ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ VE POMPAJ DEPOLAMALI HİDROELEKTRİK SANTRALLER Maksut SARAÇ Inşaat Mühendisi ÖZET Enerji toplumsal refahın sağlanması için gerekli araçlardan ve üretim faaliyetlerinin ana girdilerinden biri olarak, ekonomik ve sosyal kalkınmanın vazgeçilmez temel taşlarından biridir. Bu nedenle, endüstrideki gelişmelerin, yaşam standartlarındaki yükselişin ve artan nüfusun ihtiyaç duyduğu enerjinin yeterli, güvenilir ve düşük maliyetle sağlanması ve sunulması önemlidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından önce PHES ler pik talebin karşılanması için planlanırken, şimdi buna ilave olarak yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanması maksadıyla da planlanmaktadır. PHES ler yenilenebilir enerji kaynaklarından önce genel olarak geceleri yani enerjinin ucuz olduğu saatlerde veya enerjinin kullanılamadığı saatlerde pompa modunda, puant saatlerde veya enerjinin pahalı olduğu saatlerde de türbin modunda çalıştırılmaktadır. Şimdi ise yenilenebilir enerji kaynaklarının depolanması veya gün içerisinde düzenlenmesine göre PHES ler günün her saatinde pompa ve türbin modunda çalışmaya başlamış ve bu maksatla da yeni yeni projeler planlanmakta ve inşaa edilmektedir. Genelde tüm gelişmiş ülkelerin portvöyünde bulunan PHES lere, özellikle ülkemizde nükleer santraller ve yenilenebilir enerji kaynaklarının gelişimine parallel olarak bugün her zamankinden daha çok ihtiyacımız vardır. PHES LERİN GRUPLANDIRILMASI PHES leri üç ana grupta toplamak mümkündür. 1- Yapılışlarına Göre PHES a- Saf PHES b- Karışık PHES 2- Yapılış Amaçlarına Göre PHES a- Pik Güç Santralleri Olarak PHES b- Enerji Depolama Santralleri Olarak PHES
3- Enerjilendirilme Durumuna Göre PHES a- Şebeke Destekli PHES b- Şebeke Desteksiz PHES YAPILIŞLARINA GÖRE PHES Saf PHES Bir dere veya nehirin suyunun geleneksel bir HES tesisi yapmak için yeterli olmadığı durumlarda bu dere üzerinde yapılacak alt veya üst rezervuar ile mevcut barajlara ilave olarak yapılan üst veya alt rezervuarlar yada alt ve üst rezervuarları herhangi bir su kaynağı üzerinde olmayıp iki havuzdan oluşan sisteme Saf PHES denilmektedir. Şekil-1: Saf PHES örnekleri Karışık PHES Bir nehirin suyundan ve düşüşünden yararlanılarak planlanıp inşaa edilen baraj ve HES yapıları geleneksel yapılar olarak isimlendirilmektedir. Bir nehrin üzerine bir enerji tesisi kurulabilmesi için bu tesisin teknik ve ekonomik olarak yapılabilir olması şarttır. Genel olarak bir nehirin, enerji tesisleri açısından planlanırken iki tesis arasında boşluk bırakılmadan planlanması esastır. Başka bir deyişle birinin maksimum su seviyesi diğer tesisin kuyruksuyu olacak şekilde planlanmaya çalışılır. Çoruh nehrinin ana kolunda bulunan 10 adet baraj ve HES tesisleri bu mantıkla planlanmıştır. Oymapınar Barajı ile Manavgat Barajı, Altınkaya Barajı ile Derbent Barajı, Kılıçkaya Barajı ile Çamlıgöze Barajı, Gökçekaya Barajı ile Yenice Barajı ardışık barajlardır. Bu barajlar ve eteklerindeki santraller bulundukları nehrin enerjisini değerlendirilmek üzere kurulmuşlardır. Bu santrallerin her birinde de
pompaj depollamalı hidroelektrik santrallerde olduğu gibi tersinir türbin değil sadece türbin olarak çalışan geleneksel makinalar vardır. Şekil-2: Japonya da Azusa Nehri üzerinde inşa edilmiş olan geleneksel ardışık barajlar ve bu barajlar kullanılarak oluşturulan PHES ler: 1)Azumi PHES; 2) Midono PHES; 3) Sinrusima HES Bir PHES için öncelikle iki rezervuara ihtiyaç var olduğunu daha önce ifade etmiştik. Bu rezervuarlardan alt rezervuar diğeride üst rezervuar olarak isimlendirilmişti. Şimdi, ardışık barajlara pompaj depolamalı hidroelektrik santraller açısından bakalım. Geleneksel bir HES in kendi rezervuarı üst rezervuar alttaki barajın rezervuarı da alt rezervuar görevi görebilir. Şekil-2 deki örnekte 1 nolu santral olan Azumi santralinin kendi rezervuarı üst rezervuar alttaki Midona santralinin rezervuarı da alt rezervuar görevi görmektedir. Burada Azumi HES in kurulu gücü 2x111 MW ve Azumi ve Midona rezervuarları kullanılarak yapılmış olan Azumi PHES in kurulu gücü 4x109 MW tır. Aynı şekilde Midona HES 2x61 MW ve Midona PHES te 2x61 MW tır. Son tesis olan Sinrusima HES ise 32 MW kurulu gücünde geleneksel bir santraldir. Azumi ve Midono örneklerindeki tesislere Karışık PHES denilmektedir. Şekil-3: Azumi PHES (2x111 MW + 4x109 MW ) Ardışık barajlar için; kamulaştırma, dolusavak, ulaşım, iletim yapıları vs zaten yapılmak zorunda. Aynı tesisleri PHES olarak planlamak için sadece türbinlerin tek yönlü değil de tersinir
türbin olarak türbin ve pompa modunda da çalışabilir olması ve türbin eksen kotlarının normal türbinlere nazaran daha aşağıda olmasıdır. İki barajdan oluşan Saf PHES planlaması için iki ayrı barajın inşa edilmesi ve yardımcı tesislerinin yapılması zaten gerekiyor. Oysa Karışık PHES yapılması durumunda sadece türbinin tersinir türbin olması yeterlidir. Şekil-2 deki tesisler Japonya da 1969 yılında işletmeye alınmıştır. İlk planlamaları da Karışık PHES olarak yapılmıştır. Bu tesisler Japonya nın ilk PHES örneklerindendir. Manavgat Çayı üzerinde ve yaz puntlarının kış puntlarına göre kayda değer bir artış gösteren Antalya yakınlarındaki iki ardışık baraj olan Oymapınar Barajı 1984, Manavgat Barajı 1988 yılında işletmeye alınmıştır. Japonya daki planlamalara benzer planlamalar biz de de yapılabilirdi. Ama bugüne kadar planlanmamış ve yapılmamış. Bugün hidroelektrik potansiyelimizin yaklaşık 40.000 MW civarında olduğu ifade edilmektedir. Bu potansiyelin yarısı işletmede ve inşaa edilmekte olduğu kabul edilirse hiç olmazsa geleneksel hidroelektrik projelerimizin kalan diğer yarısının uygun olanları Karışık PHES olarak planlanmalı ve bu konuda gerekli yasal düzenleme de ivedilikle yapılmalıdır. Bu konular da biraz geniş ufuklu düşünülmelidir. Aksi takdirde yarın çok geç kalmış olacağız. Üzerinde çalışılması durumunda mevcut ardışık barajlardan uygun olanlarının Karışık PHES olarak revize edilmesi bile mümkün olabilir. Örnek olarak, Akkuyu Nükleer Santraline kuş uçumu 200 km mesafede ve en yakın barajlardan biri olan Oymapınar Barajının gerek Karışık PHES olarak, gerekse Saf PHES olarak çalışılabilir. Oymapınar Barajı Manavgat Barajı Şekil-4: Oymapınar Barajı ve Manavgat Barajı
YAPILIŞ AMAÇLARINA GÖRE PHES Pik Güç Santralleri Olarak PHES PHES ler; kolayca durdurulabilir ve kısa zamanda tam yüke çıkabilme özelliği nedeni ile yenilenebilir enerji kaynaklarından önce pik güç santrali olarak planlanmıştır. Enerji Depolama Santralleri Olarak PHES Son dönemlerde yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talebin giderek artması ve bu kaynaklara dayalı tesislerin şebekede yeterince bulunması bu kaynaklara (başta rüzgar ve güneş) dayalı enerji üretimlerinin depolanmasını gündeme getirmiştir. Dünyada bilinen enerji depolama yöntemleri içerisinde PHES lerin payı %99 lar civarındadır. ENERJİLENDİRİLME DURUMUNA GÖRE PHES Şebeke Destekli PHES Her pompaj depolamalı hidroelektrik santral suyu alt rezervuardan üst rezervuara pompalamak için enerjiye ihtiyaç duyacaktır. Enerjisini ulusal şebeke sisteminden alıyorsa buna Şebeke Destekli PHES denir. Saf PHES ler ve Karışık PHES ler enerjilerini ulusal şebeke sisteminden alırlar. Şebeke Desteksiz PHES İsminden de anlaşılacağı üzere pompalamak için kullanılan enerjiyi doğrudan ulusal şebeke sisteminden almazlar. Rüzgar enerji santrallerinin (RES) şebekeye düzgün güç verebilmesi için Şekil-5 te prensip şeması verilen RES ile PHES ten oluşan HİBRİT sistem görülmekte. Bu sistemde RES ler doğrudan şebekeye bağlanmak yerine şebekeden bağımsız çalışır ve PHES ile oluşturulan Hibrit sistemin oluşturduğu ortak baradan şebekeye bağlanarak şebekeye düzgün güç verirlir. Bu sistemde PHES in enerjisi izole çalışan RES lerden sağlanır. Bu sistemdeki PHES e Şebeke Desteksiz PHES denir. Şekil-5: PHES - RES Hibrit Çalışma Prensip Şeması
RÜZGAR SANTRALLERİ VE PHES Rüzgar santralleri dışındaki diğer enerji kaynaklarının belirli bir güç grafiği vardır. Hatta bu kaynaklar içinde güneş santrallerinin bile yarım daireye benzeyen bilinen bir güç grafiği vardır. Ancak rüzgar santralleri için aynı şeyi söylemek mümkün değildir. Rüzgar santrallerinde her gün her saat gücün değişkenlik gösterdiği görülür. Toplam kurulu güç içerisinde RES kurulu gücünün önemli bir yer tuttuğu durumlarda RES lerin şebekede bozucu etkilerini görmek mümkündür. Şekil-6 daki çerçeveli resim sanki modern resim sanatının örneklerinden biri gibi gözüküyor. Oysa bu bir resim değil bir rüzgar santralinin Haziran 2011 tarihindeki günlük güç grafiğini gösterir. Şekildeki her bir renk bir günü, yatay ekseni 24 saatlik zaman dilimini ve düşey eksen de santralin MW cinsinden üretmiş olduğu gücünü gösterir. Şekil-6: 90 MW lık RES in Haziran ayına Ait Günlük Güç Grafiği Şekildeki birkaç rengi yorumlamaya çalışırsak, yeşil renkli çizgiye bakıldığında santral tam kapasite ile nerdeyse 24 saat çalışmış. Siyah çizgiye bakıldığında ise günün büyük bir bölümünde hiç enerji üretmemiş gibi gözüküyor. Sarı renkli çizgiye bakıldığında ise gün içerisinde minimum seviyeleri gördüğü gibi maksimum seviyelere ulaştığı da görünmektedir. Her günü, her saati birbirinden çok farklı olan bu enerji kaynağını şebekede kendi başına tutmak ve işletmesinin de ne kadar zor olduğu bu resim çerçevesi içine yerleştirilmiş olan RES in güç grafiklerinden anlaşılmaktadır. Bugün itibari ile işletmede olan RES kurulu gücü yaklaşık 2000 MW civarındadır. Maksimum puantın 40000 MW a yaklaştığı dikkate alındığında 2000 MW lık RES gücünün şebekede bozucu etkisini bugün itibari ile göremiyoruz.
Şekil-7: 28-29 Haziran 2011 Türkiye Toplam RES Güç Grafiği Enerjide 2023 yılı hedeflerine bakıldığında 20.000 MW lık RES kurulu gücünün şebekeye doğrudan bağlanması için gerekli izin verilmiş durumda. Şimdi sadece örnek olsun diye bir grafik vermek ve bu grafiğin üzerinde bazı hususları dikkatlerinize sunmak istiyorum. 28-29 Nisan 2011 tarihinde ülke genelinde şebekeye bağlanmış olan toplam RES kurulu gücümüz 1415 MW tır. Bu tarihteki RES lerin güç grafiği Şekil-7 de verilmiştir. Bu grafikteki maksimum değeri 20.000 MW olacak şekilde grafiğin diğer verilerini benzettiğimiz de 2023 yılı Türkiye toplam RES gücü için Şekil-8 deki grafik elde edilir. Şekil-8: 28-29 Haziran 2023 Türkiye Toplam RES Güç Grafiği
Bu yeni grafik için neler söyleyebilir. Birincisi 20.000 MW lık bir güç içerisinde 1415 MW lık bir gücün neredeyse doğrusal bir grafik gibi gözüktüğü grafiğin içerisindeki pembe renkli grafikten anlaşılmaktadır. Bu nedenle de bugün için biz şebekede rüzgar santrallerinin bozucu eklisini en azından kullanıcılar olarak hissetmiyoruz. kincisi, grafikteki çukurluk ve tepelikler arasındaki fakın 14.000 MW, 9.000 MW, 8.000 MW, çok kısa süreli saatlik veya yarım saatlik değişimlerin ise 3.000 MW civarında olduğu görülmektedir. Bunun anlamı şudur. RES kurulu gücümüzün 20.000 MW a yaklaşması durumunda RES lerin şebekedeki bozucu etkileri rahatça görülecek ve hissedilecektir. Bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için ya RES yapımına izin verilmeyecek, ya da bu gibi durumlarda RES lerin şebeke ile bağlantısı kesilecektir. Bir yıl 52 hafta ve her haftanın 2 günü cumartesi ve pazardır. Eder 104 gün. Bayram günlerini de ilave ettiğinizde yaklaşık 120 günlük bir tatil günü eder. Bu da bir yılın üçte biridir. Gece ve gündüz durumunu da dikkate alınarak bu zamanlarda punt gücün düşük olduğu hatırlanırsa RES lerin sistem içerisinde idare edilmeleri gerçekten güçleşecek, belki de mümkün olmayacaktır. Üçüncüsü, rüzgar enerjisinin fazla olduğu durumlarda bu enerjiyi depolayacak, eksik geldiği durumda da yerine koyacak bir kaynağa ihtiyaç vardır. Bu kaynak bütün dünyada olduğu gibi Pompaj Depolamalı Hidroelektrik Santrallerden (PHES) başkası değildir. Bu nedenle eğer şebekenizde kayda değer bir RES gücünüz varsa PHES olmadan sisteminizi çalıştırmanız mümkün değildir. İspanyadan bir PHES örneği vermek istiyorum. Cortesla Barajının rezervuarı kullanılarak yapılmış olan 630 MW kurulu gücündeki La Muela-I PHES 1998 yılında avrupanın en büyük yenilenebilir enerji kuruluşu olan Iberdrola tarafından işletmeye alınmıştır. La Muela PHES in üst rezervuarı 23 milyon m3 olup pik talep için planlanan bir PHES in üst rezervuarından oldukça büyüktür. Bu haliyle kesintisiz 55 saatlik bir depolamaya imkan sağlamaktadır. Başka bir ifadeyle haftalık depolama yapabilme kapasitesine sahiptir. İberdrola nın üst rezervuarı bu kadar büyük planlamasının en önemli gerekçelerinden biri rüzgar enerjisini depolamaktır. İspanya nın RES lerdeki gelişimine paralel olarak İberdrola, aynı üst rezervuarı kullanarak La Muela-II adında 840 MW kurulu gücünde 2012 yılında işletmeye geçecek şekilde ikinci bir PHES inşa etmektedir. Almanya, Norveç vb ülkeler aynı şekilde hareket etmekte. Ya biz?
Şekil-9: Cortesla HES ve La Muela I-II PHES (240 MW, 630 MW, 840 MW) Bugünkü puant gücümüz 40.000 MW, RES kurulu gücümüz 2000 MW yani RES, puant gücün %5 i kadar. Yarın 2023 yılında punt gücümüzün 80.000 MW olduğunu ve RES gücümüzün de 20.000 MW olduğu dikkate aldığımızda RES gücü, puant gücün % 25 i olacaktır. Bu gücü doğrudan şebekeye bağlayarak PHES olmaksızın yönetmek mümkün değildir. Bu nedenle tez vakitte, daha fazla geç kalmadan ve gecikilmeden ivedilikle PHES ler konusunda adım atmalıyız. Atılmış olan adımları da desteklemeliyiz.