GÜNEŞ ENERJİSİ - ŞİMDİ VE GELECEKTE

FUTURE OF SOLAR ENERGY

School of Mechanical and Mining Engineering

The University of Queensland

December 2016

Güneş Enerjisi deyince…

• Photovoltaik – PV

– Otuz sene yok gibiydi, şimdi güneş deyince ilk akla o geliyor

• Yoğunlaştırılmış (Mükessif) Güneş Termal (YGT)

– Otuz sene önce güneşten elektrik elde edelim deyince bir tek bu

akla geliyordu. Şimdi geri planda kaldı.

• İkisi de farklı nedenlerle elzem teknolojiler

• Türkiye güneş enerjisi üzerine tercihler yaparken, şunlara

dikkat etmek zorunda :

– Maliyetler

– Dışa bağımlılık

– Şebeke emniyeti

December 2016

İlk büyük Güneş Termal Santral

December 2016

Geçen sene İvanpah üretime başlayana kadar dünyanın en büyük güneş

termal santralı 30 senelik ve 361-MWe etiket kapasiteli bu SEGS santralı idi.

PV Tecrübe Eğrisi

December 2016

Gurgenci, Supercritical CO2 cycles offer experience curve opportunity to CST in remote area markets, SolarPaces 2013

$100b

$300b

IEA ya göre YGT kullanımı artacak

Source: Figure 10, International Energy Agency, Technology Map – Solar Thermal, 2014 Edition

Çin (Hong Kong hariç) 2013 toplam elektrik tüketimi = 5400 TWh

Türkiye 2016 toplam elektrik tüketimi = 260 TWh

December 2016

YG

T ü

retim

(T

Wh)

To

pla

m e

lektr

ik için

de

ki p

ayı

(%)

YGT göreceli olarak pahalı olacaksa, IEA niçin

YGT kullanımının artacağını tahmin ediyor ?

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 20600

50

100

150

200

250

300

350

Years

$/M

Wh CST

PV

Generated using data in Figures 4.45 and 4.26 of Australian Energy

Technology Assessment bree.gov.au (2012)

YGT daha pahalı

December 2016

YGT

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 20500

200

400

600

800

1000

1200

Years

To

tal G

We

an

d $

b/y

ea

r

Annual investment, $b

Global installed CST capacity, GWe

YGT Pazar büyüklüğü

Breakdown from Figure 4.2, IRENA, CSP Cost Analysis, 2012

The plot generated using the data on the

previous slide and a unit cost of $7m/MWe. CST Unit Cost = $7m/MWe

December 2016

ÖNCE TÜRKİYE

December 2016

Elektrik Tüketim ve Talep Tahmini

December 2016

Şekil 2.2, Türkiye'nin Enerji Görünümü 2016, MMO Raporu (MMO/659)

Gelecek yeni talebi güneş, rüzgar ve

diğer yenilenebilir enerji kaynaklardan

karşılamaya başlarsak, ödemeler

dengesi açığı artar mı, azalır mı?

Elektrik üretiminin kaynakları

December 2016

Enerji ithalatı ve ödemeler dengesi

0

50

100

150

200

250

300

2009 2010 2011 2012 2013 2014

Enerji İthalatı ve Toplam İthalat (ABD $)

Enerji ithali Toplam ithalat

December 2016

Türkiye 2015 Cari Açık = 32.2 milyar dolar

$55.9b $54.9b

$242b $252b

Enerji ithalatı ve ödemeler dengesi

• İthal kömür ve gazın yenilenebilir enerji ile ikamesi

ödemeler dengesini düzeltir mi?

• İthal kömür ve gazın yenilenebilir enerji ile ikamesi

Türkiye‘nin enerjide dışa bağımlılığına çare olur mu?

December 2016

kWh elektrik maliyeti bileşenleri

December 2016

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dog

al G

azLin

yit

Yenile

nebili

r

Yatirim

Isletme

%

Eğer Yenilenebilinir enerji üretimini yerli malı cihaz ve makinalarla

yapamazsak yenilenebilir enerjiye geçince ödemeler dengesi açığı

muhtemelen artacaktır.

Yenilenebilir

enerjide yakıt

bedava ama

santralın yatırım

masrafları kömür

ve gaza kıyasla

çok daha fazla.

Tesbitlerim

• Dünya yenilenebilir enerji kullanımı artarak yükseliyor

• Güneş bunun önemli bir parçası olacak

• Turkiye'nin güneş enerjisi kullanımı konusunda stratejik bir

görüş oluşturması gerekiyor. Aksi halde, şu anda kömür

ve gaza ödediğimiz paranın bir kaç mislini 2020 ler ve

sonrasında güneş enerjisi üreten cihazları ithal için

ödemek zorunda kalacağız

• Kaçan trenler

– Rüzgar santralleri donanımında treni kaçırdık

– Silikon PV üretiminde treni kaçırdık

• Jeotermal santral makinalarında tren kaçmak üzere

• Güneş termal elektrik için treni kaçırmayalım.

December 2016

Why Solar Energy?

Niçin Güneş Enerjisi

December 2016

1.5 milyar insan elektriksiz

yaşıyor. Akan susuz, soğutmasız

ve ışıksız.

Bu böyle süremez.

Fakir milletleri dünyanın dengesini bozmadan elektriğe

kavuşturmak zorundayız.

December 2016

Açların doyması için de enerji lazım

Andhra Pradesh pirinç üretimi

Online at http://mpra.ub.uni-muenchen.de/49204/

MPRA Paper No. 49204, posted 21. August 2013 11:53 UTC

Hindistan'da pirinç üretimi son

40 senede 2.5 misli arttı

December 2016

Daha fazla enerji daha fazla pirinç

Andhra Pradesh pirinç üretimi

Online at http://mpra.ub.uni-muenchen.de/49204/

MPRA Paper No. 49204, posted 21. August 2013 11:53 UTC

Pirinç üretiminin 2.5 artması 7.5 kat

daha fazla enerji kullanarak oldu

December 2016

Küresel elektrik talebi projeksiyonu

18000 TWh1

(1) http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC

(2) This is less than the BP projection. I am assuming the GFC slowdown will continue for a while taking the demand down.

28000 TWh2

Fakir ülkeler de zenginler gibi

yaşamak istiyor. Bu yüzden

daha fazla elektrik

tüketecekler.

December 2016

İlave elektrik nerden gelecek?

• Yenilenebilir enerji kullanımı için üç sebep:

– Fosil yakıtların tükenmesi

– Hava kirliliği

– İklim değişikliği

December 2016

Fosil yakıt rezervleri

TW

h

Fosil yakıtlar yüz sene

içinde tükenmeye

başlayacak. Fakir

milletler daha hızlı

kalkınırlarsa, bu daha

erken olabilir.

December 2016

Hava kirliliği sağlığımızı tehdit ediyor

2015 Luoyang

2012 Beijing

Çinli çocuklar göğün mavi

olduğunu ancak kırlarda görüyor

December 2016

Atmosferdeki CO2 miktarı

http://www.csiro.au/greenhouse-gases/

Sanayileşmeden önce

havadaki CO2 miktarları

nisbeten sabitti. 1700 lerle

birlikte hızla artmaya

başladı. Bu haritaya baz

teşkil eden değerler Cape

Grim istasyonu ölçümlerine

ve Antarktika kıtasındaki

Law Dome yöresinde

yüzey buzunu matkapla

delerek elde edilen fosil

buz analizlerine dayanıyor.

December 2016

Sıcaklıklar artacak

Hemen önlem alırsak Şimdiki gibi devam edersek

Sağdaki dünyayı kimse istemiyor. Şu anda, öyle bir ihtimalin olamazlığına

inanmak istiyoruz. Ancak iklim değişikliğini reddetmekle çok büyük bir risk

alıyoruz.

December 2016

Bazı bölgeler yaşanmaz hale gelebilir

Figure 2 | Time series of the

annual maximum wet bulb

temperature(1) for each

ensemble member and GHG

scenario. Blue, green and red

lines represent the historical

(1976–2005), RCP4.5 (2071–

2100) and RCP8.5 (2071–

2100) scenarios, respectively.

(1) maximum daily value

averaged over a 6-h window.

Pal, J S, Elfatih, A B E (2015). Future

temperature in southwest Asia

projected to exceed a threshold for

human adaptability. Nature Climate

Change, DOI:

10.1038/NCLIMATE2833

December 2016

Fosil yakıtlardan vaz geçmek bedava olmayacak

Bu suyun bedeli 1 sent olsaydı,

temiz suya kavuşmak için ne kadar

daha fazla öderdiniz.

Çoğumuz, böyle bir su içmek için

beş kat daha fazla öderdi..

December 2016

Fosil yakıtlar ve yenilenebilinir enerji

Hava kirliliğinden dolayı

göremediğiniz bu santraller ucuz

elektrik üretiyor (3-5 sent/kWh). Bunlardan gelen elektrik 2-3 kat daha pahalı.

December 2016

Gelirimizde elektrik payı

• Yukarıdaki cetvele göre, eğer Avustralya mevcut santralleri zaman içinde

yenilenebilir enerji santralleri ile değiştirirse, 1.3% fakirleşecek

• Türkiye için bu rakam 2% çünkü Türkiye ekonomisi birim değer başına daha fazla

elektrik harcıyor

• ÖNEMLİ : Bugünden yarına toptan değişim değil, zaman içinde doğal dönüşümden

bahsediyoruz Aksi halde , başlangıçtaki bedeller çok daha yüksek olur.

Country kWh/p GDP

[$]/p

kWh

/$GDP

Elect cost/$GDP

(kömür ile)1

Elect cost/$GDP

(güneş )2

Australia 107003 51900 0.21 $0.0084 (.21 x .04) $0.021 (0.21 x .1)

Turkey 34294 10000 0.34 $0.0136 (.34 x .04) $0.034 (0.34 x .1)

(1) Cost of electricity from coal = 4¢/kWh

(2) Cost of electricity from renewable sources (with storage) = 10 ¢/kWh

(3) https://industry.gov.au/Office-of-the-Chief-Economist/Publications/Pages/Australian-energy-statistics.aspx

(4) 2015 senesi itibarı ile, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Oğuz Türkyılmaz

December 2016

Corollaries from the last slide

• Yenilenebilir enerjiye ani geçişin fiyatı çok yüksek olabilir

• Ama, bu geçişi zamana yayarsak, mesela sadece yeni

santralleri yenilenebilir inşa ederek devam edersek, bu

maliyet GSMH nin yüzde 2-3 ü olur ancak

• Bu bile yüksek bir maliyet tabii ki.

• Ekonomi ne kadar enerji yoğun ise, yenilenebilinir enerjiye

geçiş maliyeti de o kadar yüksek olur.

December 2016

Güneş enerjisi çok ucuzladı gibi

Bloomberg Finance: https://www.bloomberg.com/news/articles/2016-12-15/world-energy-hits-a-turning-point-solar-that-s-cheaper-than-wind

ÖNEMLİ: PV gibi kesintili enerji kaynaklarına dayalı

elektrik, şebeke içinde 35% i geçemez. Depolama

mümkün tabii ama

(a) Maliyet artar

(b) Şebeke frekansını sabit tutmak için dönen atalete

ihtiyaç var

/MW

/MW

December 2016

Güneş enerjisi fazla fazla yeter

Tüm dünyanın ve tüm

Avrupa'nın elektriğini

üretmek için gerekli

alanlar

December 2016

Global Horizontal Irradiation Map

Tüm

Avustralya'nın

elektriğini

üretmek için

gerekli alan.

Total electricity generation = 250000 GWh/y

DNI in Roma = 2500 kWh/m2/y

Overall solar conversion efficiency = 25 %

Solar electricity generation per m2= 625 kWh

Mirrors required for Australia = 400 km2

http://solargis.info/doc/_pics/freemaps/1000px/ghi/SolarGIS-Solar-map-China-Mainlands-en.png

December 2016

Türkiye’de güneş enerjisi kullanımı

December 2016

PV WILL NOT BE ENOUGH

SADECE PV YETMEZ

Future solar power generation will be a combination of PV and CST

(Concentrating Solar Thermal)

December 2016

What Is Concentrating Solar Thermal?

December 2016

Mühendis ve Makina Dergisinden YGT tarifi

December 2016

Haydar Livatyalı, Taner Yıldırım, Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi Teknolojisindeki Gelişmeler, Muhendis ve Makina, 53(633)

Güneş Termal Elektrik Maliyetleri

Dubai Elektrik Su Idaresi

December 2016

Direk Normal Işınım (DNI) Haritası http://solargis.info/doc/_pics/freemaps/1000px/dni/SolarGIS-Solar-map-DNI-World-map-en.png

DNI değerleri

YGT için önemli

December 2016

Copiapo

Yatay Toplam Işınım (GHI) Haritası http://solargis.info/doc/_pics/freemaps/1000px/ghi/SolarGIS-Solar-map-World-map-en.png

GHI değerleri

PV için önemli

December 2016

Türkiye DNI Haritası

December 2016

Türkiye GHI Haritası

December 2016

Çevreden

yansıyan ışınım

Yatay toplayıcı

Yatay toplayıcıya düşen güneş ışınları toplamı GHI yi

verir. Bunun bir kısmı doğrudan güneşten, bir kısmı

çevreden gelir. Yatay plaka DNI'nin sadece bir bölümünü

yakalar bu yüzden, GHI < DNI.

December 2016

Global Horizontal Irradiance yani yatay toplam ışınım

Direct Normal Irradiance Direkt Normal Işınım

Güneşi izleyen ayna

Aynalar sadece direkt

normal ışınımı

yansıtırlar

December 2016

Different uses for GHI and DNI

• Photovoltaic systems

are designed using GHI

(usually adjusted for the

panel tilt angle)

• Concentrating Solar

Thermal systems are

designed using DNI

Tilt Angle

DNI

Diffuse

December 2016

Şili Copiapo Projesi

260 MWe

13 saat depolama

24 saat kesintisiz

$63/MWh

December 2016

PV ARRAYS at THE UNIVERSITY OF QUEENSLAND

December 2016

The University of Queensland

December 2016

UQ PV ARRAY ON A GOOD DAY

Güneşli bir gün

December 2016

Two days earlier (bulutlu bir gün)

Bulutlar

Gece

December 2016 http://solar.uq.edu.au/user/reportPower.php?dts=2016-12-28&dtra=day&rds=1

Elektriği depolamak pahalı

Tesla’s PowerPACK for utilities

unveiled in May 2015 has the

price tag $250/kWh.

Cost of storing heat:

$25/kWhth

$50/kWhe

Ayrıca, akü ömrü 10 sene ama termal depolamanın ömrü çok daha fazla.

Solar termal depolama bes kat daha ucuz.

December 2016

Isıyı saklamak kolay

December 2016

Şebeke frekansını sabit tutmak için dönen

atalet lazım

Reduced rotational inertia leads to faster frequency dynamics and in turn causes

larger frequency deviations and transient power exchanges over tie-lines in the

event of a power fault. This may cause false errors and unexpected tripping of the

tie-lines in question by automatic protection devices, in turn further aggravating an

already critical situation.

Ulbig et al (2013) https://arxiv.org/pdf/1312.6435.pdf

Also https://judithcurry.com/2016/01/06/renewables-and-grid-reliability/ for the views

of a Planning Engineer on risks to the power grid coming from increased renewable

penetration.

South Australian black-out in September 2016 is a good example on the risks of a

power grid with low rotating inertia.

http://www.aemo.com.au/Media-Centre/AEMO-publishes-preliminary-

recommendations-following-the-South-Australian-state-wide-power-outage

December 2016

PV mi, YGT mi? İkisi de !

+ PV güneş varken elektrik

üretecek.

YGT güneş varken ısıyı depo

edecek ve güneş olmadığı zaman

devreye girecek.

December 2016

MEVCUT CST TEKNOLOJİSİ

HİBRİD PV+CST

KONSEPTİNE UYMUYOR!

December 2016

Concentrating Solar Thermal

December 2016

December 2016

December 2016

December 2016

PV+CST hibrid santrallerinde CST payı muhtemelen 1-30 MWe olacak.

Mevcut CST teknolojisi buhar çevrimine dayalı olduğu için, bu

büyüklüklerde verimlilikleri çok düşük olur.

Yeni teknolojiye ihtiyaç var.

SMALL IS BEAUTIFUL

Küçük ölçekli CST teknolojisi ihtiyacı

December 2016

YGT Güç Çevrimleri

December 2016

The comparative

advantages of

supercritical CO2 over

steam

December 2016

SMALL IS BEAUTIFUL

Niçin süperkritik CO2 çevrimi?

• Daha verimli

• Daha ufak ve daha basit

• Daha ucuz

December 2016

SMALL IS BEAUTIFUL

Buhardan daha verimli (560oC üstü)

400 500 600 700 800 90020

25

30

35

40

45

50

55

60

Temperature, oC

Effic

iency, %

sCO2 is better than steam at T>560

oC

He Brayton

Supercritical steam

Superheated steam

sCO2

This chart shows thermodynamic

efficiencies of different cycle

options. As you can see,

supercritical CO2 cycle becomes

better than supercritical steam at

temperatures above 550 oC and it

gets even better at higher

temperatures.

Dostal, V., A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors. 2004, MIT

December 2016

Buhar

sCO2

Sıcaklık, oC

Verim

, %

Buhardan daha ufak

Dostal, V., A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors. 2004, MIT

December 2016

SMALL IS BEAUTIFUL

Buhar çevriminin ilave külfetleri

Buhar çevrimi kullanan tipik bir CST santral şeması. Bir çok türbin devreleri ve yeniden

ısıtma işlemleri buhar çevrimi için zaruridir.

December 2016

Yeniden ısıtma ihtiyacı

Buhar santralindeki zaruri yeniden

ısıtma devreleri, türbin çıkışındaki

vakum, ve diğer özellikler

yüzünden buhar santralleri

kompleks oluyor. Bu da maliyeti

arttırıyor.

Sonuç olarak, 50-Mwe altında

buhar santralleri ile üretilen

elektriğin birim maliyeti yüksek

oluyor Süperkritik CO2 santralleri

ise 1 MWe için bile uygun. Bu

yüzden, küçük CST için süperkritik

CO2 teknolojisi buhardan daha

elverişli.

December 2016

Küçük santrallerde aynalar da daha verimli

Süperkritik CO2 teknolojisi

ile küçük YGT santralleri

fizibıl olunca, bu küçük

santrallerin ayna alanları da

küçük olacağı için, güneş

ışıklarının toplanması da

daha verimli oluyor. Bu

sayede santral verimliliği en

az 5%, bazı hallerde daha

fazla da artabiliyor.

M J Wagner, MSc Thesis, Simulation and Predictive Performance Modeling of Utility-Scale Central Receiver System Power Plants, 2008 – page 32, Figure 9 December 2016

SMALL IS BEAUTIFUL

IVANPAH

~ 1000 m

The closest = 150 m 2% loss on clear days; 5% loss on hazy days

The far end = 1000 m 10% loss on clear days; 25% loss on hazy days

December 2016

ABD Sunshot Raporu : en ucuz sCO2

Solar Tower

with a

Supercritical

CO2 Power

Block

Figure 5.11, US Department of Energy, Sunshot Vision Study, 2012

December 2016

sCO2 çevrimli YGT santrali

REC

December 2016

En yalın sCO2 çevrimi

HTR

EX

P

CT

G

QH

QC

CO

M

En basit haliyle, sCO2

çevrimi için bir ısıtıcı(HTR),

bir türbin(EXP), atık ısı için

bir soğutma kulesi (CT), ve

de bir pompa/kompresör

gerekiyor. Ne yazık ki böyle

bir düzeneğin verimliliği çok

düşük.

COM: Compressor

HTR: Heater

EXP: Expander

CT: Cooling Tower

QH: Heat input

QC: Heat rejection

December 2016

Reküperatör gereği

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000

100

200

300

400

500

600

Entropy, J/kg-K

T,

oC

W

QH

QL

Only a small part of the heat

input is converted into

power during the expansion

C-D. The rest of it is

rejected.

Therefore, the simple

configuration is not suitable

for power generation.

Therefore, the minimum

configuration is where a

recuperator transfers some

of the heat from the hot CO2

to the cold CO2.

C

D

A

B

December 2016

Reküperatörün faydası

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000

100

200

300

400

500

600

Entropy, J/kg-K

T,

oC

C

D

A

B

QR

QH

QL

W

With a recuperator, the

bulk of the heat input

before the turbine inlet

comes from the CO2

stream still hot after the

turbine exit. This is

shown in the chart. The

shaded area is the

recuperator heat transfer.

Both the heat input, QH,

and the heat dump, QL,

are reduced significantly.

The cycle efficiency is

doubled when a

recuperator is used.

December 2016

Reküperatörlü çevrim

Reküperatör tasarımı çok önemli. Basınç düşümünün

az ve ısı transferinin yüksek olması gerekiyor. Şu anda

bu ikileme en iyi cevap veren ürün bir Avustralya icadı

olup Ingiltere'nin Heatric firmasınca imal edilen "Printed

Ciırcuit Heat Exchangers".

https://mercureaace2013.wordpress.com/2013/03/28/w1

0_aib_replacing-printed-circuit-heat-exchanger/

December 2016

Verim biraz daha arttırılabilir

E G C C

1

2

3 4

7

5 6

8 9 0

İki kompresör ve iki

reküperatör kullanırsak

verim biraz daha artar.

Yüksek verim kazancı

maliyete kıyaslanmalıdır.

R R

December 2016

what is available already?

• Solar Mirrors

• Solar Tower and the Receiver

• Thermal Storage

• Compressor

• Recuperator

• Cooling Tower

• Turbine

• Generator

December 2016

Kritik noktanın yakınında

SC Steam SC CO2

Turbine Inlet

Temperature, oC 560 560

Pressure, kPa 28000 20000

Density, kg/m3 88 123

Cooling Tower

Temperature, oC 30 98 30

Pressure, kPa 4 9000

Density, kg/m3 0.03 995 166 746

December 2016

<30MWe YGT Santralleri için

• Süperkritik CO2 çevrimi

• Doğal çekmeli kısa kuru soğutma kulesi

December 2016

UQ tasarımı 1-MWe sCO2

türbin rotorü

1-MWe sCO2 santrali için

doğal çekmeli kuru soğutma

kulesi (UQ Gatton campus)

Facilities available for the project

CSIRO Newcastle

Solar Tower

UQ Brisbane

Turbine test

loop

80-kWe Power Plant

UQ Gatton

Natural Draft Hybrid

Cooling Test Tower

The first significant project

outcome will be a

supercritical CO2 cycle

(receiver and turbine)

tested on the CSIRO

Newcastle solar tower.

This will be the first solar

thermal power generator in

the world using a

supercritical CO2 cycle.

Supercritical CO2 cycles

have the potential to deliver

more compact systems that

can fit on the towers and

generate power at much

higher efficiencies December 2016

Hybrid Cooling Tower Facility

The proprietary UQ

design makes it possible

to build low-cost short

towers.

3-MW Research Array

Opening of the facility: The UQ

ASTRI team; the Minister; the

DVC

Opening of the facility: The UQ

ASTRI team; the Minister; the

DVC

The 25-m tall

natural draft dry

cooling tower

designed for a 1-

MWe sCO2

power block

offers ASTRI a

unique chance to

develop and test

hybrid cooling

technologies.

December 2016

Kısa kulelerin rüzgarla imtihanı

December 2016

A

B C

UQ

PROJECTS

Exists

Exists

Proposed