YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE TEKNOLOJİLERİ

Zehra Yumurtacı(1),Nur Bekiroğlu(2)

(1) Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü,34349,Beşiktaş, İstanbul(2) Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü,34349,Beşiktaş, İstanbul

ÖZETGünümüzde enerji tüketiminin hızla artmasına paralel olarak alışılagelen enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükeneceği bilimsel bulgularla ispatlanmış bir gerçektir. Ayrıca, artan nüfus ve enerji talebine bağlı olarak dünyanın emisyon değerlerinin günümüzdeki sınırlar içinde tutulması pek mümkün görünmemektedir. Bu kirliliğin devam etmesi durumunda dünya sıcaklığının artacağı ve deniz seviyesinin yükseleceği bilinmektedir. Bunun için şu an tüm dünyada enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynakları önerilmekte ve kullanılmaktadır. Bu enerji kaynakları temel olarak hidroelektrik enerji, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, jeotermal enerji, biokütle enerji ve hidrojen enerjisi olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada bu enerji kaynaklarından enerji üretimi yöntemleri, çevre ile ilişkileri, avantajları, dezavantajları, maliyet değerleri ve bu enerji kaynakları ile kullanılan yeni teknolojiler anlatılmıştır. Bu enerji kaynakları arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Anahtar Sözcükler: Hidrolik enerji, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, bioenerji, hidrojen enerji, jeotermal enerji

1.GİRİŞEkoloji, canlı varlıklar ile onların doğal çevresi arasındaki ilişkileri inceleyen bilim dalıdır. Bu kelimeyi ilk kez 1869 yılında Alman biyoloji bilgini Ernst Haeckel tarif etmiş ve kullanmıştır. Bu kelime iki yunanca kelimeden yani ev veya yaşanacak yer ile bilgi anlamına gelen kelimelerden türetilmiştir. Her ne kadar ekolojik bilgi, binlerce yıldır insanlar tarafından kullanılmakta ise de, ekoloji bugün yeni bilim dallarından biridir. Özellikle çevre kirliliği sorunlarının başladığı günümüzde oldukça güncel bilim dallarından biri olmuştur [6].İçinde yaşadığımız dönem konvansiyonel enerji kaynaklarının risk faktörlerinin arttığı sürecin başlangıcıdır. Bu faktörler; klasik enerji kaynaklarının birçoğunun yakın bir gelecekte tükenecek olmaları, çevre için büyük ve geri dönüşümü olmayan tehlikeler yaratmaları ve gelişen teknolojiyi beslemekte yetersiz kalmalarıdır. Bu sebeplerle günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının çeşitliliği artmakta, bir kısmı ekonomik alternatiflik açısında değer kazanmakta ve bir kısmı üzerinde ekonomik analizler yapılmaktadır. Özellikle 1970 yılındaki enerji krizinden sonra yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Bu enerji kaynaklarının tümünün ortak sonucu çevreye kısa ve uzun vadede olumsuz etki oluşturmamalarıdır [1].

2.HİDROLİK ENERJİ

2.1 Dünyanın Hidroelektrik PotansiyeliElektrik üretimi amaçlı kullanımı son 100 yılda gerçekleşmesine rağmen asırlar boyu enerji kaynağı olarak, suyun gücünden yararlanılmıştır. Bugün ise, dünyada kapasite ve enerji verimliliği açısından önde gelen yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Bir akarsu havzasının hidroelektrik enerji üretiminin kuramsal üst sınırını gösteren değer brüt hidroelektrik enerji potansiyeli, enerji üretiminin teknolojik üst sınırını gösteren değer teknik yönden değerlendirilebilir hidroelektrik enerji potansiyeli ve hidroelektrik

enerji üretiminin ekonomik sınır değerini gösteren değer de ekonomik olarak yararlanılabilir hidroelektrik enerji potansiyeli olarak tanımlanır[22]. Çizelge 2.1’de çeşitli kıtalardaki brüt teorik, teknik yapılabilir ve ekonomik yapılabilir hidroelektrik potansiyelleri GWh/yıl cinsinden verilmiştir. Buna göre en büyük hidroelektrik potansiyelin Asya kıtasında olduğu görülmektedir[14].

Çizelge 2.1 Dünyanın hidrolik potansiyeli

Bölge Brüt Teo. Pot. (GWh)

Teknik Yap. Pot. (GWh)

Ekonomik Yap. Pot. (GWh)

Asya 19.000.000 6.800.000 3.600.000Avustralya/Okyanusya 600.000 270.000 105.000

Avrupa 3.150.000 1.225.000 800.000Kuzey ve Orta Amerika 6.000.000 1.500.000 1.100.000

Güney Amerika 7.400.000 2.600.000 2.300.000DÜNYA TOPLAMI 40.150.000 14.060.000 8.905.000

Hidrolik gücün, ekonomik olarak kullanılabilir potansiyelinin halen 1/3 ü kullanılarak dünya elektrik üretiminin %17 si karşılanmaktadır ve hidrolik santrallerin enerji üretimi açısından iyi kurulmuş teknolojisi olduğu gerçeği kabul edilir. Bu potansiyellerle birlikte bir hidroelektrik santralın yapılabilirliğinin olması ve güvenilir enerji için uzun süreli ölçülen debi değerlerine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu debi değerleri sağlandıktan sonra yapılacak yerin arazi koşullarının buna uygun olması gerekir. Santralın gücünü belirleyen ana parametreler debi ve arazi şartlarına bağlı olan düşüdür. Bu iki değer güç ile doğru orantılı olup santralın gücünü etkilerler. Bilindiği gibi kurulu gücü 30 MW’ a kadar olan santraller küçük ölçekli santraller, 30 MW’ ın üzerinde olan santrallerle da büyük ölçekli santraller adı verilir [5]. Kullanılmayan hidro kaynaklar Latin Amerika, Orta Afrika, Hindistan ve Çin’de hala boldur. Her enerji üretim sisteminin avantajları yanında dezavantajları da vardır, Fakat her enerji kaynağı için avantajlar, dezavantajlara karşı dikkatli bir şekilde dengelenmelidir.

Çizelge 2.2 Kurulu güç ve birim elektrik enerji maliyetinin dünyada bazı bölgelerde kullanımı

Bölge Kurulu Güç(GW) Enerji(TWh/year)Kuzey Amerika 141.2 697

Latin Amerika ve Karaibler 114.1 519Batı Avrupa 16.3 48

Merkez ve Doğu Avrupa 9.1 27Eski Sovyetler 146.6 498

Orta Doğu ve Kuzey Afrika 21.3 66Sahra 65.7 225

Merkez Asya 64.3 226Güney Asya 28.5 105Pasifik Asya 13.5 41

Pasifik OECD 34.2 129Dünya Toplamı 654.8 2581

2.2.Hidrolik Enerjinin Avantajları ve DezavantajlarıAvantajları: Kirlilik yaratmaz.Sera gazları, SO2 ve partikül emisyonlarının olmaması gibi., ani enerji değişimlerinde çok çabuk devreye girer ve acil durumlarda da çok çabuk devreden çıkar, doğal kaynaklar kullanıldığından ithal enerji bağımlılığını önler , yapılan yatırım sadece enerji için değil, sulama ve taşkın kontrolü amaçlı da kullanılmaktadır, ırmaklarda botlar için gerekli olan su seviyesinin sabit tutulmasında rol oynar, birim elektrik enerji maliyeti ucuzdur [20].Dezavantajları: Toplam inşaat süresi uzundur, uzun süreli ölçülen debi değerlerine ihtiyaç bulunmaktadır, yatırım maliyeti yüksektir, bazen yağışlara ve kar erimelerine bağlı olarak olumsuz etkilenmesi mümkündür.

2.3. Küçük Hidroelektrik SantrallerTüm hidroelektrik enerji kaynakları arasında küçük hidroelektrik santrallerin gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerdeki toplam elektrik enerjisi üretimindeki payı %5 ile %10 arasında olmaktadır. Küçük hidroelektrik santraller toplam kurulu gücü 10 MW’a kadar olan santrallerdir. Bunlar da kendi aralarında mikro, mini ve küçük olarak isimlendirilirler. Dünyada özellikle ABD, Çin, Japonya, Fransa’da pek çok uygulamaları mevcuttur. Küçük hidroelektrik santrallerin avantajları; Büyük projelerin gerçekleşme süresi uzundur, küçük projelerin daha kısa olur, küçük hidroelektrik santrallerin makine aksamı her ülkenin şartları ile yapılabilecek durumdadır, dolayısıyla her ülke için ithal enerji bağımlılığını azaltmaktadır, küçük hidroelektrik santrallerde standardizasyona gitmek mümkündür, bu da maliyeti azaltacaktır, üretilen elektrik enerjisi bölgesel kullanımlar için daha uygundur. Dezavantajları ise; Birim tesis maliyeti ve birim enerji maliyeti yüksek güçlü hidroelektrik santrallere nazaran daha yüksektir[3]. 2.4.Hidrolik Enerji MaliyetiHidroelektrik santrallerde güç arttıkça birim tesis bedeli azaldığından yatırım maliyeti ve birim enerji maliyeti güç arttıkça azalmaktadır. Birim tesis bedeli hidroelektrik santrallerde (1000-1200) $/kW arasında, birim enerji maliyeti de (0,0025-0,003) $/kWh arasında değişmektedir. Ancak küçük hidroelektrik santrallerde birim tesis bedeli daha yüksek olduğundan birim enerji maliyeti de biraz daha yüksek olmaktadır.

3.RÜZGAR ENERJİSİ

3.1.GirişBinlerce yıl önceleri insanlar rüzgarı yel değirmeni olarak, su pompası olarak ve yelkenlerine itici güç olarak kullanmışlardır. Son 20-30 yılda rüzgar; enerji kaynağı olarak popüler bir konuma erişmiş ve günümüzün en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olmuştur.1950’lerden itibaren fosil yakıtların daha ekonomik hale gelmesiyle rüzgar türbinleri daha az kullanılır hale gelmiştir. Fakat 1970’lerde başlayan yakıt kriziyle birlikte rüzgar enerjisi tekrar gündeme gelmiştir. Dünyada denizüstü rüzgar potansiyeli daha yüksektir. Bu potansiyelden daha iyi faydalanmak önemli bir adım olacaktır. Balıkçılık, gemi rotaları, askeri testler gibi kısıtlamalar dışında doğal kısıtlamalar da mevcuttur. Bunlara örnek olarak; fırtına, deniz derinliği, rüzgar hızının yüksekliği verilebilir. Bu kısıtlamalar aşıldığı ölçüde düşük maliyetli üretim yapılabilecektir. Denizüstü santralleri dışında gelişme beklenmesi gereken diğer

uygulamalar ise Asya’daki potansiyelin değerlendirilmesi ve yüksek güçlü rüzgar türbinlerinin uygulamaya alınmasıdır[10].

3.2.Rüzgar Enerji PotansiyeliDünya rüzgar enerji potansiyelinin, 50° kuzey ve güney enlemleri arasındaki alanda 26.000 TWh/yıl olduğu ve ekonomik ve diğer nedenlerden dolayı 9.000 TWh/yıl kapasitenin kullanılabilir olduğu tahmin edilmektedir [16]. Yine yapılan çalışmalara göre, dünya karasal alanları toplamının %27’sinin yıllık ortalama 5.1 m/s’den daha yüksek rüzgar hızının etkisi altında kaldığı belirtilmektedir. Bu rüzgar enerjisinden yararlanma imkanının olabileceği varsayımıyla 8 MW/km2 üretim kapasitesi ile 240.000 GW Kurulu güce sahip olunacağı hesaplanmaktadır.

Şekil 3.1. Dünyada rüzgar enerji santrallarının gücünün artışı [17]Çizelge 3.1.’de dünyanın rüzgar enerji santralarının kurulu güçlerinin artışı verilmektedir. Buradan hesaplanırsa, 2004 yılı sonuna kadar tüm dünyada kullanılan rüzgar enerji potansiyeli kurulu gücü 2/10000 oranında kullanılmaktadır. Bu da dünyada rüzgar enerji potansiyelinin yüksek olup bu potansiyeli kullanamayan ülkelerin olduğunu ve potansiyelinin tamamına yakınını kullanan ülkelerin olduğunu göstermektedir.. Şekil 3.2. kıtalara göre kurulu gücün paylaşımını göstermektedir.

Şekil 3.2. Kıtalarda kurulu gücün paylaşımı [17]

MW

Şekil 3.2.’den de görüldüğü gibi, dünya rüzgar enerjisi pazarını Amerika ve Avrupa sürüklemektedir. Amerika’da birçok hanede kişisel kullanım görülmekte; Avrupa’da da bu tip kullanım gitgide yaygınlaşmaktadır [9]. Yeni kurulan rüzgar santrallerinin %90’ı Amerika ve Avrupa’da kurulmaktadır. Bu arada Hindistan’da 2110 MW’a ulaşan güç, iyi bir pazarın habercisi olup Amerika ve Avrupa dışında bulunan en büyük kurulu güçtür. Çizelge 3.1. rüzgar enerji santrallerini en çok kullanan ülkeleri göstermektedir[7].

Çizelge 3.1. Rüzgar enerji sanrallarının en çok kullanan ülkeler

En Büyük 5 Pazar

2002 Eklemeleri

(MW)

2002 Sonu (MW)

2003 Eklemeleri

(MW)

2003 Sonu (MW)

Almanya 3247 12001 2645 14609ABD 410 4685 1687 6374

İspanya 1493 4830 1377 6202Danimarka 407 2880 243 3110Hindistan 195 1702 408 2110

Rüzgar enerjisi kullanımında dünya genelindeki artış oranı her yıl gitgide azalmaktadır (%21). Bunun nedeni ise özellikle lider pazarların (Amerika, Almanya, Danimarka) yeni santral kurma hızlarının düşmüş olmasıdır. 2010 yılında dünya rüzgar enerji santrallarının hedefi 75000 MW olarak tahmin edilmektedir[11].

3.3.Rüzgar Enerjisinin Avantajları ve DezavantajlarıAvantajları : Fosil kaynaklı ya da başka bir organik veya inorganik yakıtı olmayan temiz ve emisyonsuz bir enerji kaynağıdır, emisyonu olmadığı için sera gazları oluşturmaz ve küresel ısınmaya katkı yapmaz, yakıt parası yoktur ve işletme masrafları çok azdır. Bu nedenle ekonomik bir enerji kaynağıdır, dışa bağımlı olmayan ve çevresel koşullar uygun olduğunda sürekli enerji oluşturan bir kaynaktır ,kullanılan makinalar, karmaşık olmayan ve otomatik makinalardır ve periyodik bakımlar sonucu 20-30 yıllık ömürleri boyunca sorunsuz çalışırlar, yer kaplamazlar ve bulundukları alanlar başka amaçlarla da kullanılabilir, radyoaktif ışınım veya radyasyon tehlikesi yoktur, işletmeye almak ve kullanmak üç ay gibi kısa bir sürede mümkün olabilmektedir, rüzgar türbinleri sadece tek değil gruplar halinde de kullanılabilirler ve dolayısıyla üretilen enerji miktarlarını arttırabilirler, tükenmeyen sonsuz bir enerji kaynağıdır[12].Dezavantajları: Enerji üretimi rüzgara bağımlı olduğundan rüzgar kesilmesi veya azalması ile enerji kaybı oluşur, rüzgar miktarına bağımlı bir enerji olduğu için sadece yeterli rüzgarın bulunduğu alanlarda kurulabilir, türbin maliyetleri yüksek olabilmektedir ancak gittikçe azalan bir maliyet durumu söz konusudur , büyük dönel bir makine oluşundan ötürü çevrede kuş ölümlerine neden olabilmektedir, rüzgar türbinlerinin kurulacağı alanların durumu önemlidir. Örneğin arazinin engebeli oluşu ya da sit alanlarına yakınlığı mahzur olabilir, rüzgar türbinlerinin meydana getirdiği ses şiddeti çevreye gürültü olarak yansıyabilir, bu gürültü, türbinden uzaklaştıkça azalma eğilimi gösterir, türbin kanatlarından dönerken parçaların kopması çevreye tehlike arz edebilir, türbinler; elektromanyetik dalgaları dağıtabilir veya yön değiştirtebilir, bir türbin

radyo,televizyon veya mikrodalga ileticisi ile alıcısı arasına kurulduysa elektromanyetik dalgayı etkileyebilir [8].

3.4 Rüzgar Enerjisi MaliyetiElektrik piyasasında rekabet edebilmek için rüzgar türbinleri, fosil kaynaklı üretim yöntemleriyle mücadele edebilecek bir maliyetle elektrik üretmelidirler. Rüzgar, doğada bedelsiz bir enerji olduğuna göre bu enerji türünde maliyet unsuru mekanik ve elektronik parçalardır. Teknolojik gelişmelere paralel olarak türbinin ilk maliyeti azalmış ve elde edilen enerji miktarı artmıştır. Bu sayede fosil yakıtlarla rekabet edebilir bir enerji türü haline gelmiştir. Çizelge 3.2.’de yıllara göre tahmini maliyet değişimleri verilmiştir.

Çizelge 3.2. Rüzgar gücü teknolojisi, geçmişi, günümüz ve gelecekteki durumu

Teknoloji Durumu 1980 1990 2000 sonrasıBirim enerji

maliyeti($/kWh)0.35 $-0.4 $ 0.05 $-0.07 $ <0.04 $

Birim tesis bedeli ($/kW)

2000 $-3000 $ 500 $-800 $ <500 $

Santral Ömrü 5-7 yıl 20 yıl 30 yılYük Faktörü 50 %-65 % 95 % >95 %Güç Aralığı 50-150 kW 300-1000 kW 500-2000 kW

Rüzgar türbini tasarımını, konstrüksiyonunun ve çalışmasını etkileyen tüm faktörler, maliyet unsuru ile denge halindedirler. Günümüzde yapılan araştırma çalışmalarının en temel amacı rüzgar enerjisi maliyetini 2010 yılına kadar 0.025 $ civarına getirmektir. Bu sayede konvansiyonel enerji türlerine göre çok daha rekabetçi hale gelecektir.

3.5.Rüzgar enerji santralarındaki gelişmelerRüzgar türbinleri ile ilgili gelişmeler teknoloji ile birlikte her geçen gün artmaktadır. Günümüzde rüzgar türbinlerinde en çok gelişen sahalardan biri türbinin elektronik sistemlere adaptasyonudur. Rüzgar enerji santrallarında aşağıdaki gelişmeler olduğunda bu enerji kaynağının daha da kullanılabilir olacağı aşikardır. Daha verimli tasarım ve üretim (aerodinamik tasarım, gelişmiş yük ve dayanım güvenliği, yüksek dayanımlı ve sönümlü malzemelerin kullanımı, gelişmiş üretim teknolojileri, yeni konseptlerin oluşturulması, gelişmiş kanat tasarımı ve bakım-onarım masraflarının azaltılması), türbülans altında yüklerin durumunu, yapısını ve türbin ömrüne etkisini kavrayabilmek, sistem model ve simülasyonlarını geliştirmek, entegre jeneratör ve güç elektroniği sayesinde mekanik dişli kutularından kurtulmak , verimli ve düşük maliyetli enerji depolamak, daha iyi rüzgar hızı karakter analizi yapmaktır. Yapılacak araştırmalar sonucunda daha iyi tasarım, geliştirme ve üretim yaparak rüzgar enerjisinin kullanılabilirlik yüzdesini arttırmak temel amaçtır.

4.GÜNEŞ ENERJİSİ

4.1 Dünyanın Güneş Enerji PotansiyeliGüneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden

kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisi teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir: Isıl Güneş Teknolojileri : Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir. Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller de denen bu yarı-iletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler [14].

4.2.Güneş Kollektörlü Sıcak Su SistemleriGüneş kollektörlü sıcak su sistemleri, güneş enerjisini toplayan düzlemsel kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır. Güneş enerjisi uygulamalarında düzlemsel güneş kollektör sistemlerinin yanı sıra daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için yoğunlaştırıcı kollektör sistemleri kullanılmaktadır. Düzlemsel güneş kollektörleri için kullanılan kavram ve tarifler, yoğunlaştırıcı kollektörler için de geçerlidir. Bununla birlikte yoğunlaştırıcı kollektör teknolojisinin daha karmaşıktır. Bu tür kollektörlerde güneş enerjisi, yansıtıcı veya ışın kırıcı yüzeyler yardımı ile doğrusal ya da noktasal olarak yoğunlaştırılabilir. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar, orta derecede sıcaklık isteyen uygulamalarda kullanılır. Bu sistemlerde, güneş enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaştırılacağından tek boyutlu hareket ile güneşi izlemek yeterlidir. Noktasal Yoğunlaştırıcılar, iki boyutta güneşi izleyip noktasal yoğunlaştırma yapan ve daha yüksek sıcaklıklara ulaşan sistemlerdir. Bu tür sistemler, parabolik çanak ve merkezi alıcı olmak üzere iki gruba ayrılır.

4.3.Yoğunlaştırıcı Sistemler İle Elektrik ÜretimiBugüne kadar güneş enerjisi ile elektrik üretiminde başlıca iki sistem kullanılmıştır. Birincisi, güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerdir. Fakat geçen 20 yıl içerisinde fotovoltaik sistem uygulamalarının artışına rağmen, teknolojisinin karmaşıklığı ve maliyetinin yüksek oluşu, geniş çapta elektrik üretimi için yetersiz olduğunu ortaya çıkarmıştır. İkinci seçenek ise, güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda elde edilen kızgın buhardan, konvansiyonel yöntemlerle elektrik üretimidir. Güneş termal güç santrallerinin tasarımında dikkate alınması gereken en önemli parametreler şunlardır;Bölge seçimi, güneş enerjisi ve iklim değerlendirmesi, parametrelerin optimizasyonu, santralın tesis edileceği ideal bölge seçilirken; yıllık yağış miktarının düşük olması, bulutsuz ve sissiz bir atmosfere sahip olması, hava kirliliğinin olmaması, ormanlık ve ağaçlık bölgelerden uzak olması ve rüzgar hızının düşük olması kriterleri göz önünde bulundurulmalıdır.

4.3.1.Parabolik Sistemlerle Elektrik Üretimi

Parabolik oluk kollektörlü güç santralleri, güneş tarlası, buhar ve elektrik üretim sistemlerinden oluşur. Bu santrallerde proses ısısı için, doğrusal yoğunlaştırma yapılarak, güneş enerjisinden 300 øC'nin üzerinde sıcaklık elde edilir ve ısı transfer akışkanı olarak yüksek sıcaklıklara dayanıklı termal yağ kullanılır. Güneş tarlası kontrol sistemi; genel kontrol sistemi ve her kollektör grubunda bulunan lokal kontrol ünitelerinden oluşur. Genel kontrol sistemi güneşlenme durumunu izler ve buna göre sistemi tamamen ya da kısmen açar ya da kapatır. Bu işlem, lokal kontrol üniteleriyle iletişim içinde yapılır. Lokal kontrol üniteleri, her kollektör grubunu ayrı ayrı kontrol ederek güneşin takip edilmesini sağlarlar. Güneş enerjili güç santrallerinde, güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda, kesintisiz elektrik üretimini sağlamak için ilave ısıtıcılar kullanılır. Petrolle ya da doğal gazla çalışan ilave ısıtıcılar, aynı sıcaklık ve basınçta buhar üretirler. SEGS (Solar Electric Generating System) teknolojisi, güneş enerjisini birincil enerji kaynağı olarak kullanan Rankin çevrimli buhar türbin sistemine dayanır. Güneş Santralı, parabolik oluk kollektör gruplarından (Solar Collecting Assemblies-SCA) meydana gelmiştir. Güneşi iki boyutlu olarak takip eden ve yansıtıcı yüzeyleri vasıtasıyla güneş ışınlarını odaklayarak çelik boru üzerinde yoğunlaştıran kollektörler, kolonlar üzerine kurulmuş olup, esnek hortumlarla birbirine bağlanmışlardır. Parabolik sistemler konusunda dünyada güneş enerjisiyle üretilen toplam elektriğin % 92'si Amerika’da özel şirketler tarafındani gerçekleştirilmiştir. Şu anda işletmede 9 güç santralı, proje aşamasında ise 4 güç santralı bulunmaktadır. Bunların hepsi tamamlandığında, 1 milyon insanın elektrik enerjisi ihtiyacını karşılayacak ve toplam güç 680 MW'a ulaşacaktır.Günümüzde henüz ekonomik olmayan parabolik sistemlerin araştırma ve geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir. Bu çalışmalarda amaç, birim alan maliyetini düşürmek ve verimini artırmaktır[2].

4.3.2.Merkezi Alıcı Güç SantralleriGüneş enerjisini yoğunlaştırarak elektrik üreten diğer bir uygulama da merkezi alıcı güç santralleridir. Bu santrallerde güneş enerjisi, heliostat denen aynalar yardımı ile bir kule üzerine yerleştirilmiş olan alıcıya yansıtılır. Bu yolla 1000oC’nin üzerinde sıcaklık elde edilir. Heliostatlar, merkezi bir bilgisayar yardımı ile güneşi takip ederek güneş enerjisini kule üzerindeki alıcıya yansıtırlar. Alıcıda ısıtılan akışkan, buhar jeneratörüne gönderilerek buhar üretilir. Bu buhar, buhar türbininden geçirilerek elektrik üretilir. Bu çevrimden sonra buhar, kondansatörde soğutma suyu çevrimi ile soğutulur ve tekrar buhar jeneratorüne döner. Isı transfer akışkanı buhar jeneratöründen geçtikten sonra alıcıya gönderilir. Dünyada, Avrupa,Japonya ve ABD de 6 adet bu tip santral inşa edilmiştir. Günümüze kadar tesis edilmiş olan merkezi alıcı sistemlerin işletilmesi sonucunda, büyük sorunlar ortaya çıkmıştır. Dünyada mevcut merkezi alıcı sistemlerin özellikleri çizelge 4.1.’de verilmiştir.

Çizelge 4.1. Mevcut güneş enerjisi sistemlerinin özellikleriTeknoloji Türü Sistem Verimi % Maks. Çıkış

Sıcaklığı oCİlk Yatırım Maliyeti $

Enerji maliyetiElekt. Isı Elekt.

$/kWhIsı $/kWh

Düzlemsel Koll. - 50-70 80 250-1000 - 0.0013-0.004

Parabolik Oluk 14 46 380 2800 kWe 0.15 0.0053Parabolik Çanak 24 79 700 5000 kWe 0.28 -Merkezi Alıcı 15 46 600-700 3000 kWe 0.16 0.004

Tek Kristal Silisyum 12 - - 6000 kWe 0.29 -Çok Kristal Silisyum 10 - - 6000 kWe 0.29 -Tek İnce Film 4 - - 5000 kWe 0.25 -Çoklu İnce Film 7 - - 5000 kWe 0.24 -

5. JEOTERMAL ENERJİJeotermal enerji kısaca yer ısısı olup, yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş basınç altındaki sıcak su, buhar, gaz veya sıcak kuru kayaçların içerdiği termal enerji olarak tanımlanmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalar ve hesaplamalar dünyanın başlangıçta eriyik halde bulunduğu ve binlerce yıl önce katı hale geldiğini göstermektedir. Yer kabuğunun derinliklerinde bulunan uranyum (U238, U235) toryum (Th232) ve potasyum (K40) gibi radyoaktif maddelerin bozuşması sonucu sürekli olarak ısı üretmesi prosesinin, jeotermal enerjinin kaynağı olduğuna inanılmaktadır. Yerkabuğunun kalınlığı kıtalarda 20-65 km’ye ulaşırken okyanus tabanlarında 5-6 km kalınlıktadır. Jeotermal enerji, iklim koşullarına bağlı olarak tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Bu enerji kaynağını kullanan sistemler, diğer sistemlere göre daha güvenilir, verimli ve esnektir. Jeotermal santraller maliyetleri ve çevreye verdikleri zararlı etkileri çok az olmaları yanı sıra yüksek bir kapasite kullanım oranı ile çalışabilmektedirler. Aynı zamanda bu santrallerin yapım süreleri oldukça kısadır (Güçleri 10 MW’a kadar olanların 6 ay, 250 MW ve üstü kombine tesislerin 2 yıl). Dünyada ilk jeotermal santral ünitesi 250 kW kurulu güç ile 1913 yılında İtalya’nın Larderello kentinde kurulan santraldir. 2005 yılı değerlerine göre dünya jeotermal enerji potansiyeli 14.1 TWh dir [19].

5.1 Jeotermal SistemJeotermal sistem üç ana unsurdan oluşmaktadır: Isı kaynağı, rezervuar, ısıyı taşıyan akışkandır. Isı kaynağı yüksek sıcaklıklı (>600 °C) ve yüzeye yakın kısımlara ulaşabilen (5-10 km) magmatik sokulumlar olabileceği gibi, düşük sıcaklıklı sistemlerde de derinlikle birlikte artan normal sıcaklık da (jeotermik gradyan -ortalama 2,5-3 °C/100 m) olabilir. Rezervuarların üzerinde genellikle geçirimsiz tabakalar bulunmaktadır. Jeotermal akışkan ise çoğu durumda sudur ve rezervuarda sıcaklık ve basınca bağlı olarak buhar veya sıvı haldedir. Bu su genellikle bazı kimyasal maddeler ve gazlar (CO2, H2S gibi) içerir. Elektrik üretiminde kullanılan akışkan, su ve buhar olarak ikiye ayrıldıktan sonra atık hale gelen su tekrar yeraltına enjekte edilerek tekrar kullanıma sunulabilir [15].

5.2 Jeotermal Kaynaklardan FaydalanmaYüksek sıcaklıklı jeotermal kaynakların (>150 °C) en önemli kullanım alanı elektrik üretimidir. Düşük ve orta sıcaklıklı jeotermal kaynaklar (<150 °C) çok farklı kullanım alanlarına sahiptir. Son yılarda 85 °C’nin üzerindeki jeotermal kaynakların elektrik üretiminde kullanılması da gerçekleşmiştir. 20 °C’nin altındaki jeotermal kaynaklardan ise ısı pompaları ile ısıtma ve soğutmada faydalanılmaktadır. Jeotermal kaynaklardan faydalanmada iki önemli yön bulunmaktadır: Birincisi, Faydalanılan akışkanın sıcaklığına bağlı olarak ikinci bir işte kullanılması jeotermal kaynakların kullanılabilirliğini artırır. İkincisi, jeotermal kaynağın sıcaklığı mümkün kullanılma alanını sınırlar.

° C Jeotermal Akışkanın Kullanım Alanları180 Yüksek konsantrasyon solüsyonunun buharlaşması, amonyum absorpsiyonu ile

soğutma170 Hidrojen sülfit yolu ile ağırsu eldesi, diyatomitlerin kurutulması160 Kereste kurutulması, balık vb. yiyeceklerin kurutulması150 Bayer’s yöntemiyle alüminyum eldesi140 Çiftlik ürünlerinin çabuk kurutulması ( konservecilikte )130 Şeker endüstrisi, tuz eldesi120 Temiz su eldesi, tuzluluk oranının artırılması110 Çimento kurutulması100 Organik maddeleri kurutma, ( yosun, et, sebze vb. ) yün yıkama ve kurutma 90 Balık kurutma 80 Ev ve sera ısıtma 70 Soğutma 60 Kümes ve ahır ısıtma 50 Mantar yetiştirme, balneolojik banyolar 40 Toprak ısıtma 30 Yüzme havuzları, fermantasyon, damıtma, sağlık tesisleri 20 Balık çiftlikleri,

5.3 Elektrik ÜretimiGenelde elektrik üretimi, jeotermal kaynağın karakteristiğine bağlı olarak üç tip santralde yapılmaktadır. Birincisi, kuru buhar santralleri; türbini döndürmek için kuyudan üretilen kuru buhar direkt olarak kullanılır. İkincisi, flash buhar santralleri; yüksek basınçla kuyudan gelen akışkan düşük basınçlı separatörlerde su ve buhar olarak ayrılır ve ayrıştırılan buhar ile türbinin döndürülmesi sağlanır. Üçüncüsü, Binary cycle: Jeotermal akışkanın sıcaklığından faydalanılarak sudan daha az buharlaşma sıcaklığına sahip akışkan ısı değiştirgecinde buharlaştırılır ve buharlaşan bu akışkan ile türbinin döndürülmesi sağlanır.

5.4. Jeotermal Akışkanın Direkt Olarak KullanımıDirekt kulanım yöntemi, jeotermal enerjiden faydalanmanın en eski, çok yönlü ve çok genel kullanım alanlarından biridir. Yer ve bölge ısıtmacılığı, tarımsal uygulamalar, ve endüstri uygulamaları jeotermal enerjiden faydalanmanın en çok bilinen yönüdür.Jeotermal bölge ısıtma sistemi sermaye yoğunlukludur. Ana giderler ilk yatırım giderleridir. Bunlar; üretim ve enjeksiyon kuyularının açılması, kuyu dibi ve iletim hatlarında çalışacak pompalar, borular ve dağıtım ağı, gözlem ve kontrol ekipmanları, kontrol ve dağıtım istasyonları ve depolama tankları giderleri. Jeotermal ısıtma sistemi geleneksel ısıtma sistemlerden oldukça ucuzdur. Jeotermal ısıtma ve soğutma sistemi 1980li yıllardan sonra ısı pompalarının kullanılmasıyla bir artış göstermektedir.

5.5. Jeotermal Gelişimin Çevresel EtkisiJeotermal enerji çevre etkileri açısından en temiz enerji türlerinden biridir. Çünkü jeotermal santrallerde daha az karbondioksit (kömür ve petrol santralleri 1000-2000 kez daha fazla üretir) ve çok az miktarda da sülfür oksit gazı atmosfere salınır. Buhar santralleri çoğunlukla buhar emisyon eder. Binary cycle santralleri kapalı sistem olduğundan her hangi bir gaz atmosfere salınmaz.İnsanlar tarafından üretilen veya başka bir forma dönüştürülen enerjinin çevresel etkilerinin olması kaçınılmazdır. Dolayısıyla elektrik üretimi veya diğer nedenlerle kullanılan derin jeotermal suların da çevreye geniş bir oranda etkisi vardır. Bu etkiler, yüzeyde oluşan çökmelerden (tasman) jeotermal akışkanın oluşturduğu doğal güzelliklerdeki (Pamukkale Travertenleri, Türkiye) tahribatlara kadar değişebilmektedir. Bunların yanında jeotermal sıvının içerdiği bor, cıva, arsenik, kurşun, amonyak, lityum, karbondioksit, hidrojen sülfür ve tuz çevreyi olumsuz şekilde kirletmektedir. Fakat santralde kullanılan akışkanın tekrar rezervuara enjekte edilmesiyle çevreye verilen zarar minimuma indirilebilir. Jeotermal santrallerde yakıt maliyeti, pratik olarak sıfırdır. Tesis süresi, termik ve hidroelektrik santrallere göre daha kısadır. Bunların yanında, yeraltından gelen akışkanın korozif özelliği nedeniyle santralin birçok bölümünün özel alaşımlı çelikten yapılması gerekir. Ayırma ve temizleme işlemlerine rağmen, sızan ve bacadan çıkan gazlardaki kükürt gazları, havanın nemi ile birleşerek oluşan asit nitelikte bileşikler, çevredeki canlılar ve santralde kullanılan elektronik donanım için zararlıdır. Sayılan bu özellikler, jeotermal santralin kuruluş maliyetini, dolayısıyla amortisman giderlerini arttırmaktadır[4].Dünya jeotermal kaynaklı elektrik üretim potansiyel kurulu gücü 1977 yılında 502 MW'ı ABD'nde olmak üzere 1350 MW kadardır. 1986 yılında ise kurulu güç 8228 MW'a yükselmiştir. Bu alanda dünya liderleri 1915 MW kurulu güçle Çin, 1874 MW ile ABD ve 1443 MW ile İzlanda'dır. Bu üç ülkeyi, Fransa (337 MW), Japonya (318 MW), Yeni Zelanda (264 MW), İtalya (307 MW), Arnavutluk (245 MW), Macaristan (240 MW), Rusya (210 MW) ve Türkiye (140 MW) izlemektedir. Bugün toplam 27 ülkede elektrik üreten jeotermal santraller çalışmaktadır. Özellikle İzlanda ve Yeni Zelanda'nın enerji tüketiminde (elektrik üretimi ve konut ısıtma) jeotermal enerji çok yüksek bir paya sahiptir. ABD'nin "The Geysers", İtalya'nın "Landrello", kaynakları en yüksek potansiyele sahip olanlardır.Jeotermal enerjinin elektrik üretiminde kullanılması ekonomik açıdan en önemli olan kullanılış şeklidir. Elektrik enerjisi elde edebilmek için gerekli ön araştırmaların ve tesis masraflarının çok yüksek olmasına karşın kurulduktan sonra düşük maliyetle işletilmesi çok büyük avantajdır. 1996 yılı itibariyle dünyada toplam 8600 MW gücünde jeotermal santral kurulu gücü vardır. Dünyada jeotermal enerjinin elektrik santralleri dışında kullanılmış ve 1996 yılı itibarıyla toplam 11300 MW güce ulaşmıştır. Amerika’da 1874 MW, Japonya’da 3321 MW, Çin’de 1915 MW, Macaristan 340 MW, Izlanda’da 1443 MW, Fransa’da 599 MW, Italya’da 307 MW ve Türkiye’de 635 MW düzeyindedir [15].

6. BİOKÜTLE ENERJİSİKarbon içeren her türlü bitkisel veya hayvansal atıklardan oluşan organik maddelere biokütle denir. Bu kaynaklar, bitkisel atıklar, hayvansal atıklar ile şehir ve endüstri atıkları olarak sınıflandırılır. Yeryüzünde doğrudan veya dolaylı olarak fotosentezin ürünü olan biokütle, yanma denilen oksijen ile tepkimesi sonucu içinde depolanmış

güneş enerjisini ortaya çıkarır. Dolayısıyla her türlü biokütle yakılarak enerji elde edilebilir. Enerji üretme prensipleri termik santrallerle aynıdır. Temel fark yakıt olarak kömür yerine biokütlenin kullanılmasıdır. Biokütle enerjisinin farklı yollardan enerji sağlayabilmesi için birçok formları oluşturulmaktadır.Yenilenebilir biokütle ve biokütleden elde edilen yakıtlar çevresel fayda sağlaması sebebiyle günümüz enerji kullanımında kolaylıkla fosil yakıtların yerine geçebilecektir. Biokütle kaynaklarının sağlanması fosil kaynak sağlanmasından daha pahalıdır. Fakat biokütle yenilenebilir bir kaynak olmasıyla tükenmekte olan fosil yakıtların yanında sürdürülebilir global enerjinin önemli bir unsurudur. Buna ilaveten sera gazları emisyonu ve karbon döngüsünü azaltıp, kırsal ekonominin gelişimini desteklemektedir. Ayrıca biokütlenin gazlaştırılması ile elde edilen gaz, doğal gazın kullanıldığı yerlerde küçük modifikasyonlar yapılarak kullanılabilir ve yaygınlaştırılabilir. Bilinen bir husus da bir enerji kaynağı olarak kullanılan biokütlenin birçok dezavantajının olduğudur. Düşük enerji yoğunluğuna sahip ( yaklaşık 16-20 MJ/kg ) ham biokütle kaynakları direkt olarak yakıldığı takdirde, verim çok düşüktür ve iç-dış mekanlarda yüksek seviyede hava kirliliği oluşmasına neden olur. Sağlığa zararları açısından koku, gürültü, yanma/patlama riski, CO zehirlenmesi, akıt gaz ve gazın temizlenme prosesinden kaynaklı pis su çıkışı dezavantajlarıdır. Biokütle gazlaştırma prosesinde katı yakıt deposu, yanabilen tozlar, yakıtın kurutulması ve üretilen gaz temel risk faktörlerini oluştururlar. Renksiz ve kokusuz olan karbon monoksit gazı solunduğunda tehlikeli bir toksik etki yaratır. Daha az kullanılmasındaki en önemli faktör; petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanmasının daha zahmetli olması, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerektirmesidirYapılan araştırmalara göre, 2025 yılında dünya genelinde biokütledan sağlanacak enerji, Dünya Enerji Konseyi'nin Raporu'nda 1.339.3 Mtep ile 3.291.5 Mtep arasında bildirilmiştir. En düşük öngörüm Dünya Enerji Konseyi'ne aittir. Dünya Enerji Konseyi raporlarında 2020 yılında yeni ve yenilenebilir kaynaklarla enerji talebinin minimum % 3-4'ünün, maksimum % 8-12'sinin karşılanabileceği belirtilmektedir. Ortaya konulan senaryoya göre modern biokütle ile sağlanacak enerji jeotermal enerjinin 6.4 katı, rüzgar enerjisinin 2.6-3 katı, güneş enerjisinin 1.6-2.2 katı olabilecektir. Görüleceği gibi en büyük pay modern biokütlea ayrılmıştır. Günümüzde Avrupa Birliği kapsamında enerji tüketiminin % 2-3'ü biokütledan karşılanmakta olup, bazı AB ülkelerinde biokütleın payı % 10-16 düzeyinde bulunmaktadır. 2020 yılında modern biokütle enerji üretiminin ABD'de 235-410 Mtep, Almanya'da 11-21 Mtep, Japonya'da 9-12 Mtep olması planlanmıştır.

6.1 Biokütle enerjili ısı-güç santralarıGünümüzde elektrik enerjisine katkı sağlamak için atık maddelerden faydalanılabilinir. Özellikle büyük yerleşim merkezlerinde toplanılan atıkların daha uzak bölgelere dökülmesi kısa süreli çözümlerdir. Bunları yakarak buradan açığa çıkan ısı enerjisi ile suyu buharlaştırıp türbin-jeneratör grubunun çalıştırılması ile elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Ayrıca burada atıklarda çok bol miktarda metan gazı ve açığa çıkmaktadır. Bu gazlar da ısıtma için kullanılabilmektedir. Yapılan araştırmalara göre bu yöntem, yakıttan elde edilen temel enerjinin en yüksek verim olanağını sağlayan tekniktir.

6.2. GazlaştırmaGazlaştırma biokütleden gaz yakıt elde edilen termokimyasal bir dönüşüm prosesidir. Diğer bir deyişle biokütle termokimyasal bir dönüşümle gaz yakıta dönüştürülür. Modernize edilmiş biokütle enerjisi teknolojilerinin amacı üretim ve kullanım sırasında emisyonları azaltırken yakıtın yoğunluğunu arttırmaktır. Üretilen gazın enerji içeriği içten yanmalı motorlarda, kazanlarda ve fırınlarda kullanıma uygundur. Fakat azot içeren gaz orta ve uzun taşımacılık için tavsiye edilmez. Biokütlenin gazlaştırılmasında tam kapasiteli yanmanın sağlanabilmesi için havanın yerine oksidan olarak saf oksijen veya buhar kullanıldığında yüksek enerji yoğunluğuna sahip gaz elde edilir[3].Isıl değeri düşük olmasın rağmen gaz motorları ve türbinlerinde, elektrik üretiminde veya içten yanmalı motorlarda katı biokütle gazlaştırılarak enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu metotla kullanılabilir ve modernize edilen gaz yakıtlar daha az zararlı emisyon ile geleneksel yakıtlar gibi kullanılabilir.Aşağıda üretilen biogazın ısıl değerleri ve diğer yakıtlarla karşılaştırılması verilmiştir[14].

1 m 3 Biyogazın Sağladığı Isı Miktarı (4700-5700 kcal/m 3 )

1 m 3 Biyogaza Eşdeğer Yakıt Miktarları ;

• 0,66 litre motorin, 0,75 litre benzin, 0,25 m3 propan’ eşdeğerdir.

Özellikle atıklardan elektrik enerjisi üretme fikri 1978 yılından sonra yaygınlaşmıştır. İsviçre bern’de bulunan Parlemento binasının ısıtılması 3 km. uzaklıktaki çöp gazından üretilen metan gazı ile olmaktadır.1990 yılında tamamlanan Fransa Paris’te yer alan St.Queen bölgesindeki santral her yıl 600.000 ton atığı yakmakta , 11 MW güç üretmekte ve ısıtma amaçlı 1.5 milyon ton buhar üretmektedir. 1994 yılında İngiltere’de Londra yakınlarındaki Deptford santralı 400.000 ton atığı yakmakta, 32 MW güç üretmekte ve 50 MW’lık ısı üretmektedir. Amerika’da Williams Lake (British Colombia’da) satralı 60 MW , El Nido santralı (California’da) 10 MW, Okeelanta Santralı (Florida’da) 74 MW güç üretmektedir. Finlandiya’da Lahti santralı 25 MW güç üretmektedir. Bunlar çalışan santrallardan bazılarıdır[21].

• 0,62 litre gazyağı, 1,46 kg odun kömürü, 3,47 kg odun, 0,43 kg bütan gazı, 12,3 kg tezek, 4,70 kWh elektrik enerjisi ,eşdeğerindedir.

6.3.Bioenerji Ve Sürdürülebilir Gelecek Hiç şüphe yok ki biokütle doğal enerji kaynağı olarak kendini sonsuza kadar yenileyebilecek bir enerji kaynağıdır. Gazlaştırma daha temiz enerji üretebilen bir enerji üretim teknolojisidir. Aslında gazlaştırma farklı teknolojiler içinde hammadde karakteristikleri ve emisyon potansiyellerine göre gaz yakıt üretiminde kullanılabilir. Fosil yakıtlar kükürt dioksit, azot oksitler ve radyoaktif alanla(nükleer) atmosfer kirletilirken, direk yakma yerine gazlaştırma kullanımında emisyonlar büyük bir şekilde sıfırlanabilmekte aynı zamanda farklı makinaların ısı ve güç üretiminde kullanılan gazın kalitesi iyileştirilmektedir. Gazlaştırma atıkların çevirim teknolojisinde kullanışlı ve yüksek kaliteli enerji sağlaması bakımından türünün tek örneğidir. Gazlaştırmanın avantajı gaz yakıtı yakmadan önce içerdiği zararlı maddeleri uzaklaştırmasıdır. Buna ilaveten içten yanmalı motorlarda gazlaştırma yakıtı kullanıldığında petrol yakıta nazaran daha az emisyon değerlerine sahiptir. Gazlaştırmadan elde edilen gaz yakıtta kükürt dioksit ve NOx salınımı olmaz[4].                            

7.HİDROJEN ENERJİSİHidrojen enerjisi tüketiciye yakıt ve/veya elektrik biçiminde sunulan bir enerji kaynağıdır. Bu enerji, sudan elde edilebilmekte ve yüksek verimlilikle, çevre üzerinde hiçbir olumsuz etki yaratmadan yararlı bir enerjiye dönüştürülebilmektedir.Hidrojen, doğada en çok bulunan element olmasına rağmen hafifliği sebebi ile atmosfere yükselip kaldığından yeryüzünde diğer elementlerle bileşik halde bulunur. Doğadaki miktarı sonsuz olup tükenmez, yanması ile çok yüksek verim elde edilir ve sonuçta su buharı meydana gelir. Atık madde olarak hidrojenin yanmasından su buharı oluşması doğal çevreye zarar vermemesinin yanında, diğer enerji atıklarının verdiği zararların giderilmesine yardımcı olabilmekte ve teknolojinin birçok alanında hidrojen atıklarından etkin bir şekilde doğal geri dönüşümlü olarak yararlanılabilmektedir [2]. Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır [13].Hidrojen, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan 14.4 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır. -252.77°C'da sıvı hale getirilebilir. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg). 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir. Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir [18].Hidrojen enerjisinin ideal bir yakıt ve enerji taşıyıcısı olmasının yanı sıra diğer avantajları kısaca şu şekilde özetlenebilir: Üretilmesi kolaydır, taşıma sektörü için uygun bir yakıttır, elde edilen enerji diğer enerji formlarına kolayca dönüştürülebilir, yüksek verimle yararlanılır, çevreye zararsızdır, diğer yenilenebilir enerji kaynakları örneğin rüzgar ve güneş doğa şartlarına bağlı olarak gelişeceğinden zaman zaman kesintilere uğrayabilir. Ancak hidrojen enerjisi süreklidir ve uzun mesafelere enerji iletimini sağlar.

7.1.Hidrojenin Kullanım Alanları1970’li yıllara girilirken hidrojen enerji taşıyıcısı olarak göz önüne alınmamakta ve hidrojen enerjisi kavramına enerji literatüründe pek rastlanmamaktaydı. 1974 ‘de Amerika Florida Maimi Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü’nde, Enstitü Direktörü Türk bilim adamı Prof.Dr.T.Nejat Veziroğlu’nun başkanlığında hidrojen enerjisi ile ilgili ilk çalışmalar başlamıştır. Hidrojen; alevli yanmaya, katalitik yanmaya, doğrudan buhar üretimine, kimyasal dönüşüme ve yakıt pilleri ile elektro-kimyasal dönüşüme uygun bir yakıttır. Fosil yakıtlarda alevli yanma dışında sıralanan özelliklerin bulunmayışı hidrojenin üstünlüğüdür. Hidrojenin alevli yanması içten yanmalı motorlarda, dizel motorlarında, gaz türbinlerinde, jet motorlarında, roket motorlarında, ısıtma ve pişirmede uygulanabilirliğini sağlamaktadır. Katalitik yanmasının uygulandığı yerler pişirme, su ısıtma, hacim ısıtma ve absorbsiyonlu soğutucular için ısı sağlamadır. Hidrojenden doğrudan buhar üretimi buhar türbinlerinde, endüstriyel buhar ve ısıtma buharı sağlanmasında kullanılmaktadır. Hidrojenin hidridleşmeye dayalı kimyasal dönüşümü, hidrojen depolamanın dışında hidrojen arıtma, döteryum ayrıştırılması, sıkıştırma, pompalama, ısı pompaları, soğutma, iklimlendirme ve elektrik üretiminde uygulanır [4].7.2.Hidrojenin ÜretimiHidrojen üretiminde tüm enerji kaynakları kullanılabilmektedir. Kullanılan hammaddeler ise su, fosil yakıtlar ve biokütle materyallerdir. Yakıt olarak kullanılacak hidrojenin üretimi için suyun direkt elektrolizi, termokimyasal üretim, fotobiyolojik üretim yöntemleri ağırlık kazanmıştır. Hidrojen üretiminde güneş enerjisinden yararlanma istemiyle, elektrolizde kullanılacak elektrik enerjisinin fotovoltaik panellerden üretilmesine yönelik olarak, güneş fotovoltaik-hidrojen enerji sistemleri üzerinde önemle durulmaktadır.

7.3.Hidrojenin SıvılaştırılmasıHidrojenin sıvılaştırılması gaz hidrojenin kompresörlerde yüksek basınçta sıkıştırılması, sıkıştırılmış gazın sıvı nitrojen ile soğutulması ve türbinlerde genişletilmesiyle olur [8]. Teoride ideal bir sıvılaştırma prosesinde izotermal kompresör ve izentropik türbin kullanılır. Pratikte ise türbin sadece gazın soğutulması amacıyla kullanılır, yoğuşturmada kullanılmaz. Çünkü aşırı sıvı formasyonu türbin kanatçıklarına zarar verir [3].

7.4.Hidrojenin DepolanmasıHidrojenin belki de en önemli özelliği, depolanabilir olmasıdır. Bilindiği gibi, günümüzde büyük tutarlarda enerji depolamak için hala uygun bir yöntem bulunmuş değildir. Eğer bugün diğer enerji santrallarından üretilen elektrik enerjisinin depolanması mümkün olsaydı, enerji sorununu bir ölçüde çözmek mümkün olabilirdi. Ancak, elektrik enerjisi için bilinen en iyi depolama yöntemi hala asitli akümülatörlerden başka bir şey değildir. Hidrojen gaz veya sıvı olarak saf halde tanklarda depolanabileceği gibi, fiziksel olarak karbon nanotüplerde veya kimyasal olarak hidrür şeklinde depolanabilmektedir.Hidrojen uygun nitelikli çelik tanklarda gaz veya sıvı olarak depolanabilir. Ancak gaz olarak depolamada yüksek basınç nedeniyle tank ağırlıkları problem yaratmaktadır. Hidrojen gazını depolamanın belki de en ucuz yöntemi, doğal gaza benzer şekilde yeraltında, tükenmiş petrol veya doğal gaz rezervuarlarında depolamaktır. Maliyeti biraz yüksek olan bir depolama şekli ise, maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır.

Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kaplar; hidrojenin kapladığı hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gereklidir. Bunun için de yüksek basınç ve soğutma işlemine ihtiyaç vardır. Sıvılaştırılmış hidrojen yüksek basınç altında çelik tüpler içinde depolanabilir. Bu yöntem orta veya küçük ölçekte depolama için en çok kullanılan yöntemdir. Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalı bir yöntemdir. Çünkü hidrojen enerjisinin yaklaşık ¼'ü sıvılaştırma işlemi için harcanmalıdır. Bir diğer pratik çözüm ise, sıvı hidrojenin düşük sıcaklıktaki tanklarda saklanmasıdır. Uzay programlarında, roket yakıtı olarak sürekli şekilde kullanılan sıvı hidrojen bu yöntemle depolanmaktadır. Dünyadaki en büyük sıvı hidrojen tankı, Kennedy Uzay Merkezinde olup 3400 m3 sıvı hidrojen alabilmektedir. Bu miktar hidrojenin yakıt olarak değeri 29 milyon MJ veya 8 milyon kWh’e karşılık gelmektedir. Son yıllarda yapılan çalışmalar sonucu hidrojen karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir. Karbon nanotüpler kısaca grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Çapları birkaç nanometre veya 10-20 nanometre mertebesinde, boyları ise mikron seviyesindedir.

7.5.Hidrojenin TaşınmasıHidrojen gazı, doğal gaz veya hava gazına benzer olarak borular aracılıyla her yere kolaylıkla ve güvenli olarak taşınabilmektedir. Hidrojen boru ile taşınmasına, Texas'da petrol sanayi tarafından kullanılmakta olan ve 80 km uzunluğuna sahip boru şebekesi ile Almanya'da Ruhr havzasında 1938 yılında işletmeye açılan ve bugün 15 atmosfer basınç altında hidrojen taşımaya devam eden 204 km'lik boru hattı örnek olarak gösterilebilir.Benzinli bir otomobil ortalama olarak 65 litre (47kg) benzin almakta olup, bu da enerji olarak 17 kg hidrojene karşılık gelmektedir. Hidrojen sıkıştırılmış gaz, sıvı ya da metal hidritlerle katı halde taşınabilir. Hidrojen tüplere doldurularak karayolu, demiryolu, denizyolu ve boru hatları ile iletilmektedir. Hidrojenin taşınmasında seçimi etkileyecek ana faktörler uygulama, miktar ve üretim yerinden alıcıya olan mesafedir. Burada unutulmaması gereken nokta, en ucuz taşıma yönteminin, taşınacak hidrojenin miktarına ve taşıma yapılan yola bağlı olduğu ve hidrojenin son kullanıcının ihtiyacına cevap verecek formda taşınması gerektiğidir. Hidrojenin taşınmasındaki yöntemleri kısaca en uygun koşullara göre özetleyecek olursak; Boru hattı, büyük miktarlar ve uzun mesafelerdeki güç iletimi için, sıvı hidrojen, uzun mesafelere taşımada, sıkıştırılmış gaz, küçük miktarlar ve kısa mesafelerdeki taşımalarda, metal hidrit, kısa mesafelerde taşımada kullanılması en uygun yöntemlerdir. Araştırmalar, mevcut koşullarda hidrojenin diğer yakıtlardan yaklaşık üç kat pahalı olduğunu ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanımının hidrojen üretiminde maliyet düşürücü teknolojik gelişmelere bağlı olacağını göstermektedir. Bununla birlikte, günlük veya mevsimlik periyotlarda oluşan ihtiyaç fazlası elektrik enerjisinin hidrojen olarak depolanması günümüz için de geçerli bir alternatif olarak değerlendirilebilir. Bu tarzda depolanan enerjinin yaygın olarak kullanılabilmesi -örneğin toplu taşım amaçları için yakıt piline dayalı otomotiv teknolojilerinin geliştirilmesine bağlıdır.

8. İkincil Enerji DönüşümleriYenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektrik enerjisinin birim maliyeti tüketiciye iletilen mesafeye bağlıdır. Bu mesafe uzadıkça birim enerji maliyeti artmaktadır. Bu sebeple yerleşim yeri bu santrallerden uzakta ise ikinci bir dönüşebilecek enerji

kaynağına ihtiyaç bulunmaktadır. Bunlardan birinci kullanımı olan hidrojen enerjisidir. Örneğin; Kanada’da 100 MW gücünde bir hidroelektrik santral kurulmuş, bu santralden elde edilen elektrik enerjisi ile nehir suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilmiştir. Elde edilen gaz hidrojen tüplere doldurulmuş, Almanya’ya Hamburg limanına gönderilmiştir ve burada enerji olarak kullanılacaktır. 100 MW’lık bu tesisin Almanya’da 75 MW’ lık bir güç santralına eşdeğer olacağı hesaplanmıştır.Hidrojenin depolama yöntemlerinden biri de metal hidritlerdir ve metal hidritler çoğunlukla otomobillerde kullanılmaktadır. Bugün 135 km. yol alabilen metal hidritli otomobiller çalışmaktadır. Hidritler oldukça pahalı ve daha ziyade büyük kamyon otobüs ve tırlar için uygun olduklarından yakıt pilleri alternatif bir çözüm olarak karşımıza çıkar. Bunlar hidrojeni doğal gaz ve oksijen ile birleştirerek elektrik üretirler. Üretilen bu elektrik daha sonra motorların çalıştırılmasında kullanılabileceğinden otomobillerin de hareketini sağlar. Bu, elektroliz işleminin tam aksidir. En büyük problem dolum istasyonudur. Ancak yakıt pilleri bugün için mevcut olan içten yanmalı motorlardan iki kat daha fazla verimli olduğundan otomobillerin o kadar fazla hidrojen taşımaları gerekmeyecektir. Bu da büyük ölçüde yakıt depolamasını ve maliyetini azaltacaktır. Enerji dönüşümü için en etkin sistemler yakıt pilleridir. Uygulanmalarında çevre sorunlarının fazla olmaması ve kolaylıkla taşınabilmesi, gelecekte çok yaygın olarak kullanılabileceklerinin işaretidir[4]. Bugün yakıt pilleri, 1 W ile 10 MW arasında değişen geniş bir güç aralığına sahiptir[24]. Türkiye’de Bozcaada pilot bölge seçilerek, 10.2 MW kurulu gücündeki rüzgar santralından adanın elektrik enerjisi üretilmektedir [23]. Günün daha az enerji enerji gerektiren zamanlarında deniz suyu elektroliz edilerek hidrojen elde edilecek ve gaz hidrojen yeraltı boru hatlarıyla tüm adaya iletilecek ve aynı zamanda yakıt olarak kullanılacaktır.Güneş-hidrojen uygulamaları da dünyada oldukça kullanımı yaygın bir enerji türüdür. Güneş enerjili santrallerden elde edilen elektrik enerjisi elektroliz sisteminde kullanılarak hidrojen üretimi sağlanmıştır.

9.Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının KarşılaştırılmasıEnerji üretim sistemlerinin karşılaştırılması, çevre ve ekonomik açıdan yapılmıştır. Bunun için de tablolar halinde açıklanmıştır.

Çizelge 9.1. Enerji türlerinin bağımlılık ve kalan ömürlerinin karşılaştırılmasıDışa Bağımlılık/Yerellik Kalan Ömrü(YIL)

Petrol Dış 40-45Kömür Yerel/Dış 200-250

Doğalgaz Dış 60-65Nükleer Dış -Hidrolik Yerel -Güneş Yerel -

Jeotermal Yerel -Rüzgar Yerel -

Çizelge 9.2. Enerji türlerinin yaklaşık olarak yatırım ve birim enerji maliyetlerinin karşılaştırılması

Yatırım Maliyeti ($/kWh) Üretim Maliyeti (cent/kWh)

Petrol 1500-2000 6Kömür 1400-1600 2.5-3

Doğalgaz 600-700 3Nükleer 3000-4000 7.5Hidrolik 750-1200 0.5-2Güneş Yüksek 10-20

Jeotermal 1500-2000 3-4Rüzgar 1000-1200 3.5-4.5

Çizelge 9.3. Enerji türlerinin çevresel etkilerinin karşılaştırılması

İklim Değişikliği

Asit Yağmuru

Su Kirliliği

Toprak Kirliliği

Gürültü Radyasyon

Petrol + + + + + -Kömür + + + + + +

Doğalgaz + + + - + -Nükleer - - + + - +Hidrolik + - - - - -Güneş - - - - - -

Jeotermal - - + + - -Rüzgar - - - - + -

Yukarıdaki tablolara baktığımızda yenilenebilir enerji kaynakları oldukça avantajlı görünmektedir. Bir tek yatırım maliyeti ve birim enerji maliyeti diğer enerji kaynaklarına nazaran daha pahalıdır. Teknolojinin ilerlemesiyle ve seri imalata geçilmek suretiyle ileriki yıllarda daha da ucuzlayacağı aşikardır. Yenilenebilir enerji kaynakları ile kurulan santrallerin güçlerini, fosil yakıtlı santrallerin güçleri ile karşılaştırmak mümkün değildir. Bu sebeple yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan santraller ile fosil yakıtlı santralleri karşılaştırmaya gerek yoktur, yenilenebilir enerji kaynakları her zaman diğer enerji kaynaklarının tamamlayıcısı olmuştur.

Kaynaklar

[1] Sorensen, B., “Renewable Energy”, Third Edition, Elsevier, 2004

[2] Fanchi, J.R., “ Energy Technology and Directions for the Future”, Elsevier, 2004

[3] Acaroğlu, M., “Alternatif Enerji Kaynakları”, ,Atlas yayın,2003

[4] Şen, Z., “Temiz Enerji ve Kaynakları”, Su Vakfı Yayınları,2002

[5] Kocaman, B., “ Elektrik Enerjisi Üretim Santralleri”, Birsen Yayınevi, 2003

[6] Muslu, Y., “Ekoloji ve Çevre Sorunları”, Aktif Yayınevi, 2000

[7] Spera A. D.,, “ Wind Turbine Technology”, ASME Press, 1-31, 1998

[8] Gipe P., , “Wind Energy Basics”, Chelsea Green Publishing Company, 2003

[9 ] Johnson, G.L., “ Wind Energy Systems”, Manhattan, 2001

[10 ] Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E., “ Wind Energy Handbook” , Wiley , 2001

[11] Heier S., “Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems”, John Wiley&Sons Pres, 1998

[12] Walker J. F.,Jenkins N., “Wind Energy Technology” , Unesco Energy Engineering Series, 19-57,84-85,106-131, 1997

[13] Ohta, T., Funk, J.E., Porter, J.D. ve Tilak, B.V., “Hydrogen Production From Water: Summary of Recent Research And Development Presented At The Fifth Whec”, International Journal Of Hydrogen Energy, 10:571-576, 1985

[14] http://www.eie.gov.tr

[15] http://eng.harran.edu.tr

[16] www.windpower.com/index.htm

[17] www.ewea.com/2004facts.pdf

[18] www.turkelektrik.com

[19] www.meteor.gov.tr

[20] http://www.cres-energy.org/techbasics/hydropower

[21] http://www.rmi.org/sitepages/pid703.php [22] www.eere.energy.gov/RE/ hydropower .html

[23] www.demirer.com.tr

[24] www.hidrojenforumu.com