NİĞDE İLİ GÜNEŞ ENERJİ SANTRALİ MODELLEMESİ VE PERFORMANS PARAMETRELERİ DEĞERLENDİRMESİ
Ayça KESKİN
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
HAZİRAN 2019
Ayça KESKİN tarafından hazırlanan “NİĞDE İLİ GÜNEŞ ENERJİ SANTRALİ MODELLEMESİ VE PERFORMANS PARAMETRELERİ DEĞERLENDİRMESİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Prof. Dr. Kurtuluş BORAN
Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………
Başkan: Doç. Dr. İhsan TOKTAŞ
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
...………
Üye: Dr. Öğr. Üyesi M. Bahadır ÖZDEMİR Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
...………
Tez Savunma Tarihi: 18/06/2019
Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.
……….…….
Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,
Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,
bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
Ayça KESKİN 18/16/2019
NİĞDE İLİ GÜNEŞ ENERJİ SANTRALİ MODELLEMESİ VE PERFORMANS PARAMETRELERİ DEĞERLENDİRMESİ
(Yüksek Lisans Tezi)
Ayça KESKİN
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Haziran 2019
ÖZET
Enerji talebinin büyük kısmı nükleer ve fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Elektrik tüketimindeki sürekli artış, fosil kaynakların kullanımı ve bu kaynakların elde edilmesinin zorluğu dışsal bağımlılık yaratmaktadır. Yakıtların atmosfere saldığı gazlar küresel ısınma, iklim değişikliği, atmosfer kirliliği ve sera gazı gibi zararlara neden olduğu için insan yaşamını ve çevresel dengeleri tehdit etmektedir. Tüm bu nedenlerden dolayı, yenilenebilir enerji kaynaklarına verilen önem artmıştır. Bu çalışmada, dünya ve Türkiye'de enerji ile birlikte yenilenebilir enerji ve güneş enerjisi sektörünün gelişimi incelenmiştir. Teknoloji, üretim, modül yapıları, modül malzemeleri, sistemde kullanılan bileşenler, sistemde enerji dönüşümü ve performansı etkileyen faktörlerden bahsedilmektedir. Fotovoltaik sistemlerin tasarımında kullanılan fotovoltaik simülasyon yazılımı olan PVSyst’ten (Photovoltaic Systems) bahsedilmektedir. Niğde Güneş Enerjisi Santrali'nin 1 MW çıkış gücüne sahip simülasyonu PVsyst programının V6.78 deneme sürümü kullanılarak yapılmıştır. Santralin 2017 yılında mevcut enerji üretim değerleri ile simülasyonda üretilen değerler karşılaştırılmıştır. Bunlara ilaveten performans ve kayıp parametrelerinden bahsedilerek gerekli hesaplamalar yapılmıştır.
Bilim Kodu : 91412
Anahtar Kelimeler : Yenilenebilir enerji kaynakları, güneş enerjisi, fotovoltaik performans, PV teknolojileri, simülasyon, ışıma parametreleri Sayfa Adedi : 107
Danışman : Prof. Dr. Kurtuluş BORAN
NİĞDE PROVINCE SOLAR POWER PLANT MODELING AND EVALUATION OF PERFORMANCE PARAMETERS
(M. Sc. Thesis)
Ayça KESKİN
GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2019
ABSTRACT
Most of the energy demand is derived from nuclear and fossil fuels. The continuous increase in electricity consumption, the use of fossil resources and the difficulty of obtaining these resources create external dependence. It is thought that the gases released by the fuels to the atmosphere will pose a threat to human life and environmental balances as it causes damages such as global warming, climate change, atmosphere pollution and greenhouse gas. Due to all these reasons, the importance given to renewable energy sources has increased. In this study, the energy in the world and Turkey, the development of renewable energy and solar energy sector are analysed. The technology, production, module structures, module materials, components used in the system, energy conversion in the system and the factors affecting the performance are discussed. PVSyst (Photovoltaic Systems) which is a photovoltaic simulation software used in the design of photovoltaic systems has been mentioned. The simulation of Niğde Solar Power Plant (SPP) with the output power 1 MW is done by PVsyst V6.78 trial. Performance and loss parameters are mentioned. In addition, the current energy production values of the power plant in 2017 and the values produced in the simulation were compared.
Science Code : 91412
Key Words : Renewable Energy Sources, Solar Energy, Photovoltaic
Performance, PV Technologies, Simulation, Radiation Parameters Page Number : 107
Supervisor : Prof. Dr. Kurtuluş BORAN
TEŞEKKÜR
Yüksek Lisans eğitimine kabul sürecinden tez çalışmasının hazırlanmasına kadar her konuda desteğini esirgemeyen, bilgi ve birikimleri ile yol gösteren, tez danışmanım Sayın Prof. Dr. Kurtuluş BORAN başta olmak üzere, tez yazma sürecinde yardımcı olan Doç.
Dr. Fatih Emre BORAN’ a katkılarından dolayı teşekkür ederim.
Hayatım boyunca maddi ve manevi olarak desteğini esirgemeyen, her başarımın mimarı, yoğun çalışma temposunda sevgisini ve şefkatini esirgemeyen aileme özellikle çok değerli babam ve annem İlhan – Ülker KESKİN’e, tez çalışmamda kullandığım PVsyst yazılım programı ve teknik destek konusunda yardımlarından dolayı Volkan ŞAHİN ve Duygu TOKATLIOĞLU’na şükranlarımı sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... iv
ABSTRACT ... v
TEŞEKKÜR ... vi
İÇİNDEKİLER ... vii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi
HARİTALARIN LİSTESİ ... xiv
SİMGELER VE KISALTMALAR... xv
1. GİRİŞ
... 12. LİTERATÜR TARAMASI
... 33. ENERJİ
... 93.1. Dünyada Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi ... 9
3.2. Türkiye’de Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi ... 22
4. FOTOVOLTAİK SİSTEMLER
... 374.1. Güneş Pilleri Üretimi ... 39
4.2. Güneş Pili Çeşitleri ve Yarı İletken Malzemeleri ... 42
4.2.1. Kristal silikon (c-Si) güneş pilleri ... 42
4.2.2. İnce film (thin-film) güneş pilleri ... 44
4.3. Güneş Pillerinde Enerji Dönüşümü ... 47
4.4. Fotovoltaik Sistemlerde Performans ... 49
5. MATERYAL VE METOD
... 535.1. Güneş Açıları ve Işınım Parametreleri ... 53
5.1.1. Güneş açıları ... 53
Sayfa
5.1.2. Işınım ... 57
5.2. Sistem Performans Parametreleri ... 61
5.2.1. Fotovoltaik dizi kazancı (YA) ... 61
5.2.2. Referans kazancı (YR) ... 61
5.2.3. Final kazancı (YF) ... 62
5.2.4. Performans oranı (PR) ... 62
5.2.5. Kapasite faktörü (CF) ... 62
5.2.6. Evirici verimi (INV) ... 62
5.2.7. Sistem verimi (SYS) ... 63
5.3. Sistem Kayıp Parametreleri ... 63
5.3.1. Yansıma kaybı (IAM Loss) ... 63
5.3.2. DC omik kayıp ... 64
5.3.3. Tozlanma kaybı ... 64
5.3.4. Dizi uyuşmazlığı kayıpları (Mismatch) ... 65
5.3.5. Isıl kayıp ... 66
5.3.6. Işık eşlikli bozulma (Light Induced Degredation - LID Loss) ... 68
5.3.7. Gölgelenmeden oluşan kayıp ... 68
6. PVSYST İLE NİĞDE İLİ GÜNEŞ ENERJİ SANTRALİ MODELLEMESİ
... 716.1. Fotovoltaik Sistem Simülasyon Yazılımı ... 71
6.2. Fotovoltaik Sistem Lokasyonu ve Güneş Enerjisi Potansiyeli ... 72
6.3. Fotovoltaik Sistem Modellemesi ... 74
6.3.1. Konum bilgileri ... 74
6.3.2. Meteoroloji bilgileri ... 74
Sayfa
6.3.3. Fotovoltaik sistem girdileri ... 75
6.3.4. Kayıplar ... 78
6.4. Simülasyon Sonuçlarının Değerlendirilmesi ... 85
7. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
... 937.1. Sonuçlar ... 93
7.2. Öneriler ... 94
KAYNAKLAR ... 97
ÖZGEÇMİŞ ... 107
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 3.1. Dünyada birincil enerji tüketimi sıralaması ... 10
Çizelge 3.2. Dünya ve Türkiye birincil enerji talebinin gelişimi ... 12
Çizelge 3.3. 2016-2017 Yıllarında yenilenebilir enerji kapasitesi ... 16
Çizelge 3.4. 2018-2019 Ocak sonu itibariyle Türkiye’nin kurulu güç kaynaklara göre dağılımı ... 25
Çizelge 3.5. 6094 No’lu kanun I sayılı cetvel’de verilen öncelikli teşvikler ... 28
Çizelge 3.6. 6094 No’ lu kanun II sayılı cetvel’ de verilen öncelikli teşvikler ... 29
Çizelge 3.7. Yerlı katkı payı ilavesiyle desteklenen en fazla fiyat ... 30
Çizelge 3.8. Bölgelerin ışınım değerleri ve güneşlenme süreleri ... 31
Çizelge 5.1. Yüzeyin cinsine göre Albedo dereceleri ... 58
Çizelge 5.2. En çok satış yapan firmaların FV modüllerinde görülen LID kaybı ... 68
Çizelge 6.1. PVsyst 33° ana sonuç çıktısı ... 86
Çizelge 6.2. PVsyst 10° ana sonuç çıktısı ... 86
Çizelge 6.3. 1Yıl içerisindeki 33° ve 10° birleştirilmiş PVsyst ana sonuç çizelgesi .... 87
Çizelge 6.4. PVsyst performans parametreleri ... 88
Çizelge 6.5. Projenin gerçekleşme oranı ... 91
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 3.1. Birincil enerji talebi ... 11
Şekil 3.2. Son 15 yılda kaynaklara göre birincil enerji arzı ... 13
Şekil 3.3. 2040 Yılına kadar kaynaklarına göre karbon emisyonu dağılımı ... 14
Şekil 3.4. Güneş enerjisi kurulu gücünün bölgelere göre dağılımı ... 18
Şekil 3.5. 2007-2017 Yıllarında dünyadaki fotovoltaik kapasitesi ... 19
Şekil 3.6. 2007-2017 yılları arasında ülke bazlı fotovoltaik kapasitesi ... 20
Şekil 3.7. 2017 Yılında lider 10 ülke bazında eklenen fotovoltaik kapasite ... 21
Şekil 3.8. 2007-2017 Yılları itibariyle kaynak bazında birincil enerji tüketimi ... 23
Şekil 3.9. Türkiye kurulu gücünün 1977-2017 yılları itibariyle gelişimi ... 24
Şekil 3.10. 2017 Kurulu gücün birincil enerji kaynaklarına göre dağılımı ... 26
Şekil 3.11. Aylık ortalama güneşlenme süreleri ... 32
Şekil 3.12. Aylık ortalama global radyasyon değerleri ... 33
Şekil 3.13. Yıllara göre GES kurulu gücünün ve elektrik üretiminin değişimi ... 34
Şekil 4.1. Fotovoltaik panellerin çalışma şeması ... 38
Şekil 4.2. Fotovoltaik hücre, modül, panel ve dizisi ... 39
Şekil 4.3. Silikon madenden panel elde etme süreci ... 40
Şekil 4.4. Güneş enerji panelinin profil kesiti... 42
Şekil 4.5. Monokristal ve polikristal güneş pilleri ... 44
Şekil 4.6. İnce film güneş pili ... 45
Şekil 4.7. Silikon atomundaki boşluk ve serbest elektron. ... 47
Şekil 4.8. Silikon atomları için oluşturulmuş P-tipi ve N-tipi bölgeler. ... 48
Şekil 4.9. Fotovoltaik hücrenin çalışma ilkesi ... 48
Şekil 4.10. Açık devre gerilimi. ... 49
Şekil Sayfa
Şekil 4.11. Bir FV diyotun I-V ve P-V eğrileri... 50
Şekil 5.1. Sapma açısı ... 54
Şekil 5.2. Yükselme açısı ... 55
Şekil 5.3. Azimut açısı ... 55
Şekil 5.4. Zenit açısı... 56
Şekil 5.5. FV modül açısı ... 57
Şekil 5.6. FV modüle geliş açısı ... 57
Şekil 5.7. Doğrudan gelen, yansıyarak gelen ve dağıtık gelen ışınımlar ... 59
Şekil 5.8. FV panellerin ışınıma bağlı akım, gerilim, güç değişim değerleri ... 60
Şekil 5.9. Güneş ışınlarının FV modülden yansıması ... 63
Şekil 6.1. PVsyst simülasyon yazılımı kullanıcı arayüzü. ... 72
Şekil 6.2. Niğde ili merkez ilçesinin aylara göre global radyasyon değerleri (Kwh/m²-gün) ve ortalama güneşlenme süreleri (saat) ... 73
Şekil 6.3. Niğde ilinin koordinatlarının sisteme tanımlanması ... 74
Şekil 6.4. Veritabanı bölümünde Niğde GES ışınım ve sıcaklık değerlerinin görünümü ... 75
Şekil 6.5. Fotovoltaik sistem girdileri bölümü... 75
Şekil 6.6. 33° ve 10° güneş açılarının belirlendiği “oryantasyon” bölümü ... 76
Şekil 6.7. Çelik konstrüksiyon sistemi – A kış (30°) ve B yaz (10°) açısı – çizimi. ... 77
Şekil 6.8. FV modül ve evirici seçimlerinin, dizi tasarımının yapıldığı “sistem” bölümü 78 Şekil 6.9. PVsyst arayüzünde sıcaklık kaybı bölümü ... 80
Şekil 6.10. PVsyst DC omik kayıp arayüz ... 81
Şekil 6.11. Dizi uyuşmazlığı kaybı, işık eşlikli bozulma ve modül kalitesi ... 82
Şekil 6.12. Tozlanma kaybı yıllık ortalama değeri ... 83
Şekil 6.13. PVsyst yansıma kaybında Ashare metodu ... 84
Şekil Sayfa Şekil 6.14. FV modüllerin yaşlanma değeri... 85 Şekil 6.15. 33° Eğime ayarlanılan Niğde GES’in Pvsyst kayıp diyagramı ... 89 Şekil 6.16. 10° Eğime ayarlanılan Niğde GES’in Pvsyst kayıp diyagramı ... 90
HARİTALARIN LİSTESİ
Harita Sayfa Harita 3.1. Türkiye GEPA atlası ... 31 Harita 3.2. Türkiye güneşlenme kuşağı haritası ... 32 Harita 6.1. Niğde ili güneş enerjisi potansiyeli atlası ... 73
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklamalar
YA Fotovoltaik Dizi Kazancı
EAC AC Enerji
EDC DC Enerji
PO Standart Test Koşullarında Santralin Kurulu Gücü
PAC AC Gücü
PDC DC Gücü
Ploss Omik Güç Kaybı
YR Referans Kazancı
G O Standart Test Koşullarındaki Işınım Değeri
YF Final Kazancı
PR Performans Oranı
CF Kapasite Faktörü
ηINV Evirici Verimi
ηSYS Sistem Verimi
ηPV FV Modül Verimi
ηloss Isıl Kayıp Oranı
G 0 Referans Işınım
kWe AC Güç
kWp DC Güç
ISC Kısa Devre Akımı
VOC Açık Devre Gerilimi
TC Güneş Gözesi Sıcaklığı
Simgeler Açıklamalar
δ Sapma Açısı
α Yükselme Açısı
θAZ Azimut Açısı
θZ Zenit Açısı
θT FV Modül Açısı
θAOI Işının Gelme Açısı
IMPP Maksimum Güç Noktasında Akım
FF Fill Factor
UL Isıl Kayıp Faktörü
β FV Modülnin Isıl Kayıp Faktörü
AZ,array
θ Fotovoltaik Sistemin Azimut Açısı
AZ,avg
θ Güneşin Ortalama Azimut Açısı
U Isıl Kayıp Faktörü
UC Isıl Sabit(W/m K)2
UV Rüzgar Parametresi(W/m K)2
Rave Ortalama Direnç Değeri (Ω)
Pmpp Maksimum Güç Noktasmdaki Güç
PR Performance Ratio
Kısaltmalar Açıklamalar
AC Alternative Current
CSP Consantrated Solar Power
DC Direct Current
DHI Dağınık Yatay Işınım
DNI Doğrudan Gelen Işınım
EPDK Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu
GEPA Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası
Kısaltmalar Açıklamalar
GES Güneş Enerjisi Santrali
GHI Küresel Yatay Işınım
IAM Incidence Angle Modifier
IEA Uluslararası Enerji Ajansı
LID Light Induced Degredation
LPG Liquified Petroleum Gas
LÜY Lisanssız Üretim Yönetmeliği
NOCT Nominal Operating Cell Temperature
PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
POAI FV Modül Yüzeyine Gelen Işınım
STK Standart Test Koşulları
TEİAŞ Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi
TEP Ton Eşdeğer Petrol
YEGM Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü
YEK Yenilenebilir Enerji Kaynakları
1. GİRİŞ
Dünya nüfusundaki hızlı artış, sanayileşme, teknolojik araç ve gereçlerin insan yaşamında yoğun bir şekilde yer alması, enerji tüketimindeki artışı hızlandırmaktadır. Bu gelişmeler, enerji tüketimini her yıl ortalama %4-5 oranında arttırmaktadır [1]. Enerji üretiminde yaygın olarak kullanılan kömür, petrol, doğal gaz gibi fosil yakıt rezervlerinin azalması çeşitli araştırmaların yapılmasını zorunlu hale getirmiştir. Bu araştırmalar neticesinde;
dünyadaki enerji tüketim hızı fosil yakıtların oluşum hızının 300 bin katına denktir. Bu durum, enerji ihtiyacı duyan ülkeleri yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlendirmektedir [1,2]
Yenilenebilir enerji, sürekli olarak tekrarlanan doğal olaylar sonucunda elde edilen enerjidir. Biyokütle (odun, hayvan ve bitki artıkları) dışındaki hidrolik, güneş, rüzgar, jeotermal, dalga ve hidrojen gibi formları bir yakma işlemine ihtiyaç olmadan doğrudan veya elektrik üretilerek kullanıldığından dolayı hiç bir kirliliğe sebep olmayan enerji kaynağıdır.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıyla elde edilecek kazanımlardan bazılarını sıralamak gerekirse dışarıdan ithal edilen yakıtlara bağımlılığın azalması, yerli kaynaklara önceliğin verilmesi, yerli üretim sonucunda istihdamın artması akla ilk gelenlerdir. Bunlara ilaveten enerji ihtiyacı karşılanan sanayi alanlarının ekonomik büyümede gelişmeye imkan sağlamasıyla sosyal ekonomik hayatta refahın ve istikrarın artması gibi kazanımlar söz konusudur.
Ülkemizin dışa bağımlılığını azaltmak, enerji talep artışını sorunsuz karşılamak, kaynak çeşitliliğini artırmak ve arz güvenliğini sağlamak için rekabetçi, şeffaf, tüketicinin korunduğu, çevresel sürdürülebilirliği de önem veren bir enerji sektörü her zaman önceliği olmuştur. Türkiye coğrafi konumu sayesinde yenilenebilir enerji kaynakları ve özellikle güneş enerjisi potansiyeli bakımından oldukça zengin bir ülkedir.
Güneş enerjisinin sürekli bulunabilir olması, çevreye verdiği zararların yok denecek kadar az olması ve fotovoltaik (FV) sistemlerdeki teknolojilerin hızla gelişmesi dolayısıyla bu
sistemlerin performans tahmini, enerji üretim değerlerinin verimliliği ve çalışma davranışları için çeşitli simülasyon programları tasarlanmaktadır.
Bu çalışmada dünyada ve ülkemizde enerjiyle ilgili genel bilgiler verildikten sonra Niğde ili merkez ilçesinde 1MW şebeke çıkış güçlü güneş enerjisi santralinin verileri ile fotovoltaik sistemlerin performansı ve verimliliğini etkileyen faktörlerin sistemin performansına etkisi incelenmiştir. Bu doğrultuda öncellikle ışınım tahmini, performans ve kayıp parametrelerinin hesaplanmasında kullanılacak metodların tanımı ve açıklaması yapılmıştır. Santralin PVsyst programı ile modellemesi yapılırken simülasyon girdilerine hangi parametrelerin girildiğinden bahsederek simülasyon sonuçlarının mevcut değerlerle kıyaslanmasına yer verilmiştir. Böylelikle Türkiye’de kurulumu yapılan ve işletme safhasma geçen GES’lerin performansını ve verimini etkileyen faktörlerin incelenmesinde izlenebilecek yollar açıklanmıştır.
2. LİTERATÜR TARAMASI
Literatürde dünyadaki güneş enerji santrallerinin performans veya kayıp parametrelerinin incelendiği çalışmalar mevcuttur. Yapılan incelemelerde kullanılan simülasyon yazılımları kıyaslanmış, fotovoltaik simülasyonun maksimum doğrulukta çalıştığı yazılımlar değerlendirilmiş, daha önce benzer konularda yazılmış çalışmalar incelenmiş ve genel seviyede solar sistemlerin açıklamalarına yer verilmiştir. Fotovoltaik sistem simülasyon programı vasıtasıyla modellenerek elde edilen simülasyon sonuçlarının kullanıldığı ya da üretimde olan fotovoltaik sistem verileri kullanılarak performans değerlendirmesinin yapıldığı birçok çalışma mevcuttur.
Karki ve diğ. (2012) PVsyst kullanarak Katmandu ve Berlin'deki şebekeye bağlı 60 kWp'lik fotovoltaik sistemin karşılaştırmalı performans çalışmasını sunmuştur. Enerji üretiminin yanı sıra çeşitli olası kayıplardan bahsedilmiştir [3].
Kandasamy ve diğ. (2013), güney Tamil Nadu'daki dört coğrafi koşul için PVsyst yazılımı kullanılarak güneş potansiyeli değerlendirmesi üzerine bir çalışma sunmuşlardır. Tuticorin, Sivakasi, Sivagangai ve Madhurai bölgeleri için 1000 kWp şebekeye bağlı fotovoltaik sistem performansı gerçekleştirilmiştir. Enerji üretimi, performans oranı, PV dizi verimliliği ve diğer maliyet parametrelerinin detaylı analizi tartışılmıştır [4].
Sharma ve diğ. (2013), Hindistan Khatkar -Kalan'da kurulan 190 kWp grid etkileşimli fotovoltaik sistem hakkında detaylı bir çalışma yürütmüştür. Bu çalışma, PVsyst simülasyon sonuçları ile tesisin pratik sonuçları arasındaki karşılaştırmalı performansı göstermiştir. Yıllık bazda 190 kWp PV tesisinin kapasite faktörü, ortalama performans oranı (PR) ve sistem verimliliği sırasıyla % 74, % 9,27 ve % 8,3 ’dır [5].
Yadav ve ark. (2015), Hindistan’daki Hamirpur lokasyonu için 1kWp fotovoltaik sistem simülasyonu gerçekleştirmiştir. Performans oranı hesaplanmış ve sistemdeki kaybın çıkarılmasıyla enerji üretimi % 72,4 olarak tahmin edilmiştir [6].
Meriem ve diğ. (2014), güneş enerjisi ve tesisin aydınlatma ihtiyaçlarını karşılamak için güneş teknolojisinin nasıl uygulanabileceği hakkında genel bir bakış sağlamıştır. Sistem
tasarımını tesis için optimize etmek üzere PVsyst yazılımı kullanılmıştır. Fotovoltaik panellerin eğimi ve yönü dikkate alınarak hesaplama yapılmıştır. Önerilen fotovoltaik sistem esas olarak 9,9 kWp nominal güce sahip olmakla birlikte 3 inverter, 3 batarya ve 66 fotovoltaik modülden oluşmuştur [7].
Chacko ve Thomas (2011), sınırlı bir alandan elektrik üretimini en üst düzeye çıkarmayı amaçlamıştır. Sıcaklık değişimi ve güneş ışınımı PV modülün performansını etkileyen ana faktörlerdir. Bağımsız bir sistemde üç farklı PV modülün simülasyonu yapılmaktadır. Bu çalışmada, maksimum üretim, çift eksenli takip sistemine sahip üç katmanlı bir PV sistemden elde edilmektedir. Bu düzenleme ile maksimum enerji üretmek için alan gereksiniminin % 58'e kadar azaltılabildiği görülmektedir [8].
Mambrini ve diğerleri (2014), fotovoltaik modüllerdeki kayıplarda en önemli etkilerden biri, düşük ışık seviyesinde dönüşüm verimliliğindeki keskin düşüş olduğunu belirtmektedir. Aslında, modüllerin verimliliği PV teknolojisine bağlı olarak, genellikle ışık 200 Wm2nin altına düştüğünde etkili şekilde düşmektedir. Bu standart test koşullarında gözlenemez, çünkü ışık 1000 Wm2𝑦𝑒 sabitlenir. Bu çalışma, birkaç hafta boyunca dış mekan karakterizasyonları kullanarak modüllerin düşük ışık dönüşüm verimliliğini hesaba katan bir teknik sunmaktadır [9].
Baklouti ve diğerleri (2012), fotovoltaik tesisin elektriksel verimi doğrudan panellerdeki güneş enerjisi ile ilgili olduğunu belirtmektedir. Güneş ışınlarının karakterizasyonu, yerel radyasyon klimatolojisi, oryantasyon ve eğim açısı gibi birçok faktöre bağlıdır. PV sisteminin profesyonel çalışması, tüm bu parametreleri dikkate alan bir hesaplama yazılımının kullanılmasını gerektirmektedir. Bu çalışmada, Tunus'un Sfax bölgesinde toplam gücü 2295 Wp olan bir adet invertör içeren şebekeye bağlı fotovoltaik tesis PVsyst ile karakterize edilmektedir [10].
Irwan ve diğerleri (2015), PVsyst yazılımı kullanarak bağımsız fotovoltaik (SAPV) sistem değerlendirmesi sunmaktadır. Bu araştırmada, güvenilir SAPV sistemini geliştirmek ve yıllık enerji üretimini tahmin etmek için PVsyst simülasyon yazılımı kullanılmaktadır. PV dizisi tarafından üretilen toplam elektrik enerjisi miktarı ve çeşitli güç kayıpları belirlenerek optimum SAPV sistemi yapılandırılmaktadır. Ayrıca, tüm sistem boyunca toplam enerji akışı hesaplanmaktadır [11].
Al-Khazzar (2018), PVsyst simülasyon yazılımını Irak'taki tipik bir ilköğretim okulundaki PV şebekesine bağlı sistemi analiz etmek için kullanmaktadır. Bağdat'taki sistemin performans oranı 0,825'tir ve sistem tarafından yılda yaklaşık 9,82MWh üretilmektedir.
Yükün % 62,7'si tüketilip geri kalanı ulusal şebekeye enjekte edilmektedir. Bu sistemlerin 10 yıl boyunca çalışması durumunda 1 kWh’ın 0,058 $’a mal olacağı ve dolayısıyla ekonomik olduğu belirtilmektedir. Bu çalışma açıkça fotovoltaik güç sisteminin şebekedeki azami yüke etkili bir şekilde yardımcı olabileceğini göstermektedir [12].
Faysal ve diğerleri (2018), Bangladeş'teki kırsal alanda 30 MWp şebekeye bağlı PV sistemini tasarlamaktadır. Proje, küresel günlük yatay güneş ışınımı dahil olmak üzere geniş bir meteorolojik veritabanına ve farklı üreticilerin çeşitli yenilenebilir enerji sistemleri bileşenlerinin veritabanına sahip olan PVsyst ve RETscreen yazılımını kullanan 30 MWp şebekeye bağlı PV sisteminin ön fizibilite çalışması ile başlamaktadır. PV sisteminin boyutlandırılması için, PVSyst ve verim faktörü kullanılarak simülasyon yapılmaktadır. Performans oranı ve kapasite faktörü de analiz edilen diğer teknik performans parametreleridir [13].
Jianping (2011), fotovoltaik hücre dizilerinin yerleşim şemasının, büyük bir fotovoltaik enerji santralindeki enerji üretimi üzerinde çok önemli etkiye sahip olduğunu belirtmektedir. Bu çalışmada PVsyst kullanan tek eksen takipli fotovoltaik sistemler için basit bir optimum düzen şeması önerilmektedir. İlk olarak, kuzey-güney ve doğu-batı yönündeki fotovoltaik dizi referans uzayları, gerçek mühendislik deneyimiyle belirlenmektedir. Ardından, birim maliyetin güç üretme kapasitesini kullanarak, fotovoltaik dizi boşlukları optimizasyon parametrelerini elde etmek için iki kez elenmektedir [14].
Barua ve diğerleri (2017), akademik kampüs için şebekeye bağlı fotovoltaik çatı sistemi tasarlamayı ve değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çatı fotovoltaik sistem projesinin tasarım ve fizibilite çalışması, NASA yüzey meteorolojisi verilerinden proje yerinin coğrafi koordinatörü ve PVsyst yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarının analizleri, projenin Pondicherry Üniversitesi'nde yıllık toplam enerji tüketiminin yaklaşık
% 11'i kadar yılda 590 MWh enerji verdiğini göstermektedir. Önerilen çatı üstü ızgara bağlantılı fotovoltaik sistemden elektrik üretimi sayesinde 42 ton karbondioksit tasarrufu sağlanılabileceği belirtilmektedir [15].
Afanasyeva ve diğerleri (2018), tek eksenli fotovoltaik takip sistemlerinin enerji senaryoları üzerindeki etkisini araştırmaktır. Bu amaçla, 2030 yılında % 100 yenilenebilir enerji sistemleri için tek eksenli izleme seçeneği olan ve olmayan iki senaryo incelenmiştir.
Her iki senaryo için optimum enerjiyi bulmak için, LUT Enerji Sistemi modeli tarafından hesaplanan toplam yıllık maliyet simge durumuna küçültülmektedir. Ayrıca, tek eksenli takip sistemlerinin yıllık verimini tahmin etmek için kullanılan PVsyst simülasyon yazılımı sonuçlarına göre verimin % 4 marjında olduğundan bahsedilmektedir. Her iki senaryo da, PV ve rüzgar gücünün hakim nesil teknolojiler olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, PV'nin küresel üretim payı %47'den %59'a yükselirken, toplam elektriğin % 20'sinin tek eksenli takip sistemi tarafından üretileceği belirtilmektedir. Küresel ortalama seviyeli elektrik maliyetinin % 6 azalarak 54,8'den 51,4 € / MWh'a düşmesi beklenmektedir [16].
Kumar ve diğerleri (2017), 100 kWp şebekeye bağlı Si-poli fotovoltaik sistemin performansını analiz etmektedir. Simüle edilmiş sistem 323 Si-poli PV modülünü içermektedir. Her bir PV modülü 310 Wp değerine sahiptir. Simülasyon PVsyst V6.52 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 100 kWp PV sistemi 165.38 MWh / yıl üretmekte ve bunun dışında sadece 161.6 MWh / yıl şebekeye enjekte edilmektedir. Yıllık performans oranı% 80 civarındadır ve invertör çıktısının veya nihai sistem veriminin normalleştirilmiş üretimleri yani faydalı enerji 4.42 kWh / kWp / gündür [17].
Saxena ve Gidwani (2018), 2022 yılına kadar 175 GW yenilenebilir enerji kapasitesi kurma hedefine sahip Hindistan’ın 100 GW’lık kısmını güneş enerjisi ile sağlamayı düşündüğünü belirtmektedir. Bu hedefin 40 GW’lık önemli kısmının şebeke bağlantılı çatı tipi fotovoltaik (RTPV) tarafından sağlanması düşünülmektedir. Bu çalışmada Nagar Nigam Kota Rajasthan için şebekeye bağlı çatı tipi fotovoltaik sistemini değerlendirilmektedir. Kota'daki RTPV tesis sahasının enlem ve boylamları sırasıyla 25 ° 11'33 "K ve 75 ° 48'55" D' dir. 100 kW'lık bir RTPV santralinin PVsyst programı ile tahmin edilen yıllık enerji üretimi 167822 kWh'dir [18].
Ganesh ve diğerleri (2018), 10 kWp çatı montajlı fotovoltaik sistemin performans incelemesini sunmaktadır. Açık alanlarda kurulu PV sistemlerden farklı olarak, kristal silikon teknolojili PV dizisi, Hindistan Hyderabad’daki St. Peters Engineering College eğitim kurumunun boş çatı alanlarına kurulmaktadır. Simülasyondan elde edilen sonuçlar
çatı montajlı PV sisteminin % 17,5 kapasite faktörü ile iyi çalıştığını göstermektedir. Enerji üretiminin Mart ayında maksimum 1450 kWh, Temmuz ayında minimum 1095 kWh ve yıl sonunda ise 15371 kWh olduğu gözlenmektedir [19].
Kumar ve diğerleri (2019), Hindistan'ın kuzeyindeki Chandigarh'da kurulan 200kW çatı entegre kristal silikon teknolojili fotovoltaik sistemin performansını, enerji kaybını ve bozulmasını öngörmektedir. PVsyst simülasyon aracı, enerji üretimini ve enerji kaybını tahmin etmek için kullanılır. Kapasite faktörü (CF), performans oranı (PR) ve verimi değerlendirmek için enerji üretimi ve çeşitli girdi parametrelerinin analizi yapılır. Enerji kayıplarının ayrıntılı bir analizi için, üç aşamalı bir yaklaşım (PV dizisine ulaşan güneş ışığı, güneş ışığının doğru akım elektrik enerjisine dönüşümü ve doğru akımın alternatif akıma dönüşümü) kullanılır. İkinci aşamada (güneş ışığının doğru akım elektrik enerjisine dönüşümü) PV modüllerde mümkün olan ışık kaynaklı bozulma (LID), PVsyst simülasyon modellemesi kullanılarak tahmin edilir. Son aşamada, kristalin PV sistemlerindeki olası bozulma oranı ise PV modül güvenilirlik raporlarının All-India anketine dayanarak değerlendirilir [20].
Malvoni ve diğerleri (2017), güney İtalya'da bulunan 960 kWp fotovoltaik sistemin performansını araştırmaktadır. İncelenen PV sisteminin gerçek performansı, iki simülasyon aracı olan SAM ve PVsyst kullanılarak beklenen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. SAM ve PVsyst modellerinin doğruluğunu değerlendirmek için ayrıntılı bir fark analizi yapılır. Sonuçlar, şebekeye enjekte edilen yıllık ortalama enerjinin SAM tarafından% 3,0 ve PVsyst tarafından% 3,3 civarında tahmin edildiğini ancak genel olarak PVsyst'in SAM’
dan daha iyi performans sağladığını göstermektedir. 43 aylık periyottaki veriler izlendiğinde performans oranı ve kapasite faktörünün sırasıyla % 84.4 ve % 15.6 olduğu tespit edilmiştir [21].
Morshed ve diğerleri (2015), Bangladeş Dakka'da bulunan, 2 kW'lık bağımsız bir güneş enerjisi sistemini SolarMAT adlı bir MATLAB programı ve iki popüler yazılım PVsyst V5.06 ve HOMER kullanarak tasarlamıştır. Hem PVsyst hem de HOMER, güneş sistemi tasarımı ve modellemesi alanında çok yönlü ve tanınmış yazılımlardır. PVsyt ve HOMER, ücretsiz bir araç olan SolarMAT'ın aksine satın alınmak zorundadır. SolarMAT, MATLAB ortamında bir güneş sistemini doğru şekilde tasarlayabilen ve diğer ikisine benzeyen bir
şekilde geliştirilmiştir. Bu yazılımların kabulünü kontrol etmek için nihai sonuç pratik verilerle karşılaştırılacaktır [22].
3. ENERJİ
3.1. Dünyada Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi
Enerji kaynakları kullanışlarına göre yenilenebilir ve yenilenemez enerji kaynakları olarak ikiye ayrılır. Aynı zamanda dönüştürülebilirliklerine göre birincil ve ikincil enerji kaynakları şeklinde sınıflandırılmaktadır. Yenilenemez enerji kaynakları, zaman içerisinde tükenebileceği öngörülen enerji kaynaklarıdır. Bunlar fosil kaynaklılar ve çekirdek kaynaklılar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Yenileneb29ilir enerji kaynakları ise; oldukça uzun sayılabilecek bir zaman diliminde tükenmeden kalabilecek kaynaklardır [2,23].
Birincil (primer) enerji, enerjinin herhangi bir değişim ya da dönüşüme uğramamış haline denilmektedir. Birincil enerji kaynakları; petrol, kömür, doğal gaz, nükleer, hidrolik, biyokütle, dalga-gelgit, güneş ve rüzgardır. İkincil (sekonder) enerji ise birincil enerjinin dönüştürülmesi sonucu elde edilen enerji olarak tanımlanmaktadır. Elektrik, motorin, benzin, mazot, kok kömürü, hava gazı, ikincil kömür, petrokok ve sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) ikincil enerji kaynaklarındandır [2,24].
Dünya kesinleşmiş kömür rezervleri küresel üretimi 114 yıl boyunca karşılamaya yetecek miktarda olup tüm yakıtlar arasında en yüksek rezerv üretim oranına sahiptir. Amerika en fazla yerel rezerve sahip ülke olup arkasından Rusya ve Çin gelmektedir. 2000-2009 yılları arasındaki kömür tüketimini yıllık ortalama %9,5 arttıran Çin, 2013 yılı sonu itibarıyla dünya kömür üretiminin yarısını tüketirken, Amerika %11 ile ikinci sıradadır [25].
Seçilmiş yıllarda dünya birincil enerji tüketimi dikkate alındığında; Çin ve Amerika ilk iki sırada yer almakta ve bu iki ülkenin toplam birincil enerji tüketimi dünya tüketiminin yaklaşık %39,7’ sine tekabül etmektedir. Ülkemiz ise birincil enerji tüketiminde 17.
sıradadır (Çizelge 3.1) [26].
Çizelge 3.1. Dünyada birincil enerji tüketimi sıralaması (Mtep) (2013-2017)
Dünya genelinde enerji tüketiminin 2017 yılı 2016 yılına göre yüzde 2,2 arttığı British Petroleum (BP), Dünya Enerji İstatistik Görünümü 2018 Raporu'nda belirtilmektedir. Bu durumun 2013'ten bu yana yıllık en yüksek artış oranı olduğu kaydedildi. 2017 yılında dünyada doğalgaz tüketimi bir önceki yıla göre %3 artarak 96 milyar m3 olmuştur.
Küresel gaz tüketimini körükleyen en büyük etken, kömürden gaza geçişe teşvik eden Ülke 2013 2014 2017 2017 Yılı İçin Toplamdaki Payı
(%)
Çin 2907,0 2973,5 3132,2 23,2
ABD 2221,1 2246,2 2234,9 16,5
Hindistan 623,6 666,8 753,7 5,6
Rusya 683,9 689,6 698,3 5,2
Japonya 471,3 456,7 456,4 3,4
Kanada 331,5 335,4 348,7 2,6
Almanya 330,7 317,2 335,1 2,5
Brezilya 294,3 301,8 294,4 2,2
Güney Kore 276,7 279,3 295,9 2,2
Iran 240,6 255,1 275,4 2,0
Suudi
Arabistan 234,0 250,6 268,3 2,0
Fransa 250,3 240,6 237,9 1,8
Birleşik Krallık 203,7 192,0 191,3 1,4
Meksika 185,7 185,2 189,3 1,4
Endonezya 177,6 166,0 175,2 1,3
Italya 158,0 149,1 156,0 1,2
Türkiye 121,6 125,6 157,7 1,2
Ispanya 135,7 133,3 138,8 1,0
Tayland 118,7 122,1 129,7 1,0
Avustralya 34,8 33,7 35,9 0,3
Diğerleri 2828,5 2834,1 3006,1 22
TOPLAM 12829,3 12953,9 13511,2 100
hükümet çevre politikalarının etkisiyle tüketimin %15 'in üzerinde yükseldiği Çin’in gaz talebindeki artış olmuştur. Tüketimde en yüksek artış 31 milyar m3 Çin, 28 milyar m3
Ortadoğu ve 26 milyar m3 ile Avrupa'dan geldi [26].
Raporda, dünya genelindeki kömür tüketiminin 2017 yılı 2016 yılına göre %1 artarak 25 milyon ton eşdeğer petrol (TEP) olduğu ve kömür tüketiminin 2013'ten bu yana ilk defa yükseldiği belirtilmektedir. Kömür tüketimindeki artışın daha çok 18 milyon TEP Hindistan ve 4 milyon TEP Çin kaynaklı olduğundan bahsedilmiştir. Kömür üretimi, 2017 yılı 2016 yılına göre % 3,2 artarak 105 milyon TEP olmuştur. Böylece 2011'den bu yana en yüksek yıllık artış oranı gözlemlenmiştir. Öte yandan, kömürün enerji kaynakları içindeki payının %27,6 'ya gerilediği ifade edilmiştir [26].
Küresel enerji talebinin üçte bir oranında artışına, gelişmekte olan ekonomilerdeki hızlı büyüme sebep olmaktadır [26]. Uluslararası Enerji Ajansının (IEA) tahminlerine göre 2015 yılında 13,7 milyar TEP olan dünya birincil enerji talebinin 2040 yılında 2000 yılına göre
%92 oranında artışla 19,3 milyar TEP’e ulaşması beklenmektedir [27].
Ülkeler bazında değerlendirme yapıldığında 2030'lu yılların başında dünyanın en hızlı büyüyen enerji pazarının Çin’i geride bırakarak Hindistan olması beklenmektedir.
Dünyada şimdiye kadar görülen en fazla çeşitliliğin 2040 yılında olacağı düşünülmektedir.
Petrol, doğal gaz, kömür ve fosil olmayan yakıtların herbiri yaklaşık dörtte bir oranında bulunacağı öngörülmektedir (Şekil 3.1) [26].
Şekil 3.1. Birincil enerji talebi
2016 yılında dünya birincil enerji tüketiminin %81’i, ülkemiz tüketiminin ise %87’si fosil yakıtlardan oluşmaktadır. Mevcut enerji politikaları ile devam senaryosuna göre fosil yakıtların 2040 yılındaki payının dünyada %79’a düşmesi beklenmektedir. IEA’nın 2040 yılı tahminlerine göre birincil enerji talebinde kömür payının %27,1, petrol payının %28 ve doğal gaz payının %24 seviyelerinde olacağı düşünülmektedir. Mevcut enerji politikaları ile devam senaryosuna göre 2040 yılına kadar olan süreçte; rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir kaynaklar ile doğal gaz, talebi en hızlı büyüme oranına sahip enerji kaynakları olacaktır (Çizelge 3.2). Bu senaryoda, yıllık ortalamaolarak bakıldığında yenilenebilir kaynaklar %12,9 , doğal gaz %2,3 ve nükleer enerji %2,1 talep artışına sahip olacaktır. Bu üç kaynağın talebindeki toplam büyüme oranı, toplam birincil enerjinin talebindeki büyüme oranından daha fazladır. Fosil yakıtlar arasında talebi en fazla büyüme oranına sahip olan kaynak yıllık ortalama %2,3 büyüme oranı ile doğal gaz olacaktır.
Doğal gazı sırasıyla yıllık ortalama %1,3 ve %1,0 büyüme oranları ile kömür ve petrol izlemektedir [27].
Çizelge 3.2. Dünya ve Türkiye birincil enerji talebinin gelişimi
Dünya ve Türkiye Birincil Enerji Talebi (mtep)
Dünya
Mevcut Politikalar S. Türkiye
Kaynaklar 2000 2016 2025 2040 2016
Kömür 2311 3755 4165 5045 38,357
Petrol 3670 4388 4815 5477 42,204
Doğalgaz 2071 3007 3514 4682 38,338
Nükleer 676 681 839 997
Hidro 225 350 409 513 5,782
Biyoenergy 1023 1364 1507 1728 2,843
Diğer Yenilenebilir Kaynak. 60 225 441 856 8,705
TOPLAM 10036 13770 15690 19298 136,229
Fosil Yakıtların Payı (%) 80 81 80 79 87
Petrolün Payı (%) 37 32 31 28 31
CO2 Emisyonları (Gt) 23 32 35 43
Fosil yakıtların atmosfere bıraktıkları zararlı gazlar dolayısı ile küresel ısınma, atmosfer kirliliği, iklim değişikliği ve sera etkisi gibi etkiler oluşmaktadır. Zararlı gazlar dolayısıyla yeryüzü sıcaklığının her 10 yılda 0,3℃ artmasına küresel ısınma denir. Bu gazlar arasında en önemli olanı karbondioksit gazıdır. Tehlikenin farkında olan Birleşmiş Milletler, konuya ilişkin ilk ciddi adımı “İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi” ile atmıştır. 1994’te yürürlüğe giren sözleşmeyle imza sahibi ülkelere 2000 yılı başında sera gazı salınımlarının 1990 yılı seviyelerine indirilmesi yükümlülüğünü getirmiştir [28].
Atmosferdeki karbondioksit gazı miktarı, son yüzyıl içinde takribi 1,3 kat artmıştır. Bu miktarın önümüzdeki 50 yıl içerisinde, bugüne oranla 1,4 kat daha artma olasılığı vardır.
Son yüzyıl içerisinde dünya ortalama sıcaklığı atmosferdeki karbondioksit gazının neden olduğu sera etkisi ile 0,7°C yükselmiştir. Bu sıcaklığın 1°C yükselmesi, dünya iklim kuşaklarında görünür değişimlere, 3°C düzeyine varacak artışlar ise, kutuplardaki buzulların erimesine, göllerde kurumalara, denizlerin yükselmesine ve tarımsal kuraklığa neden olabilecektir [29].
Paris İklim Değişikliği görüşmelerinin hedefi olan küresel sıcaklık artışını 1,5 veya en fazla 2℃’ de tutabilmek için, enerji arz ve tüketiminde ciddi politika değişiklikleri gerekmektedir. Yeni yüzyılın ilk 15 yılında petrolün payı %36,5’den %31,7’ye, nükleerin payı %6,7’den %4,9’a düşmüştür. Kömürün toplam içindeki payı 4,8 puan artışla
%23,3’den %28,1 düzeyine gelirken doğal gazın payı ise 1 puanlık artışla %20,6’dan
%21,6’ya yükselmiştir (Şekil 3.2) [30].
Şekil 3.2. Son 15 yılda kaynaklara göre birincil enerji arzı
Fosil kaynakların %80,4’den %81,4’e yükseldiği ve küresel karbon emisyonun 23,1 Gt seviyesinden %40 civarında artışla 32,3 Gt düzeyine geldiği görülmüştür [31]. Böylece son 15 yıllık dönemin net kazananı kömür olmuştur.
IEA’ nın yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artacağı, enerji verimliliğinin artırılıp karbon emisyonlarının azaltılmasına yönelik çabalardan oluşan “Yeni Politikalar Senaryosu’ nda dahi, kömürün 2040 yılındaki küresel enerji talebi içerisindeki payı
%22’nin altına düşmemektedir [30].
Karbon emisyonun 2040 yılına kadar %10 artması beklenmektedir. Bu durum Paris İklim Anlaşması taahhütlerini yerine getirmek için gerekli olduğu düşünülen keskin düşüşten daha yüksektir. Bu nedenle, 2040 yılına kadar karbon emisyonlarının %50 gibi bir oran civarında azalması beklenilen “Daha Hızlı Dönüşüm” senaryosu Uluslararası Enerji Ajansı tarafından oluşturulmuştur. Şekil 3.3’te gösterilen bu senaryoda 2040 yılına kadar neredeyse karbon salınımı üretmeyen enerji sektöründen bahsedilmektedir [26].
Şekil 3.3. 2040 Yılına kadar kaynaklarına göre karbon emisyonu dağılımı
Dünyada brüt elektrik enerjisi üretimi 1974 yılında 6287 TWh iken 2014 yılında 23815 TWh olarak gözlenmiştir. Dünyadaki toplam elektrik enerjisi tüketimi ise 2014 yılında 19841 TWh’ a ulaşmıştır [32]. Dünyadaki elektrik enerjisi talebinin 2040 yılında 34250 TWh olması beklenirken, bunun yaklaşık 14271 TWh’ nın yenilenebilir enerji
kaynaklarından karşılanacağı düşünülmektedir [33]. Dünyadaki yenilenebilir elektrik üretiminde hidroelektrik ve rüzgar enerji santrallerinden sonra üçüncü en büyük kaynak güneş enerjisidir. Global fotovoltaik güç kapasitesi 2015 yılında 227 GW’ a çıkmıştır [34,35].
Yenilenebilir enerji kaynakları çok geniş bir potansiyele sahip olmasına rağmen, dünya genelinde tüketilen enerji çeşitlerine bakıldığında sırasıyla petrol, kömür ve doğalgaz gelmektedir. Yenilenebilir enerjinin toplam birincil enerji tüketimi içerisindeki payı hidroelektrik ve yenilenebilir toplamı olan %9,5 kadardır. Bu durum 2015 yılında %13,7 seviyesine çıkmıştır [30].
Diğer taraftan küresel nihai enerji tüketiminde yenilenebilir enerjinin payı 2014 yılı itibarıyla %19,2 olarak gerçekleşmiştir. Nihai enerji tüketimi son kullanıcı tarafından bağımsız bölümde veya binasında katı, sıvı veya gaz yakıtlardan elde edilen enerjinin ve elektrik enerjisinin toplam tüketimi demektir [36].
2015 ve 2016 yıllarında da artmaya devam eden bu oran %20 bandını geçmiştir. Nihai tüketim içerisindeki fosil yakıtların payı yaklaşık olarak %79 ve nükleer enerji ise %2,5 kadardır. Böylece, yenilenebilir enerji kaynaklarının dünyada tüketilen enerjinin yaklaşık beşte birini karşıladığı görülmektedir [37].
Dünya elektrik üretiminde önemli bir yere sahip olan yenilenebilir enerji toplam üretim kapasitesini 2017 yılında 2016 yılına göre yaklaşık %9 oranında artırdı [38]. Rüzgar ve fotovoltaikte maliyet rekabetçiliğinde devam eden gelişmeler, 2017 yılında küresel güç kapasitesine katkı sağlamıştır. Dünya genelinde yenilenebilir enerjideki artışın yarıdan fazlasının rüzgardan geldiğine dikkat çekilirken, toplam artışın yaklaşık yüzde 21’ nin de güneş kaynaklı olduğu belirtildi [26].
Nükleer güç ve fosil yakıtların birleşiminden daha fazla fotovoltaik kapasitesi eklenmiştir (Çizelge 3.3) [38].
Çizelge 3.3. 2016-2017 Yıllarında yenilenebilir enerji kapasitesi
2016 2017 YATIRIM
Yenilenebilir Enerji ve Yakıtta Yeni
Yatırımlar Milyar ABD
Doları 274 279,8
ENERJİ
Yenilenebilir Enerji Kapasitesi (Hidro Dahil) GW 2017 2195 Yenilenebilir Enerji Kapasitesi (Midro Dahil
Değil)
GW 922 1081
Hidroelektrik Kapasitesi GW 1095 1114
Biyogüç Kapasitesi GW 114 122
Biyogüç Üretimi (Yıllık) TWh 501 555
Jeotermal Güç Kapasitesi GW 12,1 12,8
Güneş PV Kapasitesi GW 303 402
Konsantre Güneş Enerjisi Sistemleri (CSP) Kapasitesi
GW 4,8 4,9
Rüzgar Enerji Kapasitesi GW 487 539
Okyanus Enerji Kapasitesi GW 0,5 0,5
Hidroelektrikteki kapasite 2017 yılında yapılan yaklaşık 19 GW’ lik küresel eklemeyle toplamda yaklaşık 1114 GW oldu. Hidroelektrik kapasitesinin devreye alınmasında uzun yıllardır liderliğini koruyan Çin yeni tesislerin yaklaşık %40'ını karşıladı. Çin’den sonra ise Brezilya, Hindistan, Angola ve Türkiye gelmektedir. Rüzgâr enerjisine gelindiğinde 2017 üçüncü en güçlü yıl olmakla birlikte toplam kurulu güç 539 GW için 52 GW' tan fazla artış oldu. Açık deniz rüzgârı sektöründe toplam kapasite %30 artarak en iyi yılını geçirmiştir.
Küresel jeotermal enerji kapasitesi 0,7 GW’ lik yeni kapasite ilavesiyle 2017 yılında yaklaşık 12 GW’ a ulaşmıştır. Endonezya ve Türkiye yeni kapasitenin dörtte üçünü oluştururken, geriye kalan kısımda etkin olan ülkeler ABD, Japonya, Şili, İzlanda, Honduras, Meksika, Portekiz, Macaristan'dır. Biyoenerji, küresel nihai enerji talebinin yaklaşık %13'ünü karşılamaktadır. Biyoenerjide fosil yakıt fiyatlarının olmaması nedeniyle ısınma amaçlı modern kullanımda etkilidir. Elektrik sektörü, 2017 yılında %11 artarak biyokütle üretimiyle daha hızlı bir büyüme göstermiştir. Yıl boyunca Çin ABD’yi geçip en büyük biyoelektrik üreticisi olmuştur [38].
Yenilenebilir enerji ve yakıtlara yönelik 50 MW’ tan büyük hidroelektrik projelerini içermeyen yeni yatırımlar yıllık 200 milyar ABD dolarını aşmıştır. Güneş ve rüzgar enerjisi teknolojileri için ilave maliyet düşüşlerine rağmen, yatırım tutarı 2016 yılına göre
%2 artışla 279,8 milyar ABD doları olmuştur. Yenilenebilir enerji ve yakıtlara yapılan
toplam yeni yatırımlar 50 MW’ tan büyük hidroelektrik projeleri de dahil olmak üzere 2017 yılında en az 310 milyar ABD doları olmuştur [38].
2015 yılında ilk kez yenilenebilir enerji yatırımlarında gelişmekte olan ekonomiler gelişmiş ülkeleri geride bırakarak 2017 yılındaki liderliğini pekiştirmişlerdir. Gelişmekte olan ülkelere yapılan yatırımlar %20 oranında artarak 177 milyar ABD doları olurken, gelişmiş ülkelerin payı %19 azalarak 103 milyar ABD dolarına gerilemiştir [38].
Fosil ve hidrolik enerjinin de asıl kaynağı olan başlıca yenilenebilir enerji kaynağı dünyamızı ısıtan güneştir. Güneş enerjisi, hidrojenin helyuma dönüşmesi sırasında ortaya çıkan enerjinin ışınım biçiminde uzaya yayılmasıdır. Milyonlarca yıl ışımasını sürdürecek olan güneş dünyadaki tüm enerji kaynaklarına dolaylı ya da dolaysız olarak temel oluşturmaktadır.
Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan hidrojen gazının helyuma dönüşmesiyle gerçekleşen füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir. Atmosferin dışında güneş enerjisinin şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değerindedir. Fakat yeryüzüne ulaşan miktar atmosferdeki kayıplardan dolayı 0 - 1100 W/m² değerleri arasında değişim göstermektedir [39]. Yeryüzüne gelebilen enerji miktarının bu kadar düşmesinin nedeni atmosferde bulunan ozon, su buharı ve karbondioksit gibi gazların ışınıma olan absorbe etkisinin yanı sıra, Güneş ve Dünya arasında ışınımın seyretmesi gereken yolun uzunluğudur [40]. Bu enerjinin dünyaya gelen ufak bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden çok daha fazladır [39]. Bu yönüyle güneş enerjisi çevre açısından fosil yakıtlara alternatiftir. Yeryüzüne gelen ışınım enerjisi şimdiye kadar ortaya çıkarılmış fosil yakıt haznelerinden 160 kat daha fazladır ve fosil, hidroelektrik, nükleer tesislerinin bir yılda üreteceği enerjiden 15 bin kat daha fazladır [41].
Güneş enerjisini değerlendirmek için iki temel metot kullanılmaktadır. Bu metodlar yöntem, teknoloji ve malzeme bakımından çeşitlilik göstermektedir. Temel ayrımı ise güneş enerjisini ya elektrik enerjisine dönüştürmesi ya da ısıya dönüştürmesinden kaynaklanmaktadır;
Fotovoltaik Güneş Teknolojisi: Yarı iletken malzemelerden oluşan fotovoltaik hücreler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler.
Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde güneş enerjisinden ısı elde edildikten sonra bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilmektedir [39].
Fotovoltaik sektörü, özellikle 2014 yılından sonra %25’lik bir büyüme kaydetmiştir. 2015 yılında güneş enerjisinde 50GW’lık bir kapasite artışı gerçekleşmiş ve küresel ölçekte toplam 227GW’lık bir kapasiteye ulaşılmıştır. Bölgesel ölçekte fotovoltaik kurulu güç kapasitesi sıralaması Avrupa, Asya, Kuzey Amerika ve Afrika olarak Şekil 3.4’te gösterilmiştir. Öte taraftan dünya genelinde en fazla fotovoltaik sistem kapasitesi sırasıyla Çin, Almanya, Japonya, ABD ve İtalya’ya aittir. Almanya 2015 yılında kişi başına düşen fotovoltaik sistem kapasitesi bakımından ilk sırada yer almaktadır. Çin, Japonya ve ABD’de ise önemli kapasite artış performansı söz konusudur. Bununla birlikte güneş enerjisinden ısı elde etme kapasitesi bakımından lider konumunda bulunan Çin, ABD ve Almanya’yı Türkiye takip etmektedir [34].
Şekil 3.4. Güneş enerjisi kurulu gücünün bölgelere göre dağılımı [34]
2015 yılı yoğunlaştırılmış güneş enerji sistemleri kapasite artışında önemli bir yıl olmuştur [34]. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemlerinde (consantrated solar power=CSP), aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vardır. Geniş bir alana düşen güneş ışınlarını nispeten küçük bir alana yansıtmak söz konusudur. CSP teknolojisi, parabolik oluk şeklindeki kolektörlerde toplanan güneş ışınları, aynaların odak noktasından geçen tüpün içinden iletilen suda toplanmasıyla doğrudan buhar üretimi gerçekleştirir. Birbirine seri bağlı olan ünitelerden ısınarak geçen su ve su buharı son üniteden istenilen sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşır. Karbon emisyonu aratmadan elektrik enerjisi elde edilmesi üretilen buharın doğrudan buhar türbinine gönderilmesiyle gerçekleşir [39]. Fas
160MW’lık kapasite artışı ile ilk sırada yer alırken; 150MW ile Güney Afrika ve 110MW ile ABD liderliği takip etmiştir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi toplam kapasitesi bakımından ise İspanya ilk sıradadır [34].
Ülkelerin yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneşe verdikleri önem ile 2017 yılı fotovoltaik için dönüm noktası olmuştur. Bu yıl, yoğun rekabetin etkisiyle en düşük ihale fiyatlarının verildiği, verimliliği arttığı, enerji maliyetlerinin düştüğü, imalat ve ürün performansındaki yeniliklerin zorlandığı bir yıl olmuştur. Elektrik sistemine fosil yakıtların ve nükleer enerjinin net kapasite ilavesinden daha fazla fotovoltaik üretim kapasitesi eklenmiştir. 2017' de fotovoltaik Çin, Hindistan, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri de dahil olmak üzere birçok büyük pazarda en büyük yeni güç kapasitesi kaynağıydı.
Küresel olarak şebeke içinde ve dışında en az 98 GW fotovoltaik kapasitesi kuruldu.
Toplam kapasiteyi üçte bir oranı civarında artırarak, yaklaşık 402 GW kümülatif toplam elde edildi (Şekil 3.5). Yılın her saatinde 40000'den fazla güneş panelinin eşdeğeri kuruldu [38].
Şekil 3.5. 2007-2017 Yıllarında dünyadaki fotovoltaik kapasitesi
2016 yılına göre Çin'deki güçlü büyümeye bağlı olarak yeni tesislerin % 50'sinden fazlası burada yükselmiştir. Hindistan'ın pazarı iki katına çıkarken, diğer büyük pazar olan Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri çeşitli sözleşmeler yapmıştır. İlk beş ulusal pazar olan Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Hindistan, Japonya ve Türkiye 2017 yılında kurulan
gücün yaklaşık% 84'ünden sorumludur. Sonraki beşte yer alan ülkeler ise Almanya, Avustralya, Kore Cumhuriyeti, Birleşik Krallık ve Brezilya’dır. Toplam kapasitede en üst sıralarda yer alan ülkeler ise Çin, ABD, Japonya, Almanya ve İtalya’dır (Şekil 3.6) [38].
Şekil 3.6. 2007-2017 Yılları arasında ülke bazlı fotovoltaik kapasitesi
Yeni pazarlar ortaya çıkmakla birlikte neredeyse tüm kıtalardaki ülkeler küresel büyümeye önemli katkılar sağlamaya başladı. Kişi başına solar PV kapasitesi liderleri ise Almanya, Japonya, Belçika, İtalya ve Avustralya’dır.
2015 yılında dünyaya eklenen toplam PV kapasitesi kurulu gücü 51 GW’ tan daha fazlasını 2017 yılında tek başına 53,1 GW PV kapasitesi olarak ekleyen Çin tüm beklentileri aşmıştır. Ekonomik gelişme, yoksulluğun azaltılması ve çevreyi koruma amacıyla 2016 yılında 2020 yılı için ilan edilen 105 GW’ lık asgari hedef 2017 yılında 131,1 GW a ulaşarak aşılmıştır (Şekil 3.7) [38].
Şekil 3.7. 2017 Yılında lider 10 ülke bazında eklenen fotovoltaik kapasite
2018 yılı itibariyle dünyanın en güçlü fotovoltaik yatırımcısı ülkeleri sırasıyla Çin, Hindistan ve ABD’dir. 2018 yılında Dünya’nın en büyük boyuttaki ilk 3 güneş enerji santrali ise Tengger Desert, Bhadla ve LongyangxiaDam’dir [42]. Kurulu gücü 1547MW olan Tengger Desert Solar Park, Çin’in Ningxia eyaletinde 43km2lik alanda yer almaktadır. Dünyanın en yüksek kapasiteli santrali “Güneş Enerjisi’nin Çin Seddi” olarak da anılmaktadır. Ürettiği 1,5 GW enerji ile nükleer santrallere denk iş çıkartabilen santralin etrafında genişlemek için daha çok alan bulunduğu ve kapasite artımının planlandığı belirtilmektedir.
Kurulu gücü 1365MW olan Bhadla Solar Park, Hindistan’ın Jodhpur eyaletinde 40 km2
lik alanda yer almaktadır. Dünyanın ikinci Hindistan’ın ise en büyüğü olan santralin büyümesi devam etmektedir 2019’un Mart ayında tamamlanması düşünülen 880 MW kapasite ilavesiyle dünyanın en büyük güneş santrali ünvanını Tengger’in elinden alabilir.
Kurulu gücü 850 MW olan Longyangxia Dam Solar Park, Çin’de 27 km2lik alanda yer almaktadır. 2013 yılında faaliyete geçen üçüncü sırada bulunan Longyangxia güneş santralinde 2017 yılı itibari ile 4 milyona yakın güneş paneli bulunmaktadır. Bu santral hemen yakındaki 1280 MW kapasiteli hidroelektrik santraline ile birlikte çalışmaktadır. Bu konfigürasyon ile dünyanın en büyük hibrit güneş/hidroelektrik santrali olarak görev yapmaktadır. Barajdan elde edilen enerji ile güneş enerji santralinin zaman zaman
dengesiz olabilen elektrik çıkışı dengelendiği gibi güneş enerjisinden elde edilen enerji ile de barajda daha az su harcamasını sağlamaktadır [42].
3.2. Türkiye’de Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi
Ülkemizde artan nüfus, sanayileşme ve refah düzeyi ile birlikte enerji ihtiyacı Avrupa ülke ortalamalarına göre çok daha hızlı artmaktadır. Ülkemizde yeni teknolojilerle enerji üretimini çeşitlendirmeye, hızla artmakta olan enerji talebini karşılamak için sınırlı olan doğal kaynaklarımızı rasyonel bir şekilde kullanmaya, alternatif enerji kaynaklarını değerlendirmeye ve mevcut teknolojilerin verimliliğini arttırmaya yönelik strateji ve politikaların uygulanmasına önem verilmektedir [43].
Elektrik piyasaları monopolcü yapıdan rekabetçi yapıya geçiş yaşanan piyasalardır. 1980 sonrası dönemde birçok ülkede elektrik piyasalarında serbestleşme süreci başlamıştır.
Türkiye’deki reform süreci elektrik piyasasında üretim özelleştirmeleri ile başlayıp ticaret piyasasının tasarımındaki değişikliklerle devam etmiştir. Enerji borsasına ilişkin önemli bir aşama 2013 yılında yürürlüğe giren 6446 sayılı elektrik piyasası kanunu ile kurulan EPİAŞ ile kaydedilmiştir [44].
Türkiye’de 2007-2017 yılları itibariyle kaynak bazında birincil enerji tüketimi incelendiğinde kömür ve doğalgazda tüketim artmış olmasına rağmen birincil enerji tüketimi içerisindeki payları azalmıştır. Kömür, 2007 yılında %24,97’lik bir paya sahip iken 2017 yılında %21,95’e düşmüştür. Doğalgazda da yine aynı şekilde %28,52 seviyesinden %24,33 seviyesine gerilemiştir. 2007-2017 döneminde yenilenebilir enerji kaynakları olan güneş, jeotermal ısı, rüzgar ve yenilenebilir atık ısı toplam arz içerisinde fazla paya sahip olmasa da, hidrolik %32,01’lik dilimde yer almaktadır (Şekil 3.8) [45].
Birim :MW
Kömür Sıvı Yakıtlar
Doğal Gaz
Yenilenebili r
+Atık+Atık Isı
Çok Yakıtlı
Hidrolik Jeotermal Rüzgar Güneş Toplam
2007
10197,
4 2000,2
11647,
4 42,7 3384,0 13394,9 22,9 146,3 -
40835, 7
% 24,97 4,90 28,52 0,10 8,29 32,80 0,06 0,36 - 100,00
2017
18705,
5 380,2
22002,
2 641,9 5196,6 27273,1 1063,7 6516,2
3420, 7
85200, 0
% 21,95 0,45 24,33 0,75 7,59 32,01 1,25 7,65 4,01 100,00
Şekil 3.8. 2007-2017 Yılları itibariyle kaynak bazında birincil enerji tüketimi
Türkiye elektrik enerjisi kurulu gücü 2016 yılında 78599 MW iken, 2017 yılı sonu itibariyle 85200 MW’a yükselmiştir. TEİAŞ verilerine göre 2016 yılında toplam 2321 santral üzerinden gerçekleşen üretim, 2017 yılında 5021 santrale ulaşmıştır (Şekil 3.9) [45].
0,0 10.000,0 20.000,0 30.000,0
10.197,3 2.000,2 11.647,4 42,7 3.384,0 13.394,8 22,9 146,3 0,0
18.705,5 380,2 22.002,2 641,9 5.196,6 27.273,1 1.063,7 6.516,2 3.420,7
MW
2007 VE 2017 YILLARI İÇİN BİRİNCİL ENERJİ KAYNAKLARINA GÖRE TÜRKİYE KURULU GÜCÜ
2007 2017
Şekil 3.9. Türkiye kurulu gücünün 1977-2017 yılları itibariyle gelişimi
TEİAŞ verilerine göre, Türkiye’ nin kurulu gücü 2018 yılı Ağustos ayında 87736,8 MW’ a yükselmiştir [46]. Kurulu güç artışı Ağustos ayında 443,2 MW, 2018’ nin ilk sekiz aylık döneminde ise 2536,8 MW olmuştur. 330 MWkurulu güce sahip yerli kömür ile çalışan Çan-2 termik santrali Ağustos ayındaki artışın en önemli sebeplerinin başında gelmektedir.
2018 yılı sonu ve 31 Ocak 2019 tarihi itibariyle Türkiye’de elektrik üretiminde kullanılan santrallerin kurulu gücünün dağılımı Çizelge 3.4’ te verilmiştir [47].
2019 yılı Ocak ayı itibariyle fuel oil-nafta-motorinden 294MW, taş kömürü-linyit- asfaltitten oluşan yerli kömürden 10403,5MW, ithal kömürden 8793,9MW, doğalgaz- LNG’den 22437,8MW, katı-sıvı karışımlı çok yakıtlılardan 697,1MW, sıvı-doğalgaz karışımlı çok yakıtlılardan 3358,3MW ve lisansız termikten ise 319,3MW elektrik enerjisi elde edilmiştir.
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012 2017
4.727,206.638,60
12.495,10
18.716,10
21.891,90
31.845,80
40.835,70
57.059,40
85.200,00
MW
Yıllar
