Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi

Transkript

1 Makale Article Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi Emir AYDAR, Ersin ÜRESİN, Haydar LİVATYALI TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi, Enerji Enstitüsü PK.21, Gebze/KOCAELI Özet Güneş enerjisi sistemleri arasında ısıl yöntemle güç ve elektrik üretmek ancak göreceli olarak yeni bir teknoloji olup gelecek için büyük potansiyel taşıyan yoğunlaştırmalı sistemler ile mümkündür. Orta ve yüksek sıcaklıkta ısı elde etmede kullanılan güneş ışını yoğunlaştırma yöntemi doğrusal veya noktasal olabilirken, bazen buhar türbinleri (Rankine çevrimi) için kızgın su buharı, bazen de Stirling veya Brayton çevrimleri için gaz ısıtarak çalışmaktadır. Kısa süreli ısı depolama ve doğal gazlı takviye ile kontrol edilebilirliği çok güçlüdür. Bu makalede, yoğunlaştırmalı güneş enerjisi teknolojilerinin gelişme durumu, çözüm bekleyen teknik problemler ve geleceği üzerine öngörüler özetlenerek değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi, yenilenebilir enerji, elektrik üretimi Summary Concentrated solar thermal power is a relatively new technology which has already shown significant promise. Producing electricity from solar radiation is a straightforward process with collection and concentration by a range of concentrated solar power (CSP) technologies to provide medium to hightemperature heat. The heat is then used to operate a conventional Rankine cycle (with water vapor) orstirling or Brayton cycles (with gas as the cycle fluid). Dispathability of the system is very powerful with heat storage and natural gas hybridization. The other benefits of solar thermal power are that it has little adverse environmental impact, with none of the polluting emissions, noise or safety concerns associated with the conventional power generation technologies. This article summarizes state-ofthe-art and technical problems of the CSP technologies as well as prospects for the future. Keywords: CSP: Concentrated solar power, renewable energy, electricity production 1. Giriş Güneş enerjisinden elektrik üretimi denince ilk akla gelen kol saatlerinden, hesap makinalarına, trafik uyarı işaretlerinden sokak-park lambalarına varıncaya kadar günlük hayatımızda geniş kullanım alanı bulan ve 2000'li yıllardan başlayarak "güneş tarlası" adı verilen tesislerde şebekeye elektrik sağlamak üzere kullanılmaya başlanan fotovoltaik sistemler akla gelmektedir. Yoğunlaştırılmış (veyayoğunlaştırıcılı) güneş enerjisi (CSP: concentrated solar power) teknolojileri ise direkt normal güneş ışınımının yoğunlaştırılarak önce ısıya ve uygun bir termodinamik çevrim ile işe dönüştürülmesi süreçlerinden oluşur Açık havada direkt normal ışınım (DNI) toplam güneş enerjisinin %80-90'ını temsil etmekteyken, bulutlu bir günde DNI oranı sıfırdır [1], Sürekli açık hava ve bol DNI orta rakımlı yarı-kurak ve kurak platolarda rastlanacak bir durumdur. Bu kısıtlamayla birlikte CSP sistemlerini fotovoltaik sistemler yanında cazip kılan temel unsur ısının kısa süreler için ekonomik olarak depolanabilmesi ve böylece bulutlu saatlerde veya akşam saatlerinde elektrik sağlayabilmesidir. Bu özellik doğal gaz takviyesi ile daha da güçlenmektedir. Böylece rüzgâr gibi daha kararsız ve PV sistemler gibi günlük hizmet süresi kısa yenilenebilir enerji türlerinin de şebekeye entegrasyonu kolaylaşır. CSP teknolojileri elektrik yanında endüstriyel ısı ve desalinasyon ihtiyaçlarına da cevap verebilir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi teknolojileri doğrusal ve noktasal olarak ikiye ayrılmaktadır. Doğrusal yoğ u n laştı rıc 1 1arı, parabolik oluk kolektörler ve doğrusal Fresnel yansıtıcı sistemleri; noktasal yoğunlaştırıcıları ise, merkezi alıcı sistemler ve çanak kolektörler oluşturmaktadır. Türkiye'nin güney bölgelerinin ılıman iklimi, ortalama sıcaklığı ve bulutsuz güneşli gün sayısının çokluğu göz önüne alındığında elektrik üretiminde fotovoltaik (PV) sistemlere kıyasla CSP sistemleri genel olarak daha ekonomik ve verimli çıkmaktadır. CSP sistemlerinde imalat ve kurulum teknolojileri PV I e re kıyasla daha büyük oranda konvansiyonel yöntemler İçerdiği için makine imalatında öne çıkan ülkemizde yerli imkânlarla geliştirilip kullanılabilir. ilk geliştirildiği yıllardan beri diğer güneş enerjisi teknolojileri gibi CSP sistemlerinin temel iki sorunu kurulum maliyetinin yüksekliği ile işletme performansının yere, zamana, mevsimlere ve hava durumuna bağımlı olmasıdır. Komponent, sistem, kurulum ve altyapı maliyetleri üretimin artması ile zaman içinde düşmeye başlamıştır. Diğeryandan başta ABD ve ispanya olmak üzere dünyanın değişik yerlerinde kurulup senelerdir işletilen CSP sistemleri üzerinde

2 Makale Article kazanılan tecrübe ile bakım ve işletme maliyetlerinde anlamlı düşüş elde edilmiştir. Türkiye yılda toplam saatlik (7,5 sa/gün) ve ortalama kw-h/m2 ışınım ile dünyanın orta derecede güneş alan ülkelerinden biridir [2], Anadolu'nun bulutlu gün sayısı göreceli olarak daha az güney illerinde yaz-kış arasında ışıma süresi ve gücü değişkenlik göstermektedir. Bu durumda CSP sistemler büyük tuz kütleleriyle 5-7 saatlik ısı depolama ile ve doğal gaz takviyesi ile (hibrid yapıda) çalışmak durumunda kalmaktadırlar. Aşağıda yoğunlaştırılmış güneş enerjisi teknolojilerinin 2010 yılı başındaki gelişme durumu ve çözüm bekleyen teknik problemler hakkında bilgi verildikten sonra yeni ve gelişmekte olan teknolojiler ile dünya ve Türkiye'de uygulama potansiyeli özetlenerek değerlendirilmiştir Doğrusal Yoğunlaştırıcılar Parabolik Oluk Kolektörler Parabolik oluk kolektörler, doğrusal yoğunlaştırma yapan ve parabolik kesitli dizilerden oluşur. Oluğun iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş enerjisini paraboliğin odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boru üstünde yoğunlaştırır (Şekil 1). Alıcı (receiver) cam tüp, yüzeyi yaklaşık %97'lik bir absorbtiviteye sahip paslanmaz çelik boru ve cam-metal birleştiricilerden oluşur. Alıcı boru üzerinde meydana gelen yüksek sıcaklık nedeniyle oluşan ısı kayıplarını azaltmak için, cam tüp ile alıcı boru arasındaki hava kullanılmaktadır. Yöneti lebi li rl i kte büyük avantaj getiren ısı depolama tesis alanının iki kata kadar genişlemesini zorunlu kılmaktadır. Işınımın en yüksek olduğu şartlarda büyüklük olarak MW elektrik üretebilen bu sistemler genel olarak kwh başına en düşük maliyetli, teknolojik rüştünü kanıtlamış ve bankalar taratında kredilendirilebilir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Parabolik oluk sistemlerdeki temel Ar-Ge hedefi çalışma sıcaklığının ve böylece sistem çalışma veriminin yükseltilmesidir. Güneş takip sistemlerinin parabolik oluk kolektörlere uygulanması yanında, ayna, antireflektif film kaplı cam tüp ve seçici yüzey (absorbant) kaplamalı metal tüp performansının iyileştirilmesi de gerekmektedir. Yurdumuzda Hitit Solar-Zorlu Enerji Firması Denizli ve Manisa'da birkaç pilot tesis kurmuş ve geliştirmektedir. Ayrıca birkaç KOBİ ölçekli sanayi kuruluşunda yürütülen Ar-Ge çalışmaları mevcuttur. Kısa vadede şebekeye vermek üzere elektrik üretimi mümkün görünmese de, sera ısıtma ve meyve-sebze kurutma vb. yerel ihtiyaçların karşılanması amacıyla yaygınlaşarak kullanılabileceği görünmektedir. Hassas ve kırılgan nitelikteki cam-metal tüp grubu halen ithal edilmekte olup, bu teknolojinin gelişmesi ve yaygınlaşması için ekonomik ölçekte yerli üretimin teşvik edilmesi gerekmektedir. 0,1 atm'e vakumlanmıştır. rs. % Isıya dayanıklı borosi I i kat cam tüp, yüksek bir geçirgenliğe ve radyasyon kayıplarını en aza indirmek için antıreflektif biryapıya sahiptir. Sıcaklık nedeniyle meydana gelen genleşme farklarının etkilerini gidermek için körüklü cam-metal birleştiriciler kullanılmaktadır. Parabolik oluk yansıtıcılar genellikle 100 m boy ve 6 m açıklıktadır (apartür) ve genellikle kuzey-gü ney ekseninde konumlandırılırlar. Geliştirilmekte olan yansıtıcılarda bu açıklık 8-10 m mertebesine doğru genişlemekte ve böylece yoğunlaştırma oranı yükseltilmek istenmektedir yılı itibariyle tüm ticari parabolik oluk tesislerde kullanılan çevrim akışkanı sentetik ısıl yağdır. Geleceğin tesislerinde ise doğrudan buhar üretimi ve özel tuz karışımları kullanılması ve daha yüksek verim elde edilmesi beklenmektedir. Sentetik yağdaki ısı eşanjörlerde suya iletilerek ön-ısıtma, buharlaştırma ve kızdırma işlemleriyle 390 C ve bar kızgın buhar elde edilmektedir (Şekil 2). Buhar türbininden çıkan ve ayrıştırılan doymuş buhar, yeniden giriş sıcaklığına ısıtılır ve eşeksenli ikinci türbine gönderilir. Bu ikinci çevrimden sonra artık soğuyan buhar, soğutma kulesinden geçirilerek sivil aştı ktan sonra yeniden çevrime girmektedir, ispanya'daki mevcut tesislerde % doğalgaz takviyesi kullanılırken, sadece bir kısmında (Andasol 1 ve 2 gibi) ısı depolama _ Tokat-' \ \ Şekil 1. Parabolik oluk kolektörler Gttntş KoDrklörlrri Abanı Bahar Tttıttııt I I I I I N Kazan I I SÖ0 ı ı II X X I X 51T T T T T T G«nkpr ram tüp- VBk n ı Koııılmvrr SJEWDüdlk Btttıntb - önmlıcı T»kı Şekil 2. Parabolik oluk kolektörlerde sistem çevrimi [3] Aynalar r y Fi I ft Yenidenı Yoğunlaş- r alıcı tüp Şekil 3. Doğrusal Fresnel aynalı sistem [10]

3 Makale Article Doğrusal Fresnel Aynalı Sistemler Yansıtıcı ve yoğunlaştırıcı olarak tek parabolik ayna kullanmak yerine çok sayıda (20-25 adet) düz ayna kullanarak çalışan sistemlere doğrusal Fresnel yansıtıcı lı sistem adı verilmektedir (Şekil 3). Bu sistemlerde 20cm genişlikteki ayna daha ekonomiktir ancak 50m uzunluğundaki her ayna dizisinin ayrı bir tek eksenli güneş takip sistemi bulunmak durumundadır. Sonuç olarak parabolik aynalı sistemin %70'ine mal olan bu sistemler verimlilik olarak %6-7 (yaklaşık %58'i) sağlamaktadır. Aynaların altındaki alan az güneş isteyen bazı bitkilerin yetiştirilmesine veya otopark olarak kullanıma uygundur. Doğrusal Fresnel aynalı sistemler henüz teknolojik problemleri tam çözülmüş olmamakla birlikte gelecekte düşük maliyetli yatırım seçeneği arayanlar için uygun görünmektedir Noktasal Yoğunlaştırıcılar Merkezi Alıcılar Merkezi alıcı veya güneş kulesi olarak adlandırılan bu sistemlerde güneşten gelen direkt ışınlar, geniş bir alana yayılmış ve iki eksenli güneş takip sistemleri ile donatılmış yüzlerce ayna ("heliostat") tarafından kule üzerindeki alıcı üzerine yoğunlaştırılır (Şekil 4). Yoğunlaşan ışınım alıcı içerisinde dolaştırılan tuzlu ergiyik, gaz veya havaya ısı olarak aktarılır. Tuzlu ergiyığin alıcıya giriş sıcaklığı yaklaşık 277 C iken sıcak tanka pompalanmada 777 C'a kadar ısıtılmış olur. Güce ihtiyaç duyulduğunda sıcak tanktan soğuk tanka pompalanırken bir ısı değiştiricisinde kızgın buhar üretilir. Güneş kulesi sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 300 ile arasında değişirken, sıcaklık C'a kadar çıkabilir. Maksimum güç 10 MW ve üzeridir. Alternatifler arasında en verimli, ancak büyük yatırım gerektiren güneş kulesi sistemlerindeki çalışma sıcaklığı diğerlerine göre çok yüksek bulunduğu için güvenilirlik ve emniyet en önemli faktörler olarak ortaya çıkmaktadır. Güneş kuleleri çevrim akışkanı olarak nitrat tuzları yanında doğrudan su buharı ve gaz da kullanmaktadır. Doğrudan su buharı genel olarak sistemi ekonomikleştirirken, çalışma sıcaklığı kısıtlandığı için verim de düşük kalmaktadır. Çevrim akışkanı gaz olduğunda ise enerji dönüşümü gaz türbini ile sağlanmaktadır. Kuruluş açısından güneş kulesi sistemlerinin parabolik oluk tesisler yanında en büyük avantajı kilometrelerde boru kullanımı yerine tesisatının basit ve kompakt oluşudur. Yeni nesil heliostatlar fotovoltaik panelden güç alıp, kablosuz dijital sistemle kontrol edilerek elektrikli eyleyiciler tarafından açı land ı rı İd ığ ı için kurulumu da kolay ve hızlı olabilmektedir. Sonuç olarak sistem verimi %20-25 mertebesine çıkarken aynaların, kontrol sisteminin ve yüksek sıcaklığa dayanıklı uzun ömürlü alıcı tasarımının zorluğu sistem maliyetini yükseltmektedir. Bu nedenlerle güneş kulesi yatırımları henüz bankalar tarafından finanse edilmemektedir Çanak kolektörler Çanak motor sistemleri; kolektör, toplayıcı ve bir motordan oluşan başlı başına bir ünitedir (Şekil 5). Güneş enerjisi, çanak biçimli parabolik bir yüzey tarafından bir alıcı yüzey üzerine nokta şeklinde (yaklaşık kat) yoğunlaştırılır. Alıcı yüzeyde toplanan ışınımın ya doğrudan ısı enerjisi olarak kullanılmasını sağlar ya da bir Stirling motoru içerisindeki çalışma akışkanına aktarır. Motor ısıyı mekanik güce çevirir. FHidrojen veya helyum gibi özgül ağırlığı, (ataleti) düşük bir gazın tercih edildiği bu sistemlerde soğukken sıkıştırılmış gaz, güneş enerjisi tarafından ısıtılır ve bir türbin veya silindir piston sisteminde genleşirken iş üretir. Bu mekanik güç bir jeneratör yardımıyla elektriksel güce dönüştürülür. Tek veya birçok yansıtıcı yüzeyden oluşan çanak kolektörler güneşi iki eksende izlerler. Alıcı yüzey ve motor tipi için başta Stirling motoru veya Brayton mikro-türbini olmak üzere iki seçenek vardır [2], Noktasal yoğunlaştırmalı çanak kolektör sistemlerde su çevrimi kullanılmadığı için su kaynakların bulunmadığı kurak çöl ortamlarına çok uygundur. 525 kwe kapasite ile modüler yapıda olduğu için ister tek, isterse çok sayıda çanak bir arada kullanılabilir. Ancak, güvenilir ve ekonomik birstirling motoru yapmak zordur. Stirling motorlarının sağlıklı işlemesi için Flidrojen veya Flelyum gibi hafif ve ince bir gaz ortamın sızdı rmazl ığı sağlanmak durumundadır. Ayrıca, bu sistemlerde enerji depolamak da mümkün değildir. Bu nedenle, çanak/stirling sistemlerinin hibrid yapıda başka bir enerji kaynağı ile birlikte tasarlanması önerilmektedir. Doğal gazlı, biyogazlı veya biyokütleden elde edilen sentez gazlı prototipler Avrupa ve Amerika'da geliştirme ve test aşamasındadır ve 2009 yılı itibariyle hala yatırım maliyeti en yüksek alternatif olarak görünmektedir. Parabolik çanak sistemler gerek ışınım yoğunlaştırma oranı, gerekse toplam sistem verimi açısından avantajlı olmakla birlikte ısı depolamaya izin vermemesi fotovoltaik sistemlerle teknolojik olarak daha karmaşık ve pahalı bir sistem olarak aynı kategoriye girme durumunu doğurmaktadır. İÜ feritlır iif t Şekil 4. Merkezi Alıcılar (Güneş Kulesi, PS10 ve PS20 santralleri, Ispanya) t AİT. Alt*. Hf Dr MP r Şekil 5. Çanak kolektörler

4 Makale Article 2. Dünyada CSP Uygulamaları Yoğunlaştırılmış güneş enerjisinden elektrik üretmenin rüzgârgibi diğer yenilenebilir kaynaklar yanında önemli avantajları vardır. Özetle bunlar ABD, Fas, Tunus, Cezayir, Mısır, Güney Afrika ve Avustralya gibi ülkelerde planlanmakta olan santraller dört-beş yıl içinde devreye girdiğinde 15 GVV'ı bulabilecektir [2], Kurulu güneş enerjisi sistemlerinin detaylı karşılaştırılması Tablo 1 'de verilmiştir. Rankine çevrimi ile olgunlaşmış, güvenilir ve uzun ömürlü birteknoloji olması Kanıtlanmış performans ve işletme yöntemi Şebeke kararlılığı Şebeke ihtiyaçlarıyla uyumluluk Yöneti lebi I i rl i k Doğalgaz, biyogaz, jeotermal vb. ikinci bir sistemle hibridlenebilirlik CSP teknolojileri kızgın buhar veya sıcak hava üretimi sonrasında performansı kanıtlanmış ve olgunlaşmış süreçler içerir, ilk ünitesi 1 984'te devreye alınan, kademeli olarak büyütülen ve 20 yılı geçkin süredir çalıştırılan SEGS santrallerinde işletme yönetimi geliştirilmiş ve ekonom i kleşti ri I m işti r. CSP sistemleri toplumların elektrik tüketim eğilimleriyle uyumludur. Isı depolama sistemi elektrik üretilmezken enerji depolamaya imkân verirken, güneşin olmadığı akşam saatlerinde elektrik üretimini sağlamaktadır. Böylece ısı depolama ya da hibridleme eklendiğinde akşam saatlerinin yoğun (puant) elektrik yükünü karşılamaktadır. Buhar türbinleri ile üretilen elektrik akımı darbesiz ve kontrollüdür ve şebekenin ataletini ve kararlılığını arttırır. Gününe, mevsimine ve hava durumuna göre üretilecek elektrik tahmin edilebilir nitelikte olduğu için yönetimi kolaydır. CSP sistemlerinin bazı kısıtlama ve problemlerini de unutmamak gerekir. Kuruluş yeri aldığı direkt ışınım değeri kw-h/m2-yıl olan azamî2 derece eğimli, engebesiz, kullanılan teknolojiye bağlı olarak yaklaşık 2 hektar/mwe (en az 10 km2 büyüklüğünde) çevresinde dağlartarafından gölgelenmeyen arazi gerektirmektedir. Çevrim suyu ihtiyacı da 3 m3/mw-h ile yüksek kalmaktadır. Tarımsal açıdan değerli böylesi arazilerin satış değeri yüksektir. Suyun kısıtlı bulunduğu güneşi ra bol kurak/yarı-kurak çöl ortamlarında havalı soğutma yoluna gidildiğinde ise verim önemli oranda düşmektedir. Böylece ekonomik yönden cazip birtesisin konumu derece paralel arasında ve ortalama direkt ışınım kw-h/m2-yıl olarak beklenmektedir. işletme maliyeti düşük olmakla birlikte kurulum maliyeti göreceli olarak yüksektir. Kurulum maliyeti 2010 yılı itibarıyla yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgâr ile kıyaslandığında 4-9 $/W ile 2,5-3 kat mertebesindedir [3,4,5]. Şehirlerin yakınında işletmesi zor olan CSP sistemleri, ıssız çöl şartlarında da kum ve toz erozyonu sorunuyla karşı karşıyadır yılı başında 1 GW'a yaklaşan CSP kapasitesi, inşaat halindeki 350 MW santrale ek olarak Çin, Hindistan, ABD'de California Mojave çölündeki SEGS parabolik oluk demo tesisleri 354 MWe kapasite ile dünyanın en büyük güneş enerjisi santrali olup; sonuncusu 1990'da devreye alınan dokuz üniteden oluşmaktadır. Amerika'da kurulu diğer parabolik oluk tesisi Nevada Solar One, 260 milyon USD bütçe ile yapılmış olup; nominal kapasitesi 64 MW'tir. Santralde 760 olukta ayna, alıcı tüp olup akışkan sıcaklığı 391 C'd i r [5]. ABD Enerji Bakanlığı desteği ile deneysel amaçlı olarak 'de kurdurulan ilk güneş kulesi santrali yine California Mojave çölündeki Solar One tesisidir 'te Solar Two adı verilerek genişletilen tesisin test edilen kapasitesi 10 MW'a ulaşmıştır (Şekil 6) yazında daha gelişmiş ve yüksek kapasiteli bir santral kurmak üzere sökülmüştür. Böylece Amerika'nın PV santralleri dâhil 201 6'da 28 GW güneşten elektrik kapasitesine ulaşacağı öngörülmektedir. Seville ispanya'da Mart 2007'de ticarî nitelikte kurulan Planta Solar-PS10 güneş kulesi santrali 11 MWe kapasiteli olup; 75,000 nr'lik bir alana sahiptir (Şekil 6). Santralın yıllık üretimi 24,3 GWh, ısıl verim %27, toplam verim ise %17'dir [5], Aynı yerde Nisan 2009'da 20 MW kapasiteli PS20 kurulurken, genişleme planına göre toplam gücün 201 3'e kadar 300 MW'a çıkarılması planlanmaktadır. Bir diğer güneş kulesi sistemi Solar Tres adıyla 15 MW kapasiteyle kurulmuş tuz ergiyiği üstünde enerji depolayarak yaz aylarında 24 saat kesintisiz çalışma sağlanmış ve yıllık ortalama %65 emreamadelik elde edilmiştir yılında Granada'da kurulan parabolik oluk kolektörlü, Andasol-1 ve 2009'da hizmete alınan Andasol-2 santralleri 50'şer MW kapasiteli olup, yılda saatte toplam 179 GWh üretim yapmaktadır. Avrupa'nın en güneşli ülkesi ispanya'da güneşten elektrik üretme kapasitesi PV santralleri de dâhil 2009 yılı sonunda 3 GW'a ulaşmıştır. Böylece güneş enerjisinin toplam elektrik üretimindeki payı %12'yi bulmuştur. Parabolik çanak sistemlerinin geliştirilmesi için ABD ve AB'de çalışmalar yürütülmüştür. ABD i yıllarda başlayan ve 500 Milyon USD'ye yakın Ar-Ge harcaması yapılan projede her biri 25 KWp üretebilen Stirling motorlu sistemler 2009 yılında ticarileştirilmiş ve ilk alınan siparişlerle California, Texas ve Arizona'daki dört projede MWe kurulu güç elde etmek üzere 'den fazla Stirling motorlu çanak kurulacağı ilan edilmiştir. AB fonlarından desteklenen EuroDish projesinde ise çanak başına 10 kwp seviyesine erişilmiş, Alınan SBP firması tarafından Avrupa'nın ve dünyanın pek çok yerinde 50 kwp altında çok sayıda demo/test ünitesi kurulduğu halde henüz büyük ticarî güneş tarlası aşamasına gelinmemiştir.

5 Makale Article CSP sistemlerinde temel Ar-Ge hedefi elektrik maliyetinin kısa vadede 0,08-0,10 /kwh, orta vadede 0,04-0,05 /kwh mertebesine indirilmesidir. Bunun için kurulum maliyetinin 1000 /kwe değerini aşmaması gerekir. Bu bağlamda Ar-Ge öncelikleri için aşağıdakiler önerilmiştir [8]: imalat ve kurulum maliyetlerinin düşürülmesi Sistem çalışma sıcaklığının ve veriminin yükseltilmesi Sistem ömür, güvenilirlik, verim ve emniyetinin iyileştirilmesi Doğrudan buhar üretim sistemlerinin geliştirilmesi Gelişmiş enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi ileri güneş-hibrid sistemler (biyogaz veya diğer yakıt takviyeli entegre sistemler) Elektrik dışı uygulamalar (su pompalama, desalinasyon vb.) Güneş enerjili kimyasal sistemler (çinko ekstraksiyonu, hidrojen üretimi, biyokütle gazlaştırma vb.) Sistem otomasyonu Tablo 1. Güneş enerjisi sistemlerinin teknik ve ekonomik karşılaştırması [2,10] Teknoloji Türü Sistem Verimi (%) İlk Yatırım Enerji Maliyeti Çıkış Sıcaklığı ( C) Elektrik Isı Maliyeti ($/kwe) Elektrik ($/kwh) Isı ($/kwh) Düzlemsel Kolektör $/sistem Parabolik Oluk Doğrusal Fresnel ,20 0,007 Merkezi Alıcı Parabolik Çanak i J. - ' :: Şekil 3. Nevada Solar One parabolik oluk santrali - ABD (sol); PS 10 Güneş Kulesi - ispanya (sağ 3. CSP Sistemlerindeki Teknolojik Yenilikler IEA - Uluslararası Enerji Ajansı'nın 2050 yılı öngörüsüne göre CSP teknolojileri dünya elektrik ihtiyacının %9,6'sını %1,7'ilk takviye yakıt kullanımı ile karşılayabilir [2], DESERTEC öngörüsüne göre Orta Doğu ve Kuzey Afrika (MENA) bölgesinden 2050 yılına kadar 400 Milyar yatırı m la AB'nin elektrik ihtiyacının %20's inin karşılanması beklenmektedir [11], Dünyanın en güneşli ülkelerinde CSP teknolojileri özellikle puant saatlerde elektrik ihtiyacının önemli kısmını karşılayabilecektir. 2030'lu yıllarda maliyet olarak diğer teknolojilerle başa baş rekabet etmesi beklenen bu teknolojilerin, 2050 yıllarında dünya doğal gaz üretiminin %3'ünün yerine geçecek hidrojen üretimini de sağlayabileceği düşünülmektedir. Kurak ve yarı-kurak iklimlerde verimli çalışan CSP sistemlerinin yaşayacağı en büyük teknolojik zorluk bu yerlerde su kaynaklarının da kıt oluşudur. Diğer temel sorun elektrik talep merkezleri her zaman enerji kaynağının bol olduğu yere yakın olmamaktadır. Bu durumda elektriği uzun mesafelerde verimli iletecek yüksek gerilimli doğru akım şebekelerinin kurulması gerekecektir. Parabolik oluk sistemler CSP sistemleri arasında en olgunlaşmış olanıdır ve bankacılık sistemi tarafından finanse edilen tek seçenektir. Fakat özellikle güneş kulesi gibi rakip teknolojiler de arayı süratle kapatma çabasındadır. Mevcut bütün ticarî parabolik oluk santraller sentetik ısıl yağ kullanırken ve çoğunda ısı depolama yokken, doğrudan su buharı üretimi (DSG) ve tuz banyosunda ısı depolamanın yakın zamanda yaygınlaşabileceği beklenmektedir. Halen Thermınol VP-1 yağın en yaygın tercih olduğu ve yüksek maliyetli bu malzemenin 12 C'de katılaştığı için sistemlerde hibridleştirmenin zorunlu olduğu ifade edilmiştir [7], Kızgın su buharının yüksek basınç ve sıcaklıkta doğrudan kolektörden sağlanması eşanjör yatırımından, hem de yüksek maliyetli ısıl yağdan kurtulmayı sağlayacaktır. Ancak bunun sonucu olarak alıcı tüpün içindeki akışkan basıncı 25 bar'dan bar aralığına yükseldiği için daha kalın boru kullanımı gerekmektedir. En verimli çözüm kabul edilen doğrudan buhar üretimi (DSG; direct steam generation) yüksek sıcaklık ve basınçla birlikte gerek kolektör grubunun (paralel, seri vb.) borulama tasarımında, gerekse faz dönüşümü (kaynama) ve çift fazlı akış, türbülans ve titreşimli akış, akış esnasında suyun hidrojen ve oksijene ayrışması ve hidrojenin difüzyon ile çelik üstünde hidrojen gevrekliğine yol açması gibi çözülmeye çalışılan teknik sorunlar getirmektedir. Doğrudan tek yönlü tesisatta (once-through) ışınımın gücüne göre suyun tamamı buharlaşamayabilir. Buhar türbini kuru buhar gerektirdiği için henüz buharlaşmamış suyun ayrıştırılarak yeniden alıcı içine beslenmesi gerekmektedir.

6 Makale Article Bu durum çift kademeli devridaim sistemini (recirculation) veya aradan su drenajlı devridaim (injection) sisteminin kullanımını gerektirmektedir [11], Kızgın su buharı yerine doymuş su buharı kullanımı da bir miktar verim artışı sağlayan bir başka yaklaşım olarak ifade edilmiştir [12,13,14], Gelecekte sistem çalışma sıcaklığının C mertebesine çıkarılması da verimi arttıracak bir diğer hedeftir [10], Sonuç olarak verimi arttıran bütün bu yeniliklerin ekonomik olarak uygulanabilmesi daha gelişmiş vakumlu tüp alıcıların tasarlanmasına bağlıdır. 4. Özet ve Sonuçlar Dünyada güneş enerjisi sistemlerinin tasarlanıp kullanılmaya başlandığı 150 yıldan fazla süre içinde kazanılan tecrübe kısa ve orta vadede CSP teknolojilerine yapılacak yatırımlar ve kurulacak tesisler için orta teknik ve ekonomik risk göstermektedir. Halen KWe başına yatırım maliyeti yüksek bulunurken, California ve ispanya demo tesislerinde döneminde oluşturulan işletme ve bakım prosedürleri ile işletme maliyetleri %30 oranında düşürülmüş ekonomik düzeye inmiştir. Bu aşamada parabolik oluk ve güneş kulesi sistemleri 5 saatlik enerji depolaması içerdiğinde (sanal) CO2 takası ile bugünden ekonomik olabilmektedir. Diğer yandan, parabolik oluk sistemler tasarımda ölçek esnekliği yanında yurdumuzun güneşli günleri en bol güney bölgelerinde sistemi çalıştıracak yeterli su kaynaklarının bulunması da göz önüne alınarak en cazip alternatif olarak görünmektedir. Ekonomik fizibilite tesis büyüklüğü ve kısa süreli enerji depolama yeteneği yanında kurulum ve arazi maliyetinin en aza indirilmesi ile elde edilebilecektir, imalatında ağırlıklı olarak konvansiyonel teknolojiler kullanıldığı için parabolik oluk sistemlerinin yerli imkânlarla (PV'lere kıyasla) düşük enerji tüketilerek kurulması da ülke açısından toplam ekonomik cazibeyi artırmaktadır. Gelecekte elektrik üretimi ile desalinasyon işlevini birleştiren kojenerasyonlu tesislerinin tatlı su kaynakları kısıtlı yerlerde ekonomik yönden cazip olması beklenebilir ve ülkenin kısıtlı Ar-Ge kaynaklarından bu yönde pay ayrılması anlamlı görünmektedir. Kısa Özgeçmiş a 4i Kaynaklar [1] Şen, H., Temiz Dünya Rehberi: Güneş Enerjisi, Doğa Yay., İstanbul Technology Roadmap: Concentrating Solar Power, I E A- Int. Energy Agency, Paris, [3] Pitz-Paal R, Concentrating Solar Power, German Aerospace Center (DLR), Inst, of Technical Thermo dynamics, Köln, Germany. [4] Müler-Steinhagen H and Trieb F, "Concentrating Solar Power, Part 1. Royal Academy of Engineering, [5] Gonzalez FA, Liberali R, Concentrating solar power: from research to implementation, European Communities, 2007 ISBN [5] Tsoutsos T, Gekas V, Marketaki K, "Technical and economical evaluation of solar thermal power generation", Renewable Energy, Vol.28, [6] Mills D, "Advances in solar thermal electricity technology", Solar Energy, Vol.76, pp.19-31, [7] Cohen G, Skowronski M, Cable R, et al. "Solarthermal parabolic trough electric power plants for electric utilities in California", Solargenix Energy. Los Angeles, CA, November [8] Poullikkas A, "Economic analysis of power generation from parabolic trough solar thermal plants for the Mediterranean region-a case study for the island of Cyprus", Renewable and Sustainable Energy Reviews [9] Al-Soud M, Hrayshat, E.S, "A 50MW concentrating solar power plant for Jordan", J. of Cleaner Production [10] Zarza, E, The Technologies for Concentrating Solar Radiation: Current State-of-the-Art and Potential for Improvement, June 2010TUBITAK MAM Energy Inst. Gebze Kocaeli Turkey. [11] DESERTEC, Clean Powerfrom Deserts: the DESERTEC Concept for Energy, Water and Climate security, WhiteBook 4th Ed., [12] Collier J. G., "In Two Phase Flow and Heat Transfer in the Power and Process Industries", Hemisphere Publishing Corporation, New York, [13] Eck M, Zarza E, Saturated steam process with direct steam generating parabolic troughs, Solar Energy [14] Odeh SD, Morrison GL, Behnia M, Modelling of parabolic trough direct steam generation solar collectors, Solar Energy 62, [2] Haydar LİVATYALI ODTÜ Makine Müh. Bölümünden lisans derecesini 1989'da, Ohio State Universitesi'nden yüksek lisans ve doktora derecelerini sırasıyla 1993 ve 1998'de aldı. İTÜ Makine Fakültesinde 1999'da Yardımcı Doçent ve 2005'te Doçent oldu. Ekim 2009'dan beri TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsünde çalışmaktadır. Evli ve iki çocuk babasıdır. Ersin ÜRESİN Sakarya Üniversitesi Makine Müh. Bölümü'nden lisans derecesini 2001 'de, yüksek lisans derecesin 2005'te aldı. Şu anda Kocaeli Üniversitesi Makine Müh. Bölümü'nde Doktora yapmaktadır ve tez aşamasındadır. Ekim 2006'dan beri TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü'nde çalışmaktadır. Emir AYDAR 2006 tarihinde Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği bölümünden mezun oldu tarihinde Yüksek lisansını Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Anabilim dalında tamamladı ve doktora eğitimine başladı. Halen aynı bölümde doktora çalışmalarını yürütmektedir. Ayrıca Kasım 2007'den beri TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsünde çalışmaktadır.