Enerji Depolama Sistemleri

ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ

TÜRKİYE'DE POMPAJ DEPOLAMALI SANTRALLERE NEDEN İHTİYAÇ VAR?

Mücahit SAV

Mak. Yük. Müh.

Giriş

Enerjinin depolanması ihtiyacı, son yıllarda gelişen serbest piyasa modelleri ile birlikte, daha çok önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından (YEK) yararlanılarak daha fazla üretim yapılması hedeflerine ulaşmada, sistemin kararlılığının sağlanabilmesi için enerjinin depolanmasına olan ihtiyaç da giderek artmaktadır.

Günümüzde elektrik enerjisi şebekesi iletim sistemleri; arz güvenliği, sistem stablitesi, enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması iletim/dağıtım problemlerinin ve maliyetlerinin minimize edilmesi gibi nedenlerle pompaj depolamalı santrallere daha fazla gereksinim duymaktadır.

Enerji; talebin az, arzın fazla olduğu saatlerde yani fiyatın düşük olduğu saatlerde hava, su veya kimyasal form şekillerinde depolanabilmekte ve ihtiyacın olduğu saatlerde ise en fazla birkaç dakika içerisinde elektriğe dönüştürülerek kullanıma verilebilmektedir. Hidrolik, biokütle, konvansiyonel yakıtlar elektrik üretmeden önce depolanabilirken rüzgâr, güneş ve dalga enerjisi elektrik formuna çevrildikten yani elektrik üretildikten sonra depolanmayı gerektirir.

Enerji depolama sistemleri içerisinde; MW mertebesindeki büyük ölçekli sistemler olarak, pompaj depolamalı santraller (PDHES) ve sıkıştırılmış hava depolamalı elektrik santralleri (SHDES) bulunmaktadır. kW mertebesindeki küçük ölçekli sistemler olarak da, flywheel (uçan çemberler), yakıt pilleri, süper kapasitörler ve iletkenler sayılabilir. Elektrik enerjisini depolama metotlarından en çok rağbet edileni; elektrik talebinin düşük olduğu saatlerde sisteme yük olarak dahil olup, ucuz olan elektriği kullanarak enerjiyi depolayan ve talebin yüksek olduğu saatlerde bu enerjiyi, sistemin kullanımına sunan pompaj depolamalı hidro-elektrik santrallerdir.

Düşük karbon içeren elektrik sistemi için yeni bir yaklaşım olan pompaj depolamalı hidrolik santraller, dünyada enerji depolama sistemlerinin % 99'unu kapsamaktadır. İlk pompaj depolamalı santraller 1890 yılında İtalya ve İsviçre'de yapılmıştır. Halen dünyanın 39 ülkesinde toplam 133.476 MW kapasitesinde pompaj depolamalı santral bulunmaktadır. Yapım ve planlama aşamasında olan birçok santralin de eklenmesi ile bu kapasite, adım adım artmaya devam edecektir. Konvansiyonel pompaj depolamalı santrallerde 23.668 MW kapasite ile Japonya başı çekmektedir [1].

Enerji Depolamanın Faydaları ve Ülkemize Getirileri

Enerji arz güvenliğini garanti edecek politikalar geliştirilirken; dışa bağımlılığın azaltılması, sera gazı emisyonlarının azaltılması, yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli kullanılmasının sağlanması, bunun yanında kesintili enerji kaynaklarının sisteme bağlanabilmesi için gerekli olan ilave iletim hattı yatırım maliyetleri ve yedek güç yatırım maliyetlerinin azaltılmasının sağlanması oldukça önemlidir.

Enerjinin depolanması ile; elektriğin arz ve talebindeki dalgalanmalar dengelenir, kısa dönem arz güvenliği, kısa periyotta frekans kontrolü ve sistem stabilitesi, uzun periyotta ise enerji yönetiminin sağlanması ve rezerv oluşturması sağlanır. Ayrıca, YEK için gerekli olacak olan bağlantı ve iletim hattı ihtiyaçlarının 2/3 oranında azaltılması, sıcak ve ılık yedek maliyetin düşürülmesi gibi avantajları da bulunmaktadır. Elektrik fatura fiyatlarını ve puant elektrik fiyatlarını azaltmak, enerji kalitesinin iyi olmaması ve güvenilir olmayan hizmetlerden dolayı oluşan kayıpları azaltması açısından da son derece önemlidir [2].

1 Temmuz 2006’da 1210 MW Kurulu gücündeki Bursa doğal gaz santrali arızalanıp devre dışı kalınca ülkemizin batısında 13 il 8 saat boyunca karanlıkta kalmıştır. O anda büyük kapasiteli bir hidroelektrik santralı devreye alınması veya yine büyük ölçekli depolama sistemlerinin ülkemizde mevcut olması; böyle bir olayın önlenmesinde yeterli olacağını düşündürmüştür. Aynı şekilde Gün Öncesi Piyasasında tüketimin en yüksek seviyelere çıkması ile talebin karşılanmasında sıkıntıların yaşanması, 13 Şubat 2012 günü pik yaparcasına saatlik fiyatların 2.000 TL'ye yükselmesine yol açmıştır. Bu gibi durumlarda, ülkemizde enerji depolama sistemlerinin yeterince gelişmiş olması, fiyatların bu şekilde yükselmesini de önleyecektir.

Türkiye’de, elektrik ihtiyacının büyük bir bölümünün ithal kaynaklardan ve yük takip etme özelliği olmayan fosil yakıtla çalışan santrallerden sağlanıyor olması, ayrıca rüzgâr ve güneş gibi kesintili enerji kaynaklarının kullanıma alınacak olması, sistem güvenliği için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Sistemin güvenliğini sağlamak ve frekans kontrolü yapabilmek için 3-5 dakika içerisinde devreye girebilecek santrallere ihtiyaç vardır.

Ülkemizde değişik tipte santrallerin devreye giriş zamanları şöyledir [2]:

Proje tipi Başlama ve tam kapasiteye ulaşma süresi

Klasik Hidroelektrik Santraller 3-5 dakika

Pompa Depolamalı Santraller 3-5 dakika

Fuel Oil Santralleri 3 saat

LNG-Doğal Gaz Santralleri 3 saat

LNG- Çevrim Santralleri 1 saat

Kömür Santralleri 4 saat

Nükleer Santraller 5 gün

Ülkemiz elektrik piyasasında; gün içindeki talebe bağlı olarak değişim gösteren enerji ihtiyacının bir kısmını oluşturan baz yük için gerekli güç, emre amadelik durumları elverdiği sürece ideal işletme koşulları sabit bir yük faktörü ile çalışan termik santrallerden karşılanabilir. Enerji talebinin bir diğer bileşeni olan puant yükün karşılanması için ise, sıcak yedek olarak tutulmadıkları dönemler dışında devreye girmeleri uzun zaman aldığı için termik santrallerin kullanımı mümkün olamamakta ve ülkemizde bunun yerine kolayca işletilip durdurulabilen rezervuarlı hidrolik santraller kullanılmaktadır.

Enerji kalitesini yükseltmek ve de 2010 yılından beri dahil olduğumuz Avrupa Frekans Birliği'nde Türkiye'den kaynaklanan olumsuz etkileri azaltmak hatta yok etmek gerekmektedir. Bu yüzden hem pik saatlerde enerji açığını karşılama ve yük açısını düzeltme hem de değişken devirli generatörlerin hızlı tepki verme kabiliyetinin frekans salınımlarını düzeltici etkisinden dolayı, Türkiye'de bu generatörlerin ve Pompaj Depolamalı Santrallerin kurulması arzu edilmektedir.

Şekil.2 Kopswerk-2 /Avusturya (450 MW)

Türkiye Pik Talebinin Karşılanmasında Depolamalı Santrallerin Rolü

TEİAŞ tarafından hazırlanan 2012-2021 yılları arası 10 yıllık Kapasite Projeksiyonu'na göre; Türkiye elektrik sistemi puant güç miktarı, enerji talebine paralel olarak her sene ortalama % 7-8 oranında artmaktadır (Tablo-1).

Tablo.1 2002–2011 Yılları Türkiye Elektrik Sistemi Puant Güç ve Enerji Talebi

YIL PUANT GÜÇ TALEBİ (MW) ARTIŞ (%) ENERJİ TALEBİ (GWh) ARTIŞ (%)

2002 21.006 7,1 132.553 4,5

2003 21.729 3,4 141.151 6,5

2004 23.485 8,1 150.018 6,3

2005 25.174 7,2 160.794 7,2

2006 27.594 9,6 174.637 8,6

2007 29.249 6,0 190.000 8,8

2008 30.517 4,3 198.085 4,3

2009 29.870 -2,1 194.079 -2,0

2010 33.392 11,8 210.434 8,4

2011 36.122 8,2 229.319 9

Grafik.1 2002–2021 Yılları Türkiye Elektrik Sistemi Puant Güç ve Enerji Talebi

2012 yılından 2021 yılına kadar olan dönemde, inşa halindeki Kamu projeleri ile 2012 yılı Ocak ayı İlerleme Raporu sonuçlarına ve EPDK tarafından bildirilen senaryoya göre; inşa halindeki kapasite artış beklentileriyle Türkiye toplam kurulu gücünde 2016 yılına kadar linyit, hidrolik, doğal gaz ve ithal kömür kaynaklı kapasite hızla artarken, rüzgâr kaynaklı kapasitede de belirgin bir artış olacağı, 2019 yılından itibaren de nükleer santrallerin sistemde yer alacağı görülmektedir [3].

ETKB tarafından hesaplanan elektrik enerjisi talep senaryolarında; yüksek talep serisine göre sırasıyla 2017–2019 yıllarından itibaren öngörülen elektrik enerjisi talebinin karşılanamayacağı belirtilmektedir.

Tablo.2 Yüksek Talep Projeksiyonuna göre Talep Tahmini

YIL PUANT TALEP ENERJİ TALEBİ

MW Artış (%) GWh Artış (%)

2012 38.000 5,2 244.026 6,4

2013 41.000 7,9 262.010 7,4

2014 43.800 6,8 281.850 7,6

2015 46.800 6,8 303.140 7,6

2016 50.210 7,3 325.920 7,5

2017 53.965 7,5 350.300 7,5

2018 57.980 7,4 376.350 7,4

2019 62.265 7,4 404.160 7,4

2020 66.845 7,4 433.900 7,4

2021 71.985 7,7 467.260 7,7

Türkiye’nin yüksek puant ve enerji tüketim talebini karşılayabilmesi, 2023 yılına kadar yıllık % 7-8 büyüme hedefine ulaşabilmesinin yanı sıra 2023 yılına kadar 20 GW rüzgâr ve güneş santrallerinden azami ölçüde faydalanması ile bu doğrultuda tam bir elektrik şebeke sistem istikrarı için pompaj depolamalı elektrik santralleri gibi üretim tesislerinin kurulmasına bağlıdır.

Ülkemizin 2012 yılında maksimum sistem puantı 27 Temmuz 2012 günü saat 14:30'da 39.044,9 MW olmuştur. Minimum sistem puantı 25 Ekim 2012 günü saat 19:10'da 19.239 MW olmuştur. Yine 2013 yılı Ocak ayında maksimum puant 36.135 MW, minimum puant ise 19.017 MW olmuştur [4]. Görüleceği gibi, yıl içerisinde maksimum ve minimum sistem puantları arasında ortalama 15.000-20.000 MW olmaktadır.

Ülke pik talebinin karşılanması için sistem yük miktarının düştüğü saatler olan gece 01:00 ile sabah 08:00 saatleri arası depolamalı santrallerden (rüzgâr/güneş/hidrolik) faydalanılarak enerjinin depolanması sağlanabilir; puantın yüksek seyrettiği zamanlar arasında da bu enerjiden faydalanma yoluna gidilebilir. Ancak ülkemiz hidrolik enerji kapasitesi olan 19.500 MW'ın yaklaşık 12.000 MW'ı baz yük ve rezervuarlı hidrolik santral olduğundan, kısa dönem enerji arz temininde pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerden daha çok elektrik iletim sistemi istikrarı ve stabilitesi için rüzgâr ve güneş enerjisi destekli hibrit projelerin kullanılması daha mantıklı olacaktır.

Şekil.3 Pompaj Depolamalı Hidroelektrik Santral

Dünya'nın bir çok ülkesinde yüksek kapasitede pompaj depolamalı santraller bulunmaktadır. Japonya'nın bu sistemlerin gelişmesinde ve kurulmasında öncü rolü vardır. Ancak yaklaşık 287.000 MW dolaylarında bir kurulu güç kapasitesi olan ülkenin, minimum puant saatlerinde arzın çok düşmesi ve gün içerisinde minimum ile maksimum puant farkının en az 70.000 MW civarında olduğu düşünülürse, bu ülkelerde pompaj depolamalı santrallerin ne derece öneme sahip olduğu daha kolay anlaşılacaktır [5]. Türkiye toplam kurulu gücünden çok daha fazla bir kapasitede puant farkı oluşan Japonya'nın pompaj depolamalı hidrolik santralleri düşünmemesi imkânsızdır.

Hibrit (Güneş/Rüzgâr Destekli Pompaj Depolamalı) Santraller

18 Mayıs 2009 tarih ve 2009/11 sayılı Yüksek Planlama Kurulu (YPK) Kararı Elektrik Enerjisi Piyasası ve Arz Güvenliği Strateji Belgesinde; elektrik üretiminde kaynak kullanımına ilişkin hedefler ortaya konulmuştur. Buna göre, Cumhuriyetimizin 100. yıldönümü olan 2023 yılına kadar; nükleer enerjinin asgari % 5 paya ulaşması, tüm yerli kömür ve hidrolik potansiyelimizin ekonomimize kazandırılması, jeotermal kurulu gücümüzün 600 MW'a çıkarılması, güneş potansiyelimizden azami derecede faydalanılması ve rüzgâr kurulu gücümüzün 20.000 MW mertebesine ulaşması hedeflenmiştir.

Türkiye Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA)' na göre; ülkemizde yıllık rüzgâr hızı 8,5 m/s ve üzerinde olan bölgelerde en az 5000 MW 7,0 m/s'nin üzerindeki bölgelerde ise en az 48.000 MW rüzgâr enerjisi potansiyeli bulunduğu tespit edilmiştir.

Coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli yüksek olan Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kW saat/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kW saat/m²) olduğu tespit edilmiştir [6].

Ülkemizin mevcut yüksek rüzgâr ve güneş enerjisi potansiyelinden yararlanmak ve 2023 yılı hedeflerine ulaşabilmek için pompaj depolamalı hibrit projelerden faydalanmamız gerekir.

Yıl içerisinde güneşlenme süresinin yüksek olduğu orta ve güney kesimlerdeki illerimizde inşa edilecek hibrit projelerle ülke puantının maksimum olduğu saatlerde en çok enerjinin tüketildiği kuzey illerimiz için elektrik enerjisi üretimi yapılması, enerji arz ve talep dengesini düzenleyecektir. Böylece hidrolik enerji olarak daha fakir olan ülkemiz batısındaki büyük şehirler, doğal gaz ve kömür ağırlıklı üretmiş olduğu elektrik enerjisi yerine ikâme edecek başka bir enerji kaynağına kavuşmuş olacaktır.

Ülkemizde Yapılan Çalışmalar

Pompalı hidroelektrik santrallerinin, sadece inşaat yönünden değil, işletme açısından da, gelişmiş teknolojiye sahip olduğu görülmektedir, ancak ülkemizin pompalı hidroelektrik santrallerinin inşaatı ve kullanımında tecrübesiz olduğu da bir gerçektir. Türkiye 2006 yılından itibaren Japonya ile pompalı hidroelektrik santrallerinin gelişimi ile ilgili bilgi alışverişi içinde olup, 2015 yılını hedefleyerek pompalı hidroelektrik santralleri geliştirmeyi planlamaktadır.

Türkiye Pik Talebinin Karşılanması için Optimal Güç Üretimi (Study on Optimal Power Generation for Peak Demand in Turkey) projesi, YEGM-Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (mülga EİE) koordinasyonluğunda, TEİAŞ ve Japonya Uluslararası İşbirliği Ajansı (JICA) aracılığı ile görevlendirilen Tokyo Electric Power Company (TEPCO) uzmanları eşliğinde 2010 yılında yürütülmeye başlanmış olup, çalışma 2011 Şubat ayında sonuçlandırılmıştır. Anılan çalışmada, Altınkaya HES (1800 MW) ve Gökçekaya HES (1400 MW) pompaj depolamalı santralleri öncelikli proje olarak belirlenmiştir. Pompaj depolamalı HES’lerde pompa ve türbin ayrı ayrı kullanılabileceği gibi aynı tersinir türbinler de kullanılabilir. Tersinir türbin/generator sisteminde türbin pompa gibi de çalışmaktadır. Altınkaya ve Gökçekaya'da planlanan pompaj depolamalı santrallerde, türbinin pompa sistemi ile çalıştırılması planlanmakta olup, ayrıca pompa kullanımına gerek kalmayacaktır.

Pompaj depolamalı santraller, yenilenebilir enerjinin yükselişe geçtiği günümüzde özellikle rüzgâr santrallerinden üretilen enerjiyi güvenilir hale getirmek amacıyla kullanılabilmektedir. Rüzgâr potansiyelimizden azami derecede yararlanılabilmesi, iletim ve dağıtım sistemine sorunsuz olarak bağlanabilmesi için rüzgâr (RES) ve pompaj depolamalı hidroelektrik santrali (PDHES) ile birlikte oluşturulan bir hibrit proje üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir. Bu kapsamda; Kayseri'nin Yahyalı ilçesinde, 4,34 MW kurulu güce sahip pompaj depolamalı hidroelektrik santral ile birlikte 9,60 MW kurulu güçte rüzgâr santralinin oluşturacağı hibrit projenin fizibilite çalışmaları tamamlanmıştır.

SONUÇ

Teknik değerlendirmeler ve fizibilite çalışmaları, enerji depolamanın sadece teknik bir gereklilik olmadığını aynı zamanda maliyet avantajı sağladığını da göstermektedir. Türkiye’ de bugüne kadar enerjinin pompalı depolama yöntemi ile depolanması konusuna gereken önem verilmemiştir. Ancak ülkemizde kesintili karakterdeki yenilenebilir enerji kaynaklarının ve/veya nükleer santrallerin enerji planlaması içerisinde yer alması düşünülüyorsa verimli ve daha sağlıklı bir planlama için bu santrallerin enerji depolama sistemleri ile birlikte planlanması gerekmektedir. Ayrıca ülkemize yüksek maliyeti olan doğalgazın enerji sistemi içindeki payının düşürülmesi için pompaj depolama sistemleri gereklidir. Maliyetleri azaltmak için mevcut kaskat depolamalı santrallerimize ilave pompaj depolamalı santrallerimizin yapılması planlanmalıdır.

Büyük ölçekli bir pompaj depolama tesisi için yatırım süresinin 8-10 yıl süreceğini göz önünde bulundurursak bir an önce bu konuda mevzuattaki eksikliklerin giderilerek söz konusu projelere başlanması gerekmektedir.

KAYNAKLAR

1. Saraç M. Electricity Sector Situation in Turkey, JICA Research Institute Tokyo, 05.03.2012

2. TUTUŞ A. Türkiye Enerji Sistemi için Bir Zorunluluk “Enerji Depolama Sistemleri” ICCI Enerji Kongresi, 2010

3. Kapasite Projeksiyon Raporu, 2011 http://www.teias.gov.tr/KapasiteProjeksiyonu.aspx

4. http://www.teias.gov.tr/yukdagitim/yillik_menu.htm

5. http://www.eia.gov/emeu/cabs/Japan/pdf.pdf

6. Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü Raporları, http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/h_hidrolik_nedir.aspx