TÜRKİYE, ALMANYA, İSPANYA VE PORTEKİZ DE GÜNEŞ ENERJİSİNE GENEL BAKIŞ Biray Aşık 1,, Fatih AY 2, Enis SERT 1, Sebahattin ALPTEKİN 1, Fuat KARAKAYA 2 1 Çankırı Karatekin Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Çankırı, TÜRKİYE 2 Niğde Üniversitesi, Nanoteknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi, Niğde, TÜRKİYE ÖZET Enerji, günlük hayatımızda bireysel kullandığımız cihazlardan büyük ölçekli üretim yapılan fabrikalara kadar her alanda karşılaştığımız bir kavramdır. Günümüzde modern yaşamın önemli bir göstergesi enerjidir. Enerjinin temin edilmesinde başlıca kaynaklar ise kömür, petrol, gaz gibi fosil yakıtlardır. Bu yakıtların rezervi dünyada oldukça azalmıştır. Ayrıca çevresel kirliliğe neden olurlar ve her ülkede bulunmazlar. Buna benzer olumsuz özeliklerini arttırmak mümkün olduğundan dünyada yenilenebilir enerjiye karşı ilgi her geçen artarak devam etmektedir. Bu tür enerji kaynaklarının içinde ise en ilgi çekeni güneş enerjisidir. Güneş enerjisi konusunda özellikle Avrupa da uzun yıllar süren çalışmalar ve bu çalışmalar sonucunda kurulan enerji üretim altyapıları incelemeye değer bulunmuştur. Bu makalede Avrupa nın güneş enerjisi konusunda lider ülkeleri Almanya, İspanya ve Portekiz in yanı sıra devlet destekleri ile yeni yatırımların hızlı bir şekilde artış gösterdiği Türkiye de güneş enerjisinin mevcut durumu incelenmiştir. Bu incelemede özellikle fotovoltaik (PV), güneş enerjili su ısıtıcıları, konsantre güneş enerji sistemleri, güneş bacaları alanlarında yapılan çalışmalar, bu ülkelerdeki mevcut altyapı ve imkânlar karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. İlgili yazar. Tel: +90 (376) 218 11 23-5078 e-mail adresi: biray@karatekin.edu.tr 1
1. GİRİŞ Enerji günümüz insanı için vazgeçilmez bir ihtiyaçtır. İnsanoğlunun tarih içinde enerji kullanım miktarı sürekli olarak artmıştır. Kullanımın artmasıyla ekonomik ve sosyal gelişim seviyesi de yükselmiştir. Dünyada enerji ihtiyacı öncelikli olarak petrol, kömür, doğal gaz gibi fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Bu tür yakıtların kullanımı sonucu karbondioksit, kükürtdioksit, azotoksit vb. zararlı gazlar atmosfere salınmakta, çevresel kirliliklere sebebiyet vermektedir. Özellikle karbondioksit gibi gazlar nedeni ile sera etkisi oluşmaktadır. Bunun sonucu olarak dünyanın iklimi değişmekte, bu iklim değişiklikleri ardından başka problemler meydana getirmektedir. Yaygın olarak kullanılan diğer bir enerji kaynağı hidroelektrik santrallerdir. Bu yolla elde edilen enerji, yenilenebilir enerji sınıfındadır. Ancak temiz bir enerji kaynağı olmasına rağmen hidroelektrik enerji üretiminin tarım arazilerinin sular altında kalması, bazı biyolojik çeşitliliğin ve tarihi- kültürel miraslarının yok olması gibi istenmeyen sonuçları vardır. Dünyada her ülkenin sahip olmadığı farklı bir enerji türü de nükleer enerjidir. Teorik kurallara uyulması şartı ile temiz ve güvenli olabilecek bu enerji türü, özellikle insan kaynaklı hatalardan dolayı, çok tehlikeli olabilir. Ülkeler enerji kaynaklarının çeşitli olmasını arzu ederler. Aynı zamanda bu kaynakların sürekli, ucuz, insanlığa ve çevreye zararının olmaması gerekir. Sonuç olarak, dünyada yukarıda belirtilen problemlere neden olmayan güneş, rüzgâr, jeotermal gibi farklı enerji türlerine yönelme ihtiyacı hissedilmiştir. Bu makalede dünyadaki mevcut enerji çeşitliliği hakkında verilen kısa bir bilgiden sonra, özellikle Türkiye, İspanya, Almanya ve Portekiz de güneş enerjisinden yararlanma durumu ile ilgili özet bilgiler verilecektir. 2. DÜNYADAKİ ENERJİ KAYNAKLARI Enerji kaynakları yenilenebilir ve yenilenemez olarak ikiye ayrılır. Yenilenemez enerji kaynakları da fosil ve nükleer olarak yine ikiye ayrılır. Dünyada en çok tüketilen enerji kaynaklarının başında fosil yakıtlar gelmektedir. 2013 yılı itibariyle kullanılma oranı % 87 olan bu yakıtlar, başlıca petrol, kömür ve doğal gaz olarak sınıflandırılabilir (Şekil 1): Petrol: Dünyadaki petrol ve doğal gaz rezervlerinin yaklaşık % 72 lik bölümü Hazar, Orta Asya ve Orta Doğu ülkelerinde bulunmaktadır. Dünyadaki rezerv ömrünün 50 yıl olduğu tahmin edilmektedir. Türkiye yakın coğrafyasında hatırı sayılır rezerv olmasına rağmen, petrolde % 93 oranında dışa bağımlıdır. Türkiye nin petrol rezervi yaklaşık olarak 262 milyon varil (MMbbl) olarak tahmin edilmektedir. Almanya nın rezervi, 276 MMbbl ve İspanya nın ise 150 MMbbl dir. Üretim miktarları Türkiye de 52,980 varil/gün (bbl/gün), Almanya da 156,800 bbl/ gün, İspanya da 27,230 bbl/ gün ve Portekiz de 4,721 bbl/ gün dür [1,2]. Kömür: Dünyada kullanılan başlıca yakıt türlerinden birisi de kömürdür. Kömür üretimi son otuz yılda yaklaşık iki katına çıkmıştır. Kömür düşük kalorili (Linyit) ve yüksek kalorili (Taşkömürü) olarak ikiye ayrılır. Dört ülke içinde Almanya nın rezervi en yüksektir ve 196,2 milyon tona karşılık gelir. Türkiye nin rezervi 72,0 milyon ton, İspanya nın ki 6,2 milyon 2
tondur. Portekizin kömür kapasitesi ise sadece 3 milyon tondur. Türkiye nin taşkömürü rezervine göre linyit rezervi oranı daha yüksektir. Türkiye linyit rezervi, dünya linyit rezervinin yaklaşık % 1,6 sına karşılık gelmektedir. Bu kömür çeşidi daha çok termik santrallerde kullanılmaktadır [3,4]. Doğal Gaz: Dünyanın en büyük doğalgaz üreticileri denilince akla ilk önce Cezayir, Katar, İran, Bağımsız Devletler Topluluğu, Hollanda, Çin, ABD, Kanada gibi ülkeler gelir. Petrolde olduğu gibi dünyadaki doğal gaz rezervlerinin yaklaşık % 72 lik bölümü Hazar, Orta Asya, Orta Doğu ülkelerinde bulunmaktadır. Dünyadaki rezerv ömrünün 60 70 yıl olduğu tahmin edilmektedir. Türkiye doğal gazda 6.088.000.000 m 3 rezerve sahiptir olmasına rağmen, % 98 oranında dışa bağımlı durumdadır. Almanya nın rezervi 175.600.000.000 m 3, İspanya nınki 2.548.000.000 dür. Bunlara ilaveten, Almanya 9.000.000.000 m 3, Türkiye 632.000.000 m 3, İspanya 61.000.000 m 3 ve Portekiz 4.904.000.000 m 3 üretim kapasitesine sahiptir [5,6]. Şekil 1. Kaynaklar Bazında Dünya Birincil Enerji Tüketimi (2013) [7] Nükleer Enerji: Enerjide arzu edilen kriterlerin başında sürekli, temiz ve ucuz olmasının geldiğini yukarıda belirtmiştik. Bu kriterleri, fosil yakıtlar sağlamamaktadır. Nükleer enerji uzun ömürlü bir enerjidir. Uranyum gibi radyoaktif elementlerin bozumu sonucu elde edilir. Karbon salınımı olmaz ve bu santrallerden elde edilen elektrik ucuza mal olur. Bu nedenle dünyada 31 ülkede 437 ünite ile elektrik üretimi nükleer santrallerden elde etmektedir. Örneğin elektriğin Fransa da % 75 i, ABD de % 20 si ve Japonya da % 29 u nükleer santrallerden sağlanmaktadır. Yine Almanya elektrik üretiminin % 15,4 ünü, İspanya ise % 21 ini nükleer santrallerden elde etmektedir. Portekiz de ticari olmayan araştırma amacıyla kullanılan bir adet nükleer santral mevcuttur. Türkiye nin ise mevcut nükleer santrali yoktur [8, 9, 10]. Nükleer enerji, avantajlarına rağmen özellikle insandan ve doğal felaketlerden kaynaklanan kaza riski (Çernobil ve Fukuşima gibi), nükleer atıkların uzun süreli etkileri gibi sebeplerden dolayı halk arasında endişeyle karşılanmaktadır. 3
Yukarıda anlatılan enerji türlerinin dezavantajlarından dolayı, kullanım açısından yeni fakat doğada mevcut, enerji türlerine yönelim başlamıştır. Bu enerji türleri, teknolojik yetersizliklerden ve yatırım maliyetinin yüksek oluşundan dolayı bugüne kadar fazla kullanamadığımız kaynaklardır. Dünya var olduğu müddetçe tükenmez oluşundan dolayı, yenilenebilir enerji türü olarak adlandırılmıştır. Başlıca yenilenebilir enerji türleri: Rüzgâr Enerjisi, Biokütle Enerjisi, Jeotermal Enerji, Hidrojen Enerjisi, Su Kökenli Enerjiler ve Güneş Enerjisi olarak sıralanabilir. Tablo 1 de görüldüğü gibi, yenilenebilir enerjiler çevreye etkileri bakımından da en avantajlı enerji türleridir. Bunlar içerisinden en avantajlısı ise güneş enerjisidir. Tablo 1. Enerji Üretim Sistemlerinin Çevresel Etkileri [11] İklim Değişikliği Asit Yağmur u Su Kirliliği Toprak Kirliliği Gürültü Radyasyon Petrol X X X X X - Kömür X X X X X X - X Doğalgaz X X X - X - X X Nükleer - - X X - X - Hidrolik X - X X - - Rüzgâr - - - - X - Güneş - - - - - - Jeotermal - - X X - - Enerji politikalarını oluşturuluken dikkat edilen başka parametreler kaynağın ömrü, yatırım ve üretim maliyeti olarak sıralanabilir. Tablo 2 incelendiğinde yenilenebilir enerjinin gerekliliği ortadadır. Tablo 2. Enerji Kaynaklarının Karşılaştırılması [11] Dışsal/ Yerel Kalan Ömür (yıl) İstihdam (kişi/ yıl.twh) Yatırım Maliyeti ($/KWh) Üretim Maliyeti (cent/kwh) Petrol Dış 40-45 260 1.500-2.000 5,0-6,0 Kömür Yerel/Dış 200-250 370 1.400-1.600 2,5-3,0 Doğalgaz Dış 60-70 250 600-700 3,0-3,5 Nükleer Dış - 75 3.000-4.000 7,5-12,0 Hidrolik Yerel - 250 750-1.200 0,5-2,0 Rüzgâr Yerel - 918 1.200-1.500 3,5-4,5 Güneş Yerel - 7600 Yüksek 10,0-20,0 Jeotermal Yerel - 1.500-2.000 3,0-4,0 (Enerji üretim maliyetlerine çevresel maliyetler dâhil değildir) 4
Potansiyeline bağlı olarak dünyanın farklı bölgeleri için enerji kaynaklarının üretimi ve tüketimi farklılık arz etmesine rağmen bu ihtiyaç büyük oranda fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Türkiye nin elektrik üretiminde mevcut enerji kaynakları Şekil 2 de gösterilmektedir. Türkiye jeotermal, rüzgâr ve güneş enerjisi bakımından zengin enerji kaynaklarına sahip olmasına rağmen, bu ihtiyaç ile birlikte yenilenebilir enerji tüketiminin, toplam içindeki payı ancak % 28,4 seviyesindedir. Şekilden de anlaşıldığı gibi bu rakamın hatırı sayılır kısmı hidrolik enerjinden kaynaklanmaktadır (% 24,8). Tüketimin geri kalanı fosil yakıtlardandır ki bu oldukça yüksek bir orandır. Türkiye bu tür yakıtlarda büyük oranda dışa bağımlıdır. Bu ise Türkiye ekonomisine büyük bir yüktür. Şekil 2. Ülkelerin Elektrik Üretim kaynakları (2013) [12-15] Almanya, İspanya ve Portekiz in enerji kaynakları yine Şekil 2 de görülmektedir. Şekillerden anlaşıldığı gibi Almanya nın yenilenebilir enerji kaynaklarından elde ettiği enerji 2013 yılı sonu itibari ile toplam enerjinin % 23,9 unu oluşturmaktadır. Fakat 2014 yılı sonu ile bu oranın çok daha yükselmesi beklenmektedir. Çünkü 9 Mayıs 2014 de Almanya elektrik ihtiyacının yaklaşık yüzde 75 ini yenilenebilir kaynaklardan elde ederek rekor kırmıştır [16]. Bu kaynaklar ağırlıklı olarak rüzgâr ve güneş enerjisidir. İspanya nın ise 5
toplam enerjisinin % 42,4 ve Portekiz in toplam enerjisinin % 58 ini yenilenebilir enerji oluşturmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en büyük dezavantajı yatırım maliyetinin yüksek oluşudur. Fakat bu enerjilerin sürekli oluşu bahsedilen maliyeti fazlasıyla telafi etmeye yeterlidir. Ayrıca teknolojinin gelişmesi ile beraber üretim maliyeti yıllara bağlı olarak düşmektedir. Şekil 3 de görüldüğü gibi daha da düşmesi beklenmektedir. Şekil 3. Yenilenebilir enerji teknoloji maliyetlerinin yıllar itibariyle değişimi [17] 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş enerjisinin kaynağı, güneşte meydan gelen füzyon tepkimesidir. Bunun sonucunda etrafına, homojen olarak ısı ve ışık yayar. Güneşten dünyaya gelen enerji miktarı 174 petawatt (174 milyon MW) civarındadır. Bu enerji miktarının 122 PW lık kısmı deniz kara ve atmosfer tarafından emilir. Geri kalan kısmı bulutlar, atmosfer ve dünya yüzeyinden yansır. Dünya yüzeyinden yansıma az iken emilme oranı yüksektir (7 PW a karşılık 89 PW). Yine atmosferde yansıma oranı emilme oranından küçüktür (10 PW a karşılık 33 PW). Bulutlardan yansıma miktarı ise 35 PW a karşılık gelmektedir. Bir diğer ifade ile dünya yüzeyine düşen ortalama güneş enerjisi yaklaşık 1.000 Watt/m 2 dir. Böyle bir enerji dünyamızın bir yıllık enerji ihtiyacını karşılamak için kâfi bir miktardır. Çünkü bilinen fosil yakıt potansiyelinin 160 katıdır. Ayrıca bu rakam, yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden 15.000 kat kadar daha fazladır. Bu değerlerle güneş cazip bir enerji kaynağı olarak dikkat çekmektedir. Eğer havada bulut var ise bahsi geçen değerler doğal olarak düşecektir [18]. 3.1. Türkiye, Almanya İspanya ve Portekiz in Güneş Enerjisi Potansiyeli Avrupa ülkelerinden Portekiz ve İspanya Şekil 4 de görüldüğü gibi, güneş ışığına maruz kalma açısından, Türkiye ile yaklaşık aynı kuşakta yer almaktadır. Almanya bu konuda, diğer ülkelere nazaran güneş ışığından daha az istifade etmektedir. 6
Türkiye güneş enerjisi potansiyeli bakımından 42. ve 36. paralelel arasında şanslı bir konumdadır. Devlet Meteoroloji işleri Genel Müdürlüğü (DMİ) ve EİE nin ortak çalışmasına göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2.640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ısınım şiddeti 1.311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m²) olarak belirlenmiştir [19,20]. Bu veriler Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM) nün yaptığı çalışmayla da teyit edilmiştir. Bu rakamlar Türkiye nin yüksek güneşlenme süresi ve yüksek ışınıma sahip olduğunu göstermektedir [21]. Şekil 4. Avrupa Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası (SolarGIS 2014 GeoModel Solar) Türkiye nin yıllık enerji üretimi 100 milyon MW civarındadır. Güneşten dünyaya gelen güneş enerjisi saniyede yaklaşık 170 milyon MW enerji olarak ifade edilmişti, o halde bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi ile Türkiye nin enerji üretimini karşılaştırırsak, Türkiye nin enerji üretimin 1.700 katı olduğu görülür. Şekil 5. Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası (SolarGIS 2014 GeoModel Solar) 7
Türkiye nin coğrafi yapısından dolayı bölgeleri farklı güneşlenme potansiyeline sahiptir. Tablo 3 de Türkiye nin bölgeleri için, toplam ortalama güneş enerjisi yoğunluğu ve ortalama güneşlenme süreleri verilmektedir. Şekil 5 ve Tablo 3 incelendiğinde Türkiye nin en fazla güneşlenme potansiyeline sahip bölgelerinin sırası ile Güneydoğu Anadolu Bölgesi ve Akdeniz Bölgesi olduğu görülmektedir. En az potansiyele sahip olan bölgesi ise Karadeniz Bölgesi dir. Tablo 3. Türkiye nin bölgeler bazında ortalama güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri Bölge Toplam Ortalama Ortalama Güneşlenme Güneş Enerjisi (kwh/m 2 ) Süresi (saat/yıl) Güneydoğu Anadolu 1.460 2.993 Akdeniz 1.390 2.956 Doğu Anadolu 1.365 2.664 İç Anadolu 1.314 2.628 Ege 1.304 2.738 Marmara 1.168 2.409 Karadeniz 1.120 1.971 [Kaynak: YEGM] Türkiye nin gördüğü güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri aylara göre incelendiğinde en yüksek değerlerin Haziran, Temmuz ve Ağustos aylarının olduğu belirlenmiştir. En az olduğu ay ise aralık ayıdır. Türkiye yaklaşık 7-8 ayını güneşli olarak geçiren bir ülkedir. Türkiye nin ortalama toplam ışınım şiddeti ise 1.311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m²), toplam güneşlenme süresi ise 2640 saat olduğu bulunmuştur. Bu rakam yılda 110 güne tekabül eder ki bu değer oldukça iyi bir değerdir [22]. Yukardaki verilere dayanarak ve EİE raporlarına göre, Türkiye de yılın on ayı boyunca toplam ülke yüzölçümünün % 63'ünde ve tüm yıl boyunca da % 17'sinde güneş enerjisinden istifade edilebilir. EİE tarafından yapılan çalışmaya göre, güneşlenme süresi metrekare başına yıllık 1.650 kwh den fazla olan santral kurulabilmeye uygun toplam 4.600 km 2 lik alanın olduğu hesaplanmıştır. Bu değerleri kullanarak Türkiye nin termik güneş enerjisi potansiyeli yılda 380 Milyar kw/h olarak bulunmuştur. Şekil 5 de görüldüğü gibi güneş enerjisi potansiyeli ülkemizin en az enerji alan kuzey bölgeleri için 1.400 kwh/m 2 -yıl iken, güney bölgelerimiz için en fazla 2.000 kwh/m 2 -yıl dır. Yukarıda da belirtildiği gibi, Portekiz ve İspanya, Türkiye ile aynı güneşlenme kuşağında yer aldığı için güneşlenme değerleri İspanya nın Türkiye den ortalama olarak biraz fazla, Portekiz inki biraz az, fakat Türkiye ile hemen hemen aynıdır [23]. Şekil 6 da bu ülkelerin ışınlanma şiddetleri gösterilmektedir. Bu ülkelerde de kuzey kısmının güneye göre güneş ışınlarından istifade etme oranı düşüktür. 8
Şekil 6. İspanya, Portekiz ve Almanya Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası (SolarGIS 2014 GeoModel Solar) Aynı şekilde Almanya nın güneş ışınlarına maruz kalma durumuna göre oluşturulmuş grafiği de görmek mümkündür. Almanya coğrafi konumu Türkiye, İspanya ve Portekiz in daha kuzeyinde olduğu için doğal olarak güneş ışınlarına daha az maruz kalmaktadır. Almanya yaklaşık olarak 4-5 ayını güneşli olarak geçiren bir ülkedir. 2013 verilerine göre Almanya da fotovoltaik hücreler kullanılarak yapılan elektrik üretimi 5,1 TWh olarak temmuz ayında, en düşük üretim ise 0,35 TWh olarak ocak ayında gerçekleşmiştir (Şekil 7). 9
Şekil 7. Almanya Aylık Güneş Enerjisi Üretimi (2013) [24] Ülkelerin güneş ışığı potansiyeli iki farklı değerle gösterilebilir. Bunlardan birincisi, GHI (Global Horizontal Irradiation ) güneş ışınlarının yeryüzünde yansıdıktan sonra ve doğrudan güneşten gelen ışın değerlerinin toplamını, diğeri DNI (Direct Normal Irradiation) yani doğrudan güneşten gelen ışın değerini vermektedir. Tablo 4 ve Tablo 5 de bahsi geçen dört ülkenin GHI ve DNI değerleri karşılaştırılmaktadır. Tablo 4. Ülke başına yıllık GHI potansiyeli [kwh/m 2 ] [25] En düşük En Yüksek Fark Ortalama İspanya 1040 2105 1065 1659 Türkiye 1026 1907 881 1661 Portekiz 1304 1872 568 1632 Y Almanya 934 1224 290 1066 Tablo 5. Ülke başına yıllık DNI potansiyeli [kwh/m 2 ] [25] En düşük En Yüksek Fark Ortalama İspanya 707 2242 1535 1762 Türkiye 631 2153 1522 1632 Portekiz 864 2105 1241 1743 Y Almanya 616 1221 605 921 Almanya nın GHI ve DNI değerleri diğer üç ülkeye göre düşük olmasına rağmen, aşağıda da tartışacağımız gibi güneş enerjisinden en fazla istifade eden ülkelerin başında gelmektedir. 3.2. Güneş Enerjisi Uygulamaları Güneş enerjisinin potansiyel olarak, diğer enerji kaynaklarına göre çok fazla olmasına rağmen, ondan istifade etmek o kadar kolay değildir, teknolojiye ihtiyaç vardır. Güneş enerjisinden istifade etmek için başlıca dört yöntem: 10
Güneş Pilleri Güneş Enerjili Su Isıtıcıları Konsantre Güneş Enerji Sistemleri Güneş Bacaları şeklinde sıralanabilir. 3.2.1. Güneş Pilleri Güneş ışığını doğrudan elektriğe çeviren yarı iletken malzemeler içeren fotovoltaik pillerdir. Oluşan akım DC akımdır. Güneş panellerinden azami verim alabilmek için güneş ışığını çok iyi gören yerlere konulması gerekir. Bu tür cihazların, elektrik kaynağı olan diğer cihazlara göre avantajlarının başında, modüler yapıda olmaları gelir. Uygun, güneş alan her yere monte edilebilir, istenildiği zaman sökülebilir. Fosil yakıtla çalışan sistemler ve hidroelektrik santraller için bu durum doğal olarak mümkün değildir. Güneş kaynak olduğu için yakıt maliyeti yoktur. Fakat özellikle fosil kaynaklar için mutlaka para harcanması gerekir. Bu sistemlerde hareketli parça yoktur. Bu nedenle neredeyse hiç bakım ve tamir gerektirmezler. Elektrik üretirken atık oluşturmazlar. Dolayısı ile çevre kirliliği oluşturmazlar. Bu şekilde avantajlarını devam ettirebiliriz. Fakat yarıiletken malzemelerden üretilen güneş pillerinin en büyük dezavantajları ilk yatırım maliyetlerinin yüksek ve verimlerinin düşük olmasıdır. Bu problemin üstesinden gelmek için günümüzde üniversiteler ve araştırma merkezlerinde ciddi çalışmalar yapılmaktadır. Diğer bir dezavantajı da güneş ışının olmadığı zamanlarda (gece) kullanılamamasıdır. Bu problemi aşmak için enerjinin akümülatörde depolanması lazımdır. Son yıllarda, dünyada fotovoltaik pillere karşı ilgi artmaktadır ve Şekil 8 de görüldüğü gibi kaynağına göre, güneş enerjisi üretiminin yıllara göre değişimi oldukça dikkat çekicidir [26]. Şekil 8. Küresel PV Kapasitesi, 1996 2012 [26] Dünyada PV sektöründeki gelişmede kuşkusuz en büyük pay Şekil 9 da belirtildiği gibi, Avrupa ya, Avrupa da ise % 32 lik oranla Almanya ya aittir. Tablo 6 da ise ülkelerin PV kurulum miktarları ve kurulu kapasite değerleri verilmektedir. Şekil 9 u Tablo 6 yi birlikte değerlendirdiğimiz zaman Almanya nın PV alanında dünya lideri olduğu görülmektedir. İspanya da PV kapasitesi bakımından, % 5,1 lik oranla ve Tablo 6 deki değerlerle dünyada ve 11
Avrupa da lider ülkelerden birisidir. Bu tablodaki değerlere bakınca Türkiye nin PV alanında daha başlangıç aşamasında olduğu görülmektedir. Portekiz için kaydedilen değerler ise Almanya ve İspanya nın gerisinde olmasına rağmen Türkiye ye göre oldukça iyidir. DÜNYA TOPLAMI = 100 GW Şekil 9. PV kurulu gücünde ilk 10 ülkenin oranları (2012) [26] Tablo 6. Ülkelere göre 2012 yılı PV kurulumu ve 2012 yılı itibariyle kurulu güç verileri [27] Ülke 2012 deki Son Elektrik Tüketimi (GWh) Kurulu PV Kapasitesi (31.12.2012) (MW) 2012 deki PV kurulumu (MW) 12 2012 de kurulu kapasite ile teorik PV Üretimi (GWh) Elektrik tüketimine PV katkısı (%) Avustralya 229.000 2.400 1.000 2.800 1,23% Avusturya 68.500 412 230 400 0,58% Belçika 87.000 2.567 599 2.195 2,52% Kanada 504.800 765 268 860 0,17% Çin 4.693.000 7.000 3.510 6.678 0,14% Danimarka 34.500 327 316 280 0,81% Fransa 479.000 4.003 1.079 3.750 0,78% Almanya 544.000 32.411 7.604 30.300 5,57% İsrail 45.600 237 43 310 0,68% İtalya 335.000 16.250 3.337 19.150 5,75% Japonya 859.700 7.000 2.000 6.600 0,77% Kore 455.100 981 252 920 0,20% Malezya 95.000 25 22 34 0,04% Meksika 203.800 52 15 83 0,04% Hollanda 118.000 256 125 220 0,19% Norveç 122.000 9 0 7 0,01% Portekiz 50.500 223 66 310 0,61% İspanya 255.000 5.100 223 7.115 2,79% İsveç 139.000 24 8 19 0,01% İsviçre 58.000 410 200 370 0,64% Türkiye 242.000 9 2 10 0,01% İngiltere 329.000 1.830 1.000 1.600 0,49% ABD 3.889.000 7.221 3.313 9.750 0,25%
Tablo 6. Ülkelere göre 2012 yılı PV kurulumu ve 2012 yılı itibariyle kurulu güç verileri (Devamı) Ülke 2012 deki Son Elektrik Tüketimi (GWh) Kurulu PV Kapasitesi (31.12.2012) (MW) 2012 deki PV kurulumu (MW) 2012 de kurulu kapasite ile teorik PV Üretimi (GWh) Elektrik tüketimine PV katkısı (%) Bulgaristan 33.380 908 767 1015 3,05% Çek 63.000 2.085 113 1.930 3,07% Cumhuriyeti Yunanistan 53.000 1.536 912 1.850 3,50% Hindistan 637.600 1.205 980 2.115 0,33% Slovakya 27.000 523 15 480 1,79% Tayland 131.900 360 210 530 0,40% Ukrayna 134.000 373 188 410 0,31% Avrupa Fotovoltaik Endüstrisi Birliği nin (EPIA) verilerine göre, 2013 yılında da dünyada PV alanında artış devam etmesine rağmen, oran olarak Şekil 10 da görüldüğü gibi, Almanya için bir önceki yıllara göre gerileme söz konusudur. 2013 yılında Almanya da 3.300 MW lık PV tesisi kurmasına rağmen, bir önceki yıl 7.600 MW lık tesisle dünya rekoru kırmıştı. Bu düşüşün en büyük sebeblerinden biri Eylül 2012 yılından itibaren Almanya, boyutu 10 MW üzerindeki tesisler için FİT uygulamasını terk etti. İkinci nedenide önceki yıllarda kurulan büyük tesislerdir. Dünya genelinde 2013 yılında kurulan tesis 37 GW, toplamda ise 137 GW civarında olmuştur. Tablo 7 değerlerine göre Almanya nın 2013 yılı sonu itibari ile kurulu toplam PV sistem sayısı 1,4 milyon, toplam PV kapasitesi 35.700 MW ve PV sistemleri ile güç üretimi ise 29.700 GW tır. Ülke elektrik tüketiminin yaklaşık % 5 ini PV den yapmaktadır. PV tesislerinin yanında Almanya dünya piyasında da şirketleri ile oldukça etkin konumdadır. Almanya nın teşvik miktarı ise 2013 yılına göre 0,268 Eur/kWh dır [28]. Şekil 10. Almanya nın yıllara göre PV kurulumu ve toplam kurulu kapasitesi (MW) [29] 13
Tablo 7. Almanya da PV (güneş enerjisi) endüstrisi 2013 yılsonu itibarıyla (yaklaşık) [30] 2013 yılında Almanya da kurulan yeni PV kapasitesi 3.300 MWp 2013 yılında Almanya da kurulan toplam PV kapasitesi 35.700 MWp 2013 yılında PV yoluyla üretilen güç 29.700 GWh 2013 sonu itibarıyla kurulu toplam PV ünitesi sayısı 1,4 million Almanya toplam güç tüketimi içerisinde PV oranı 5% / 10% (2013/2020) 2013 yılı için PV teknolojisi alanındaki toplam 50.000-65.000 istihdam sayısı Güneş pili, modülü ve diğer bileşenlerini üreten PV şirketi sayısı (kurulum ve temin şirketleri dâhil) 5.000 200 Yukarıda İspanya nın 2012 verilerine göre dünyada % 5,1 oranla, PV alanında dünya liderlerinden biri olduğunu belirtmiştik. Bu ülkenin toplam kurulu kapasitesi 4,2 GW dır. Bu alanda İtalya nın ardından Avrupa nın üçüncü büyük ülkesidir. 2012 verilerine göre, Elektrik ihtiyacının % 4,5 ini PV den sağlamaktadır. İspanya nın PV alanında tarihsel gelişimi oldukça ilginçtir. 1999 yılında 2006 yılına gelinceye kadar durağan sayılabilecek gelişime sahiptir. Şekil 11. İspanya nın yıllara göre PV kurulumu ve toplam kurulu kapasitesi (MW) [31] Şekil 11 de görüldüğü gibi, İspanya da özelikle 2008 yılında güneş enerjisi konusunda ciddi bir kurulum gerçekleştirmiş, PV piyasasında Avrupa nın en büyüğü olmuştur. Fakat ertesi yıl tam bir hayal kırıklığı yaşanmıştır. 2008 yılında 2.708 MW lık olarak gerçekleştirilen kurulumdan sonra 2009 yılında sadece 69 MW kurulum yapılmıştır. Bu durumun altında yatan sebep ise 2007 2008 yıllarında yüksek vergi teşvik tarifesi (FIT) uygulanmasıdır. 2007 yılında uygulanan kilowatt-saati 58 cent olarak verilen teşvikle birlikte, özellikle İspanya nın Puertollano şehrine yatırım için akına sebep olmuştur. Burada bu alanla ilgili fabrikalar yapılarak, birçok araziye PV tesisleri kurulmuştur. İspanya nın 2010 yılı hedefi 400 MW olmasına rağmen, 2008 yılında 2.708 MW yani 2010 yılı hedefinin beş misli üretim gerçekleştirilmiştir. Bu gelişmeler olumlu gibi gözükmesine rağmen kurulan tesislerin 14
çoğunluğundaki kalite sorunu gözden kaçırılmıştır. İspanya hükümeti bu durumun kârdan ziyade zarar getirdiğini düşünerek verilen teşviklerde düzenlemeye gitmiştir. Bunlardan birincisi kendi içinde ikiye ayrılmak üzere iki farklı tarife uygulanmıştır: 1. Çatı ve benzeri yüzeylere kurulan tesisler (20 kw dan küçük ve büyük elektrik üretme kapasitesine sahip) ve 2. Özellikle sahada kurulum PV tesisleri. Bunlara verilen teşvikler sırası ile 0,34 Eur/kWh, 0,32 Eur/kWh ve 0,28 Eur/kWh dır. Bu teşvikler sonucu sonraki yıl birçok işletme kapanmak zorunda kalmıştır. Sadece ciddi şirketlerin ayakta kalabildiği bu durumda İspanya nın makul hedefine ulaşılmıştır. Bugün İspanya elektrik tüketiminin yaklaşık olarak % 3 ünü PV den sağlamaktadır [32]. Portekiz yüksek güneşlenme oranına sahip olmasına rağmen, PV alanında genişlemesi Almanya ve İspanya ile kıyaslandığı zaman oldukça yavaştır. Portekiz in yıllara göre kapasite değişimi Şekil 14 de verilmiştir. 2005 yılı itibari ile toplam PV kapasitesi 3 MWp iken, 2013 yılsonu itibari ile bu sayı 277,9 MWp olmuştur. Portekiz de PV denilince akla gelen ilk tesis Serpa Solar Power Plant tir. Yapımına 2006 da başlanmış, 2007 de tamamlanmıştır. 11 MW kapasitesindedir [33-35]. Bir diğer PV tesisi Moura Photovoltaic Power Station veya diğer ismiyle Amareleja Photovoltaic Power Station dur. İlk aşaması 2008 de ikinci aşaması 2010 yılında tamamlanmıştır. Şubat 2014 de ise Coruche de yıllık 170 MWh enerji üreten PV tesisi yapılmıştır [36,37]. Şekil 12. Portekiz in yıllara göre PV kurulumu ve toplam kurulu kapasitesi (MW) [38] Şekil 12 incelendiğinde Portekiz in PV alanında özellikle 2009 yılında gelişme gösterdiği görülmektedir. Daha sonra bu gelişme düzenli olarak artmış 2013 yılı sonu itibarı ile 277,9 MW a ulaşmıştır. Tablo 8 de ise Portekiz in PV ve Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) için uyguladığı teşvikler ve kanunlaştığı yıl verilmektedir. 15
Tablo 8. Portekizde tarife garantisi (FIT) [38] Sektör Teknoloji Tarife Yıl Elektrik PV PV için tarife garantisi (FIT) (0,31 den 0,45 e Eur/kWh) 2007 Elektrik CSP CSP için tarife garantisi (FIT) (10 MW a kadar) (0,263-0,273 Eur/kWh) 2005 Türkiye de ise yenilenebilir enerjiye destek konusu oldukça yenidir. İlk defa 2005 yılında destek verilmeye başlanmıştır. Konunun kısa tarihsel gelişimi Tablo 9 da, verilen teşvikler ise Tablo 10 da verilmektedir. Eğer Türk Malı damgalı ürünler kullanılıyorsa teşvik 0,067 USD (0.052 EUR) daha artmaktadır. Ayrıca, bir Türk vatandaşı şirket sahibi olmadan ve lisans almadan, 1000 kw a kadar kendi elektriğini üretme hakkına sahiptir. Tablo 9. Türkiye Güneş Enerjisi Sektörüne Kısa Bir Bakış [39] 10 Mayıs 2005 5346 sayılı yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanımına ilişkin kanun 08 Ocak 2011 Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanımına ilişkin kanunda değişiklik yapılmasına dair kanun 19 Haziran 2011 Güneş enerjisine dayalı elektrik üretim tesisleri hakkında yönetmelik 19 Haziran 2011 Yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üreten tesislerde kullanılan aksamın yurt içinde imalatı hakkında yönetmelik 11 Ağustos 2011 Güneş enerjisine dayalı üretim tesislerinin bağlanabilecek TM (trtafo merkezi) kapasitelerine ilişkin duyuru 22 Şubat 2012 Rüzgâr ve güneş enerjisine dayalı lisans başvurularına ilişkin ölçüm standardı tebliği 10 Mart 2012 Elektrik piyasasında lisanssız elektrik üretimine ilişkin yönetmeliğin uygulanmasına dair tebliği 31 Mart 2012 Rüzgâr ve güneş enerjisine dayalı lisans başvurularına ilişkin ölçüm standardı tebliğinde değişiklik yapılmasına ilişkin tebliğ Tablo 10. Yerli güneş paneli üretimi yerli teşvik [39] Yurtiçi Yurtdışı % Cam X 20 Çerçeve X 15 Tedlar X 25 Eva X 20 Bağlantı Kutusu X 20 1,3$/Cent(0.10 Eur/kWh) 16
Şekil 13. Türkiye nin yıllara göre PV kurulumu ve toplam kurulu kapasitesi (MW) [39] Şekil 13 de ise yıllara göre Türkiye deki tahmini PV kurulumu kapasitesi gösterilmektedir. 2014 verilerine göre ise Türkiye nin PV potansiyeli 988,17 kwp olarak hesaplanmıştır. Bu potansiyelin bir kısmı şebekeye bağlı, bir kısmı ise şebekeye bağlı olmayan sistemlerden oluşur. Bu rakamlar bazı özel şirketlerin, üniversitelerin ve TC Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı nın kurmuş olduğu sistemlerin toplamıdır [39,40]. Güneş pili kullanımı, özellikle yerleşim yerlerine uzak elektrik şebekesinin gitmesinin zor olduğu, jeneratörle elektrik elde etmenin pahalı olduğu durumlarda ilk akla gelen metottur. Bu nedenle, Türkiye de kullanıldığı bazı yerler telekomünikasyon istasyonları, Orman Genel Müdürlüğü yangın gözetleme istasyonları, deniz fenerleri ve otoyol aydınlatması, Karayolları imdat telefonları, erken uyarı sistemleri, EIE demonstrasyon uygulamaları ve çeşitli araştırma kurumları olarak sıralanabilir. Dünyada gelişmiş ülkelerde kullanım oranı daha geniştir. Evlerin çatılarına ve kamu binalarına yerleştirilen güneş panellerinden elektrik üretilmektedir. Bu sistemler aynı zamanda şehir şebekelerine de bağlıdır. Bu nedenle güneşin yeterli olmadığı zaman şebekeden elektrik alınmakta, elektrik fazlalığı durumunda şebekeye elektrik verilmektedir. Ayrıca bu sistemler, cadde, park, otoyol, tünel gibi yerlerin aydınlatması; haberleşme cihazları, uyarı ve sinyalizasyon sistemleri, meteoroloji aletleri ve yaygın bir şekilde su pompa sistemleri için kullanılmaktadır. 3.2.2. Güneş Enerjili Su Isıtıcıları Bu sistemlerle güneş paneli yardımı ile güneş enerjisinden sıcak su elde edilmesi sağlanır. Sistem genel hatları ile basittir; güneş paneli, su deposu ve tesisattan oluşur. Temel olarak, su kollektörü ve hava kollektörü şeklinde ikiye ayrılır. 17
Su kollektörü ; Düz levha kollektör (FPC), Vakumlanmış tüp kollektör (ETC) Sırlanmamış su kollektörü olarak üçe, hava kollektörü ise; Sırlı Sırlanmamış olarak ikiye ayrılır. Türkiye de genellikle düz levha (FPC), ve vakumlanmış tüp (ETC) tipi su kollektörleri yaygın olarak bulunmaktadır. Bu alanda dünya liderlerinden biridir. Şekil 14 ve Tablo 11 de görüldüğü gibi, Türkiye bu alanda Çin den sonra Almanya ile birlikte yaklaşık aynı seviyeleri paylaşmaktadır. Sıralamada İspanya 12. sırada Portekiz ise 20. dir. Şekil 14. 2011 yılı sonu itibariyle işletmede olan sırlı düzlemsel panel ile vakum tüplü kollektörlerin toplam kapasiteleri (Not: y ekseni logaritmik ölçülendirilmiştir) [41] Hava kollektörü ile birlikte değerlendirdiğimizde, Tablo 11 de görüldüğü gibi, yine toplamda 152.180 MWth ile Çin açık ara ile dünya birincisi, ABD 11.889 MWth ile ikinci, 10.710 MWth ve 10.164 MWth lik değerlerle Almanya ve Türkiye 3. ve 4. sıradadır. İşletilmekte olan kolektörlerin toplam kurulum alanı ise Tablo 12 de verilmiştir. Burada da dünya sıralaması fazla değişmemektedir. 18
Tablo 11. Toplam işletme kapasitesi-2011 yılının sonuna kadar (MWth) [41] Ülke Su Kollektörleri Hava Kollektörü TOPLAM (MWth) Sırlanmış FPC ETC Sırlanmamış Sırlanmış Çin 10.351,2 141.828,8 152.180,0 Almanya 428,1 9.107,6 1.174 22,6 10.732,2 Türkiye 9.229,8 933,8 10.163,6 İspanya 91,4 1.715,1 108,3 1.914,9 Portekiz 1,4 603,4 10,5 615,2 ABD 13.986,5 1.723,5 73,7 52,5 52,6 15.888,9 TOPLAM DÜNYA 21.496,4 65.397,2 146.132,3 1.098,0 451,4 234.575,3 Not: Eğer bir bilgi yoksa bu kolektör türü için güvenilir mevcut bir veri yoktur. Tablo 12. 2011 sonu itibarıyla, işletilmekte olan toplam kurulu kolektör alanı (m²) [41] Ülke Su Kollektörleri Hava Kollektörü TOPLAM (m 2 ) Sırlanmış FPC ETC Sırlanmamış Sırlanmış Çin 14.787.370 202.612.630 217.400.000 Almanya 611.530 13.010.880 1.677.120 32.256 15.331.786 Türkiye 13.185.391 1.333.970 14.519.361 İspanya 130.600 2.450.200 154.750 2.735.550 Portekiz 1.946 861.963 15.000 878.909 ABD 19.980.762 2.462.184 105.232 75.000 75.185 22.698.363 TOPLAM DÜNYA 30.709.138 93.424.579 208.760.370 1.568.549 644.885 335.107.521 Not: Eğer bir bilgi yoksa bu kolektör türü için güvenilir mevcut bir veri yoktur. Güneş enerjili su ısıtıcılarında, kullanımda dünyada kişi başına düşen oranı hesaplandığında, Şekil 15 de görüldüğü gibi, 541,2 kwısıl/1000kişi ile Kıbrıs ilk sırada gelmektedir. Türkiye 129,0 kwısıl/1000 kişi ile altıncı, Almanya 126,2 kwısıl/1000kişi ile yedinci, Portekiz 57,0 kwısıl/1000kişi ile onyedinci sırada ve İspanya 39,0 kwısıl/1000kişi ile ondokuzuncu sıradadır. Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi nin raporuna göre Türkiye coğrafyası incelendiğinde yüz ölçümün % 17 sinde (Güneydoğu ve Akdeniz Bölgeleri) su ısıtıcıları % 100 verimle çalışabilir. Yüz ölçümünün % 63 lük kısmında yıl boyunca su ısıtıcılarının çalışma oranı yaklaşık % 91 dir. Türkiye nin genel ortalaması ise % 70 dir [42]. 19
Şekil 15. 2011 sonu itibarıyla her 1000 kişi için işletimdeki sırlanmış düzlemsel panel ve vakum tüplü kolektörlerinin kwth cinsinden toplam kapasitesi [41] 3.2.3. Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi Sistemleri (CSP) Bu tür güneş enerjisi istasyonlarında güneş ışınlarını, merkezi alana odaklayarak enerji elde edilmesidir. Bu sistemlerin verimli çalışması, için açık gökyüzü ve sıcak bölge olması yani güneş kuşağında olması gerekir. Dolayısı ile kaynak Doğrudan Normal Işınım (DNI) ile ölçülür. Dünyada dört çeşit yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemi vardır: i. Parabolik Oluk Sistemleri (Parabolic Trough [PT]): Bu tür, CSP teknolojisinde kurulu santrallerin % 90 ını oluşturur. Şekil 18 de görüldüğü gibi, parabolik aynalardan yansıyan ışınlar merkezî (odak) çizgiye (oluğa) yerleştirilmiş alıcıyı (çelik tüp) ısıtır. Çelik tüp, güneş ışığını azami derecede soğurması ve en az derecede kızılötesi ışın yayınlaması için özel bir kaplama ile kaplıdır. Tüp içerisinde sentetik yağ bulunur ve sıcaklığı 390 o C ye kadar ulaşabilir. Güneş ışığından elde edilen ısı enerjisi bu yağ ile taşınır. Bu çelik tüp bir su haznesinden geçirilir. Buradaki suyu buharlaştırır. Bu sistemler için, türbinin dönmesi sonucu 350 MW dan daha fazla enerji elde etmek mümkündür. Daha sonra buhar soğutulur, su haline getirilir ve hazneye tekrar gönderilir. En yüksek verim alabilmek için, parabolik aynalar kuzey-güney doğrultusunda alana yerleştirilir. Bu sistemler, gece de enerji elde edilebilmesi amacıyla hibrit şekilde kuruludur [43-45]. 20
Şekil 16. Parabolik Oluk Sistemleri [43-45] ii. Doğrusal Fresnel Yansıtıcı (Linear Fresnel Reflector [LFR]): Çalışma prensibi Parabolic Oluk Sistemleri ile aynıdır. Burada da güneş ışınları merkezi çizgi üzerine düşürülür. Parabolic Oluk Sistemlerinden farkı, parabolik aynaların hepsinden yansıyan ışığın merkezdeki oluk üzerine düşürülmesidir (Şekil 17). Dolayısı ile aynalar zemine, ışığı alıcıya yansıtacak şekilde belli bir açıyla yerleştirilir. Parabolic Oluk Sistemleri ne göre avantajı bu şekilde yerleştirildikleri için daha ucuz oluşudur. Şekil 17. Doğrusal Fresnel Yansıtıcı [43-45] iii. Güneş Kuleleri (Solar Towers [ST]): Bu tip güneş enerjisinden faydalanma yönteminde, yüksek bir kule ve bunun etrafında, güneşin hareketine göre dönen aynalar (heliostat) bulunur. Bu sayede güneş ışınları kulede bir odağa toplanabilir. Burada 500 1000 o C arasında sıcaklık oluşturulabilir. Bu sıcaklık PT ve LFR den elde edilen sıcaklıktan daha fazladır. Sebebi yüksek konsantrasyondan dolayıdır. Odakta su deposu vardır. Depodaki suyun buharlaştırılması ile tribün döndürülür ve elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Bu enerji 50 MW tan 100 MW a kadar olabilir. Isı verimini arttırmak için odakta eriyik tuz bulunan sistemler de mevcuttur. Bu sistemlerde güneş battıktan sonra birkaç saat hatta birkaç gün enerji elde edilebilir. Bu tuzlar genelde % 60 sodyum nitrat ve % 40 potasyum nitrat tır. 21
Bir diğer sistem basınçlı hava kullanmaktır. Bu sistemle 1000 C civarında sıcaklığa ulaşmak mümkündür [43-45]. Şekil 18. Güneş Kuleleri [43-45] iv. Parabolik Çanak Sistemleri: Bu sistemlerde çanağın odağında alıcı vardır. Güneş ışığının odaklanması sonucu 750 o C civarında sıcaklık oluşur. ST de olduğu gibi burada da elde edilen sıcaklık PT ve LFR den elde edilen sıcaklıktan daha fazladır. Bu sistemde alıcının içinden sıvı veya hava geçer. Ayrıca burada sıcaklıkla çalışan motor bulunur (Stirling motoru veya mikrotürbinler). Bu motorun çalışması sonucu enerji elde edilir. Bir çanaktan 7-25 kw aralığında güç elde edilebilir. Çanak sayısını artırarak elde edilen güç de artırılabilir. Sistemin dezavantajı kurulum maliyetinin yüksek olmasıdır. Şekil 19. Çanak Sistemleri [43-45] Günümüzde İspanya, CSP de lider ülke konumundadır. İspanya nın 2013 yılı CSP kapasitesi 2.304 MW ve 51 santraldir. 46 santralin teknolojosi Parabolic Oluk Sistemleri üzerinedir ve toplam 2.272,5 MW kapasiteye sahiptir. 3 tanesi toplam 51 MW kapasiteye sahip Güneş Kuleleri ve 2 tanesi de toplam 31,4 MW kapasiteye sahip Doğrusal Fresnel Yansıtıcı sıdır. İspanya, özellikle Avrupa da bu alanda ilkleri barından bir ülkedir. Örneğin; Avrupa nın ilk Parabolik Oluk Sistemlerine sahip Andasol-1 tesisi İspanya da (Granada) kurulmuştur. 2009 22
Mart ayında faaliyete geçmiştir. Daha sonra Andasol-2 ve Andasol-3 tesisleri ilave edilmiştir. Her birinin çıkış gücü 165 GW-h dir. Tesislerin toplam çıkış gücü 495 GW-h dir. Şekil 20. PS10 Tesisi [46] Avrupa da ilk ticari güneş kulesi yine İspanya da (Sevilla) kurulmuştur. Bu sistem aynı zamanda dünyanın ilk ticari güneş kulesidir. İsmi PS10 dur ve 11 MW güç kapasitesine sahiptir. 6000 hanenin elektrik ihtiyacını sağlamaktadır. Daha sonra bu CSP yakınına PS20 inşa edilmiştir ve 20 MW güç kapasitesi sahiptir. Bu tür sistemlerin en büyük dezavantajı, güneş battıktan sonra sistemin de doğal olarak işlevini yitirmesidir. Bu santrallerin verimini artırmak için denenen yöntemlerden birisi tuz eriyiğinin kullanılmasıdır. İspanya nın Sevilla şehrinde 2011 yılından itibaren kullanılmaya başlanan Torresol-Gemasolar Güneş kulesi bu mantıkla çalışmaktadır. Dolayısı ile güneş battıktan sonra uzun süre tesislerin çalışması sağlanmış olmaktadır. Torresol-Gemasolar Güneş kulesinde elde edilen rekor süre 24 saattir. Sıradan bir güneş enerjisi kulesi ortalama olarak yılda 1.200-2.000 saat arasında çalışırken Torresol-Gemasolar için elektrik üretebilme kapasitesi yılda 6.400 saattir. Bu süre sıradan bir kuleye göre oldukça iyi bir süredir. Yeni nesil CPS ler hibrit olarak tasarlanarak 7/24 hizmet vermesi sağlanmaktadır. Puerto Errado-1 İspanya nın ilk Doğrusal Fresnel Yansıtıcı teknolojisine sahip tesisidir. 2009 Mart ayında faaliyete geçmiş, 1,4 MW çıkış gücüne sahip elektrik santralidir. Daha sonra Puerto Errado-2 2012 yılında bu tesise ilave olarak tamamlanmıştır. Bu santralin çıkış gücü ise 40 MW tır. Bu tesisin aynaları, Almanya dan tedarik edilmiştir. Puerto Errado-2 302.000 m 2 lik alanla dünyanın en geniş Doğrusal Fresnel Yansıtıcı teknolojisine sahip enerji santralidir [46-52]. Almanya düşük güneş ışımasına sahip olduğundan, deneme amaçlı olarak planlanan güneş kulesi Jülich Test ve Gösteri Güç Santrali nin yapımına 2008 yılında başlanmış 2009 yılında tamamlanmıştır. Kule yüksekliği 60 m ve ışığın odaklandığı noktadaki sıcaklığı 900 o C dir. Bu tesisten elde edilen enerji 1,5 MW tır. Fakat isminden de anlaşılacağı gibi bu tesisin amacı sadece elektrik elde etmek değil, aynı zamanda endüstriyel ve bilimsel araştırma yapmaktır. 23
Güneş ışını konusunda çok şanslı olmamasına rağmen, Alman teknoloji şirketlerinin CSP tesislerinin yapılması işletilmesi, gerekli parça temini, mühendislik ve servis hizmetleri gibi bu konuyla ilgili tüm alanlarda uluslararası çapta ciddi bir ağırlığı vardır [53-55]. Şekil 21. Jülich Test ve Gösteri Güç Santrali [56,57] Türkiye nin ilk CSP güneş enerjisi santraliyle ilgili yerli bir şirket tarafından (Greenway) 2005 yılında AR-GE çalışmalarına, 2012 yılında ise Mersin de kuruluma başlanmıştır. Tesis 2013 de faaliyete geçmiştir. Tamamen yerli teknolojiyle ve Türk mühendisler tarafından yapılmış olup, Lego tipi tasarıma sahip, hibrit bir enerji santralidir. Lego tarzında olduğu için, kurulumu ve taşınması kolaydır. Kulenin odak noktası yerden 50 metre yüksekliğindedir ve 510 adet yansıtıcı aynaya (heliostat) sahiptir. Bu aynalar, astronomikal logaritma tabanlı kontrol kartları sayesinde, güneşin pozisyonuna göre otomatik olarak dönmektedir. Bu kule 5 megawatt güç kapasitesine sahiptir ki bu güç 1500 evin enerji ihtiyacını karşılayabilir. Hibrit santral olduğu için, güneş ışığının olmadığı zaman doğal gazla rahatlıkla çalışabilecek tasarıma sahiptir. Tesisin benzerlerinden farkı, dünyada kablosuz iletişim sistemine sahip ilk CSP olmasıdır [58,59]. Şekil 22. Greenway Tesisi (Mersin) - Zorlu grubuna ait bir şirket olan Hitit Enerji, 2009 yılında Denizli Kızıldere de deneme amaçlı Parabolik oluk kolektörleri kurmuştur. Bu sistemin çıkış gücü 500 kwt tır. Şirketin kurduğu bu parabolik oluk siteminde sentetik yağ yerine su vardır. Bu tesis aynı zamanda jeotermal tesisle kombine çalışabilecek şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca şirket ABD 24
Colorado daki Solar TAC daimi sergi sahasında bu sistemin bir benzeri olarak 1000 kw çıkış gücüne sahip bir tesisi gösteri amacı ile kurmuştur [60,61]. - Orta Doğu Teknik Üniversitesi Solitem şirketi ile birlikte 2010 yılında, üniversitenin Kıbrıs Kampüsünde 120 kwt gücünde deneme amaçlı bir sistem kurmuştur [62,63]. - TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi (MAM), İnosol Enerji ve İstanbul Büyükşehir Belediyesi işbirliğiyle İstanbul İkitelli de 500 kw kapasiteli yüzde 100 yerli Parabolik oluk kolektörleriyle enerji üretimi yapan bir tesis kurulmuştur. Türk mühendisler tarafından gerçekleştirilen bu başarılarla Türkiye, İspanya, Amerika, Almanya ve İsrail le birlikte bu alanda teknoloji üretebilen ülkeler arasına girmiştir [64,65]. - Deneme amaçlı kurulan bu tesisler ileride yapılması planlanan büyük projeler için motivasyon kaynağı olmuştur. Örneğin İnosol firması, İnosol-TÜBİTAK tarafından geliştirilen panellerle 600 MW lık tesisler için yurt içinde yatırım yapmayı planlamaktadır [64,65]. - Bir başka proje Hacettepe Üniversitesi nde mevcuttur. Burada 100 m 2 lik alana Güneş Evi inşaa edilmiştir. 1000 W lık PV ve Fresnel merceklerle güneş enerjisinden faydalanılmaktadır. Ayrıca güneşle ilgili başka projeler de üniversite tarafından gerçekleştirilmiştir [62-66]. Buna benzer örnekleri biraz daha artırabiliriz. Burada ilgi çekici olan, bu çalışmaların genellikle gösteri ve araştırma amaçlı kurulmuş olmalarıdır. Fakat bu haliyle de gelecek adına umut vericidir. 3.2.4. Güneş Bacaları Yeryüzünden uzaya doğru sıcaklıkta bir azalma görülür. Güneş bacalarından elde edilen enerji, bu olaydan faydalanarak elde edilir. Güneş bacaları fizikteki ısınan hava yükselir ilkesine dayanmaktadır. Güneş toplayıcılarındaki hava, ısınarak bacadan dışarıya çıkar. Havanın bu hareketi bacaların girişinde bulunan türbinleri döndürerek elektrik enerjisi oluşmasını sağlar. Dolayısıyla bu tür enerji kaynağında güneş ve rüzgâr enerjisinden aynı anda faydalanılır. Bacaya yerleştirilen türbinden açık havaya yerleştirilenden yaklaşık sekiz kat daha fazla enerji elde edilir. Kolektörler, bacanın tabanından yaklaşık iki metre yüksekliğine cam, plastik vb. maddelerden yapılmış şeffaf kaplamadır. Güneş ışınları şeffaf kaplamadan geçerek, kaplama ile zemin arasında sera etkisi oluşturur. Türbin, enerji sağlanmasına yarayan pervanelerdir. Baca, sistemin en önemli parçasıdır. Bacadan yeterince istifade edilebilmesi için oldukça yüksek olması gerekmektedir. Bacanın tavan taban ısı farkından dolayı, tabandaki sıcak hava yükselir. Bu da bir hava akımı oluşturur. Oluşan akım ise türbini döndürür. Yani baca termal motor gibi çalışır. Çalışma sistemi, hidroelektirik santrallerin çalışma sistemine benzemektedir. Farkı ise sistemde su yerine havanın olmasıdır. Kollektörün alanı ne kadar genişse ve bacanın yüksekliği ne kadar fazla ise bu sistemin verimi o kadar fazladır. 25
Güneş bacaları, yaklaşık 50 ila 400 MW aralığında güç çıkışı sağlayabilen geniş ölçekli güç tesisleridir [67]. PS10 ve PS20 santrallerinin sağladığı toplam enerjinin 31 MW olduğu düşünülürse elde edilen enerji hakkında bir fikir edinilmiş olur. Bu tesislerden gece de istifade edebilmek için kolektorün tabanına su depoları yerleştirilir. Suyun geç ısınıp geç soğuması prensibinden faydalanılır. Gündüz ısınan sular gece bu ısısını ortama verir. Bu şekilde kolektörde yüksek sıcaklık olmasının devamlılığı sağlanmış olur. Su kaplarının ağzı kapalı olunca tekrar doldurmak için emek harcamaya gerek yoktur [6-74].. Bu tesislerin başlıca avantajları; Şekil 23. Güneş Bacası Diyagramı [68] Bu tesislerin kurulumu için herhangi bir ileri teknolojiye gerek olmaması Tesiste kullanılan malzemelerin temininde sıkıntı olmaması Tesisin 24 saat çalışabilmesi Çevreye zararlı herhangi bir atığının olmaması Bakım için emeğin ve masrafın çok az olması, Kolektör alanının tarım amaçlı değerlendirilebilmesi şeklinde sıralanabilir. Yapı için mühendislik deneyiminin gerekliliği ve üretilen elektrik maliyetinin diğer santrallere göre yüksek olması, başlıca dezavantajlarıdır. Fakat bu tür santraller oldukça uzun ömürlüdür (yaklaşık 100 yıl) ve fosil yakıtların sınırlı rezerve sahip olduğu, ayrıca ülkemizin bu yakıtlar için dışa bağımlılığı düşünüldüğünde, bu dezavantajların önemsiz kaldığı söylenebilir. Bu santrallar fikir olarak ilk defa 1903 yılında İspanyol bilim adamı Isidoro Cabanyes tarafından ileri sürülmüştür [69]. Hanns Günther ise 1931 yılında projelendirmiş [70], 1982 yılında ise Alman mühendis Jörg Schlaich ve ekibi tarafından Manzanares (İspanya) de deneme amaçlı kurulmuş bir santral ile hayata geçirilmiştir [71]. Kuruluşunda Alman ve İspanya hükümetinin destek verdiği santralin baca yüksekliği 195 m, baca çapı 10 m, kolektör çapı 244 m idi. Bu tesisten 50 kw enerji elde ediliyordu. Ömrü üç yıl olarak hesaplanmıştı. 26
Başarısını ispat ettiğinden dolayı yaklaşık sekiz yıl boyunca bu tesisten istifade edildi. 1989 yılında ise şiddetli bir tayfun sonucu yıkıldı. Bu durum ilk bakışta santralin zayıflığı gibi görünse de, zaten üç yıllığına ve deneme amaçlı olarak yapıldığı için böyle bir fikir oluşturmadı. Bu nedenle sonra yapılmak istenen santraller için önemli bir örnek oldu [72-74]. İspanya da, 350 hektar genişliğinde kolektör alanına sahip, 750 m yüksekliğinde ve 40 MW enerji elde edilebilecek Ciudad Real Torre Solar isimli yeni bir güneş bacası fikri ileri sürülmesine rağmen hayata geçirilemedi. Türkiye de ise Süleyman Demirel Üniversitesi Kampüsünde ve Adıyaman Üniversitesi Kampüsünde deneysel amaçlı güneş bacaları mevcuttur. Süleyman Demirel Üniversitesi Kampüsündeki baca 15 m yüksekliğinde ve 1,2 m çapında olup, kolektör alanı 201 m 2 dir. Yapımı 2003 2005 yılları arasında olmuş, 2009 yılından sonra ise deneysel amaçlı faaliyete başlamıştır. Adıyaman Üniversitesi Kampüsündeki güneş bacasının yüksekliği 17 m, baca genişliği 0,8 m ve kolektör çapı 27 m dir [74-77]. Şekil 24. Güneş Bacası a) Süleyman Demirel Üniversitesi b) Adıyaman Üniversitesi [74] Prof. Dr. Rainer Gumpp ve Prof. Dr. Jürgen Ruth danışmanlığında 2008 yılında Almanya Weimar Bauhaus üniversitesinde deneysel amaçlı olarak, baca yüksekliği 12 m olan bir güneş bacası yapılmıştır. Fakat Almanya bu alanda, Manzanares örneğinde olduğu gibi, daha çok teknolojisi ile ön plandadır. Örneğin Enviromission şirketinin Avusturalya da, 130 m çapında 1 km yüksekliğinde baca ve 200 MW enerji çıkış gücüne sahip bir projesi vardır ki bu enerji Manzanares tesisinden 4000 defa daha fazla bir güce sahiptir. Yapıldığında dünyanın en uzun yapısı olacaktır. Yine bu şirketin Arizona (ABD) da da iki güneş bacası yapma projesi vardır [73,74,78]. 27
Şekil 25. Almanya Bauhaus Üniversitesi güneş bacası görüntüsü [74]. 4. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME Almanya potansiyel olarak oldukça dezavantajlı olmasına rağmen, güneş enerjisi bakımından dünyanın önde gelen ülkelerinden biridir. Özellikle PV, güneş enerjisi teknolojisi ve bu alanda çalışan şirketleri ile önde gelmektedir. Buna karşılık İspanya güneş ışığı alma konusunda çok avantajlı bir ülkedir ve bu avantajı kullanarak güneş enerjisi konusunda yine lider ülkelerden biridir. Bu ülke de özellikle CSP alanında adından söz ettirmektedir. Portekiz ise dünya lideri olmasa da bu konuyu önemsediğini çalışmaları ile göstermektedir. Avrupa daki bu üç ülkenin güneş enerjisi konusunda önemli bir atılım içinde olduğunu söylemek mümkündür. Türkiye güneş ışığına maruz kalma konusunda İspanya ve Portekiz le birlikte oldukça avantajlı bir coğrafyada bulunmaktadır. Güneş Enerjili Su Isıtıcıları alanında dünyada oldukça iyi sayılabilecek konumdadır. Fakat diğer alanlarda kat edilecek çok mesafe vardır. Yenilenebilir enerjiden enerji elde edilmesi durumunda verilecek teşviklerle ilgili kanunlar yakın tarihlerde çıkmıştır. CSP ve PV ile ilgili yatırımlar heyecan vericidir. Üniversitelerde bu konu dikkat çekici bir konumdadır. Fakat Türkiye bu alanlarda maalesef daha emekleme aşamasındadır. Türkiye mevcut potansiyelini kullanarak İspanya ve Almanya örneğinde olduğu gibi dünyada lider bir konuma yükselebilir. Bunun için öncelikle verilen teşviklerin artırılması gerekir. Diğer ülkelerin verdiği teşvik miktarları ile karşılaştırılınca Türkiye nin verdiği teşvik miktarı oldukça geri kalmaktadır. Örneğin krizde olduğu söylenen Yunanistan da bile teşvik miktarı 0,33 Euro ve alım garantisi 20 yıldır. Bir diğer adım da TÜBİTAK ve DPT gibi kuruluşların fonlarını arttırarak bu alanda üniversite, enstitü gibi kuruluşlarda akademik çalışmaların artması için destek vermesi olacaktır. 28