NİSAN-MAYIS-HAZ1RAN 1997 SAYI. 23

Transkript

1 9- GÜNEŞ ENERJİSİ: EN İYİ ÇÖZÜM Prof. Dr. Nejat VEZİROĞLU Miami Üniversitesi Temiz Enerji Araştırma Enstitüsü Müdürü Çeviren: Doç. Dr. Ömer Faruk NOYAN Çatılardaki güneş panellerini hemen herkes bilir. Siyah bir zeminleri vardır, böylece güneş ısısını absorbe ederler. Su bu sıcak yüzeyin üstünde dolaşır ve evin sıcak su ihtiyacını karşılamada kullanılır. Mutfak ve banyo suyunun temininde bu genellikle etkin bir metoddur. Böylece güneş panelleri elektrik faturalarını küçültür ve üç ila on yıl sonra kendini amorti eder. Fakat güneşten elektrik te üretilebilir. Güneş ışığının elektriğe dönüştürülebileceğini 1954'te Bell Telefon Laboratuvarı'ndan Pearson, Chapnıan ve Fuller keşfettiler. Güneş ışığını sandviç dilimleri gibi birleştirilmiş iki farklı silikon parçası üstüne düşürdüler. Oluşan devre, elektronların kolayca akım oluşturmasını sağladı ve sonuçta bir elektrik akımı meydana geldi. Bu elektrik bir lambanın aydınlatılmasında, bir elektrik motorunun çalıştırılmasında, hatta eğer yeterince silikon sandviç biraraya getirilmişse bir kasabanın elektrik ihtiyacının karşılanmasında kullanılabilir. Bir örnek olarak, sandviç haline getirilmiş bir metrekare büyüklüğünde bir silikon, güneş üstümüzde oldukça ve bulut yok ise bize 100 watt'lık bir güç sağlar (bu, bir evi beslemek için gereken kapasitenin yaklaşık yirmide biridir). Güneş ışığından elektrik üretimi büyük önem arzetmekte olup gelecekte dünyanın başlıca enerji kaynaklarından biri olabilecektir. GEÇMİŞTE NEDEN GÜNEŞ ENERJİSİNE KARŞIYDIK? Yıllardan beri. güneş enerjisinin pratik olmadığı şeklinde bir kanaat hakimdi. Çünkü yeryüzüne çok dağılmış ve zayıflamış bir halde ulaştığı sanılıyordu. Bir diğer sebep, yüksek yatırım maliyeti gerektirmesiydi. Özel şekilde dizayn edilmiş silikon sandviçler fotovoltaik bir hücre formudur. Geçmişte fotovoltaik hücrelerin elle imal edilmeleri gerekiyordu; sandviçin her dilimi için, birisinin silikon kristalleri büyütmesi gerekiyordu. Bir tabaka oluşturmaya yeterli düzeye gelinceye kadar silikon kristaller birer birer büyütülüyordu. Böylece, geniş ölçekli bir kullanım için yeterince silikon sandviç üretmek çok pahalıya maloluyordu. Dolayısıyla, birçok insan güneş enerjisinden elektrik üretiminin çok büyük maliyet getireceğini düşünüyordu. Fakat, fotovoltaik hücrelerle ilgili yeni buluşlar durumu değiştirdi. Fotovoltaik hücre üretiminde artık yeni bir metod kullanılıyor. Bu, zahmet gerektiren kristal büyütme prosesinden farklı. Amorf silikon denilen (düzenli bir kristal yapısına sahip olmayan silikon) yeni bir malzeme sözkonusu. Her ne kadar pahalı kristaller kadar olmasa da, bu yöntemle, silikon sandviç hücrelerden mükemmel verimle elektrik üretilebiliyor. İşte, amorf silikonun keşfi güneş enerjisinden elektrik üretiminde devrimsel bir değişime yol açtı ve bu değişim bizi güneş enerjisinin egemen olduğu bir dünyaya götürmektedir. Fakat, "güneş çiftlikleri'" için gereken arazi miktarı kaygı sebebi olmaktadır. Güneş çiftlikleri, çatılarda gördüklerimize benzer fotovoltaik panellerin dizildiği toprak parçalandır; aradaki fark bu dizilerin kilometrelerce devam etmesidir. Böyle güneş çiftliklerine karşı çıkılmasında genel dayanak noktası, tarım için kullanılabilecek toprakların güneş panelleriyle kaplanacak olması ve gıda üretimi için kullanışsız hale gelecek olmasıdır. Gerçekten de, yarım milyon nüfuslu bir şehrin elektrik ihtiyacını karşılayacak ışığı toplamak için gerekli alan oldukça büyük olup yaklaşık 155 km 2 'dir. Yine de bu alan 34 NİSAN-MAYIS-HAZ1RAN 1997 SAYI. 23

2 bir tanın arazisi değil kıraç, çöllük bir alan olacaktır. Mesela, bütün dünyadaki güneş enerjisi kolektörlerinin çöl bölgelerinde kurulabileceğini varsayarsak (bazı evler bugünkü gibi kendi güneş kolektörlerine sahip olduklarından bu tabii ki olmayacaktır), bu durumda toplam çöl bölgelerinin sadece çok küçük bir kısmı (dünya çöllerinin yaklaşık % 10'u) kullanılacaktır. Böylece dünyanın bütün güneş enerjisi kolektörleri diğer herhangi bir amaçla kullanılmayacak alanlarda kurulabilecektir. Tutucular, çöl bölgeleri birçok bitki ve hayvan türünü barındıran önemli alanlar olduklarından, buralarda düzenin bozulmasına ilişkin kaygılarını dile getirebilirler. Aslında güneş enerjisi kolektörleri kurulduğunda çöllerde bazı düzensizlikler olması kaçınılmazdır, fakat uzun vadeli herhangi bir karışıklık veya zarar sözkonusu olmayacaktır. Güneş enerjisi nasıl toplanıyor? Yerden yaklaşık fit (3-6 metre) yüksekte kurulan seri halde güneş istasyonları düşünüyoruz. 20 fıtkare büyüklüğünde dev aynalar güneşin gökyüzünde izlediği yolu takip edecek şekilde yönlendirilir. Güneş ışıklan aynalardan yansır ve fotovoltaik hücrelere yönelir. Bu yapıların çöl hayatı üzerindeki etkilerinden biri meydana getirdikleri gölgelerdir. Gölgeler çöl yüzeyine güneş ışığının ulaşmasını engeller ve süratle ısı kaybeden yüzeylerde 10 C'lik bir sıcaklık azalmasına yolaçar. Sıcaklıktaki bu değişim en fazla böcek popülasyonunu etkiler. Yine de böcekler, çöldeki hayvan toplulukları gibi gündüz ve gece arasındaki büyük sıcaklık farklılıklarına adapte olmuşlardır. Ayrıca aynalar da güneş çiftliklerinde bütün alan üzerinde gölgeleme yapmazlar, çünkü aynalar arasında araç geçişi için aralık bırakılması gerekir. GECENİN AYDINLATILMASI Güneş enerjisine dair bir diğer önemli yanlış anlama; bunun gece nasıl kullanılacağı konusundadır. Güneş'ten elde edilen enerjiyle şehirlerin gece aydınlatılması ilk plânda tabii olmayan, zoraki bir durummuş gibi gözükmektedir. Fakat, unutmamalıyız ki, enerjiyi eğer çok uzak çöllerde toplarsak, güneş enerjisini bu bölgelerden binlerce kilometre uzaklıktaki yerleşim merkezlerine iletebilmek zorluk arzeder hale gelecektir. Enerjinin kablolarla elektrik şeklinde uzun mesafeli iletimi verimli değildir, çünkü tellerin direncinden dolayı yol boyunca elektriğin büyük kısmı kaybolacaktır. Bu sorunu çözmek için, güneş enerjisini boru hatlarıyla nakledilecek veya konteynırlarla taşmacak bir çeşit depo enerjiye dönüştürmemiz gerekecektir. En basit seçenek, elektrolizır denilen bir cihaz yardımıyla suyu hidrojen ve oksijenine ayırmak ve bunun için de, güneş ışığından elde edilmiş elektrik kullanmak olacaktır. Elde edilen hidrojen, borulardan yüksek basınç alımda pompalanır. Yerleşim merkezine ulaştığında, hidrojen doğrudan bir yakıt olarak kulanılabilir ve/veya yakıt hücresi denilen ve bir çeşit ters elektrolizır olan bir aygıta konur. Bu sonuncusu da hidrojeni yeniden elektriğe dönüştürür. (Yakıt hücreleri NASA'nın uzay misyonlarında astronotlar için su ve elektrik üretmekte başarıyla kullanılmaktadır. Tokyo'da ise büyük bir yakıt hücresi, 1984'ten beri şehrin elektriğinin belli bir kısmını üretmektedir.) Sudan hidrojen üretmek için gerekli fotovoltaik hücrelerin imalatında yaşanan devrimden dolayı, Princeton Üniversitesi'nden Profesör Ogden ve Williams ekonomik rekabet gücüne sahip hidrojenin gelecek yüzyılın çok uzak dönemlerinde değil, bu yüzyılın sonunda (amorf silisten yapılı güneş panelleri kullanarak) üretilebileceğini ortaya koydular; yeter ki bu teknolojiyi tamamiyle geliştirmek isteyelim. KESİNLİKLE KİRLİLİK YOK! Burada ileri sürdüğümüz güneş enerjisi projesi güneş-hidrojen enerjisi sistemi olarak da adlandırılır. Çünkü güneş enerjisi elektriğe dönüştürülür; uzak mesafelere iletmek veya gece kullanmak için bu elektrik, suyun elektrolizinde kulanılarak hidrojen üretimini sağlar. Hidrojen ise tıpkı doğal gazın gönderilmesi gibi boru hatlarından şehir ve kasabalara gönderilir. Bu sistemin yaran, üretim fazlası (ve de hemen kullanılmayacak) elektriği hidrojen üreterek çalıştırmaktır; böylece bu fazla elektrik atık şeklinde israf edilmez. Aynca, hidrojeni boru hatlanyla iletmek, üretim fazlası elektriği tellerle iletmekten daha ucuz ve daha verimlidir. Son olarak ve belki de en yararlı tarafı, hidrojen ve güneş enerjisinin kirletici olmamasıdır; hidrojen ısı veya enerji elde etmek için kullanıldığında yan-ürün olarak sadece su çıkar. Bu sistem: korkutan karbondioksit, asit yağmuruna yolaçan kükürt ve kirli sis oluşturan zararlı kirleticilerden hiçbirini üretmez. Güneş enerjimiz bir milyar yıl kadar daha devam edecek ve biz sudan hidrojen elde edebileceğiz. Yanan hidrojenin yan- NÎSAN-MAYIS-HAZtRAN 1997 SAYI: 23 35

3 ürünü de su olduğundan bu ikisi asla tükenmeyecek. Böyle bir güneş-hidrojen enerjisi temiz ve yenilebilir bir sistemdir. Gezegenimizdeki tabii proseslerden birçoğu bu şekilde kendi kendini sürdürebilir niteliktedir. Mesela insan ve hayvanların dolaşım sistemi; insan, hayvan ve bitkilerin solunum sistemi; besin zinciri ve yerkürenin su döngüsü. Bu, enerjimizin de yenilenebilir bir sistemden türeyebileceği anlamına gelmiyor mu? GÜNEŞ-HİDROJEN ÇİFTİ GÜNEŞ ENERJİSİNİN AVATAJLARI Bu bölümde, yukarıda sözünü ettiğimiz enerji sistemine daha detaylı bakacağız. Bu gezegende hayat, güneş enerjisi (güneş ışığı) olmaksızın varolamazdı. İnsan hayatı ise elektrik ve petrol olmaksızın konforlu ve rahat olmazdı, fakat onlarsız yine de hayatımızı sürdürebilirdik; bununla birlikte güneş olmaksızın bütün bitkiler ve hayvanlar ölür ve yeryüzünde hayatın sonu gelirdi. Bizi hayatta tutan güneş, elektrik üretmek için kullanıldığında, enerjinin temiz ve güvenilir bir formu sözkonusu olur. Ayrıca güneş enerjisi neredeyse tükenmez özelliktedir. "Neredeyse" diyoruz, çünkü güneşin Yerküre'ye ve güneş sistemindeki diğer gezegenlere ışık ve enerji vermesi için yavaş yavaş yanması gerekir, fakat korkmayın, bilim adamları güneşin yanıp tükenmeden önce yaklaşık bir milyar yıl kadar daha faaliyetini sürdüreceğini hesaplıyorlar. DOĞRUDAN ve DOLAYLI GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş enerjisi, güneşten gelen güneş ışığı anlamına gelmez. Güneşin dolaylı olarak ürettiği enerjiler de vardır. Mesela, gün boyunca karalar okyanuslardan daha hızlı ısınır, sonuçta karaların üstündeki hava ısınır ve daha hafif hale gelerek yükselir. Okyanusların üstündeki soğuk hava ise karaların üstündeki yükselen havanın yerini almak üzere harekete geçer ve hava akımlarının veya rüzgârın oluşmasına yolaçar. Bu proses gece tersine döner. Okyanuslara doğru harekete geçen ve ters yönde rüzgâr üreten karaların üstündeki havayla karalar okyanuslardan daha hızlı soğur. Birkaç yüzyıl önce; su pompalamak, buğday öğütmek ve diğer günlük işleri yapmak için yel değirmenlerini kullanarak bu hava akımlarından veya rüzgârdan yararlanır hale geldik. Yeldeğirmenlerinin bugünkü ardılları rüzgâr makinaları olarak adlandırılmaktadır fakat bunlar aynı prensibe dayanırlar. Her ne kadar bazıları Özellikle Üçüncü Dünya ülkelerinde su pompalama ve buğday öğütme işinde halen kullanılsa da, rüzgâr makinalannın büyük kısmından elektrik üretiminde yararlanılır. Dolaylı güneş enerjisine bir diğer örnek hidroelektrik enerjidir. Güneş radyasyonu suyu, okyanus, göl ve nehirlerden buharlaştırarak bulut oluşumuna yolaçar. Rüzgârlar bulutlan karasal alanlara taşır. Bulutlar karalar üzerinde ilerlerken dağlarla karşılaşır ve giderek yükselir; yükseklerde soğuduğundan su buharı yoğunlaşır ve yeryüzüne yağmur, kar. sulusepken ve çiy formunda iner. Bu yağışların bir kısmı yeraltına sızar ve yeraltı su akışını 36 NtSAN-MAYIS-HAZÎRAN 1997 SAYI 23

4 meydana getirir. Geçmişte, hızlı hareket eden akıntı ve ırmaklar keşfedildiğinde, insanlar bunların yönünü hemen su değirmenlerine çeviriyor ve bu enerjiden yararlanıyorlardı. Bugün ise, büyük miktarlarda suyu toplamak için dev barajlar inşa edilmektedir. Buralarda su, elektrik üreten dev türbinleri döndürecek şekilde kanalize edilir. Dolaylı güneş enerjisinin yukarıda bahsettiğimiz örnekler kadar bilinmeyen diğer bazı formları da vardır: okyanus ısı enerjisi, okyanus akıntıları, dalgalar ve gelgit gibi. İlk ikisi okyanuslardaki sıcaklık farklılıklarından dolayı, dalgalar ise rüzgârların etkisiyle meydana gelir. Güneş sisteminin bir parçası olan ayın gravitasyonel çekim etkisi sonucu oluştuğundan, gelgitler de aynı şekilde dolayü güneş enerjisi formu olarak kabul edilir. Güneş enerjisinin dolaylı formları çevre açısından temiz ve güvenilirdir, fakat biz yine de, baraj inşa ederken çeşitli bitki ve hayvan türlerine, ayrıca insan sağlığına zarar vermeyecek şekilde dikkatli olmalıyız. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEZAVANTAJLARI Her ne kadar güneş enerjisi doğrudan ve dolaylı formlarıyla çevre açısından uyumlu ise de bazı dezavantajları da sözkonusudur. Öncelikle, petrol ve doğal gaz kadar rahat kullanışlı değildir. Mesela, rüzgâr enerjisini büyük uçakları uçurmak için kullanamayız. Üzerlerine monte edilmiş güneş hücrelerinin ürettiği elektrik enerjisiyle hareket eden küçük ve hafif bazı otomobiller ise ancak kırlık bölge gibi geniş ve açık alanlarda ve sadece güneşli günlerde gün boyunca kullanılabilir - güneş enerjisini bir otomobile depolayamayız. Ilıman bölgelerde güneş ışığı 24 saatte ortalama altı ila yedi saat boyunca faaldir. Tropikal bölgelerde bu biraz artar - yedi ila sekiz saat. Ilıman zonlardan kuzey ve güneye doğru hareket ettikçe, günler yazın daha uzun, kışın ise daha kısa hale gelir, fakat güneş ışığının şiddeti daha azdır, çünkü mesafe arttığı için güneş ışığı daha kalın bir atmosferden geçmek zorundadır. Mesela, tam kutup bölgelerinde bir gün altı ay sürmektedir, fakat güneş ışığı ABD'nin ortabalısı veya orta Avrupa'dakine, hatta Ekvator'dakine durumuna göre daha zayıftır. Güneş enerjisinin bir başka dezavantajı daha vardır. Doğrudan ve dolaylı formları enerji tüketim merkezlerinin yakınında genellikle mevcut değildir. Güneş enerjisi tropikal ve subtropikal bölgelerde çok kuvvetlidir, halbuki büyük tüketici gruplar ılıman zonlarda yaşamaktadır. Rüzgar enerjisi ise kutup ve kutup yakını bölgelerde en güçlü, ılıman zonlarda ise en zayıf durumdadır. Bu; hidrolik, okyanus-ısı, dalga, akıntı ve gelgit enerjileri için de böyledir. Genellikle bütün bu enerjiler, kendilerine en fazla ihtiyaç duyulan alanlardan uzakta en fazla bulunmaktadırlar. İYİ BİR ARABULUCUYA İHTİYAÇ VAR Kısacası, güneş enerjisinin doğrudan ve dolaylı formlarının bulunmadığı bazı zamanlar ve yerler vardır. Hatta bulunduklarında bile, fabrikaların, evlerin ve ulaşım sistemlerinin kullanabileceği bir durumda olmayabilirler. Bundan dolayı, güneş, rüzgâr, dalga, okyanus, ısı, gelgit ve akıntı enerjisini mevcut oldukları zaman depolamak zorundayız. Bir başka deyişle, doğrudan ve dolaylı güneş enerjisiyle tüketici arasında arabulucu (veya aracı) görevi görecek bir enerji deposuna ihtiyaç var. Bu aracı aşağıdaki şartlan yerine getirmelidir: * Depolanabilir olmalı. * Taşınabilir olmalı. * Ulaşım sistemlerinde, evlerde ve sanayide kullanılabilir bir yakıt olmalı. * Temiz olmalı. * Tükenmez olmalı. NtSAN-MAYİS-HAZİRAN 1997 SAYI: 23 37

5 Güneş-Hidrojen enerjsi sistemi Biiıün bu gerekleri yerine getirebilecek en iyi yakıt hidrojendir. Hidrojen, sera etkisine, kirli sise ve asit yağmuruna yolaçan kimyasallardan hiçbirini üretmez. Tek istisna azot oksitlerdir ve bunlar da kontrol edilebilir. Gerçekten, elektro-kimyasal yakıt hücresi denilen bir cihaz kulanılırsa, azot oksitler tamamen elimine edilebilmektedir. Bu proses ile ortaya çıkan sadece elektrik ve su buharıdır. Bundan dolayı hidrojen en temiz yakıttır. Hidrojen aynı zamanda verimli bir yakıttır; enerjinin diğer formlarına (mekanik ve elektrik) diğer yakıtlara göre daha verimli şekilde dönüştürülebilir. Mesela otomobillerde, benzinin verimi % 25 iken, hidrojeninki % 60'dır. Yani, hidrojen benzinden ikibuçuk kat daha verimlidir. Süpersonik jetlerde ise, hidrojen, klâsik jet yakıtından % 38 daha verimlidir. Bu üstün verimlilik, kullanılmadan atık hale geçen yakıt miktarının daha az olması, buna karşılık yakıttan daha fazla yarar sağlanması anlamına gelmektedir. HİDROJENİN ÖZELLİKLERİ Tabiatta en hafif, en yaygın element olan hidrojen Evren'deki bütün maddelerin yaklaşık % 80'ini oluşturmaktadır. Her tip fosil yakıtta rafinajdan sonra da bulunmaktadır. Ayrıca en büyük enerji kaynağı olan Güneş'te de bulunmaktadır. Güneş yüzde yüz saf hidrojendir ve enerjisi hidrojen atomlannın füzyonundan gelir. Jüpiter gezegeni de yüzde yüz hidrojendir; yüzeyde sıvı ve buz, çekirdekte ise metalik hidrojen formundadır (metalik hidrojen yüksek sıcaklık ve basınç şartlannda meydana gelen bir katıdır). Yeryüzünde hidrojen serbest halde çok seyrek bulunur; büyük kısmı suyu oluşturmak üzere oksijenle birleşmiştir. Sudaki üç atomdan ikisi hidrojendir, böylece okyanuslar, göller ve nehirler bizim hidrojen rezervlerimizdir. Hidrojeni bir enerji taşıyıcısı olarak kullanacak olursak, onu hidrojence zengin bileşiklerden, yani sudan üretmek zorundayız (hidrojen bir yakıt olarak kullanıldığında, geriye atık olarak yine su alınır). GÜNEŞ-HİDROJEN ENERJİSİ SİSTEMİ Hidrojen, güneş enerjisinin dezavantajlarını çok iyi telafi eder. Güneş ve hidrojenin bu birlikteliği güneş-hidrojen enerjisi sistemi olarak adlandırılır. Bu sistemde, güneş enerjisinin doğrudan ve dolaylı formları kullanılarak, birçok hidrojen üretim metodundan herhangi biriyle hidrojen üretilir. Üretim sonrasında hidrojen boru hatlarıyla veya dev tankerlerle, dolaylı olarak elektrik üretiminde veya doğrudan ısıtma, mutfak ve taşımada bir yakıt olarak kullanılacağı yere gönderilir. Bugün fosil yakıtları kullandığımız her uygulamada birçok çevresel yararıyla birlikte hidrojen kullanabilirdik. Güneş enerjisi ve hidrojen elele yürür. Her ikisi de çevre açısından selimdir. Kirlilik, asit yağmuru veya sera etkisine yolaçmazlar, ve en az atık meydana getiren hidrojen çok verimlidir. SONUÇ Bütün bunlar; yaygın, temiz ve yenilenebilir enerji formlarını kullanmak anlamına geliyor. Aslında güneş ve hidrojen zamanın başlamasıyla birlikte bir çift oluşturmuştu ve bugün kimsenin tahayyül edemeyeceği kadar kısa bir zaman zarfında birlikte enerji üretir hale gelecekler. Sonuçta daha sağlıklı bir hayat, güneş-hidrojen kullanmakla eş anlamlı olacak. 38 NİSAN-MAY1S-HAZİRAN 1997 SAYI: 23