Güneş, insanlığın ihtiyacı olan enerjinin binlerce katını dünyamıza sağlamaya devam ediyor. Ancak en büyük ekosistem olan dünyamızın, milyarlarca yıldır faydalandığı bu enerjiden insanoğlu, geliştirdiği teknik ve teknolojilerle ancak birkaç on yıldır gerçek anlamda yararlanabiliyor. Enerji savaşlarıyla insanlık birbirini boğazlamamış, doğayı dikkate almadan yaptığı yatırım ve işlerle iklim değişikliğine neden olmamış ve kirlilik vb. çevresel problemler yaşanmamış olsa, belki de daha uzun yıllar bu konuda büyük adımlar atılamayacak, yenilenebilir enerji alanında önemli ilerlemeler sağlanamayacaktı.

Güneşin insanlığın geleceği olduğu konusunda hiçbir şüphe yok. Bugün hemen hemen her ülke, coğrafyasına, yeraltı ve yerüstü kaynaklarına uygun olarak enerji çeşitliliğini ve bundan yararlanma yollarını bulmuş durumda. Birçok insan, başta foto-voltaik güneş hücreleri ve güneş panelleri olmak üzere güneş enerjisi ile ilgili pek çok şeyi işitmiş bulunuyor. Güneş enerjisiyle ilgili olarak yapılan çalışmalar bir taraftan verimliliği arttırırken diğer taraftan da maliyetleri önemli ölçüde düşürdü ve güneş enerjisi yaygın kullanım alanına ulaştı. 2008’den 2013’e kadar yaklaşık %50 düşen maliyetler, 2015-2017 arasında %40 daha düştü ve bunun sonucu olarak 2030’a doğru, dünya enerji tüketiminin %20’den daha büyük bir kısmı güneş enerjisinden sağlanmış olacak.

Bununla birlikte, güneş enerjisi alanında malzeme ve sistem maliyetleri büyük ölçüde düşerken teknoloji görece daha yavaş gelişiyor. Teknolojiyi ve üretim tekniklerini geliştirmek amacıyla dünyanın dört bir tarafında araştırmacılar ve bilim insanları dünyamıza gelen güneş ışınlarının toplanması ve bunların elektriğe dönüştürülmesi için birçok araştırma ve çalışma yürütüyorlar.

Güneş içimizi ısıtmaya devam ederken, güneş enerjisi teknolojileri nereye gidiyor?

Her yeni teknoloji aynı zamanda kendi iş ekosistemini yaratıyor. Bu yeni ekosistemler de birçok kişi ve kuruluşa yeni fırsatlar sunuyor. Örneğin Panasonic, elektrikli araçlar için Tesla’ya batarya hücreleri üretiyor; Tesla elektrikli araçların yanı sıra Avustralya’da 100 MW’lık bir enerji depolama tesisini kurmuş bulunuyor; Çin’liler ise ilk kez kendisine ait güneş panelleri üretim tesisini ABD’de işletmeye alıyor. Henüz ülkemizde olmasa bile, yurt dışında insanlar çatılarını kiraya verip GES’lerin kurulmasını sağlıyor ve ek gelir elde ediyorlar. Çok sayıda yeni GES kurulumları ve bunların şebekeye bağlanabilmesi amacıyla büyük miktarlarda orta gerilim kablosu üretilip satılıyor, ticareti yapılıyor, vb. Sonuçta bütün bu faaliyetler karşılıklı olarak birbirini tetikliyor ve yeni iş imkanlarının doğmasına ve fiyatların düşmesine, teknolojilerin daha ileriye gitmesine neden oluyor.

Görüldüğü gibi güneş enerjisinden yalnızca elektrik üretiminde değil, dolaylı pek çok alanda da faydalar elde ediliyor, yeni işler geliştiriliyor, güneşten önemli kazançlar sağlanıyor.

Aşağıda, son yıllarda yürütülmekte olan bazı güneş enerjisi teknolojileri hakkında, yerimizin elverdiği ölçüde bilgi vermek istiyorum. İlginizi çekeceğinizi umarım.

Biyolojik Malzemelerden Üretilmiş Güneş Hücreleri

Bir süredir bilim insanları ve araştırmacılar biyolojik malzemelerden üretilmiş güneş hücreleri üzerine çalışıyor. Kablosuz cihazların güç ihtiyacının bu malzemeler yoluyla daha kolay karşılanabileceği düşünülüyor. Kullanılan biyolojik malzeme ise cyanobacteria adı verilen bir bakteri. Söz konusu biyolojik güneş hücrelerinin verimliliği, konvansiyonel PV güneş hücreleri verimliliğinin epeyi uzağında. Ancak, teknolojinin bu verimliliği yakalayacağı ümit ediliyor. Araştırmacılardan Sean Choi, biyo-hücrelerin bazı uygulamalarda (remote areas) bataryalara alternatif olabileceğine inandığını söylüyor. (1)

Enerji Hasat Edilebilen/Toplanabilen Ağaçlar

Enerji toplanabilen ağaçlar en önemli çevre ve doğa dostu yapay ağaçlar ve yenilenebilir enerji alanında umut vadeden bir nano teknoloji ürünü. Öyle ki hem güneş enerjisinin hem de rüzgar enerjisinin değerlendirilmesine imkan sağlıyorlar. Ağacın yaprakları yardımıyla rüzgar ve güneşten toplanan enerji, elektrik enerjisine dönüştürülüyor. Halen böyle bir ağaçtan elde edilen elektrik ile bir evin ihtiyacı karşılanabilecek düzeyde. Özellikle yakın gelecekte, elektrikli araçların hemen her evde bulunacağını düşünürsek, bu yapay enerji ağaçlarının önemi daha da iyi anlaşılacaktır. (2)

Nano yaprakların tasarım esasını photo-sentez süreci oluşturuyor. Foto-sentez olayında bitki güneş enerjisinden ışığı ayırıp alarak atmosfere karbon dioksiti salmakta, ışığı nişasta ve oksijene dönüştürüp oksijen de yine atmosfere verilmektedir. Bu yapay ağaçlarda ise bir adım öteye gidilerek güneş enerjisinden hem ısı hem de ışık alınıp elektriğe dönüştürülmektedir. Ayrıca, nano yaprakların sapları rüzgardan kinetik enerjiyi toplayacak şekilde tasarlanmış olup bu kinetik enerji de elektriğe dönüştürülmektedir.

Özetleyecek olursak, bu ağaçlardan elektrik üretimi üç yolla olmaktadır. Birincisi, yapraklarda bulunan nano-foto voltaik jeneratörler yardımıyla yaprak doğrudan güneş enerjisini elektriğe dönüştürmektedir. İkincisi nano termo-elektrik hücreler güneşin ısı enerjisini elektriğe dönüştürürken, üçüncü olarak nano piezo-elektrik jeneratörler rüzgar enerjisinin elektriğe dönüşümünü sağlamaktadır. Bu yenilikçi teknoloji sayesinde, dünyanın en temiz enerjisi üretilmiş olmaktadır. Araştırmacılar benzer biçimde yağmur damlalarının kinetik enerjisinden yararlanma konusunda da epeyi yol almış bulunuyorlar.

Diğer taraftan Finlandiya’daki bir grup araştırmacı da benzer biçimde yapraklarında güneş enerjisini depolayabilecek bir ağaç üzerinde çalışıyorlar. Toplanan bu enerjiyle cep telefonlarının ve küçük ölçekteki cihazların şarj edilebileceği, çalıştırılabileceği düşünülüyor. Ağaçlar 3D yazıcı çıktısına benziyor ve biyo malzemeleri kullanarak organik bir ağacı taklit ediyor. Her bir yaprak hem güneş ışığından enerji üretiyor hem de rüzgarın yarattığı kinetik enerjiden yararlanıyor. Ağaç kapalı alanda çalışabilecek şekilde tasarlanmış. Proje şu anda Finlandiya VTT Araştırma Merkezinde prototip aşamasında bulunuyor.

Bu yenilikçi teknolojinin uygulanabileceği alanlar olarak tuzlu bölgelerde su arıtma tesislerinin enerji ihtiyacının karşılanması, golf sahalarında kullanılan çim biçme ve elektrikli araçların şarjı, benzer biçimde mobil ekipmanın (cep telefonları, dizüstü bilgisayarları vb.) şarjı, cadde ve sokakların gece aydınlatması, hibrid ve elektrikli araçların şarjı vb. sayılabilir.

Perovskit

Perovskit 1839 yılında keşfedilen bir mineral (Kalsiyum Titanyum Oksit / CaTiO3). Yüksek verimlilik sağlayan kristal yapısı, süper iletkenliği ve elektrik yükünü taşıma kabiliyeti ile dikkati çekiyor. 2009 yılında perovskitten yapılmış ilk güneş hücreleri gerçekleştirildiğinde verimlilik %3-4 seviyelerindeydi. Bugün ise bu rakam %25’in üzerine çıkmış bulunuyor. Ancak, stabilizasyon hala önemli bir sorun.

Son zamanlarda perovskit üzerine yapılan çalışmalar, bize güneş enerjisi uygulamalarında daha ucuz malzeme ve yüksek enerji verimliliği konusunda önemli fırsatlar sunacağa benziyor. Araştırmacılar geleceğin temiz enerji çözümlerinde perovskitin oynayacağı role özellikle dikkati çekiyorlar. Oda sıcaklığında stabil ve ince bir film olarak dökülebiliyor. Nitekim, güneş ışınlarını absorbe etmek amacıyla bir yüzey üzerine boya şeklinde uygulanabildiği gibi püskürtülebiliyor da. Böylece oluşturulan güneş hücreleri, enerji üretebilir hale geliyor. Bu hücreler gazete kağıdı gibi rulo haline de getirilebiliyor; kullanımı açısından da açık alan/arazi, binaların çatıları, yollar, arabalar hatta uçak kanatları vb. her ortam sayılabilir, hiçbir sınır yok.

Burada akla şu soru gelebilir, silisyum esaslı panellerle karşılaştırdığımızda daha mı fazla enerji topluyor? Bilim insanları bu sorunun cevabı olarak, şu anda olmasa bile yakın gelecek için “evet” diyorlar. Aslında laboratuvar testlerinde verimlilik açısından PV hücreleri geçmiş, %22,7 değeri elde edilmiş bulunuyor ki bu üst sınır değil ve verimliliğin daha da yükselme (%35-40) ihtimali çok fazla. Halen dünyanın dört bir tarafında perovskitle ilgili birçok çalışma yürütülüyor (3).

Bununla birlikte perovskitin daha keşfedilmesi gereken birçok yanları var ve ticari bir ürün olarak piyasaya sunulmasıyla ilgili bir dizi çalışmaların, performans optimizasyonu vb. yapılması gerekiyor. Bu çalışmalara bağlı olarak, 4-5 yıl içerisinde ticari bir ürün haline gelebileceği öngörülüyor.

Su-üstü Güneş Enerji Santralları

Bazı ülkelerde ne yazık ki güneş enerji santralları (GES) kurmak için yeterli büyüklükte arazi; gölgelenmeyen, eski olmayan ve mülkiyet problemi bulunmayan fazla sayıda çatı vb. yok. Bu açıdan güneş enerji uygulamaları için en iyi çözüm yollarından birisi de su üstüne kurulan güneş enerji santralları. Bu santralların kurulduğu su alanları göller ve göletler olabileceği gibi geniş nehir alanları da olabiliyor. 2008 yılında alınan patentin üzerinden geçen on yılda, dünyanın pek çok yerinde çok sayıda su-üstü güneş enerji santralları kurulmuş bulunuyor.

Su-üstü santralların en büyük avantajı, kıymetli arazilerin (tarım/hayvancılık alanları) yerine daha değersiz göl ve gölet alanları, HES rezervuar bölgeleri, atık su arıtma tesisleri dinlendirme havuzları, vb alanlara kurulabilmesi. Güneş panelleri her ne kadar yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı ise de sistemi oluşturan diğer bazı malzemeler çoğu kez aşırı sıcaklığa duyarlı ve bu da bazı performans kayıplarına neden olabiliyor. Su üstü uygulamalar ise bunu önlüyor. Yine bir diğer önemli avantajı da söz konusu alanlarda buharlaşmanın önüne geçerek suyun azalmasını engelliyor; kuraklık, vb. çevre için olumsuz olabilecek durumları azaltıyor. Ayrıca yarattığı gölge etkisiyle, içme suyu rezervuarlarında oluşabilecek alg tipi zararlı yosunları azaltıp içme suyundan yararlanan insanların ve hayvanların hastalanmalarını, zehirlenmelerini önlüyor. Son olarak, bize temiz enerji sağladığını da ekleyelim.

Avantajlarının yanında su-üstü güneş enerji santrallarının en önemli dezavantajı, özel ekipman ve işçilik/mühendislik gerektirmesi nedeniyle maliyetinin bir miktar daha pahalı olması. Ancak zamanla bu maliyetlerin düşeceğini söylemek yanlış olmayacaktır.

Dünyadaki en büyük su-üstü güneş enerji santralı Çin’de bulunuyor ve 40 MW kurulu güçte. Bir diğer büyük santral da Japonya’da ve 13,7 MW kurulu güce sahip. ABD’deki ilk su-üstü GES ise Kaliforniya’da ve sadece 252 KW büyüklüğünde. Ayrıca Fransız Ciel & Terre Firması bu alanda çalışan önemli firmalardan bir başkası ve 2011 yılından bu yana, ilk uygulaması Fransa-İngiltere arasında olmak üzere, çok sayıda büyük ölçekli su-üstü güneş enerji santralını Hindistan ve Japonya’da gerçekleştirmiş bulunuyor (4).

Ülkemizde de İstanbul Büyükşehir Belediyesinin bir kuruluşu olan İstanbul Enerji, bir ARGE çalışması olarak, Bereket Enerji’den temin etmiş olduğu güneş panelleriyle Türkiye’nin ilk su-üstü güneş enerji santralını 2017 yılında işletmeye almış bulunuyor. Santralın 210 kW’lık kısmı Çekmece Gölü üzerinde, 30 kW’lık kısmı ise karada yer alıyor ve toplam kapasite 240 kW kurulu güçte.

Uzayda Konuşlanmış Güneş Enerji Uydularından Kablosuz Güç Aktarma

Bildiğiniz gibi yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde güneş, hava şartlarına oldukça bağımlı bir enerji kaynağı ve ayrıca günün yarısından daha fazla bir zamanda elektrik üretimine imkan vermiyor. Buna kafa yoran bilim insanları, uzayda hava şartlarının yeryüzünden tamamen farklı ve güneş ışınlarının da sürekli gelmesinden hareketle, gözlerini uzaya çevirmiş bulunuyor. Bu sayede yenilenebilir enerji ekonomisinin omurgasını güneşin oluşturması, gelecekte daha büyük bir ihtimal olarak önümüze çıkıyor.

Japon Uzay Ajansı JAXA, yirmi beş yıllık teknoloji geliştirme yol haritasına göre, 2030’da yeryüzüne 1GW’lık güneş enerjisi yollanmasını öngörüyor ve bu amaçla sistemin en zor kısmı olan uzun menzilli kablosuz güç aktarımında elde etmiş olduğu gelişmeleri, birlikte çalıştığı Mitsubishi firmasıyla beraber gerçekleştirdiği bir demonstrasyonla kamuoyuna duyurmuş bulunuyor. SPS’lerde (solar power satellites) toplanan enerjinin kablosuz olarak aktarımında, muhtemelen ya laser ya da mikro dalga kullanımı söz konusu olacak. Ancak biliniyor ki laserin de bulutlu ortamlarda çalışma güçlüğü var ve geriye en uygun çözüm olarak mikro dalga kullanımı kalıyor.

Mitsubishi firması önümüzdeki birkaç yıl içerisinde, örneğin elektrikli araç uygulamalarında, kısa menzil yüksek güç transferinin gerçekleşebileceğini düşünüyor. Japon Uzay Ajansı JAXA ise her şey yolunda giderse 2030larda 1 GW’lık bir ticari pilot uygulamayı hayata geçirmeyi planlıyor. (5)

Solar Pencereler

Her gün büyüyen güneş enerji piyasasında şirketler, bilinen teknolojilerin ötesinde yeni ve farklı teknolojiler geliştirmek için yoğun bir biçimde çalışıyorlar. Geleceğe yön vereceği düşünülen teknolojik yeniliklerden birisi de her ne kadar tam olarak ticarileşmemiş olsa da solar pencereler. Aslında bir süredir binalara entegre foto-voltaik sistemler (BIPV) olarak anılıyorlar. Şu aralar çokça duyduğumuz Tesla’nın çatı kiremitleri de BIPV’lerin bir başka versiyonu.

Solar pencereler, güneşten gelen enerjiyi toplayabilecek güneş panellerinden yapılıyor ve toplanan enerjiyi elektriğe dönüştürüyorlar. Bu paneller her türlü pencereye uyacak şekilde ve bu sayede binalar, ihtiyaç duydukları elektriğin bir kısmını şebekeden bağımsız olarak kendileri temin etmiş oluyorlar. Solar pencerelerin hayatımıza girmesi gelecekte fosil yakıtlara bağımlılığımızı daha da azaltacak, enerji için yurt dışına ödediğimiz dövizin bir kısmını önlemiş olacak ve hepsinden önemlisi hepimiz için sürdürülebilir bir geleceği sağlayabilecektir.

Değişik kurum ve kuruluşlar solar pencereler yardımıyla elektrik üretimine yönelik olarak, organik foto-voltaikler üzerine (OPV) uzun zamandır çalışıyorlar. Hedef solar pencereler yardımıyla ticari binaları, kuleleri ve gökdelenleri dikey elektrik jeneratörlerine dönüştürmek. Araştırmacılar solar pencerelerin kullanımıyla, 50 kat yüksekliğindeki bir kulenin, yılda 2,2 milyon aracın ürettiği emisyona eşdeğer bir karbon miktarını azaltabileceğini düşünüyorlar (6) 

YARARLANILAN KAYNAKLAR:

(1) The Future of Solar Energy / Conserve Energy Future

(2) Energy harvesting trees, / Mohan Singh

(3) Perovskite: The next frontier in solar energy efficiency / Conserve Energy Future

(4) Floating Solar: What you need to know / Kerry Thoubborron

(5) Japan demoes wireless power transmission for space-based solar farms, / Evan Ackerman

(6) Solar Windows: can you turn your windows into solar panels? / Jacob Marsh