Slider Altına

Güneş Isıl Gücünün Temelleri: Güneşten Gelen Güç

05 Ağustos 2007 Dergi: Ağustos-2007
Kaliforniya?da Mojave çölüne kurulan 30-80 MW?lık ilk parabolik oluk tipi kollektörlü enerji istasyonları ile, bu teknolojinin parlak teknolojik ve ekonomik geleceği ortaya çıkmış oldu. Çevre açısından neredeyse hiç bir zararlı etkisi bulunmayan ve güneş gibi tükenmez bir enerji kaynağına dayanan bu teknoloji, güneş kuşağında yer alan ülkeler için, dünyanın en fazla rüzgar alan Avrupa ülkelerindeki denize kurulu rüzgar çiftliklerinden elde edilmeye çalışılan enerjiden daha fazlasını vaad ediyor.

Güneşten ısıl güç elde edilmesinde sadece direkt günışığı, yani bulutlar, sis, duman, toz vb. etkilerle atmosferde tutulan kısımdan geriye kalan güneş ışığının, paralel ışınlar şeklinde yeryüzüne ulaşan kısmı kullanılabiliyor. Bu nedenle, direkt günışığının yüksek olduğu bölgeler, bu tür sistemlerin kurulması için daha ideal. Dünya standartlarında en uygun kabul edilen yerler, metrekareye yılda 2.000 kilowatt saat (kWh) güneş ışınımı düşen yerler. Dünyanın en iyi bölgelerinde ise metrekareye yılda 2.800 kWh?ın üzerinde güneş ışınımı düşüyor. Bu sistemlerin kurulabileceği tipik yerler, 40 derece kuzey ve güney enlemleri arasında yer alan, iklim ve bitki örtüsünün atmosferde yüksek nem, toz ve duman oluşmasına neden olmadığı stepler, çalılık ve makilik alanlar, yarı çöller ve çöller. Bu tanıma göre dünyadaki aday bölgeler olarak güneybatı, güney ve orta Amerika, kuzey ve güney Afrika, Avrupa?nın Akdeniz kıyısı ülkeleri, yakın ve orta doğu, İran, Hindistan çölleri, Pakistan, eski Sovyetler Birliği, Çin ve Avustralya ön plana çıkıyor.

Dünyanın birçok bölgesinde, ısıl güneş teknolojileri kullanılarak 1 kilometrekarelik bir alandan yılda 100-130 gigawatt saat (GWh) elektrik enerjisi elde etmek mümkün. Bu değer, kömür veya gaz yakan, aşağı yukarı 50 MW gücündeki bir konvansiyonel termik santralden elde edilen enerjiye karşılık geliyor. Böyle bir sistemin ömrü boyunca üreteceği enerji miktarı ise kabaca 5 milyon varil petrole eşdeğer.

Ancak, bu büyük güneş enerjisi potansiyeli, bölgesel talep veya yöresel teknolojik ve finansal kaynakların yeterli olmadığı durumda, sadece kısıtlı oranda kullanılabilecektir. Güneş kuşağı içerisinde yer alan bölgelerde üretilecek enerji, güneş kaynakları yetersiz ancak enerji talebi yüksek bölgelere aktarılabildiğinde, potansiyelin daha yüksek oranda değerlendirilmesi sağlanabilecektir. Almanya gibi bazı ülkeler, enerji sektöründe uzun vadeli sürdürülebilir gelişim için, Güney Avrupa ve Kuzey Afrika?dan güneşe dayalı olarak üretilen elektrik enerjisini ithal etmeyi ciddi biçimde düşünüyor. Ama, öncelik her zaman bölgenin ihtiyacını karşılamaya yönelik olmak zorunda.

GÜNEŞ ISISININ ELEKTRİĞE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ

Güneş ışınlarının taşıdığı enerjiden elektrik üretimi aslında çok iyi bilinen birkaç prosese dayanıyor: Direkt günışığı, orta Ğ yüksek bir sıcaklık elde edecek şekilde Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (Concentrating Solar Power - CSP) teknolojisi kullanılarak, yoğunlaştırılıyor ve toplanıyor. Bu ısı daha sonra konvansiyonel bir buhar türbini çevrimi veya Stirling motorunun çalıştırılması için kullanılıyor. Gün içerisinde toplanan güneş kaynaklı ısının ergimiş tuzlar, seramikler, beton, faz değişimli tuz karışımları gibi sıvı veya katı ortamlar kullanılarak depolanması da mümkün. Depolanan ısı, gece boyunca geri alınarak kesintisiz işletim sağlanabilmekte.

Sadece güneş enerjisi ile çalışan ısıl güneş sistemleri, İspanya ve Kaliforniya gibi refah seviyesi yüksek yerlerde özellikle yazın öğlen saatlerinde maksimum değerine ulaşan soğutma sistemlerinin enerji ihtiyacının karşılanmasında idealdirler. Termal enerji depolama sistemleri sayesinde ısıl güneş enerjisi sistemlerinin çalışma saatlerinin genişletilmesi mümkündür. Örneğin İspanya?daki 50 MWe gücündeki AndaSol tesisleri 6 ila 12 saatlik depolama kapasitesine sahiptir ve sistemin yıllık ortalama çalışma süresi bu sayede 1000 ila 2500 saat uzamaktadır.

Teknolojinin pazara girişi aşamasında, güneş enerjisini yedeklemek ve desteklemek amacıyla fosil yakıtlı sistemler de kullanılan karma tesislerin düşünülmesi olağandır. Kaliforniya?da kurulan SEGS tesisinde, güneş ışınım şiddetinin az olduğu durumlarda da sistemden beklenen maksimum çıkışın alınabilmesi için fosil yakıtlı sistemler kullanılmaktadır. Bu giriş safhasında, özellikle kısmi ila tam güç arasında çalışan Entegre Güneş Ğ Kombine Çevrimi (Integrated Solar- Combined Cycle Ğ ISCC) tesislerin kullanımı çok uygundur. Isı ve elektriğin aynı anda elde edildiği kombine sistemler özellikle büyük umut verici potansiyele sahiptir, çünkü güneş enerjisinin ısıya çevrilmesinde %85?lere varan verimlere ulaşılabilmektedir. Kombine sistemlerde elde edilen proses ısısı endüstriyel uygulamalarda, absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde veya deniz suyunun damıtılmasında kullanılabilmektedir. Mevcut CSP teknolojileri parabolik oluk kollektörler, merkezi alıcılı güneş kuleleri ve parabolik çanak kollektörlü sistemler olarak sınıflanabilir. Kaliforniya?daki Mojave çölünde kurulan 354 MW gücündeki parabolik oluk kollektörlü enerji tesisi yıllardır ticari olarak işletilmektedir. Güneş kuleleri ve çanak kollektörlü sistemler, deneysel amaçlı birçok uygulamadan başarı ile çıkmışlardır.

NEDEN YOĞUNLAŞTIRILMIŞ GÜNEŞ ENERJİSİ?

Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) kullanımı, iklim değişimi sorununun etkili çözümü için en uygun yöntemlerden birisi olmasının yanında, fosil yakıt tüketimini de azaltacak potansiyele sahip.

Çevre açısından sürdürülebilirlik

Sistemin ömrü boyunca atmosfere salınan kirleticiler ve kullanılan arazi ve çevresine olabilecek olumsuz etkiler incelendiğinde CSP sistemlerinin, sera gazlarının ve diğer kirleticilerin etkilerinin azaltılmasında, başka bir çevresel risk veya kirletmeye yol açmadan kullanılabilecek ideal teknolojiler olduğu görülüyor. Örneğin, 1 metrekarelik bir CSP kollektörü konfigürasyona bağlı olarak yıllık 200-300 kg karbondioksitin atmosfere yayılımının önüne geçmiş oluyor.

CSP sistemlerinin ekonomik ömrü 25 ila 30 yıl arasında ve kullanılan malzemelerin büyük bir bölümünün yeni kurulacak tesislerde kullanımı, veya hiç olmazsa geri dönüşümü mümkün.

Ekonomik sürdürülebilirlik

CSP teknolojilerinin birim maliyeti, tesis kapasitesi büyüdükçe düşüyor. Pazarın büyümesine bağlı olarak üretim miktarlarının artmasına paralel, maliyetlerin daha da düşmesinin beklenmesi doğal.

Kaliforniya?daki SEGS (Solar Electric Generating Systems) tesisinde elde edilen tecrübelere göre, güneşten elde edilen elektriğin bugün için maliyeti 15 US cents/kWh olarak görülüyor. Ancak, henüz uzun bir teknolojik yolun başında sayılırız. Teknolojilerin gelişimi, seri üretim, ölçek ekonomileri ve işletmeciliğin gelişimi sonucunda, önümüzdeki 10 yıl içinde maliyetlerin konvansiyonel fosil yakıtlı sistemlerin seviyelerine düşmesi bekleniyor. Bunun, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak, gelecekteki olası fiyat patlamalarını önleyici bir etkisi olması da bekleniyor. Uygun bölgelerde kurulmuş güneş enerjisi ve fosil yakıtı birlikte kullanan karma CSP tesisleri halen rekabet edebilir fiyatlarla elektrik üretebiliyorlar.

Genel olarak güneş enerjisi tesisleri konvansiyonel katı yakıtlı güç tesisleri, özellikle doğal gaz ile çalışan tesisler ile rekabet etmek durumunda. Gelişmekte olan ülkeler veya ada gibi sınırlı alanlarda kurulmuş küçük ölçekli tesislerin ise en büyük rakibi genellikle dizel jeneratörler. Buna karşın, elektrik sektörü reformu, "yeşil enerji"ye doğru artış gösteren talep, çevreye duyarlı karbon içermeyen enerji üretimleri için uygulanan destekler veya yenilenebilir enerji için bazı ülkelerde uygulanan destek ve teşvikler, bu tip projelerin ekonomik olarak uygulanabilir olmasına yardımcı oluyor.

KISA BİR TARİHÇE

Güneş ışınlarından enerji elde edecek cihazların dizaynı için çabalar, 1970'lerdeki petrol krizinin yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgiyi tetiklemesinden yaklaşık 100 yıl kadar önce başlamıştı. İlk denemeler, 1860'larda Auguste Mouchout'un güneş enerjisi ile çalışarak buhar üreten aygıtı ile başladı ve 1900'lerin başlarında Aubrey Enear'ın ilk ticari güneş motoru ile devam etti. 1907'de Aalen'den Dr. Maier ve Stuttgart'tan Mr. Remshalden'a "Buhar üretimi için güneş ışınımlarını direkt olarak toplayan, parabolik oluk şekilli kollektör" için bir patent verildi. 1912 yılında, Frank Shuman benzer bir konsepti kullanarak Kahire yakınlarındaki Meadi'de 45 kW gücünde, güneşi takip eden parabolik oluklu bir sistem inşa etti.

1970'lerin sonu ile 1980'lerin başında A.B.D., Rusya, Japonya, İspanya ve İtalya'nın başı çektiği endüstrileşmiş bazı ülkelerin güneş enerjisi AR-GE çalışmalarında bu ilk tasarımlar temel oluşturdu. Mevcut teknolojilerden sonuna kadar faydalanmaya çalışan bu pilot projelerin birçoğu, beklenen performans seviyelerine ulaşamadı. Takip eden onyıllar boyunca çalışmalar, teknolojilerin geliştirilmesi üzerine yoğunlaştı. 1980'lerin ortalarında Amerikan/İsrail ortaklığı Luz International, parabolik oluk tipi güneş enerji sistemlerini seri olarak üretmeye başladığında büyük bir teknolojik sıçrama yaşandı. 1984 ile 1991 yılları arasında Kaliforniya'da Mojave çölünde kurulan dokuz SEGS tesisinden herbiri, kısa süre önce kurulan pilot araştırma tesislerinden daha büyüktü. SEGS başarı öyküsü, ilk olarak kurulan 14 MW'lık tesis ile başladı, 6 adet 30 MW'lık tesis ile devam etti, 1989-1991 arasında kurulan iki adet 80 MWe tesis ile Güney Kaliforniya'ya toplam 354 MW kapasite ile hizmet vermeye devam ediyor. Aşağıdaki tabloda listelenen ilk AR-GE projelerinin aksine, tüm SEGS tesisleri özel sektör tarafından geliştirilmiş, finanse ve inşa edilmiş olup, halen aynı şekilde işletilmektedir.

KULLANILAN TEKNOLOJİLER

CSP olarak ta adlandırılan ısıl güneş enerji tesisleri elektrik üretimi için genel olarak konvansiyonel sistemlerin kullandığı yöntemlerin aynısını kullanmaktadır. Aralarındaki fark, buhar türbini veya motoru çevirmede kullanılan yüksek sıcaklıktaki buhar veya gazı elde etmek için gerekli enerjinin, güneş enerjisinin yoğunlaştırılmasından elde edilmesindedir.

Böyle bir tesis genel olarak dört ana bölümden meydana gelir: Yoğunlaştırıcı kollektör, yoğunlaşan enerjinin emildiği alıcı, iletim veya depolama için kullanılan bir ortam ve güç çevrimi. Diğer yenilenebilir veya yenilenemeyen enerji teknikleri de dahil olmak üzere birçok kombinasyon ve sistem konfigürasyonu mümkün olmakla birlikte, geleceği en parlak üç ısıl güneş teknolojisi aşağıda açıklanmıştır.

Parabolik oluk

Bu sistemlerde güneş ışınları parabolik oluk şekilli bir ayna yardımı ile, parabolün odak çizgisi üzerine yerleştirilmiş, ısıl verimi yüksek bir alıcı boru üzerine yoğunlaştırılır. Boruların içinde, sentetik ısı transfer yağı gibi bir ısı transfer sıvısı dolaştırılır. Yoğunlaştırılmış güneş ışınları sayesinde yaklaşık olarak 400¡C sıcaklığa kadar ısınan bu yağ, bir dizi ısı eşanjöründen pompalar yardımıyla dolaştırılarak, kızgın buhar elde etmede kullanılır. Daha sonra bu buhar, klasik bir buhar türbini çevriminde veya buhar türbini-gaz türbini kombine çevriminde elektrik enerjisi elde etmek, veya endüstriyel proseslerdeki ısı ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılabilir.

Merkezi alıcı veya güneş kuleleri

Dairesel bir şekilde dizilmiş heliostat adı verilen, kendiliğinden güneşi takip edebilecek şekilde donatılmış büyük düzlemsel aynalar kullanılarak güneş ışınları, merkezi bir konuma yerleştirilmiş bir kule üzerindeki alıcıya yansıtılır. Alıcı içerisindeki ısı transfer akışkanı ile alınan yoğunlaştırılmış ısı, türbin çalışması için gereken kızgın buharın elde edilmesinde kullanılır. Bugüne kadar ısı transfer akışkanı olarak su/buhar, ergimiş tuzlar, sıvı sodyum ve hava denenmiştir. Isı transferi için 1,000¡C veya daha yüksek sıcaklıklarda basınçlı gaz veya hava kullanıldığında, gaz türbinindeki doğal gaz yerine direkt olarak kullanımı da mümkündür. Bu sayede %60 veya daha yüksek verime sahip modern gaz ve buhar kombinasyonlu çevrimlerin kullanımı mümkündür.

Parabolik çanak

Çanak şeklinde bir reflektör, güneş ışınlarını odak noktasına yerleştirilmiş bir alıcı üzerinde yoğunlaştırmaktadır. Yoğunlaştırılan enerji alıcı içerisindeki bir akışkanı yaklaşık olarak 750¡C sıcaklığa kadar ısıtmakta, ısınan akışkan ise küçük bir pistonlu makine, bir Stirling motoru veya bir mikro türbinin çalıştırılmasında kullanılmaktadır.

Üç teknolojiden herbirinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları vardır. Bunlardan bazıları aşağıdaki tabloda verilmiştir. z

Gelecek sayıda parabolik oluk sistemlerinin detaylarına değineceğiz. Şimdilik esen kalın.

Mustafa AYHAN

Ebitt Akışkan Teknolojileri

mustafa.ayhan@ebitt.com.tr

Etiketler


Video İçerik

Performansa Dayalı Deprem Tasarımı Yaklaşımı

Sempozyum