ENERJİ EKONOMİSİ DERSİ Hazırlayan ve Sunan: Erol KILIK 0850Y24001 Kontrol: Yard. Doç. Dr. Ahmet KOLİP

BÖLÜM 6 YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI

1 GİRİŞ 1973 yılında enerji krizinden sonra, artan yakıt fiyatları, enerji talebindeki hızlı artış ve fosil yakıt rezervlerinin bir gün tükeneceği gerçeği ile karşı karşıya gelen insanoğlu alternatif enerji kaynakları aramaya başlamıştır. Dünyanın güneş, rüzgâr, hidrolik ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları potansiyeli sonsuz denebilecek kadar büyüktür, ancak bu kaynaklardan ekonomik olarak elektrik enerjisi üretim teknikleri henüz gelişmemiştir.

2000’li yıllarda klasik kömür, fuel-oil ve nükleer santrallerin dışında, yeni teknolojilerle inşa edilecek gaz ve kömür santralleri, hidrolik ve az miktarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılacağı anlaşılmaktadır. Tablo- 6.1’ de OECD ülkelerinin 1995’ den sonra kullanacakları enerji seçenekleri ve bu seçeneklerin ünite güçleri görülmektedir.

Tablo – 6.1 1995–2000 Yılları Arasında OECD Ülkelerinde Kullanılacak Enerji Sistemleri ve Ünite Güçleri(MWe)

Tablo 6.1 den görüleceği üzere yakın bir gelecekte yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisi talep-lerini karşılamakta etkin bir rol üstlenemeyecektir. Buna rağmen uzun vadede yenilenebilir enerji kaynaklarından ekonomik olarak yararlanabilmek amacıyla teknolojik araştırma-geliştirme çalışmaları hızla sürmektedir. Yenilebilir enerji kaynaklarının kuruluş masrafları hakkındaki bilgiler çok azdır. Bazı ülkelerde kurulması düşünülen ve karakteristikleri Tablo 6.2 de verilmiş olan yenilenebilir enerji kaynaklı santrallerin yatırım bedelleri Tablo 6.3 de görülmektedir.

Tablo- 6.2 Bazı Ülkelerde 2000’li Yıllar İçin Kurulması Planlanan Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Santrallerin Karakteristikleri (1) P: Etüd, O: Sipariş

Tablo-6.3 Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Santrallerin Yatırım Bedelleri ($/kWe) * K.H Küçük Hidro

Kullanılması yaygınlaşmakta olan rüzgâr santrallerinin yatırım bedeli ülkeden ülkeye çok değişmektedir. Bu santrallerin amortisman ömürleri 15 ila 20 yıl, şebeke yük faktörleri ise %25 kadar olmaktadır. Kuruluş süresi kısa olan rüzgâr santrallerinde, inşaat süresince faiz yok sayılabilir. Yakıt masrafı olmayan ve O&M masrafı oldukça küçük olan bu santrallerde enerji maliyeti büyük ölçüde yatırım bedeline bağlı olmaktadır.

Rüzgâr, güneş ve hidrolik gibi yenilenebilir enerji kaynaklı santrallerde yakıt masrafı yoktur. Biogaz ve çöp yakıtlı santrallerde ise oldukça ufaktır ve üretilen enerji maliyeti üzerinde etkili değildir. Yenilenebilir enerji kaynaklı santrallerde O&M maliyeti santral tipine ve ülkelere göre farklılıklar göstermektedir. Tablo–6,2’de karakteristikleri verilmiş olan referans santrallere ait O&M masrafları Tablo–6,4’de görülmektedir.

Tablo–6.4 Referans Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Santrallerde O&M Masrafları ($/KWeyıl) 1.7.1991 $

Tablo–6.2’ de karakteristikleri verilmiş olan referans santrallerin Tablo–6.3 ve Tablo–6.4’ deki ekonomik verilerle yapılan birim enerji üretim maliyeti hesap sonuçları Tablo–6.5’ de görülmektedir. Tablodan görüleceği üzere İngiltere’de kurulması planlanan çöp santrali için yakıt maliyeti üretim maliyetine eksi olarak yansımaktadır. Bu husus, çöpleri toplamakla görevli kuruluşun bu işi, santrali işleten-kuruluşa belirli bir ücret karşılığında devretmesinden kaynaklanmaktadır.

Tablo–6.5 Referans Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Santrallerde Enerji Üretim Maliyeti (mills/KWe) 1991 $

Yukarıda, bazı ülkelerin referans gösterdikleri yenilenebilir enerji kaynaklı santraller çerçevesinde, bu enerji türünün ekonomik görünümü hakkında bir ön bilgi verilmiştir. Aşağıda, önemine binaen yenilenebilir enerji kaynaklarını ve bu kaynaklara dayalı santrallerin teknik ve ekonomik yönü ile ilgili bazı ilave bilgiler arz edilmiştir.

6.2 HİDROLİK ENERJİ Yenilenebilir enerji kaynakları içinde halen büyük ölçekte kullanılmakta olan tek enerji kaynağı hidrolik enerjidir. Dünyanın hidrolik potansiyeli 9800 TWh/Yıl, Türkiye ’ninki ise 122 TWh/Yıl kadardır.

Tablo–6.6’ da Türkiye’ deki hidrolik enerji potansiyelini değerlendiren ve ekonomik olarak değerlendirebilecek Hidro-Elektrik Santralleri (HES)’ nin güçlerine göre tasnifi verilmiştir. Bu tablodan görüleceği gibi ülkemizdeki HES ’lerin %28 kadarının gücü 100 – 300 MW sınıfına dahildir. Gücü 1000 MW ’dan büyük sadece 4 HES vardır bunlar toplam potansiyelin %24 ’ünü oluşturmaktadır. Tabloda gösterilmiş bulunan 414 adet HES ’in toplam gücü yaklaşık olarak 31000 MW olup, bunların üretim potansiyeli 108 TWh/Yıl kadardır.

Tablo–6.6 Türkiye’de Hidrolik Potansiyelin Santral Gücüne Göre Tasnifi

Hidrolik santraller, nükleer santraller gibi sermaye yoğun santrallerdir. Bir hidrolik santralin masrafları sırasıyla; arazi ve su hakları bedeli, baraj inşaatı, santralin mekanik aksamı, cebri boru ve derivasyon kanalı, transformatör ve taşıma hatları masraflarından oluşur. Hidrolik santrallerin yatırım masrafı büyük ölçüde su toplama barajının büyüklüğüne, inşaatın tipine bağlı olarak 1000 – 1500 $/kWe kadar olmaktadır.

Hidrolik santrallerde vakit masrafı olmadığından, yıllık masraflar amortisman bedeli, sigorta ve vergi gibi masraflar ile O&M masraflarından oluşur. Sabit yıllık ödeme katsayısı olarak ekseriya %12 değeri kullanılmaktadır. O&M masrafları ülkeden ülkeye değişik olmakla beraber, 10 $/kWe yıl gibi ortalama bir değer hesaplarda kullanılabilir.

Hidrolik santraller genellikle elektrik yük merkezine uzakta bulunurlar ve oldukça pahalı olan yüksek gerilim taşıma hatları için amortisman ve bakım masrafları, enerji maliyetine belirli oranda yansıtılmalıdır. Bu maksatla enerji maliyetine taşıma uzunluğuna göre 1 ila 2 mills/kWeh eklemek gerekebilir. Hidrolik santrallerin en sakıncalı tarafı, yük faktörünün su rejimine bağlı olarak değişken ve oldukça düşük olmasıdır. Maliyet hesapları güvenilir güce göre yapılmalıdır. Genellikle şebeke yük faktörü %30 ila %50 kadardır.

Örnek problem 6.1 1989 yılında tam kapasite ile servise girmiş bulunan 4 x 175 MWe gücündeki Altınkaya Hidro-Elektrik elektrik enerjisi maliyetini hesap ediniz.

Verilenler: Şebeke yük faktörü Lf = %27, amortisman ömrü n= 35 yıl, faiz oranı i= %6 Altınkaya santrali 468 milyar TL’ye mal olmuştur. 1986 yılı itibariyle 1 $= 668 TL ve toplam yatırım maliyeti USD ($) değeri ile 700 milyon $ ve birim yatırım maliyeti ise 1000 $/kWe olmaktadır.

Sabit masraflar katsayısı, Amortisman katsayı 0.069 Sigorta v.s 0.031 Toplam 0.10 olmaktadır.

Sabit yıllık sermaye maliyeti, Ck = 700 * 0.1 = 70 M$/Yıl Yıllık elektrik enerjisi üretimi Birim enerji başına yatırım maliyeti,

O&M masrafları için 10 $/kWeyıl ortalama değeri kullanılırsa yıllık O&M masrafı, Birim enerji başına O&M maliyeti, ve yüksek gerilim taşıma hattı masrafları içinde 1.4 mills/kWeh ilave ederek elektrik enerjisi maliyeti, gT = 42.4+4.2+1.4 = 48 mills/kWeh bulunur.

6.3. KÜÇÜK HİDRO-ELEKTRİK SANRALLERİ Toplam kurulu gücü 10 M We dan küçük bir veya birkaç su türbini ile elektrik üreten tesislere hidro-elektrik santralleri ( Küçük HES) adı verilir. Birleşmiş Milletler Sınai ve kalkınma organizasyonu UNIDO tarafından yapılan sınıflandırmaya göre: Küçük HES, Ünite Gücü < 10 MWe Mini HES, Üniyte Gücü <100-1000 kWe Micro HES Ünite Gücü <100 kWe

Küçük, mini ve mikro HES’ ler 2 m Küçük, mini ve mikro HES’ ler 2 m.’ den yüksek su düşüşlerini kullanırlar. Küçük HES yeryüzünde bilinen en eski elektrik üreten tesislerdir. Büyük HES’ lerin kurulmaya başlaması ve enterkonnekte şebekeye geçiş ile pahalı elektrik üreten küçük HES’ ler önemini kaybetmişlerdir. Ancak 1970’ li yıllarda yaşanan petrol krizi ile ortaya çıkan petrole alternatif enerji kaynakları bulma çabası içinde, yenilenebilir enerji kaynaklarından mümkün olduğunca fazla yararlanma politikası küçük HES’ leri yeniden gündeme getirmiş bulunmaktadır.

Küçük HES’ lerin en büyük sakıncası, birim tesis bedelinin dolayısı ile elektrik maliyetinin büyük olmasıdır. Bununla beraber, elektrik donanımlarının hemen hemen tamamının yurt içinde yapılabilmesi, dövize ihtiyaç göstermemeleri, yakıt masraflarının olmayışı, bakım ve onarımın kolay olması gibi bazı üstünlükleri vardır. Enterkonnekte şebekenin ulaşamadığı, yakıt temininde zorluk bulunan bölgelerde bağımsız olarak elektrik üretim imkânı sağlar. Küçük su kuvvetlerinin elektrik üretiminin yanında sulama ve kullanma suyu temin etme gibi faydaları da vardır.

Şekil 6.1 de küçük su kuvvetlerinin tasnifi ve kullanma alanları gösterilmiştir. Küçük HES’ lerde enerji maliyetinin düşürülmesi için basit, ucuz, standart yerli imalata yönelik ve ihale formalitelerinin basitleştirilmesi gibi bazı tedbirler düşünülmektedir. Son zamanlarda yabancı firmalar standart paket üniteler pazarlamaya başlamışlardır. Küçük HES maliyeti genellikle düşü ile ters orantılı olarak artar. Belirli bir gücü üretebilmek için, düşü ufak olduğu zaman debinin büyük olması gerekir dolayısıyla daha büyük ve daha pahalı türbinlere ihtiyaç hasıl olur. Genellikle H0 < 20 m için Kaplan, H0 >40 m için Francis türbinleri kullanılır. H0 > 100 m olduğu zaman çok küçük debilerde Pelton çarkı tercih edilir. Türbinlerin düşü ve debiye göre kullanma alanları Şekil-6.2’ de gösterilmiştir.

Şekil 6.1 Küçük Heslerin Kullanma Alanları

Şekil 6.2 Su Türbinlerinin Kullanma Alanları

6.4. KÜÇÜK HESLERİN DÜNYADAKİ ÖRNEKLERİ Su gücünden elektrik üretimine 1880’li yıllarda başlanmıştır. 20. yüzyılın başlarında üretilen Hidro elektriğin tamamı küçük HES ’lerden elde edilmekteydi. Daha sonra sanayinin gelişmesi ve enerji ihtiyacının artması ile büyük HES ‘ler elektrik üretiminde etkin olmuştur.

Küçük HES uygulamasının en tipik örneği Çin Halk Cumhuriyetidir Küçük HES uygulamasının en tipik örneği Çin Halk Cumhuriyetidir. 1984 yılı başlarında bu ülkede toplam gücü 8700MWe olan 96000 adet küçük HES bulunmakta ve ülkenin kurulu gücünün %4 ünü oluşturmaktaydı. Bu kapasitenin 2000 yılına kadar 6 kat artması beklenmektedir.

Japonya’da 1350 adet toplam gücü 7000 MW olan bu kapasite ülkenin toplam kurulu gücünün %6 ‘sını teşkil etmektedir. Fransa ’da ise toplam gücü 1800 MWe olan 2000 adet HES Kurulu gücün %4 ünü oluşturmaktadır. Endonezya, Filipinler ve Latin Amerika ülkelerinde kırsal bölgelerde elektrik üretmek için küçük HES ‘lerden önemli ölçüde yararlanılmaktadır.

Tablo 6.6 dan görülebileceği gibi Türkiye’de hidroelektrik potansiyelin %2,23 kadarı küçük HES lerde değerlendirilebil-mektedir. 1980 li yıllarda devlet su işleri tarafından yapılan etütler Türkiye’de 3948 MWe toplam gücünde küçük HES potansiyeli bulunduğunu ve bunlardan 13.9 milyar kWh/yıl kadar enerji elde edilebileceğini göstermektedir.

Dünyanın teknik olarak kullanılabilir hidroelektrik potansiyeli 2338 GWe kurulu güç veya enerji olarak 9802 TWh/yıl kadar olup halen bu potansiyelin %20 ‘si kullanılmaktadır. Dünya hidrolik potansiyelin %35 ‘i Latin Amerika’da, %26 ‘sı Asya’da, %15 ‘i Afrika’da bulunmaktadır.

Dünya hidrolik potansiyelin sınırlı olması nedeniyle 1980’li yıllarda %20 kadar olan elektrik üretimi içindeki hissesinin tedricen düşmesi beklenmektedir. Bununla beraber bazı bölgelerde önemli rol üstlenmektedir. Örneğin halen elektrik üretimi içindeki hidrolik hissesi Orta Afrika’da %73 Güney Amerika’da bazı bölgelerde %74 kadardır. Hindistan’ın hidrolik potansiyelininde büyük olduğu bilinmektedir. Ancak 100000 MWe kadar olan bu potansiyelin halen %35 kadarı bulunmaktadır. Pakistan’da 1995 yılında elektrik talebinin %50 sinin hidrolik enerji ile karşılanması beklenmektedir.

Türkiye’nin brüt hidrolik enerji potansiyeli 440 milyar kWeh/yıl olarak hesaplanmıştır. Teknik olarak değerlendirilmesi mümkün görülen potansiyel ise 215 milyar kWeh/yıl ‘dır. Son yıllarda yapılan çalışmalara göre ekonomik olarak yararlanılabilir potansiyel 113 milyar kWeh/yıl büyük ve 5 milyar kWeh/yıl küçük HES olmak üzere toplam 118 milyar kWeh/yıl olarak belirlenmiştir. Halen bu potansiyelin %20 ‘si kullanılmaktadır.

6.5. KÜÇÜK HES’ LERDE ENERJİ MALİYETİ Yakıt masrafı olmadığına göre, enerji maliyetini yatırım ve O&M masrafları belirler. Bilindiği gibi tüm alternatif güç üretim tesislerinde güç azaldıkça birim tesis bedeli artmakta ve güçleri 0.1–10 MW olan küçük HES ’lerde de birim yatırım bedeli çok yüksek olmaktadır. Şekil-6.3’ de Malezya’ da toplam gücü 1500 kWe olan 104 adet küçük HES için hazırlanan birim tesis bedelleri esas alınarak, birim tesis bedelinin güç ile değişimi görülmektedir. Küçük HES’ lerin enerji maliyeti hesaplarında O&M masrafı olarak ortalama 50 $/kWe yıl değeri kullanılabilir.

(Tesis verimi  = %70, şebeke yük faktörü Lf = %40 ) Örnek Problem 6.2 debi ve 30 m düşüye haiz bir hidrolik potansiyelin değerlendirilmesi amacıyla kurulacak olan küçük HES ’de enerji maliyetini hesaplayınız. (Tesis verimi  = %70, şebeke yük faktörü Lf = %40 )

Birim tesis bedeli 2000 $/kWe (Şekil-6 Birim tesis bedeli 2000 $/kWe (Şekil-6.3), sabit masrafları katsayı %12 alınarak, yıllık sabit sermaye masrafı, Ck = 2000 * 1030 * 0.12 = 247200 $/Yıl

Birim enerji başına toplam maliyet, gT = gk + gm = 68.7 + 14.3 =83 mills/kWeh bulunur.

6.6. GÜNEŞ ENERJİSİ Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlisi güneş enerjisidir. Dünya kabuğu üzerine düşen radyasyon enerjisinin %30 kadarı potansiyel olarak kabul edilir. Bu potansiyel milyar kWh’e tekabül eder ve hidrolik potansiyelin 10000 katına eşdeğerdir.

Bugün güneş enerjisi sıcak su ihtiyacının karşılanmasında ve ısıtma maksadı ile kullanılabilmektedir. Dünyada enerji tüketiminin ancak %30 ’u sıcak su ve ısıtma amaçlı kullanıldığına göre, bu ihtiyaçların %1 ’i güneş enerjisinden temin edildiği zaman dahi, bunun toplam enerji talebini karşılamadaki etkisi %0.3 kadar olacaktır.

Güneş enerjisinden büyük ölçüde faydalanabilmek, ancak bu enerji kaynağının elektrik üretiminde kullanılması ile mümkün olabilecektir. Güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için kullanılabilecek teknikler şunlardır: —Fotoelektrik dönüşümü, —Termoelektrik jeneratörleri —Fotovoltaik güneş pilleri —Termodinamik dönüşüm

Fotoelektrik dönüşümde, radyasyon enerjisi iletken metallerin elektronlarını harekete geçirmek suretiyle elektrik üretir. Bu tekniğe doğrudan dönüşüm tekniği adı verilir. Bu teknikle çalışan cihazların verimi %5 ila %10 kadardır. Termokupl uçlarının ısıtılması yoluyla çalışan Termo-elektrik Jeneratörlerin verimi ise %1 kadardır. n–tipi ve p–tipi yarı iletkenlerin temas ettirilmesi suretiyle çalışan Fotovoltaik güneş pillerinin verimi de %5 ila %10 kadardır. Bugün büyük ölçüde ve daha yüksek verimle elektrik üretmek için kullanılması mümkün görülen sistem Termodinamik dönüşümdür.

6.7 FOTOVOLTAİK DÖNÜŞÜM TEKNİĞİ VE ENERJİ MALİYETİ Fotovoltaik dönüşümde güneş pili yani SiO2 kullanılmaktadır.İnce tabakalar halinde dizilmiş n-tipi ve p-tipi yarı iletkenler üzerine mineral camdan geçen güneş ışınlarının düşerek bu tabakalar arasında potansiyel fark oluşur.Buna Fotovoltaik Petek denmektedir. Bu petekte çok sayıda güneş hücresini seri bağlamak suretiyle istenilen voltaj sağlanabilir. Bir fotovoltaik peteğin 1m2 alanından 110V gerilim altında 1 Amp. Akım temin edilebilir ve bu enerjiyle bir deniz feneri çalıştırılabilmektedir. Bugün bu sistem uzay araçlarında, uydularda kumanda mekanizmalarını çalıştırmak için kullanılmaktadır.Dünyada ise uzak ve tenha yerlerde radyo ve TV çalıştırmak, az miktarda su pompalamak, deniz feneri çalıştırmak ve hava alanlarını aydınlatmak gibi amaçlarda kullanılır

6.8 TERMODİNAMİK DÖNÜŞÜM TEKNİĞİ VE ENERJİ MALİYETİ Bu dönüşmle elektrik enerjisi üretiminde Heliostat kullanılır. Heliostat iki eksen etrafında hareketli parabolik aynalar güneş ışınları yaklaşık 200m yüksekliğindeki bir kule üzerinde bulunan bir kazana yönelterek buhar üretir. Kule tipi termodinamik dönüşüm jeneratörü adı verilen bu sistemde elde edilen buhar Rankine Çevrimiyle kullanılarak klasik bir turbo-jeneratör sistemi çalıştırılır. 6.8 TERMODİNAMİK DÖNÜŞÜM TEKNİĞİ VE ENERJİ MALİYETİ

Şekil-6.4 Termodinamik Dönüşümlü,Kule Tipi Güneş Güç Santrali (10ile 200Mwe) Kule tipi güneş santralinde, kazanda üretilen 98 bar 510ºC şartlarındaki buhar türbini yüksek basınç kademesine gelerek enerji üretir. İş gören çürük buhar kondensatör de yoğunlaştırılır ve ön ısıtıcıda ısıtılarak 200ºC’da geri gönderilir. Güneşli günlerde elde edilen fazla ısı enerjisi bir eşanjör yardımıyla depo edilir ve bu enerjiyle ikinci bir eşanjörde 30 bar 302ºC şartlarında buhar üreterek türbinin orta basınç kademesine gönderilir. Bu sistemin sakıncası çok büyük alan işgal etmesidir.

Şekil-6.5 Birim Tesis Bedelinin Heliostat Fiyatları ile Değişimi Santralin birim tesis bedeli ; heliostat ve arazinin fiyatına çok duyarlıdır. Şekilden görüleceği gibi kollektör sıcaklığı 204ºC olan 100kW gücündeki tesiste heliostat fiyatı 100$/m² iken birim tesis bedeli(direk masraflar) 1750$/kWe olmaktadır. Heliostat fiyatı 200$/m²’ye çıktığı zaman birim tesis bedeli 3000$/kWe olmaktadır. Dolayısıyla birim tesis bedelinin heliostat fiyatlarına çok duyarlı olduğunu söyleyebilriiz.

Şekil-6.6 Birim Tesis Bedelinin Kurulu güç ile Değişimi Güneş santrallerinde de diğer tesislerde olduğu gibi birim tesis bedeli , kurulu güç arttıkça düşüş gösterir. Yandaki şekilden anlaşılacağı gibi 100kWe gücündeki kule tipi bir güneş santralinin birim tesis bedeli 5000$/kWe iken ; 1000kWe gücündeki santralin birim tesis bedeli yaklaşık 500$/kWe olmaktadır.

Örnek Problem 6.3 *Selçuğa kurulacak 1000kWe gücündeki bir güneş santralinde elektrik enerjisi üretim maliyeti içerisinde yatırım maliyetlerinin payını hesaplayınız? (Santralin verimi = %25) Kollektör için 0.93 kW/m² değeri alınarak ve %15 ilave edilerek heliostat yüzeyi; 1000*1.15 / 0.93*0.25 = 4946 m² Heliostat fiyatı olarak 125$/m² alınırsa heliostat maliyeti; 4946*125 = 618250$ bulunur. 1m² heliostat 10m² yere ihtiyaç duyarsa ve diğer tesisler için %50 ilave ile toplam yer ihtiyacı; 4946*10*1.5 = 74190m² Arsanın çok pahali olduğu selçuk için birim arsa bedeli 14$/m² kabul edilirse arsa maliyeti ; 74190*14 = 1,040,000$ olmaktadır. Birim tesis bedeli olarak Şekil-6.6dan 3500$/kWe alınarak toplam tesis bedeli ; 3500*1000 = 3,500,000$ olmaktadır. Arsa maliyeti ile toplam yatırım maliyeti 4,540,000$ olacaktır. Faiz oranı %6 , amortisman ömrü 10 yıl alınırsa amortisman faktörü ;

Örnek Problem 6.3 (Devam) *Selçuğa kurulacak 1000kWe gücündeki bir güneş santralinde elektrik enerjisi üretim maliyeti içerisinde yatırım maliyetlerinin payını hesaplayınız? (Santralin verimi = %25) ve yıllık sabit sermaye maliyet, 0.136*4.54*1,000,000 = 617440$/yıl bulunur. Selçuk 38º arz dairesi üzerinde ve deniz seviyesinde olduğuna göre Washington DC ve tam haraketli heliostatlar için verilmiş olan aşağıdaki ışınım enerjisi değerleri kullanılır. Birim heliostatik alanı ile toplanacak yıllık değeri; 5.7*92 + 6.7*92 + 4.5*91 + 3.2*90 = 1838 kWh/m² yıl Heliostatların tamamı ile toplanacak yıllık enerji ; 1838*4946 = 9,090,000 kWh/yıl %25 santral verimi ile üretilecek yıllık elektrik enerjisi ; 9.09*1,000,000 = 227,000,000 kWeh/yıl olmaktadır. Birim elektrik enerjisi başına düşen yatırım maliyeti ise;

6.9. RÜZGAR ENERJİSİ Rüzgar enerjisi; bir pervane yardımı ile kolaylıkla mekanik enerjiye dönüştürülerek bir elektrik jeneratörü çalıştırabilir.Ancak hızın değişken olması sebebi ile bazı zorlukları vardır. Kullanılması en basit olan bir sistem,rüzgar türbinine sürekli manyellerden()yapılmış kutupları olan bir manyetli() alternatör yerleştirmektir. Bu tip bir alternatörün statoru 3 fazlı sargı ile donatılmıştır.Rotordaki kutup sayısı “n” , dönme hızı “w(dev/dk)” ise sistemin frekansı “w*(n/2)” şeklinde bulunur.

Sabit frekanslı ve sabit voltajlı akım elde etmenin bir yolu AC-DC-AC Düzenleyici–Çevirici (rectifier-inverter) link sistemi kullanmaktır. Geri beslemeli bir kumanda sistemi ile rüzgar hızına bağlı olarak kanatların hücum açısını (pitch) değiştirmek suretiyle de sabit dönme hızı temin etmek mümkündür. Sincap Kafesli Endüksiyon Motoru değişken frekans ve değişken voltaj ile beslenebilir. Bu takdirde motor değişken hızlarda çalışacağından uygulama alanı sınırlı olur.

Örneğin bir motor yardımıyla su pompalamak mümkündür bu durumda suyun debisinin değişken olması bir sakınca teşkil etmez. Şekil-6.7’de ERDA/NASA tarafından geliştirilen 100 kWe gücündeki Mod-0 tipi rüzgar jeneratörünün boyutları verilmiştir. Şekil 6.8 ’de ise sürekli manyetli alternatörün yukarıda açıklanan uygulaması görülmektedir.

Mekanik Aksam hız arttırıcı bir dişli kutusu ile kavramadan oluşmaktadır.Uygun hıza ulaşıldığında türbini alternatöre akuple eden kavrama,özellikle sadece sinkron hız ile çalışan sinkron jeneratör için zaruridir.

Rüzgar-Elektrik dönüşüm sisteminin toplam verimi %20 ile %35 kadardır Rüzgar-Elektrik dönüşüm sisteminin toplam verimi %20 ile %35 kadardır. Bu verim Cihazın tipine,büyüklüğüne,yere ve rüzgar rejimine bağlı olmakla beraber pratik olarak uygun rüzgar hızı yıllık ortalama hızın 1.25 ile 2.5 katı kadar olmaktadır. Şekil-6.9’da 1kWe güç üretimi için pervane süpürme alanı,uygun rüzgar hızı ve verim arasıındaki ilişki görülmektedir.

Şekilden görüleceği gibi pervane çapı 40 mt olduğu zaman süpürme alanı 12.5 m2/kWe olmakta ve verim %35 ise en uygun rüzgar hızı 26km/h,verim %20 ise bu hız 32km/h olması beklenmektedir. Şekil-6.9 1kWe Enerji Üretmek İçin Gerekli Süpürme Alanı ve Çap, Rüzgar Hızına Göre Verim

Rüzgar santralinde şebeke yük faktörü için; İfadesi kullanılabilir Rüzgar santralinde şebeke yük faktörü için; İfadesi kullanılabilir. Burada “V “ortalama rüzgar hızını , ”VR “ çalışma için gerekli rüzgar hızını , “K” ise V/Vr oranına bağlı bir katsayıyı temsil etmektedir.

Örneğin oranının1.75 olduğu bir bölgede şebeke yük faktörü; Olmaktadır.Rüzgar santralinde yıllık elektrik enerjisi üretimi ise ; İle hesaplanabilir.

6.10. RÜZGAR SANTRALLERİNDEKİ GELİŞMELER Rüzgar enerjisi ile elektrik üretiminde 1980li yıllarda önemli gelişmeler olmuştur.ABD’de 6 yıllık dönemde rüzgar santralleri için 3 milyar$ yatırım yapılmıştır.Ünite güçleri birkaç yüz kWe’dan birkaç Mwe’a yükselmiş ve birim tesis bedeli ise 3000 $/kWe den 1000$/kWe düzeyine inmiştir. Avrupada bu enerji türünde en ileri ülke Danimarka’dır.Avrupadaki kurulu gücün %75 kadarı bu ülkede bulunmaktadır.Danimarka hükümeti 10 milyon$ harcayarak toplam gücü 25MWe olan 5 ader rüzgar parkı kurmuştur.Ayrıca 23 türbinli bir park çalışmakta olup 8milyon kWe/yıl enerji üretimektedir. İngiltere’de elektrik enerjisi talebinin %20’sinin gelecekte rüzgar enerjisi ile karşılayabileceğine inanılmaktadır.İngilterede değişik yerlerde kurulmuş 25 rüzgar türbini bulunmaktadır.İngiliz firmaları dış ülkelere güçleri 50kWe-3MWe olan 60milyon$ tutarında rüzgar türbini ihraç etmişlerdir.

Rüzgar enerjisi ile ilgilenen gelişmekte olan ülkelerin başında ÜRDÜN gelmektedir. Bu ülkenin orta kısmı rüzgar enerjisi için çok uygundur. Bu ülkede baz-yük fuel-oil santralleri ile, pik-yük ise sıvı yakıtlı gaz türbinleri ve diesel-jeneratörleri ile temin edilmektedir. Rüzgar enerjisine önem veren diğer bir ülke HİNDİSTAN’dır. Hindistanın hidrolik potansiyeli büyüktür ve 100000MW tahmin edilen bu potansiyelin halen %35 kadarı kullanılmaktadır. uygundur. Bu ülkede baz-yük santrali olarak az miktarda nükleer ve kömür santralleri , pik-yük santrali olarakta hidrolik sıvı yakıtlı gaz türbinleri ve doğal gaz santralleri kullanılmaktadır. Halen bu ülkede enerji kıtlığı mevcuttur.

Pakistan’ın güney sahilleri rüzgar enerjisi için uygundur Pakistan’ın güney sahilleri rüzgar enerjisi için uygundur. Hidrolik projelerin gecikmesi ülkeyi enerji sıkıntısına sokmaktadır. Bu ülkede Temmuz-Ekim dönemlerinde pik güç sıkıntısı vardır. Hidrolik ve Diesel için elektrik maliyeti sırasıyla 100mills/kWeh ve 140mills/kWeh kadar olmaktadır. Pik-yük eksikliği rüzgar enerjisi ile karşılandığı takdirde, maliyetin 80 ila 200mills/kWeh arasında olacağı tahmin edilmektedir. Çinde ise baz-yük kömür santralleri, pik-yük ise hidrolik ile temin edilmektedir. Çin’de enerji talebi üretimin %15 üzerinde olup bu eksikliğin gölge bedeli ise 330 mills/kWeh olarak tahmin edilmektedir. Rüzgar enerjisinin maliyeti ise kullanılan yere ve santralin tipine göre 40-230 mills/kWeh arasında olabileceği hesaplanmaktadır. Dolayısıyla bu ülkede rüzgar enerjisi rekabet sınırları içerisindedir.

6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ Rüzgar enerjisi ile üretilen elektrik enerjisinin maliyeti hakkında verilen değerler oldukça farklıdır.Kaliforniya Enerji Komisyonu’nun bir raporuna göre bu maliyet, 1987$ değeri ile 30 ila 50mills/kWeh arasındadır. Bu konuda endüstriyel ölçekte deneyim sahibi olan Kaliforniya’daki “Pacific Gas and Electric Company” tarafından verilen maliyet değeri 54mills/kWeh olup en gerçekçi olanıdır. Rüzgar santrallerinde maliyeti önemli ölçüde etkileyen şebeke yük faktörü oldukça düşüktür.Rüzgar kaynaklı elektrik enerjisinin maliyetinindiğer alternatiflerden daha düşük olabilmesi için şebeke yük faktörünün%30’un üzerinde olması gerekmektedir.Bu nedenle rüzgar santralleri , şebeke yük faktörünü belirleyen rüzgar hızı ve rejimi bakımından uygun olan yerlere kurulmalıdır. Güneş ve rüzgar enerjisi gibi yakıt masrafı olmayan yenilenebilir enerji kaynakları için enerji maliyeti hesabında bazı formüller kullanılmaktadır. Bunlar; 6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ

Ve Burada ; g : Elektrik enerjisi üretim maliyeti , mills/kWeh i : Yıllık faiz oranı , % i1 : Aylık faiz oranı , % m : Sermaye masrafının yüzdesi olarak O&M masrafı Lf : Santralin şebeke yük faktörü , % Cs : Birim tesis bedeli , $/kWe (inşaata başlama tarihinde) k : İnşaat süresince eskalasyon ve faiz etki katsayısı e: Ortalama aylık eskalasyon , % T: İnşaat süresi , ay n : Amortisman süresi , yıl

6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ Örnek Problem 6.4 200 kWe gücündeki modern bir rüzgar santralinde elektrik enerjisi üretim maliyetini hesaplayınız? Verilenler: Cs= 750$/kWe (1988$) Lf= %30 T= 36 ay N= 20 yıl E= %0.5 (aylık) i= %5 (yıllık) i1 = %0.42 (aylık) m= %5 bulunur. İnşaat bitimindeki maliyet: 6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ

6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ (6.2) formülü kullanılarak birim elektrik enerjisi maliyeti Olarak bulunur. 6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ

Yandaki şekildebirim tesis bedeli ve şebeke yük faktörünün elektrik enerjisi maliyetine etkisi görülmektedir.Mesela Cs= 850 $/kWe için , şebeke yük faktörü %30 dan %15 e düştügünde enerji maliyeti yaklaşık 50mills/kWeh dan 100mills/kWeh a çıkmaktadır. Şekil-6.10 Rüzgar santrallerinde elektrik enerjisi maliyetinin birim tesis bedeli ve yük faktörü ile değişimi

6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ Tablo-6.7’de bazı ülkelerin referans gösterdikleri ve 1995-2000 yılları arasında kurulması öngörülen rüzgar santrallerine ait enerji üretim maliyeti dökümü %5 ve %10 iskonto oranlarına göre verilmiştir. 6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ

Örnek Problem 6.5 Türkiyede ortalama hızı V = 5.5m/s olan bir yerde elektrik sağlamak amacıyla 20*500 kW gücünde bir rüzgar türbini parkı kurulacaktır.Gereken minimum rüzgar hızı VR = 8.9 m/s olduğuna göre elektrik üretim maliyetini hesaplayınız? Verilenler: Cs=1000 $/kWe T=48 ay n= 20 yıl e=%0.6 (aylık) i=%6 (yıllık) İ1=%0.5 (aylık) O&M masrafları(m) = 20$/kWeYıl (6.1) denklemi kullanılarak şebeke yük faktörü ; Bulunur. Vr / V = 1.62 için K = 1.22 olmaktadır. Yıllık elektrik enerjisi üretimi ; Ee = 8760 * Ne * Lf = 8760 * 10000 * 0.288 = 25,230,000 kWeh/yıl Fiziki santral direkt yatırım maliyeti ; Id = Cs * Ne = 1000 * 10000 = 10,000,000$ bulunur.

İnşaat süresince eskalasyon ve faiz etki katsayısı (6 İnşaat süresince eskalasyon ve faiz etki katsayısı (6.3) denkleminden ; İnşaat bitimindeki toplam maliyet ; Ik = Id * k = 10 * 1000000 * 1.5 = 15,000,000$ Amortisman faktörü ; sigorta masrafları 0.10 alınabilir. Yıllık sermaye maliyeti; Ck = AF * Ik = 0.1 * 15,000,000 = 1,500,000 $/yıl Birim enerji başına sermaye maliyeti ; Yıllık O&M Maliyeti ; Cm= 20 * 10000 = 200000 $/yıl Birim enerji başına O&M Maliyeti;

6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ Toplam enerji üretim maliyeti ; Olarak hesaplanır. 6.11 RÜZGAR SANTRALLERİNDE ENERJİ MALİYETİ

6.12 DALGA ve JEOTERMAL ENERJİ Kullanılması mümkün görülen diğer yenilebilir enerji kaynakları olarak dalga ve jeotermal enerjiyi sayabiliriz.Kullanılabilir kapasite,sahilin birim uzunluğu başına sakin havalarda birkaç kWe/m, dalgalı denizlerde ise birkaç Mwe/m olduğu hesaplanmaktadır. Kapasite derinlikte artar ve 100m derinliğe kadar kullanılabilir. Dalga enerjisi kaynaklı santralin birim tesis bedeli, rüzgar kaynaklı santralin 2 katı olmakta ve elektrik maliyetinin geliştirilmiş dizay ile 100 ila 150 mills/kWeh olacağı tahmin edilmektedir.

6.12 DALGA ve JEOTERMAL ENERJİ Önemli yenilenebilir enerji kaynağı olan jeotermal enerji ise halen dünyanın pekçok yerinde sıcak sı kaynağı olarak kullanılmaktadır. Kullanılan jeotermal rezervler sıcak su kullanımının yanısıra kuru buhar ve yaş buhar kaynağı olarak ta kullanılarak elektrik enerjisi üretilebilmektedir. Ancak jeotermal buharın kimyasal ve katı maddeler içermesi nedeni ile aşınma ve çevre kirliliği problemleri yaratmaktadır. Türkiye’de jeotermal kaynaklı 4500MWe elektrik ve 31000MWt ısı potansiyeli bulunmaktadır.Derinlerde bulunan Sıcak Kuru Kayalarda (HDR) önemli bir potansiyel bulunduğu düşünülmektedir. 1981’de “Los alamos” lab.larında yapılan etüdlere göre 75MWe gücündeki jeotermal kaynaklı bir santralin birim tesis bedelinin 2053$/kWe ve elektrik enerjisi maliyetinin 45mills/kWeh olabileceği iddia edilmektedir. 6.12 DALGA ve JEOTERMAL ENERJİ