Türkiye'de Güneş Enerjisi Potansiyeli

TÜRKİYEDE GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ
VE EİE'DEKİ ÇALIŞMALAR

F.Birsen Alaçakır
balacakir@eie.gov.tr
Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü, Ankara,

ÖZET

Bu çalışmada, bir yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin ülkemizdeki kullanım potansiyeli ve bu enerjiyi ısı enerjisine dönüştüren Termal Sistemler ile elektrik enerjisine dönüştüren Güneş Pilleri konusunda EİE de yapılan çalışmalar özetlenecektir.

GİRİŞ

Yenilenebilir enerji kaynaklarının önem kazanmasının başlıca nedeni, dünya nufusunun artmasıyla birlikte enerji isteminin artması, buna paralel olarak fosil kaynaklı yakıtların oluşturduğu çevre kirliliğidir. Bilim adamları, gelecekte büyük problemlere neden olacak ve halen etkilerini atmosferik koşulların değişmesini gözlemleyerek de görebildiğimiz bu sorunun giderilmesi için yenilenebilir enerji kaynakları konusunda yüzlerce proje üzerinde çalışmaktadırlar. Ülkemizde de bilimsel çalışmaları izlemek, teknolojide bilgi birikimine önder olmak, kullanıcıya en ucuz ve optimum şekilde sistem tasarımı sunmak amacıyla 1982 yılında, EİE İdaresi Genel Müdürlüğünde çalışmalara başlanarak üniversitelere ve özel sektöre önder olacak çalışmalar yapılmıştır.

Termonükleer bir reaktör olan güneşten çeşitli dalga boylarında (62 MW/m2) enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden yayılan enerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne gelmektedir.

Güneş enerjisinin atmosfer dışındaki ışınım değeri 1375 W/m²'dir. Güneş enerjisinin yeryüzündeki dağılımı dünyanın şekli nedeniyle büyük farklılıklar göstermekte olup, dünyaya gelen ortalama güneş enerjisi 0 ila 1100 W/m2 arasında değişir.

Güneş ışınımının tamamı dünyaya ulaşmaz, %30 kadarı dünya atmosferi tarafından geriye yansıtılır, %50'si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Güneşten gelen ışınımının %20'si ise, atmosfer ve bulutlarda tutulur. Dünya'ya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir.

TÜRKİYEDE GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ

Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü'nde (DMİ) mevcut bulunan 1966 - 1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya göre;

  • Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat, bu da günlük toplam 7.2 saate eşittir.
  • Ortalama yıllık toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m² bu da günlük toplam 3.6 kWh/m² ye eşittir.

sonuçlarına ulaşılmıştır.

Aylara göre Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri Tablo-1 de verilmiştir.

Tablo-1 Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli
Ref. EİE Genel Müdürlüğü
AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ
(kcal/cm2-ay) - (kWh/m2-ay)
GÜNEŞLENME SÜRESİ
(saat/ay)
OCAK 4.45 51.75 103.0
ŞUBAT 5.44 63.27 115.0
MART 8.31 96.65 165.0
NİSAN 10.51 122.23 197.0
MAYIS 13.23 153.86 273.0
HAZİRAN 14.51 168.75 325.0
TEMMUZ 15.08 175.38 365.0
AĞUSTOS 13.62 158.40 343.0
EYLÜL 10.60 123.28 280.0
EKİM 7.73 89.90 214.0
KASIM 5.23 60.82 157.0
ARALIK 4.03 46.87 103.0
TOPLAM 112.74 1311 2640
ORTALAMA 308.0 cal/cm2-gün 3.6 kWh/m2-gün 7.2 saat /gün

Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir.

Ancak, bu değerlerin, Türkiye'nin gerçek güneş enerjisi potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır. 1992 yılında EİE ile DMİ arasında işbirliği yapılarak, ülkemizin gerçek güneş enerjisi potansiyelini belirlemek amacıyla yeni bir proje başlatılmıştır. Çeşitli illerde yeni gözlem istasyonları kurularak enerji amaçlı güneş enerjisi ölçümleri alınmaktadır. Devam etmekte olan ölçüm çalışmalarının sonucunda, Türkiye güneş enerjisi potansiyelinin eski değerlerden %20-25 daha fazla olacağı öngörülmektedir.

Ülkemizin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin coğrafi bölgelerimize göre dağılımı Tablo- 2 de görülmektedir.

Tablo-2 Türkiye'nin Yıllık Toplam Güneş Enerjisi Potansiyelinin Bölgelere göre Dağılımı, Ref. EİE Genel Müdürlüğü
BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ
(kWh/m2-yıl)
GÜNEŞLENME SÜRESİ (saat/yıl)
G.DOĞU ANADOLU 1460 2993
AKDENİZ 1390 2956
DOĞU ANADOLU 1365 2664
İÇ ANADOLU 1314 2628
EGE 1304 2738
MARMARA 1168 2409
KARADENİZ 1120 1971

Bu proje kapsamında; EİE' nin ölçüm yaptığı 8 gözlem istasyonundan alınan yeni ölçümler ve DMİ verileri yardımı ile 58 ile ait güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri değerleri hesaplanarak Türkiye'nin Güneş Işınımı ve Güneşlenme Süreleri adlı bir kitapçık halinde basılmıştır.

GÜNEŞ ENERJİSİ TEKNOLOJİLERİ

Güneş enerjisi teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:

Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir.

Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller de denen bu yarıiletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler.

ISIL GÜNEŞ TEKNOLOJİLERİ

Isıl güneş teknolojileri; düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık olmak üzere üç grupta incelenir.

Düşük sıcaklık (70°C) uygulamalarının en belirgin örneği düzlemsel güneş kolektörleridir. Orta sıcaklık (350-400°C) uygulamasına parabolik oluk kolektörler, yüksek sıcaklığa ise, parabolik çanak (800 °C) ve merkezi alıcılar (565 °C) örnek olarak gösterilebilir.

Ülkemizin Akdeniz ve Ege Bölgelerinde daha yaygın kullanılmakta olan düzlemsel güneş kolektörleri, en çok evlerde, turistik tesislerde su ısıtma amacıyla, yüzme havuzlarına ve sanayi tesislerine sıcak su sağlanmasında kullanılmaktadır.

Dünya genelinde kurulu bulunan düzlemsel güneş kolektörü alanı 100 milyon m2' in üzerindedir. En fazla güneş kolektörü bulunan ülkeler arasında ABD, Japonya, Türkiye, Avustralya İsrail ve Yunanistan yer almaktadır.

Halen ülkemizde kurulu olan güneş kolektörü alanı yaklaşık 12 milyon m² olup, yıllık üretim hacmi 750 bin m² dir. Güneş enerjisinden ısı enerjisi yıllık üretimi 420 bin TEP civarındadır. Bu haliyle ülkemiz dünyada kayda değer bir güneş kolektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır.

Güneş kolektörlerinin ürettiği ısıl enerjinin birincil enerji tüketimimize katkısı yıllara göre aşağıda yer almaktadır.

Yıl Güneş Enerjisi Üretimi
(bin TEP)
1998 210
1999 236
2000 262
2001 290
2004 375
2007 420

Türkiye, 12 milyon m² kurulu kolektör alanı ile dünyanın önde gelen ülkelerinden biri konumundadır. Ancak bu kurulu alan miktarlarını, nüfus ile orantılamakta fayda vardır. Bu açıdan bakılacak olursa; kişi başına düşen güneş kolektörü alanı olarak dünyada en çok kullanım 0.85 m2/kişi ile Kıbrıs, bunu 0.55 m2/kişi ile İsrail ve 0.2 m2/kişi ile Yunanistan izlemektedir. Ülkemizdeki durum ise 0.1 m2 /kişi ile bunların gerisindedir. Mevcut olan sistemlerin iki katı kadar daha kullanım potansiyeli vardır.

Güneş enerjisi teknik potasiyelimiz 76 Milyon Ton Eşdeğer Petrol (TEP) büyüklüğündedir. Bu potansiyelin ısı enerjisi olarak kullanımı kapsamında, 12 milyon m2 alanlı güneş kolektörleri ile 420 Bin TEP lik bölümünü değerlendiriyoruz. Diğer ülkelerde ulaşılan en büyük kolektör kullanım değerinin kişi başına 0.5 m2 olduğu düşünüldüğünde, yaklaşık 850 Bin TEP'lik potansiyeli de kullanabilmemiz sözkonusudur.

Türkiye'de 10'u büyük olmak üzere 100 civarında üretici bulunmaktadır. İhracat da yapılmaktadır.

EİE İdaresi Genel Müdürlüğü Düzlemsel Güneş Kolektörü Test Çalışmaları:

Ülkemizdeki kolektör üretimini daha kaliteli hale getirmek ve standard kolektör üretimi bilincinin oluşmasına yardımcı olmak amacıyla EİE Yenilenebilir Enerji Kaynakları Araştırma Parkına bilgisayar destekli bir güneş kolektörü test standı tesis edilmiştir. Türk Standartları Enstitüsü ile yapılan protokol çerçevesinde TS 3680 standardının ısıl performans deneyleri bu standda gerçekleştirilmektedir. Ayrıca kaliteli üretimi teşvik etmek amacıyla, kurumuza özel sektörden gönderilen kolektörler de test edilmektedir.

EİE İdaresi Genel Müdürlüğünde İmal Edilen Güneş Ocakları

Genel Müdürlüğümüzün dünyada uygulaması olan güneş enerjisi teknolojilerinin ülkemize kazandırılması çalışmaları kapsamında, Hindistan ve Çin gibi kırsal nüfus yoğunluğu yüksek olan ülkelerde kullanılan güneş ocaklarının ülkemizde tanıtılması ve yaygınlaştırılması amacıyla çalışmalar yapılmaktadır. Bu kapsamda tasarımı ve imalatı genel Müdürlüğümüzce gerçekleştirilen 100 adet güneş ocağı çeşitli kuruluşlarla işbirliği içerisinde kullanıcı ve imalatçılara tanıtılmaktadır.

Özellikle güneşin parlak olduğu günlerde odak noktasındaki sıcaklık 130-140 °C‘yi bulan Güneş Ocağı kırsal evlerin yanı sıra kırda, piknikte kullanılabilmektedir.

GÜNEŞ PİLLERİ

Güneş pilleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren yarıiletken aygıtlardır.

Elektronik sanayinde önemli bir madde olan silisyum, güneş pilinin de en yaygın hammaddesidir. Teknolojik olarak tek kristalli, çok kristalli ve amorf yapılı üretilen güneş pilleri ticari olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır ve verimleri sırasıyla; modüler bazda, % 15-17; % 12- 14; % 5-8 olarak verilebilir. Laboratuvarlarda ulaşılan en yüksek pil verimleri ise; 1 cm 2 'lik pil alanı için: Kristal-si güneş pili: % 25; polikristal-si güneş pili: % 20; amorf-si güneş pili: %13 olarak verilmektedir. Bu tek eklemli güneş pillerinden başka laboratuvar ortamında geliştirilmiş olan çok eklemli (TANDEM) güneş pilleri ile % 33 verimlere ulaşılmıştır. Teorik olarak ulaşılacağı tahmin edilen verim ise % 40'dır.

Son yıllarda ticari ortama girmiş olan geleneksel Si güneş pillerinin yerini alabilecek verimleri aynı ama üretim teknolojileri daha kolay ve daha ucuz olan güneş pilleri üzerinde de çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Bunlar; fotoelektrokimyasal çok kristalli Titanyum Dioksit piller, polimer yapılı Plastik piller ve güneş spektrumunun çeşitli dalgaboylarına uyum sağlayacak şekilde üretilebilen enerji band aralığına sahip Kuantum güneş pilleri gibi yeni teknolojiler oluşturulmaktadır.

PV teknolojisinde oluşan bu gelişmeler ve PV pazarının büyümesiyle maliyetler düşüş eğilimi göstermektedir. Amorf tabanlı güneş pilleri, 3-4 $/W, Kristal Silisyum tabanlı piller; 4-6 $/W arasında maliyete sahiptir. Yeni teknoloji güneş pili modül uygulamalarında maliyetin Watt başına 1 $' ın altında olacağı beklenmektedir.

Güneş pillerinin henüz verimlerinin düşük olması ve yüksek verimli (%30) güneş pillerinin ticari olmaması dolayısıyla, üretilen elektriğin fiyatının yüksek olması (aküsüz sistemlerde 25 cent/kWh) bir dezavantaj oluşturmaktadır.

Güneş pilleri, enterkonnekte şebekenin bulunmadığı veya taşınmasının zor olduğu yerlerde Fiyat/ Kazanç oranı gözönüne alınmaksızın düşük güçlü (birkaç kW) bağımsız sistemler halinde uygulanabilecek güç kaynaklarıdır.

Fotovoltaik (PV) sistemin ilk yatırım maliyetinin yüksek olması, güneş olmadığı zamanlarda üretimin kesintiye uğraması karşılaşılan önemli engellerdir. Kesintili üretime çözüm olarak güneş enerjisi fosil yakıtlarla birlikte kullanılmakta ya da depolanmaktadır. Ekonomik analizlerde fosil yakıtların neden olduğu çevre kirliliğinin de yarattığı olumsuz etkilerin hesaba katılması temiz enerji kaynağı olan güneş enerjisinin yararınadır. İlk yatırım maliyetinin yüksek olması problemine karşı ise, çeşitli ülkelerde devletlerin oluşturduğu teşvik yasaları ve maliyetin belli bir kısmına sübvansiyon uygulamaları gibi tedbirler alınmaktadır.

EİE İDARESİNDE GÜNEŞ PİLİ SİSTEM ÇALIŞMALARI

Güneş pilleri konusunda EİE İdaresinde yapılan çalışmalar, 1983 yılında başlamış olup, Ülkemizde güneş pilleri konusunda yapılan çalışmaların ilk olması ve diğer kurumların da çalışmalarına önder olması bakımından önem arz etmektedir. İlk yatırım maliyetinin yüksek olması, veriminin ticari ortamda istenilen düzeye çıkamamış olmasına rağmen EİE'nin amacı, teknolojide bilgi birikimine önder olmak, kullanıcıya en ucuz ve optimum şekilde sistem tasarımı sunmaktır.

Geçtiğimiz son beş yılda dünya genelinde PV üretimi yıllık bazda % 30 civarında bir büyüme oranına sahip olarak, 2006' da dünya genelindeki toplam kurulu güç kapasitesi 2000 MW'a yaklaşmıştır. Türkiye'de ise 1 MW civarındadır.

Ülkemizde Güneş Pili Sistemleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak oluşturulan bir günes pili sistemi, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Bunun dışında dizel jeneratörler ya da başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mümkündür.

EİE' de bu konuda yapılan ilk çalışma, ANAEM katıhal fiziği Grubu ile yapılan ortak proje kapsamında MIS (metal-yalıtkan-yarıiletken) türü 2 W' lık güneş pili modülü laboratuvar ortamında oluşturulmuştur.

Güneş pili sistemlerinin yapısal ve işletim özelliklerinin araştırılması projesinde: l.6 kWp gücünde tek kristalli güneş pili sistemi tesis edilerek işletilmiştir.

Güneş pillerinin, küçük ölçekli zirai sulamada kullanılması imkanlarının araştırıldığı projede ise; 616 Wp PV, 3- 6 m3/saat debiye sahip dalgıç pompa, mak. gücü 1400 W olan inverter kullanılmıştır.

Güneş pilleri aydınlatma projesinde ise, çevre aydınlatmasında kullanılmak üzere bağımsız birimler geliştirilmiştir. Bu aydınlatma birimlerinde, iki adet polikristal güneş pili modülü ( her biri 53 Wp), 20 W gücünde bir lamba, 150 VA gücünde inverter ve 12V- 110 Ah lik akü kullanılmıştır.

PV trafik ikaz sistemi projesinde ise, karayollarında trafik ikazı için kullanılabilecek olan güneş pili sistemi tasarlanmıştır. 48 Wp gücünde polikristal bir güneş pili modülü, bir şarj kontrol birimi, 12 V- 40 Ah akü ve 8 W lık bir dc lamba kullanılmıştır.

Şebeke bağlantılı sistemler konusunda teknolojiyi izlemek için, 2 Haziran 1998' de Ülkemizde ilk kez Didim Güneş ve Rüzgar Araştırma Merkezinde 4.8 kWp gücünde şebeke bağlantılı güneş pili sistemi kurulmuştur. Sistemin günlük ortalama üretiği enerji 20 kWh civarında olmuştur.

Son olarak, 5 kWp güce sahip şebeke bağlantılı güneş pili sistemi, enerjisini yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlayan bu örnek binanın çatısına monte edilmiştir ve enerjisini evin elektrik şebekesine vermektedir. 15 Mart 2006' dan itibaren çalışmaya başlayan sistem günlük ortalama 16 kWh civarında enerji üretmektedir.

EİE, Orman Bakanlığı, Türk Telekom ve Üniversiteler gibi resmi kuruluşlar güneş pillerini çeşitli uygulamalarda kullanmaktadırlar. Bunlara ek olarak çok ender örnekler olmakla birlikte, kişilerin bireysel olarak güneş pillerini konutlarında kullandıkları da gözlenmektedir.

Güneş enerjisinin daha yaygın kullanılmasını engelleyen bir takım teknik, ekonomik ve kurumsal engeller bulunmaktadır. En önemlileri;

  • Güneş enerjisi üretim ve ilk yatırım maliyetinin yüksek olması ve verimin düşük olması,
  • Güneş olmadığı zamanlarda üretimin kesintiye uğraması,
  • 5346 sayılı YEK kanununun getirdiği teşviklerin yetersiz kalması (yani YEK den üretilen elektrik enerjisi 5-5,5 € cent/kWh olarak öncelikli olarak satın alınmaktadır.

Bazı Avrupa ülkelerinde, ilk yatırım maliyetinin yüksek olmasına çözüm olarak; geri ödeme dönemi uzun, düşük faizli kredi imkanları oluşturulmakta ve maliyetin belli bir kısmına sübvansiyon uygulanmaktadır.

Ülkemizdeki yasal düzenlemeleri tekrar yapılandırılarak, üretici ve tüketicilerin teşvik edilmesi sağlanabilecek ve diğer ülkelerdeki gibi ülkemizde de güneş pillerinin kullanımı yaygınlaşabilecektir.