İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ ve ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİNDE NÜKLEER ve DEĞİŞKEN YENİLENEBİLİR ENERJİLERİN KARMA KULLANIMI

                                                                                        

 1. Giriş

Bu yazının konusu atmosferin aşırı karbonsuzlaştırılmasının (deep decarbonization) nasıl sağlanabileceği ile ilgilidir. Enerji üretim yöntemleri iklim değişikliği nedeniyle sorgulanmaktadır.  Bu değişimde insan topluluğunun ürettiği, başta karbon dioksit olmak üzere sera gazlarının çok önemli katkısı olup, değişime biz insanların sebep olduğu kanıtlanmıştır.  Bilimsel sonuçlar çeşitli platfomlarda resmi makamlarca da kabul görmüştür.  Karbon dioksit büyük oranda enerji üretiminde ve taşıma araçlarında kullanılan fosil yakıtlardan üremektedir.  Bu sorun insan varlığı ve temiz doğa için yaşamsal önemde görülmektedir.  Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konferansları her yıl yapılmaktadır.  21. Konferans 2015 yılında  Paris’te yapılmış (COP21, Conference of Parties 21) ve Paris Anlaşması ile sonlanmıştır. 

Bu anlaşmaya göre asrın sonunda Atmosfer sıcaklığındaki artış, endüstri devrimi öncesi sıcaklığa göre 1.5-2 C⁰  aralığında kalmalıdır.  Sıcaklık artışı zaten 1C⁰ civarına yaklaşmıştır.  Dolayısı ile hedef atmosferin “Aşırı Karbonsuzlaştırılmasıdır”.  Bu hedef dikkate alınmaz ve hiç birşey yapılmaz ise 2100 yıllarında sözü edilen sıcaklık artışının 3.5-6 C⁰ aralığında gerçekleşeceği ve bu durumun insan nesli için bir felakete dönüşebileceği şüphesi hakimdir.  Özellikle, sıcaklık artışının “Tahıl Üretimi”ni etkilemesi durumunda açlık sorununun nelere mal olabileceği ve nasıl engellenebileceği çok önemli bir sorundur.  Bu satırları yazan kişi iklim bilimci değildir.  Genel bilgileri yansıtmaktadır.  Endüstri devrimi öncesi atmosfer sıcaklığı olarak 1850 veya 1900 yılları civarı değerlerden bahsedilmektedir.  Bu tarihlerde havadaki CO₂  yoğunluğunun 275 ppm (particules per million) olduğu ve 450 ppm’e yükselmesinin sıcakliği 2 C⁰   artıracağı  bilinmektedir (şimdiki değeri 400-410 ppm civarındadır).  Ancak, Paris’te bu artışın 21. asrın sonuna kadar 1.5 -2 C⁰ arasında kalmasının sağlanması gerektiğine karar verilmiş fakat sıcaklık artışı zaten 1C⁰ civarına yaklaşmıştır.  Paris Anlaşması, taraftarlarına hedefin gerçekleştirilmesi yönünde sorumluluklar yüklemektedir.  IEA (International Energy Agency, OECD) İklim değişikliğini engelleme çalışmalarını izlemektedir.  Sonuçlar tatminkar değildir.  IEA sitesinde 27 Mayıs 2019 tarihli haberde (Progress on energy technologies fails to keep pace with long-term goals for clean energy transitions) bunu görmekteyiz.  Seçilen hedef artık sera gazları  üretmemizi adeta yasaklamaktadır.

  

Paris Anlaşması hedefi ile ilgili çalışmalar arasında NEA (Nuclear Energy Agency, OECD) tarafından yapılan çalışma önemlidir [1].   Söz konusu salınımı sınırlayan ve yüksek oranda Nükleer ve Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretim sağlayan karma sistemler araştırılmıştır.  Bugünler için 400grCO₂/kWh civarında olan emisyon yoğunluğunun çağın sonunda adeta sıfırlanması isteği vardır.  ABD MIT’de yapılan bir çalışmada [2] bu değer 10 ve 1grCO₂/kWh alınarak nükleer enerjinin geleceği incelenmiştir.  Kaynak [1] de ise, hedefe ulaşmak için öncelikle 2040 yılında salınımı 50grCO₂/kWh diğer bir deyişle şimdiki değerinin 1/8’ine indirilmesi öngörülmüştür.  Bu durumda, nükleer enerji, hidroelektrik ve değişken yenilenebilir enerjiler (rüzgar, güneş) üretimleri katlanarak artmalıdır (Variable Renewable Energy, VRE).  Değişken yenilenebilir enerjiler bu yazıda kısaca VRE ile ifade edilecektir.  Anlaşılacağı üzere, iklim değişikliği ile mücadele, enerji teknolojileri yönünden çok ciddi ve uzun vadeli bir planlamayı gerektirmektedir[1].

2. Karbonsuzlaştırma

Sera gazları (CO₂, Metan, Spray gazları v.s ), miktar olarak CO₂ enfazla olduğundan onun eşdeğeri olarak ifade edilmektedir.  2017 yılı dünya enerji üretimi CO₂ salınımı  33000 Mt/yıl (IEA Key World Energy Statistics 2019). Böyle bir ortamı kabonsuzlaştırmanın nekadar güç olacağını zaten bu sayı yeterince ifade etmektedir.  Özellikle serbest enerji piyasasının bulunduğu ülkelerde (OECD ülkeleri, bakınız kaynak [1]) bu dönüşüm büyük yatırım gerektirir ve yatırımcılar yönünden önemli sorunlar yaratmaya adaydır.  Eğer karbondioksit yakalama, depolama veya yakalama depolama ve  kullanma (CCS, CCUS) yok  veya yetersiz ise, kömür santrallarının tümünün kapatılması ve doğalgaz santralları üretiminin iyice sınırlandırılması gündeme gelecektir. 2040 yılı için CO₂ depolama hedefi IEA tahminlerine göre ancak 1500 Mt olabilecektir.  Bu durumda enerji pazarının büyük sıkıntısı, enerji üretiminin hızla karbonsuzlaştırılması gereği ve düşük karbon teknolojisine yeterli yatırımın yapılmasıdır.  Teknoloji değiştirmekte karmaşık yapısal sorunlar  mevcut olup, teknoloji göreceli olarak pahalıdır.  Sivri bir örnek olacak, fakat zorluğu açıklayabilir diye düşünüyorum.  Gücü 900MW_e olan bir doğal gaz santralı işletmesinin aynı güçte rüzgar santralı kurmak istediğini kabul edelim.  Yüksek kapasite faktörü (%90) nedeniyle çalışmakta olan santralın kurulu gücü 1000MW’dır.  Rüzgar santrallarında kapasite faktörü olarak  %35 iyi bir değerdir.  Bu durumda rüzgar enerjisi kurulu gücü 2570 MW olmalıdır.  Ayrıca, onlarca kilometrekare  arazi ve 2 MW gücünde 1300 adet rüzgar türbini gerekecektir.  Rüzgar kapasite faktörü %35 US EIA (Energy Information Administration) tarafından  20.04.2020 tarihinde yayınlanan 2018 yılına ait değerdir.  Güneş enerjisinden elektrik üretimi (Solar PV) ve ısı enerjisi üretimi için de sırası ile %25 ve %21 değerleri verilmiştir (Kapasite faktörü; bir yılda santralın ürettiği enerjinin, bir yılda kurulu gücünün üretebileceği maksimum değere oranıdır).

Diğer yandan, karbon piyasası fosil yakıt kullanan enerji üreticilerine yeterli güvence verememektedir.  Karbon fiyatı sağlıklı olmayıp güvenilirliği azdır.  Ayrıca,  VRE’ye, enerji piyasası dışından finansman desteği, sistemin geri kalanına yapacağı etki yeterince incelenmeden, sağlanmaktadır.  İklim değişikliğinin neden olduğu bu koşullarda, enerji üretiminde serbest piyasa sistemini korumanın zor olacağı anlaşılmaktadır.  Bu durumla baş edebilmek için sürdürülebilir düşük karbonlu serbest elektrik piyasasının “Beş ana sütun” üzerine yenilenerek yapılandırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır[1].

·         Birinci sütun:  Enerjinin etkin bir şekilde dağıtımı (dispatch) için, üretimde değişken fiyata dayalı maliyeti esas alan kısa-devreli piyasalar (marginal fiyatlandırma) sürekli çalışmalıdır. 

·         İkinci sütun:  Karbon fiyatlandırılmalıdır. 

·         Üçüncü sütun:  Yeterli üretim kapasitesini sağlayacak bir alt yapı, sistemde esneklik sağlanması, ayrıca iletim ve dağıtım alt yapısının da yeterli olması gereklidir.

·           Dördüncü sütun:  Düşük karbon teknoloji yatırımlarının uzun vadede desteklenmesi

·         Beşinci sütun :  VRE birim enerji fiyatının, üretim sisteminin fiyatına, diğer bir deyişle sistem içi bir değişkene dönüştürülmelidir (indigenous variable). İçselleştirilmesi de diyebiliriz (internalization).

3.  Nükleer Enerji Karbondioksit Gidermede Önemli Bir Teknoloji

Nükleer enerji karşıtlarının iklim değişikliği ile mücadelede geçiş planı; CO₂ salınım hedeflerini, enerji depolama ve fosil yakıt olarak da ucuz doğal gaz kaynağı kullanarak gerçekleştirmek  şeklindedir.  Nükleer enerji karşıtlığının teknolojik bağnazlığa dönüştüğü [3] bu ortamda Nükleer teknolojinin gelecekteki durumu ortaya konulmalıdır. Nükleer Enerji karbondioksit üretmeyen ve kesintisiz güç sağlayan ana güç santrallarıdır.  Elbette, nükleer çevrimin tümü dikkate alındığında karbon dioksit üremektedir.  Ancak, büyüklüğü kömür santrallarının %12’si kadar olup her enerji üreten teknoloji için benzer değerler söz konusudur.  Özetle, nükleer santrallar ve VRE’ler (bu yazıda ve kaynaklarında Solar PV ve rüzgar enerjisidir) CO₂ üretmeyen teknolojiler olarak bilinirler. 

Dünyanın nükleer yakıt envanteri ve sağlayacağı olanaklar görmezden gelinemez.  Uranyum, Toryum madenleri ve silah yapmak için üretilen Plutonyumun enerji üretim potansiyellerinin dünyanın bin yıllık enerji ihtiyacını karşılaması söz konusudur.  Dünyadaki su kaynaklarının enerji kaynaklarından önce tükenebileceği söz konusu edilmekteyken “Nükleere Hayır” doğru bir slogan değildir.   Belki de doğrusu, deniz suyundan arıtılmış su elde eden nükleer reaktör teknolojisi hazırlığını sorgulayan bir slogan olabilir.

4. Sistem Birim Enerji Maliyeti

Enerji üretim teknolojilerinde birim enerji maliyeti genel olarak “Hizalandırılmış Enerji Maliyeti  (Levelized Cost Of Energy, LCOE)” yöntemi ile hesaplanır.  Eksikliklerine rağmen  tüm teknolojilere uygulanan bir yöntemdir.  Parasal değerleri şimdiki zamana indirgeme yöntemine benzer bir yöntemdir (discounted cash flow or discounted present value).  Tesisin tüm ömrü boyunca ürettiği ve sabit kabul edilen birim enerji maliyetini verir.  Sadece belli bir amortisman süreci seçilerekte bu değer elde edilebilir.  Bu durumda tesisin geri kalan ömür sürecinde maliyeti belirleyen sadece  yakıt ve işletme masraflarıdır.

Özellikle farklı teknolojilerin bulunduğu karma üretim sistemlerinin birim enerji maliyeti   hesabı farklı olmak zorundadır.  Santralların sisteme güç sağlamak üzere dahil olmaları veya sistemden ayrılma  masraflarının dikkate alınması gerekmektedir.  Bu nedenle   “Hizalandırılmış Sistem Enerji Fiyatı” (System LCOE) kullanılmaktadır.  LCOE üzerine “Profil, Dengeleme, İletim Ağına Bağlanma” maliyetleri eklenerek sistem birim enerji maliyeti hesaplanır (Profile, Balancing and Grid Costs)[1].  Bu yazıda özellikle VRE’lerin sisteme giriş ve çıkışları açıklanacaktır.

Profil Maliyeti:  Elektirik üretim sisteminde VRE’nin değişken yük üretimi verisine cevap olarak enerji maliyetindeki artıştır.  Değişim (sisteme dahil olan VRE gücünde artma veya azalma) baz yükü santralları tarafından karşılanır.  Bu, sistemde esneklik (flexibility) olarak adlandırılır.  VRE’lerin kapasite kredisinin (VRE’lerin kullanılabilirliği/Klasik baz santrallarının kullanılabilirliği) düşük olması da esnekliği etkiler ve profil maliyetini arttırır  . 

Dengeleme Maliyeti: Elektirik üretim sisteminde VRE’nin  yük üretimindeki belirsizliğine cevap olarak enerji maliyetindeki artıştır(Balancing Cost) .  VRE üretimindeki hızlı azalmanın yedekleme görevi yapan baz santrallar üzerine yükleyeceği uyum görevinin maliyeti veya tersine hızlı artışın gerektirdiği kısıntı kaybı maliyetidir.  Kısıntı kaybı (curtailment) günün veya haftanın bazı günlerinde rüzgar veya güneş enerjisinde  meydana gelen aşırı artışın, depolama olmaması durumunda kaybedilmesidir.

İletim Ağına Bağlanma Maliyeti:  Elektirik üretim sisteminde VRE’nin üretim sistemine bağlanma masrafının enerji maliyetinde neden olduğu artıştır(Grid Cost) .  VRE üretim tesisinin iletim ağına fazla uzak olup bağlanmasının  yüksek bir meblağ gerektimesi durumunda bu bedel VRE tesis inşa masrafları arasında kabul edilebilir (Connection Cost).

5. Karma Enerji Üretim Sistemi Senaryoları:  Ref.1’de çok düşük karbon salınımlı karma üretim sistemi senaryoları incelenmiştir.  Karbon emisyonu 2040 yılı için öngörülen sınırlamaya uygun olarak 50 grCO₂/ kWh  seçilmiştir.  Hesaplama yöntemi GenX  (a power system decision support tool) sistemidir [2].  İngiltere için de benzer bir örnek vardır [3].  Beş senaryo seçilmiştir.  Ana senaryo (Base Case), belirtilen karbon kısıtlamasına uygun ve üretimin nükleer, hidrolik, kombine ve açık çevrim doğal gaz (CCGT ve OCGT) santrallar ile yapıldığı, düşük oranda hidrolik depolamanın kullanıldığı ve minimum birim enerji maliyeti sağlayan bir senaryosudur.  Kömür santralları senaryolara dahil edilmemiştir.  Diğer dört senaryoda VRE (solar PV, wind) oranı sırası ile %10, % 30, %50, %75 arttırılarak sisteme dahil edilmiş, karşılığında nükleer enerjinin katkısı azaltılmıştır.  Ana senaryoda sistemin kurulu gücü 98GW dır.  Barajlı, büyük ana yük hidrolik santralları ile ufak esnek, gücü düşük hidrolik santrallar  karıştırılmamalıdır (Flexible Hydro).    

Şekil 1. de görüldüğü gibi nükleer gücün oranı yaklaşık  %40 dır.  VRE oranı arttıkça nükleer güç azalmakta ve VRE % 75 için sıfırlanmaktadır.  Bu arada sistemin dengeli çalışmasının sağlanabilmesi için kullanılabilirliği (availability) yüksek fakat verimi düşük açık çevrim doğal gaz santrallarının (OCGT) oranı artmaktadır.  Senaryolarla birlikte aynı gücü sağlayabilecek sistem kurulu güçlerinin nasıl değiştiği  görülmektedir.  Ana senaryonun 98 GW olan kurulu gücü %75 VRE örneğinde 330GW değerine yükselmektedir. Nedeni VRE’lerin düşük kapasite oranıdır (2.bölüme bakınız ).  VRE oranı arttıkça kurulu gücün değeri ana senaryonun üç katından fazla artmaktadır.  Bu artış, VRE’lerin birim kurulu gücünün göreceli ucuzluğunun etkisini azaltan bir olgudur.   

                             

Şekil 1. Kaynak [1]’den alınmıştır

Şekil  2. “LCOE” ile “Sistem LCOE” arasındaki farkı göstermekteedir.  Kısa devre LCOE (short term LCOE), yaptığımız tanıma göre zaten “Sistem LCOE” den başka birşey değildir.  Fakat bu örnekte, elde bulunan ve  sistemde esneklik sağlayan bir opsiyonun da kullanıldığı gösteriliyor (flexibility option). Örneğin bu ithal elekrik olabilir genellikle bir zaman farkı ile sisteme bağlanır.  Böylesine sistem dışı, emisyon problemi olmayan ve yeterince ucuz bir kaynağın varlığı (eğer var ise) sisteme güç sağlama maliyetini (integration cost) düşüren bir unsur olur.  Böylece, sağ tarafda görülen ve bu koşullarda “Sistem LCOE”ı veren sütun elde edilmiştir.  Şu husus özellikle belirtilmelidir.  Bu çalışma bir “ Yeşil Saha Yaklaşımı” ürünüdür (Green Field Approach) [1].  Anlamı gelecek için tasarlanan bu üretim sistemlerinin tamamen yeni baştan ve bilinen en uygun teknoloji ve ekonomik değerler ile oluşturulması anlamındadır.  Diğer bir yöntem ise eldeki sistemin iyileştirilmesi olup “Eskinin Yeniye Uyarlanması” yöntemi diyebileceğimiz bir yöntem ile projelendirmektir (Brown Field Approach).  İklim değişikliği nedeni ile enerji politikalarında köklü değişim yapılması gerektiğine inanılan bu dönemde, OECD NEA ve MIT tarafından yapılan ve bu yazıda 1. ve 2. Kaynaklar olarak verilen bu tür çalışmalar şüphesiz büyük bir öneme sahiptir.    

ŞEKİL 3.  Bir MWh VRE enerjisinin sisteme bağlanma maliyetini vermektedir (System Cost).  Hata aralığı da hesaplanmıştır.  Ana senaryo ve ona çeşitli oranlarda VRE girişleri yapılarak türetilen yeni senaryolar için hesaplar tekrarlanmışdır.  Yüzde elli giriş için esnek hidrolik enerji sağlanması dışında sistem dışı destek olmaması (No Interconnection) ve ayrıca sistem dışı hidrolik enerji sağlanmasının da olmaması (No Interconnection, no flexible hydro) durumları ayrı ayrı incelenmiştir.  Sonuç olarak VRE’lerin bir karma sistemde kullanılması maliyeti (LCOE’a ilave ) MWh VRE başına 8- 50 ABD doları kadar olmaktadır.  Diğer bir deyişle, bu değer 0.8 – 5.0 cent/kWh dır.  Bunun önemli bir meblağ olduğu açıktır.

Şekil 4. Sonuç değerleri, “Hizalandırılmış Sistem Enerji Maliyeti  (System LCOE or Generation Cost)”u  vermektedir.  Ana senaryoda nükleer kurulu gücün oranı yaklaşık % 48, doğal gazın oranı ise % 25 civarındadır. Birim enerji maliyeti ise 7.5 cent/kWh dir.  VRE oranı artıkça nükleer kurulu gücü azalmakta ve birim enerji maliyeti ise yükselmektedir.  VRE % 10 için nükleer oranı % 32 ve maliyet  8 cent/kWh olmakta, VRE % 30 için nükleer oranı % 17 ve maliyet  9 cent/kWh, VRE % 50 için nükleer oranı % 6 ve maliyet  10 cent/kWh dır.  VRE % 75 için nükleer güce gerek kalmamıştır ve maliyet 13 cent/kWh olmuştur. VRE % 50 için  incelenen diğer iki durum 1 cent/kWh farklık bir etki yaratmıştır.  Senaryolarda %25 civarında doğal gaz kurulu gücü bulunmaktadır.  VRE  %75 için değeri % 17 civarına inmektedir.  Emisyon etkisi, CCS ve CCUS projeleri ile azaltılabilir.  Sağ tarafta görülen sarı sütun VRE üretiminin bu çalışmada alınan değerlerin yaklaşık üçte biri veya yarısı arasında bir değere kadar ucuzlaması durumunda geçerli olabilecek ilave bir çalışmadır ve maliyet ana senaryodan pek farklı değildir.

Senaryolar, evvelce de belirtildiği gibi, 2040 yılında karbon emisyonu için çalışmada öngörülen  50grCO₂/kWh  sınırlamasına uygun olarak seçilmiştir[1].   Ayrıca, senaryolar kurulu güç olarak yüksek oranda  nükleer ve yenilenebilir enerji içeriyor olma ön koşulu ile seçilmiştir.  Bu teknoloji karışımının uygun sonuç vermiş olması ve dünya nükleer yakıt envanterinin gözardı edilemeyecek bir zenginliği ifade etmesi nükleer enerjinin gelecekte

teknolojisi yenilenerek  kullanılmaya devam edileceği anlamına gelmektedir.  CCS ve CCUS teknolojileri enerji üretiminde yakıt olarak kullanılacak olan doğal gazın karbon dioksit salınımını gidermekte kullanılabilir.          

  

                                                         Şekil 2. Kaynak [1]’den alınmıştır

                                                       Şekil 3. Kaynak [1]’den alınmıştır

          

  

                                                                Şekil 4. Kaynak [1]’den alınmıştır

6. Türkiyenin Geleceğinde Nükleer Güç

Atmosferin aşırı karbonsuzlaştırılmasının sözkonusu olduğu bu ortamda, Türkiyenin Güneş ve Rüzgar kaynaklarından enerji üretimini hızla arttıracak projelere öncelik vermesinin önemi büyüktür.  Fosil yakıt kullanmaktan vazgeçmesi çok zor olduğundan CCS ve CCUS teknolojilerine enerji politikasında yer vermesi beklenir.  Büyük ve barajlı hidrolik santralların dışında baz yük santralı olarak Nükleer santrallara ihtiyacı vardır.  Nükleer reaktörler yüksek kapasite çarpanına sahip ana yük santralarıdır (dispatchable energy).  Teknoloji transferi yapılmayacak ise nükleer enerji gibi çok karmaşık bir yüksek teknoloji ürününün ülkenizde yer almasının gereği yoktur, çünkü gerçek sahibi olamazsınız.  Türkiye çok erken davranmış olmasına rağmen ikinci nesil nükleer reaktör teknolojisine sahip olamamıştır.  Üçüncü nesil için geç kalmıştır.  Dördüncü nesil ve özellikle “Ergimiş Tuz Reaktörleri”nin geleceği parlak gözükmektedir ve Toryum elementinden enerji üretmeye en yatkın reaktör tipidir.  Doğru ilişkiler kurulmak, gerekli bağlantılar yapılmak ve yeterli bütçe sağlamak koşulu ve sıkı bir çalışma disiplini ile ancak 15 - 20 yıl içersinde ticari bir reaktör inşaasına adım atılabilir.  Bu arada geliştirilen reaktöre lisans verebilecek bir takımın oluşturulması gereği önemli ve zor bir iştir.  Bu tür bir proje ancak Milli bir politika olarak benimsenmek koşulu ile başarı şansına sahip olabilir.

Paris anlaşması hedefleri; ülkelerin enerji politikalarında kökten değişikliklere neden olabilir.  Üretim sisteminin hızla düşük CO₂ üreten bir sistem haline dönüşmesi ve 20 yılda 1/8 değerine indirilmesi zor bir hedeftir.  Diğer yandan  Koronavirüs (Kovid -19)’un yaşamımızda  neden olduğu değişimin ve kısa sürede gösterdiği atmosferi temizleme etkisinin toplumda yaratması beklenen tepkinin enerji politikalarına da yansıması olasıdır.

Emekli Öğretim Üyesi

Şarman GENÇAY

 YARARLANILAN KAYNAKLAR

[1]  THE  COST of DECARBONIZATION: System Costs with High Shares of Nuclear and Renewables.  Nuclear Energy Agency Organisation for Economic Co-Operation and Development, NEA No. 7299, OECD 2019.

[2]   “The Future Nuclear Energy in a Carbon–Constrained World” An Interdisciplinary MIT Study, 2018.

[3]   “The False Economy of  Abandoning Nuclear Power”, The New Nuclear Watch  Institute (NNWI) London, 2018.

                                                       -----------------------------------