Geleceğin Enerji Mimarisine Açılan Kapı

1763’te James Watt’ın tetiklediği sanayi devriminde buharlı makinelerin, çelik üretiminin ve birçok üretim ağının ilk adımlarının dayalı olduğu temel bir nokta vardı: Enerji!

Süregelen ve eşiğinde olduğumuz Endüstri 5.0 döneminde enerjinin kaynağı ve çevriminde karbondioksit salımı yapmayan çözümler, üretimde önümüzdeki 50 yıl için firmaların ulaşmak istediği son nokta. Küresel ısınma ve iklim yasasının tüm üretim firmalarını yönlendirdiği hedef; sıfır emisyonla üretim yapılması ve firmaların kendi enerji ihtiyacını yine kendi kaynaklarıyla karşılaması. Yenilenebilir enerji kaynakları üzerinden ortak hedef, dünyanın dengesini bozmadan üretim yapmak; rüzgar, biyogaz ve güneş enerjisi de bu kaynaklar arasındaki yerini her geçen gün daha da güçlendiriyor. Peki, güneş enerjisi kule sistemleri bu tabloda nerede konumlanıyor?

Heliostat’lar

Verimliliği artırmak amacıyla daha değerli minerallerle çalışan ve gece ay ışığında dahi üretim yapabilmesi hedeflenen güneş panelleri geliştirilirken, artan maliyetler sermaye giderlerini yükseltirken operasyonel giderleri de etkiliyor. Enerjinin depolanması ve transferi de temel sorunlardan biri. Buna çözüm olarak geliştirilen ve teknolojisi ilerledikçe işletimi daha da kolaylaşan sistemlerden yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP), güneş enerjisi teknolojilerinin en gelişmiş formlarından biri. Bu sistemler, binlerce heliostat’ın (güneşi iki eksende takip edebilen akıllı aynalar) güneş ışınlarını merkezi bir kuledeki alıcıya odaklaması prensibiyle çalışıyor. Heliostat’lar, gelişmiş takip algoritmaları ve kontrol sistemleri sayesinde güneşin konumunu hassasiyetle izleyerek gün boyunca maksimum verimlilikle faaliyet gösteriyor. Çoğu ticari sistemde 550-650 °C, bazı gelişmiş prototiplerde ise 1.000 °C’ye kadar sıcaklık elde edilebiliyor. Bu enerji, geleneksel buhar türbinlerini çalıştırmak veya termokimyasal proseslerde kullanılmak üzere ısı transfer akışkanlarına aktarılıyor. Sistemin kalbini oluşturan alıcı teknolojisi ise son derece ileri düzey malzeme mühendisliği gerektiriyor. Seramik kaplamalar, yüksek sıcaklık alaşımları ve kompozit malzemeler, aşırı termal stres ve radyasyona dayanacak şekilde tasarlanıyor. Modern sistemlerde çok fazlı akışkanlar ve süperkritik buhar teknolojileri kullanılarak verimlilik önemli ölçüde artırılıyor. Termal enerji depolama sistemlerinde genellikle erimiş tuz karışımları (sodyum nitrat ve potasyum nitrat) tercih ediliyor. Bu depolama kapasitesi sayesinde sistem, tasarıma bağlı olarak güneş battıktan sonra 6 ila 15 saat arasında çalışmaya devam edebiliyor. 

İstikrarlı ve güvenilir enerji

Güneş kulelerinin ölçeklenebilir yapısı, onları özellikle büyük ölçekli enerji üretimi için ideal kılıyor. Bir heliostat santralin verimliliği; ayna sayısı, kule yüksekliği ve alıcı teknolojisi gibi faktörlere bağlı olarak değişiklik gösteriyor. Çoğu ticari tesis, yüzde 15-20; bazı gelişmiş sistemler ise yüzde 30’un üzerinde net verimliliğe ulaşabiliyor ve 100-200 MW seviyelerinde elektrik üretebiliyor. Bu sistemler, fosil yakıtlı santrallerle rekabet edebilecek seviyede istikrarlı ve güvenilir enerji üretimi sağlayabiliyor.

Daha fazla elektrik üretimi

Yüksek sıcaklıkta çalışma kapasitesi, bu sistemleri buhar türbini verimliliği açısından avantajlı hale getiriyor. Termodinamiğin temel yasaları gereği, bir ısı motorunun verimliliği çalışma sıcaklığı arttıkça yükseliyor. Kömür santralleri 500-600 °C, basınçlı su tipi nükleer santraller ise 300-330 °C aralığında çalışıyor. Güneş kuleleri ise 1.000 °C’ye ulaşan sıcaklıklarda işletilebiliyor. Bu yüksek sıcaklık avantajı, Rankine çevrimi verimliliğini kayda değer biçimde artırarak aynı miktardaki termal enerjiden daha fazla elektrik üretimini mümkün kılıyor.

Tarım için işlevsellik

Bir diğer önemli avantaj, heliostat’ların çevresel etkilerinin nispeten düşük olması. Sistem su tüketimi açısından fotovoltaik panellere göre daha yüksek ihtiyaç duysa da kuru soğutma teknolojileri bu tüketimi önemli ölçüde azaltabiliyor. Ayrıca enerji üretim sürecinde sıfır emisyon üretimi ve yaşam döngüsü boyunca karbon ayak izinin çok düşük olması avantajları arasında. Santral ömrü sonunda aynaların ve diğer bileşenlerin geri dönüştürülmesi de nispeten kolay. Bunun yanında arazi çok işlevli kullanılabiliyor; heliostat’lar arasındaki boş alanlar tarım veya hayvancılık için değerlendirilebiliyor.

DEZAVANTAJLAR

• Yüksek başlangıç yatırım maliyeti

• Geniş arazi gereksinimi

• Toz, kar ve yağmur gibi çevresel etkilerin aynalara etkisiyle azalan verim

• Yüksek direkt normal irradyans (DNI) değeri ihtiyacı

• Bulutlu ve puslu hava koşullarında performans düşüşü

DÜNYADA ÖNCÜ UYGULAMALAR

GÖKHAN YAŞAR, İGSAŞ AR-GE KİMYA UYGULAMALARI MÜHENDİSİ

Dünyada güneş enerjisi kulesi teknolojisinin öncü uygulamaları ABD, İspanya, Çin ve Birleşik Arap Emirlikleri’nde bulunuyor. Kaliforniya’daki Ivanpah Güneş Enerjisi Tesisi, 392 MW kapasitesi ve yaklaşık 173.500 heliostat’la dünyanın en büyük güneş kulesi santrali. İspanya’daki Gemasolar Santrali, 19.9 MW kapasiteye sahip; erimiş tuz depolama teknolojisi sayesinde 24 saat kesintisiz enerji üretebilen ilk ticari ölçekli santral oldu. Çin’deki Dunhuang Santrali ise 100 MW kapasiteyle Asya’nın en büyük güneş kulesi; Çin’in bu alandaki iddiasını yansıtıyor.

Türkiye’de güneş enerjisi kulesi teknolojisi henüz emekleme aşamasında. Ülkenin yüksek güneş enerjisi potansiyeli bu teknoloji için uygun koşullar sunuyor. 2017’de Konya Karapınar’da yaklaşık 5 MW ölçekli bir pilot proje başlatıldı ancak bu AR-GE amaçlı bir tesisti. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın yenilenebilir enerji eylem planlarında bu teknolojilere yer verilse de mevcut teşvik mekanizmaları daha çok rüzgar ve fotovoltaik güneş enerjisine odaklanıyor.

Türkiye’nin bu teknolojiyi benimsemesinin önündeki en büyük engeller arasında yüksek yatırım maliyeti, teknolojik altyapı eksikliği ve uzman personel yetersizliği sayılabilir. Ancak son yıllarda yerli mühendislik firmalarının ve araştırma kurumlarının konuya ilgisinde artış görülüyor. Özellikle termal enerji depolama kapasitesi, Türkiye’nin enerji arz güvenliği ve şebeke stabilitesi açısından stratejik öneme sahip. Gelecek yıllarda uluslararası teknoloji transferi ve yerli AR-GE çalışmalarının hızlanmasıyla Türkiye’nin de bu alanda önemli projeler geliştirmesi bekleniyor.

Paylaş