması sebebiyle rüzgâr enerjisinin kullanımı büyük avantajlar sağlamaktadır. Rüzgâr enerjisi sayesinde elektrik üretiminin, tüketimi fazlasıyla karşılayabildiği görülmüş ve yıldan yıla rüzgâr enerjisi önem kazanmıştır.
Çizelge 2.6. Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (TWh) Üretimdeki Payı
(%) 1 Çin 366 28,8 2 ABD 277,7 21,9 3 Almanya 111,6 8,8 4 Hindistan 60,3 4,7 5 Birleşik Krallık 57,1 4,5 6 İspanya 50,8 4 7 Brezilya 48,5 3,8 8 Kanada 32,2 2,5 9 Fransa 28,2 2,2 10 Türkiye 19,8 1,6 Diğer 218,4 17,2 Toplam: 1270 100
Rüzgâr enerjisi için kurulacak türbinler karada kurulabildiği gibi denizlerde de kurulabilmektedir. Ayrıca deniz üzerinde kurulması karada olduğu gibi alan kiralama maliyeti olmaması açısından avantajlıdır (Ünsal, 2010: 17). Bunun dışında devletlerin teşvik ve çeşitli
vergi muafiyeti gibi kolaylıklar sağlaması türbinlerin yüksek ilk yatırım maliyetini sübvanse ederek bu enerji çeşidinin daha çok tercih edilmesinin önünü açmıştır(Bayraç, 2011).
Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimi dünya genelinde 1270 TWh seviyelerine ulaşmıştır. Çin bu miktarın %28,8’ini, ABD ise %21,9’unu karşılamaktadır. Bu durumda toplam üretimin yarıdan fazlasını bu iki ülke gerçekleştirmektedir (BP, 2019). Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi ve ülkemizin üretim durumu Çizelge 2.6.’da verilmektedir.
Maliyet sorununun çözülebilmesi için rüzgâr türbini parçalarının ithalatının azaltılarak, ülkelerin yerli üretim teşvikleri yapması son derece önemlidir. Buna karşılık rüzgâr enerjisinin dezavantajları da bulunmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin, rüzgârın sürekli ve aynı yönde esmediği yerlerde kurulması enerjide verimlilik kaybına neden olmaktadır.
2.2.2. Güneş enerjisi
Yeryüzünden kilometrelerce uzakta olan güneş, dünyaya ve diğer gezegenlere enerji verebilecek devasa güce sahiptir. Gezegenimizin temel yaşam ve enerji kaynağı yıldızımız Güneş’tir. Aynı zamanda Güneş diğer pek çok enerji kaynağının oluşmasının da sebebidir. Çünkü Dünya’da gerçekleşen birçok döngünün tahrik kuvveti ve gerçekleşme sebebi Güneş ve ondan gelen ışınlardır.
Güneş enerjisi esas olarak yıldızımızın merkezinde gerçekleşen füzyon (kaynaşma) hadisesi neticesinde ortaya çıkan enerjinin tezahürüdür. Gezegenimizin atmosferinin en üst tabakasının da ötesinde güneş radyasyonu 1370 W/m² civarındadır. Buna mukabil atmosfer zayıflaması dediğimiz durumun gerçekleşmesi ile bu ışıma kırılma ve yansıma gibi durumlara maruz kalmaktadır ve yaklaşık 0-1100 W/m2 değer aralığında yeryüzüne ulaşmaktadır. Bu zayıflamadan sonra dahi gelen ışıma miktarı toplam enerji talebimizden oldukça fazladır. Son derece yüksek enerji miktarlarına sahip bu enerji kaynağından faydalanma çalışmalarının hızlanma süreci yaklaşık 1970’li yıllarda başlamıştır ve bu çalışmaların neticesinde güneş enerjisinin birim maliyeti düşerken verimde artmalar yaşanmıştır. Ayrıca çevresel etkileri analiz edildiğinde çevreci ve temiz bir kaynak olduğu anlaşılmıştır (EERE, 2002).
Hanelerde, sanayi ve ticarethanelerde, tarımda, sıcak su eldesinde, şebekeden bağımsız sistemlerde, vasıtalarda ve elektrik enerjisi üretiminde güneş enerji, enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Depolanabilir olması ve diğer enerji türlerine dönüştürülebilmesi sayesinde güneş enerjisi; elektrik, mekanik ve ısı gibi formlarda tüketilebilmektedir.
Güneş enerjisinden doğrudan ısı enerjisi üretimi pasif ve aktif yöntemlerle elde edilmektedir. Pasif güneş enerjili ısıtma yöntemi güneş ışınlarından en üst düzeyde yararlanmak için ışınların geldiği yönde saydam bölgeleri artırmak ve söz konusu hacmin ısı ve ışığa kavuşmasını sağlamak, saydam olmayan bölgelerin ise ısıyı emici özelliklerle teçhiz edilmesi ile ısı kaybının azaltılmaya çalışılması amacını gütmektedir. Aktif sistemlerde ise, çeşitli özellik ve geometrilerdeki toplayıcılar vasıtasıyla toplanan güneş ışığını, bir ısı taşıyıcı akışkan ile enerji üretilecek ya da depolanacak birime taşınır ve buradan da dağıtım bağlantıları ile yapının ısıtılacak bölümlerine aktarılır.
Enerjinin ısıtmada kullanılması enerji bütçesi açısından oldukça önemli bir kalemdir. Avrupa’da toplam enerjinin yaklaşık olarak yarısı ısınmada harcanmaktadır. Özellikle yapılarda aydınlatma, iklimlendirme ve ev içi araç gereçlerin kullanımının yaygınlaşması da enerji kullanımında önemli rol oynamaktadır. Bu enerjinin temini konusunda çevresel etkilerin de göz önüne alınması gerektiği bir gerçektir. Enerji üretiminin temininde temiz ve çevreye saygılı enerji üretimi yapılmalıdır. Güneş enerjisi termik düzenekler sayesinde veya fotovoltaik (PV) düzeneklerle elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir.
Termik düzenekler ile elektrik üretiminin sağlanması; toplayıcı yüzeyler ile güneş ışığının yönlendirilmesi, alıcı sistemler ile toplanması ve ısı taşıyıcı akışkana aktarılmasını müteakiben klasik su/buhar güç döngüsünden elektrik üretilmesiyle olmaktadır. Fotovoltaik piller paralel ya da seri bağlanmak suretiyle üzerine düşen güneş ışığını elektrik gerilimine dönüştürürler (Gürsoy, 2004: 123-124).
Şekil 2.5.’te tasarımı görülen PV modülleri havanın açık ya da bulutlar ile kapalı olduğu durumlarda da elektrik üretme kabiliyetine sahip iken CSP sistemleri DNI da denilen direkt ışımaya yani bulutsuz havaya ihtiyaç duymaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006:274). Güneş pilleri, teknolojik anlamda yüksek güvenilirlik sağlamaları ile kentsel bölgelerde en iyi yenilenebilir enerji kaynağı olmaları sebebiyle önem arz etmektedirler. Bu piller oldukça uzun ömürlü, dayanıklı ve çevre kirliliği oluşturmayan pillerdir.
Şekil 2.6. Türkiye’nin DNI değerleri haritası (MED-CSP, 2005).
1970’li yıllarda piyasaya ilk çıktıklarında oldukça yüksek maliyetli olan güneş kaynaklı elektrik üretim sistemlerinde yarı iletken bileşenlerin birim maliyeti zamanla düşme eğilimi göstermiştir. Bakımı oldukça kolay olan silikon ünitelerin yüzeylerinin temiz tutulması gerekmektedir. Çünkü yüzeyin biraz tozlanması ya da kirlenmesi bile elektrik akımının çıkışını azaltarak alınacak verimi düşürmeye yetmektedir.
Ülkemiz güneş enerjisi konusunda zengin ülkelerden biridir. Dünyada Güneş kuşağı olarak adlandırılan bölgede bulunan Türkiye’nin DNI değerleri Şekil 2.6.’da gösterilmiştir.
Çizelge 2.7. Güneş enerjisinden elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019). Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (TWh) Üretimdeki Payı
(%) 1 Çin 177,5 30,4 2 ABD 97,1 16,6 3 Japonya 71,7 12,3 4 Almanya 46,2 7,9 5 Hindistan 30,7 5,3 6 İtalya 23,2 4 7 Birleşik Krallık 12,9 2,2 8 İspanya 12,5 2,1 9 Tayland 12,3 2,1 10 Avustralya 12,1 2,1 13 Türkiye 7,9 1,4 Diğer 79,8 13,6 Toplam: 584,6 100
BP’nin 2019 Dünya Enerji Görünümü Raporu’na göre güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretimi geçen seneye göre yaklaşık %29 artmıştır. Çin özellikle son yıllarda yaptığı yatırımlar ile güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretiminin %30’dan fazlasını gerçekleştirirken onu %16,6 ile ABD ve %12,3 ile Japonya takip etmektedir. Oransal kapasite artışında %800 artış gösteren Vietnam ilk sırada yer alırken %558 artış ile Arjantin ikinci sırada ve Mısır %294 artış ile üçüncü sıradadır. Güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ile Türkiye’nin üretim durumu Çizelge 2.7.’de verilmiştir.
2.2.3. Biyokütle enerjisi
Biyokütle enerjisi; fermantasyon ürünü olan ve havasız ortamlarda oluşan fosil özelliklere sahip olmayan bitkisel ve hayvani atıklar gibi organik materyallerden ve kentsel atıklardan ve orman ürünlerini de içeren tüm organik maddelerden oluşan bir yenilenebilir enerji türüdür. Türkiye’de bitkisel ve hayvansal biyokütle enerjisi en çok ısınma alanında kullanılmaktadır. Biyokütle, bitkilerin güneş enerjisini fotosentez yardımıyla depolamaları sonucu oluşan sentezleşmeye ve üretilen maddelerin yakılması ile enerji açığa çıkması sırasında oluşan karbondioksitin çevre açısından elimine edilmesine dayalı olarak tanımlanan bir enerjidir.
