ii
YOĞUNLAŞTIRILMIŞ GÜNEŞ ENERJİSİ (CSP) UYGULAMALARI İÇİN
BOR KATKILI ERİYİK TUZLARIN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
Fatih Selim BAYRAKTAR
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca
Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalında
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Olarak Hazırlanmıştır.
Danışman: Prof. Dr. Ramazan KÖSE
Ortak Danışman: Doç. Dr. Mükerrem ŞAHİN
Ocak - 2020 iii
KABUL VE ONAY SAYFASI
iv
ETİK İLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI
v
YOĞUNLAŞTIRILMIŞ GÜNEŞ ENERJİSİ (CSP) UYGULAMALARI İÇİN BOR KATKILI ERİYİK TUZLARIN TERMAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
Fatih Selim BAYRAKTAR
Makine Mühendisliği, Yüksek Lisans Tezi, 2020
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ramazan KÖSE
Ortak Danışman: Doç. Dr. Mükerrem ŞAHİN
ÖZET
Enerji talebindeki artış ve elektrik üretimi için kullanılan fosil yakıtların rezervlerinin azalması günümüzde enerji açısından en büyük endişe kaynağıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması bu sorunların üstesinden gelmek için en iyi seçenek olarak kabul edilebilmektedir. Güneş enerjisi, elektrik ve ısı üretmek için en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Elektrik üretimi, deniz suyunu tuzdan arındırma, iklimlendirme ve sıcak su temini için güneş enerjili termal sistemler kullanılmaktadır. Güneş enerjisi sistemlerinde ısı transfer sürecinin iyileştirilmesi en önemli konulardan biridir. Bu ise kompakt tasarımlı sistemlerin daha iyi performans gösterebilmesi için gelişmiş termo-fiziksel özelliklere sahip çalışma akışkanları tasarlanarak ve üretilerek başarılabilir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) sistemlerinde en çok kullanılan akışkanlardan biri olan solar tuzun termal özelliklerini geliştirmek için yapılan bu tezde katkı malzemesi olarak amorf B2O3, camsı B2O3 ve hegzagonal bor nitrür kullanılmıştır. Solar tuz referans olarak kullanılmış ve %0,5, %1 ve %2 oranlarında katkı malzemeleri ayrı ayrı konularak erime noktası, kütle kaybı ve ısı kapasitesi analizleri yapılmıştır. En umut verici değerlere %2 hegzagonal bor nitrür içeren numunede ulaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Bor, CSP, Erime Sıcaklığı, Kütle Kaybı, Özgül Isı Kapasitesi, Solar Tuz, Termal Analiz
vi
INVESTIGATION OF THERMAL PROPERTIES OF BORON ADDED MOLTEN SALTS FOR CONCENTRATING SOLAR POWER (CSP) APPLICATIONS
Fatih Selim BAYRAKTAR
Mechanical Engineering, M. S. Thesis, 2020
Thesis Advisor: Prof. Dr. Ramazan KÖSE
Thesis Co-Advisor: Assoc. Dr. Mükerrem ŞAHİN
SUMMARY
The increase in energy demands and depletion of fossil fuel for power generation are the major concern nowadays. Utilization of renewable energy sources can be regarded as one of the best options to tackle these issues. Solar energy is one of the most important renewable energy sources to produce electricity and heat. Many solar based thermal systems are used for generating electricity, water desalination, air-conditioning, and water heating. Enhancing heat transfer process in solar energy systems is one of the most important issues. This aim may be achieved by designing and producing working fluids with enhanced thermo-physical properties to achieve a better performance of these systems with compact designs. In this thesis, amorphous B2O3, glassy
B2O3 and hexagonal boron nitride were used as additives to improve the thermal properties of solar salt, one of the most commonly used fluids in concentrated solar power (CSP) systems. Solar salt was used as a reference and melting point, mass loss and heat capacity analyzes were made by adding 0,5%, 1% and 2% additives separately. The most promising values were achieved with the sample containing %2 hexagonal boron nitride.
Keywords: Boron, CSP, Mass Loss, Melting Temperature, Solar Salt, Specific Heat Capacity, Thermal Analysis
vii
TEŞEKKÜR
Kariyerimin en önemli basamaklarından biri olan bu çalışmada yardımlarını eksik etmeyen danışmanlarım Prof. Dr. sayın Ramazan KÖSE ve Doç. Dr. sayın Mükerrem ŞAHİN’e teşekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca desteklerini her daim yanımda hissettiğim aileme, zorluklarla karşılaştığımda cesaret veren arkadaşlarıma, deneylerin yapılışı sürecinde yardımcı olan tüm laborant ve eğitimcilere, malzeme temininde yardımcı olan firmalara ve personellerine ayrı ayrı teşekkür ederim.
viii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET …………………………………………………...... …………………………. v
SUMMARY …………………………………….……...………...……...……...... …. vi
ŞEKİLLER DİZİNİ ……………………………………………………...... ……… x
ÇİZELGELER DİZİNİ ……………………………………………...... …...…… xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ …………………………….………...... … xv
1. GİRİŞ …………………………………………………...……………...... …. 1
2. ENERJİ ...... 4
2.1. Tükenir (Konvansiyonel) Enerji ...... 6
2.2. Tükenmez (Yenilenebilir) Enerji ...... 14
2.2.1. Rüzgâr enerjisi ...... 16 2.2.2. Güneş enerjisi ...... 19 2.2.3. Biyokütle enerjisi ...... 22 2.2.4. Hidroelektrik enerji ...... 24 2.2.5. Jeotermal enerji ...... 26 2.2.6. Hidrojen enerjisi ...... 30 2.2.7. Dalga enerjisi ...... 32
2.3. Dünyada Enerjinin Görünümü ...... 34
2.4. Türkiye’de Enerjinin Görünümü ...... 36
3. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI …………………………...………...... …..…..... 39
3.1. CSP (Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi) Sistemleri ………………………...... …. 39
3.1.1. Doğrusal odaklı CSP sistemleri ………………………………...... …. 41 3.1.2. Nokta odaklı CSP sistemleri …………………….……….……...... 48
3.2. HTF (Isı Taşıyıcı Akışkan) …………………………………...... ….... 55
3.3. PCM (Faz Değiştiren Malzemeler) …………………….……...... 57
3.4. MS (Eriyik Tuzlar) ……………………………………...……...... ….… 60 ix
İÇİNDEKİLER (devam)
Sayfa
4. MATERYAL VE METOT ……………………...... …………...………..…...... 63
4.1. Materyal …………………………………………….....………...... …….... 63
4.1.1. Bor ………………………………………………...... …...... 63 4.1.2. Kullanılan malzemeler ………………………………...... …...... 80 4.1.3. Kullanılan cihazlar ………………………………..……...... … 86
4.2. Metot …………………………………………….……….....……...... … 87
4.2.1. Akışkan hazırlama …………………………………..………...... …. 87 4.2.2. TGA (Termogravimetrik analiz) yöntemi ……………...... …...... … 89 4.2.3. DSC (Diferansiyel taramalı kalorimetre) yöntemi ………..…...... …... 90
5. DENEYLER ...... 92
5.1. Numunelerin Hazırlanması ...... 93
5.2. Deneylerin Yapılışı ...... 96
5.3. Deney Değerleri ...... 97
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER …………………………………..……...... …… 108
6.1. Sonuçlar ……………………………………………………….....……...... 108
6.2. Öneriler ……………………………………………….....……...... …...... 111
KAYNAKLAR DİZİNİ ………………………………….……………..…...... …...... 113
EKLER
1. Amorf Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 2. Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 3. Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri 4. Amorf Bor Oksit Isı Kapasitesi Karşılaştırması 5. Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması 6. Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması 7. Tüm Numunelerin Isı Kapasitesi Karşılaştırması
ÖZGEÇMİŞ x
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
2.1. Kömür oluşum süreci ...... 7
2.2. Küresel elektrik üretiminde yenilenebilir enerjinin payı ...... …………………..... 15
2.3. Rüzgâr türbini çalışma şeması ...... 16
2.4. 100 metre yükseklikte rüzgâr hızı haritası ………………..…………...... …..… 17
2.5. Bir PV sistemin tasarımı ...... 20
2.6. Türkiye’nin DNI değerleri haritası ...... ………..……...... … 21
2.7. Hidroelektrik santralin çalışma şeması ...... 25
2.8. İdeal bir jeotermal sistemin gösterimi ...... 26
2.9. Türkiye'de jeotermal enerji alanları ....…………..…………....…...... …..…… 29
2.10. Hidrojen üretimi için en sık kullanılan yöntemler …….………………..…...... … 31
2.11. Yakıt türüne göre küresel birincil enerji tüketimi oranları ………….…………... 34
2.12. Ağustos 2019 tarihinde Türkiye'nin kurulu gücü …………...………...... ….. 36
3.1. 2008-2018 yılları arasında CSP küresel kapasitesi …………………….……....… 40
3.2. PROMETEO parabolik oluk test tesisi ....…………..……………...... ……… 41
3.3. Parabolik oluk toplayıcılı CSP'ler için tasarım aşamasında dikkat edilmesi gereken 42 parametreler ……..…......
3.4. Parabolik oluk toplayıcılı CSP sistemleri tasarımı ……….……………………..... 43
3.5. FRESDEMO doğrusal Fresnel yoğunlaştırıcı sistemi ………….……………...... 45
3.6. Doğrusal Fresnel alıcılı CSP sistemi diyagramı …………...…….....…………...... 46
3.7. İkizkenar yamuk şeklinde boşluk alıcılar …….…………………….…….……….. 46
3.8. LFR sistemlerinde birincil yansıtıcılar: a) düz yansıtıcı b) kavisli yansıtıcı ...... 47
3.9. CESA nokta odaklı güneş kulesi sistemi ………………………...... 49 xi
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
3.10. Isıl depolama özelliği olan eriyik tuz akışkanlı merkezi alıcılı güneş ...... 50 santrali tasarımı
3.11. 17 metre çaplı nokta odaklı çanak/Stirling sistemi, Suudi Arabistan…………..... 52
3.12. EuroDISH sisteminin a) görünümü, b)şematik diyagramı ….……...... 54
3.13. Çeşitli tipte HTF ve TES malzemelerinin çalışma sıcaklık aralıkları ……...... 56
3.14. PCM'lerin faz değişimi-sıcaklık döngüsü ….……………………...... ……... 58
3.15. Faz değiştiren malzemelerin sınıflandırılması ………………...... …….. 59
4.1. Bor elementinin enerji sektöründe kullanıldığı alanlar …….………….....……... 63
4.2. Bor tüketiminin nihai kullanım alanlarına göre dağılımı ……………...... 73
4.3. Dünya bor üretiminin üreticilere göre dağılımı …………….……………...……. 74
4.4. Türkiye'deki görünür ve muhtemel bor yatakları ………..………...... 79
4.5. Erime noktası için kullanılan TGA-DTA cihazı …………….…………….……. 85
4.6. Isı kapasitesi ölçümü için kullanılan DSC cihazı …….…………………….…... 86
4.7. Kullanılan TGA cihazının bileşenleri ………..………...………...... 90
5.1. Solar Tuzun ana bileşenleri: a) Potasyum Nitrat (KNO3) b) Sodyum Nitrat (NaNO3) 93
5.2. Katkı maddesi olarak kullanılan bileşenler: a) Camsı B2O3 ve Hegzagonal Bor 93 Nitrür b) Amorf B2O3 ......
5.3. Karışım hazırlama safhası ………..……….…...... 94
5.4. Malzeme hazırlamada kül fırını safhası ……………………...... ……....……. 94
5.5. Karışımların havanda toz haline getirilmesi aşaması ...…...... …………...... 95
5.6. Deneylere hazır haldeki numuneler …….…………………...... ………………... 95
5.7. Deneylerde kullanılan TGA/DTA cihazı ………..………...…...... 96
5.8. Numune-1’in TG / DTA analiz sonucu …………….………….....………………. 98 xii
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
5.9. Numune-2’nin TG / DTA analiz sonucu …….……………………………...... …... 99
5.10. Numune-3’ün TG / DTA analiz sonucu ………..………...…...... 101
5.11. Numune-4’ün TG / DTA analiz sonucu …………….………...... ………...... 101
5.12. Numune-5’in TG / DTA analiz sonucu …………….……...... …....………...... 102
5.13. Numune-6’nın TG / DTA analiz sonucu …….………………………………...... 103
5.14. Numune-7’nin TG / DTA analiz sonucu ………..………..…...... 104
5.15. Numune-8’in TG / DTA analiz sonucu …………………………...... ……...... 105
5.16. Numune-9’un TG / DTA analiz sonucu ……………………………...………...... 106
5.17. Numune-10’un TG / DTA analiz sonucu ………..………...... 107
xiii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
2.1. Rezervlerine göre kömür zengini ülkeler …………………………...... ….. 8
2.2. Rezerv miktarlarına göre petrol zengini dünyanın ilk 10 ülkesi………..………..… 10
2.3. Rezervlerine göre doğal gaz zengini ülkeler ……………..………………..…….… 12
2.4. Nükleer kaynaklı enerji üretim değerleri ....…………..…………...... …….… 13
2.5. Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke ……..…...… 15
2.6. Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi ………..... 18
2.7. Güneş enerjisinden elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi …………….... 22
2.8. Biyoyakıt üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ………………...... ………….…..… 23
2.9. Hidroelektrik kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke ………..……....… 25
2.10. Jeotermal enerji kurulu güç bazında dünyanın ilk 10 ülkesi....……...... …....…… 27
2.11. Hidrojenin fiziksel özellikleri …….…………………………...... ……..…...… 30
2.12. Bölgelere göre ortalama dalga enerjisi yoğunlukları ...... 33
2.13. Kaynaklara göre kurulu güç değerleri ………….…………...... ……………... 37
2.14. Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli ...... 38
3.1. Çeşitli CSP teknolojileri ...... 39
3.2. Eriyik tuz karışımlarının özellikleri ...... 60
4.1. Bor mineralinin doğadaki dağılımı …………...………...... …………….. 64
4.2. Bor elementinin fiziksel özellikleri …….………………………...... ………...... 70
4.3. Bor elementinin kimyasal özellikleri ……….………………...... 71
4.4. Bor ürünleri ve kullanım alanları ………………………...... 72
4.5. Eti Maden rezerv miktarları ….………………...... 77
4.6. Türkiye borat yataklarının dağılımı ve özellikleri ………….………...………...... 78 xiv
ÇİZELGELER DİZİNİ (devam)
Çizelge Sayfa
4.7. Numunelerin kütlece karışım oranları ……….………………...... 80
4.8. Solar tuzun fiziksel özellikleri ...... 81
4.9. Amorf ve camsı bor oksitlerin fiziksel özellikleri ….………....………..………... 82
4.10. Hegzagonal bor nitrürün fiziksel özellikleri ………………...... …….. 85
4.11. STA 7300 TG/DTA cihazının özellikleri ….……………….....………..………... 86
4.12. Hitachi DSC 7020 cihazının özellikleri ………………...... …….. 87
6.1. Numunelerin sıcaklık analizi .…….…...... ………………..………...... 108
6.2. Numunelerin kütle analizi ………..………...………...... 109
6.3. Numunelerin çeşitli sıcaklıklarda ısı kapasite değerleri ………………………..... 110
xv
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
Simgeler Açıklama
2 Aa Yoğunlaştırıcının açıklık alanı, m
2 Ac Toplayıcının alanı, m
2 퐴퐻푒푙 Heliostat alanı, m
2 Ahex Isı değiştirici yüzey alanı, m
2 Ar Yansıtıcının alanı, m
2 Arec Alıcının alanı, m
B2O3 Bor Oksit
C Yoğunlaştırma oranı cp Özgül ısı kapasitesi, J/kg.K
퐷푐표푛푐 Çanak açıklık çapı, m
DNI Direkt güneş ışınımı, kWh/m2
FR Toplayıcı uzaklaştırma faktörü
2 ℎ푟푎푑 Işınım esnasında akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m .K
2 ℎ푡표푡푎푙 Toplam ısı taşınım katsayısı, W/m .K h-BN Hegzagonal Bor Nitrür
2 퐼푠푢푛 Ortalama güneş ışınımı, kWh/m
푚̇ Kütlesel debi, kg/s mtep Milyon ton eşdeğer petrol
휂푎푡푚 Atmosfer zayıflatması verimi (atmosfer ya da hava durumu kaynaklı ışınım absorbe etme nedeniyle) (%)
휂푏&푠 Engel ve gölgeleme verimi (%)
휂푐표푠 Kosinüs verimi (%) xvi
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
휂푑푒푠 Tasarım verimi (%)
휂푓𝑖푒푙푑 Solar tarlanın verimi (%)
휂퐻푒푙 Heliostat verimi (%)
휂𝑖푛푡 Işıma ile kaybı engelleme verimi (%)
휂표푝푡 Optik verim (%)
휂푝푏 Güç blokunun verimi (%)
휂푟푒푐 Alıcının verimi (%)
휂푟푒푓푙 Yansıtıcı verimi (%)
휂푡ℎ Isıl verim (%)
Pel Üretilen elektrik gücü, W
푃𝑖푛푡 Toplayıcı açıklığında engellenen ışınım gücü, W
Psolar Kullanılabilir güneş ışınımı, W
푃푡ℎ Isıl güç, W
푄푎푏푠 Absorbe edilen güneş ışınımı ısı değeri, J
푄푙표푠푠 Isıl kayıp, J
푄̇푙표푠푠,푐표푛푑 İletimle ısı kaybı, J
푄̇푙표푠푠,푐표푛푣 Taşınımla ısı kaybı, J
푄̇푙표푠푠,푟푎푑 Işınımla ısı kaybı, J
Qnet Net ısı üretimi, J
푄푠 Kullanılabilir güneş ışınımı, J
Qsf,des Solar tarlanın tasarımsal ısıl enerji çıkışı, J xvii
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
Qu Faydalı enerji, J
2 푅푡표푡푎푙 Toplam ısıl direnç, m .K/W
S Absorbe edilen güneş ışınımı, kWh/m2
SM Güneş çarpanı
Sm3 Standart metreküp (15℃ ve 1,013 bar mutlak basınç şartlarında)
Ta Çevre sıcaklığı, ℃
Tfm Anlık akışkan sıcaklığı, ℃
Ti Akışkanın toplayıcıya giriş sıcaklığı, ℃
To Akışkanın toplayıcıdan çıkış sıcaklığı, ℃
Tr Anlık alıcı sıcaklığı, ℃
푇푠,퐴푣푒 Ortalama yüzey sıcaklığı, ℃
2 UL Toplam ısı kayıp katsayısı, m .K/W
Wpb,des Güç blokunun tasarımsal güç çıkışı, W
Kısaltmalar Açıklama
BOREN Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü
CPC Bileşik Parabolik Yoğunlaştırıcı (Compound Parabolic Concentrator)
CSP Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (Concentrated Solar Power)
DTA Diferansiyel Isıl Analiz (Differential Thermal Analysis)
DPT Devlet Planlama Teşkilatı
DSC Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (Differential Scanning Calorimetry)
EİGM Enerji İşleri Genel Müdürlüğü xviii
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Kısaltmalar Açıklama
ETKB Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı
GEPA Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası
HTF Isı Transfer Akışkanı (Heat Transfer Fluid)
LFR Doğrusal Fresnel Yansıtıcı (Linear Fresnel Reflector)
MTA Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü
NATO Kuzey Atlantik Anlaşması Örgütü (North Atlantic Treaty Organization)
OECD Ekonomik Kalkınma ve İş Birliği Örgütü (The Organization for Economic Co-Operation and Develeopment) ORC Organik Rankine Çevrimi (Organic Rankine Cycle)
PCM Faz Değiştiren Malzeme (Phase Change Materials)
PTC Parabolik Oluk Kolektör (Parabolic Trough Collector)
REPA Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası
SPD Solar Parabolik Çanak (Solar Parabolic Dish)
SPT Solar Güç Kulesi (Solar Power Tower)
TEİAŞ Türkiye Elektrik İletim A.Ş.
TES Isıl Enerji Depolama (Thermal Energy Storage)
TGA Termogravimetrik Analiz (Thermo-Gravimetric Analysis)
YEGM Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü
1
1. GİRİŞ
İnsanoğlu var olduğundan beri merak duygusuyla hareket etmiştir. Amerikan düşünür Emerson (1899: 152): “İnsanoğlu merak etmeyi sever ve bu da bilimin tohumudur.” der. İlk zamanlarda çevresini tanıma isteği, daha sonra ise yaşam koşullarını iyileştirme hedefi insanların merak duygusunu yönlendirmiştir. Çevresini tanıma isteği biyoloji, jeoloji, kimya, astronomi gibi bilim dallarının; yaşam koşullarını iyileştirme isteği ise teknolojinin temel itici kuvvetidir.
Doğanın kanunları sürekli işlemektedir, teknoloji ise bu kanunları kullanarak insanların gereksinimlerine çözümler bulmayı amaçlamaktadır. Taş devri ile başlayan bilginin araç gerece dönüştüğü teknoloji evrimi sırasıyla kalkolitik çağ, tunç devriyle ve en son olarak da demir çağı ile devam etmiştir.
Teknoloji, ihtiyaçlar doğrultusunda insanların taleplerini karşılamak amacıyla, araç ve sistemleri geliştirebilmek için gerekli teknik bilgilerin sistematik olarak tasarlanıp kullanılmasıdır. Teknoloji bir amaç değildir; insanların hizmetine sunulan bir araçtır. Fakat teknolojinin gelişmesi bireysel olarak insanlara kolaylık sağlamanın yanında, alışkanlıklarımıza ve beklentilerimize etki ederek, bireysel ve/veya kitlesel olarak kontrol edilebilirliği, ekonominin argümanlarını, sosyolojik ilişkileri ve bu sebeple de uluslararası alanı etkiler düzeye gelmiştir. Kısacası teknoloji ve bilgi bir güç unsuru haline gelmiştir.
Teknoloji, herkesin yaşamını direkt ya da endirekt açıdan belli seviyede etkileyerek ve gittikçe artan bir hızla ekonomik hayatın vazgeçilmez bir ögesi konumuna gelmiştir. Günümüzde uluslararası bir ekonomik mücadele ve egemenlik arayışından söz edilecek olursa, bunun içerisinde teknolojinin etkisi en önemli güç kaynağıdır. Şu günlerde uğraşlar, güçlü ve daha güçlü olmak adına sürekli üretim ve egemenlik alanı oluşturmak, tükenmekte olan kaynakları denetim altına almaktan geçmektedir.
Teknolojinin yaşamımızdaki etkileri o kadar artmış ve hızlı bir etkileşime geçmiştir ki etkileri kişiselden, şirket ve ülke boyutlarına ulaşmıştır. Son zamanlarda gözlenen gelişmelere göre teknoloji; onu elinde bulunduran ülke ya da kurumlar tarafından sosyal ve toplumsal etkileriyle, hayatımıza müdahale ederek yeniden düzenlemekte kullanılan bir araç haline gelmiştir.
Günümüzde, bilginin kuvvetlenmeyi belirlediği, bilimsel ve toplumsal Ar-Ge’ye son derece önem addeden yeni bir finansal bakış açısı egemendir. Teknolojik alanda yaşanan hızlı ve çarpıcı değişimler, finansal gelişmenin en önemli itici gücü konumuna gelmiştir. Bu sebepten 2
ötürü teknolojik gelişmeler ekonominin ilerlemesini, toplumsal refah seviyesinin artmasını ve tabana yayılmasını direkt etkilemektedir.
Bu kadar etkili olan ve sosyal alanımıza kadar etkileyen bu yeniden düzenleme mekanizmasının pek çok açıdan değerlendirilmesi, daha iyi anlaşılmasının yanında onun en doğru şekilde yönetilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır.
Küresel bakış açısı teknolojik imkânlarla daha rahat hareket etmektedir. Onu güç aracı olarak kullanan ülkeler için iktisadi, sosyal ve kültürel olmak üzere iletişimden, beyaz perdeye oradan ulaşıma kadar her alanda elinde onu bulunduran ülkenin amaçlarına hizmet etmektedir. Özellikle Sovyet Rusya’nın dağılmasının ardından ABD, tek kutuplu dünya modelinin devamı için uğraşırken Almanya, Fransa, Rusya ve Çin gibi gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler dış politika tercihlerini, çok kutuplu bir dünyadan yana yapmaktalar ve bu kutupların birbiri ile olan ekonomik, sosyal ve sanayi üretimlerindeki çekişmeler devam etmektedir.
Bundan dolayı teknoloji, fiziki sınırlar dışında kendi sınırlarını çizecek şekilde hareket eder. Kendine özgü yapısıyla teknoloji, fiziksel alanından farklı zihinsel bir etki ile sosyal alanda fertlerin geleceklerine şekil verebilecek bir etmen konumuna gelmiştir.
Ülkemiz, teknolojinin önemini kavramaya ve bilinçlenmeye başlayarak ne yapabileceğini araştırma ve geleceğe yönelik teknoloji tahminleri geliştirme yönünde önemli adımlar atmasına rağmen, planlama, sürekliliğinin sağlanması ve uygulanması konularında hala eksiklikler gözlenmektedir. Bundan dolayı, dünyada örnekleri olan ve kuruldukları ülkelerde kendi teknolojik altyapısını ve sanayileşmesini kurmakta merkez haline gelmiş enstitü ve teknoloji merkezlerinin örneklerine ülkemizde ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tasarımın toplumun tüm kesimleri tarafından benimsenmesiyle oluşacak çalışma enerjisi ülkemiz açısından büyük yararlar sağlayacağı beklenmektedir.
Ulusal güvenlikle ilgili tehlike ve tehditlerin arttığı bu dönemde ülkemizin milli ve yerli cihaz, ürün, teknoloji, proje gibi çıktılara ihtiyacı da artmaktadır. Araştırmacılar ve akademisyenlere bu aşamada çok önemli görevler düşmektedir. Ülkemizde bol bulunan materyaller ile katma değeri yüksek ürünlerin üretimi öncelikli hedeflerimiz olmalıdır.
Bor, toplumumuzun geniş kesimleri tarafından kabul gören ve teknolojik ilerleme arzusu ile birleşen geniş bir halk desteğine sahiptir. Devletimizin ekonomisini sağlam temeller üstüne kurma arzusu üretim, enerji ve madencilik gibi sahalarda katma değeri yüksek ürünlere ilgisini artırmıştır. Bu bağlamda bor madeninin rafine ürünlerinin üretilmesinin yanı sıra enerji gibi 3 gelecek vaat eden sektörlerde kullanım alanlarının artması ülkemizin ekonomisine yardımcı olacaktır.
Ülkemiz, enerji konusunda uzun dönemli stratejik planlarda dışa bağımlılığı azaltma ve yerli üretimi destekleme kararı almıştır. Bu amaçla fosil kaynakların rezerv araştırması ülkemiz toprakları ve Münhasır Ekonomik Bölgeleri’nde devam ederken yenilenebilir enerji konusunda da çeşitli atılımlar yapılmaktadır. Rüzgâr ve PV sistemleri sektör olarak hızlı büyürken jeotermal ve biyokütle konusunda da umut veren gelişmeler gözlenmektedir. Bu enerji kaynakları konusunda birçok araştırma da yapılmaktadır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde enerji kaynaklarına değinilmiştir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) sistemleri dünyada hala fazla çalışılmamış bakir alanlardan biridir. Günümüzde dünyanın ilgisini yeni yeni çekmeye başaran CSP sektörü kurulu güç bazında tabiri caizse İspanya ve ABD tekelindedir. Çin, Fas, Güney Afrika ve Şili gibi ülkeler bu sektöre ciddi yatırımlarda bulunmaktadır. Güneş enerjisi konusunda zengin olan ülkemizde CSP konusundaki çalışmaların ve bilgi birikiminin azlığı, tez konusu seçiminde etkili olmuştur. Çalışmanın üçüncü bölümünde CSP sistemleri anlatılmaktadır.
CSP sistemleri, ısı taşıyıcı akışkanlar (HTF) vasıtasıyla topladığı enerjiyi güç bloğuna aktarmaktadır. En eski HTF’lerden biri olan solar tuz düşük maliyeti ve yüksek ısıl özellikleri sebebiyle günümüzde de kullanılmaktadır. Bu akışkanın fiziksel ve ısıl özelliklerini optimize etmek adına çeşitli katkı maddeleri eklenmekte ve sonuçlar irdelenmektedir. Literatür incelendiğinde yüksek ısıl özelliklere sahip bor ve bileşenlerinin solar tuza katkı maddesi olarak katılmadığı gözlemlenmiş ve bu konuda çalışma yapılmasına karar verilmiştir. Bu amaçla çalışmanın dördüncü bölümünde anlatılan malzemeler yine bu başlıkta verilen metotlar eşliğinde hazırlanmıştır. Deneyler beşinci bölümde detaylıca açıklanmıştır. Sonuçlar ve öneriler ise çalışmanın altıncı bölümünde toplanmıştır.
Özetle, bu çalışmada geleneksel bir ısı taşıyıcı akışkan olan solar tuza bor katkısının fiziksel ve ısıl açıdan etkisi incelenerek hem ülkemizde yeterince ilgi göremeyen CSP sistemlerine literatür katkısı amaçlanmış hem de bor bileşiklerinin kullanım alanlarının arttırılması ve katma değeri yüksek bor bileşiklerinin üretimi hedeflenmiştir.
4
2. ENERJİ
Tarihin her döneminde insanoğlunun temel gereksinimleri arasında önemli bir konumda olan enerji; teknoloji ve bilimin artması ile insan hayatındaki konumunu daha üst seviyelere taşımaktadır. İlk insanlardan Orta Çağ’a kadar insanlar enerjiyi genellikle ısınma ve yemek pişirme amacı ile kullanmışlardır. Bu süreçte insanoğlu, enerji ihtiyaçlarını geleneksel biyokütleden karşılamıştır. Denizci milletler, İlk Çağ’da rüzgâr enerjisini tekneler için tahrik kuvveti olarak tercih etmişlerdir. Ayrıca bu dönemde Arşimet, Siraküza savunmasında düşman deniz kuvvetlerine ait gemileri odakladığı güneş enerjisi ile yakarak muhasarayı kaldırtmıştır (Aplak, 2018). Orta Çağ’da enerjinin kullanım alanları artmaya başlamıştır. Rüzgâr enerjisi ve hidrolik enerji, değirmenlerde mekanik işe dönüştürülmüştür. Petrol ve türevlerinin kullanımı başlangıçta askeri amaç taşıyordu ve ilk örnekleri şehir kuşatmalarında görülmektedir. Şehir savunucuları, petrolü kızgın halde surlardan dökerek saldıran taraflar ise mancınık topları ve okları yakarak karşı tarafa zarar vermeyi amaçlamışlardır. Cengiz Han’ın torunu olan Hulagu Han’ın mühendisleri, 1256 yılında geleneksel yöntemler ile ele geçirilemeyen Alamut Kalesi’nin altındaki mağaralardan petrol aktığını fark ettiklerinde bu galerilerdeki petrollerin ateşlenmesi ile kalenin büyük kısmının yıkılmasını ve böylelikle kolay bir biçimde ele geçirilmesini sağlamışlardır (Devrimci, 2013:403). Ayrıca sonradan keşfedilen lambalarda kullanılan petrol türevleri aydınlatmada da görev almıştır.
Bahsedilen kaynakların modern düzeyde enerji kaynağı olarak kullanılması Sanayi Devrimi ve sonrasına denk gelmektedir. Buhar makinesinin icadı ile başlayan bu devrim enerji yoğunluğu yüksek bir kaynağa ihtiyaç duymaktadır. Biyokütlenin yetersiz kaldığı anlaşıldığında yeni enerji kaynakları araştırılmaya başlanmıştır. Bu süreçte kömürün ihtiyaç duyulan enerjiyi karşılamadaki kabiliyeti, yıldızının parlamasına yol açmıştır. Buhar motorlu araçların inşası ülkelerin refah düzeyini artırmıştır. Bu motorların ulaşımda kullanımı amaçlanmış ve Stephenson tarafından lokomotif icat edilmiştir. Buhar motoru ile tahrik edilen lokomotif, büyük bir kömür deposuna ihtiyaç duyuyordu ve raylardan dolayı sınırlı bir hareketliliğe sahipti. İnsanoğlunun özgürlüğe düşkünlüğü onu yeni arayışlara sürüklemiştir. İçten yanmalı motorların icadı, demir yoluna göre daha fazla serbestlik sağlamakta olup yakıt konusunda kömüre bağlılık, araçların ebatlarının büyük olmasına neden olmaktadır. Aydınlatma amaçlı kullanılan petrol türevlerinin içten yanmalı motorlara entegre edilmesi dünyanın enerji kaynağı tüketiminde görünümünü değiştirmiştir. Fosil yakıtlar temel enerji kaynağı olmaya başlamıştır. Bu eğilim ile kömür ve petrol rezervlerine sahip olan ülkelere olan ilgi de artırmıştır. Kömür rezervleri dönemin birçok güçlü devletinde ya da sömürgelerinde bulunduğundan genelde savaşa neden olmamıştır. Ancak 5 kömür açısından zengin olan Alsas-Loren bölgesi Fransa ile Almanya’yı defalarca karşı karşıya getirmiştir. Petrolde durum ise oldukça farklıdır. Başta Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri’nde düşük miktarlarda üretilmeye başlanan petrolün Orta Doğu’da zengin rezervlerinin keşfedilmesi ve üretim maliyetlerinin düşüklüğü büyük devletlerin ilgisini çekmiştir (Johns, 1923). Bu süreçten sonra petrol zengini ülkeler defalarca saldırı ve işgallere maruz kalmıştır. Birinci Dünya Savaşı’nda Orta Doğu haritası değişmiş ve petrol zengini yapay ülkeler ortaya çıkmıştır.
Savaş sonrasında farklı enerji kaynağı arayışları sürmüş, jeotermal ve atom enerjisi üzerinde çalışmalar artmıştır. Jeotermal enerjinin ilkel örnekleri savaş sonrası gözlenmeye başlamış ancak istenilen verimlere ulaşılamamıştır. Atom enerjisinde ise dünya devleri büyük araştırmalara imza atmış ve hızlı bir gelişme sağlanmıştır. Her ne kadar bu ilerlemenin asıl amacı silah üretimi olsa da atom enerjisinin kontrol altına alındığında sivil kullanım için de uygun olduğu ispatlanmıştır. SSCB’de ilk ticari nükleer santralin devreye girmesini müteakip ABD, İngiltere ve Fransa bu yeni enerji kaynağını hızlıca benimsemiştir. İkinci Dünya Savaşı sonrası yıldızı oldukça parlayan nükleer enerjinin gelecek nesillerin yegâne enerji kaynağı olacağına dair görüşler ortaya atılmıştır. Kömür ve petrol gibi çevreyi kirletmeyen nükleer santraller, alternatif kaynaklara göre daha yüksek verim ve çalışma saatine sahip olması da ona olan güveni artırmaktadır. Önce Three Miles Island Kazası tedirginliğe yol açmış ardından da Çernobil Felaketi kamuoyunda nükleer enerjinin albenisini hızlıca azaltmıştır. Bu süreçte 1973’te yaşanan petrol krizi, ülkelerin petrol üreten devletlere olan güvenini azaltmış ve ülkeleri enerjide dışa bağımlılığı azaltma arayışına yöneltmiştir (Yılmaz, 2012). Kaynakların eşit olmayan dağılımı ve ülkelerin çevre bilincinin artması, temiz ve alternatif enerji kaynakları arayışlarını hızlandırmıştır. Özellikle 1980’li yıllardan sonra artan bu arayışlar hızlıca çözüme ulaşmış ve güneş, rüzgâr, modern biyokütle ve jeotermal enerji sistemleri geliştirilmeye başlanmıştır.
Günümüzde fosil yakıtlar, dünyada birincil enerji kaynağı olarak hala ilk sıradadır ve 2040’lı yıllara kadar da liderliğini sürdüreceği tahmin edilmektedir (EIA, 2017). Kömürden elektrik üretim maliyetinin düşüklüğü, petrolün ulaşımda temel enerji kaynağı oluşu ve doğal gazın ısınma ve elektrik üretiminde kullanım kolaylığı bu görünümün temel sebepleridir. Elektrik üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artışı, ulaşımda yakıtlara biyokütle katkısı ve elektrik araçların oranının artması umut verici gelişmelerdir (REN21, 2019).
Enerji, artan enerji talebi karşılamanın yanı sıra imalatta çok önemli bir etmen olup bir devletin kalkınma değerlerini ifade etmede ana göstergeler arasındadır (Koç vd., 2013). Enerjinin bu anlamda kalkınma için zorunlu bir girdi olduğu söylenebilir. 6
Çağın teknolojik gelişmelerinin gündelik yaşantımıza girmesi geçmiş yıllara oranla artan enerji talebinin önümüzdeki dönemlerde nasıl karşılanabileceği sorusu, devletleri güncel, yeni ve alternatif arayışlara yönlendirmiştir. Bu arayışlar ile enerji, devletler bazında hem çekişmelerin hem de iş birliklerinin ortak noktası olarak uluslararası düzeyde önem kazanmıştır. Ülkelerin pek çoğu yenilenebilir enerjinin; güneş, biyokütle, jeotermal ve rüzgâr gibi alanlarında araştırma yapmaktadır. Güneş enerjisi, sınırsız ve çevreye zararsız olması gibi özellikleriyle en ilgi çeken ve gelecek vaat eden yenilenebilir enerji dallarından biri haline gelmiştir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının bir türü olan güneş enerjisi, dünya çapında ilgi görmektedir fakat kesikli enerji üretimi uzun süredir bir engel olarak önünde durmaktadır. Isıl enerji depolama ile birleştirilmiş bir yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrali, gece-gündüz ya da havanın bulutlu olması fark etmeksizin sürekli enerji üretimine olanak sağlamakta ayrıca karbon salımının olmaması onu güvenilir bir enerji kaynağı haline getirmektedir.
Dünya enerji talebinin artmasına bağlı olarak artan karbon dioksit salımlarına endüstriyel uygulamalarda enerji verimliliğinin yaygınlaştırılması (ısı geri kazanımı gibi) ya da güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının teşvik edilmesiyle çözüm getirilmesi olasıdır. Bu doğal kaynakları maliyetlerini düşürerek daha rekabetçi hale getirmek hedeflenmelidir.
Tezin temel ilgi alanlarından güneş enerjisinden bahsetmeden önce enerji kaynakları ve çeşitleri hakkında bilgi sunma gereği duyulmuştur. Enerji kaynakları günümüzde tükenir (konvansiyonel, geleneksel, fosil) ve tükenmez (yenilenebilir, temiz) olarak iki ana grupta incelenmektedir:
2.1. Tükenir (Konvansiyonel) Enerji
Dünyada günümüzde en çok tercih edilen enerji türü, yenilenemeyen enerji de denilen fosil yakıtlardan oluşmaktadır. Buna rağmen bu kaynakların yeniden oluşmaları için milyonlarca yılın geçmesi zorunluluğu nedeniyle hemen tüketilmesi mümkün olmamaktadır. Bu kaynaklar özellikle sınırlı kaynaklar olduğu, yoğun olarak bulundukları ülkeler için de stratejik önem arz ettiğinden dolayı bu ülkeler üretim ve tüketimleri konusunda çeşitli düzenlemelere gitmektedir.
Fosil yakıtlar, özellikle kış mevsiminde hava kirliliğine sebep olduğundan insan sağlığını olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca termik santrallerde yakılan fosil kaynaklar atmosfere karışarak asit yağmurları şeklinde doğaya ve dolaylı olarak insan sağlığına zarar vermektedir.
BP’nin Dünya Enerji İstatistikleri Raporuna (2019) göre günümüzdeki tüketim değerleri göz önüne alındığında ve yeni rezervlerin tespit edilememesi durumunda yaklaşık olarak kömür 7
200 yıl, petrol 53 yıl ve doğal gaz 51 yıl sonra tükenecektir. Bu senaryo ülkelerin tüketim değerleri, rezerv araştırmaları gibi konuları ihmal ettiği için yeterince güvenilir değildir. Ülkelerin çevre duyarlılığı, enerji verimliliği gibi konularda eğilmesi ile fosil yakıt tüketiminin azalması beklenirken gelişmekte olan ülkelerin acil ve güvenilir enerji için ise ilk tercihlerinin fosil yakıtlar olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca Kuzey Buz Denizi ve Doğu Akdeniz Havzası’nda yoğunlaşan hidrokarbon yatağı arayışlarının rezervleri artırması kuvvetle muhtemeldir. Bu gibi sebepler rezervlerin tükenme tarihlerini tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır.
Kömür: Kömür, organik formda, yanabilen ve kayaç formunda bir kaya çeşididir. Esas olarak C, H ve O elementlerinden meydana gelen kömür madeni, yer altında diğer katmanlar arasında tabakalaşması oldukça uzun süreler boyunca mikrobiyolojik etkiler, basınç ve ısı gibi etmenlerin müdahalesiyle meydana gelmektedir. Şekil 2.1.’de kömürün oluştuğu süreç görsel hale getirilmiştir.
Şekil 2.1. Kömür oluşum süreci (Eskin, 2018).
Bataklık alanlarında ömrü dolan bitkilerin birikmesi ve biriken bu organik yapıların tabakalaşması sonucu kömür oluşmaktadır. Birikim miktarlarının artması ve jeolojik hareketler bu tabakaların gezegenimizin daha derin tabakalarına doğru gömülmesini sağlamaktadır. Derine inildikçe daha da artan basınç ve ısı değerleri sonucu bu organik yapılar çeşitli kimyasal ve fiziksel etkileşimlere uğrayarak kömürleşme aşamalarına geçmektedir. Milyonlarca yıl süren bu proses sonucunda oluşan kömürler organik olgunluklarına göre Linyit, Alt bitümlü kömür, Bitümlü kömür ve Antrasit olarak sınıflandırılmaktadır. Linyit ve kısmen Alt Bitümlü kömürler 8 genellikle yumuşak, kırılgan ve mat görünümlüdür. Bu kömür çeşitlerinin temel niteliği fazla nemli olmaları ve karbon oranlarının düşük olmasıdır. Antrasit ve Bitümlü kömürler ise genellikle sert ve parlak görünümdedir. Nispeten nem değerleri az, karbon oranları ise fazladır. Kömürlerin yaşları jeolojik olarak bakıldığında 15 ile 400 milyon yıl arasında değişmektedir. Yıl değerleri yüksek olan kömürler daha kaliteli olarak kabul edilmektedir (Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı [ETKB], 2019a).
Linyit, ısıl değeri düşük, kül oranı ve nem değeri yüksek olduğu için bilhassa termik santrallerde yakıt olarak değerlendirilen bir kömür türüdür. Yeryüzünde bol miktarda bulunması sebebiyle dezavantajlarına rağmen tercih edilen ve sıklıkla kullanılan bir enerji hammaddesidir. Taşkömürü ise yüksek kalorili kömürler grubunda bulunmaktadır.
Çizelge 2.1. Rezervlerine göre kömür zengini ülkeler (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı Rezerv Oranı (%) (milyar ton)
1 ABD 250,2 23,7 2 Rusya Federasyonu 160,4 15,2 3 Avustralya 147,4 14 4 Çin 138,8 13,2 5 Hindistan 101,4 9,6 6 Endonezya 37 3,5 7 Almanya 36,1 3,4 8 Ukrayna 34,4 3,3 9 Polonya 26,5 2,5 10 Kazakistan 25,6 2,4 11 Türkiye 11,5 1,1 Diğer 85,5 8,1 Toplam: 1.054,8 100
Dünya kanıtlanmış işlenebilir kömür rezervi toplam 1.054,8 milyar ton düzeyindedir. Bu rezervin; 734,9 milyar tonu antrasit ve bitümlü kömür, 319,9 milyar tonu alt bitümlü kömür ve linyit kategorisindedir. Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin rezerv miktarı Çizelge 2.1.’de verilmiştir. Kömür üretimi açısından Çin %46 ile ilk sıradadır. Çin’i %9,3 ile ABD ve %8,3 ile Endonezya takip etmektedir. Üretimin %72,8’ini Asya-Pasifik gerçekleştirirken 9
Kuzey Amerika %10,2 ile onu takip etmektedir. Kömür tüketimi incelendiğinde dünya tüketiminin %50,5 ‘ini Çin, %12’sini Hindistan ve %8,4’ünü ABD gerçekleştirmektedir. Bölgesel görünüm incelendiğinde ise Asya Pasifik ezici bir çoğunlukla toplam tüketimin %75,3’ünü gerçekleştirirken en yakın bölge %9,1 ile Kuzey Amerika olmuştur (BP, 2019).
MTA’nın koordinatörlüğünde çeşitli kamu kurumlarının özellikle son dönemde ortaklaşa gerçekleştirdiği ciddi kömür arama tarama çalışmaları nihayetinde Türkiye’nin linyit rezervinde önemli ölçüde artış olmuştur. Bunun yanında bahse konu rezervlerin uluslararası standartlar gözetilerek sınıflandırılması ve ekonomik rezervlerin tespiti sürecindeki çalışmalar devam etmektedir. Türkiye, rezerv ve üretim miktarları bakımından linyitte dünya standartlarında orta seviyede, taşkömüründe ise alt seviyelerdedir. Dünyadaki toplam linyit/alt bitümlü kömür rezervinin yaklaşık %3,2'sinin Türkiye’de bulunmasına rağmen sahip olduğumuz linyitlerin çoğunluğunun ısıl değeri düşük olduğundan termik santraller dışında kullanımı mümkün olmamaktadır. Ülkemiz linyit rezervinin yaklaşık yarısı Afşin-Elbistan yataklarında yer almaktadır. Taşkömürünün ülkemizde en çok bulunduğu bölge ise Zonguldak ve civarıdır. Zonguldak Havzası'ndaki toplam taşkömürü rezervi 1,30 milyar ton olmasına rağmen görünür rezerv ise 506 milyon ton civarındadır (ETKB, 2019b).
Petrol : Petrol, gündelik hayatımızın vazgeçilmez enerji kaynaklarından biridir. Petrol Latince’de bulunan petra ve oleum kelimelerinin birleştirilmesi ile oluşmuştur. Petra kaya manasına gelirken oleum ise yağ anlamındadır. Türkçe karşılığı olarak taş yağı veya kaya yağı olarak ifade edilmektedir. Çoğunlukla karbon ve hidrojenden oluşan petrol; neredeyse eser miktarlarda oksijen, kükürt ve azot ihtiva etmektedir. Maddenin 3 halinde de bulunabilmektedir. Gaz formunda bulunan petrol, üretilen petrol türevi gazdan ayırt etmek amacıyla genelde doğal gaz olarak isimlendirilmektedir. Doğal gaz ve ham petrolün asıl yapıları hidrojen ve karbon olduğu için bu yakıtlar ''Hidrokarbon” olarak da adlandırılmaktadır.
Enerji ana başlığında aktarıldığı gibi, türevleri her ne kadar ilk çağlardan beri bilinse de petrolün sektör ve sanayi kolu olarak doğuşu aydınlatmada kullanmak için gazyağı üretimi ile başlamıştır. Kanadalı bilim insanı Abraham Gesner’in 1800’lü yılların sonlarında yeraltından hareket ederek yüzeyde çıkış alanı bulan ham petrolden gazyağı üreterek insanların aydınlanma gereksinimlerini düşük maliyetli ve daimî şekilde çözmüş ve bunu takiben petrol endüstrisinin meydana gelmesine ön ayak olmuştur (Eskin, 2018). Özellikle 1860-1885 yılları arasında aydınlatma amaçlı gazyağının yoğun kullanımına ithafen gazyağı üretimi dönemi olarak adlandırılmıştır. 1900 yılına kadar konutlarda ve işyerlerinde petrol, bitkisel yağların yerine 10 geçmiştir. Ayrıca 1900-1914 yılları arasında sanayi ve ulaşımda kullanımının artmasıyla yakıt sektöründe benzin önemli bir konuma gelmiştir.
Petrolün yakıt ve ham madde olarak kullanımının yaygınlaşmasını müteakiben 20. yüzyılın başından itibaren bu önemli maddenin bulunduğu bölgeler güçlü devletler arasında hakimiyet savaşlarına yol açmıştır (Kocaoğlu, 1996: 89). Petrolün bu hızlı yükselişi, yeni tüketim alanlarının oluşmasına yol açmıştır. Tüketimin hızlı artışı ile yüzeye sızan petrolün toplanması ihtiyacı karşılamaya yetmemeye başlamış ve bu devir, yerini ciddi şekilde arama tarama faaliyetleri ve petrol çıkarma tekniklerine bırakmıştır. Yeni dönem ve anlayış kapsamında petrol sahaları için arama ve imtiyaz hakları oluşturulması ile ham petrol endüstrisi devasa bir sektör haline gelmiştir (Uluğbay, 2003: 467).
Çizelge 2.2. Rezerv miktarlarına göre petrol zengini dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı Rezerv Oranı (%) (milyar ton) 1 Venezuela 48 19,7 2 S. Arabistan 40,9 16,8 3 Kanada 27 11,1 4 İran 21,4 8,8 5 Irak 19,9 8,2 6 Rusya Federasyonu 14,6 6 7 Kuveyt 14 5,7 8 B.A.E. 13 5,3 9 ABD 7,3 3 10 Libya 6,3 2,6 50 Türkiye 0,5 0,2 Diğer 30,7 12,6 Toplam: 244,1 100
2018 yılı dünya ispatlanmış petrol rezervi 244,1 milyar varil olarak tespit edilmiştir. Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve ülkemizin rezerv miktarı Çizelge 2.2.’de verilmiştir. Petrol rezervinin 113,2 milyar varili (%48,3) Orta Doğu ülkelerinde, 51,1 milyar varili (%18,8) Güney ve Orta Amerika ülkelerinde, 35,4 milyar varili Kuzey Amerika ülkelerinde (%13,7) bulunmaktadır. En önemli birincil enerji kaynaklarından birisi olan ham petrol, 2018 yılında 11 enerji talebinin %33,6’sını tek başına karşılayabilmiştir. Petrol üretimi incelendiğinde ABD %15 ile lider konumda iken Suudi Arabistan %12,9 ve Rusya %12,6 ile onu takip etmektedir. Petrol tüketimine bakıldığında ise dünyadaki tüketimin %19,7’sini ABD, %13,8’ini Çin ve %5,1’ini Hindistan gerçekleştirmektedir. Bölgesel bazda bakıldığında Asya-Pasifik %36,4’ü, Kuzey Amerika ise %23,9’u tüketmektedir (BP, 2019).
Petrol ve doğal gaz gibi hidrokarbon yataklarının çoğunluğu ülkemize komşu ya da yakın coğrafyalarda bulunmaktadır. Ülkemiz, jeopolitik ve coğrafik pozisyonundan dolayı dünyadaki hidrokarbon rezervlerinin ¾’üne sahip ülkelerle sınırdaş konumda olmasının yanında üretici ülkeler ile tüketici ülkeler arasında adeta köprü konumundadır. Bu konumu iyi değerlendirmek amacıyla pek çok projenin içinde bulunan Türkiye enerji konusunda merkez haline gelme çabası içindedir (ETKB, 2019c).
Doğal Gaz: Doğal gaz, havadan hafif, renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gazdır. Büyük oranlarda metan (CH4) ve nispeten daha az oranda etan (C2H6) olmak üzere birçok hidrokarbonlardan müteşekkildir. Oluşum süreci petrol ile benzerlik gösterdiği için petrolle birlikte bulunma olasılığı yüksektir. Ayrıca tek başına da rezervuarlarda bulunabilmektedir. Yer altından çıkarıldıktan sonra saflaştırmaya tabi tutulmadan da tüketilebilen doğal gaz çeşitli yöntemlerle nakledilmektedir. Boru hatları ile karadan ve sıvılaştırmayı takiben denizden tankerlerle taşınması en çok tercih edilen yöntemlerdir.
Rezerv açısından dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin doğal gaz rezervi Çizelge 2.3.’te verilmiştir. Toplam 196,9 trilyon m3 doğal gaz rezervlerinin 75,5 trilyon metreküpü (%38,3) Orta Doğu ülkelerinde, 66,7 trilyon metreküpü (%33,9) Avrupa ve Avrasya ülkelerinde, 32,5 trilyon metreküpü (%16,5) Afrika/Asya Pasifik ülkelerinde bulunmaktadır. Doğal gaz üretimi sıralamasında ilk üç ABD (%21,5), Rusya Federasyonu (%17,3) ve İran (%6,2) olarak sıralanmaktadır. Tüketim analiz edildiğinde ise dünyadaki tüketimin %21,2’sini ABD, %11,8’ini Rusya Federasyonu, %7,4’ünü Çin gerçekleştirmektedir. Bölgeler incelendiğinde ise Kuzey Amerika %26,6 oranında Asya-Pasifik %21,4 oranında tüketimde pay almaktadır (BP, 2019).
2017 yılında Türkiye’nin doğal gaz tüketimi 53,5 milyar m³ olarak gerçekleşmiştir. Ülkemizin doğal gaz denklemleri göz önüne alındığında ihtiyacı karşılama noktasında sıkıntı görülmemektedir. Fakat özellikle kış döneminde ihtiyacın yüksek olduğu zaman dilimlerinde üretici ülkelerde ya da doğal gaz ticareti rotalarında meydana gelen sıkıntılar bazen talebi karşılamada yetersizliğe sebep olmaktadır. Bu sıkıntıları minimize etme adına düzenlemeler gerçekleştirilmektedir (ETKB, 2019d). 12
Çizelge 2.3. Rezervlerine göre doğal gaz zengini ülkeler (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Rezerv Miktarı Rezerv Oranı (%) (trilyon Sm3)
1 Rusya Federasyonu 38,9 19,8 2 İran 31,9 16,2 3 Katar 24,7 12,5 4 Türkmenistan 19,5 9,9 5 ABD 11,9 6 6 Venezuela 6,3 3,2 7 Çin 6,1 3,1 8 B.A.E. 5,9 3 9 S. Arabistan 5,9 3 10 Nijerya 5,3 2,7 80 Türkiye 0,005 0,01 Diğer 40,6 20,6 Toplam: 196,9 100
Atom (Nükleer) Enerjisi: Maddenin en küçük temel birimi olan atomların bölünme ya da birleşmesi ile meydana gelen reaksiyonlar neticesinde ortaya çıkan enerji çeşidine atom enerjisi denmektedir. Bölünme ile gerçekleşen nükleer reaksiyonda kütle numarası büyük ve kararsız durumdaki atom çekirdeklerine nötron fırlatılması ile bu büyük çekirdek parçalanmaya başlamaktadır ve bu duruma “fisyon” adı verilmektedir. Birleşmede ise kütle numarası küçük ve hafif olarak nitelendirilen atomların belli koşullar altında bir araya gelerek daha ağır atomlar oluşmaktadır ve bu olaya da “füzyon” adı verilmektedir.
Evrendeki her madde, her oluşum atomlardan yani merkezde çekirdek ve etrafında belli yörüngede hareket eden elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdeğin muhtevası her daim aynıdır: + yüklü protonlar ve yüksüz nötronları içermektedir. Örnek olarak atom santrallerinde yakıt olarak kullanılan uranyum (U-235) atomu çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron bulundurmaktadır. Bu ağır atom parçalandığında ise çekirdekte proton ve nötronları bir arada tutan bağ enerjisinin bir bölümü enerjiye dönüşmektedir ki fisyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan nükleer enerji bu bağ enerjisinden meydana gelmektedir. Uranyum 235’in kararsız ve büyük çekirdeği enerjisi düşürülerek yavaşlatılmış bir nötronun çarpmasına maruz kaldığında çekirdeği bir arada tutan bağ enerjileri dengesizleşir ve çekirdek parçalanması gerçekleşir. Bu 13 olayda 2 ya da 3 yeni nötron oluşur. Yeni çıkan nötronlar diğer uranyum atomlarına çarparak parçalanma sürecini devam ettirir. Bu sürece birbirini takip eden parçalanmalara ithafen zincirleme reaksiyon adı verilir. Reaktörlerde zincirleme reaksiyon bazı mekanizmalar yardımıyla sürekli denetim altında tutulur. Bağ enerjisi, çarpışmalar neticesinde oluşan parçacıklar ve nötronlara aktarılmaktadır. Bu taneciklerin enerjisi de reaktörde bulunan soğutucu akışkana aktarılır ve akışkanın enerji kazanması sağlanır. Isı ve sıcaklığı artan akışkan buharlaşır ve daha sonra klasik türbin-jeneratör çevrimi ile elektrik enerjisi elde edilir (Özemre vd., 2000: 5).
Çizelge 2.4. Nükleer kaynaklı enerji üretim değerleri (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep) Üretimdeki Payı (%)
1 ABD 192,2 31,4 2 Fransa 93,5 15,3 3 Çin 66,6 10,9 4 Rusya Federasyonu 46,3 7,6 5 Güney Kore 30,2 4,9 6 Kanada 22,6 3,7 7 Ukrayna 19,1 3,1 8 Almanya 17,2 2,8 9 İsveç 15,5 2,5 10 Birleşik Krallık 14,7 2,4 - Türkiye - - Diğer 94,1 15,4 Toplam: 611,3 100
Nükleer enerji ile tanışma 1789 yılında uranyumun keşfi, 1934 yılında atom çekirdeğinin parçalanması ile gerçekleşmiştir. Bu süreçte bilim adamları, iş adamları ve siyasiler nükleer teknolojideki gelişmeleri yakından takip etmiştir. Bu teknolojik adım da diğerleri gibi önce askeri amaçlarla geliştirilmiş daha sonra sivil ve ticari sistemler açısından değerlendirilmiştir. Özellikle 1970’lerin başındaki petrol krizi nükleer santrallerin daha çok tercih edilmesinin yolunu açmıştır. Doğal gaz ve petrol gibi hidrokarbon kaynakları yönünden fakir ülkeler bu kaynaklar sebebiyle dışa bağımlılığı azaltma ve enerji güvenliğini sağlama adına nükleer yakıtlı tasarımlara başvurmuştur. Bu nükleerleşme sürecinde önce 1979 yılında Three Mile Island (ABD) kazası ardından da 1986 yılında Çernobil (SSCB) kazası nükleer konusunda kamuoyunda ciddi bir 14 olumsuz bakış açısı ve antipati meydana getirmiştir. Bu kazalardan sonra santral yapım süreci yavaşlasa da küresel bazda santral kurulumları devam etmiştir.
Bu ciddi kazaların ardından “nükleer güvenlik kültürü” ifadesi geliştirilmiştir. Küresel çapta nükleer santrallerin kurulumu ve işletilmesi açısından güvenlik kodları geliştirilmiş ve hem yönetim hem de işletilme konusunda ciddi çalışmalar yapılmıştır. Bu düzenlemelerin yapılmasının yanında denetim süreci de geliştirilmiştir. Santral yapımında kullanılan malzemeler ve sistemlerin imalinde yüksek standartlar belirlenmiş ve kalite normları ortaya konulmuştur.
2018 yılının Temmuz ayı itibariyle, 31 ülkede 453 adet nükleer reaktör işletmede, 17 ülkede 57 adet nükleer reaktörde inşa durumundadır. Küresel elektrik tüketiminde nükleer enerji santralleri ihtiyacın yaklaşık %11’ini karşılamıştır. Fransa elektrik ihtiyacının %72’sini, Ukrayna %55’ini, Belçika %50’sini, İsveç %40’ını, Güney Kore %27’sini, Avrupa Birliği %30 ve ABD %20’sini nükleer enerji santrallerinden temin etmiştir. Nükleer enerji kaynaklı enerji üretim değerleri baz alındığında dünyanın ilk 10 ülkesi toplam üretimin yaklaşık %85’ine sahiptir (ETKB, 2019e). Çizelge 2.4. üretim açısından dünyanın ilk 10 ülkesini açıklamaktadır.
2.2. Tükenmez (Yenilenebilir) Enerji
Fosil yakıtlar, geçmişten günümüze kadar olan süreçte çok önemli bir yere sahip olmalarının yanı sıra bu kaynakların sınırlı kaynaklar olmaları sebebiyle hızla tükenmekte olduğu gerçeği göz önüne alındığında, çevreye duyarlılığı fosil kaynaklardan daha yüksek olan yenilenebilir enerji kaynaklarına ilgi ve talep artmıştır. Doğanın sahip olduğu enerji, gerekli teknik işlemler vasıtasıyla yenilenebilir enerji üretiminde enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır.
Yenilenebilir enerji ile doğal kaynaklar; ısıya, elektriğe veya yakıta dönüştürülür. Temiz ve tükenmez enerji kaynakları; güneş, biyokütle, rüzgâr, jeotermal ve hidroelektrik enerjidir. Bu enerji kaynaklarının en büyük artıları karbondioksit salımlarının az olması ve çevrenin zarar görmesinin engellenmesidir. 15
Tükenir (Fosil) Enerji 5,5% Hidroelektrik 2,4% Rüzgar 73,8% 26,2% 15,8% PV 2,2% Biyokütle 0,4% Jeo.+CSP+Okyanus En.
Şekil 2.2. Küresel elektrik üretiminde yenilenebilir enerjinin payı (REN21, 2019).
Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN 21) Küresel Enerji Raporu’na göre elektrik üretiminde %73,8 oranında fosil kaynaklar, %26,2 oranında yenilenebilir enerji kaynakları kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerjide kaynak türlerinin üretimdeki oranları Şekil 2.2.’de verilmektedir.
Çizelge 2.5. Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep)* Üretimdeki Payı (%)
1 Çin 143,5 25,6 2 ABD 103,8 18,5 3 Almanya 47,3 8,4 4 Hindistan 27,5 4,9 5 Japonya 25,4 4,5 6 Birleşik Krallık 23,9 4,3 7 Brezilya 23,6 4,2 8 İspanya 16 2,9 9 İtalya 14,9 2,7 10 Fransa 10,6 1,9 12 Türkiye 8,5 1,5 Diğer 115,5 20,6 Toplam: 561,3 100
* Tüketim değerleri rüzgâr, jeotermal, güneş, biyokütle ve atık kaynakları ile yapılan üretime göre düzenlenmiştir. Hidroelektrik dahil değildir. 16
Ülkeler, enerji ihtiyacını yenilenebilir enerjiden karşılayarak, fosil yakıtlara dayanan ithalat bağımlılığını azaltacak ve enerji üretimini sürdürülebilir kılacaktır. Ayrıca yenilenebilir enerji endüstrisi, teknolojik yenilikleri ve dünya çapında istihdamı canlandırma açısından da önemlidir (Avrupa Birliği [AB], 2000:53).
Yenilenebilir enerji kaynaklı enerji üretimi dünyada incelendiğinde Çin’in toplam üretimdeki payı %25’i geçmektedir. Uzun süre liderliği elinde bulunduran ABD %18,5 ile ikinci sıradadır. Üçüncü sırada ise bir başka yenilenebilir enerji devi Almanya %8,4 ile yer almaktadır. Yenilenebilir enerjiye dayanan enerji üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ve Türkiye’nin durumu Çizelge 2.5.’te verilmiştir.
2.2.1. Rüzgâr enerjisi
Bugün sıkça görmeye başladığımız rüzgâr türbinleri ya da birden çok türbinin bir arada olduğu rüzgâr enerjisi santralleri (RES) son 15-20 yılda gelişmiş olsa da rüzgârın enerjisinden yararlanma fikri oldukça eskidir. Yelkenli gemilerden çamaşırların kurutulmasına, yel değirmenlerinden su pompalama sistemlerine kadar birçok yerde rüzgâr enerjisinden yararlanılmıştır (Gürbüz, 2010).
Şekil 2.3. Rüzgâr türbini çalışma şeması (Eskin, 2010). 17
Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden olan rüzgâr enerjisi; güneş kaynaklıdır, temiz ve tükenmez özelliklere sahiptir. Güneşten gelen ışınlarının yeryüzüne düşme açılarının farklı olması nedeniyle ortaya çıkan sıcaklık farkından kaynağını alan rüzgâr, sıcaklık farklarından kaynaklanan hava hareketleri ile oluşmaktadır. Isınan hava genleşerek yükselir. Nispeten sıcaklığı düşük olan hava katmanı ise yüksek yoğunluğa sahip olmasından ötürü yeryüzüne doğru hareketlenir. Hava katmanlarının bu devinimleri de rüzgârı meydana getirir. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin çok az bir kısmı rüzgâr enerjisine çevrilmektedir. Havanın çabuk hareket etmesi ve bulunduğu ortamın tamamını kaplaması neticesiyle hızlı bir şekilde yer değiştirmesiyle kinetik enerjiye dönüşür. Bu enerjiyi elektrik üretme amaçlı kullanan sistemler de rüzgâr türbini olarak isimlendirilmektedir. Şekil 2.3.’te bir rüzgâr türbinin çalışma prensibi gösterilmektedir. Rüzgâr türbinlerinin oluşturduğu elektrik üretim tesisine de rüzgâr santrali adı verilmektedir. Bu santral çeşidi ile havanın kinetik enerjisi, pervaneleri döndürerek bir jeneratör ile hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Yani bu sistemlerde hava kütlelerinin hareketi ortaya çıkan kinetik enerji ilk olarak mekanik enerjiye ardından da elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. (Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü [YEGM], 2019a).
Şekil 2.4. 100 metre yükseklikte rüzgâr hızı haritası (YEGM, 2019b). 18
Rüzgâr enerjisinin etkin kullanımı, belirli bir yerdeki rüzgâr karakteristikleri hakkında ayrıntılı bilgi gerektirmektedir. Rüzgâr hız dağılımı rüzgâr çiftlikleri, enerji üreteçleri ve sulama gibi tarımsal uygulamalar için önemlidir. Şekil 2.4.’te Türkiye’de 100 metre yükseklikte rüzgâr hızları gösterilmektedir. Bir rüzgâr türbini için uygun yer seçmek kolay bir iş değildir, çünkü birçok faktörün dikkate alınması gerekir. En önemli faktörler rüzgâr hızı, rüzgârın enerjisi, jeneratör tipi ve fizibilite çalışmasıdır (Köse, 2004).
Rüzgâr enerjisinin temiz ve yenilenebilir olması bu enerji türünün önemini artırır. Rüzgâr enerjisinden elektrik üretimini hemen her ülke sağlayabilmektedir. Ancak verimlilik rüzgârın hızına ve sürekliliğine bağlı olarak değişebilmektedir. Dünya yüzeyinde çeşitli bölgelerin rüzgâra elverişli bölgeler olması sebebiyle rüzgâr enerjisinin kullanımı büyük avantajlar sağlamaktadır. Rüzgâr enerjisi sayesinde elektrik üretiminin, tüketimi fazlasıyla karşılayabildiği görülmüş ve yıldan yıla rüzgâr enerjisi önem kazanmıştır.
Çizelge 2.6. Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (TWh) Üretimdeki Payı (%)
1 Çin 366 28,8 2 ABD 277,7 21,9 3 Almanya 111,6 8,8 4 Hindistan 60,3 4,7 5 Birleşik Krallık 57,1 4,5 6 İspanya 50,8 4 7 Brezilya 48,5 3,8 8 Kanada 32,2 2,5 9 Fransa 28,2 2,2 10 Türkiye 19,8 1,6 Diğer 218,4 17,2 Toplam: 1270 100
Rüzgâr enerjisi için kurulacak türbinler karada kurulabildiği gibi denizlerde de kurulabilmektedir. Ayrıca deniz üzerinde kurulması karada olduğu gibi alan kiralama maliyeti olmaması açısından avantajlıdır (Ünsal, 2010: 17). Bunun dışında devletlerin teşvik ve çeşitli 19 vergi muafiyeti gibi kolaylıklar sağlaması türbinlerin yüksek ilk yatırım maliyetini sübvanse ederek bu enerji çeşidinin daha çok tercih edilmesinin önünü açmıştır (Bayraç, 2011).
Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimi dünya genelinde 1270 TWh seviyelerine ulaşmıştır. Çin bu miktarın %28,8’ini, ABD ise %21,9’unu karşılamaktadır. Bu durumda toplam üretimin yarıdan fazlasını bu iki ülke gerçekleştirmektedir (BP, 2019). Rüzgâr enerjisi kaynaklı elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi ve ülkemizin üretim durumu Çizelge 2.6.’da verilmektedir.
Maliyet sorununun çözülebilmesi için rüzgâr türbini parçalarının ithalatının azaltılarak, ülkelerin yerli üretim teşvikleri yapması son derece önemlidir. Buna karşılık rüzgâr enerjisinin dezavantajları da bulunmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin, rüzgârın sürekli ve aynı yönde esmediği yerlerde kurulması enerjide verimlilik kaybına neden olmaktadır.
2.2.2. Güneş enerjisi
Yeryüzünden kilometrelerce uzakta olan güneş, dünyaya ve diğer gezegenlere enerji verebilecek devasa güce sahiptir. Gezegenimizin temel yaşam ve enerji kaynağı yıldızımız Güneş’tir. Aynı zamanda Güneş diğer pek çok enerji kaynağının oluşmasının da sebebidir. Çünkü Dünya’da gerçekleşen birçok döngünün tahrik kuvveti ve gerçekleşme sebebi Güneş ve ondan gelen ışınlardır.
Güneş enerjisi esas olarak yıldızımızın merkezinde gerçekleşen füzyon (kaynaşma) hadisesi neticesinde ortaya çıkan enerjinin tezahürüdür. Gezegenimizin atmosferinin en üst tabakasının da ötesinde güneş radyasyonu 1370 W/m² civarındadır. Buna mukabil atmosfer zayıflaması dediğimiz durumun gerçekleşmesi ile bu ışıma kırılma ve yansıma gibi durumlara maruz kalmaktadır ve yaklaşık 0-1100 W/m2 değer aralığında yeryüzüne ulaşmaktadır. Bu zayıflamadan sonra dahi gelen ışıma miktarı toplam enerji talebimizden oldukça fazladır. Son derece yüksek enerji miktarlarına sahip bu enerji kaynağından faydalanma çalışmalarının hızlanma süreci yaklaşık 1970’li yıllarda başlamıştır ve bu çalışmaların neticesinde güneş enerjisinin birim maliyeti düşerken verimde artmalar yaşanmıştır. Ayrıca çevresel etkileri analiz edildiğinde çevreci ve temiz bir kaynak olduğu anlaşılmıştır (EERE, 2002).
Hanelerde, sanayi ve ticarethanelerde, tarımda, sıcak su eldesinde, şebekeden bağımsız sistemlerde, vasıtalarda ve elektrik enerjisi üretiminde güneş enerji, enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Depolanabilir olması ve diğer enerji türlerine dönüştürülebilmesi sayesinde güneş enerjisi; elektrik, mekanik ve ısı gibi formlarda tüketilebilmektedir. 20
Güneş enerjisinden doğrudan ısı enerjisi üretimi pasif ve aktif yöntemlerle elde edilmektedir. Pasif güneş enerjili ısıtma yöntemi güneş ışınlarından en üst düzeyde yararlanmak için ışınların geldiği yönde saydam bölgeleri artırmak ve söz konusu hacmin ısı ve ışığa kavuşmasını sağlamak, saydam olmayan bölgelerin ise ısıyı emici özelliklerle teçhiz edilmesi ile ısı kaybının azaltılmaya çalışılması amacını gütmektedir. Aktif sistemlerde ise, çeşitli özellik ve geometrilerdeki toplayıcılar vasıtasıyla toplanan güneş ışığını, bir ısı taşıyıcı akışkan ile enerji üretilecek ya da depolanacak birime taşınır ve buradan da dağıtım bağlantıları ile yapının ısıtılacak bölümlerine aktarılır.
Enerjinin ısıtmada kullanılması enerji bütçesi açısından oldukça önemli bir kalemdir. Avrupa’da toplam enerjinin yaklaşık olarak yarısı ısınmada harcanmaktadır. Özellikle yapılarda aydınlatma, iklimlendirme ve ev içi araç gereçlerin kullanımının yaygınlaşması da enerji kullanımında önemli rol oynamaktadır. Bu enerjinin temini konusunda çevresel etkilerin de göz önüne alınması gerektiği bir gerçektir. Enerji üretiminin temininde temiz ve çevreye saygılı enerji üretimi yapılmalıdır. Güneş enerjisi termik düzenekler sayesinde veya fotovoltaik (PV) düzeneklerle elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir.
Termik düzenekler ile elektrik üretiminin sağlanması; toplayıcı yüzeyler ile güneş ışığının yönlendirilmesi, alıcı sistemler ile toplanması ve ısı taşıyıcı akışkana aktarılmasını müteakiben klasik su/buhar güç döngüsünden elektrik üretilmesiyle olmaktadır. Fotovoltaik piller paralel ya da seri bağlanmak suretiyle üzerine düşen güneş ışığını elektrik gerilimine dönüştürürler (Gürsoy, 2004: 123-124).
Şekil 2.5. Bir PV sistemin tasarımı (Dinçer, 2011). 21
Şekil 2.5.’te tasarımı görülen PV modülleri havanın açık ya da bulutlar ile kapalı olduğu durumlarda da elektrik üretme kabiliyetine sahip iken CSP sistemleri DNI da denilen direkt ışımaya yani bulutsuz havaya ihtiyaç duymaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006:274). Güneş pilleri, teknolojik anlamda yüksek güvenilirlik sağlamaları ile kentsel bölgelerde en iyi yenilenebilir enerji kaynağı olmaları sebebiyle önem arz etmektedirler. Bu piller oldukça uzun ömürlü, dayanıklı ve çevre kirliliği oluşturmayan pillerdir.
Şekil 2.6. Türkiye’nin DNI değerleri haritası (MED-CSP, 2005).
1970’li yıllarda piyasaya ilk çıktıklarında oldukça yüksek maliyetli olan güneş kaynaklı elektrik üretim sistemlerinde yarı iletken bileşenlerin birim maliyeti zamanla düşme eğilimi göstermiştir. Bakımı oldukça kolay olan silikon ünitelerin yüzeylerinin temiz tutulması gerekmektedir. Çünkü yüzeyin biraz tozlanması ya da kirlenmesi bile elektrik akımının çıkışını azaltarak alınacak verimi düşürmeye yetmektedir.
Ülkemiz güneş enerjisi konusunda zengin ülkelerden biridir. Dünyada Güneş kuşağı olarak adlandırılan bölgede bulunan Türkiye’nin DNI değerleri Şekil 2.6.’da gösterilmiştir.
22
Çizelge 2.7. Güneş enerjisinden elektrik üretimine göre dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (TWh) Üretimdeki Payı (%)
1 Çin 177,5 30,4 2 ABD 97,1 16,6 3 Japonya 71,7 12,3 4 Almanya 46,2 7,9 5 Hindistan 30,7 5,3 6 İtalya 23,2 4 7 Birleşik Krallık 12,9 2,2 8 İspanya 12,5 2,1 9 Tayland 12,3 2,1 10 Avustralya 12,1 2,1 13 Türkiye 7,9 1,4 Diğer 79,8 13,6 Toplam: 584,6 100
BP’nin 2019 Dünya Enerji Görünümü Raporu’na göre güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretimi geçen seneye göre yaklaşık %29 artmıştır. Çin özellikle son yıllarda yaptığı yatırımlar ile güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretiminin %30’dan fazlasını gerçekleştirirken onu %16,6 ile ABD ve %12,3 ile Japonya takip etmektedir. Oransal kapasite artışında %800 artış gösteren Vietnam ilk sırada yer alırken %558 artış ile Arjantin ikinci sırada ve Mısır %294 artış ile üçüncü sıradadır. Güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ile Türkiye’nin üretim durumu Çizelge 2.7.’de verilmiştir.
2.2.3. Biyokütle enerjisi
Biyokütle enerjisi; fermantasyon ürünü olan ve havasız ortamlarda oluşan fosil özelliklere sahip olmayan bitkisel ve hayvani atıklar gibi organik materyallerden ve kentsel atıklardan ve orman ürünlerini de içeren tüm organik maddelerden oluşan bir yenilenebilir enerji türüdür. Türkiye’de bitkisel ve hayvansal biyokütle enerjisi en çok ısınma alanında kullanılmaktadır. Biyokütle, bitkilerin güneş enerjisini fotosentez yardımıyla depolamaları sonucu oluşan sentezleşmeye ve üretilen maddelerin yakılması ile enerji açığa çıkması sırasında oluşan karbondioksitin çevre açısından elimine edilmesine dayalı olarak tanımlanan bir enerjidir. 23
Bu enerji türü, çevreye olumsuz çıktılar sunmaması ve atmosferde kirlenmeye sebep olmaması özellikleriyle sosyoekonomik alanda son derece önemli rol oynamaktadır. Biyogaz enerjisi ise; tarımsal faaliyetler sonucunda ortaya çıkan bitkisel ve hayvansal atıkların, metan bakterilerinin etkisiyle belirli bir sıcaklıkta havasız ortamda bozunması ile ortaya çıkan ve kayda değer ısıl değerlere sahip yanıcı bir gaz türüdür.
Biyokütle enerjisi ateşin bulunmasından itibaren kullanılmaktadır ve araştırmacıların son dönemlerde ilgisini çekmesi ile birçok çalışmanın konusu haline gelmektedir. Bu kadar geniş süredir kullanılan biyokütle kaynakları iki alt başlıkta toplanmaktadır. İlki klasik biyokütle de denilen ağaç kesimi, odun ve hayvan atıklarının basitçe yakılmasını içerirken; ikinci ise modern biyokütle denilen enerji ormanları ve bitkileri ve ağaç endüstrileri atıklarından elde edilen biyodizel, etanol gibi yakıtları içermektedir (Topal vd., 2008:243).
Çizelge 2.8. Biyoyakıt üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep) Üretimdeki Payı (%)
1 ABD 38,1 39,9 2 Brezilya 21,4 22,4 3 Endonezya 4,8 5,1 4 Almanya 3,4 3,6 5 Çin 3,1 3,2 6 Fransa 2,7 2,9 7 Arjantin 2,7 2,9 8 Tayland 2,1 2,2 9 İspanya 1,8 1,9 10 Kanada 1,4 1,5 34 Türkiye 0,2 0,2 Diğer 13,5 14,2 Toplam: 95,4 100
Biyokütle yakıtları fosil yakıtlarla birlikte çeşitli oranlarda yakıldıklarında hava kirliliğini azaltıcı etkide bulunurlar. Biyokütle yakıtları atmosferdeki karbon emisyonlarını hızlı bir azaltabilme yeteneğinden dolayı yenilenebilir enerji türü olan biyokütle enerjisinin çevre kirliliğini azaltmaya yardımcı olduğunu gösteren bir özellik olması dikkat çekicidir. Ayrıca 24
şehirler için sorun olan çöpleri enerji kaynağı olarak kullanmak mümkün olmakla birlikte, Avrupa Birliği üyesi olan ülkeler gibi diğer gelişmiş ülkeler de bilgi ve teknoloji transferleri ile çöpten elektrik enerjisi üreten santraller kurmuşlardır. Bu şekilde insan sağlığı açısından riskli sayılabilecek faktörlerin büyük bir kısmı ortadan kalkmakta ve çevreye daha temiz ve güvenli yaşam alanları kazandırılmaktadır.
Biyokütle enerjisinde üçüncü kuşak kullanımı adı verilen oldukça güncel atılımlar da gözlenmektedir. Tarımsal kökenli nebati atıkların sonucu olarak üretilen biyogazların mikro jeneratörlerde elektrik amacıyla kullanılması üçüncü kuşak kullanımını ifade etmektedir (Gürsoy, 2004: 128).
Biyoyakıt üretimi 2018 yılında önceki seneye göre %10, son 10 yılda ise yaklaşık %93 oranında artmıştır. Üretimde liderliği yaklaşık %40 ile ABD alırken en yakın rakibi olan Brezilya %22,4 oranında dünya üretiminde söz sahibidir. Bu sayılara yakıt olarak kullanılan etanol ve biyodizel dahil değildir (BP, 2019). Biyoyakıt üretiminde dünyanın ilk 10 ülkesi ve ülkemizin durumu Çizelge 2.8.’de verilmiştir.
2.2.4. Hidroelektrik enerji
Hidroenerji olarak da adlandırılan hidroelektrik enerji sistemleri; barajlı ve pompaj depolamalı sistemlerde suyun potansiyel enerjisinin, akarsulu sistemlerde ise kinetik enerjisinin mekanik enerjiye çevrilerek kullanılması fikrine dayanan sistemlerdir. Nehirlerin enerji dönüşümü amacıyla kullanılması gerektiği fikri 20. yüzyılın daha başlarında ortaya atılarak dünya çapında uygulama alanı bulmuştur. Hidroelektrik enerjisinin verimliliği büyük oranda ülkelerin alabileceği yıllık yağışlara bağlıdır. Özellikle Türkiye gibi yarı kurak ülkelerde yağış daha çok önem kazanan faktör olma durumundadır. Yağışların az olduğu zamanlarda barajlardaki doluluk oranlarına bağlı olarak hidroelektrik enerjisi üretiminde rol alan santraller için elektrik enerjisi üretimi de düşmektedir.
Hidroelektrik enerji üretimi için barajlar da çok önemlidir. Genel olarak barajlar ileride anlatılan bazı bölümlerden oluşmaktadır. Mekanik-elektrik dönüşümü yapan jeneratör ve türbin bu bölümlerin başında gelmektedir. Önüne bir set çekilerek, çekilen setin içinde akan suyun birikmesiyle ve yükselmesiyle akarsu hareket edemez hale gelir ve bir tür göl oluşur. Bu setlerde gövdenin içinde suyu nakliye ya da tahliye etmeye yarayan kanallar mevcuttur ve bu kanallar su istendiği takdirde karşı tarafa geçirilerek bu geçiş sırasında türbinlerin döndürülmesiyle birlikte elektrik enerjisi üretilir. Elektrik enerjisi üretiminde hidroelektrik santrallerin (HES) önemli payı vardır. Şekil 2.7.’de barajlı hidroelektrik santralinin bölümleri ifade edilmektedir. 25
Çizelge 2.9. Hidroelektrik kaynaklı elektrik üretiminde dünyadaki ilk 10 ülke (BP, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Üretim (mtep) Üretimdeki Payı (%)
1 Çin 272,1 28,7 2 Brezilya 87,7 9,2 3 Kanada 87,6 9,2 4 ABD 65,3 6,9 5 Rusya Federasyonu 43 4,5 6 Hindistan 31,6 3,3 7 Norveç 31,3 3,3 8 Japonya 18,3 1,9 9 Vietnam 18,3 1,9 10 Venezuela 16,3 1,7 13 Türkiye 13,5 1,4 Diğer 265,4 28 Toplam: 948,8 100
Hidroelektrik kaynaklı elektrik üretiminde dünyada liderlik Çin’de iken ikinci sırada Brezilya ve onu takiben Kanada sıralanmaktadır. Hidroelektrik konusunda ülkemiz de dünyada söz sahibi konumunda olup on üçüncü sırada yer almaktadır. Çizelge 2.9. hidroelektrik kaynaklı elektrik üretiminde dünyada ilk 10 ülke ve ülkemizin durumunu ifade etmektedir.
Şekil 2.7. Hidroelektrik santralin çalışma şeması (Eskin, 2010). 26
Çevreye zararlı olmamaları ve düşük riskli grupta bulunmaları hidroelektrik santralleri için tercih sebebidir. Ayrıca düşük maliyet, yerli üretim, uzun ömürlülük, temiz ve tükenmez olma gibi vasıfları ile elektrik enerjisi üretimi gerçekleştirilmektedir. Oldukça ekonomik ve çevreci olan hidroelektrik santrallerinin elektrik üretimi için uygun coğrafi koşulların sağlanması gerekmektedir. Bu koşullar sağlanırken diğer yandan da jeolojik dengenin bozulmaması ve çevrenin korunması önem arz etmektedir. Örneğin taşkınların oluşmaması için akarsuların rejimleri kontrol altına alınmalıdır.
2.2.5. Jeotermal enerji
Litosferde bulunan ısının zayıf katmanları geçerek yeryüzüne ulaşması şeklinde ortaya çıkan su buharı ya da sıcak su jeotermal enerji olarak tanımlanmaktadır. Şekil 2.8.’de jeotermal enerjinin meydana geliş süreci görselleştirilmiştir. Bu enerji kendiliğinden veya sondaj yöntemiyle ortaya çıkmaktadır. Bu enerji türünün yenilenebilir olarak nitelendirilmesi için çıkarılan suyun re-enjeksiyon yöntemiyle yeniden pompalanması gerekmektedir (Gürsoy, 2004: 132).
Şekil 2.8. İdeal bir jeotermal sistemin gösterimi (Arslan vd., 2001:22). 27
En istikrarlı yenilenebilir enerji kaynağı jeotermal enerjidir. Bu nedenle, jeotermal enerji santralleri günde 24 saat çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve sistem, hava veya yakıt dağıtımından bağımsızdır. Kolayca elektrik enerjisine dönüştürülebilen jeotermal enerji kaynağı, genellikle yenilenebilir olarak kabul edilmektedir. Bu enerji kaynağının yenilenebilir olması çeşitli yağış şekilleri ve yer altı su haznelerinin devamı ve re-enjeksiyon yönteminin gerçekleştirildiği durumlarda mümkündür. Ayrıca jeotermal enerji kaynakları kısa süren hava olaylarından etkilenmez. Bir jeotermal enerji kaynağının ekonomik ve termodinamik açıdan optimum kullanımı, jeotermal akışkanın özelliklerine büyük ölçüde bağlıdır. Özellikle; sıcaklık, basınç, akışkan bileşimi ve sıvı/buhar oranı, enerji dönüşümü için en iyi yöntem ve koşulları belirlemede önemlidir (Köse, 2007).
Çizelge 2.10. Jeotermal enerji kurulu güç bazında dünyanın ilk 10 ülkesi (IRENA, 2019).
Dünyadaki Sırası Ülkeler Kurulu Güç (MW) Toplam İçindeki Payı (%)
1 ABD 2.546 19,1 2 Endonezya 1.946 14,6 3 Filipinler 1.928 14,5 4 Türkiye 1.283 9,6 5 Yeni Zelanda 996 7,5 6 Meksika 951 7,1 7 İtalya 767 5,8 8 İzlanda 753 5,6 9 Kenya 663 5 10 Japonya 536 4 Diğer 959,7 7,2 Toplam: 13.329 100
Elektrik üretimi, yüksek sıcaklıktaki jeotermal kaynakların en önemli kullanım şeklidir. Sıvı yüzdesinin yüksek olduğu ve düşük sıcaklıklara (85-180 ℃) sahip akışkanlardan ve su ağırlıklı jeotermal alanlarındaki ayırıcılardan gelen atık sıcak sulardan düşük-orta sıcaklıktaki jeotermal akışkanlardan elektrik üretilmesi, ikili akışkan teknolojisinde gelişmeler yapıldığından beri kayda değer bir ilerleme gerçekleştirmiştir. İkili sistemi kullanan santraller, buharlı sistemle karşılaştırıldığında düşük sıcaklıklarda düşük kaynama noktasına ve yüksek buhar basıncına 28 sahip, genellikle organik bir akışkan olan ikincil bir çalışma akışkanı kullanmaktadır. İkincil akışkan, geleneksel bir Rankine çevrimi vasıtasıyla işletilmektedir: jeotermal sıvı ısısını bu akışkanın ısıtıldığı ve buharlaştığı ısı değiştiricileri yoluyla ikincil sıvıya ısı verir. Üretilen buhar bir buhar türbinine enerjiyi aktarır, daha sonra soğutulur ve yoğuşturulur ve döngü başa döner. Bu çevrime Organik Rankine Çevrimi (ORC) de denir. Tipik olarak, jeotermal su rezervuar seviyesini korumak ve yenilenebilir enerji döngüsünü tamamlamak için toprağa şarj edilmektedir. Jeotermal su ve çalışma sıvısı birbirinden ayrı kapalı çevrimlerle sınırlandırılmıştır, bu nedenle jeotermal akışkandan havaya emisyon olmamaktadır (Köse, 2005).
Jeotermal enerji, fosil yakıtların kullanımı esnasında ortaya çıkan sera etkisi ve asit yağmurları gibi çevresel zararlar oluşturmadığı için çevre konusunda diğer enerji kaynaklarıyla kıyaslandığında oldukça zararsız ve çevre dostu bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Temiz olmasının yanı sıra jeotermal enerji, doğal kaynaklar kullanıldığı için dışa bağımlılık gerektirmemektedir.
Dünyada jeotermal enerji gelecek yıllarda taşıtların motorlarında kullanılmaya başlanarak hidrojen yakıtlı araçların geliştirilmesi yönünde çalışmalar yapılmaktadır. Bunun yanında jeotermal enerjiden en fazla konutların ısıtılmasında, sıcak su ihtiyaçlarının karşılanmasında ve endüstriyel ısı ihtiyaçlarında ve az bir oranda da olsa elektrik üretiminde kullanılmak üzere faydalanılmaktadır.
Kurulu güç bazında jeotermal enerji incelendiğinde ABD zirvede görünmektedir. Endonezya ve Filipinler birbirine çok yakın kapasite değerleri ile ikinci ve üçüncü sıradadır. Son dönemde artan yatırımların katkısıyla ülkemiz dördüncülüğe kadar yükselmiştir (BP, 2019). Türkiye’nin jeotermal arazileri Şekil 2.9.’da verilmektedir. Jeotermal enerjide kurulu güç bazında dünyanın ilk 10 ülkesi ise Çizelge 2.10.’da belirtilmiştir. 29
Şekil 2.9. Türkiye'de jeotermal enerji alanları (MTA, 2019). 30
2.2.6. Hidrojen enerjisi
Evrendeki kütlenin çoğunluğu hidrojendir ancak yeryüzünde serbest olarak çok az bulunmaktadır. Fakat doğada bileşikler halinde hem gaz hem de sıvı halde bol miktarda bulunmaktadır. Aynı zamanda renksiz, kokusuz ve zehirsiz bir gazdır. Fiziksel özellikleri Çizelge 2.11.’de verilmiştir. Hidrojen değişik hammaddelerden temin edilip değişik maddelere dönüştürülebilmektedir. Karbon içermediğinden çevreye zararı da azdır. Bir enerjinin etkili ve sürekli kullanımı ancak depolanabilir olması, taşınabilir olması, endüstriyel üretimde ve evlerde kullanılabilir olması, temiz ve de yenilenebilir olması ile sağlanabilmektedir. Bu anlamda hidrojen enerjisinin çevreye en saygılı enerji türlerinden biri olduğu bilinmektedir. Elektrik üretiminde, ısınmada ve bunun gibi pek çok alanda ihtiyaçları karşılayabilen hidrojen enerjisi endüstriyel açıdan da önemlidir. Ayrıca hidrojen diğer yakıtlardan farklı olarak kendine has bir depolama sistemi barındırmakla birlikte motorlu taşıtlarda kullanım güvencesi sağlamaktadır. Bu sayede hidrojenin ticari amaçlar için de kullanılabilir bir alternatif olması dikkat çekicidir.
Çizelge 2.11. Hidrojenin fiziksel özellikleri (Şahin, 2006: 21; Şahin, 2010).
Fiziksel Özellik Birim
Maddenin hali - Gaz (Oda sıcaklığında) Yoğunluk kg/m3 (0℃ ve 101.325 kPa) 89,88 x 10-3 Sıvı haldeki yoğunluğu kg/m3 2267 Ergime noktası Sırasıyla K ve ℃ 14,01 / -259,14 Kaynama noktası Sırasıyla K ve ℃ 20,28 / -252,87
-4 Ergime ısısı kJ/kg (H2) 1,16 x 10
-4 Buharlaşma ısısı kJ/kg (H2) 8,97 x 10
Isı kapasitesi kJ/kg.K (H2) 28,609 (25 ℃) Kritik nokta sıcaklığı K 33 Kritik nokta basıncı bar 12,9 Kritik sıcaklıktaki yoğunluk kg/m3 31,4 Tutuşma sıcaklığı ℃ 560 Hava ile tutuşma bölgesi % 4 ile 77 arası Isıl iletkenliği W/m.K 190 31
Hidrojen, kömür veya biyogaz gibi birincil enerji kaynağı değildir; birincil enerji kaynaklarından üretilen bir enerji taşıyıcıdır. Fosil yakıtlardan gazlaştırma ve yeniden oluşturma (reforming) ile hidrojen üretimi teknolojisi yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Örneğin, hidrojen elektroliz ile sudan üretilebilmektedir. Elektroliz için gerekli olan elektrik güneş pilleri, hidrolik ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılanabileceği gibi nükleer elektrik de bu amaç için kullanılabilir.
Günümüzde, hidrojen üretmek için farklı yöntemler mevcuttur ve bunlar birincil kaynakları ile karakterize edilir. Birincil kaynaklar arasında kömür, petrol ve doğal gaz gibi tükenir kaynaklarla birlikte biyokütle, güneş, rüzgâr, hidroelektrik ve nükleer gibi yenilenebilir kaynaklar da bulunmaktadır. Ek olarak, üretim teknolojilerinde kimyasal, biyolojik, elektrolitik, fotolitik ve termo-kimyasal işlemler gibi birçok alternatif vardır. Birincil enerji kaynağının ve hidrojen üretme teknolojisinin seçimi, yakıt maliyetleri ve ayrıca çevresel ve sosyal etkiler gibi parametrelerle güçlü bir şekilde bağlantılıdır. Şekil 2.10. hidrojen üretmek için en çok kullanılan mevcut teknolojileri göstermektedir.
• Gazlaştırma • Hidrokarbonlar (Kömür, Petrol) Gaz Ayrıştırma • Biyoyakıt • Islah Etme (Reformasyon) • Doğal Gaz
Termo- • Isıl Enerji kimyasal • Nükleer enerji Çevrimler
• Elektrik • Direkt Üretim • Hidroelektrik En. Elektroliz • Rüzgâr En. • Güneş En. - PV • Rankine Çevrimi • Nükleer En.
Fotokataliz • Güneş En. - Isıl
Şekil 2.10. Hidrojen üretimi için en sık kullanılan yöntemler (Valencia, 2008). 32
Genel olarak, fosil yakıtlardan, nükleer enerjiden veya geri kazanılmış enerjiden ve güneş, rüzgâr, hidro, termal ve biyokütle gibi yenilenebilir enerjilerden elektrik ve ısıl enerji üretilebilmektedir. Biyokimyasal enerji organik maddeden geri kazanılırken, fotonik enerji güneş
ışımasından kaynaklanmaktadır. Karbon kaynaklı yakıtlar ve biyokütle, sentez gazını (H2 ve CO karışımı) üretmek için gazlaştırılabilir, ardından saf hidrojen elde etmek için gaz işleme ve ayrıştırma gerçekleştirilmelidir. Ayrıca, doğal gaz ıslahı Meksika'daki birçok rafinerilerde ve kimya endüstrisinde büyük ölçekli H2 üretimi için kullanılan olgun bir teknolojidir. Bazı
ülkelerde, H2 yakıt ikmali istasyonlarının gösterilmesinde küçük ölçekli ıslah sistemleri halen kullanılmaktadır. Islah seçenekleri arasında katalitik buhar metan ıslahı (SMR-Steam Methane Reforming), kısmi oksidasyon (PO-Partial Oxidation) ve geliştirilmekte olan diğer varyantlar
(CO2 yakalama gibi) bulunmaktadır. SMR'de, metan, 700°C - 950°C'de buharla reaksiyona girerek, sentez gazı üretmek için CO daha sonra CO2'ye dönüştürülür ve su-gaz değiştirme reaksiyonu (WGS-Water/Gas Shift Reaction) tarafından ilave H2 üretilir. PO işleminde metan, başlangıçta saf O2 ile reaksiyona girerek sentez gazı oluşturur. Ulaşım uygulamalarında yakıt hücreleri gibi farklı ihtiyaçlar için saf hidrojen elde etmek için bu işlemlerden daha fazla saflaştırma veya gaz ayrılması gerekmektedir (Ortiz vd., 2016).
İçten yanmalı motorlarda yakıt olarak doğrudan kullanılması ile birlikte katalitik yüzeylerde alevsiz yanma özelliği de hidrojenin enerji kaynağı olarak kullanılabileceği alanlardır. Fakat küresel trendler hidrojenin yakıt pillerinde kullanılması üzerinedir. Bir depolama yöntemi olan yakıt pilleri ise aslında elektrolizin tersi bir işlem görür. Yakıt pilleri hidrojeni gaz olarak ve oksijeni havadan alarak bunları elektrik akımı ve su ve su buharı olarak üretmek için elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesini sağlar (İder, 2003).
2.2.7. Dalga enerjisi
Deniz yüzeyindeki dalgalar ya da deniz altındaki akıntılar ve basınç farkları dalga enerjisinden elektrik üretim yöntemlerinin temelini teşkil etmektedir. Büyük su kütleleri üzerinde esen rüzgâr, dalgaları meydana getirir. Rüzgâr dünyanın pek çok yerinde düzenli dalgalar oluşturacak seviyede sürekli olarak eser. Bu düzenli ve sürekli enerji kaynağı deniz ve okyanuslarda büyük bir enerjinin oluşmasına yol açar.
Sınırsız ve bol olması, çevreye olumsuz etkilerinin olmaması, küresel ısınma ve sera gazı gibi doğayı kirleten etkilerinin olmaması, yeni istihdam olanakları sağlaması, şebekeden uzak yerlere enerji sağlama imkânı, deniz ve okyanuslarda kıyıdan uzak bölgelerde deniz üstü ya da 33 deniz dibi çalışmalarda gerçekleştirilecek operasyonlara enerji sağlayabilmesi, tuzdan arınma sistemlerine güç sağlamak için alternatif olması olumlu etkilerinden bazılarıdır.
Bu artılarının yanında bazı teknolojik dezavantajları da mevcuttur. Tüm dalga boyları ve frekanslarında ortak kullanılabilecek bir tasarımın olmayışı büyük bir eksikliktir. Ayrıca deniz trafik yolları, askeri bölgeler, balıkçılık tahsis alanları, su altı kablolarının yer aldığı bölgeler bu enerjiden faydalanma konusunda sınırlamalar oluşturmaktadır.
Dalgalardan enerji üreten sistemler, dalga hareketleri ya da basınç farkları vasıtasıyla üretim yapabilmektedir. Sonlandırıcı makineler dalgaların hareketi yönünde dikey olarak uzanır ve dalga enerjisini yansıtır veya yakalar. Bu dalga enerjisi sistemleri çoğunlukla deniz kenarı ya da kıyıya yakın yerler için tasarlansa da son çalışmalar açık deniz uygulamalarında enerji üretimi üzerinedir. Sonlandırıcı makinenin başka bir çeşidi ise titreşen su sütunudur. Bu sistemlerde tasarım kısmen su içinde kısmen de üstündedir. Dalganın yükselmesi ile su üstünde bulunan hava sıkıştırılarak içinde türbin bulunan odaya yönlendirilir. Dalgaların yükselme ve alçalması ile hava bir piston içinde gibi iki yönlü hareket ederek türbinin de bu hareket ile elektrik üretmesini sağlar.
Çizelge 2.12. Bölgelere göre ortalama dalga enerjisi yoğunlukları (Sağlam vd., 2010).
Bölge Güç (kWh/m) Karadeniz 1,96-4,22 Marmara Denizi 0,31-0,69 Ege Denizi 2,86-8,75 Akdeniz 2,59-8,26 İzmir-Antalya arası 3,91-12,05
Ülkemizde dalga enerjisi incelendiğinde yanlış bir kanaate göre Karadeniz’in daha dalgalı olması ile daha fazla güç üreteceği beklenmiştir. Fakat Güneybatı Anadolu yönünde Ege Denizi ve Akdeniz’in kesişim bölgesinde hâkim olan rüzgârlar, 4-17 kWh/m’lik yıllık ortalama dalga gücünün oluşmasını sağlamaktadır. Bu sebeple dalga enerjisi sistemlerinde araştırma yapmak için İzmir-Antalya arasındaki bu bölge daha uygundur. Daha spesifik bir bölümden bahsedersek Finike-Dalaman arasındaki sahil şeridi en optimum bölgedir. Türkiye’nin denizlerinde ortalama dalga enerjisi yoğunlukları Çizelge 2.12.’de verilmiştir. Deniz trafiği, deniz tatbikat bölgeleri, sahil yerleşim alanları hesaplama dışında bırakıldığında ve düşük dalga gücüne sahip bölgeler çıkarıldığında ticari olarak dalga enerjisinden elektrik üretimi için 8210 km 34 uzunluktaki ülkemizin kıyı şeridinin 1/5’inin kullanıma uygun olduğu hesaplanmıştır. Sadece bir seri/dizi küçük ölçekli dalga enerjisi sisteminden, yıllık 4-17 kWh/m arasında dalga gücü olan bölgelerde, toplam en az 10 TWh/yıl civarı enerji temini mümkündür ki bu miktar ekonomik olarak üretilebilir Türkiye hidroelektrik enerji potansiyelinin %12,5’ine karşılık gelmektedir (Sağlam vd., 2010).
2.3. Dünya’da Enerjinin Görünümü
Dünya ekonomisi gelişen ülkelerin refahının artması ile büyümeye devam etmektedir ve insanoğlunun gelişimi ile enerji tüketimi arasında güçlü bir bağ vardır. Birleşmiş Milletler İnsani Gelişmişlik İndeksi’ne göre insan gelişimi ve refahı için kişi başı 100 GJ enerji tüketimi öngörülmektedir. Günümüzde dünya nüfusunun yaklaşık %80’i ortalama olarak kişi başı 100 GJ seviyesinin altında enerji tüketmektedir. 2040 yılına kadar iyimser senaryolarda dahi bu oran 2/3 civarlarına çıkmaktadır.
Ekonomik ve coğrafi dengelerdeki dalgalanmalar, enerji piyasalarında bu dalgalanmalara karşı uzun vadeli çözümler getirme ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Yeni tasarım ve teknolojiler, yeşil ve temiz enerji, enerji diplomasisi ve tüketici hareketleri enerji sektöründe ciddi gündem başlıkları olarak kabul edilmektedir. Sektör devleri ve analiz firmalarının analizlerinin gerçekleşmesi durumda, yenilenebilir enerji kaynakları küresel bazda en hızlı büyüyen enerji kaynağı olacaktır. Güncel durumda Avrupa, yenilenebilir enerji üretiminde dünyada lider konumundadır.
Petrol Kömür Doğal Gaz Hidroelektrik Nükleer Enerji Yenilenebilir Enerji 50
40
30
20 YÜZDE (%) YÜZDE
10
0
1985 1989 2018 1986 1987 1988 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 YILLAR
Şekil 2.11. Yakıt türüne göre küresel birincil enerji tüketimi oranları (BP, 2019). 35
Yenilenebilir enerji kaynaklarındaki bu hızlı yükselişin aksine petrol, doğal gaz ve kömür 2017’de %81 oranında birincil enerji tüketiminde kullanılırken fosil yakıtların bu baskın konumunu 2040’a kadar koruyacağı ve enerji talebinin %77’sinin hala bu yakıtlardan karşılanacağı beklenmektedir. Doğal gazın tükenir yakıtlar bazında en hızlı büyüyen enerji türü olacağı hesaplanmaktadır. Petrole olan ilginin devam edeceği öngörülmektedir. Buna göre 2017 yılında dünyanın enerji talebinin %33’ünü karşılayan petrolün 2040 yılında biraz düşerek %31 oranında enerji sağlayacağı analiz edilmektedir. Gelişmekte olan ülkeler ve şu an gelişmişlik düzeyi düşük ama ileride seviye atlayacak ülkelerin artan talebine rağmen bu düşüşün gerçekleşmesi gelecek adına umut verici bir durumdur.
Nükleer enerji bazında enerji tüketimi incelendiğinde 2018-2040 arasında 1,5 kat artması beklenmektedir. Tahmini bu artışın ardından nükleer enerjinin küresel çapta yenilenebilir enerjinin ardından en hızlı büyüyen ikinci enerji kaynağı olması öngörülmektedir.
Enerji ihtiyacının artışı ve dengelerin değişmesi, enerji sektörü ve pazarını etkilemektedir. Enerjide dışa bağımlılığı olan ithalatçı ülkeler açısından tabiri caizse bu esaretten kurtulmak ve bağımsız hale gelmek en büyük hedeflerdendir. Ayrıca dış siyasetlerdeki dengesizlik, tükenir kaynakların rezerv durumları ve çevreye olumsuz etkileri; ülkeleri enerji bazında yeni düzenlemeler ve kararlar almaya zorlamaktadır. Çevresel kaygıları giderecek çözümler aranırken, çevreye duyarlı enerji kaynaklarının kullanımını artırmanın dışında etkin enerji kullanım ile tasarruf yapılarak azaltılmasının sağlanması ve verimli enerji teknolojilerinin bulunması da uğraşılması gereken konulardır.
Dünyadaki petrol rezervlerinin çoğunluğunun Ortadoğu’da olması, ABD’nin yenilenebilir ve alternatif enerji kaynaklarına ciddi yatırımlar yapmasına rağmen petrol talebinde hala zirvede olması, Asyalı ülkelerin tüketim ve bu doğrultuda taleplerinin artışı gibi nedenler sürdürülebilirlik ve enerji güvenliği konuları ülkeler ve hükümetler nezdinde en önemli enerji gündem maddelerinden biri olmaya devam etmektedir (KPMG, 2018).
BP 2019 Dünyada Enerjinin İstatistiki Görünümü (2019) adlı raporu incelendiğinde, dünya ihtiyaç duyduğu birincil enerjinin %27,2’sini kömürden, %33,6’sını petrolden, %23,9’unu doğal gazdan elde ederek toplam ihtiyacının %84,5’ini fosil kaynaklı yakıtlardan temin etmiştir. Nükleer enerji ihtiyacın %4,4’ünü, hidroelektrik %6,8’ini ve yenilenebilir enerji kaynakları ise %4’ünü karşılamıştır. Ayrıca 1985 yılından itibaren küresel birincil enerji tüketim oranları Şekil 2.11.’de yakıt türlerine göre incelenmiştir.
36
2.4. Türkiye’de Enerji Görünümü
Artan nüfusu ve büyüyen ekonomisi ile Türkiye’nin enerji talebi her geçen sene artmaktadır. OECD üyesi ülkeler incelendiğinde; ülkemiz 2002 yılından beri ortalama %5,5 büyüme göstermesinin yanı sıra elektrik ihtiyacında en fazla artış gösteren ülke konumundadır. Ülkemizin kurulu gücü; Ağustos 2019’da 90 GW düzeyine ulaşmış olup, bu sayılar Türkiye’nin sahip olduğu kurulu gücün 20 yılda yaklaşık 3 kat arttığını ifade etmektedir. 1990 yılından itibaren ülkemizin kurulu güç değerleri Şekil 2.12.’de verilmiştir.
Kurulu Güç (GW) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
1991 2010 1990 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 - - 2019 Ağustos
Kurulu Güç (GW)
Şekil 2.12. Ağustos 2019 tarihinde Türkiye'nin kurulu gücü (TEİAŞ, 2019).
Türkiye’de enerji sektörünün en bilinen özellikleri enerjide dışa bağımlı olması ve sürekli artan enerji talebidir. Son dönemlerde gittikçe artan bir dikkatle üzerine yoğunlaşılan yerli ve milli enerji stratejisi ve bakış açısı bu dışa bağımlılığı önce azaltmayı sonra da tamamen bitirmeyi hedeflemektedir. Yerli kaynakların azami ve verimli bir şekilde kullanılması, enerji kaynaklarında dışa bağımlılık oranlarının düşürülmesi ve iklim değişikliği gibi çevresel krizlerle mücadele amacıyla ülkemiz, yenilenebilir enerji kaynaklarına yatırım yapmakta ve bu kaynakların enerji üretiminde kullanım oranlarını artırma yönünde çalışmaları yapmaktadır. Ayrıca enerjide kaynak çeşitliliğini sağlamak için nükleer enerji konusunda da araştırma ve çalışmalar yürütülmektedir. 37
Ülkemiz konum itibariyle dünya hidrokarbon rezervlerinin ¾’üne sahip ülkelere komşudur. Jeopolitik konum açısından Türkiye, Avrupa gibi tüketim bölgeleri ile bu hidrokarbon üreticileri birbirine bağlayan doğal bir enerji koridoru pozisyonundadır. Bu özel durumun getirisi olduğu gibi ülkemize bazı sorumluluklar da getirmektedir. Bu kapsamda ülkemiz, bölgesindeki enerji politikalarını ve diplomasisini düzenlerken her doğrultudaki enerji koridorları üzerindeki konumunu kuvvetlendirmesi hem ülkemiz hem milletimiz açısından faydalı olacaktır.
TEİAŞ’tan alınan bilgilere göre Ağustos 2019 itibarı ile Türkiye’nin kurulu gücü 90.448,7 MW’a ulaşmıştır. Bu kapasitenin %31,4’ü hidrolik (barajlı+ akarsu), %28,9’u doğalgaz, %22,4’ü kömür (linyit + ithal kömür + taş kömürü + asfaltit) tarafından oluşmaktadır. Fosil yakıtlı santraller kurulu gücün yaklaşık olarak %51,8’ini oluşturmaktadır. Elektrik üretiminde ise fosil kaynaklar ihtiyacın %57’sini karşılarken yenilenebilir enerji %43 civarında üretim yapmıştır. Kaynaklar bazında kurulu güç değerleri ise Çizelge 2.13.’te verilmiştir.
Çizelge 2.13. Kaynaklara göre kurulu güç değerleri (TEİAŞ, 2019).
Kaynak Çeşidi Oranı (%) Santral Adedi Kurulu Güç (GW)
Kömür 22,5 67 20,3 Petrol 0,6 18 0,5 Doğalgaz 28,8 328 26,0 Rüzgâr 8,1 259 7,3 Güneş 6,1 6.430 5,5 Biyokütle 0,8 158 0,7 Hidrolik 31,4 667 28,4 Jeotermal 1,4 48 1,3 Atık Isı 0,3 76 0,3 TOPLAM 100,0 8.051 90,4
Türkiye'de hemen hemen her türlü enerji kaynağı mevcuttur. Ancak, linyit ve hidrolik enerji dışındaki enerji kaynakları ülkemizin talebini karşılayacak kapasitede değildir. Bu nedenle, bu gereksinimin yarıdan fazlası ithal edilen enerji ile karşılanmaktadır. Türkiye'nin de bulunduğu güneş kuşağına bağlı olarak, 6105 TWh/yıl teknik güneş enerjisi potansiyeli, elektrik üretimi açısından çok yüksektir; bunu, tahmini olarak 290 TWh/yıl değerinde rüzgâr enerjisi potansiyeli ve 216 TWh/yıl ile hidroelektrik teknik potansiyeli takip etmektedir (Ozgur, 2008). Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli Çizelge 2.14.’te verilmiştir. 38
Çizelge 2.14. Türkiye'nin yenilenebilir enerji potansiyeli (Ozgur, 2008).
Yenilenebilir Kullanım Türü Doğal Teknik Ekonomik Enerji Kaynağı Potansiyel Potansiyel Potansiyel
Güneş Enerjisi Elektrik (TWh/yıl) 977.000 6.105 305 Isı (mtep/yıl) 80.000 500 25 Hidroelektrik Elektrik (TWh/yıl) 433 216 127,4 Rüzgâr Enerjisi Elektrik (TWh/yıl) - Karasal 400 110 50 Elektrik (TWh/yıl) – Deniz üstü - 180 - Dalga Enerjisi Elektrik (TWh/yıl) 150 18 - Jeotermal Elektrik (TWh/yıl) - - 1,4 Enerji Isı (MWth) 31.500 7.500 2.843 Biyokütle Yakıt (mtep/yıl) klasik 30 10 7 Yakıt (mtep/yıl) modern 90 40 25
39
3. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
3.1. CSP (Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi) Sistemleri
CSP santralleri, yüksek sıcaklık ve yüksek enerji dönüşüm verimlerine ulaşmak için güneş ışığının akı yoğunluğunu artırarak ısıl enerjiye çevirmek amacıyla tasarlanmıştır. Üretilen ısıl enerji kızgın buhar sistemine yönlendirilerek ya da ısıl depolama ünitelerinde depolanarak kullanılabilir. CSP santralleri en hızlı gelişen ticari teknolojilerden bir tanesidir (Vogel ve Kalb, 2010). CSP teknolojileri; solar yansıtıcı, güneş takip sistemi, ısı değiştirici, ısıl depolama ve ısıl yük bölümlerinden oluşmaktadır. Direkt normal radyasyon, güneş ve dünyanın solar geometrilerine göre tasarlanan yoğunlaştırıcı sistemler ile toplanmaktadır. CSP toplayıcı sistemleri Çizelge 3.1.’de verilmiştir.
Çizelge 3.1. Çeşitli CSP teknolojileri (Zhao vd., 2017).
CSP Teknolojisi Yoğunlaştırma Oranı Çalışma Sıcaklık Aralığı (℃)
PTC (Parabolik Oluk) 50-400 150-1500
LFR (Doğrusal Fresnel) 25-100 50-300
SPT (Güneş Kulesi) 10-150 300-2000
SPD (Çanak-Stirling) 1000-3000 150-1500
2018 yılında yaklaşık 550 MW’lık CSP gücünün sisteme eklenmesinin ardından küresel kapasite %11’lik artış ile 5.5 GW’ın biraz altına ulaşmıştır. Bu yıllık artış 2014’ten beri gerçekleşen en büyük artıştır ve 2018 yılında faaliyete geçmesi planlanan birçok projedeki gecikmelere rağmen gerçekleşmiştir. Yıl sonuna kadar, Afrika, Asya, Orta Doğu ve Güney Amerika’ya yayılan 10 ülkedeki yapım aşamasındaki CSP projeleri 2 GW kapasitesine ulaşmıştır. Bu kapasitenin çoğu Birleşik Arap Emirlikleri (0.7 GW) ve Çin(0.5 GW)’de inşa edilmektedir. 2018 sonuna kadar yapım aşamasında olan 23 tesisten 3‘ü dışında tümü ısıl enerji depolama sistemi planları içermektedir. CSP sistemlerinde kümülatif küresel kapasite değerleri Şekil 3.1.’de gösterilmiştir. 40
6
5
4
3
2 CSP Küresel Kurulu Güç (GW) 1
0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
A.B.D. İspanya Dünyanın Geri Kalanı
Şekil 3.1. 2008-2018 yılları arasında CSP küresel kapasitesi (REN 21, 2019).
Yeni santraller üst üste üç yıl boyunca yalnızca gelişmekte olan pazarlarda devreye alınmıştır. Bu eğilimin devam etmesi de beklenmektedir çünkü 2018 sonuna kadar yapım aşamasında olan hemen hemen tüm ticari CSP santrali gelişmekte olan ülkelerde bulunmaktadır. Çin ve Fas, küresel CSP kurulu gücüne kapasite eklenmesinde sırasıyla ilk iki sıradaki ülkelerdir, Güney Afrika ve Suudi Arabistan ise bu ülkeleri takip etmektedir.
İspanya, 2018 yılı sonunda faaliyetteki 2.3 GW ile ikinci sırada 1.7 GW'ın üzerinde mevcut CSP kapasitesine sahip ABD’nin önünde dünya lideri olmaya devam etmektedir. Bu iki ülke, yıl sonunda faaliyet gösteren küresel CSP kapasitesinin yaklaşık %75'ini oluşturmaktadır, ancak İspanya’da 2013'ten beri ve ABD’de ise 2015'ten beri ticari faaliyet amaçlı yeni bir tesis inşa edilmemiştir. Her iki ülkenin de 2018 yıl sonu itibariyle yapım aşamasında olan yeni tesisleri yoktu; ancak, 2019’un başlarında İspanya hükümeti 2030’a kadar 5 GW’lık yeni CSP kapasitesi hedefini ilan etmiştir.
Neredeyse tamamen eriyik tuzlara dayanan yaklaşık 17 GWh ısıl enerji depolaması, 2018 yılı sonuna kadar beş kıtadaki CSP tesisleri ile birlikte faaliyete geçmiştir. Bazı tesisler hariç, 2014’in sonu ile 2018’in sonu arasında hizmete giren tüm CSP santralleri bir ısıl enerji depolama (TES) sistemi içermektedir. TES, yönlendirilebilir bir güç kaynağı olmasını, kapasite faktörünü 41 arttırmasını, şebeke esnekliğine kaynak sağlamasını ve daha yüksek oranlarda kullanılan çeşitli yenilenebilir enerji güç sistemlerine entegre edilmesini sağlayarak CSP'nin operasyonel değerinin merkezi olarak görülmeye devam etmektedir (REN 21, 2019).
CSP sistemleri iki ana grup ve dört alt grupta toplanmıştır. İki ana grup, yoğunlaştırma yapılan bölgelere göre isim almıştır ve doğrusal odaklı ile nokta odaklı sistemler olarak ayrılmaktadır. Dört alt grup ise; doğrusal odaklı olan parabolik oluk toplayıcılı sistemler ve doğrusal Fresnel toplayıcılı sistemler ile nokta odaklı olan güneş kulesi sistemleri (merkezi alıcılı sistemler) ve parabolik çanak sistemlerden meydana gelmektedir.
3.1.1. Doğrusal odaklı CSP sistemleri
Bu grupta bulunan santraller arasında Fresnel sistemlerinden daha yüksek toplayıcı verimine sahip olan parabolik oluk toplayıcılı santraller kurulu güç bakımından baskın durumdadır. Parabolik oluk tasarımında güneş ışığını gün boyunca takip eden ve boru şeklindeki toplayıcıya aktaran oluk görünümlü aynalar kullanılmaktadır. Doğrusal Fresnel yansıtıcılı sistemlerde ise bağımsız düzlemsel aynalar güneş ışığını bir boru şeklindeki toplayıcıya yansıtmak amacıyla kullanılmaktadır. Her iki sistemde de genellikle buhar jeneratörüne veya depolama ünitesine gönderilmeden önce ısı taşıyıcı akışkan, büyük solar toplayıcı alanlara pompalanmaktadır.
Doğrusal odaklamalı bir santralin işletme sıcaklığı 290-390 ℃ arasında iken maksimum ve ortalama güç dönüşüm verimleri sırasıyla %14-20 ve %13-15 civarlarındadır (Gonzalez- Roubaud vd., 2017).
Parabolik oluk toplayıcılı (PTC) CSP sistemleri
Şekil 3.2. PROMETEO parabolik oluk test tesisi (PSA-PROMETEO, 2019). 42
Parabolik oluk toplayıcıları (PTC) toplam CSP kurulu gücünün yaklaşık %90'ını oluşturmaktadır (Binatti vd., 2013). Çünkü bu teknoloji yoğunlaştırılmış toplayıcılar arasında en fazla çalışılan türdür ve on yıllardan beri uygulanmaktadır (Clark, 1982). Günümüzde, birçok CSP sistemi, Ürdün (Al-Soud ve Hrayshat, 2009), Cezayir (El Gharbi vd., 2011; Boukelia ve Mecibah, 2013) ve İspanya (Grasse, 1995) gibi yüksek güneş enerjisi potansiyeli olan ülkeler analiz edilmiştir. PTC'nin temel kısımları boşaltılmış tüp ve doğrusal bir parabolik yansıtıcıdır. Yansıtıcı, güneş ışınını yansıtma özelliği olan bir malzemenin parabolik bir şekilde bükülmesi ile üretilmektedir ve boşaltılmış tüp bu parabolik şeklin odak hattına yerleştirilmektedir. Bu teknolojinin ana fikri, direkt güneş radyasyonunu parabolik yansıtıcılar vasıtasıyla boşaltılmış tüpe yönlendirerek çalışma akışkanına enerji aktarmaktır. Parabolik oluk CSP santrallerine bir örnek olarak PSA tarafından işletilen PROMETEO tesisi Şekil 3.2.’de gösterilmektedir. Verimlilik iyileştirmeleri ve sistem maliyetinin düşürülmesi, dünya genelinde CSP sistemlerinin daha da geliştirilmesi için temel etmenlerdir (Price vd., 2002; Ouagued vd., 2013). Dolayısıyla, bu alanda yeni fikirler denemek ve mevcut toplayıcıları optimize etmek için birçok araştırma yapılmaktadır (Cheng vd., 2015a; de Risi vd., 2013). Parabolik oluklu CSP sistemleri tasarımında dikkat edilmesi gereken konular Şekil 3.3.’te açıklanmıştır. Ayrıca söz konusu sistemin tasarımına ait bir görsel Şekil 3.4.’te paylaşılmıştır.
Parabolik Oluklu Yoğunlaştırıcılı Güneş Enerjisi Santralleri Solar Isıl Güç Tarla Depolama Bloğu
Isı Taşıyıcı Toplayıcı Türbin Akışkan Eriyik Tuz
Akışkan Sıcak Ayna Jeneratör Pompası Depolama Tankı
Isı Destek Soğuk Yoğuşturucu Değiştirici Yapıları Depolama Tankı
Boru Hattı Isı Pompalar Çekme Değiştirici
Isı Pompalar Değiştiriciler
Şekil 3.3. Parabolik oluk toplayıcılı CSP'ler için tasarım aşamasında dikkat edilmesi gereken parametreler. 43
Parabolik Oluk Isı Transfer Akışkanı (HTF) Toplayıcıları (PTC) Çalışma Akışkanı
Yardımcı Isıtıcı
Solar Tarla Güç Bloğu
Genleşme Tankı
1 Türbin 2 Jeneratör 3 Yoğuşturucu Pompa 4 Pompa 5 Ön Isıtıcı 6 Kazan
Şekil 3.4. Parabolik oluk toplayıcılı CSP sistemleri tasarımı (Padilla, 2011).
Literatürde sayısal modeller ve simülasyon araçlarıyla PTC'nin verimliliğini etkileyen çok sayıda parametre çalışılmıştır. Termik verim üzerindeki rüzgâr etkisi, Hachicha ve arkadaşları (2014) tarafından incelenirken, yoğunlaştırıcı toplayıcıların genişletilmiş optik ölçümleri, birçok araştırmacı tarafından analiz edilmiştir. Cheng ve arkadaşları (2014a) PTC’yi simüle etmek için Monte Carlo ışın izleme optik modelini, Binotti ve arkadaşları (2013), incelenen modellerin optik analizini hesaplamak için First OPTIC yöntemini kullanmıştır. Ouagued ve arkadaşları (2013), Euler metodu ile bir enerji dengesi diferansiyel denklem sistemini çözmüş ve HTF fiyatının termal enerji maliyeti üzerindeki etkisini analiz etmiştir.
Isıl performans çalışmalarında sayısal çalışmaların çoğu, en basit sayısal yöntem olan tek boyutlu ısı transferi analizini (Liang vd., 2015; Zaversky vd., 2013; Cheng vd., 2015b; Gong vd., 2010) kullanmıştır. Marif ve arkadaşları (2014), bu yöntemi kullanarak, sıvı suyun sentetik yağdan daha iyi performans gösterdiği sonucuna varmıştır. Gong ve arkadaşları (2010), bir ve üç boyutlu ısı transferi analizini yapmış ve her iki yöntemin de test sonuçlarını doğruladığını kanıtlamıştır. Literatürde başka üç boyutlu çalışmalar da mevcuttur (Wang vd., 2015; Cheng vd., 2014b; Wang vd., 2014; Eck vd., 2010). Xu ve arkadaşları (2013) kısa süreli çalışmalarda bir PTC'nin performansını incelemek için dinamik bir model geliştirmiş ve deneysel verilerle test 44 etmiştir. Diğer birçok simülasyon Mühendislik Denklem Çözücü (Engineering Equations Solver - EES) ile geliştirilmiştir ve mevcut sonuçlarla doğrulanmıştır (Mokheimer vd., 2014; Yılmaz ve Söylemez, 2014; Kalogirou, 2012). Öte yandan, iyi bilinen bir yazılıma sahip simülasyonlar da literatürde bulunmaktadır. Tsai ve Lin (2012), ısıl verimliliği en üst düzeye çıkarmak amacıyla farklı PTC sistemlerinde farklı yansıtıcı türlerini simüle etmek için Solidworks'ü kullanmıştır. Akbarimoosavi ve Yaghoubi (2014) ANSYS programını kullanmış ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip emici malzeme kullanılan yüzeylerin maksimum çevresel sıcaklık farkının azalmasına yol açtığına ve bu durumun ısıl verimi artırdığı sonucuna varmıştır. Ayrıca, FLUENT simülasyonlar için çok faydalı bir araçtır ve literatürde bazı çalışmalarda kullanılmıştır (Zadeh vd., 2015; He vd., 2011; Cheng vd., 2010).
SolarPACES’in CSP sistemleri haritasına göre (2019) PTC sistemleri 4204,27 MW kurulu güce ulaşmıştır. 605 MW inşa halindeyken 1074 MW da projelendirilmiş durumdadır.
PTC sistemleri için ısıl güç hesabı
Tesis yeri seçiminden sonra atılacak en önemli adım santral için en uygun tasarıma karar verilmesidir. Duffie ve Beckman'ın (2013: 263) modeli, tek bir yoğunlaştırıcılı toplayıcı için yararlı ısı kazanımını hesaplama imkânı vermektedir.
푆−퐴푟 푄푢 = 퐹푅퐴푎 [ ] (3.1) 퐴푎푈퐿(푇𝑖−푇푎)
푚̇ 푐푝(푇표−푇𝑖) 퐹푅 = (3.2) 퐴푐[푆−푈퐿(푇𝑖−푇푎)]
퐴 퐶 = 푎 (3.3) 퐴푟
푄푢 푇표 = 푇𝑖 + (3.4) 푚.푐푝
Eşitlik 3.1. yararlı ısı kazanımı için kullanılırken Eşitlik 3.2. ise 3.1.’de bulunan toplayıcı ısı uzaklaştırma faktörünü hesaplamak için kullanılmaktadır. Ayrıca Eşitlik 3.3. ile CSP’lerin en önemli hesaplamalarından biri olan yoğunlaştırma oranı bulunmaktadır. Eşitlik 3.4. ise akışkan
çıkış sıcaklığı hesaplama amacıyla kullanılmaktadır. Buradaki eşitliklerde Qu yararlı ısı kazanımı,
FR toplayıcı ısı uzaklaştırma faktörünü, Aa yoğunlaştırıcının açıklık alanını, Ar alıcı alanını, Ac toplayıcı alanını, S absorbe edilen güneş ışımasını, UL toplam ısı kayıp katsayısını, Ti akışkan giriş sıcaklığını, To akışkan çıkış sıcaklığını, Ta çevre sıcaklığını, m kütlesel debiyi, cp ısı taşıyıcı akışkanın özgül ısı kapasitesini ve C yoğunlaştırma oranını belirtmektedir. 45
푆표푙푎푟 푡푎푟푙푎 푘푎푝푎푠𝑖푡푒푠𝑖 푆푀 = (3.5) 퐺üç ç푒푣푟𝑖푚𝑖 푘푎푝푎푠𝑖푡푒푠𝑖
Bu aşamada Eşitlik 3.5.’te ifade edilen parabolik oluk toplayıcı sistemlerinde kullanılan başka bir özellikten bahsetmek gerekmektedir. SM olarak kısaltılan güneş çarpanı ya da katsayısı, güç çevrimini tasarım kapasitesinde çalıştırmak için gereken solar tarla alanını bir katsayı olarak ifade etmektedir. SM=1 ise solar tarlada üretilen ısının tamamı güç bloğunda ısıl ya da elektriksel güce çevrilmektedir. SM>1 olduğu durumda ise solar tarla güç bloğunun çevirebileceğinden fazla ısı üretmektedir. Bu durumda fazla ısının depolama vasıtasıyla faydalı hale getirilmesi beklenmektedir. Aksi takdirde üretilen ısının tamamı kullanılamayacak ve israf olacaktır. Bu bilgiler ışığında solar tarlanın ısıl güç çıkışı 3.6. numaralı eşitlik ile hesaplanmaktadır:
푊푝푏,푑푒푠 푄푠푓,푑푒푠 = × 푆푀 (3.6) 휂푑푒푠
Burada 푄푠푓,푑푒푠 solar tarla tasarımı ısıl güç çıkışını, 푊푝푏,푑푒푠 güç bloğunun tasarım güç
çıkışını ve 휂푑푒푠 tasarım verimini ifade etmektedir.
Doğrusal Fresnel yansıtıcılı (LFR) CSP sistemleri
Şekil 3.5. FRESDEMO doğrusal Fresnel yoğunlaştırıcı sistemi (PSA-FRESDEMO, 2019).
Doğrusal Fresnel yansıtıcılı sistemler, yoğunlaştırma oranı 10 ila 50 arasında olan bir güneş yoğunlaştırma teknolojisidir. LFR, yere yakın yerleştirilmiş ve bölümlere ayrılmış birincil 46 yansıtıcılara sahiptir (Mills, 2012). Bu tasarım, rüzgâr yüklerinin düşük olması nedeniyle mekanik zorlukları ortaya çıkarmaktadır ve aynı zamanda bu yoğunlaştırıcı teknolojisi ile arazi kullanımı da düşüktür (Baharoon vd., 2015). LFR alıcısı hareket etmemektedir ve zeminden birkaç metre yükseğe yerleştirilmektedir. LFR'nin, toplayıcı maliyetini nispeten düşük olmasını sağlayan hafif bir destek sistemine sahip olduğunu belirtmekte fayda vardır. Şekil 3.5.’te deneysel bir tesis olan FRESDEMO LFR santrali gösterilmektedir. Şekil 3.6.’da ise bir LFR sisteminin genel tasarımı ve bileşenleri görülmektedir.
Şekil 3.6. Doğrusal Fresnel alıcılı CSP sistemi tasarımı (YEGM, 2019c).
LFR alıcısı genellikle ikincil bir yoğunlaştırıcıya bağlanmış boşaltılmış tüp toplayıcısına sahiptir. İkincil yoğunlaştırıcı, genellikle bir bileşik parabolik yoğunlaştırıcı (CPC) olan bir parabolik şekle sahiptir. Geleneksel bir başka tasarım, içinde birçok tüp bulunan ikizkenar yamuk şeklinde boşluk alıcısıdır. Şekil 3.7.’de söz konusu ikizkenar yamuk şeklindeki alıcılar görsel halde sunulmaktadır.
1 Düzlemsel Cam 2 Ayna 3 Yalıtım 4 Yumuşak Çelik Levha Tüm boyutlar mm düzeyindedir.
Şekil 3.7. İkizkenar yamuk şeklinde boşluk alıcılar (Singh vd., 1999). 47
Birincil yansıtıcılar düz veya kavisli olabilmektedir. Düz yansıtıcılar daha ucuzdur ancak daha yüksek optik kayıplara neden olmaktadır. Kavisli aynalar parabolik bir şekle sahiptir ve genel optik verimi düz aynalardan daha yüksektir. Ancak kavisli yansıtıcılar, kavisli aynalara ihtiyaç duyulduğundan dolayı sorun olmaktadır ve böylece maliyetleri artırmaktadır. Şekil 3.8.’de düz ve kavisli yansıtıcılara ait tasarımlar mevcuttur.
Şekil 3.8. LFR sistemlerinde birincil yansıtıcılar: a) düz yansıtıcı b) kavisli yansıtıcı (Benyakhlef vd., 2016).
Su/buhar, LFR sistemleri için sıklıkla kullanılan bir çalışma akışkanıdır. Bu buhar doğrudan Rankine döngüsünün türbininde veya endüstriyel bir işlemde kullanılabilmektedir. Ayrıca, 400℃'ye kadar olan çeşitli ısıl uygulamalar için termal yağlar kullanılır. Depolama amacıyla eriyik tuzu kullanan enerji üretimi uygulamalarında da eriyik tuzlar çalışma akışkanı olarak kullanılabilmektedir (Qiu vd., 2015). Bellos ve arkadaşları (2018), eriyik tuz ile yapılan çalışmanın, termal yağ ile çalışmaya kıyasla daha yüksek ısıl verim sağladığını ve ayrıca eriyik tuzun, 600°C'ye kadar olan daha yüksek sıcaklıklarda çalışma imkânı sağladığının altını çizmiştir.
SolarPACES’in CSP sistemleri haritasına (2019) göre LFR sistemlerinde çalışır durumdaki kurulu güç 157,4 MW düzeyindedir. 24 MW inşa halindeyken 200 MW’lık 4 proje de planlanmaktadır.
LFR sistemleri için ısıl güç hesabı
푄푢 휂푡ℎ = (3.7) 푄푠 48
푄푠 = 퐴푎. 퐺푏 (3.8)
푄푢 = 푚. 푐푝. (푇표 − 푇𝑖) (3.9)
푄푙표푠푠 = 푄푎푏푠 − 푄푢 (3.10)
푄푎푏푠 = 휂표푝푡. 푄푠 (3.11)
퐴 푄 = 푎 . 푈 . (푇 − 푇 ) (3.12) 푙표푠푠 퐶 퐿 푟 푎
푄푢 = 퐴ℎ푒푥. ℎ. (푇푟 − 푇푓푚) (3.13)
Sistemin ısıl güç verimini hesaplamak için Eşitlik 3.7. kullanılmaktadır. Eşitlik 3.8’den
3.13.’e kadar ısıl değerlerin hesaplaması için formüller aktarılmıştır. Yukarıdaki eşitliklerde 휂푡ℎ
LFR sisteminin ısıl verimini, 푄푢 faydalı ısıyı, 푄푠 kullanılabilir güneş ışınımını, 퐴푎 toplayıcı açıklığını, 퐺푏 direkt güneş ışınımını, 푄푙표푠푠 ısıl kayıpları, 푄푎푏푠 absorbe edilen güneş ışınımını,
휂표푝푡 optik verimi, C yoğunlaştırma oranını, 푈퐿 alıcının ısıl kayıp katsayısını, 푇푟 anlık alıcı sıcaklığını, 푇푎 çevre sıcaklığını, 퐴ℎ푒푥 ısı değiştirici yüzeyini, h akışkanın ısı transfer katsayısını ve 푇푓푚 anlık akışkan sıcaklığını ifade etmektedir.
3.1.2. Nokta odaklı CSP sistemleri
Merkezi alıcılı sistemler olarak da adlandırılan nokta odaklı CSP sistemleri doğrusal odaklamalı sistemlere göre toplayıcıda daha yüksek odaklama oranı ve daha yüksek sıcaklık imkânı sağlayan iki eksenli ayna(heliostat) sistemini temel almaktadır. Eriyik tuzları ısı taşıyıcı akışkan olarak kullanan güneş kulesi gibi nokta odaklı sistemler ilk olarak 80’li yıllarda Fransa’da THEMIS projesi ve 90’lı yıllarda ABD’de Solar Two projesinde olduğu gibi yakın tarihte benzer
şekilde endüstriyel boyutta 110 MWel gücünde Crescent Dunes ve 377 MWel gücünde Ivanpah santralinde hayata geçirilmiştir. 290 ℃ ile 565 ℃ arasındaki yüksek işletme sıcaklığı doğrusal odaklamalı sistemlerden daha yüksek verim (%23-35) ve daha yüksek yıllık çevrim verimleri (%14-18) gibi olumlu sonuçlara ulaşmamızı sağlar (Burgleta vd., 2012).
49
Merkezi alıcılı CSP sistemleri (SPT – Solar Power Tower / Güneş kulesi)
Şekil 3.9. CESA nokta odaklı güneş kulesi sistemi (PSA-CESA, 2019).
SPT (Solar Power Tower – Solar Güç Kulesi) de denilen merkezi alıcılı sistemler, güneş ışığını merkezi olarak bulunan kulenin tepesindeki bir güneş alıcısına yansıtmak için büyük düz aynalar kullanan CSP güç üretim sistemleridir (Behar vd., 2013). Şekil 3.9.’da CESA Nokta Odaklı Güneş Kulesi Santrali görülmektedir. 600-1000 arasındaki güneş yoğunlaştırma oranları ile 1000 ℃’ye kadar sıcaklık elde edilebilmektedir. Yaklaşık %35 pik verime ve %25 yıllık güneş-elektrik dönüşüm verimine sahiptir (SolarPACES, 2016). Alıcı için malzemeler genellikle nispeten yüksek sıcaklıklarda stabil olan seramik veya metallerdir. Alıcıya çarpan ortalama güneş akımı 200 kW/m2 ile 1000 kW/m2 arasında değişmekte ve bu da yüksek bir çalışma sıcaklığı elde etmek için bir fırsat sağlamaktadır (Kalogirou, 2004). Alıcıda, çalışma akışkanının sıcaklığı buhar üretmek için yeterince yüksek hale gelir ve sonunda bu buhar elektrik üretmek için geleneksel bir türbini döndürebilmektedir. 100–200 MW kapasiteye sahip büyük tesisler için sistemde çalışma sıvısı olarak su/buhar, eriyik tuz, sıvı sodyum veya hava kullanılabilmektedir. (Müller-Steinhagen ve Trieb, 2004; Brakmann vd., 2005). 1980'lerde ve 1990'larda, Amerika Birleşik Devletleri Kaliforniya'daki Enerji Projeleri Departmanı, bir SPT'nin, tüm gün boyunca elektrik şebekesine elektrik üretmek için ısı toplayabildiğini ve depolayabildiğini göstermiştir. Bugün SPT'ler temiz bir enerji ekonomisi oluşturulmasına yardımcı olmaya devam etmektedir. 2009 yılında Mojave Çölü'ndeki modüler iki kuleli bir sistem olan Sierra Sun Tower, 5000'den fazla eve elektrik sağlamıştır ve 2010 yılında ABD Kaliforniya’da bulunan Ivanpah Güneş Enerjisi Santrali 392 MW'lık üç kuleli sistemi ile devreye alınmıştır. Bu tesiste yaklaşık 175.000 ayna bulunmaktadır. Söz konusu santral 1000'den fazla iş imkânı oluşturmuş ve 350.000'den fazla eve yetecek kadar elektrik üretmiştir (Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı – United States of America Department of Energy [USDOE], 2019). Heliostatlar adı verilen binlerce ayna güneş ışığını bir 50 kulenin tepesindeki alıcıya yansıtmaktadır. Heliostatlar, enerji kulesi CSP tesisindeki en pahalı yatırım kalemidir (Nixon vd., 2010). Bu bilgisayar kontrollü aynalar şafaktan alacakaranlığa kadar bir odağa ısıl enerji sağlamak amacıyla hareket etmektedir. Sierra Sun Tower tesisinde su, çalışma akışkanı olarak kullanılırken, eriyik nitrat tuzu günümüzde ABD'deki enerji santrallerinde yaygın olarak tercih edilmektedir. Çünkü bu akışkan yanıcı değildir, zehirli değildir ve daha iyi ısı depolama kapasitesine sahiptir. Şekil 3.10.’da eriyik tuz akışkanlı bir güneş kulesi tasarımı paylaşılmaktadır. Almanya'daki Jülich Güneş Kulesi tesisinde, kullanılan çalışma akışkanı ise havadır.
Şekil 3.10. Isıl depolama özelliği olan eriyik tuz akışkanlı merkezi alıcılı güneş santrali tasarımı (YEGM, 2019c).
Bir buhar SPT sisteminde su, yoğunlaştırılmış güneş ışınımının su buharını 537 °C'nin üzerine çıkardığı alıcıya aktarılmaktadır. Kızgın buharın bir kısmı (bir ısı depolama tankında) depolanırken, buharın çoğu parabolik oluk sisteminde olduğu gibi güç bloğuna gönderilmektedir. Daha sonra, yüksek basınçlı buhar elektrik üretmek için türbini döndürmektedir. Bulut güneş ışığını engellerse, daha önce tankta depolanan buhar bir saate kadar elektrik üretmek için kullanılmaktadır. Öte yandan, eriyik tuzun çalışma akışkanı olarak kullanıldığı bir SPT'de, 290 °C'de nispeten soğuk eriyik tuz, 565 °C'ye ısıtıldığı alıcıya pompalanır ve daha sonra sıcak depolama tankına yönlendirilmektedir. Sıcak tuz daha sonra ısının suya aktarıldığı bir ısı değiştiriciden geçirilir ve bu da geleneksel bir Rankine çevrimli türbin/jeneratör sistemini döndüren buhar üretmektedir. Türbinden çıkan çürük buhar yoğunlaştırılır ve yoğuşmadan sonra ısı değiştirme sistemine pompalanmaktadır. Rankine çevriminde soğutulan eriyik tuz soğuk depolama tankına aktarılır ve tekrardan ısıtılmak amacıyla solar alıcıya gönderilmektedir. Bu 51 işlem sürekli olarak tekrarlanmaktadır (Pavlovic vd., 2012; Ummadisingu ve Soni, 2011; Sharma, 2011). Depolanan sıcak tuz buhar üretiminde kullanılmaktadır ve saatlerce verimli bir şekilde elektrik üretebilmektedir. Bir türbinden sürekli üretim için, depolama tankları 13 saate kadar bir enerji kaynağı olarak yeterli ısı sağlayabilecek şekilde tasarlanabilmektedir (Islam vd., 2018).
Eylül 2019 itibariyle, SPT-CSP tesislerinin toplam kurulu gücü dünya çapında 611,6 MW'a ulaşmıştır ve hızla artmaktadır. 2007 yılında İspanya'da, Planta Solar 10 adlı 11.02 MW kapasiteli ilk ticari SPT-CSP enerji santrali kurulmuştur. Tesisin toplam alanı 55 hektar olup, planlanan elektrik üretimi 23.400 MWh/yıl olarak değerlendirilmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi, bu teknolojiyi kullanan en büyük tesis 2014 yılında ABD’de kurulan 377 MW'lık türbin kapasitesine sahip Ivanpah Güneş Enerjisi Santrali’dir. Bu ticari tesis, 3500 dönümlük en büyük arazi alanlarından birine yayılmıştır ve tesisten elektrik üretimi 1.079.232 MWh/yıl olarak öngörülmektedir. Çalışma durumundaki santralleri arasında, Türkiye'deki Greenway CSP Mersin Güneş Kulesi Santrali ve Çin'deki Dahan Güneş Kulesi Santrali, her biri 1 MW kapasiteli en küçük iki tesistir ve deneysel amaçlar için kurulmuşlardır. Santrallerin kurulduğu Çin ve Türkiye'deki bölgede/ilde yılda ortalama günlük güneş ışınımı sırasıyla 3.73 kWh/m2.gün ve 4.78 kWh/m2.gün'dür. En yeni çalışma durumundaki santral, Güney Afrika'da bulunan ve 2016 yılında kurulan Khi Solar One adlı güç santralidir; 50 MW kapasiteye sahiptir ve beklenen elektrik üretimi 180.000 MWh/yıl olacaktır. SPT en hızlı büyüyen CSP teknolojilerinden biridir. Günümüzde 765 MW kurulu güç kapasitesinde toplam 7 santral inşa edilmektedir ki Çin'de Golmud projesinde 2018'den itibaren 200 MW'a katkı sağlaması beklenen tesis bu santraller içinde en büyük kurulu güce sahiptir. Proje için hesaplanan güneş enerjisi kaynağı 2158 kWh/m2.yıl'dır ve tahmini elektrik üretimi 1.120.000 MWh/yıl olacaktır. Proje halindeki santrallerin kurulu gücü ise 1972 MW’a ulaşmaktadır. Bu sistemler de devreye girdiğinde toplam kurulu güç yaklaşık 3350 MW’a ulaşacak ve bu teknoloji hakkındaki bilgi birikimimiz oldukça artacaktır (SolarPACES, 2019).
SPT sistemleri için ısıl güç hesabı
푃푒푙 푃푒푙 푃𝑖푛푡 푃푡ℎ 푃푒푙 휂푡표푡푎푙 = = = . . = 휂푓𝑖푒푙푑. 휂푟푒푐. 휂푝푏 (3.14) 푃푠표푙푎푟 휂퐻푒푙.퐴퐻푒푙.퐷푁퐼 푃푠표푙푎푟 푃𝑖푛푡 푃푡ℎ
푃𝑖푛푡 푃𝑖푛푡 휂푓𝑖푒푙푑 = = = 휂푐표푠. 휂푏&푠. 휂푟푒푓푙. 휂푎푡푚. 휂𝑖푛푡 (3.15) 푃푠표푙푎푟 휂퐻푒푙.퐴퐻푒푙.퐷푁퐼
푃𝑖푛푡,𝑖 푃𝑖푛푡,𝑖 휂퐻푒푙,𝑖 = = = 휂푐표푠,𝑖. 휂푏&푠,𝑖. 휂푟푒푓푙,𝑖. 휂푎푡푚,𝑖. 휂𝑖푛푡,𝑖 (3.16) 푃푠표푙푎푟,𝑖 퐴퐻푒푙.퐷푁퐼
푃푡ℎ 푄̇ 푎푏푠−푄̇ 푙표푠푠 푄̇ 푙표푠푠,푟푎푑+푄̇ 푙표푠푠,푐표푛푣 휂푟푒푐 = = = 휂푎푏푠 − (3.17) 푃𝑖푛푡 푃𝑖푛푡 푃𝑖푛푡 52
푃푒푙 휂푝푏 = (3.18) 푃푡ℎ
Eşitlik 3.14. ile 3.18. arasında SPT sistemlerinin çeşitli verim hesaplamaları için formüller aktarılmıştır. Yukarıdaki eşitliklerde 휂푡표푡푎푙 genel verimi, 푃푒푙 üretilen elektrik gücünü,
푃푠표푙푎푟 kullanılabilir güneş ışınımını, 휂퐻푒푙 heliostat verimini, 퐴퐻푒푙 heliostat alanını, DNI direkt güneş ışınımı değerini, 푃𝑖푛푡 alıcının elde ettiği güneş ışınımını, 푃푡ℎ üretilen ısıl gücü, 휂푓𝑖푒푙푑 solar tarlanın verimini, 휂푟푒푐 alıcının verimini, 휂푝푏 güç bloğunun verimini, 휂푐표푠 kosinüs verimini, 휂푏&푠 engel ve gölgeleme verimini, 휂푟푒푓푙 yansıtıcı verimini, 휂푎푡푚 atmosfer zayıflaması verimini, 휂𝑖푛푡 engelleme verimini, 푄̇푎푏푠 absorbe eden yüzeyden elde edilen enerjiyi, 푄̇푙표푠푠 toplam ısı kaybını,
푄̇푙표푠푠,푟푎푑 ışınımsal ısı kaybını, 푄̇푙표푠푠,푐표푛푣 taşınımsal ısı kaybını ve 휂푎푏푠 absorbe eden yüzeyin verimini ifade etmektedir. i alt indisi ise tek bir heliostat için yapılan hesaplamayı belirtmek için eşitliğe eklenmiştir (Buck ve Schwarzbözl, 2018).
Solar parabolik çanak (SPD-Solar Parabolic Dish) sistemleri
Şekil 3.11. 17 metre çaplı nokta odaklı çanak/Stirling sistemi, Suudi Arabistan (SBP, 2019).
SPD-CSP sisteminde, güneş ışığını odak noktasındaki alıcıya yansıtan çanak biçimindeki bir parabolik nokta odak yoğunlaştırıcısı kullanılmaktadır. Yoğunlaştırıcılar, güneşi takip eden iki eksenli takip sistemine sahip bir düzeneğe yerleştirilir. Odak noktasında, verimli güç 53 dönüşümü için, Stirling/Brayton motoru, alıcıdaki yoğunlaştırılmış ısıyı kullanmak için bir elektrik jeneratörü yerleştirilmektedir (SolarPACES, 2016). Şekil 3.11.’de nokta odaklı çanak/Stirling sistemi görülmektedir. SPD'lerin odak noktasında yaklaşık 2000 konsantrasyon oranıyla, çalışan akışkanın sıcaklığı ve basıncı sırasıyla yaklaşık 700–750 °C ve 200 bar'a ulaşmaktadır (Ummadisingu ve Soni, 2011; Sharma, 2011; Kaygusuz, 2011). Genellikle, SPD'lerin çapı 5 ila 10 m arasında değişir ve yüzey alanı 40-120 m2'dir. SPD'nin parlak yüzeyi, cam veya plastik üzerine kaplanmış gümüş veya alüminyumdan yapılmıştır. Bununla birlikte, cam 1 μm kalınlığa sahip bir gümüş yüzeyi ile kullanıldığında daha yüksek performans elde edilebilmektedir. Ek olarak, yüzeyin yansımasını iyileştirmek için camda belirli bir oranda demir kullanılmaktadır. Böyle bir bileşimde, güneş yansıması oranı %90-94'e ulaşabilmektedir. Tek bir parabolik çanak CSP sistemi, 0,01 ila 0,5 MW arasında değişen bir güç üretim kapasitesine sahip olabilmektedir (Cavallaro, 2009; Poullikas vd., 2010).
Bir Stirling motorunu çalıştırmak için güneş enerjisi, sıcak bir kaynaktan soğuk bir kuyuya akan ısı şeklinde elde edilmektedir. Stirling döngüsünün çıkışı daha sonra jeneratörü çalıştırmak için kullanılır, böylece elektrik gücü üretilmektedir. SPD sisteminin Stirling motorlu verimi %25 ile %30 arasında değişmektedir (Ab Kadir vd., 2010; Cavallaro, 2009; Poullikas vd., 2010) ki bu, tüm güneş teknolojilerinin en yüksek güneş-elektrik dönüşüm verimlerinden biridir (SolarPACES, 2016). Verimliliğin arkasındaki sebep, PTC ve SPT gibi diğer teknolojilerin kosinüs kayıplarından mustarip olmasına karşın (öngörülen alanda bir düşüş yaşanmakta) (Ummadisingu ve Soni, 2011; Kalogirou, 2004) sistemde kullanılan kavisli aynaların her zaman doğrudan güneşe yönlenmeleridir. SPD, denk sistemlere göre sırasıyla SPT'lere ve PTC'lere göre %50-100 daha yüksek güneş enerjisi-elektrik dönüşüm verimliliğine sahiptir (Lovegrove vd., 2003). Diğer CSP teknolojilerinin aksine, SPD'nin benzersiz avantajlarından biri, sistemin tamamen düz bir zemine ihtiyaç duymaması ve uzak ve küçük yalıtılmış şebekelerde kolayca uygulanabilir olmasıdır (Affandi vd., 2015). EuroDISH adlı bir SPD sisteminin görüntüsü ve tasarımı Şekil 3.12.’de görülmektedir. Daha güvenilir bir güç kaynağı sağlamak için, SPD sistemleri fosil yakıtla çalışan bir elektrik santrali ile de birleştirilebilmektedir. 54
Parçalar:
1 Yoğunlaştırıcı Yüzey 2 Stirling Desteği 3 Stirling Birimi 4 Dikey Doğrultuda Dönüş Düzeneği 5 Yatay Doğrultuda Dönüş Düzeneği 6 Kaide 7 Yatay Doğrultuda Dönüş Motoru 8 Elektrik Panosu 9 Döner Tabla 10 Çanak Desteği 11 Yükseltme Rulmanı
Şekil 3.12. EuroDISH sisteminin a) görünümü, b) şematik diyagramı (Coventry ve Andraka, 2017). Günümüzde inşa edilmiş SPD sistemlerinin tamamı araştırma amaçlı kurulduğu için, -ABD’de operasyonel durumda olmayan her biri 1.5 MW’lık 2 santrali ihmal edersek- ticari olarak niteleyebileceğimiz bir sistem bulunmamaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda üretilen enerjinin birim maliyeti düşürülür ve verimi artırılırsa dünya çapında rağbet görmesi olasıdır.
SPD sistemleri için ısıl güç hesabı
푄̇푛푒푡 휂푡ℎ = (3.19) 푄̇ 푠표푙푎푟
∗ 푄̇푛푒푡 = 푄̇ − 푄̇푙표푠푠,푐표푛푑 − 푄̇푙표푠푠,푟푎푑 − 푄̇푙표푠푠,푐표푛푣 (3.20)
∗ 푄̇ = 휂표푝푡. 휂푟푒푓푙. 푄̇푠표푙푎푟 (3.21)
퐷2 푄̇ = 퐼 . π. 푐표푛푐 (3.22) 푠표푙푎푟 푠푢푛 4
퐴푟푒푐.(푇푠,퐴푣푒−푇푎) 푄̇푙표푠푠,푐표푛푑 = (3.23) 푅푡표푡푎푙
푄̇푙표푠푠,푟푎푑 = ℎ푟푎푑. 퐴푟푒푐. (푇푠 − 푇푎) (3.24)
푄̇푙표푠푠,푐표푛푣 = ℎ푡표푡푎푙. 퐴푟푒푐. (푇푠 − 푇푎) (3.25)
Eşitlik 3.19’da ısıl sistemlerin en önemli özelliklerinden biri olan ısıl verimin hesaplanmasını sağlayan formül aktarılmıştır. Eşitlik 3.20.’den 3.25.’e kadar ise ısı üretimini 55
hesaplama amacıyla kullanılan formüller paylaşılmıştır. Yukarıdaki eşitliklerde 휂푡ℎ alıcının ısıl ∗ verimini, 푄̇푛푒푡 net ısı üretimini, 푄̇푠표푙푎푟 güneşten gelen ısı miktarını, 푄̇ alıcının üretebileceği maksimum enerjiyi, 푄̇푙표푠푠,푐표푛푑 iletimle olan ısı kaybını, 푄̇푙표푠푠,푟푎푑 ışınımla gerçekleşen ısı kaybını,
푄̇푙표푠푠,푐표푛푣 taşınımla kaybedilen ısıyı, 휂표푝푡 sistemin optik verimini, 휂푟푒푓푙 çanak sisteminin yansıtma verimini, 퐼푠푢푛 ortalama güneş ışınımını, 퐷푐표푛푐 çanak açıklık çapını, 퐴푟푒푐 alıcının yüzey alanını, 푇푠,퐴푣푒 ortalama yüzey sıcaklığını, 푇푎 çevre sıcaklığını, 푅푡표푡푎푙 toplam ısıl direnci, ℎ푟푎푑
ışınım mekanizmasındaki ısı taşınım katsayısını, ℎ푡표푡푎푙 ise toplam ısı taşınım katsayısını belirtmektedir.
CSP santrallerinde en önemli bileşenler toplayıcı alan, -varsa- TES sistemleri ve ısı taşıyıcı akışkan(HTF)’dır. Tezin ana konusu olan HTF’ler ilerleyen sayfalarda detaylıca analiz edilmiştir.
3.2. HTF (Isı Taşıyıcı Akışkan)
Güneş enerjisini yoğunlaştırma ve soğurma ilkesi kesinlikle bir güç bloku ya da ısı değiştiricisine toplanan ısının aktarılması ile anlam kazanmaktadır. Güç blokunun verimi için faydalı olan yüksek işletme sıcaklıklarına ulaşma amacı geniş işletme sıcaklığı aralığına sahip ısı taşıyıcı akışkanlar gerektirmektedir. Aynı zamanda solar yoğunlaştırıcı, uygun ısı taşıyıcı akışkanlardan seçilenin limitlerinde çalışacaktır. Bu konu özellikle piyasada olan ısı taşıyıcı akışkanlar konusunda geliştirilen teknolojiler incelendiğinde daha bir önem kazanmaktadır. Güç kulesi sistemleri 290 ℃ ile 565 ℃ arasında çalışan eriyik nitrat tuzlarını kullanırken doğrusal odaklı CSP santralleri 0 ℃’nin altından 400 ℃ civarına ulaşan sıcaklık değerleri arasında çalışan termal yağları kullanmaktadır. Termal yağ, çoğu durumda sentetik yağdır. Bu malzeme, 400 ℃ civarında hidrojen üretimi sebebiyle ayrışmaktadır. Bu, hidrojenin ısı toplama elemanı (HCE) içinden yayılması ve HCE ile cam katman arasındaki boşaltılmış boşluğu doldurması bakımından problemlidir. Bu boşlukta hidrojenin varlığı, ısıl kayıpların artmasına yol açarak yalıtım kalitesini azaltır (Siegel vd., 2011). Bu sebepten sistemin çalışma sıcaklığını yaklaşık 400 ℃'ye kadar sınırlar. Çalışma sıcaklığını 300-400 °C seviyesinden paslanmaz çeliğin sürünme başlangıç sıcaklığı olan 560 °C civarına kadar yükseltmek termodinamik verimi teorik olarak önemli ölçüde artıracaktır. Ancak, çok az sayıda malzeme yüksek sıcaklık uygulamaları için uyumludur. Şekil 3.13.’te HTF olarak kullanılan bazı akışkanların çalışma sıcaklık aralıkları aktarılmıştır.
Bazı eriyik tuzlar (örneğin, alkali nitrat tuzları, alkali karbonat tuzları, vb.) yüksek sıcaklıklara (600 °C'den yüksek) kadar ısıl olarak kararlıdır (Janz vd., 1979). Eriyik tuzların TES malzemeleri olarak kullanılması, birçok fayda sağlamaktadır: 56
1. Eriyik tuzların yüksek sıcaklıktaki kararlılığı, CSP'nin daha yüksek sıcaklıkta çalışmasına izin verebilir. Bu, termodinamik çevrim verimliliğini büyük ölçüde artırabilir ve bunun sonucunda CSP'nin elektrik üretim maliyeti önemli ölçüde azaltılabilir.
2. Eriyik tuzlar, geleneksel organik TES malzemelerine kıyasla nispeten ucuz ve bol miktarda bulunur. Bu, maliyeti önemli ölçüde azaltabilir.
3. Eriyik tuzlar çevresel olarak güvenlidir ve potansiyel çevresel maliyetleri azaltabilir (örneğin malzeme imhası).
Şekil 3.13. Çeşitli tipte HTF ve TES malzemelerinin çalışma sıcaklık aralıkları (PSU, 2019).
Birbirinden farklı ısı taşıyıcı akışkanların seçiminde CSP birimlerinin tasarımı etkilidir. Nokta odaklı sistemlerde ısı taşıyıcı akışkanlar sadece yakındaki solar kuleye pompalanırken doğrusal odaklı CSP sistemlerinde akışkan her bir solar toplayıcı grubundaki kilometrelerce uzunluktaki(SEGS I santralinde ortalama >50km) boru ağına pompalanmaktadır (Kroizer, 1984). Isı taşıyıcı akışkanın donma noktası ortam sıcaklığının çok üstünde olduğu durumlarda toplayıcı borularda donma riski özellikle güneş ışığı olmadığı durumlarda önemli ölçüde artmaktadır. Nokta odaklı CSP sistemlerinde toplayıcı boruların sayısı oldukça azalmaktadır ve yüksek erime noktasına sahip ısı taşıyıcı akışkanlar düşük hata riski ve düşük ön ısıtma talebi ile kullanılabilir. Nihayetinde, bu gerekçeler eriyik tuzların neden noktasal odaklı sistemlerde kullanılabilirken doğrusal odaklı sistemlere uygun olmadığının sebepleridir. Doğrusal odaklı CSP santrallerinde 57 güneş takip ya da toplayıcı boruların günlük boşaltılması teknik olarak donma riskinden kaçınma ihtimalini ortaya çıkarır fakat eriyik tuzların doğrusal odaklı sistemlerde kullanımı için yeterli değildir. Bu sebeple düşük erime noktasına sahip yeni eriyik nitrat tuzlarının keşfi konusunda çok önemli çalışmalar yapılmaktadır. Doğrusal odaklı sistemlerde kullanılacak eriyik tuzlarının arzu edilen maksimum işletme sıcaklığı Solar Tuz’un mevcut üst limiti olan 565 ℃ ve daha düşük seviyelerdir. Bu optimum sıcaklıklar solar tarlaların optik verimleri ile tanımlanmaktadır.
Erime sıcaklığı, TES ve HTF akışkanında değerlendirilen tek kriter değildir. Temel ve gerekli mühendislik verileri olduklarından viskozite, yoğunluk, özgül ısı kapasitesi ve termal yayılma gibi termal fiziksel özellikler de önemlidir. Bununla birlikte, ısıl fiziksel özellikler aynı çalışmada kapsamlı bir şekilde çalışılmamıştır ve farklı çalışmalardan elde edilen sonuçlar birbirinden farklılıklar göstermektedir. Örneğin, solar tuzun erime sıcaklığının 493 ile 500 K arasında olduğu bildirilmektedir (Zhang vd., 2018). Bu farklılıklar, daha doğru analizler için daha fazla deneysel verilere ihtiyaç olduğunu ortaya koymaktadır.
HTF seçiminde önemli olan ısı kapasitesi, PCM adı verilen akışkan türünde yüksek gizli ısı depolama kapasitesi özelliklerinden dolayı oldukça yüksektir. PCM’lerin bu özelliği onları tercih konusunda ön sıralara yükseltmektedir.
3.3. PCM (Faz Değiştiren Malzemeler)
Faz değiştiren malzemeler (PCM'ler), ısıl enerjinin depolanması ve salınmasının gerçekleştirilmesi için, faz veya yapısındaki değişikliklerle çevreden ısıyı emer veya çevreye ısı salıverir. Şekil 3.14.’te bir PCM’nin faz değişimi döngüsü aktarılmaktadır. Bazı çalışmalar (Khan vd., 2016), PCM'lerin avantajlarının yüksek ısı depolama yoğunluğu, büyük gizli ısı depolama kapasitesi, düşük maliyet, mükemmel kimyasal kararlılık vb. olduğuna işaret etmiştir. PCM'ler, atık ısı geri kazanımı, binalarda konfor uygulamaları, elektrikte anlık yüksek talebi karşılama, güneş enerjisi sistemleri vb. (Miró vd., 2016) endüstriyel çalışmalar gibi sürekli araştırmalar nedeniyle geniş bir uygulama alanına sahiptir. Ek olarak, PCM'ler, sıcaklık kontrol sisteminde kullanılabilecek olan faz değiştirme işlemi sırasında sıcaklığın neredeyse sabit kalması konusunda belirgin bir özelliğe sahiptir (Huang vd., 2017).
58
Katı Halde PCM
PCM aship PCM ısı olduğu ısıl enerjisini enerjiyi emerek sıvı çevreye hale geçer. aktarır.
Sıvı Halde PCM
Şekil 3.14. PCM'lerin faz değişimi-sıcaklık döngüsü (UC Davis, 2019).
Birçok PCM türü vardır ve bunlar farklı kriterlere göre sınıflandırılabilir. Faz değişiminden önce ve sonra maddelerin durumuna göre PCM'ler; katı-katı PCM'ler, katı-sıvı PCM'ler, katı-gaz PCM'ler ve sıvı-gaz PCM'ler olarak sınıflandırılabilir. Günümüzde, yüksek gizli ısı kapasiteleri ve faz değişim sürecinde diğerlerine kıyasla düşük hacim değişimleri nedeniyle en sık kullanılan katı-sıvı PCM'lerdir. Katı-sıvı PCM'lerin sıcaklığı, sıcaklık faz değişim sıcaklığına ulaşana kadar yükselir, daha sonra PCM'lerde katıdan sıvıya dönerken, faz değişimi sebebiyle oldukça büyük miktarda gizli ısı depolanır (Mohamed vd., 2017). Kimyasal yapıları açısından PCM’ler; organik PCM'ler, inorganik PCM'lereve ötektik PCM'ler alt başlıklarına ayrılmaktadır. Organik PCM’ler parafin ve parafin olmayanın ötesinde yağ asidi, polibazik alkol vb. çeşitlere ayrılmıştır (Milián vd., 2017). Şekil 3.15.’te kimyasal yapılarına göre PCM’ler gruplanmıştır. Aşındırıcı özelliğinin olmaması, zehirsiz olması, uygun erime noktası olması, kimyasal olarak kararlılığı, süper soğutmaya neredeyse hiç ihtiyaç duymaması ve diğer özellikleri organik PCM’lerin temel avantajlarıdır. Yaygın olarak su, tuzlu su, eriyik tuz ve metal veya alaşımlarını (Gunasekera vd., 2017) ifade eden inorganik PCM'ler, birim kütlede yüksek gizli ısıya sahip, yanıcı olmayan ve organik PCM’ler ile karşılaştırıldığında aynı hacimde daha düşük maliyetli özelliklere sahiptir. Ötektikler, iki veya daha fazla birbiri içinde karışabilen eşzamanlı erime özelliklerine sahip ve malzemeler birbirinden ayrılmadan katılaşabilen malzemelerdir (Chandel ve Agarwal, 2017). 59
Faz Değiştiren Malzemeler
Organik PCM Ötektik PCM İnorganik PCM
Parafin Kökenli Organik-Organik PCM Tuz Karışımları PCM
Parafin Olmayan PCM Metalik Karışımlar İnorganik- İnorganik PCM
Organik-İnorganik PCM
Şekil 3.15. Faz değiştiren malzemelerin sınıflandırılması.
Tüm PCM’ler istenen her uygulamalarda kullanılamaz. PCM’lerin seçimi aşağıdaki ihtiyaçlar göz önüne alınarak yapılır:
1. Çalışma sıcaklığı sınırları içinde faz değişim sıcaklığı,
2. Yüksek gizli ısı depolama kapasitesi,
3. Yüksek ısıl iletkenlik,
4. Kararlı ısıl ve kimyasal özellikler,
5. Çevreye zehir, aşındırma ve zarar verici gibi olumsuz etkide bulunmama,
6. Düşük maliyet ve kolay ulaşılabilir olma,
7. Düşük hacim değişimi,
8. Süper soğutmaya ihtiyaç duymama.
Hiçbir PCM yukarıdaki gereksinimleri tam olarak karşılayamaz. Her zaman, süper soğutma, faz ayrışması, düşük ısı transfer hızı, eriyik haldeki sızıntı, performansın kararsızlığı gibi birkaç kusur vardır (Giro-Paloma vd., 2016). Bununla birlikte, metalik bazlı PCM'ler hariç, diğer tüm saf PCM tipleri ortak düşük ısı iletkenliği kusurlarına sahiptir. Organik PCM'ler en 60 düşük ısıl iletkenliğe sahiptir ve inorganik PCM'lerin termal iletkenliği organik PCM'lerden biraz daha yüksektir (Ibrahim vd., 2017). Bu nedenle, ısıl iletkenliği artırmak PCM'ler alanındaki odak noktalarından biridir (Lin vd., 2018).
3.4. MS (Eriyik Tuzlar)
Faz değiştiren malzeme (PCM) olarak kullanılan eriyik tuzlar diğerlerine kıyasla daha ekonomiktir, çevreye zarar vermez, yaygın olarak temin edilebilir ve daha düşük buhar basıncı ile uygun çalışma sıcaklığına sahiptir. Ayrıca, özgül ısı (cp), eriyik tuzun önemli termofiziksel parametrelerinden biridir. Çizelge 3.1.’de bazı eriyik tuzların özellikleri verilmiştir. Eriyik tuzun özgül ısısının iyileştirilmesi, ısı depolama kapasitesinin arttırılmasında ve güneş enerjisi ısıl enerji üretim sistemlerinin ısı depolama maliyetinin azaltılmasında kilit rol oynayabilir.
Çizelge 3.2. Eriyik tuz karışımlarının özellikleri (Bonk vd., 2018).
Nanoparçacıkların baz tuz içerisindeki dağılarak tuzun özgül ısı kapasitesini (cp), erime noktasını ve gizli ısı değerini önemli ölçüde arttırdığı bildirilmiştir (Chieruzzi vd., 2013; Andreu- 61
Cabedo vd., 2014). Tekli, ikili veya üçlü nitrat tuzu dahil olmak üzere incelenen farklı eriyik nitrat tuzu türleri vardır. Chieruzzi ve arkadaşları (2015) silika, alümina ve hibrit silika-alümina nanoparçacıklarının tekli nitrat tuzu (KNO3) tuzu üzerindeki etkisini araştırmıştır. Öte yandan,
Lasfargues ve arkadaşları (2017), CuO ve TiO2 nanoparçacıklarının ikili nitrat tuzu (güneş tuzu)
üzerine dağılmasının etkisini incelemiş ve cp'deki maksimum artışın ağırlıkça %0,1 CuO güneş tuzu için 713 K'da %10,48 olarak gözlendiğini belirtmiştir. Ramaprasath (2013), HitecXL tuzuna farklı ebatlarda (5, 10, 30 ve 60 nm) nano-SiO2 ilave etmiş ve eriyik tuz nanoakışkanlarının özgül
ısısının özellikleri üzerinde çalışmıştır. Sonuçlar, 5, 10, 30 ve 60 nm SiO2 eklenmesinin, eriyik tuzlu nano-akışkanların özgül ısısını sırasıyla %28, %34, %19 ve %30 arttırdığını göstermiştir.
Tiznobaik ve arkadaşları (2013) dört farklı boyutta SiO2 nanoparçacıklarını ikili karbonat tuzu içinde dağıtarak nanoakışkan malzemeler elde etmişlerdir. Nanoparçacıkların eklenmesi, orijinal dibazik karbonatların özgül ısısını %25 arttırmıştır. Jo ve Banerjee (2014) nanoparçacık dağılımının eriyik karbonat tuzlarının özgül ısı kapasitesi üzerindeki etkisini analiz etmiş ve nanoparçacıkların daha homojen bir şekilde dağılmasıyla nanoakışkanların özgül ısı kapasitesindeki artışı gözlemlemiştir. Shin ve arkadaşları (2015) hazırladıkları karbonat nanoakışkanlarının ısıl iletkenliğinin %37 ile %47 arasında ve özgül ısı kapasitesinin %5 ile %15 arasında arttığını bulmuştur. Ho ve Pan (2014), HITEC akışkanına farklı oranlarda Al2O3 nanoparçacıkları eklemiş ve eriyik tuzun özgül ısısının optimize edilmiş özelliklerini incelemiştir.
Al2O3 nanoparçacıklarının en uygun derişimi, ağırlıkça %0,063 olarak bulunmuştur. Zhao ve Wu (2013), çok duvarlı karbon nanotüplerin (MWCNT) ve nano-altın parçacıklarının, çoğunlukla nanoparçacıkların küçük boyut etkisine bağlı olarak yayılma düzeyinin ve morfolojik özelliklerinin eriyik tuzların termofiziksel özelliklerini geliştirdiğini bulmuşlardır. Ayrıca, farklı derişimlere ve boyuta sahip farklı tipteki nanoparçacıklar, nanotuzun özgül ısı kapasitesini geliştirmek için ikili nitrat güneş tuzu içerisine dağıtılmıştır (Riazi vd., 2016). Diğerleri silika, çok duvarlı karbon nanotüpler, hibrit silika-alümina, mika, altın ve alümina nanoparçacıklarının nitrat güneş tuzuna dağılmasının etkisini araştırmıştır (Dudda ve Shin, 2013). Elde ettikleri sonuçlardan bazıları, kullanılan nanoparçacıkların tiplerine, boyutlarına ve derişimlerine bağlı olarak nanotuzun özgül ısısında daha yüksek bir artış gösterirken diğerleri ise tam tersi sonuçlar göstermiştir. Nanotuz örneklerinin cp değerleri için literatürdeki bu artış veya azalış durumlarının nedeni, eriyik tuz veya nanoparçacıklar olarak kullanılan malzemelerin farklı kaynaklardan temin edilmesi olabilir. Ayrıca, farklı hazırlık protokolleri ve ölçüm koşulları da bu duruma yol açabilmektedir. Nanotuz örneklerinin özgül ısısındaki gelişimi açıklamak için literatür, eriyik tuz ve nanoparçacıklar arasında arayüzlerin oluştuğunu ortaya çıkarmıştır (Luo vd., 2017). Diğer bir açıklama, daha yüksek yüzey alanlarına sahip olan nanoparçacıkların etkisine bağlı olarak ısıl 62 direncin artmasıdır. Chen ve arkadaşlarına göre (2018) ara yüzey ısıl direnci, iki fazlı kompozitlerin termofiziksel özelliklerini etkileyen ana faktördür. Bununla birlikte çoğu durumda kendisinden daha yüksek özgül ısıya sahip nanoparçacık içeren karışımları aktaran basit karıştırma modeli nanoparçacığın özgül ısısının eriyik tuzun özgül ısısından daha düşük olduğu nanotuz deneylerinde uygulanabilir değildir.
Depolama kapasitesi ve şarj/deşarj davranışı dahil olmak üzere eriyik bir tuzun performansını değerlendirmek için hem cp hem k ayrıca ısıl yayıcılık değerlerinin gerekli olduğu belirtilmelidir. Ancak, şu ana kadar bildirilen çalışmaların hiçbiri bu özellikleri bir çalışmada bildirmemiştir (Awad vd., 2018).
63
4. MATERYAL VE METOT
4.1. Materyal
4.1.1. Bor
İnsanoğlu bor ve bileşenlerini çok uzun süredir kullanmaktadır. Günümüzde küresel çaptaki gelişmelerin getirisi olarak yaklaşık %80’i rakipsiz olmak üzere 250’den fazla bor bileşeni kullanılmaktadır. Bu yoğun kullanımından dolayı bor ve ürünlerindeki teknolojik gelişmeler birçok sektörü yakından ilgilendirmektedir. Dünyada bilinen bor rezervinin büyük çoğunluğunu elinde tutan Türkiye’nin bu değerli kaynağı verimli bir şekilde değerlendirmesi gerekmektedir (Demir, 2006). Şekil 4.1.’de bor elementinin enerji sektöründe kullanıldığı alt başlıklar ifade edilmiştir.
Şekil 4.1. Bor elementinin enerji sektöründe kullanıldığı alanlar (Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü [BOREN], 2019a). 64
İşlenebilir bor minerallerinin doğal oluşumu; magmatik, sedimanter ve karışık olmak üzere üç yolla gerçekleşmektedir. Bor, bir element olarak magma içinde bulunmaktadır ve uygun volkanik koşullarda çeşitli bileşikler biçiminde yüzeye taşınmaktadır. Sedimanter olarak, önce kayalardaki serbest bor tuzları, akarsular ve hidrotermal kaynaklarda çözülmüş biçimde birikerek deniz ve göllere ulaşmaktadır. Ardından bu sular buharlaşınca, bor tuzları katmanlar şeklinde birikerek yatakları meydana getirmektedir. Son olarak magma kökenli bor oluşumu, sıcak yer altı suları, hidrotermal etkenler ve çökme olaylarının etkisiyle meydana gelmektedir. Yer kürede kristal ya da amorf formda toprak katmanları arasında veya suda bulunan bor yoğunluğu yaklaşık olarak ortalama 10 ppm düzeyindedir. Bor mineralinin doğadaki dağılımı Çizelge 4.1.’de verilmiştir.
Çizelge 4.1. Bor mineralinin doğadaki dağılımı (Akgün, 2007).
65
Borun tarihçesi
Günümüzden yaklaşık 4000 yıl önceye dayanan bor kullanımı Babil Devleti tarafından Uzak Doğu’dan getirtilerek başlamıştır. Bor madeninden altın işleme ve kuyumculuk sektöründe etkin olarak yararlanılmıştır. Mısır medeniyeti ise mumyalama prosesi, tıp ve maden işleme gibi uygulamalarda bu madeni kullanmıştır. Bilinen ilk boraks yatağı Tibet’te bulunan göllerdir. O dönemlerde ilkel nakliye yöntemleri ile boraks Himalaya Dağları’ndan Hindistan’a aktarılmıştır. Batı’da ise Antik Yunan ve Roma medeniyetleri bor ve bileşiklerini arena temizliğinde tercih etmiştir. Tıp ve halk sağlığında borun kullanımı Arap doktorlar tarafından milattan sonra 900 yılı civarında olmuştur. Borik Asit üretimi ise 1700’lerin başında boraksın işlenmesi ile gerçekleştirilmiştir. 1808’de ise Gay-Lussac ile Thenard’ın ortak çalışması ve onlardan bağımsız olarak Humphry Davy tarafından bor elementi keşfedilmiştir.
Bor sanayi ve sektöründe ilk adım ise 1200’lü yıllarda Venedikli gezgin Marco Polo öncülüğünde günümüzde Çin’e bağlı olan Tibet’ten Batı’ya taşınması ile atılmıştır. 18. Yüzyılın son yarısında İtalya’nın Toscana bölgesindeki jeotermal kuyularının önemli bir bor bileşiği olan Sassolit içerdiği fark edilmiş, 1852 yılında Şili’de modern bakış açısıyla ilk boraks madeni işletilmeye başlanmıştır. Kramer, California, Caliko Mountain ve Nevada bölgelerindeki bor rezervlerinin keşfedilerek madenciliğe başlanması ile ABD dünya bor talebini ikame etmede lider konumuna yükselmiştir. 1895 tarihinde ilk defa Henry Moissan, bor oksitin magnezyum ile indirgenmesiyle %86 saflıkta bor elde etmiştir (Kantürk, 2006).
Batı Anadolu ülkemizin keşfedilen ilk bor yataklarına ev sahipliği yapmaktadır. Balıkesir ili Susurluk ilçesi Sultançayırı bölgesinde bulunan Pandermit yataklarının antik dönemlerde ve Romalılar zamanında bor üretiminde kullanıldığı bilinmektedir. Bu bölge Osmanlı İmparatorluğu’na geçtikten sonra uzun yıllar boyunca işletilmemiştir. 1861 yılı tarihli Maadin Nizannamesi’ne göre 1865 yılında Companie Industrielle des Mazures adlı Fransız şirketine bu bölgenin işletme imtiyazı verilmiştir (Akgün, 2007). des Mazures adlı bu firma kendi ülkesinde başkent Paris bölgesinde boraks işleme sistemi inşa etmiş ve ülkemizde Sultançayırı’ndan yeryüzüne çıkardığı bor madenini alçı taşı olarak tanıtmış, uzun yıllar boyunca oldukça düşük fiyatlar ödeyerek yurt dışına adeta kaçırmıştır (Çınkı, 2001:57). Bu bor madeni üretim bölgesini Fransız firma 20 yıl boyunca bilfiil kullanmıştır. 1887 yılında ise bor rezervlerinin kullanım hakları 65 yıl için İngiliz firmaların kullanımına verilmiştir. Yeni kurulan Türkiye Cumhuriyeti’nde yabancı firmaların pek çoğu 1944 yılına kadar millîleştirilmiş olmasına rağmen İngilizler bor madeni işletme haklarını kaybetmemiştir. Bu yatakların işletme sahipliği 1904, 1927 ve 1938’de sırasıyla William Vitaller, John Owen Rid ve Mewen Mervil’e geçmiştir. 1950 66 senesinde haklar Borax Consolidated Ltd’ye aktarılmış daha sonra 1955 tarihinde ise 6224 sayılı “Yabancı Sermayeyi Teşvik Kanunu” kapsamında 1309 sayılı ”Maden Kanunu” maddelerinden faydalanmak amacıyla bu monopol firma %94 payı kendisine ait, %2’si yerli, %4 ‘ü İngiliz paydaşların olan Türk Boraks AŞ adlı paravan bir firma meydana getirmiştir.
Bigadiç’te 1950 yılında ve Mustafa Kemal Paşa bölgesinde 1952 yılında Kolemanit cevherleri keşfedilmiştir. 1956 senesinde Kütahya ilinin Emet ilçesinde Kolemanit, 1961 tarihinde Eskişehir ilinin Kırka ilçesinde ise boraks rezervlerinin keşfi ve üretime geçilmesiyle ülkemiz, küresel bor üretimi içindeki payını %3’ten önce 1962’de %15, daha sonra ise 1977’de %39 seviyesine artırmıştır (Akgün, 2007).
ABD ve Sovyetler Birliği arasındaki soğuk savaşın en çetin dönemleri olan 1950 senesinde, yüksek enerjili yakıtla çalışacak ve uzun menzilli savaş başlıkları taşıyacak Amerikan roketlerinde bor yakıtının tüketilmesi konusu araştırılmıştır. 1951 senesinde ise bor madenleri ve bileşikleri "stratejik madde" kapsamında sınıflandırılarak, ihracatta kontrol edilmesi kararlaştırılmıştır. 1953 senesinde Amerika Birleşik Devletleri’nde SSCB’nin bor bileşiklerini yakıt olarak kullanan roket sistemleri üzerine çalışıldığı gerekçe gösterilerek “Zip” projesi işleme alınmıştır. Bu proje kapsamında sekiz adet tesis inşa edilmiştir.
1957 tarihinde Yakal Borasit A.Ş'den Doğu Almanya'ya kolemanit taşıyan gemi Çanakkale'de NATO birliklerince durdurulmuştur. O sene ABD, Türkiye ve Avrupa ülkeleri arasında Doğu Bloku ülkelerine bor ve türevleri satışlarını yasaklayacak anlaşma imzalamıştır. ABD hükümeti de ABD dışında yer alan bor yatakları için stratejik bir stok teşekkül etme kararını almıştır.
1957 ile 1959 seneleri arasında Amerika Birleşik Devletleri Sümerbank’a verdiği yünün karşılığından ülkemizden yaklaşık 68 bin ton bor minerali almış ve ülkesinde stoklamıştır. SSCB’nin bor ve bileşiklerini roket yakıtı olarak kullandığı istihbaratının doğru olmadığı anlaşılınca “Zip” projesi rafa kaldırılmıştır. ABD bu projenin nihayetine dek depoladığı borun çok küçük bir kısmına dokunmuş ve sadece 5 ton kadarını işlemiştir. Kullanılmayan kısım ise yaklaşık 10 sene sonra US Borax şirketine teslim edilmiştir. Söz konusu proje ABD için ciddi mali kayıplara yol açmıştır. Sadece Malta (New York)’ta bulunan tesis için 1 milyar dolar civarında gider hesaplanmıştır.
Aynı dönemlerde NATO ise ülkemizden Varşova Paktı ülkelerine bor ve bileşenleri ihracatlarına senelik 7500 ton kota getirmiştir. 1962 senesinde ise bu sınırlama 30 bin ton düzeylerine kadar artırıldıysa da bor ve bileşikleri 1963 tarihinde NATO’nun stratejik maddeler 67 listesinden çıkarılmıştır. 1968 senesinde dönemin Sanayi Bakanı olan Fethi Çelikbaş gerçekleştirdiği bir basın toplantısında, bor minerallerinin NATO'nun stratejik maddeler listesinden çıkarılması adına 1963’te nasıl uğraştıklarını anlatmıştır. Türkiye'nin bor madeni ihracatı 1967 yılında 200 bin tona çıkmasına rağmen sadece Polonya 12 bin ton bor mineralleri ithal etmiştir. 2001 senesinde hazırlanan Sekizinci Beş Yıllık Kalkınma Raporu’na göre 1966 tarihinde Bandırma'daki ilk boraks işletmesi, Polonyalılara yaptırılmıştır. Tesisin yatırım bedeli ise Polonya'ya bor madeni ile ödenmiştir.
1970‘li yılların ikinci yarısında Türkiye’de toplam 25 bor üretim tesisinin sadece 5 tanesi devlete ait firmalar olup kalanları ise özel kuruluşlarca yönetilmiştir. Bu özel kuruluşların 17 tanesi devrede değildir ve iki tanesi Türk Boraks A.Ş‘nin kontrolündedir.
1980’li yıllara gelindiğinde ise ara ürün ve saflaştırılmış ürün olarak borik asit, boraks dekahidrat ve sodyum perborat üretilmekte iken günümüzde ağırlıklı üretim konsantre Tinkal, Kolemanit ve Üleksit ile ara ürün ve saflaştırılmış ürün olarak çok daha düşük ölçülerde susuz boraks, boraks pentahidrat, boraks dekahidrat, sodyum perborat ve borik asit üzerine yoğunlaşmaktadır (Demir, 2006).
Bor madenciliğinde önemli tarihler
1702: İlk kez borik asitin İtalya’da laboratuvarda imali
1830: İtalya’da ilk borik asit imali
1852: İlk ticari bor madeninin Şili’de kurulması
1861: İlk Osmanlı maden kanunu
1864: İlk ticari bor imalatının Kaliforniya’da gerçekleştirilmesi
1865: Susurluk/Aziziye’de Pandermit olarak adlandırılan kalsiyum boratın işletme hakkının Compaigne Industrielle des Mazures firmasına tahsis edilmesi ve böylece Türkiye’de bor madenciliğinde ilk adımların atılması ve firmanın Türkiye’den çıkarılan madeni kullanan Fransa’da bir boraks rafineri fabrikası kurması
1872: Nevada ve Kaliforniya’da ilk Üleksit minerallerinin keşfi ve imalat sürecinin başlaması
1881: Death Valley bölgesinde boraks yataklarının keşfi
1885: Borate/Kaliforniya bor yataklarının tespiti ve “Twenty Mule Team” döneminin başlangıcı 68
1887: Compaigne Industrielle des Mazures’e Aziziye maden bölgesi işletme haklarının 50 senelik müddet ile tahsis edilmesi
1887: Sultançayırı yataklarının Charles Hanson & Co. firması tarafından işletmeye alınması
1887: İngiltere’de kurulan The Borax Company firmasının Aziziye yatağındaki Compaigne Industrielle des Mazures’e ait çoğunluk hissesini alması
1899: BCL firmasının kurulması
1899: des Mazures’e ait maden bölgelerinin BCL tarafından satın alınması
1913: Kramer bor rezervlerinin keşfi
I. Dünya Savaşı yılları: ABD 110.000 t/y boraks üretimi ile küresel çapta lider imalatçı konumunda
1935: Türkiye’de maden arama ve işletme çalışmalarını gerçekleştirmek amacıyla Etibank ve MTA’nın kurulması
1951: Bigadiç Kolemanit yataklarının özel firmalarca işletilmeye başlanması
1954: BCL’in Türkiye’deki madencilik çalışmalarını artırmak amacıyla Türk Boraks Madencilik A.Ş. firmasını kurması
1954: Sultançayırı maden ocağının kapatılması
1958: Etibank Emet rezervinden ilk minerallerin çıkarılışı
1959: Türkiye’nin ilk cevher düzeyinde bor ihracatı
1960: Türk Boraks Madencilik A.Ş. ve Türk iştiraklerince Kırka Sodyum Borat rezervlerinin keşfi
1964: Etibank’ın 20.000 t/y boraks dekahidrat minerali fabrikasının işletmeye alınması
1968: Etibank’ın 6.000 t/y kapasiteli ilk borik asit fabrikasını işletmeye alması
1968: Bakanlar Kurulu kararı kapsamında Türk Boraks Madencilik A.Ş.’nin tüm maden arama ve işletme haklarının Etibank’a devredilmesi
1975: Bandırma sodyum perborat fabrikasının devreye alınması
1978: 2172 sayılı kanun kapsamında bor madenlerinin tüm madencilik ve işletme haklarının Etibank’a devredilmesi 69
1984: Kırka I. bor türevleri fabrikasının devreye alınması
1987: Bandırma II. borik asit fabrikasının devreye alınması
1996: Kırka II. boraks pentahidrat fabrikasının devreye alınması
2001: Kırka III. boraks pentahidrat fabrikasının devreye alınması
2004: Emet borik asit fabrikasının işletmeye alınması.
Borun fiziksel ve kimyasal özellikleri
Bor madeni, doğal formunda serbest olarak bulunmamaktadır, genelde tuz bileşikleri olarak çıkarılmaktadır. Proton sayısı ya da diğer adıyla atom numarası 5’tir. Periyodik cetvelde 3A grubunda bulunur ve grubun ilk ve aynı zamanda en hafif elemanıdır. Aynı zamanda 3A grubunda bulunan tek ametal olup metaller ile ametaller arasında niteliklere haizdir. Kimyasal olarak grubun diğer üyeleri olan galyum, indiyum, alüminyum ve talyum gibi davranmayarak karbon ve silisyum gibi davranmaktadır. Kovalent bileşikler oluşturmaya yatkınlığı karbon ve silisyuma benzese de değerlik orbitalleri açısından bakıldığında elektronlarının bir eksik olmasından dolayı silisyum ve karbondan ayrılmaktadır.
Borun temel hal elektron dizilimi 1s22s22p1’dir. İyonlaşma enerjilerinden ilk üçü sırasıyla 800.6, 2427.1 ve 3659.7 kJ/mol’dür ve 3A grubunun diğer üyelerinden iyonlaşma enerjileri açısından büyüktür (Akpulat, 2007). Bor, elektronlarına çok fazla çekim kuvveti uyguladığından gruptaki diğer atomlar gibi bileşiklerinde +3 değerlik almak yerine kovalent bağlar oluşturmaktadır. Bununla beraber bor elementi yaptığı bileşiklerinde +3 değerlikli olduğu kabul edilmektedir. Bor atomunun küçük olmasının bir başka sonucu ise B3+ iyonu suya eklendiğinde suyun elektronlarına kuvvetli bir çekim uygulayarak kendine çekmesi ve OH- bağlarının kopmasına, dolayısıyla H+ iyonlarının oluşmasına sebep olmasıdır. Bor elementinin fiziksel özellikleri Çizelge 4.2.’de; kimyasal özellikleri ise Çizelge 4.3.’te belirtilmiştir.
İzotopları incelendiğinde bor, 8-13 arasında kütle numaralarına sahip izotoplar mevcuttur. Kütle numarası 10 ve 11 olan izotoplar kararlı haldedir. Bu izotopların doğada bulunma oranları aralıkları sırasıyla %19,1-20,3 ile %79,7-80,9’dur. Spine sahip olmalarından dolayı her iki izotop da nükleer manyetik rezonans çalışmalarında tercih edilmektedir. Bor elementinin radyoaktif özelliklere sahip izotopları ise kütle numaraları 8 ile 12 olan izotoplarıdır (DPT, 1995). 70
Çizelge 4.2. Bor elementinin fiziksel özellikleri (BOREN, 2019b).
Fiziksel Özellikler Birim
Atom Kütlesi g/mol 10.811 Kaynama Noktası ℃ 3727 Termal Genleşme Katsayısı μm/(m.K) 8,3 (0 ℃’de) Elektriksel İletkenlik μS/cm 1,0 E-12 Isıl İletkenlik W/cm.K 0,274 Yoğunluğu g/cm3 2,34 (25 ℃’de) Görünüşü Sarı – Kahverengi ametal kristal Elastik Modülü Kütle: 320/GPa Atomizasyon Entalpisi kJ/mol 573,2 (25 ℃’de) Füzyon Entalpisi kJ/mol 22,18 Buharlaşma Entalpisi kJ/mol 480 Sertliği Mohs: 9,3 MN.m-2 Vickers: 49.000 Buharlaşma Isısı kJ/mol 489,7 Ergime Noktası ℃ 2075 Molar Hacmi cm3/mol 4,68 Fiziksel Durumu Katı (20 ℃ ve 1 atm’de) Spesifik Isısı J/g.K 1,02 Buhar Basıncı Pa 0,348 (300 ℃’de)
Çizilmeye ve ısıya karşı dayanıklı olması, sert olması, hafif olması gibi özellikler kristal borun karakteristik özellikleridir. Elektrik iletkenliği oda sıcaklığında düşüktür ve bazı kızılötesi dalga boylarında bor, saydam davranış sergilemektedir. Yüksek sıcaklıkta iyi bir iletkenlik karakteri göstermektedir. Genelde gazlarla tepkime vermemektedir. İstisnaları ise yüzeysel olarak oksijenle ve oda sıcaklığında florla tepkime gerçekleştirmektedir. Ge, Te ve hidrojenin dışında ametallerle genelde reaksiyona girmektedir. Asal gazlarla yüksek sıcaklıklarda etkileşime geçmektedir. Metallerle ilişkisi incelendiğinde ise alt grubundaki metallerin dışında tüm metallerle reaksiyon vermektedir. Hidroflorik ve hidroklorik asitlerde kaynatıldığında bozunma gerçekleşmemektedir. Tek istisnası ise çok yoğun nitrat asidinde çok ince şekilde öğütülen bor 71 yavaş bir şekilde oksitlenmektedir. Bazik ortamlarda ise yükseltgen bir malzeme ile ısıtılmasını müteakiben kimyasal etkileşime geçmekte ve borat malzemesi üretilmektedir.
Çizelge 4.3. Bor elementinin kimyasal özellikleri (BOREN, 2019b).
Yavaş elektronları absorblayarak devreden çıkarması sebebiyle kütle numarası 10 olan bor izotopu, nükleer reaktörlerde kılıf ve kontrol çubuğu olarak kullanılmaktadır. Nükleer proseslerdeki kullanım oranları bununla da sınırlı değildir. Nötronların tespitinde detektör malzemesi olarak da kullanılır. Ayrıca roket imalinde de kullanılmaktadır.
Bor ve bor bileşikleri, termoelektrik tipindeki elektrik üreticileri ve yüksek sıcaklıkta emniyetle çalışan yarıiletkenler için kızıl ötesi ışınlara saydam olan pencereleri yapmak için malzeme olarak kullanılmaktadır. Bor yanıcıdır fakat tutuşma sıcaklığı yüksektir. Buna ilaveten yanma sonucunda kolaylıkla aktarılabilecek katı ürün vermesi ve çevreyi kirletecek emisyon açığa çıkarmaması gibi bir özelliğe sahip olduğundan dolayı katı yakıt hücresi olarak kullanılmaktadır. Bor, bir yarıiletkendir sıcaklık artışı ile iletkenliği artmaktadır. Bu durum ise kristal formunun ısı artışı ile titreşiminin artmasının ardından direnç artışı gözlenmesine rağmen elektronların serbest hale geçenlerinin miktarının artması ile malzemenin ısıl iletkenliğinin artmasından kaynaklanmaktadır.
Borun kullanım alanları
Toprak altından ve sudan ilgili metotlar kullanılarak temin edildikten sonra bor madeni, zenginleştirme prosesi uygulanarak konsantre bor olarak adlandırılan ürünler elde edilmektedir. Konsantre veya tüvenan cevher, fiziksel süreçleri takip eden kimyasal süreçler sonucunda saf hale getirilmekte ve çeşitli rafine bor ürünlerine dönüştürülmektedir. Borun kullanım alanları Çizelge 4.4.’te verilmiştir. 72
Çizelge 4.4. Bor ürünleri ve kullanım alanları (Güyagüler, 2001).
Sektörel tüketime bakıldığında; bor ürünlerinin %47’si cam (%19 borosilikat camlar, %14 cam yünü, %10 cam elyafı, %4 TFT-LCD), %16’sı tarım, %15’i seramik-frit, %2’si deterjan-temizlik sektörlerinde tüketilmekte olup toplam bor kullanımının %80’lik kısmı bu alanlarda gerçekleşmiştir. Geri kalan tüketim payı ise kimya, metalürji, bor bileşikleri (lokal üretilen ürünler), tutkal, selülozik izolasyon, alçıpan, madeni yağ, zararlı organizmaları 73 engelleyici bileşikler gibi sektörlere aittir. Şekil 4.2. bor tüketiminin sektörlere göre kullanımı görsel halde ifade etmektedir.
DETERJAN-TEMİZLİK SERAMİK-FRİT 2% 15%
CAM TARIM 47% 16%
DİĞER 20%
Şekil 4.2. Bor bileşenlerinin sektörel bazda kullanım oranları (Eti Maden, 2017).
Dünyada borun görünümü
Rezervler
Gezegenimizdeki en büyük bor rezervleri başlıca olarak Türkiye, ABD, Rusya ve Şili’de bulunmaktadır. Bu rezervler 4 ana bölgede yoğunlaşmıştır. Bu bölgeler; Türkiye’nin de yer aldığı “Güney-Orta Asya Orojenik Kemeri”, ABD’nin Kaliforniya Eyaletinin güneyinde yer alan “Mojave Çölü”, Rusya’nın doğu bölgeleri ve Güney Amerika’da yer alan “And Kemeri” bölgelerinden oluşmaktadır.
Türkiye dışındaki ülkelerde bulunan bor, küresel ihtiyacı en fazla 60 yıl ikame edebilecek kapasitededir. Türkiye’nin rezervlerinin ise küresel talebi en az 400 yıl karşılayabileceği hesaplanmaktadır (Eroğlu, 2012).
Bor Üretimi
Küresel bor üretiminin 2017 yılında 5,7 milyon ton olarak gerçekleştiği tahmin edilmektedir. Fiili üretimin ise aynı yılda 4,3 milyon ton (2,1 milyon ton B2O3) civarında olduğu 74
hesaplanmıştır. B2O3 bazında fiili bor üretiminde ilk 3 kurum Eti Maden, Rio Tinto ve diğerleri olarak sıralanmaktadır. Pazar payı sırasıyla %55, %25 ve %20 olarak dağılmaktadır. Şekil 4.3.’te pazar dağılımı pasta grafiği ile gösterilmiştir.
Diğerleri 20%
Eti Maden 55% Rio Tinto 25%
Şekil 4.3. Üreticiler bazında küresel bor üretimi oranları (B2O3 olarak, %) (Eti Maden, 2017).
Doğada başka kayaç ya da minerallerle birlikte veya çözelti durumunda sularda bulunan bor mineralinin imalat metotları da bulundukları konum ve derinliğe göre farklılık göstermektedir. Karada yoğun olarak bulunan bor bileşikleri; madenin bulunduğu konuma ve fiziksel özelliklerine göre üç farklı metotla çıkartılmaktadır (Roskill, 1999: 192).
• Açık Ocak Yöntemi
• Kapalı Ocak Yöntemi
• Çözelti Madenciliği Yöntemi
Açık Ocak Yöntemi
Açık ocak yöntemi küresel bazda en sık başvurulan bor üretim metodudur. Madenin üzerindeki katmanlar, bu tabakaların özelliklerine göre delme-patlatma vasıtasıyla açılmaktadır. Madenin üzerindeki bu katman kaldırılmasını takiben bor damarı çıkarılmaktadır. Bu metot ile yeryüzüne yakın katmanlarda meydana gelen çeşitli formlardaki bor mineralleri elde edilebilmektedir. Bu prosesler esnasında ekskavatör ve loderler gibi iş makinaları tercih 75 edilmektedir. ABD, Türkiye, Şili, Çin, Arjantin ve Rusya’da açık ocak yöntemini kullanarak işletilen çeşitli ocaklar bulunmaktadır.
Kapalı Ocak Yöntemi
Yeraltı madenciliği olarak da adlandırılan bu metot, açık ocak yöntemi ile elde edilmesi pek mümkün olmayan ve yüksek yatırım maliyeti isteyen madenlerin işletilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Madenin üstündeki katman kalın ve sert bir yapıdadır. Üstten kırma yoluyla açılması ve cevherin elde edilmesi zor ve zahmetli olmaktadır. Bu nedenle madenin üstündeki bu katman kömür madenlerinde olduğu gibi tüneller ve galeriler oluşturularak elde edilmektedir. Bu yöntem açık ocak yöntemine göre oldukça maliyetlidir. Türkiye’deki Bigadiç yatakları bu metotla işletilmektedir. Ayrıca ABD ve Çin’de bu metotla işletilen madenler bulunmaktadır.
Çözelti Madenciliği Yöntemi
Açık ve kapalı ocak yöntemlerinin dışında bir de çözelti madenciliği yöntemi olarak adlandırılan bir metot kullanılmaktadır. Sularda bulunan bor ve minerallerinin elde edilmesinde bu metot tercih edilmektedir. Su yatağına %5’lik HCl (hidroklorik asit) eklenip 8-9 saat bekleme süresinden sonra çözelti yüzeye pompa vasıtasıyla iletilmektedir. Ardından bu çözeltiye kireç ilavesiyle %43 B2O3 içeren Kolemanit elde edilmektedir. ABD ve Çin’de bulunan bazı madenlerde ticari bor üretimi bu metot kullanılarak yapılmaktadır.
Bor Tüketimi
Bor ve bileşenlerinin küresel tüketiminde 2000, 2014, 2015 ve 2016 yılları karşılaştırıldığında sırasıyla 3.1, 4.3, 3.8 ve 3.77 milyon ton değerlerine ulaşılmaktadır.
2002 yılından itibaren yükseliş trendine giren dünya bor tüketimi 2008 yılında 4,07 milyon tona ulaşmıştır. 2009 yılında başlayan küresel ölçekli ekonomik kriz bor tüketiminde de düşüşe sebep olmuştur. 2009 yılında dünya bor tüketimi bu gelişmelere paralel olarak yaklaşık 3 milyon ton mertebesinde olmuştur. 2009 yılının son çeyreğinden itibaren dünya ekonomisinin iyileşmesinin etkisiyle bor tüketimi açısında önemli olan ekonomilerde de olumlu gelişmeler yaşanmıştır. Söz konusu gelişmeleri takiben bor tüketimi 2010’da bir önceki yıla göre ciddi bir yükseliş göstererek 4 milyon ton seviyelerine gelmiştir.
Ülkelerin ekonomik olarak büyümede yavaş ama sürekli hareketi, gelişmiş ülkelerin kamuda mali sıkıntılar yaşadığı 2011 yılında bu olumsuzlukları gölgede bırakmış ve küresel bor tüketiminin gerilemesini engellemiştir. Bir sonraki yıl sektörlerin bor talebi azalmış ve bu durum 76 sonucunda tüketim değerleri 3,89 milyon ton olarak gerçekleşmiştir. Takip eden iki yıl olan 2013 ve 2014’te ise ekonomilerdeki kısmi canlılık bor talebinde de görülmüş ve tüketim 4,3 milyon ton civarına kadar çıkmıştır. Dünyada ekonomik hareketlerin azaldığı ve belirsizliklerin etkilediği 2015 yılında tüketim önceki yıla göre %11 oranında düşmüştür. 2016 yılı nispeten durağan geçmiş ve tüketim 3,77 milyon ton düzeyinde kalmıştır.
2017 yılı dünya ekonomisi, 2016 yılına göre %3,8 büyüme göstermiştir. Bor pazarında en önemli ülkeler olan Çin %6,9, ABD %2,3 ve Brezilya %1 ekonomik büyüme kaydetmiştir. Hindistan’da ise büyüme bir önceki yıla göre %0,4 daha düşük olmakla birlikte %6,7 seviyesinde gerçekleşmiştir. Küresel ekonominin büyüme trendi bor ve bileşenlerinin de tüketim değerlerini olumlu yönde etkilemiş ve sektörün talebinde artışlar görülmesini sağlamıştır. Bu talep artışının lokomotif sektörlerinin yapı ve tarım sektörü olduğu düşünülmektedir. Söz konusu talep artışı 2016 yılına göre %2,5 oranında gerçekleşerek küresel bor tüketiminin 3,865 milyon tona çıkmasını sağlamıştır.
Sektörel bazda bor tüketimi açısından %47 payla cam sektörü (%19 payla borosilikat camlar, %14 payla cam yünü, %10 payla cam elyafı, %4 payla TFT-LCD) en yüksek miktarda bor tüketilen sektör olma özelliğini sürdürmüştür.
Cam sektörünü %16 payla tarım, %15 payla seramik-frit ve %2 payla deterjan-temizlik sektörü takip etmektedir. Kimya, metalürji, böcek/haşere kontrolü, tutkal, selülozik izolasyon, alçıpan, madeni yağ gibi sektörleri içeren diğer tüketim kaleminin payı ise %20’dir.
Bölgesel bazda ise bor tüketiminin en fazla gerçekleştiği bölge %54 payla Asya olup bilhassa Çin’in bor talebi bu oranda büyük yer kaplamaktadır. Asya’yı sırasıyla %19 payla Kuzey Amerika, %18 payla Avrupa, %8 payla Orta ve Güney Amerika, %1’er payla Afrika ve Ortadoğu takip etmektedir.
Bor sektöründeki talebin yaklaşık %57’si Türkiye ve %26’sı ABD tarafından karşılanırken; Şili, Çin, Arjantin ve Rusya gibi ülkeler de bor pazarından pay almaktadır.
2018 yılında ekonomik göstergelere ilişkin tahminlere göre dünya ekonomisinin %3,9, gelişmiş ülkelerin %2,5 ve gelişmekte olan Asya ülkelerinin %6,5 büyüme oranı tahminine bağlı olarak 2018 yılında da bor ürünlerine olan talepteki artışın devam edeceği öngörülmektedir.
Rafine bor satışı önündeki engellerden biri Hindistan’daki borik asit ürününe uygulanan ithalat kısıtlamasıdır. Önümüzdeki yıllarda Hindistan’ın konsantre ürün ithalat miktarının artması ve borik asit ithalat miktarının ise azalması beklenmektedir. Diğer taraftan borik asidin Çin’de Tehlikeli Madde (Kategori 1B üremeye toksik) olarak sınıflandırılmasının ardından Çin’deki 77 ithalatçı firmalara getirilen ithalat ve depolama ile ilgili yaptırımlar da borik asit ürününün pazara sunumunda güçlükler yaşanmasına neden olmaktadır.
Türkiye’de borun görünümü
Jeolojik devrelerden Miyosen dönemi, volkanik faaliyetlerin etkilediği su kütlelerinde ülkemizde bulunan borat yataklarının meydana geldiği zaman aralığıdır. Bu yataklarda bor bileşikleri, kurak ve yarı kurak iklim şartlarında birbirleriyle bağlantı içindeki su kütlelerinde toplanmıştır (Helvacı, 2007). Bor madeninin ülkemizde çıktığı yataklar Kütahya/Emet, Eskişehir/Kırka, Balıkesir/Bigadiç ve Bursa/Kestelek havzalarıdır. Bor mineralleri arasında ülkemizin en çok sahip olduğu türler Tinkal ve Kolemanittir. Bu minerallerden kolemanit Kestelek, Bigadiç ve Emet’ten, Tinkal ise Kırka’dan çıkarılmaktadır. Ek olarak Bigadiç ve Kestelek’te Üleksit üretimi de gerçekleşmektedir. Minerallere göre rezerv durumu Çizelge 4.5.’te verilmiştir. Bu çizelgeye göre dünyada 4,5 milyar ton civarı bulunan bor minerallerinin yaklaşık 3,3 milyar tonu yani %73,3’ü ülkemizdedir (Eti Maden, 2019a).
Çizelge 4.5. Türkiye’nin bölgelere göre bor minerali rezerv değerleri (Eti Maden, 2017).
Eti Maden, bünyesinde bulunan 4 İşletme Müdürlüğünde (Emet Bor İşletme Müdürlüğü- Kütahya, Kırka Bor İşletme Müdürlüğü-Eskişehir, Bandırma Bor ve Asit Fabrikaları İşletme Müdürlüğü-Balıkesir, Bigadiç Bor İşletme Müdürlüğü-Balıkesir) saflaştırılmış bor türevleri (boraks pentahidrat, boraks dekahidrat, borik asit, zirai bor, çinko borat, bor oksit, kalsine Tinkal, susuz boraks, öğütülmüş Kolemanit ve öğütülmüş Üleksit) imalatı yaparak yurt içi ve yurt dışı pazarlara arz etmektedir. Rafine bor ürünleri üretimi kurulu kapasitesi Eti Maden’de 2017 yılı sonu itibariyle yaklaşık 2,708 milyon tondur ve bu yılda 2,025 milyon ton üretim gerçekleştirilmiştir. Ayrıca Eti Maden 2017 yılında 2,2 milyon ton bor ürünleri satışı yapmıştır. Bor minerallerinin yatak özelikleri ve konumları Çizelge 4.6.’da verilmiştir. 78
Çizelge 4.6. Türkiye borat yataklarının dağılımı ve özellikleri (Helvacı, 1983).
Türkiye’de bor ve türevlerinin üretimi ve pazarlanması ile borat yataklarının işletilmesi hakkı 2840 sayılı Kanun’da verilen yetki ile Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü’ne aittir. Ülkemizin görünür ve muhtemel bor yatakları Şekil 4.4.’te bulunan haritada sunulmuştur. 79
Şekil 4.4. Türkiye'deki görünür ve muhtemel bor yatakları (BOREN, 2010).
80
4.1.2. Kullanılan malzemeler
Solar tuzun bileşenleri olan NaNO3 ve KNO3 Aklar Kimya’dan alınmıştır. Katkı maddeleri olan camsı B2O3 ve h-BN Ege Nanotek firmasından temin edilirken amorf B2O3 ise ortak tez danışmanı Doç. Dr. Mükerrem ŞAHİN’in laboratuvarından alınmıştır. Kütlece karışım oranlarının tayininde önceki çalışmalar incelenmiş ve literatürde en çok kullanılan kütlece karışım oranları (%0,5, %1 ve %2) bu çalışmada da benimsenmiştir. Çizelge 4.7. numunelerin hazırlanma sürecinde baz akışkan ve katkı maddelerinin kütlece karışım oranlarını ifade etmektedir. Çalışmada sadece kütlece oranların değil aynı zamanda çeşitli malzemelerin de ısıl özelliklere etkisi incelenmiştir. Kullanılan malzemelerin özellikleri ve kullanım alanları ilerleyen sayfalarda belirtilmiştir.
Çizelge 4.7. Numunelerin kütlece karışım oranları.
Karışım No Solar Tuz Amorf B2O3 Camsı B2O3 h-BN (Kütlece %) (Kütlece %) (Kütlece %) (Kütlece %)
1 100 - - - 2 99,5 0,5 - - 3 99 1 - - 4 98 2 - - 5 99,5 - 0,5 - 6 99 - 1 - 7 98 - 2 - 8 99,5 - - 0,5 9 99 - - 1 10 98 - - 2
Solar tuz
Solar Tuz, modern CSP sistemlerinde yaygın olarak kullanılan ticari bir eriyik tuzdur. Bu ikili tuz karışımı ağırlıkça %60 NaNO3 ve ağırlıkça %40 KNO3 bileşimlerine sahiptir. Solar tuzun çalışma aralığı 260 ℃ ile 621 ℃ arasındadır. Sıcaklık düştükçe tuz karışımı 238 ℃’de kristalize olmaya başlamaktadır ve 221 ℃’de katılaşma tamamlanmaktadır (SQM, 2019). Solar tuzun fiziksel özellikleri ise Çizelge 4.8.’de verilmiştir. 81
Kaliforniya’da (Peng vd., 2013) bulunan Solar Two merkezi alıcı sisteminde ve İspanya’daki (Kuravi vd., 2013) diğer birkaç güneş santralinde ısı taşıyıcı akışkan olarak tercih edilmiştir.
Çizelge 4.8. Solar tuzun fiziksel özellikleri (SQM, 2019).
Sıcaklık Yoğunluk Özgül Isı Dinamik Viskozite Isıl İletkenlik (℃) (kg/m3) (J/kg.℃) (mPa.sn) (W/m.℃)
260 1924,6 1487,7 4,343 0,4924 300 1899,2 1494,6 3,263 0,5000 350 1867,4 1503,2 2,336 0,5095 400 1835,6 1511,8 1,776 0,5190 450 1803,8 1520,4 1,472 0,5285 500 1772,0 1529,0 1,314 0,5380 550 1740,2 1537,6 1,191 0,5475 600 1708,4 1546,2 0,992 0,5570 621 1695,0 1549,8 0,859 0,5610
Solar tuzun yoğunluk, özgül ısı, dinamik viskozite ve ısıl iletkenlik özellikleri sırasıyla 4.1., 4.2., 4.3. ve 4.4. numaralı eşitlikler ile hesaplanabilmektedir (SQM, 2019):
푌표ğ푢푛푙푢푘 (휌) = 2090 − 0,636 ∗ 푇 (4.1.)
퐼푠횤 퐾푎푝푎푠𝑖푡푒푠𝑖 (푐푝) = 1443 + 0,172 ∗ 푇 (4.2.) 퐷𝑖푛. 푉𝑖푠푘표푧𝑖푡푒( 휇) = 22.714 − 0,12 ∗ 푇 + (2.281 ∗ 10−4) ∗ 푇2 − (1.474 ∗ 10−7) ∗ 푇3 (4.3.)
퐼푠횤푙 İ푙푒푡푘푒푛푙𝑖푘 (푘) = 0,443 + (1,9 ∗ 10−4) ∗ 푇 (4.4.)
Bor oksitler (Amorf ve camsı bor oksit)
Dibor trioksit olarak da bilinen bor oksit, amorf camsı formda ve iki çeşit yapıya sahip kristal formda bulunabilmektedir. Amorf yapısı kokusuz, sert, renksiz, camsı yapıya sahip bir katıdır ve genellikle borik asidin dehidrasyonu metodu ile elde edilmektedir. En yaygın kristal formu hegzagonal bor oksit, normal şartlarda kararlı halde bulunmaktadır. Bor oksidin diğer kristal hali ise daha az rastlanılan monoklinik bor oksit, normal şartlar altında termodinamik olarak kararlı değildir. Bu kristaller; sert, beyaz ve kokusuzdur. Amorf ve camsı bor oksitin 82 fiziksel özellikleri Çizelge 4.9.’da verilmiştir. Bor oksit cam, seramik, özel bor kimyasalları, metalürji ve elektrik gibi sektörlerde kullanılmaktadır.
Cam imalinde ergime derecesini azaltıcı ve ısıl şoklara karşı direncini ve ısıl genleşme katsayısını yükseltici madde olarak tercih edilmektedir. Bor oksit aynı zamanda camın renk ve parlaklığını da değiştirmekte, çizilme ve asite dayanıklılık direncini yükseltmekte ve kristalize olma meylini ise azaltmaktadır. Bor oksit, bilhassa borosilikat cam imalini kapsayan işlemlerde seçilmektedir. Borosilikat camlardaki bor oksit oranı, camda aranan özelliklere göre %1 ile %23 arasında olmaktadır. Isıl direnç özelliğinin istendiği camlarda bulunan bor oksit oranı %10-14 arasında dalgalanmaktadır. Tekstil tipi cam elyafındaki bor oksit oranı %7-9 arasında iken, izolasyon amaçlı cam yünlerinde bor oksit oranı %5-7 arasında olmaktadır.
Çizelge 4.9. Amorf ve camsı bor oksitlerin fiziksel özellikleri (Eti Maden, 2019b; Eti Maden, 2019c).
Bor oksit, seramik imalinde ve emaye sırlarında tercih edilmektedir. Seramik ve emaye sır formülasyonları içerisinde bor oksitin farklı işlevleri ve görevleri mevcuttur. Sır ve kaplandığı 83 malzeme arasındaki ısıl genleşme katsayısını dengelemek, ergimenin hemen başlangıcında cam oluşumunun başlamasına ön ayak olmak, sırın kırılma indisinin yüksek olmasını gerçekleştirmek, sırın parlaklığını yükseltmek ve dekoratif bir görünüm sağlamak, sırrın viskozitesini ve yüzey gerilimini azaltarak sırrın pişmesini ve düz bir yüzey elde edilmesine neden olmak, sırın mekanik özelliklerini ve çizilme direncini yükseltmek, su ve kimyasallara karşı direnci yükseltmek de bu işlevlere örnek olarak gösterilmektedir. Seramik sırlarında kullanılan bor oksit oranı ağırlıkça %8- 24 aralığında olmaktadır. Bunun dışında, seramik fritlerin imalinde ve siyanoakrilatların üretiminde asit inhibitörü ve stabilizör olarak tercih edilmektedir.
Özel bor kimyasalları sektöründe; bor hidrürler, bor nitrürler, metal borürler gibi inorganik bor bileşiklerinin ve borik asit esterleri, alkil aril boranlar, boronik ve borinik asitler gibi organik bor bileşiklerinin imalinde kullanılmaktadır. Seramik zırh, elektrot, nozzle gibi birçok malzemenin imalinde yüksek miktarlarda kullanılan bor karbür üretiminde kullanılmaktadır. Kozmetik, yağ, refrakter malzeme imal edilen sanayilerde yüksek miktarlarda kullanılan bor nitrürün imalinde de bor oksit kullanılmaktadır. Çeşitli organik sentezlerde katalizör olarak veya katalizör desteklerinin hazırlanmasında da tercih edilmektedir.
Tüm metal oksitler için bir çözücü olmasından ötürü metalürji sektöründe flaks olarak kendine yer bulmaktadır. Bor oksit; metalürjik uygulamalarda ergitme sıcaklığının azaltılması ile enerji tüketiminin düşürülmesi, akışkanlığın yükseltilmesi, çeliğin sertliğinin arttırılması hedefiyle kullanılmaktadır.
Elektrik ve elektronik sektöründe ise Ga-As (Galyum-Arsenik) yarıiletkenlerinin imalinde tercih edilmektedir (Eti Maden, 2019a; Eti Maden, 2019b).
Hegzagonal bor nitrür
Bor nitrür (BN), oksit olmayan seramikler sınıfında olup, düşük yoğunluk, düşük dielektrik sabiti, yüksek ısıl iletkenlik, mükemmel kimyasal kararlılık ve ısıl dayanımı gibi sahip olduğu kendine özgü fiziksel ve kimyasal özellikler nedeni ile elektronik, optik ve mekanik uygulamalarda kullanılmaktadır (Lian, 2009; Shi,2004). Kristal yapıları; grafite benzer tabakalı bir yapıdaki hegzagonal BN (h-BN), yüksek basınç altında sentezlenen würtzit yapısındaki sıkı paket hegzagonal würtzitik BN (w-BN), yüksek sıcaklık-basınç şartları altında elde edilen elmas benzeri sıkı paket kübik yapıdaki kübik BN (c-BN) ve rombohedral grafit yapıya benzer rombohedral bor nitrür (rBN)’dir (Alkoy, 1994; Mirkarimi, 1997). Bunlara ek olarak pirolitik bor nitrür (pBN), amorf bor nitrür (aBN), explosive bor nitrür (eBN) ve hBN ile amorf bor nitrür yapı arasında tanımlanan ve kristal yapısı turbostratik karbon siyahına benzeyen kısmi düzenli 84 yapıdaki turbostratik bor nitrür (tBN) formu bulunmaktadır (Lian, 2009). Kristal formları içerisinde yalnızca cBN ve hBN’nin mühendislik uygulamaları bulunmaktadır.
Hegzagonal bor nitrürün yapısı ilk olarak Pease (1952) tarafından tanımlanmıştır. Düz ya da hemen hemen düz B3N3 hegzagon ağ yapılarından oluşan tabakalar şeklinde yapılandığını öngörmüştür. h-BN oldukça yumuşak ve tabakalı bir yapıya sahiptir (Göncü, 2012). Fiziksel ve kimyasal yapı olarak grafite benzerliğinden ötürü beyaz grafit olarak da adlandırılan hegzagonal bor nitrür (h-BN) en hafif seramik malzemedir. Yüksek ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık, mükemmele yakın ısıl şok direnci, yüksek sıcaklıklardaki refrakterliği, kimyasal olarak inert özelliği, yapışmaması, yağlayıcılık ve işlenebilirlik gibi özelliklerinden ötürü hegzagonal bor nitrür yüksek sıcaklık teknolojisi, kimya, metalürji ve elektronik sektörlerinde oldukça geniş skalada kullanım imkanlarına sahiptir. Kullanım alanlarına göre çeşitli formlarda üretilmektedir. Bu formların bazılarının toz halinde, sıcak preslenmiş yoğun halde, kompozit malzemelere katkı halinde, pirolitik şekilde ve kaplama süspansiyonu halinde olduğu aktarılmaktadır. (Çelik, 2010). Hegzagonal bor nitrüre ait fiziksel özellikler Çizelge 4.10.’da verilmiştir.
Hegzagonal bor nitrürün başlıca kullanım alanları aşağıda verilmiştir.
• Sıcak ve ergimiş metallerle temas eden yüzeylerde kaplama olarak kullanılmaktadır. Bor nitrür kaplama, aşınmayı ve kimyasal olarak malzemenin tepkimeye girmesini önlemektedir. Bu sebepten de kalıpların yüzeyinin kaplanmasında tercih edilmektedir.
• Aynı amaçlarla cam ve plastik sanayiinde de kullanılmaktadır.
• Kompozit üretiminde bor nitrür kaplamalar kalıbın oksitlenmesini engelleyici özelliğe sahiptir.
• Yüksek sıcaklıklarda yağlayıcı olarak kullanılmaktadır.
• Potalar ve refrakter astar uygulamaları dahil yüksek ısıl şok direncinin ve yüksek tokluğun istendiği uygulamalarda kullanılmaktadır.
• Yüksek dielektrik dayanımı, düşük dielektrik sabiti ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması sebebiyle, dielektrik malzeme olarak elektronik ve elektroteknik sektöründe kendine kullanım alanı bulmaktadır.
• Bor nitrür, belli oranlarda silisyum nitrür ile harmanlanarak (60:40, 50:50 veya 40:60) nozül pota, termokupl kılıfı ve cam kalıplarla ilgili refrakter malzeme olarak kullanılmaktadır.
• Kozmetik sanayiinde kendine yer bulabilmektedir. 85
• Seramik ve cam sanayiinde pota, destekleyici vb. malzeme olarak tercih edilmektedir
(Bilgetekin, 2010).
Çizelge 4.10. Hegzagonal bor nitrürün fiziksel özellikleri (Göncü, 2012).
Özellik Birim
Yoğunluk g/cm3 2.15 – 2.2. Sertlik - 2 (Mohs) Ergime Noktası ℃ 2730 Hava ortamında >3000 Azot ortamında Elektrik Direnci Ohm-cm 1,7x1013 25℃ 3,1x104 1000℃ Dielektrik Katsayısı - 4,15 Isıl Genleşme Katsayısı cm/cm.℃ 0,7x10-6 (┴) 7,5x10-6 (//) Çalışma Sıcaklığı ℃ 1000 Havada 3000 Azot ortamında 700 Klor ortamında Isıl İletkenlik Katsayısı W/m. ℃ 34 (┴) 36 (//)
4.1.3. Kullanılan cihazlar
Erime noktası ölçüm cihazı
Şekil 4.5. Erime noktası için kullanılan TGA-DTA cihazı (Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi [AYBÜ], 2019a). 86
Erime noktası tayini ölçümünde Şekil 4.5.’te görülen, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi Merkez Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi Termal Analiz Laboratuvarı’nda bulunan Hitachi STA 7300 cihazı kullanılmıştır. Bu cihazın özellikleri Çizelge 4.11.’de verilmiştir. Isıtma hızı 10℃/dakika olarak belirlenmiş ve 35 ile 500 ℃ arasında ölçüm yapılmıştır. Isıtmada deney atmosferi olarak hava seçilmiştir. Deney sonuçları her bir numune için ekler bölümünde bulunmaktadır.
Çizelge 4.11. STA 7300 TGA/DTA cihazının özellikleri.
Isı kapasitesi ölçüm cihazı
Şekil 4.6. Isı kapasitesi ölçümü için kullanılan DSC cihazı (AYBÜ, 2019b). 87
Isı kapasitesi ölçümünde Şekil 4.6.’da görülen, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi Merkez Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi Termal Analiz Laboratuvarı’nda bulunan Hitachi DSC 7020 cihazı kullanılmıştır. Bu cihazın özellikleri Çizelge 4.12.’de belirtilmiştir. Solar tuzun 120℃ civarında α-β faz değişimi davranışı göstermesi sebebiyle cihazın zarar görmemesi adına ölçümler 103℃ ile sınırlandırılmıştır.
Çizelge 4.12. Hitachi DSC 7020 cihazının özellikleri.
4.2. Metot
4.2.1. Akışkan hazırlama
Deneysel çalışmalarda ilk adım nanoakışkanların hazırlanmasıdır. Kararlı bir nanoakışkanın hazırlanması, nanoakışkanların ısı transferi uygulamalarında büyük öneme sahiptir. Kötü hazırlanmış nanoakışkanlar, iki fazlı ısı transferine (yani katı-sıvı) sebep olacaktır. Başka bir zorluk, topaklanma (mikrometre boyutlarında) oluşmasına sebep olan ve böylece nano ile ilgili durumu ortadan kaldıran nanoparçacıklar çökelmesi ile ortaya çıkar. Ayrıca, parçacık kararsızlığı depoda, borularda, pompalarda ve ısıl döngünün diğer bölümlerinde tıkanma gibi sorunlara sebep olmaktadır.
Nanoakışkanlar sonraki sayfalarda anlatıldığı gibi genellikle tek aşamalı ve iki aşamalı yöntem ile hazırlanır. Bu çalışmada karışımlar tek adım yöntemi ile hazırlanmıştır.
Tek aşamalı yöntem
Tek adım yönteminde nanoparçacıklar doğrudan baz sıvıya eklenir. Tek adımlı işlem de tercih edilebilir bir yöntemdir çünkü nanoparçacıkların oksidasyonunu önler. Kurutma, depolama, 88 taşıma ve nanoparçacık dağılımı, bu yöntemde nanoparçacık çökelmesini en aza indirerek ve sıvı kararlılığını arttırarak üretim maliyetini düşürür (Lo vd., 2005).
İki aşamalı metotla kararlı nanoakışkanlar hazırlanırken yaşanan zorluklardan dolayı, tek adım yöntemi ve lazer ablasyon metodu (Choi ve Eastman, 1995) ve kararlı nano-akışkanları elde etmek için metallerin buharlaştırıldığı ve sıvılarda soğutulduğu daldırılmış ark nanoparçacık sentezi sistemi (SANSS) gibi ileri teknikler geliştirilmiştir. Daldırılmış ark nanoparçacık sentezi sistemi (SANSS) bir ısıtma kaynağından, bir soğutma ünitesinden ve izobarik kontrol sistemi ve izotermal kontrol sistemi içeren bir durum kontrol sisteminden oluşmaktadır. Sonuç, dağılmış partiküllerin deiyonize suya batırılmasından dolayı güvenli ve saf olduğunu ve bu nedenle daha fazla kirlenmeyeceğini ortaya koymaktadır. Bu yöntem eksik reaksiyon veya düşük doyma oranında kararlı homojen maliyetini dengeleme vasıtasıyla istenmeyen parçacık çökelmesini önlemektedir (Jamal-abad vd., 2013).
İki aşamalı yöntem
Bu yöntemde, başlangıçta kimyasal, fiziksel, mekanik yöntemlerle kuru toz formuna getirilmiş olan nanoparçacıklar, nanotüpler ve diğer nanomalzemelerin hazırlanmasında kullanılır. Nano tozları baz sıvılarla karıştırmak için genellikle ultrasonik vibratörler kullanılır. Çökelme, nanoakışkanların sentezlenmesinde önemli bir konudur. Çökelmeyi azaltmak için genellikle ultrasonikasyon veya karıştırma işlemi kullanılır. Nanoakışkanlar, yüksek yüzey alanı ve aktivitesi nedeniyle çökelme eğilimindedir. Nanoparçacıklar arasındaki van der Waals kuvveti nedeniyle tozların çökelmesi sonucu oluşan kararsızlık önemli bir sorundur (Choi ve Eastman, 1995). Nanoparçacık çökelmelerinin ultrasonikasyon işlemiyle parçalanması zordur. Çökelme nanoakışkanların ısıl iletkenliğini azaltır. Bununla birlikte, iki aşamalı yöntem, nano-sıvıların üretilmesinde büyük ölçekli üretim yapıldığı için en ekonomik yöntem olarak kabul edilmektedir. İki aşamalı işlem yönteminin, oksit nanoparçacıklarıyla nano-sıvıların hazırlanmasında metalik nanoparçacık ile olanlara kıyasla daha uygun olduğu öne sürülmüştür (Salongi vd., 2015).
Birçok araştırmacı nanoakışkanları direkt sentez metodu (Godson vd., 2013), sol-jel metodu (Suresh vd., 2011), kimyasal çökelme metodu (Suresh vd., 2012), fiziksel gaz fazı ve direkt yoğunlaşma metodu (Choi ve Eastman, 1995), mekanik öğütme işlemi (Pantzali vd., 2009), karbon nanotüpler için yüzey iyileştirme ve işlevselleştirme asit iyileştirme yöntemi (Chougule ve Sahu, 2014), kimyasal ortak çökeltme yöntemi (Sundar vd., 2014) gibi çeşitli işlemler ile hazırlamıştır. Nanoparçacıkların çökelmesini azaltmak için SDSB (Raveshi vd., 2013), kitosan (Teng ve Yu, 2013) gibi dağıtıcılar; Polivinilpirolit (Lo vd., 2005), Setil Trimetil Amonyum 89
Bromit (Heris vd., 2013) gibi yüzey aktif malzemeleri kullanmışlardır. Bazı araştırmacılar homojen karışım oluşturmak için silan gibi yüzey düzenleyici (Ghanbarpour vd., 2013), spiral bobin (Jamal-abad vd., 2013), pH değerini değiştirme (Naraki vd., 2013), kararlılığı artırmak için nanoparçacığın yüzeyinde karboksil grubu oluşturma (Sundar vd., 2014) gibi yöntemleri kullanmışlardır.
Zeinali Heris ve arkadaşları (2013) Al2O3 nanoparçacıklarını dağıtıcı veya dengeleyici olmadan hazırladılar, çünkü herhangi bir etkenin eklenmesi sıvı özelliklerinde değişime yol açabilirdi. Gerekli toz hacminin hazırlanmasından sonra, nanoparçacıklar damıtılmış suyla karıştırılır ve ultrasonik karıştırma sistemi ile 6-12 saat boyunca titreşime tabi tutulur. 12 saat bekletildikten sonra tüm hacim fraksiyonlarında tortulaşma gözlenmezken Chougule ve Sahu
(2014), işlevsel asit iyileştirme yöntemi ile karbon nanotüp ve Al2O3 nanoparçacıklarının süspansiyonunu hazırlamıştır. Ultrasonik vibratör, nano-akışkanı daha kararlı ve daha homojen hale getirmek için 1 saat boyunca kullanılmıştır. Bu, bir hidroksil grubunun oluşması nedeniyle yüzey yapısının hidrofobik-hidrofilik dönüşümünden kaynaklanmıştır (Ganvir vd., 2017).
4.2.2. TGA (Termogravimetrik analiz)
Termogravimetri, genellikle malzemelerde sıcaklığın veya zamanın bir fonksiyonu olarak meydana gelen kütle kaybı ve/veya artışlarının hesaplanmasında kullanılmaktadır.
Deney numunesi, sabit ısıtma hızında ısıtılmakta ve kütle değişimi sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçülüp kaydedilmektedir. Alternatif olarak, numunenin, uygun bir sabit sıcaklıkta, belirli bir zaman aralığında kütle değişimi zamanın bir fonksiyonu şeklinde ölçülüp kaydedilmektedir. Genellikle deneyde kullanılan numunenin kütlesinin değişmesine neden olan tepkimeler; bozunma veya yükseltgenme tepkimeleri veya bir bileşenin buharlaşmasıdır. 90
Şekil 4.7. Kullanılan TGA cihazının bileşenleri (Hitachi, 2019).
Kütlenin zamana veya sıcaklığa karşı çizilen grafiği TG (termogram ya da termal bozunma) eğrisidir. Sıcaklığın fonksiyonu olarak malzemenin kütlesindeki değişim ve bu değişimin yayıldığı aralık malzemenin ısıl kararlılığının göstergesidir. TG verileri, aynı deney şartları altında elde edilen ölçümler kullanılmak kaydıyla, aynı monomerden elde edilmiş polimerler ailesinin bağıl ısıl kararlılıklarının değerlendirilmesinde ve polimer-polimer veya polimer-katkı maddesi etkileşimlerinin analiz edilmesinde kullanılabilmektedir (ODTÜ, 2019a).
Şekil 4.7.’de ölçüm yapılan TGA cihazının bileşenleri gösterilmiştir. Tutuculara (holder) yerleştirilen numuneler fırın (furnace) vasıtasıyla ısıtılırken dedektörler kütle değişimlerini ve ısı değişimlerini algılamaktadır. Kütle değişimi malzemenin süreçte ne kadarının emre amade olacağını gösterirken ısı değişimleri ise ısıtma esnasında endotermik ya da ekzotermik bir reaksiyonu tespit etmek için kullanılmaktadır. Endotermik reaksiyonlar genellikle faz değişimleri sırasında görülürken ekzotermik reaksiyon ise kristalleşme sürecinde ortaya çıkmaktadır.
4.2.3. DSC (Diferansiyel taramalı kalorimetre)
DSC cihazı; numune ısıtılırken, soğutulurken veya sabit bir sıcaklıkta tutulurken soğurulan veya salıverilen enerji miktarını ölçmektedir. Bu metotta, referans ile numuneden gelen veya uzaklaşan ısı farkı sıcaklığa veya zamana bağlı olarak gösterilmektedir.
Numune ve referans ayarlandıktan sonra güç telafisi prensibiyle çalışan DSC’lerde, numune sıcaklığı ile referans sıcaklığı aynı tutulmaktadır. Eğer numune ile referans arasında bir 91 sıcaklık farkı saptanırsa, sıcaklığı aynı tutmak için numuneye verilen enerji (güç) miktarı değiştirilmektedir. Bu yolla numunedeki faz değişimi sırasındaki ısı transferi miktarı saptanabilmektedir (ODTÜ, 2019b).
Deney aşamasında ısı kapasitesi ölçümü için kullanılan cihazın çalışma prensibi Isı Akışı Yöntemine göre olmaktadır. Bu yöntemde numune tutucular (holder) simetrik olarak yerleştirilir. Tutucular sürekli bir ısı akışına maruz bırakılır. Tutuculardan birinde ısı kapasitesi bilinen ve kalibrasyon için kullanılan referans malzeme bulunur. Diğer tutucuda bulunan numunenin değerleri ise bu referans malzeme üstünden değerlendirilir. Bizim çalışmamızda literatürde de sık kullanılan safir (O’Neill, 1966) referans olarak kullanılmıştır. Aşağıdaki formülde ısı kapasitesinin ölçüldüğü eşitlik ifade edilmiştir:
푑푞 푑푇 = 푚푐 (4.1) 푑푡 푝 푑푡
Burada dq/dt DSC sinyalini ve dT/dt ise taranan sıcaklığın oranını ifade eder. Gönderilen DSC sinyali, alınan sıcaklık oranı ve tutucuya yerleştirilen numunenin kütlesi bilindiği için bu formülden anlık olarak ısı kapasitesi değerleri elde edilmektedir. Bu değerler ekler bölümünde bulunmaktadır.
92
5. DENEYLER
Deney başlangıcında önce solar tuzun bileşenleri olan NaNO3 ve KNO3 ayrı ayrı temin edilmiş ve numune hazırlama sürecinden önce literatürde bulunan solar tuz bileşimi göz önünde bulundurularak kütlece %60-40 oranda karıştırılmıştır. Karıştırılan bu bileşim 400 ℃’de sıvı hale getirilerek birbirinin içinde daha homojen şekilde karışmaları sağlanmıştır. Ayrıca yüksek sıcaklıkta bu malzemelerin içinde bulunan nem de uzaklaştırılmıştır. Daha sonra katılaşan malzeme önce havan ardından öğütücüler ile işleme tabi tutulmuş ve tekrardan toz haline gelmesi sağlanmıştır. Numune hazırlama sürecinde 3.2.1.1. numaralı başlıkta verilen Tek Adım Yöntemi uygulanmıştır. Nispeten yeni bir yaklaşım olan bu yöntemde katkı maddeleri ile akışkan direkt olarak birbirlerine katılmış ve homojenliği sağlamak için kül fırınına gönderilmiştir. Kül fırınında sıvı hale geçen karışım literatürdeki çalışmalar göz önüne alınarak 2 saat bu fazda kalmış, homojen hale geldiği kabul edilerek sıcaklığı oda sıcaklığına getirilmiştir. Katılaştıktan sonra yine havan + öğütücü vasıtasıyla toz haline getirilmiştir. Bu durumda numuneler artık deneye hazır hale gelmiştir. Yukarıda anlatılan akışkan hazırlama süreci sonraki sayfalarda fotoğraflar ile görsel hale getirilmiştir. Bu bölüm üç ana başlık altında toplanmıştır: 1) Numunelerin Hazırlanması 2) Deneylerin Yapılışı 3) Deney Değerleri.
93
5.1. Numunelerin Hazırlanması
Şekil 5.1. Solar tuzun ana bileşenleri: a) Potasyum Nitrat (KNO3) b) Sodyum Nitrat (NaNO3).
Şekil 5.2. Katkı maddesi olarak kullanılan bileşenler: a) Camsı B2O3 ve Hegzagonal Bor Nitrür b) Amorf B2O3.
Deneylerde kullanılacak malzemeler önceki konularda bahsedildiği şekilde temin edilmiş sonra karışım hazırlama safhasına geçilmiştir. Numunelerde kullanılan baz akışkan malzemeleri Şekil 5.1.’de, katkı malzemeleri ise Şekil 5.2.’de gösterilmiştir. Bu aşamada malzemeler Çizelge 94
4.8.’de belirtilen kütlece karışım oranlarına göre birbirine katılmıştır. Şekil 5.3.’te ise karışım hazırlama safhası görselleştirilmiştir.
Şekil 5.3. Karışım hazırlama safhası.
Hazırlanan karışımlar kül fırınına gönderilmiştir. Kül fırınında sıvı hale geçen numuneler 400 ℃’de 2 saat kalarak hem içindeki su buharından kurtulmuş hem de katkı malzemesinin baz akışkana nüfuz etmesi sağlanmıştır. Kül fırını aşaması Şekil 5.4.’te görülmektedir.
Şekil 5.4. Malzeme hazırlamada kül fırını safhası. 95
Kül fırınından çıkarılan karışımlar oda sıcaklığına kadar doğal taşınımla soğuması beklenmiştir. Soğuyan ve katılaşan karışımların deneylerde kullanılmak üzere tekrardan toz formuna döndürülmesi gerekmektedir. Bu sebeple karışımlar havan vasıtasıyla toz formuna dönüştürülmüştür. Kullanılan havan ve tozlaştırma aşaması Şekil 5.5.’te gösterilmektedir.
Şekil 5.5. Karışımların havanda toz haline getirilmesi aşaması.
Toz haline getirilen karışımlar deney süreçleri için numune kaplarına konularak laboratuvara gönderilmiştir. Hazırlama süreci sonunda deneye gönderilecek malzemeler Şekil 5.6.’da görüldüğü üzere numaralandırılarak plastik muhafaza kaplarına alınmıştır.
Şekil 5.6. Deneylere hazır haldeki numuneler. 96
5.2. Deneylerin Yapılışı
Deneyler iki basamakta gerçekleştirilmiş olup ilk basamak Şekil 5.7.’de gösterilen TGA cihazında gerçekleştirilen kütle kaybı ve erime noktası analizleridir. 3.1.3.1. başlığında tanıtılan ve 3.2.2. başlığında çalışma prensibi anlatılan bu cihazda numuneler 35 – 500 ℃ sıcaklığa kadar ısıtılmış ve bu süreçte hassas algılayıcılar ile malzemenin kaybettiği kütle ölçülmüş, meydana gelen endotermik ve ekzotermik reaksiyonlar gözlenmiştir.
Şekil 5.7. Deneylerde kullanılan TGA/DTA cihazı.
Deneylerin ikinci basamağında bir ısı taşıyıcı akışkanın en önemli özelliklerinden olan özgül ısı kapasitesi incelenmiştir. 3.1.3.2. başlığında tanıtılan ve 3.2.3. başlığında çalışma prensibi anlatılan cihazın faz geçişlerinde ölçüm yapmaya uygun olmaması nedeniyle akışkanın özgül ısı kapasitesi solar tuzun katı-katı faz değişimi yaşadığı 110 ℃’ye kadar ölçümler yapılmıştır. Bu aşamada tahmin programları ile akışkanın çalışma sıcaklığı aralığındaki değerleri tahmin edilmesi düşünüldüyse de katı-sıvı faz geçişi sırasında numunelerin özgül ısı kapasitesindeki ani 97 sıçramalar tahmin ihtimalini devre dışı bırakmıştır. DSC analizi sırasında cihazın olduğu laboratuvara giriş imkânı bulunamadığından bu aşama fotoğraflanamamıştır.
5.3. Deney Değerleri
Sonraki sayfalarda verilen analiz grafiklerinde yeşil çizgi DTA (Differential Thermal Analysis – Diferansiyel Isıl Analiz) analizi yaparak numunenin aldığı ya da verdiği enerjiyi aktarmaktadır. Mavi çizgi ise TG (Termogravimetric Analysis – Termogravimetrik Analiz) analizidir ve kütle kaybının tespit edildiği bölümdür. Kırmızı olan DDTA (Derivative Differential Thermal Analysis – Türetilmiş Diferansiyel Isıl Analiz) analizi ise kristalleşme, nem kaybı gibi detaylı analizler için kullanıldığından dolayı kullanımına ihtiyaç duyulmamıştır.
98
Şekil 5.8. Numune-1'in TGA-DTA analiz sonucu.
Şekil 5.8.’de verilen bilgilere göre, 11.907 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 3 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 30 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 217 ℃’dir. 99
Şekil 5.9. Numune-2’nin TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.9.’da verilen bilgilere göre, 11.907 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 7 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 2 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 221 ℃’dir. 100
Şekil 5.10. Numune-3’ün TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.10.’da verilen bilgilere göre, 8.565 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 5 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 28 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 218 ℃’dir. 101
Şekil 5.11. Numune-4’ün TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.11.’de verilen bilgilere göre, 8.927 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 4 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 19 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 223 ℃’dir. 102
Şekil 5.12. Numune-5’in TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.12.’de verilen bilgilere göre, 6.063 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 2 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 37 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 225 ℃’dir. 103
Şekil 5.13. Numune-6’nın TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.13.’te verilen bilgilere göre, 10.367 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 5 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 104 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 226 ℃’dir. 104
Şekil 5.14. Numune-7’nin TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.14.’te verilen bilgilere göre, 10.696 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 2 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 71 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 223 ℃’dir. 105
Şekil 5.15. Numune-8’in TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.15.’te verilen bilgilere göre, 10.323 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında kütle kaybı yaşanmazken sürecin tamamında 3 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 218 ℃’dir. 106
Şekil 5.16. Numune-9’un TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.16.’da verilen bilgilere göre, 6.536 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında 3 μg kütle kaybederken sürecin tamamında 16 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 216 ℃’dir. 107
Şekil 5.17. Numune-10’un TG / DTA analiz sonucu.
Şekil 5.17.’de verilen bilgilere göre, 6.289 mg kütlesindeki numune katı-sıvı faz değişimi sırasında kütle kaybı yaşanmazken sürecin tamamında 9 μg kütle kaybetmiştir. Erime noktası yaklaşık olarak 215 ℃’dir. 108
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
6.1. Sonuçlar
Şekil 5.8.’den başlayarak Şekil 5.17.’yi de kapsayan deney değerleri ışığında malzemeler iki aşamada faz değişimi gerçekleştirmektedir. İlk faz değişimi 118 ℃ civarlarında katı-katı faz değişimidir. Bu durum solar tuz ve karışımları için karakteristik bir davranıştır ve literatürdeki diğer deneylerde de benzer davranışlar gözlemlenmiştir (Jriri vd., 1999). İkinci faz değişimi ise katı-sıvı hal değişiminden kaynaklanmaktadır. Literatürde erime noktası 220 ℃ olarak verilen solar tuzun Numune-1 olarak deneyde yaklaşık olarak 217 ℃’de sıvı faza geçtiği ölçülmüştür.
Katkı maddelerinin erime noktasına etkileri incelendiğinde amorf B2O3’lü numunelerde erime noktası referans numuneye göre 1 ℃ ile 6 ℃ arası artarken camsı B2O3’te bu artış 6 ℃ ile 9 ℃ arasında olmaktadır. Hegzagonal bor nitrür katkılı numunelerde ise 2 ℃ azalış ile 1 ℃ artış arasında değerler görülmektedir. Bu veriler göz önüne alındığında h-BN ile amorf B2O3’ün erime noktası konusunda camsı B2O3’e göre daha tercih edilebilir oldukları gözlenmektedir. Sıcaklık analizinin toplu gösterimi Çizelge 6.1.’de gösterilmektedir.
Çizelge 6.1. Numunelerin sıcaklık analizi.
Numuneler α-β Faz Değişimi α-β Faz Değişimi Erime Noktası Erime Noktası Alt ve Üst Sınırları Ortalama Değeri Alt ve Üst Yaklaşık (℃) (℃) Sınırları (℃) Değeri (℃)
1 114,8 - 128,6 121,7 213,9 - 242,6 217 2 112,8 - 124,8 118,8 213,6 - 236,5 221 3 112,8 - 124,7 118,8 213,1 - 237,3 218 4 112,1 - 123,8 118,0 213,4 - 240,2 223 5 113,6 - 124,3 119,0 213,2 - 243,3 225 6 111,7 - 123,6 117,7 213,5 - 238,2 226 7 110,6 - 122,8 116,7 213,5 - 240,8 223 8 113,6 - 127,9 120,8 212,8 - 241,8 218 9 110,0 - 121,3 115,7 213,9 - 242,1 216 10 110,1 - 120,7 115,4 213,7 - 238,2 215
109
Çizelge 6.2.’deki değerler ışığında kütle kaybı analizi yapıldığında ise erime noktasında kütle kaybı yaklaşık olarak %0,0335 değerlerinde çıkmaktadır. Toplam kütle kaybı ise erime noktasının yaklaşık on katı olarak %0,3502 ortalama değerine ulaşılmaktadır. Solar tuzdaki kütle kaybı yaklaşık 1/400 gibi düşük seviyelerdeyken %1 camsı B2O3 içeren numunedeki kayıp %1’i aşmaktadır. Katkı malzemeleri bazında incelediğimizde amorf B2O3 katkılı numunelerde kayıp referans malzemenin altında kaldığı için iyi bir performans sergilemiştir. h-BN içeren numunelerde de kayıplar oldukça düşük seviyelerde kalırken camsı B2O3 içeren numunelerde solar tuza göre %143 ile %299 arasında daha fazla kütle kaybı yaşanmıştır. Bu değerler ışığında camsı B2O3 seçildiği takdirde kütle kaybının fazla olacağı göz önünde bulundurulmalıdır.
Çizelge 6.2. Numunelerin kütle analizi.
Numuneler Erime Noktasında Erime Toplam Kütle Toplam Kütle Kütle Kaybı (μg) Noktasında Kütle Kaybı (μg) Kayıp Oranı Kaybı Oranı (%) (%)
1 3 0,025 30 0,251 2 7 0,058 2 0,017 3 5 0,058 28 0,327 4 4 0,048 19 0,213 5 2 0,033 37 0,610 6 5 0,048 104 1,003 7 2 0,019 71 0,664 8 - 0,000 3 0,029 9 3 0,046 16 0,245 10 - 0,000 9 0,143
Isı kapasitesi analizinde kullanılan cihazın faz değişimlerine duyarlı olması nedeniyle ölçümler 103℃ ile sınırlandırılmıştır.
Çizelge 6.3.’teki değerler incelendiğinde amorf B2O3 içeren numunelerin ısı kapasitesi referans numuneye göre %5,9 ile %26,6 oranlarında artmıştır. Camsı B2O3 analiz edildiğinde %27 azalış ile %32,6 artış arasında değerler aldığı ortaya çıkmıştır. Hegzagonal Bor Nitrür (h-BN) eklenmiş numunelerde ise %24,4 azalış ile %16,3 artış arasında sonuçlar çıktığı gözlenmiştir. Katkı maddesi bazlı yapılan analizlerde dengesizlik çıktığı görüldüğü için her deneyin kendine özgü davranış içerdiği gözlenmiştir. Örneğin aynı katkı maddesi içermelerine rağmen %1 camsı 110
B2O3 içeren karışım en düşük ısı kapasitesi performansını gösterirken %0,5 camsı B2O3 içeren karışım ise en yüksek performansı sergilemiştir. Bu değerler ışığında %0,5 camsı B2O3 içeren numune ile %2 amorf B2O3 içeren numunenin ısı kapasitesini %25’ten fazla artırmaları nedeniyle uygun akışkan olarak önerilebilir oldukları gözlenmiştir.
Çizelge 6.3. Numunelerin çeşitli sıcaklıklarda ısı kapasite değerleri.
Sıcaklık N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 (℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃) (J/g.℃)
25 0,6287 0,7196 0,7578 0,7959 0,8334 0,4581 0,7463 0,4754 0,5446 0,7309
50 0,7080 0,7792 0,8168 0,8544 0,9423 0,5298 0,8017 0,5530 0,6177 0,7864
75 0,7536 0,8222 0,8618 0,9013 1,0056 0,5706 0,8439 0,5892 0,6571 0,8274
100 0,8235 0,8717 0,9142 0,9567 1,0845 0,6411 0,8939 0,6306 0,6972 0,8707
Yapılan deneylerle erime noktası daha düşük, kütle kaybı daha az ve ısı kapasitesi daha yüksek bir malzeme arayışı motivasyonu ortaya konulmuştur. Erime noktası konusunda h-BN ve amorf B2O3 numuneleri iyi bir performans sergilemiştir. Kütle kaybı bazında da h-BN ve amorf
B2O3 numuneleri solar tuza göre daha iyi sonuçlar ortaya koymuştur. Isı kapasitesinde ise 4 ve 5 numaralı numuneler başarılı sonuçlar vermiştir. Bu sonuçlar ışığında:
Tüm bileşenler göz önüne alındığında 10 numaralı numune (%2 h-BN katkılı) tüm gereklilikleri karşılayıp en tercih edilebilir akışkan olarak öne çıkmaktadır.
Bunun dışında 2 numaralı numunenin (%0,5 amorf B2O3 katkılı) sadece erime noktası biraz yüksek olup diğer değerleri tercih sebebi olacak kadar iyidir. 3 numaralı numune (%1 amorf
B2O3 katkılı) ile 4 numaralı numuneler (%2 amorf B2O3 katkılı) erime noktasında biraz yüksek ve kütle kaybında solar tuz ile benzer sonuçlar verseler de ısı kaybındaki performansları ile önerilebilir bir akışkan olarak öne çıkmaktadır.
Son olarak 5 numaralı numune erime noktası ve kütle kaybı konusunda kötü sonuçlar sergilese de ısı kapasitesi gibi çok önemli bir özellikte en yüksek değerleri veren numune olduğu için akışkan olarak kullanılması önerilebilmektedir.
Gerçekleştirilen deney, literatürde benzerleri ile karşılaştırıldığında yani solar tuza parçacık eklenmesinin katı halde bulunan karışıma etkisi incelendiğinde ise sonuçların uyumlu olduğu gözlenmiştir. Chieruzzi ve arkadaşlarının (2017) yaptığı çalışmada solar tuza kütlece %1
SiO2 bileşiği ile eklendiğinde maksimum %35 civarında ısı kapasitesi artışı gözlenmektedir. 111
Karışım hazırlama yöntemlerinin ısı kapasitesine etkisinin incelendiği bu makalede aynı bileşik ile %15,1’lik bir kapasite azalışı da kaydedilmiştir. Aynı çalışmada Al2O3 bileşiği ile %10,4 ile %25,2 arasında bir artış da gözlenmektedir. Muñoz-Sánchez ve arkadaşlarının (2017) yaptığı
çalışma kütlece %1’lik Al2O3 katkısının katı haldeki karışımın ısı kapasitesini %26 düşürdüğü belirtilmiştir. Yan Luo ve arkadaşlarının (2017) CuO ile yaptığı çalışmada %0,1 ile %3 arasında bileşik katkısı incelenmiş ve %1,7 azalış ile %8 artış arasında değerler bulunmuştur. Awad ve arkadaşlarının (2018) Fe2O3, CuO ve TiO2 ile yaptığı çalışmalarda her bir bileşik için kütlece
%0,5, %1 ve %1,5’lik karışımlar hazırlanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde Fe2O3 içeren karışımlarda ısı kapasitesi %9,1 ile %10,5 arasında artmış, CuO içeren karışımlarda %6,3 ile %7,7 arasında ısı kapasitesi artışı not edilmiş ve TiO2 içeren karışımlarda ise %5,6 azalış ile %1,6 artış arasında değerler bulunmuştur.
Yapılan çalışmada %27,6 azalış ile %32,6 artış arasında değerlere ulaşılmıştır. Literatürde %27,6’lık azalışın benzeri nadir görülse de %30’un üzerinde artışın birkaç örneği mevcuttur. Isı kapasitesinde gözlenen bu artış ileride yapılacak çalışmalar için umut vaat etmektedir.
6.2. Öneriler
Bu çalışmada çeşitli bor katkılarının CSP sistemlerinde kullanılan bir ısı taşıyıcı akışkan olan solar tuzun ısıl ve fiziksel özelliklerine etkisi incelenmiştir. Sonuçlar analiz edildiğinde ise üstün özelliklerinden dolayı hegzagonal bor nitrürün yüksek konsantrasyonda en ideal davranışı gösterdiği belirlenmiştir. Sonraki çalışmalar için bu bor bileşiğinin %5, %10 gibi daha yüksek konsantrasyonlarda ısı kapasitesine etkisi incelenmelidir. Kütlece %2’lik katkıda %16’lık ısı kapasitesi artışı, ilerleyen çalışmalarda konsantrasyon artışı ile ısı kapasitesi artışı beklentisine referans olacaktır. Isı kapasitesi artış eğilimi konsantrasyon artışı ile uyumlu ilerlemesi durumunda eriyik nitrat tuzlarına ısıl özellikleri ile rakip olabilecek bir karışımın ortaya çıkarılması muhtemeldir.
Camsı B2O3 katkılı karışımların kütle kaybı incelendiğinde %0,5’te oldukça yüksek olan değerin %1’de daha da arttığı ama %2’ye gelindiğinde %0,5’teki değere yakın bir değer ortaya koyduğu gözlenmektedir. Bu katkı maddesinde de yüksek konsantrasyonlarda incelendiğinde kütle kaybındaki düşüş eğilimi devam ettiği takdirde kayda değer bir ısı taşıyıcı akışkan olarak sektöre sunulabilecektir. Isı kapasitesi konusu incelendiğinde ise %0,5’lik karışımda yaklaşık %33’lük artış umut verici niteliktedir. Bununla birlikte konsantrasyon arttıkça önce ani bir düşüş ardından da baz akışkanın biraz üstünde bir ısı kapasitesi değerine ulaşmaktayız. Bu bilgiler 112
ışığında konsantrasyon artışı ile ısı kapasitesi artış eğiliminin devam etmesi durumunda yüksek konsantrasyonlardaki camsı B2O3 katkılı karışımlar da sektöre arz edilmeye uygun konuma geleceklerdir.
Amorf B2O3 katkılı karışımlar açısından konuşulursa 3 numune de baz akışkandan daha iyi ısıl özellikler sunmaktadır. Isı kapasitesi analiz edildiğinde katkı maddesi konsantrasyonu ile ısı kapasitesi artışı arasında uyumlu bir artış gözlenmektedir. Bu katkı maddesi içeren karışımlar için de daha önce belirtildiği gibi çalışılandan daha yüksek konsantrasyonlarda katkının ısıl özelliklere etkisi incelenmelidir.
Literatürde önceki çalışmalar analiz edildiğinde bir karışımın ısı iletim katsayısı, özgül ısı kapasitesi, kütle kaybı, erime noktası tayini, buhar basıncı, viskozite gibi özelliklerinin hepsinin tek bir çalışmada incelenmediği gözlenmiştir. Karışımların genelde tek bir özellikleri incelenmekte ve bu karışımlar hakkındaki yetersiz bilgiden mütevellit diğer akışkanlar ile performans karşılaştırmaları eksik olmaktadır. İleride yapılacak çalışmalarda oluşturulan akışkanların en az 3 farklı özelliği incelenmeli ve literatüre daha doyurucu bilgiler aktarılmalıdır. Ayrıca ısı taşıyıcı akışkanların bu özelliklerinin ölçümü çalışma sıcaklığı aralığında yapılmalıdır. 113
KAYNAKLAR DİZİNİ
Ab Kadir, M. Z. A., Rafeeu, Y., Adam, N. M. (2010). Prospective Scenarios for the Full Solar Energy Development in Malaysia. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(9), 3023- 3031. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.07.062 Affandi, R. B., Gan, C. K., Ab Ghani, M. R. (2015). Performance Comparison for Parabolic Dish Concentrating Solar Power in High Level DNI Locations with George Town, Malaysia. Applied Mechanics and Materials, 699, 570-576. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.699.570. Akbarimoosavi, S. M., Yaghoubi, M. (2014). 3D Thermal-Structural Analysis of an Absorber Tube of a Parabolic Trough Collector and the Effect of Tube Deflection on Optical Efficiency. Energy Procedia, 49, 2433-2443. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.03.258 Akgün. E. (2007). Karbondioksit ile Doyurulmuş Sularda Kalsine Üleksit’in Çözünürlüğünün Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, 89s. Akpulat, F. (2007). Elektrofilik Bor Bileşik Sentezi, Yüksek Lisans Tezi, Adnan Menderes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Aydın, 62s. Alkoy, S. (1994). Turbostratik Bor Nitrürün Kristalizasyon Davranışı ve Karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 59s. Al-Soud, M. S., Hrayshat, E. S. (2009). A 50 MW Concentrating Solar Power Plant for Jordan, Journal of Cleaner Production 17(6), 625-635. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2008.11.002 Andreu-Cabedo, P., Mondragon, R., Hernandez, L., Martinez-Cuenca, R., Cabedo, L., Julia, J. E. (2014). Increment of Specific Heat Capacity of Solar Salt with SiO2 Nanoparticles. Nanoscale Research Letters 9, 582. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-582 . Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi (AYBÜ), Merkez Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi (2019a) https://aybu.edu.tr/merlab/custom_page-344-eszamanli-tg-dta- cihazi.html (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi (AYBÜ), Merkez Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi (2019b) https://aybu.edu.tr/merlab/custom_page-345-diferansiyel-taramali- kalorimetre-(dsc)-cihazi.html (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Aplak, H. S. (2018). Karar Verme Yöntemleri ve Askeri Muharebe Fonksiyonları Alanlarına Yönelik Uygulamaları, Güvenlik Bilimleri Dergisi 7(1), 87-110. DOI:10.28956/gbd.422799 Arslan, S., Darıcı, M., Karahan, Ç. (2001). Türkiye’nin Jeotermal Enerji Potansiyeli. TMMOB 1. Jeotermal Enerji Semineri Kitabı, 21-28. Avrupa Birliği (AB) Türkiye Temsilciliği 2000 Yılı Genel Raporu. (2000). https://www.ab.gov.tr/files/AB_Iliskileri/Tur_En_Realitons/Progress/Turkey_Progress_Report_ 2000.pdf , 51-53. Awad, A., Navarro, H., Ding, Y., Wen, D. (2018). Thermal-Physical Properties of Nanoparticle- Seeded Nitrate Molten Salts, Renewable Energy 120, 275-288. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.12.026 114
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Baharoon, D. A., Rahman, H. A., Wan Omar, W. Z., Fadhl, S. O. (2015). Historical Development of Concentrating Solar Power Technologies to Generate Clean Electricity Efficiently – A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 41, 996-1027. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.09.008 Bayraç, N. (2011). Küresel Rüzgâr Enerjisi Politikaları ve Uygulamaları. Uludağ Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, 1, 37-57. Behar, O., Khellaf, A., Mohammedi, K. (2013). A Review of Studies on Central Receiver Solar Thermal Power Plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews 23, 12-39. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.017 Bellos, E., Tzivanidis, C., Papadopoulos, A. (2018). Optical and Thermal Analysis of a Linear Fresnel Reflector Operating with Thermal Oil, Molten Salt and Liquid Sodium. Applied Thermal Engineering 133, 70-80. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.01.038 Benyakhlef, S., Al Mers, A., Merroun, O., Bouatem, A., Boutammachte, N., El Alj, S., Ajdad, H., Erregueragui, Z., Zemmouri, E. (2016). Impact of Heliostat Curvature on Optical Performance of Linear Fresnel Solar Concentrators. Renewable Energy 89, 463-474. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.12.018 Bilgetekin, A. (2010). Kokil Kalıba Alüminyum Döküm Proseslerinin İyileştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 162s. Binotti, M., Zhu, G., Gray, A., Manzolini, G., Silva, P. (2013). Geometric Analysis of Three Dimensional Effects of Parabolic Trough Collectors, Solar Energy 88, 88-96. https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.10.025 Bonk, A., Sau, S., Uranga, N., Hernaiz, M., Bauer, T. (2018). Advanced Heat Transfer Fluids for Direct Molten Salt Line-Focusing CSP Plants, Progress in Energy and Combustion Science 67, 69-87. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.02.002 Boukelia, T., Mecibah, M., S. (2013). Parabolic Trough Solar Thermal Power Plant: Potential and Projects Development in Algeria. Renewable and Sustainable Energy Reviews 21, 288-297. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.074 Brakmann, G., Aringhoff, R., Geyer, M., Teske, S. (2005). Concentrated Solar Thermal Power – Now!. ESTIA, IEA SolarPACES, Greenpeace International, Implementing Agreement. https://www.researchgate.net/publication/298944888_Concentrated_Solar_Thermal_Power_- _Now . (Erişim Tarihi: 06/09/2019). British Petrol (BP), (2019). BP Statistical Review of World Energy 2019 / 68th edition. https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy- economics/statistical-review/bp-stats-review-2019-full-report.pdf (Erişim Tarihi: 08/09/2019). Buck, R., Schwarzbözl, P. (2018). 4.17 Solar Tower Systems. Comprehensive Energy Systems 4, 692-732. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809597-3.00428-4 Burgaleta J. I., Arias S., Ramirez D. (2011) Gemasolar, The First Tower Thermosolar Commercial Plant with Molten Salt Storage. SolarPACES, Spain. 115
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam) https://www.researchgate.net/publication/264855919_Gemasolar_the_first_tower_thermosolar_ commercial_plant_with_molten_salt_storage (Erişim Tarihi: 06/09/2019). Cavallaro, F. (2009). Multi-Criteria Decision Aid to Assess Concentrated Solar Thermal Technologies. Renewable Energy 34(7), 1678-1685. https://doi.org/10.1016/j.renene.2008.12.034 Chandel, S. S., Agarwal, T., (2017). Review of Current State of Research on Energy Storage, Toxicity, Health Hazards and Commercialization of Phase Changing Materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews 67, 581–596. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.070 Chen, X., Wu, Y., Zhang, L., Wang, X., Ma, C. (2018). Experimental Study on the Specific Heat and Stability of Molten Salt Nanofluids Prepared by High-Temperature Melting, Solar Energy Materials and Solar Cells 176, 42-48. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.11.021 Cheng, Z. D., He, Y. L., Xiao, J., Tao, Y. B., Xu, R. J. (2010). Three-Dimensional Numerical Study of Heat Transfer Characteristics in the Receiver Tube of Parabolic Trough Solar Collector. International Communications in Heat and Mass Transfer 37(7), 782-787. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.05.002 Cheng, Z. D., He, Y. I., Cui, F. Q., Du, B. C., Zheng, Z. J., Xu, Y. (2014a). Comparative and Sensitive Analysis for Parabolic Trough Solar Collectors with Detailed Monte Carlo Ray Tracing Optical Model. Applied Energy 115, 559-572. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.11.001 Cheng, Z. D., He, Y. L., Wang, K., Du, B. C., Cui, F. Q. (2014b). A Detailed Parameter Study on the Comprehensive Characteristics and Performance of a Parabolic Trough Solar Collector System. Applied Thermal Engineering 63(1), 278-289. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.11.011 Cheng, Z., He, Y., Du, B., Wang, K., Liang, Q. (2015a). Geometric Optimization on Optical Performance of Parabolic Trough Solar Collector Systems Using Particle Swarm Optimization Algorithm. Applied Energy 148, 282-293. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.03.079 Cheng, Z. D., He, Y., Qiu, Y. (2015b). A Detailed Nonuniform Thermal Model of a Parabolic Trough Solar Receiver with Two Halves and Two Inactive Ends. Renewable Energy 74, 139-147. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.07.060 Chieruzzi, M., Cerritelli, G. F., Miliozzi, A., Kenny, J. M. (2013). Effect of Nanoparticles on Heat Capacity of Nanofluids Based on Molten Salts as PCM for Thermal Energy Storage. Nanoscale Research Letters 8, 448. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-448 . Chieruzzi, M., Miliozzi, A., Crescenzi, T., Torre, L., Kenny, J., M. (2015). A New Phase Change Material Based on Potassium Nitrate with Silica and Alumina Nanoparticles for Thermal Energy Storage, Nanoscale Research Letters 10(1), 984. doi: 10.1186/s11671-015-0984-2. Chieruzzi, M., Cerritelli, G. F., Miliozzi, A., Kenny, J. M., Torre, L. (2017). Heat Capacity of Nanofluids for Solar Energy Storage Produced by Dispersing Oxide Nanoparticles in Nitrate Salt Mixture Directly at High Temperature. Solar Energy Materials and Solar Cells 167, 60-69. DOI: 10.1049/mnl.2014.0407. 116
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Choi, S. U. S., Eastman, J. A. (1995). Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles. ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, San Fransisco. Chougule, S. S., Sahu S. K. (2014). Comparative Study of Cooling Performance of Automobile Radiator Using Al2O3-Water and Carbon Nanotube-Water Nanofluid. Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine 5(1), 1–6. https://doi.org/10.1115/1.4026971 Clark, J. A. (1982). An Analysis of the Technical and Economic Performance of a Parabolic Trough Concentrator for Solar Industrial Process Heat Application, International Journal of Heat and Mass Transfer 25(9), 1427-1438. https://doi.org/10.1016/0017-9310(82)90136-3 Coats, A. W. and Redfern, J. P. (1964). Kinetic Parameters from Thermogravimetric Data. Nature 201, 68-69. Coventry, J., Andraka, C. (2017). Dish Systems for CSP. Solar Energy 152, 140-170. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.02.056 Çelik, Ç. (2010). Nano Boyutta Titanyum Diborür Katkılı Sıcak Preslenmiş Hegzagonal Bor Nitrür – Titanyum Diborür Kompozitlerinin Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 87s. Çınkı, M., M. (2001). Ulusal Maden Varlığımız ve Bor Gerçeği. (Birinci Basım). Ankara: Ankara Ticaret Odası Yay., 196s. Demir C. (2006). Bor Minerallerinin Enerji Kaynağı Olarak Değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, 54s. de Risi, A., Milanese, M., Laforgia, D. (2013). Modelling and Optimization of Transparent Parabolic Trough Collector Based on Gas-Phase Nanofluids. Renewable Energy 58, 134-139. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.03.014 Devlet Planlama Teşkilatı (DPT). (1995). Yedinci Beş Yıllık Kalkınma Planı Kimya Sanayi Hammaddeleri Özel İhtisas Komisyonu Raporu, Yayın NO: DPT 2414, Ankara. Devrimci, A. N. (2013). Dağların Şeyhi Hasan Sabbah (1. Baskı). İstanbul: Mola Kitap, 453s. Dinçer, F. (2011). Türkiye’de Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi Potansiyeli – Ekonomik Analizi ve AB Ülkeleri ile Karşılaştırmalı Değerlendirme. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Dergisi 14(1), 8-17. Dudda, B., Shin, D. (2013). Effect of Nanoparticle Dispersion on Specific Heat Capacity of a Binary Nitrate Salt Eutectic for Concentrated Solar Power Applications, International Journal of Thermal Sciences 69, 37-42. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2013.02.003 Duffie, J. A., Beckman, W. A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. (4. Baskı). New Jersey:Wiley Yayınları, 928s.
117
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Eck, M., Feldhoff, J. F., Uhlig, R. (2010). Thermal Modelling and Simulation of Parabolic Trough Receiver Tubes. International Conference on Energy Sustainability ES2010-90402, 659-666. https://doi.org/10.1115/ES2010-90402 El Gharbi, N., Derbal, H., Bouaichaoui, S., Said, N. (2011). A Comparative Study Between Parabolic Trough Collector and Linear Fresnel Reflector Technologies. Energy Procedia 6, 565- 572. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.05.065 Emerson, R. W. (1899). Society and Solitude (7. Baskı). Boston: Houghton, Mifflin and Company, 269s. Eroğlu, E. (2012). Bor Nanoşeritlerinin Elektronik ve Yapısal Özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 104s. Eskin, M. C. (2018). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Çevreye ve Ekonomiye Etkisi, Uzmanlık Tezi, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Mali Hizmetler Uzmanlığı, Ankara, 177s. Ganvir, R. B., Walke, P. V., Kriplani, V. M. (2017). Heat Transfer Characteristics in Nanofluids - A Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 75, 451-460. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.010 Ghanbarpour, M., Haghigi, E. B., Khodabandeh, R. (2014). Thermal Properties and Rheological Behavior of Water Based Al2O3 Nanofluid as a Heat Transfer Fluid. Experimental Thermal and Fluid Science 53, 227-235. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.12.013 Giro–Paloma, J., Martinez, M., Cabeza, L. F., Fernández, A. I., (2016). Types, Methods, Techniques, and Applications for Microencapsulated Phase Change Materials (MPCM): A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 53, 1059–1075. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.09.040 Godson, L., Deepak, K., Enoch, C., Jefferson, B., Raja, B. (2014). Heat Transfer Characteristics of Silver/Water Nanofluid in a Shell and Tube Heat Exchanger. Archives of Civil and Mechanical Engineering 14, 489-496. https://doi.org/10.1016/j.acme.2013.08.002 Gong, G. J., Huang, X. Y., Wang, J., Hao, M. (2010). An Optimized Model and Test of the China’s First High Temperature Parabolic Trough Solar Receiver. Solar Energy 84(12),2230- 2245. https://doi.org/10.1016/j.solener.2010.08.003 González-Roubaud E, Pérez-Osorio D, Prieto C. (2017). Review of Commercial Thermal Energy Storage in Concentrated Solar Power Plants: Steam vs. Molten Salts. Renewable Sustainable Energy Reviews 80(Supplement C):133–148. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.084 . Göncü, Y. (2012). Hekzagonal Bor Nitrür Ürün Özelliklerine Öğütmenin Etkisi, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 184s. Grasse, W. (1995). Solar PACES Annual Technical Report 1995. https://www.psa.es/es/techrep/1995/annual95.pdf (Erişim Tarihi: 04/09/2019).
118
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Gunasekara, S. N., Martin, V., Chiu, J. N., (2017). Phase Equilibrium in the Design of Phase Change Materials for Thermal Energy Storage: State-of-the-Art. Renewable and Sustainable Energy Reviews 73, 558–581. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.108 Gürbüz, Ö. (2010). Elektrik Enerjisi Üretiminde Rüzgâr ile Nükleer Enerji Kaynaklarının Maliyet Yönünden Karşılaştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, İstanbul, 148s. Gürsoy, U. (2004). Enerjide Toplumsal Maliyet ve Temiz ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları. (Birinci Baskı). Ankara: Türk Tabipleri Birliği Yayınları, 35-132. Güyagüler, T. (2001). Türkiye Bor Potansiyeli. 4. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, 18- 27, İzmir. Hachicha, A., Rodríguez, I., Lehmkuhl, O., Oliva, A. (2014). On the CFD&HT of the Flow Around a Parabolic Trough Solar Collector Under Real Working Conditions. Energy Procedia 49, 1379-1390. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.03.147 He, Y., Xiao, J., Cheng, Z., Tao, Y. (2011). A MCRT and FVM Coupled Simulation Method of Energy Conversion Process in Parabolic Trough Solar Collector. Renewable Energy 36(3), 976- 985. https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.07.017 Heris, S. Z., Nassan, T. H., Noie, S. H., Sardarabadi, H., Sardarabadi, M. (2013). Laminar Convective Heat Transfer of Al2O3/Water Nanofluid Through Square Cross-Sectional Duct. International Journal of Heat and Fluids Flow 44, 375–382. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2013.07.006 Helvacı, C. (1983). Türkiye Borat Yataklarının Minerolojisi, Jeoloji Mühendisliği Dergisi, Mayıs 1983, 37-54. Helvacı, C., (2007), Bor Minerallerinin İşletme, Zenginleştirme ve Pazarlama Sorunları. 6. Uluslararası Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, 70-86. Hitachi, High-Tech Science Corporation Simultaneous Thermal Analyzer STA7000 Series (2019). http://chpt.co.kr/page/pdf/STA7000_Flyer_Eng.pdf (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Ho, M. X., Pan, C. (2014). Optimal Concentration of Alumina Nanoparticles in Molten Hitec Salt to Maximize its Specific Heat Capacity, International Journal of Heat and Mass Transfer 70, 174–184. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.10.078 Huang, X., Alva, G., Jia, Y. T., Fang, G. Y. (2017). Morphological Characterization and Applications of Phase Change Materials in Thermal Energy Storage: A Review. Renewable Sustain Energy Reviews 72, 128–145. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.048 Ibrahim, N. I., Al–Sulaiman, F. A., Rahman, S., Yılbaş, B. S., Şahin, A. Z., (2017). Heat Transfer Enhancement of Phase Change Materials for Thermal Energy Storage Applications: A Critical Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 74, 26–50. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.169
119
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
International Renewable Enrgy Agency (IRENA), (2019). Renewable Capacity Statistics 2019. https://www.irena.org/publications/2019/Mar/Renewable-Capacity-Statistics-2019 (Erişim Tarihi: 08/09/2019). Islam, M. D. T., Huda, N., Abdullah, A., B., Saidur, R. (2018). A Comprehensive Review of State-of-the-Art Concentrating Solar Power (CSP) Technologies: Current Status and Research Trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews 91, 987-1018. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.097 İder, S., K. (2003). Hidrojen Enerji Sistemi, Metalürji Dergisi 134, 1-8. Jamal-Abad, M. T., Zamzamian, A., Dehghan, M. (2013). Experimental Studies on the Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Cu–Water and Al–Water Nanofluid in a Spiral Coil. Experimental Thermal and Fluid Science 47, 206–212. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.02.001 Janz, G., Allen, C., Bansal, N., Murphy, R., Tomkins, R. (1979). Physical Properties Data Compilations Relevant to Energy Storage, US Department of Commerce, National Bureau of Standards, 61(Part-II), 442. Jo, B., Banerjee, D., (2014). Enhanced Specific Heat Capacity of Molten Salt-Based Nanomaterials: Effects of Nanoparticle Dispersion and Solvent Material, Acta Materialia 75, 80– 91. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.05.005 Johns, C. O. (1923). The History and Status of Chemistry in Petroleum Research. Industrial and Engineering Chemistry 15 (5), 446-449. https://doi.org/10.1021/ie50161a003
Jriri, T., Rogez, J., Mathieu, J. C., Ansara, I. (1999). Thermodynamic Analysis of the CsNO3- KNO3-NaNO3 System, Journal of Phase Equilibria 20 (5), 515-525. Kalogirou, S. A. (2004). Solar Thermal Collectors and Applications. Progress in Energy and Combustion Science 30(3), 231-295. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2004.02.001 Kalogirou, S. A. (2012). A Detailed Thermal Model of a Parabolic Trough Collector Receiver. Energy 48(1), 298-306. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.06.023 Kantürk, A. (2006). Borakstan Sodyum Borhidrür Üretimi ve Üretimi Etkileyen Parametrelerin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 114s. Kaygusuz, K. (2011). Prospect of Concentrating Solar Power in Turkey: The Sustainable Future. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15(1), 808-814. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.09.042 Khan Z., Khan Z., Ghafoor A. (2016). A Review of Performance Enhancement of PCM Based Latent Heat Storage System within the Context of Materials, Thermal Stability And Compatibility. Energy Conversion and Management 115, 132–158. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.045 Kocaoğlu, A. M. (1996). Petro-Strateji (1. Baskı). İstanbul: Harp Akademileri Basım Evi, 200s. 120
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Koç, E., ve Şenel, M. C. (2013). Dünyada ve Türkiye’de Enerji Durumu - Genel Değerlendirme, Mühendis ve Makine, Cilt 54, Sayı 639, 32-44. Köse, R. (2004). An Evaluation of Wind Energy Potential as a Power Generation Source in Kütahya, Turkey. Energy Conversion and Management 45(11-12), 1631-1641. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2003.10.016 Köse, R. (2005). Research on the Generation of Electricity from the Geothermal Resources in Simav Region, Turkey. Renewable Energy 30(1), 67-79. https://doi.org/10.1016/j.renene.2004.04.004 Köse, R. (2007). Geothermal Energy Potential for Power Generation in Turkey: A Case Study in Simav, Kutahya. Renewable and Sustainable Energy Reviews 11(3), 497-511. https://doi.org/10.1016/j.rser.2005.03.005 KPMG Enerji Sektörel Bakış Raporu 2018, https://assets.kpmg/content/dam/kpmg/tr/pdf/2018/02/sektorel-bakis-2018-enerji.pdf (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Kroizer I. (1984). Design of a 13MWe Parabolic Trough Plant at Daggett, California. International Energy Agency Workshop on the Design and Performance of Large Solar Thermal Collectors, San Diego, 534–536. Kuravi, S., Trahan, J., Goswami, D. Y., Rahman, M. M., Stefanakos, E. K. (2013). Thermal Energy Storage Technologies and Systems for Concentrating Solar Power Plants, Progress in Energy and Combustion Science 39(4), 285-319. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2013.02.001 Lasfargues, M., Stead, G., Amjad, M., Ding, Y., Wen, D. (2017). In Situ Production of Copper Oxide Nanoparticles in a Binary Molten Salt for Concentrated Solar Power Plant Applications, Materials(Basel) 10(5), 537. doi: 10.3390/ma10050537 Lian, J., Kim, T., Liu, X., Ma, J., Zheng, W. (2009). Ionothermal Synthesis of Turbostratic Boron Nitride Nanoflakes at Low Temperature. The Journal of Physical Chemistry C 113, 9135-9140. https://doi.org/10.1021/jp9004136 Liang, H., You, S., Zhang, H. (2015). Comparison of Different Heat Transfer Models for Parabolic Trough Solar Collectors. Applied Energy 148, 105-114. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.03.059 Lin, Y., Jia, Y., Alva, G., Fang, G., (2018). Review on Thermal Conductivity Enhancement, Thermal Properties and Applications of Phase Change Materials in Thermal Energy Storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews 82, 2730-2742. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.002 Lo, C. H., Tsung, T. T., Chen, L. C., Su, C. H., Lin, H. M. (2005). Fabrication of Copper Oxide Nanofluid Using Submerged Arc Nanoparticles Synthesis System (SANSS). Journal of Nanoparticle Research 7, 313–320. https://doi.org/10.1007/s11051-004-7770-x Lovegrove, K., Taumoefolau, T., Paitoonsurikarn, S., Siangsukone, P., Burgess, G., Luzzi, A., Johnston, G., Becker, O., Joe, W., Major, G. (2003). Parabolodial Dish Solar Concentrators for 121
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Multi-Megawatt Power Generation. https://pdfs.semanticscholar.org/9fcc/1ba8d2ab1a3794bb57a61defbe0dcadd6ba6.pdf (Erişim Tarihi: 07/09/2019). Luo, Y., Du, X., Awad, A., Wen, D. (2017). Thermal Energy Storage Enhancement of a Binary Molten Salt via in-situ Produced Nanoparticles, International Journal of Heat and Mass Transfer 104, 658-664. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.004 Marif, A., Benmoussa, H., Bouguettaia, H., Belhadj, M., M., Zerrouki, M. (2014). Numerical Simulation of Solar Parabolic Trough Collector Performance in the Algeria Saharan Region. Energy Conversion and Management 85, 521-529. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.06.002 MED-CSP (Concentrating Solar Power fort he Mediterranean Region) Final Report. (2005). German Aerospace Center (DLR) Institute of Technical Thermodynamics Section Systems Analysis and Technology Assessment. https://www.dlr.de/tt/Portaldata/41/Resources/dokumente/institut/system/projects/MED- CSP_Full_report_final.pdf ( Erişim Tarihi: 19/01/2020). Milián, Y. E., Gutiérrez, A., Grágeda, M., Ushak, S., (2017). A Review on Encapsulation Techniques for Inorganic Phase Change Materials and the Influence on Their Thermophysical Properties. Renewable and Sustainable Energy Reviews 73, 983–999. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.159 . Mills, D. R. (2012). 6 - Linear Fresnel Reflector (LFR) Technology. Concentrating Solar Power Technology Woodhead Publishing Series in Energy, 153-196. https://doi.org/10.1533/9780857096173.2.153 Mirkarimi, P. B., McCarty, K. F., Medlin, D. L. (1997). Rewiew of Advances in Cubic Boron Nitride Film Synthesis. Materials Science and Engineering: R: Reports 21, Issue 2, 47-100. https://doi.org/10.1016/S0927-796X(97)00009-0 Miró, L, Gasia, J, Cabeza, L., F. (2016). Thermal Energy Storage (TES) for Industrial Waste Heat (IWH) Recovery: A Review. Applied Energy 179, 284–301. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.147 . Mohamed, S. A., Al–Sulaiman, F. A., Ibrahim, N. I., Zahir, M. H., Al–Ahmed, A., Saidur, R., Yılbaş, B. S., Sahin, A. Z., (2017). A Review on Current Status and Challenges of Inorganic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage Systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 70, 1072–1089. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.012 Mokheimer, E. M. A., Dabwan, Y. N., Habib, M. A., Said, S. A. M., Al-Suleiman, F. A. (2014). Techno-Economic Performance Analysis of Parabolic Trough Collector in Dhahran, Saudi Arabia. Energy Conversion and Management 86, 622-633. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.06.023 Muñoz-Sánchez, B., Nieto-Maestre, J., Imbuluzqueta, G., Marañón, I., Iparraguirre-Torres, I., García-Romero, A. (2017). A Precise Method to Measure the Specific Heat of Solar Salt-Based 122
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Nanofluid. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 129(2), 905-914. DOI: 10.1007/s10973- 017-6272-x. Müller-Steinhagen, H., Trieb, F. (2004). Concentrating Solar Power: A Review of the Technology. Ingenia 18, 43-50. https://www.ingenia.org.uk/getattachment/Ingenia/Issue- 18/Concentrating-solar-power-A-review-of-the-technolo/Muller–Steinhagen.pdf (Erişim Tarihi: 06/09/2019). Naraki, M., Peyghambarzadeh, S. M., Hashemabadi, S. H., Vermahmoudi, Y. (2013). Parametric Study of Overall Heat Transfer Coefficient of CuO/Water Nanofluid in a Car Radiator. International Journal of Thermal Science 66, 82–90. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2012.11.013 Nixon, J. D., Dey, P. K., Davies, P. A. (2010). Which is the Best Solar Thermal Collection Technology for Electricity Generation in North-West India? Evaluation of Options Using the Analytical Hierarchy Process. Energy 35(12), 5230-5240. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.07.042 O’Neill, M. J. (1966). Measurement of Specific Heat Functions by Differential Scanning Calorimetry. Analytical Chemistry, 38(10), 1331–1336. https://doi.org/10.1021/ac60242a011 Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ), Merkezi Laboratuvar (2019a). http://merlab.metu.edu.tr/tr/termogravimetrik-analiz-cihazi (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ), Merkezi Laboratuvar (2019b). http://merlab.metu.edu.tr/tr/diferansiyel-taramali-kalorimetre-dsc (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Ortiz, A. L., Zaragoza, M. J. M., Collins-Martínez, V. (2016). Hydrogen Production Research in Mexico: A Review. International Journal of Hydrogen Energy 41(48), 23363-23379. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.004 Ouagued, M., Khellaf, A., Loukarfi, L. (2013). Estimation of the Temperature, Heat Gain and Heat Loss by Solar Parabolic Trough Collector Underalgerian Climate Using Different Thermal Oils. Energy Conversion and Management 75, 191-201. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.06.011 Ozgur, M. A. (2008). Review of Turkey’s Renewable Energy Potential, Renewable Energy 33, 2345-2356. https://doi.org/10.1016/j.renene.2008.02.003 Özemre, A. Y., Bayülken, A., Gençay, Ş. (2000). 50 Soruda Türkiye’nin Nükleer Enerji Sorunu (2. Baskı). İstanbul: Kaknüs Yayınları, 43. Padilla, R., V. (2011). Simplified Methodology for Designing Parabolic Trough Solar Power Plants, Doktora Tezi, University of South Florida Graduate School, Tampa, 283s. Pantzali, M. N., Mouza, A. A., Paras, S. V. (2009). Investigating the Efficacy of Nanofluid as Coolants in Plate Heat Exchangers (PHE). Chemical Engineering Science 64, 3290–3300. https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.04.004
123
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Pavlovic, T. M., Radonjic, I. S., Milosavljevic, D. D., Pantic, L. S. (2012). A Review of Concentrating Solar Power Plants in the World and Their Potential Use in Serbia. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16(6), 3891-3902. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.042 Pease, R. S. (1952). An X-ray Study of Boron Nitride. Acta Crystallographica 5, 356-361. https://doi.org/10.1107/S0365110X52001064 Peng, Q., Yang, X., Ding, J., Wei, X., Yang, J. (2013). Design of New Molten Salt Thermal Energy Storage Material for Solar Thermal Power Plant, Applied Energy 112, 682-689. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.10.048 Penn State University (PSU) (2019). Utility Solar Power and Concentration, Fluid Storage. https://www.e-education.psu.edu/eme812/node/704 (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Poullikas, A., Kourtis, G., Hadjipaschalis, I. (2010). Parametric Analysis for the Installation of Solar Dish Technologies in Mediterranean Regions. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14(9), 2772-2783. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.07.021 Price, H., Lópfert, E., Kearney, D., Zarza, E., Cohen, G., Gee, R. (2002). Advances in Parabolic Trough Solar Power Technology, Journal of Solar Energy 124, 109-125. https://doi.org/10.1115/1.1467922 Qiu, Y., He, Y. L., Cheng, Z. D., Wang, K. (2015). Study on Optical and Thermal Performance of a Linear Fresnel Solar Reflector Using Molten Salt as HTF With MCRT and FVM Methods. Applied Energy 146, 162-173. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.135 Ramaprasath, D. (2013). Utilization of Molten Nitrate Salt Nanomaterials for Heat Capacity Enhancement in Solar Power Applications, Yüksek Lisans Tezi, The University of Texas at Arlington Faculty of the Graduate School, Austin, 55s. Raveshi, M. R., Keshavarz, A., Mojarrad, M. S., Amiri, S. (2013). Experimental Investigation of Pool Boiling Heat Transfer Enhancement of Alumina–Water–Ethylene Glycol Nanofluid. Experimental Thermal and Fluid Science 44, 805–814. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.09.025 REN 21. (2019). 2019 Global Status Report. Concentrating Solar Thermal Power (CSP), 107- 109. https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/gsr_2019_full_report_en.pdf (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Riazi, H., Mesgari, S., Ahmed, N. A., Taylor, R. A. (2016). The Effect of Nanoparticle Morphology on the Specific Heat of Nanosalts, International Journal of Heat and Mass Transfer 94, 254-261. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.11.064 Roskill Information Services. (1999). The Economics of Boron. (9. Baskı). San Diego: San Diego Academic Press, 236s. Sağlam, M., Sulukan, E., Uyar, T., S. (2010). Wave Energy and Technical Potential of Turkey. Journal of Naval Sciences and Engineering 6(2), 34-50.
124
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
SBP Projects, (2019). 50 kW Dish/Stirling System https://www.sbp.de/en/project/50-kw- dishstirling-system/ (Erişim Tarihi: 07/09/2019). Sharma, A. (2011). A Comprehensive Study of Solar Power in India and World. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15(4), 1767-1776. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.12.017 Shi, L., Gu , Y., Chen, L., Qian Y., Yang, Z., Ma, J. (2004). Synthesis and Morphology Control of Nanocrystalline Boron Nitride. Journal of Solid State Chemistry 177, Issue 3, 721-724. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2003.08.026
Shin, D., Banerjee, D. (2015). Enhanced Thermal Properties of SiO2 Nanocomposite for Solar Thermal Energy Storage Applications, International Journal of Heat and Mass Transfer 84, 898– 902. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.100 Siegel, N. P., Bradshaw, R. W., Cordaro, J. B., Kruizenga, A. M., (2011). Thermophysical Property Measurement of Nitrate Salt Heat Transfer Fluids. Proceedings of the ASME 2011 5th International Conference on Energy Sustainability USA, 439-446. https://doi.org/10.1115/ES2011-54058 . Singh, P. L., Ganesan, S., Yádav, G. C. (1999). Technical Note: Performance Study of a Linear Fresnel Concentrating Solar Device. Renewable Energy 18(3), 409-416. https://doi.org/10.1016/S0960-1481(98)00805-2 Solangi, K. H., Kazi, S. N., Luhur, M. R., Badarudin, A., Amiri, A., Sadri, R., Zubir, M. N. M, Gharehkhani S., Ten K. H. (2015). A Comprehensive Review of Thermo-Physical Properties and Convective Heat Transfer to Nanofluids'. Energy 89, 1065–86. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.06.105 SolarPACES (2016). Solar Thermal Electricity Global Outlook 2016. Greenpeace International, ESTELA ve IEA SolarPACES 4th Joint Report. http://www.solarpaces.org/wp- content/uploads/gp-estela-solarpaces_solar-thermal-electricity-global-outlook-2016_full- report.pdf (Erişim Tarihi: 06/10/2019). SolarPACES (2019). CSP Projects Around the World, Web Sitesi. https://www.solarpaces.org/csp-technologies/csp-projects-around-the-world/ (Erişim Tarihi: 06/09/2019). SQM, (2019). Thermo-Solar Salts. https://www.sqm.com/wp-content/uploads/2018/05/Solar- salts-Book-eng.pdf (Erişim Tarihi: 02/10/2019). Sundar, L. S., Singh, M. K., Bidkin, I., Sousa, A. C. M. (2014). Experimental Investigations in Heat Transfer and Friction Factor of Magnetic Ni Nanofluid Flowing in a Tube. International Journal of Heat and Mass Transfer 70, 224–234. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.004 Suresh, S., Chandrasekar, M., Sekhar S. C. (2011). Experimental Studies on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Cuo/Water Nanofluid Under Turbulent Flow in a Helically Dimpled Tube. Experimental Thermal and Fluid Science 35, 542–549. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2010.12.008 125
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Suresh, S., Selvakumar, P., Chandrasekhar, M., Raman, V. S. (2012). Experimental Studies on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Al2O3/Water Nanofluid Under Turbulent Flow with Spiraled Rod Inserts. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 53, 24–30. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.12.013 Şahin, M. (2006). Hidrojen Enerjisi Teknolojileri (1. Baskı). Ankara: Anıl Yayınları, 141. Şahin, M. (2010). Hidrojen Gelecektir. Mavi Gezegen Dergisi 15, 29-38. https://www.jmo.org.tr/resimler/ekler/9ea67dafa813c73_ek.pdf?dergi=MAV%DD%20GEZEG EN%20POP%DCLER%20YERB%DDL%DDM%20DERG%DDS%DD (Erişim Tarihi: 09/09/2019). Teng, T. P., Yu, C. C. (2013). Heat Dissipation Performance of MWCNTs Nanocoolant for Vehicle. Experimental Thermal and Fluid Science 49, 22–30. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.03.007 Tiznobaik, H., Shin, D. (2013). Enhanced Specific Heat Capacity of High-Temperature Molten Salt-Based Nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 57, 542-548. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.10.062 Topal, M., ve Arslan, E. I. (2008). Biyokütle Enerjisi ve Türkiye. VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu. İstanbul: 241-248. Tsai, C., Lin, P. D. (2012). Optimized Variable Focus Parabolic Trough Reflector for Solar Thermal Concentrator System. Solar Energy 86(5), 1164-1172. https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.01.009 Türkiye Elektrik İletim A. Ş. (TEİAŞ), Yük Tevzi Dairesi Başkanlığı (2019), Ağustos Ayı Kurulu Güç Raporu, https://www.teias.gov.tr/sites/default/files/2019-09/KURULU%20GÜÇ%20 İNTERNET%20%28AĞUSTOS%20AYI%20SONU%20İTİBARİ%20İLE%29.pdf (Erişim Tarihi: 11/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) (2019a) https://www.teias.gov.tr/sites/default/files/2019-08/KURULU%20GÜÇ%20 İNTERNET%20TEMMUZ%20AYI.pdf (Erişim Tarihi: 09/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) (2019b) https://www.enerji.gov.tr/tr- TR/Sayfalar/Komur. (Erişim Tarihi: 29/08/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) (2019c) https://www.enerji.gov.tr/tr- TR/Sayfalar/Petrol (Erişim Tarihi: 29/08/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) (2019d) https://www.enerji.gov.tr/tr- TR/Sayfalar/Dogal-Gaz (Erişim Tarihi: 29/08/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) (2019e) https://www.enerji.gov.tr/tr- TR/Sayfalar/Nukleer-Enerji (Erişim Tarihi: 29/08/2019).
126
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü (Eti Maden) (2017). Bor Sektör Raporu. https://www.enerji.gov.tr/File/?path=ROOT%2f1%2fDocuments%2 fSektör%20Raporu%2f2017%20Bor%20Sektör%20Raporu.pdf (Erişim Tarihi: 11/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Eti Maden A. Ş. (Eti Maden), (2019a). Eti Maden & Potential Investments. http://mric.jogmec.go.jp/wp- content/uploads/2019/03/seminars2019_0313_02.pdf (Erişim Tarihi: 26/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Eti Maden A. Ş. (Eti Maden), (2019b). Bor Oksit – Camsı, Ürün Teknik Bilgi Formu. http://www.etimaden.gov.tr/storage/pages/March2019/4-1- bor-oksit-camsi.pdf (Erişim Tarihi: 26/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Eti Maden A. Ş. (Eti Maden), (2019c). Bor Oksit – Gözenekli, Ürün Teknik Bilgi Formu. http://www.etimaden.gov.tr/storage/pages/March2019/4- 2-bor-oksit-gozenekli.pdf (Erişim Tarihi: 26/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) (2010). Türkiye’de Bor. https://boren.gov.tr/content/images/Turkiyebor.jpg (Erişim Tarihi: 09/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) (2019a). Enerji ve Bor. https://www.boren.gov.tr/Sayfa/enerji/34 (Erişim Tarihi: 09/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) (2019b). Bor Elementi ve Özellikleri. https://www.boren.gov.tr/Sayfa/bor-elementi/23 (Erişim Tarihi: 09/09/2019). T. C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM) (2019a) http://www.yegm.gov.tr/yenilenebilir/ruzgar-ruzgar_enerjisi.aspx (Erişim Tarihi: 29/08/2019). T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM), (2019b), 100 Metre Yükseklikte Rüzgâr Hızı Haritası. http://www.yegm.gov.tr/YEKrepa/REPA- duyuru_01.html (Erişim Tarihi: 29/08/2019). T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM), (2019c), CSP Güneş Enerjisi Santralleri http://www.yegm.gov.tr/teknoloji/ CSP_gun_enj_sant.aspx (Erişim Adresi: 16/09/2019). The U.S.A. Department of Energy (USDOE), (2019). Ivanpah Project. https://www.energy.gov/lpo/ivanpah (Erişim Tarihi: 06/09/2019). The U.S.A. Department of Energy Energy Information Administration (EIA). (2017). International Energy Outlook Executive Summary, September 2017. https://www.eia.gov/outlooks/ieo/pdf/exec_summ.pdf (Erişim Tarihi: 29/08/2019). The U.S.A. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE). (2002). The History of Solar. https://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf (Erişim Tarihi: 29/08/2019).
127
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
UC Davis, Western Cooling Efficiency Center. Phase-Change Materials for Hydronic Systems Update https://wcec.ucdavis.edu/wcec-2012-affiliates-forum-exploring-the-barriers-and- solutions-for-hvac-energy-efficiency-acceptance-11/ (Erişim Tarihi: 29/08/2019). Uluğbay, H. (2003). İmparatorluktan Cumhuriyete Petropolitik (1. Baskı). Ankara: Ayraç Yayınevi, 535s. Ummadisingu, A., Soni, M. S. (2011). Concentrating Solar Power Technology, Potential and Policy in India. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15(9), 5169-5175. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.040 Ünsal, H. (2010). Türkiye’de Enerji Sektörüne Kamusal Müdahaleler. (Birinci Baskı). Ankara: Detay Yayıncılık, 182s. Valencia, E. O. (2008). Producción de Hidrógeno Mediante Energía Nuclear, Un Escenario Sostenible en México, Yüksek Lisans Tezi, Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería, Meksiko, 115s. Varınca, K. B., ve Gönüllü, M. T. (2006, Haziran). Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, Eskişehir: 270-275. Vogel, W. and Kalb, H. (2010). Solar Technologies-An Overview. New York: John Wiley & Sons Inc. https://doi.org/10.1002/9783527629992.ch3 . Wang, Y., Liu, Q., Lei, J., Jin, H. (2014). A Three-Dimensional Simulation of a Parabolic Trough Solar Collector System Using Molten Salt as Heat Transfer Fluid. Applied Thermal Engineering 70(1), 462-476. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.05.051 Wang, Y., Liu, Q., Lei, J., Jin, H. (2015). Performance Analysis of a Parabolic Trough Solar Collector with Non-Uniform Solar Flux Condtions. International Journal of Heat and Mass Transfer 82, 236-249. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.11.055 Wu, D. (2013). Effects of Nanoparticles on Enhancing the Thermodynamics Characteristic of Molten Salt for Solar Thermal Power System, Yüksek Lisans Tezi, North China Electric Power University, Beijing. Xu, L., Wang, Z., Li, X., Yuan, G., Sun, F., Lei, D. (2013). Dynamic Test Model for the Transient Thermal Performance of Parabolic Trough Solar Collectors. Solar Energy 95, 65-78. https://doi.org/10.1016/j.solener.2013.05.017 Luo, Y., Du, X., Awad, A., Wen, D. (2017). Thermal Energy Storage Enhancement of a Binary Molten Salt via in-situ Produced Nanoparticles. International Journal of Heat and Mass Transfer 104, 658-664. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.004 Yılmaz, M. (2012). Türkiye’nin Enerji Potansiyeli ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Açısından Önemi. Ankara Üniversitesi Çevre Bilimleri Dergisi. 4(2), 33-54.
128
KAYNAKLAR DİZİNİ (devam)
Yılmaz, İ. H., Söylemez, M. S. (2014). Thermo-Mathematical Modeling of Parabolic Trough Collector. Energy Conversion and Management 88, 768-784. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.09.031 Zadeh, P. M., Sokhansefat, T., Kasaeian, A. B., Kowsary, F., Akbarzadeh, A. (2015). Hybrid Optimization Algorithm for Thermal Analysis in a Solar Parabolic Trough Collector Based on Nanofluid. Energy 82, 857-864. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.096 Zaversky, F., Medina, R., García-Barberena, J., Sánchez, M., Astrain, D. (2013). Object-Oriented Modeling for the Transient Performance Simulation of Parabolic Trough Collectors Using Molten Salt as Heat Transfer Fluid. Solar Energy 95, 192-215. https://doi.org/10.1016/j.solener.2013.05.015 Zhang, P., Cheng, J., Jin, Y., An, X., (2018). Evaluation of Thermal Physical Properties of Molten Nitrate Salts with Low Melting Temperature, Solar Energy Materials and Solar Cells 176, 36- 41. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.11.011 Zhao, W. J. (2013). Study on Thermophysical Strengthening of High Temperature Phase Change of Energy Storage Material for Solar Thermal Power, Yüksek Lisans Tezi, North China Electric Power University, Beijing. Zhao, Z., Arif, M. T., Amanullah, M. T. O. (2017). Solar Thermal Energy with Molten-Salt Storage for Residential Heating Application. Energy Procedia 110, 243-249. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.134
EKLER
EK-1 Amorf Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri
Sıcaklık N1 (J/g.℃) Sıcaklık N2 (J/g.℃) Sıcaklık N3 (J/g.℃) Sıcaklık N4 (J/g.℃) (℃) (℃) (℃) (℃) 25,00000 0,62807 25,00000 0,71958 25,00000 0,75772 25,00000 0,79586 27,17452 0,65736 27,17592 0,73036 27,17573 0,76817 27,17623 0,80598 29,34904 0,67015 29,35184 0,73687 29,35147 0,77459 29,35245 0,81232 31,52356 0,67613 31,52777 0,74232 31,52720 0,77992 31,52868 0,81751 33,69809 0,67982 33,70369 0,74737 33,70294 0,78480 33,70491 0,82222 35,87261 0,68249 35,87961 0,75220 35,87867 0,78944 35,88113 0,82668 38,04713 0,68544 38,05553 0,75601 38,05440 0,79329 38,05736 0,83056 40,22165 0,68886 40,23145 0,76000 40,23014 0,79729 40,23358 0,83458 42,39617 0,69256 42,40738 0,76388 42,40587 0,80118 42,40981 0,83847 44,57069 0,69623 44,58330 0,76773 44,58160 0,80505 44,58604 0,84237 46,74522 0,69999 46,75922 0,77147 46,75734 0,80884 46,76226 0,84622 48,91974 0,70378 48,93514 0,77509 48,93307 0,81256 48,93849 0,85003 51,09426 0,70800 51,11106 0,77915 51,10881 0,81678 51,11472 0,85441 53,26878 0,71263 53,28699 0,78363 53,28454 0,82145 53,29094 0,85928 55,44330 0,71699 55,46291 0,78783 55,46027 0,82589 55,46717 0,86395 57,61782 0,72057 57,63883 0,79123 57,63601 0,82950 57,64339 0,86777 59,79235 0,72424 59,81475 0,79476 59,81174 0,83321 59,81962 0,87167 61,96687 0,72790 61,99067 0,79822 61,98748 0,83686 61,99585 0,87551 64,14139 0,73168 64,16660 0,80180 64,16321 0,84059 64,17207 0,87937 66,31591 0,73556 66,34252 0,80543 66,33894 0,84435 66,34830 0,88327 68,49043 0,73950 68,51844 0,80910 68,51468 0,84811 68,52453 0,88712 70,66495 0,74369 70,69436 0,81304 70,69041 0,85217 70,70075 0,89130 72,83947 0,74864 72,87029 0,81769 72,86614 0,85699 72,87698 0,89629 75,01400 0,75360 75,04621 0,82223 75,04188 0,86177 75,05320 0,90130 77,18852 0,75766 77,22213 0,82576 77,21761 0,86545 77,22943 0,90515 79,36304 0,76181 79,39805 0,82932 79,39335 0,86915 79,40566 0,90899 81,53756 0,76593 81,57397 0,83294 81,56908 0,87277 81,58188 0,91260 83,71208 0,76992 83,74990 0,83644 83,74481 0,87617 83,75811 0,91591 85,88660 0,77425 85,92582 0,84047 85,92055 0,87999 85,93434 0,91951 88,06113 0,77886 88,10174 0,84308 88,09628 0,88254 88,11056 0,92200 90,23565 0,78640 90,27766 0,84843 90,27202 0,88733 90,28679 0,92623 92,41017 0,79916 92,45358 0,85677 92,44775 0,89521 92,46302 0,93364 94,58469 0,81768 94,62951 0,86171 94,62348 0,90095 94,63924 0,94018 96,75921 0,83220 96,80543 0,86490 96,79922 0,90512 96,81547 0,94534 98,93373 0,83414 98,98135 0,86822 98,97495 0,91011 98,99169 0,95200 101,10830 0,82350 101,15730 0,87173 101,15070 0,91420 101,16790 0,95667 103,28280 0,82250 103,33320 0,87533 103,32640 0,91695 103,34420 0,95856
EK-2 Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri
Sıcaklık N1 (J/g.℃) Sıcaklık N5 (J/g.℃) Sıcaklık N6 (J/g.℃) Sıcaklık N7 (J/g.℃) (℃) (℃) (℃) (℃) 25,00000 0,62807 25,00000 0,83343 25,00000 0,45808 25,00000 0,74627 27,17452 0,65736 27,17551 0,87917 27,17692 0,48137 27,17411 0,75661 29,34904 0,67015 29,35103 0,88492 29,35383 0,49156 29,34822 0,76244 31,52356 0,67613 31,52654 0,89066 31,53075 0,49675 31,52233 0,76655 33,69809 0,67982 33,70205 0,89640 33,70767 0,50035 33,69644 0,77107 35,87261 0,68249 35,87757 0,90215 35,88459 0,50339 35,87055 0,77513 38,04713 0,68544 38,05308 0,90789 38,06150 0,50694 38,04466 0,77897 40,22165 0,68886 40,22860 0,91363 40,23842 0,51048 40,21877 0,78308 42,39617 0,69256 42,40411 0,91938 42,41534 0,51411 42,39288 0,78675 44,57069 0,69623 44,57962 0,92512 44,59225 0,51790 44,56699 0,79047 46,74522 0,69999 46,75514 0,93086 46,76917 0,52171 46,74110 0,79409 48,91974 0,70378 48,93065 0,93661 48,94609 0,52556 48,91521 0,79771 51,09426 0,70800 51,10616 0,94235 51,12301 0,52979 51,08932 0,80170 53,26878 0,71263 53,28168 0,94809 53,29992 0,53434 53,26343 0,80618 55,44330 0,71699 55,45719 0,95384 55,47684 0,53877 55,43754 0,81051 57,61782 0,72057 57,63271 0,95958 57,65376 0,54256 57,61165 0,81402 59,79235 0,72424 59,80822 0,96532 59,83067 0,54624 59,78576 0,81758 61,96687 0,72790 61,98373 0,97107 62,00759 0,54968 61,95987 0,82100 64,14139 0,73168 64,15925 0,97681 64,18451 0,55299 64,13398 0,82440 66,31591 0,73556 66,33476 0,98255 66,36143 0,55614 66,30809 0,82774 68,49043 0,73950 68,51027 0,98830 68,53834 0,55925 68,48220 0,83106 70,66495 0,74369 70,68579 0,99404 70,71526 0,56262 70,65631 0,83478 72,83947 0,74864 72,86130 0,99978 72,89218 0,56657 72,83042 0,83929 75,01400 0,75360 75,03681 1,00553 75,06909 0,57058 75,00454 0,84386 77,18852 0,75766 77,21233 1,01127 77,24601 0,57394 77,17865 0,84747 79,36304 0,76181 79,38784 1,01701 79,42293 0,57745 79,35276 0,85116 81,53756 0,76593 81,56336 1,02276 81,59985 0,58100 81,52687 0,85480 83,71208 0,76992 83,73887 1,02850 83,77676 0,58492 83,70098 0,85842 85,88660 0,77425 85,91438 1,03424 85,95368 0,58971 85,87509 0,86206 88,06113 0,77886 88,08990 1,03999 88,13060 0,59508 88,04920 0,86575 90,23565 0,78640 90,26541 1,04573 90,30751 0,60067 90,22331 0,86961 92,41017 0,79916 92,44092 1,05147 92,48443 0,60705 92,39742 0,87450 94,58469 0,81768 94,61644 1,05722 94,66135 0,61306 94,57153 0,87954 96,75921 0,83220 96,79195 1,06296 96,83827 0,61975 96,74564 0,88389 98,93373 0,83414 98,96746 1,06870 99,01518 0,62941 98,91975 0,88859 101,10830 0,82350 101,14300 1,08445 101,19210 0,64113 101,09390 0,89392 103,28280 0,82250 103,31850 1,09019 103,36900 0,65363 103,26800 0,90074
EK-3 Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Değerleri
Sıcaklık N1 (J/g.℃) Sıcaklık N8 (J/g.℃) Sıcaklık N9 (J/g.℃) Sıcaklık N10 (℃) (℃) (℃) (℃) (J/g.℃) 25,00000 0,62807 25,00000 0,47542 25,00000 0,54457 25,00000 0,73087 27,17452 0,65736 27,17551 0,50381 27,17369 0,57166 27,17599 0,74222 29,34904 0,67015 29,35103 0,51670 29,34738 0,58260 29,35198 0,74873 31,52356 0,67613 31,52654 0,52276 31,52108 0,58758 31,52797 0,75385 33,69809 0,67982 33,70205 0,52671 33,69477 0,59096 33,70396 0,75861 35,87261 0,68249 35,87757 0,52987 35,86846 0,59388 35,87995 0,76230 38,04713 0,68544 38,05308 0,53302 38,04215 0,59682 38,05594 0,76571 40,22165 0,68886 40,22860 0,53611 40,21584 0,60016 40,23193 0,76901 42,39617 0,69256 42,40411 0,53928 42,38954 0,60359 42,40791 0,77234 44,57069 0,69623 44,57962 0,54263 44,56323 0,60702 44,58390 0,77577 46,74522 0,69999 46,75514 0,54601 46,73692 0,61045 46,75989 0,77919 48,91974 0,70378 48,93065 0,54937 48,91061 0,61391 48,93588 0,78259 51,09426 0,70800 51,10616 0,55299 51,08430 0,61773 51,11187 0,78639 53,26878 0,71263 53,28168 0,55684 53,25800 0,62189 53,28786 0,79063 55,44330 0,71699 55,45719 0,56043 55,43169 0,62587 55,46385 0,79468 57,61782 0,72057 57,63271 0,56342 57,60538 0,62922 57,63984 0,79791 59,79235 0,72424 59,80822 0,56642 59,77907 0,63257 59,81583 0,80123 61,96687 0,72790 61,98373 0,56941 61,95276 0,63586 61,99182 0,80451 64,14139 0,73168 64,15925 0,57243 64,12645 0,63913 64,16781 0,80776 66,31591 0,73556 66,33476 0,57547 66,30015 0,64240 66,34380 0,81114 68,49043 0,73950 68,51027 0,57847 68,47384 0,64561 68,51979 0,81459 70,66495 0,74369 70,68579 0,58168 70,64753 0,64906 70,69578 0,81835 72,83947 0,74864 72,86130 0,58539 72,82122 0,65308 72,87177 0,82286 75,01400 0,75360 75,03681 0,58918 74,99491 0,65714 75,04776 0,82738 77,18852 0,75766 77,21233 0,59232 77,16861 0,66043 77,22374 0,83076 79,36304 0,76181 79,38784 0,59554 79,34230 0,66380 79,39973 0,83406 81,53756 0,76593 81,56336 0,59888 81,51599 0,66720 81,57572 0,83742 83,71208 0,76992 83,73887 0,60224 83,68968 0,67055 83,75171 0,84070 85,88660 0,77425 85,91438 0,60566 85,86337 0,67387 85,92770 0,84399 88,06113 0,77886 88,08990 0,60908 88,03707 0,67715 88,10369 0,84753 90,23565 0,78640 90,26541 0,61253 90,21076 0,68039 90,27968 0,85114 92,41017 0,79916 92,44092 0,61651 92,38445 0,68426 92,45567 0,85554 94,58469 0,81768 94,61644 0,62049 94,55814 0,68813 94,63166 0,85999 96,75921 0,83220 96,79195 0,62391 96,73183 0,69128 96,80765 0,86368 98,93373 0,83414 98,96746 0,62710 98,90553 0,69428 98,98364 0,86717 101,10830 0,82350 101,14300 0,63063 101,07920 0,69716 101,15960 0,87072 103,28280 0,82250 103,31850 0,63316 103,25290 0,70036 103,33560 0,87443
EK-4 Amorf Bor Oksit Isı Kapasitesi Karşılaştırması
Amorf B2O3 Katkılı Solar Tuzun Isı Kapasitesinin Sıcaklıkla Değişimi 1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7 Isı Kapasitesi Isı (J/g. ℃) 0,65
0,6 0 20 40 60 80 100 120 Sıcaklık(℃)
Solar Tuz %0,5 Amorf B2O3 %1 Amorf B2O3 %2 Amorf B2O3
EK-5 Camsı Bor Oksit Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması
Camsı B2O3 Katkılı Solar Tuzun Isı Kapasitesinin Sıcaklıkla Değişimi 1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6 Isı Kapasitesi Isı (J/g. ℃) 0,5
0,4 0 20 40 60 80 100 120 Sıcaklık(℃)
Solar Tuz %0,5 Camsı B2O3 %1 Camsı B2O3 %2 Camsı B2O3
EK-6 Hegzagonal Bor Nitrür Grubunun Isı Kapasitesi Karşılaştırması
Bor Nitrür Katkılı Solar Tuzun Isı Kapasitesinin Sıcaklıkla Değişimi 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55
Isı Kapasitesi Isı (J/g. ℃) 0,5 0,45 0,4 0 20 40 60 80 100 120 Sıcaklık(℃)
Solar Tuz %0,5 h-BN %1 h-BN %2 h-BN
EK-7 Tüm Numunelerin Isı Kapasitesi Karşılaştırması
Isı Kapasitesinin Sıcaklıkla Değişimi 1,2
1,1
1
0,9 (J/g.℃) 0,8
0,7 Isı Kapasitesi Isı
0,6
0,5
0,4 0 20 40 60 80 100 120 Sıcaklık (℃)
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : BAYRAKTAR, Fatih Selim Doğum tarihi ve yeri : 1989 / Vakfıkebir-TRABZON e-mail : [email protected] Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet Tarihi Lisans Gazi Üniv. / Enerji Sist. Müh. 2015 Lisans Anadolu Üniv. / İşletme 2015 Lise Sami Yangın Anadolu Lisesi 2007 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2016-Devam Ediyor Kütahya Dumlupınar Üniv. / Simav Tekn. Fak. Araştırma Görevlisi Yabancı Dil İngilizce – 78,75 (2016 YDS Sonbahar) Yayınlar Kosar, O., Ozgur, M.A., Kose, R., Bayraktar, F.S., Yazici, M., Yolcan, O.O. (2018). Noise Propagation Prediction of the Wind Turbines According to the International Standard ISO 9613- 2. 7th International Conference on Advanced Technologies (ICAT‘18). 28 April-01 May, Antalya, Turkey. pp. 89 Kosar, O., Kose, R., Ozgur, M.A., Yazici, M., Yolcan, O.O., Bayraktar, F.S. (2018) Numerical Simulation of a Pitching Corrugated Dragonfly Wing with Using Lattice Boltzman and Les Methods. 7th International Conference on Advanced Technologies (ICAT‘18). 28 April-01 May. Antalya, Turkey, pp. 90 Yazici, M., Kose, R., Ozgur, M.A., Kosar, O., Bayraktar, F.S., Yolcan, O.O. (2018) Performance Evaluation for Greenhouse Heating: Geothermal Waste Heat Source Heat Pump. 7th International Conference on Advanced Technologies (ICAT‘18). 28 April-01 May. Antalya, Turkey, pp. 92 Bayraktar, F.S., Kose, R., Ozgur, M.A., Aydin, Ö., Kosar, O., Yazici, M.,(2018). Biogas Energy Opportunity of Small Counties A Case Study of Simav. 7th International Conference on Advanced Technologies 28 April - 1 May 2018, Antalya, Turkey, pp. 91 Bayraktar, F.S., Yazici, M., Kose, R., Ozgur, M.A., Kosar, O. (2017). Renewable Energy Sources General Status and Assessment of CO2 Emission in Turkey. 2nd International Energy & Engineering Conference 12-13 October 2017, Gaziantep, Turkey, pp. 516-533.
Yayınlar (devam) Bayraktar, F., S., Yazıcı, M., Köse, R. (2019). Simav’ın Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (CSP) Potansiyelinin Değerlendirilmesi. MAS 10. Uluslararası Matematik-Mühendislik-Fen ve Sağlık Bilimleri Kongresi. 14-15 Aralık, İzmir, Türkiye. sf. 326-333. Bayraktar, F., S., Yazıcı, M., Köse, R., Özgür, M., A. (2019). CSP Sistemlerinin İncelenmesi ve Türkiye’nin CSP Potansiyeli. MAS 10. Uluslararası Matematik-Mühendislik-Fen ve Sağlık Bilimleri Kongresi. 14-15 Aralık, İzmir, Türkiye. sf. 317-325. Yazıcı, M., Bayraktar, F., S., Köse, R., Özgür, M., A. (2019). Türkiye’nin Enerji Bağımsızlığı için Stratejik Hammaddeler:Linyit Rezervleri. MAS 10. Uluslararası Matematik-Mühendislik- Fen ve Sağlık Bilimleri Kongresi. 14-15 Aralık, İzmir, Türkiye. sf. 519-525. Yazıcı, M., Bayraktar, F., S., Köse, R., Özgür, M., A. (2019). Türkiye’nin Enerji Bağımsızlığı için Stratejik Hammaddeler:Taş Kömürü Rezervleri. MAS 10. Uluslararası Matematik- Mühendislik-Fen ve Sağlık Bilimleri Kongresi. 14-15 Aralık, İzmir, Türkiye. sf. 511-518.