Yenilenebilir Enerji ve Enerji Verimliliği
Yenilenebilir Enerji ve Enerji Verimliliği
Dünya genelinde nüfusun artması, gelişen teknolojiler, hayat standartlarının yükselmesi, sanayileşme, kaynakların verimsiz kullanımı vb. sebeplerle birlikte enerji talebi her geçen gün artmaktadır. Enerjiye ulaşım ve enerji güvenliğinin sağlanması, dışa bağımlılığın azalması, iklim değişikliğiyle mücadele, hava kalitesinin iyileşmesi, rekabet gücünü artırma ihtiyacı gibi nedenlerle enerji kaynaklarının çeşitlendirilmesi ve yenilenebilir enerjilerle birlikte enerji verimliliği çözümlerine ağırlık verilmesi gerekliliği oluşmuştur.
Yenilenebilir enerjiler; doğa tarafından sürekli olarak yenilenen, doğrudan güneşten (termal) ya da dolaylı olarak güneşten (rüzgar, hidroelektrik ve biyokütlede depolanan fotosentetik enerji) türetilen veya çevrenin diğer doğal hareketlerinden ve mekanizmalarından (jeotermal ve gelgit enerjisi gibi) elde edilen enerji kaynaklarıdır. Yenilenebilir enerjinin enerji karışımları içindeki payı sosyal, çevresel ve ekonomik nedenlerle zaman içerisinde giderek artmış ve artış göstermeye devam edecektir. Yenilenebilir enerji çeşitlerini güneş, rüzgar, hidrolik, jeotermal, biyokütle ve dalga enerjileri olarak sayabiliriz.
Güneş Enerjisi
Güneşin ışınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen başlıca enerji kaynağıdır. Potansiyelinden dolayı sonsuz bir enerji kaynağı kabul edilir. Güneş enerjisinden yararlanabileceğimiz teknolojiler aktif ve pasif sistemler olarak ikiye ayrılmaktadır.
Şekil 1. Enerji Kaynaklarının Potansiyellerinin Karşılaştırılması
- - Aktif Sistemler
Aktif sistemler, suyun ya da ısı transfer sıvısının çevrimi için pompa kullanırlar. Güneş hücreleri aktif sistemlerdir. Fotovoltaik de denilen güneş hücreleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Üzerine düşen güneş ışınımını direkt olarak elektrik enerjisine çevirerek doğru akım üretirler. Bu piller, seri veya paralel bağlanarak, ürettikleri akım ve gerilim değerleri yükseltilebilir. Üretilen akımı depolayabilmek için bir akümülatöre gerek vardır. Fotovoltaik modüller uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir fotovoltaik sistemi oluştururlar. Fotovoltaik modüller gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolarlar ve yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için kullanılan denetim birimi ise akünün durumuna göre, ya fotovoltaik modüllerden gelen akımı ya da yükün çektiği akımı keser.
Şekil 2. Güneş Panelleri
- - Pasif Sistemler
Pasif sistemler suyun ya da ısı transfer sıvısının devrini doğal çevrim ile sağlarlar.
Düzlemsel kollektörler, dev ayna sistemleri, vakum tüplü sistemler, güneş ocakları, trombe duvarı ve güneş havuzları pasif sistem örnekleridir. Düzlemsel kollektörler, Türkiye'de de yaygın olarak kullanılan su ısıtmada kullanılan sistemlerdir. Tek odaklı santraller, dev aynalar kullanılarak ışığı yansıtarak oluşturulan sistemleri ifade eder. Vakum tüplü sistemler ısınma ve sıcak su ihtiyacını karşılamak içindir. Katmanlı iki cam tüpten oluşur. Güneş ocakları gelişmekte olan ülkelerde kullanılan yemek ısıtma gibi ihtiyaçları karşılayan sistemlerdir. Trombe duvarı; cam ve hava kanalları ile paketlenmiş bir sistemdir. Doğal çevrim ile termal kütleyi ısıtırlar. Güneşi emen özel delikli kaplamalar ile havayı kışın ısıtır, yazın soğutur. Isıtılan veya soğutulan hava, binanın ana ısıtma-soğutma sistemine gönderilir ve büyük miktarda CO₂ üretimi önlenirken, mevcut ısıtma, soğutma sistemleri de daha az çalışır. Güneş havuzları, tuzlu suyun kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda güneş enerjisinin toplanmasını ve depolanmasını sağlayan yapılardır ancak yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bina ısıtması, su ısıtması, suyun tuzunun giderilmesi vs uygulamalar için kullanılabilir.
Güneş enerjisi teknolojilerinin karbondioksit emisyonunu azaltması, düşük bakım maliyetleri gibi avantajlarının yanında geniş alan gereksinimi ve depolama gibi problemleri bulunmaktadır. Alan gereksinimi rüzgar ve hidroelektriğe göre daha az olsa da bu gereksinimlere yönelik çeşitli Ar-Ge çalışmaları yapılmaktadır.
Şekil 3. Pasif Güneş Teknolojilerine Örnekler
Tek Odaklı Güneş Enerji Santralleri
Rüzgar Enerjisi
Rüzgar enerjisinin ana kaynağı güneştir. Rüzgardan elde edilecek enerji tamamen rüzgarın hızına (karesi ile orantılı) ve esme süresine bağlıdır. Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretimi rüzgar türbinleri ile gerçekleştirilir. Rüzgar türbinleri, temel olarak bir rotor, bir güç şaftı ve rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çevirecek bir jeneratörden ibarettir. Rüzgar türbinlerinin bir çok çeşidi vardır. Eksenine, gücüne, devir sayısına, rüzgar etkisine ve kurulduğu yere göre değişiklik gösterebilmektedir.
Rüzgar türbinleri kaynaklı kuş ölümleri, gürültü kirliliği, radyo ve TV parazitlenmeleri gibi olumsuz etkileri bertaraf etmek için çeşitli uygulamalar geliştirilmeye çalışılmaktadır.
Şekil 4. Rüzgar Türbinlerine Örnekler
Hidrolik Enerji
Hidrolik güç, suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi ile sağlanan bir enerjidir. Hidroelektriğin temel prensibi, türbinleri çalıştırmak için su kullanmaktır. Hidroelektrik santraller iki temel konfigürasyondan oluşur: barajlı ve rezervuarlı veya barajsız. Akan su içindeki enerji miktarını suyun akış veya düşüş hızı tayin eder. Büyük bir nehirde akan su büyük miktarda enerji taşımaktadır. Ya da su çok yüksek bir noktadan düşürüldüğünde de yine yüksek miktarda enerji elde edilir.
Hidroelektrik santrallerin kurulduğu alanlarda bölgesel iklim değişiklikleri yaşanması, çevresinde bulunan tabiat ve doğal tarih varlıklarının korunamaması, su kalitesinin düşmesi, balık ve doğal yaşamların etkilenmesi gibi durumlar söz konusu olabilir.
Dünyanın en büyük hidroelektrik santrali, Çin'deki 22,5 Gigawatt'lık Üç Boğaz Barajı (Three Gorges Dam)'dır. 70 milyon ila 80 milyon haneyi beslemeye yetecek kadar yılda 80 ila 100 terawatt saat elektrik üretmektedir. Barajın bulunduğu gölün alanı yaklaşık İsviçre kadardır. Su toplama bölgesinin genişliği sebebiyle 1 milyondan fazla insan göç etmek zorunda kalmıştır. Baraj, ikinci büyük hidroelektrik barajı olan Brezilya ve Paraguay’daki Itaipu barajından %60 daha fazla elektrik üretmektedir.
Şekil 5. Dünyadaki En Büyük İki Hidroelektrik Santrali
Jeotermal Enerji
Jeotermal enerji, yerkabuğu içerisinde geçirimli kayalarda bulunan ve basınç altında aşırı derecede ısınmış sularda ya da sıkışmış buharda depolanan termal enerjiden oluşur. Jeotermal ısı pompası kullanılarak bir konut birimine ısı sağlamak için veya bir jeotermal enerji santrali aracılığıyla enerji üretimi için gerçekleştirilebilir. Jeotermal enerjinin oluştuğu uygun jeolojik koşullarda yapılan sondajlarla aşırı derecede ısınmış sular, yaş ve kuru buhar olarak yeryüzüne çıkarılmaktadır.
Jeotermal enerjilerin olumsuz etkileri genel olarak yereldir. Kuyu açılması, boru döşemesi gibi sebeplerle doğal yapının bozulmasına sebep olabilir, gürültü kirliliği yaratır. Hidrojen sülfür gibi havayı kirletici gaz yayınımı olabilir.
Şekil 6. Jeotermal Enerji Eldesinin Şekilsel Gösterimi
Biyokütle Enerjisi
Biyokütle, biyolojik kökenli ve fosil olmayan organik maddeler için kullanılan bir terimdir. Bu organik maddelerden ısı, elektrik ve sıvı yakıtlar (biyoyakıtlar) gibi faydalı enerji biçimlerine dönüştürülerek biyoenerji elde edilir. Biyokütle enerjisini, klasik ve modern olarak iki ana grupta ele almak mümkündür. Klasik yöntem; yakacak odun, bitki ve hayvan atıklarından (tezek gibi) oluşur. Modern yöntemler ise; enerji ormancılığı ve orman-ağaç endüstrisi atıkları, tarım kesimindeki bitkisel atıklar, kentsel atıklar, tarıma dayalı endüstri atıkları olarak sıralanır.
Biyokütlenin yakılması sırasında; asidik SOX ve NOX gazları ile CO₂ ve CH4 yayınımı sözkonusudur. Ancak, yetiştiricilik aşamasındaki fotosentez prosesinde CO₂ gazı kullanıldığı için, net CO₂ yayınımının olmadığı varsayılır. Çirkin görüntü ve tesisin cinsine göre gürültü kirliliği oluşturabilir.
Dalga Enerjisi
Deniz kaynaklı enerjiler, deniz-dalga, boğaz akıntıları, medcezirlerden elde edilen enerjiler olarak tanımlanmaktadır. Dalga enerjisi direkt olarak dalga yüzeyinden veya yüzey altındaki dalga basınçlarından elde edilir. Dalgalar deniz veya okyanusların yüzeyinde esen rüzgârlar tarafından üretilir. Dünyanın birçok yerinde rüzgâr sürekli dalgalar oluşturacak kadar düzenli ve sürekli eser. Deniz ve okyanus dalgalarında çok büyük enerji potansiyeli vardır. Dalga enerjisi makineleri dalgaların yüzey hareketlerinden veya dalga basınçlarından direkt olarak enerji üretir. Dalga enerjisini yakalamak için yapılmış yüzlerce pilot uygulama olmasına rağmen çok yaygınlaşmamıştır. Salınımlı rüzgar kuleleri, noktasal sönümleyiciler, ters sarkaçlar gibi gibi türleri vardır. En elverişli tasarımlardan birkaçının ticari kullanım için uygulama testleri yapılmaktadır.
Gel-git enerjisi ayın dünyayı kütle çekim kuvveti ile çekmesi sonucu denizlerde meydana gelen kabarma ve alçalmalar ile oluşmaktadır. Bunlar; gel-git baraj enerjisi ve gel-git akım enerjileridir. Gelgit enerjisinde, gelgit olayı için üretilmiş olan özel türbinler kullanılır. Kabarma ve alçalma sırasında deniz seviyesi farkından yararlanılarak, türbinler çalışır. Gelgit enerjisi için özel türbinlerin yanında, gelgit barajı da gereklidir. Gelgit barajları doğaya zararlı değildir. Yatırım maliyetleri çok yüksektir. Verimi diğer santrallere göre çok düşüktür ve günlük enerji ihtiyacını karşılayamayacak durumdadır. Dünya’da 3 büyük gel-git santrali bulunmaktadır. Bunlar Fransa’da bulunan Rance Nehri Gelgit Enerji Santrali(240 MW), Kuzey Kore’de bulunan Sihwa Gölü Santrali (254 MW) ve Kanada’da bulunan Annapolis Gelgit Enerji Santrali (18 MW)’dir.
Dalga ve akımlardaki değişimler yüzeye yakın yaşayan türleri doğrudan etkiler. Kıyıdan uzak uygulamalar, denizcilik için tehlike oluşturabilirler. Ancak, uygun görsel ve radar uyarı sistemlerinin enerji sistemine yerleştirilmesi ile tehlike azaltılabilir. Dalga enerji tesisleri, dalgakıran gibi davrandığı için denizi durgunlaştırır. Bu bir çok limanda istenen etki olmasına rağmen denizin üst tabakasının karışımını yavaşlatması deniz yaşamını ve balıkçılığı ters yönde etkiler.
Şekil 7. Dalga Enerjisi İçin Kullanılan Çeşitli Yöntemler
Yenilenebilir Enerji Maliyetleri
Yenilenebilir enerji, yeni enerji üretimine yapılan yatırımların başında gelmektedir. Yatırımların kalan kısmını da şebekelere ve depolamaya yapılan yatırım oluşturmaktadır. Hızlı teknoloji iyileştirmeleri ve maliyet düşüşleri sayesinde, günümüzde özellikle rüzgar ve güneş fotovoltaik (PV) enerji yatırımlarına olan talep giderek artmaktadır.
Şekil 8. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Ortalama Ağırlıklı Seviyelendirilmiş Elektrik Maliyetleri (2010-2020)
Yenilenebilir enerjilerin maliyetleri son 10 yıllık periyot içerisinde önemli ölçüde düşüş göstererek fosil yakıtların fiyat aralığı yakalamıştır, hatta sistemler fosil yakıtlardan daha ucuza enerji elde etmektedir. Özellikle güneş ve rüzgar enerjilerinin maliyetleri büyük bir düşüş göstermiştir. Bu da tercih edilmelerinde büyük avantaj sağlamaktadır. Ancak 2021'in başından itibaren hammadde fiyatları ve navlun maliyetleri artış eğilimi göstermektedir. Mart 2022'ye kadar olan dönemde, PV sınıfı polisilikon fiyatı dört kat, çelik %50, bakır %70, alüminyum fiyatları ise iki katına çıkmış ve navlun maliyetleri de neredeyse beş kat artmış durumdadır. Aynı zamanda petrol, doğal gaz ve kömürdeki yüksek fiyatlar ve bu fosil yakıtların hem endüstriyel süreçlerde hem de elektrik üretilmesinde kullanılması nedeniyle yenilenebilir elektrik teknolojileri için üretilen malzemelerin üretim maliyetlerinin de artmasına sebep olmuşlardır. Bu sebeple 2020 ile karşılaştırıldığında, toplam yatırım maliyetlerinin 2022 yılında %15 ila %25 daha yüksek olacağı tahmin edilmektedir.
Şekil 9. Güneş ve Rüzgar Türbinleri için Gerekli Malzeme İhtiyacının Şekilsel Gösterimi
Grafik, her biri 500 MW elektrik üreten güneş, ve rüzgar türbinleri için gerekli malzeme miktarlarını göstermektedir.
Dünya’da ve Türkiye’de Yenilenebilir Enerji
Türkiye'de ve dünyada yenilenebilir enerji olarak kapasitesi en çok olan kaynak hidroelektrik enerjisidir.
Şekil 10. Türkiye’nin Ocak 2022 yılı Enerji Üretim Kapasitesi (Üst) ve Kaynaklara Göre Enerji Üretiminin Yüzdesel Gösterimi (Alt)
Şekil 11. Küresel Yenilenebilir Enerji Üretim Kapasitesi (2021)
Enerji Verimliliği
Enerji verimliliği, yaşam standardı, hizmet kalitesi, üretim kalitesi ve miktarı düşmeden, birim hizmet ve ürün miktarı başına enerji tüketiminin azaltılmasıdır. Enerji kaynaklarının üretimde, iletimde, dağıtımda ve tüketimde geçen tüm safhalarda mümkün olan en yüksek etkinlikte kullanılmasını ifade eder. Uluslararası Enerji Ajansı, enerji verimliliğini sürdürülebilir bir küresel enerji sisteminin ilk yakıtı olarak tanımlamıştır.
Enerji verimliliği ve enerji tasarrufu terimleri de birbirine karıştırılmamalıdır. Enerji tasarrufu ofiste kullanmadığımız ışığı kapatmak iken, enerji verimli aydınlatma ve armatürleri kullanmak veya gün ışığına duyarlı otomatik aydınlatma sistemleri kullanmak enerji verimliliğidir.
Enerji verimliliği sayesinde girdi başına üretim verimliliği artar, ithal kaynakların payı azalır, enerjiye erişim kolaylaşır, sistem arızaları ve duruşları azalır, enerji yoğun sektörlerde malzeme ve ürün geri kazanımıyla daha az enerji tüketimi sağlanır, bakım maliyetleri düşer, süreçlerde iyileşmeler gerçekleştirilir.
Enerji verimliliği, ısı, gaz, elektrikte meydana gelebilecek enerji kayıplarının düşürülmesi, atıkların değerlendirilmesi, geri kazanılması, endüstriyel simbiyoz çalışmaları, bina mimarisi, aydınlatma sistemleri, enerji etütleri, toplu taşıma sistemlerinde belli yakıt tüketiminin altında araç kullanma zorunlulukları, bilinçlendirme çalışmaları, cihaz ve ekipmanların etiketlendirilmesi ile verimli ürün kullanma teşvikleri, elektrik üretim, iletim, dağıtım süreçlerinde kayıp azaltma çalışmaları, enerji kalitesi iyileştirmeleri, akıllı şebekeler, hükümetler tarafından verilen verimlilik destekleri gibi uygulamaları içermektedir.
Enerji Yatırımları
Şekil 12. Yenilenebilir Enerji Yatırımlarının Mevcut Durum ve Hızlandırılmış Senaryolar Açısından Kaynaklara Göre Dağılım Grafiği (2009-2026)
Enerji yatırımlarına yönelik raporlarda, 2021 yılında güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri üretmek için kullanılan temel malzemelerin maliyetlerinin artmasına rağmen, kapasite ilavelerinin 295 GW’a yükseldiği ve önceki yılların en yüksek seviyesini aştığı gözlemlenmiş.
2026 yılına kadar küresel enerji kapasitesindeki artışın neredeyse %95’inin yenilenebilir enerjilerin oluşturacağı tahmin ediliyor. Bu artışın yarısından fazlasını tek başına güneş enerjisinin sağlayacağı böylece enerji büyümesinde merkez konumuna geleceği düşünülmektedir. 2021 yılındaki yenilenebilir enerji büyümesinde güneş enerjisini rüzgar ve hidroelektrik enerjisi takip ediyor.
Şekil 13. Küresel Temiz Enerji ve Enerji Verimliliği Yatırımları 2017-2021
Küresel olarak temiz enerji ve enerji verimliliği yatırımları 2021 yılının ilk yarısı için yaklaşık olarak %40 seviyelerini görmüş. Toplam yatırımlarda yenilenebilir enerjiler, enerji verimliliği ve elektrifikasyon ve dijitalleşme en yüksek paya sahiptir. Bu alanlar haricinde nükleer enerjiler ve batarya teknolojilerine olan pay da artış göstermektedir. Karbon yakalama ve depolama teknolojilerinin (CCUS) payı ise diğerlerine oranla çok daha düşük seviyelerdedir.
Çin, Avrupa, ABD ve Hindistan dünya çapında yenilenebilir enerji kapasite artışının %80’ini oluşturuyor. Çin yenilenebilir enerji kapasite ilaveleri konusunda dünya lideri konumunda, 2021 sonu itibariyle ülkede üretilen rüzgar enerjisi 328 GW, güneş enerjisi ise 306 GW’dır. Tüm Avrupa Birliği ülkelerinin rüzgar parkları 220 GW, güneş panelleri de 165 GW kurulu enerji üretim kapasitesine sahiptir.
Temiz enerji ve verimlilik yatırımları ılımlı bir artış göstermesine rağmen bu rakam hala iklim değişikliğinden kaynaklanan ciddi etkilerden kaçınmak için gerekenin çok altında kalıyor. Bu sebeple yenilenebilir enerjiler, enerji verimliliği, dijitalleşme, elektrifikasyon, batarya teknolojileri, karbon yakalama ve depolama teknolojileri gibi uygulamalara daha fazla yoğunlaşılması, ilgili konularda bilinç oluşturulması ve gerekli teşviklerin sağlanması gerekmektedir.
Referanslar
- Ellabban O., Abu-Rub H., Blaabjerg F. , Renewable Energy Resources: Current status, future prospects and their enabling technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews (2014)- https://www.iea.org/
- Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Bilgi Merkezi
- Türkiye Bilimler Akademisi – Güneş Enerjileri Teknolojisi Raporu 2018
- International Renewable Energy Agency, https://www.irena.org/
Yorumlar
Yorum Gönder