Hidroelektrik enerjisi: Nedir ve nasıl çalışır?

Belki de en görünür yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan hidroelektrik enerjisinin işleyişi ve enerji depolamadaki rolü, bilinmediği kadar ilginçtir.

Platon ve Aristoteles gibi büyük Yunan filozoflarının çağdaşı ve Roma İmparatorluğu’nun büyümesinde temel bir araç olan hidrolik enerji, binlerce yıldır insanlık için büyük faydalar sağlamıştır. Ancak hidroelektrik enerjisi, sanayi devrimi ve elektrik enerjisinin yükselişiyle birlikte 19. ve 20. yüzyıl toplumlarının gelişiminin anahtarı haline gelene kadar büyük bir sıçrama yapmamıştır. Bugün, bu tür yenilenebilir enerjinin hem geçmişine hem de geleceğine bakacağız; ayrıca nasıl işlediğine de göz atacağız. Hidroelektrik enerjisinin nasıl çalıştığını keşfetmek için suyun gücüyle bu yolculuğa katılmaya ne dersiniz?

Doğa güçlerini kontrol etmek ve onları kendi avantajımıza kullanmak, insanlığın en büyük çabalarından biri olmuştur. Bu nedenle, nesilden nesile insanlar, öncelikle hayatta kalmalarını garanti altına almak ve ikinci olarak yaşam kalitelerini iyileştirmek için çevremizi kendi avantajlarına göre değiştirmişlerdir. Antik çağın büyük medeniyetleri, doğal kaynakları kendi avantajlarına kullanmak ve bunlar sayesinde büyümek için dünyalarını şekillendirmişlerdir. Gezegenimizin temel unsurlarından biri olan suyun gücü buna yabancı değildir; aksine, ana kahramandır. Yunan su çarkı, Roma değirmeni veya Mısır su kaldırma sāqiyahı, hidrolik enerjinin su pompalamak veya tahıl öğütmek gibi görevler için ne kadar temel bir unsur olduğunun sadece birkaç örneğidir. O dönemde rolü önemli olsa da, elektriğin şehirlerin ve dolayısıyla sanayileşmiş ülkelerin ekonomilerinin omurgası haline geldiği 19. yüzyıldaki sanayi devrimi sırasında yaşanan teknolojik ve bilimsel patlamayla kritik hale geldi. Bugün bildiğimiz hidroelektrik enerjisi o dönemde ortaya çıktı.

Elektrik jeneratörlerinin gelişimi ve türbinlerin karmaşıklaşmasıyla birlikte, hidroelektrik santralleri en gelişmiş ülkelerde çoğalmaya başladı. Baraj ve rezervuar gibi terimler halkın sözlüğünde yaygınlaşmaya başladı ve artan elektrik ihtiyacını karşılamak için büyük sivil hidrolik tesislerinin inşası planları Avrupa ve Amerika’da baş döndürücü bir hızla ortaya çıktı ve doğal çevremizin çehresini değiştirdi. O zamana kadar, tüm elektrik enerjisinin çok büyük bir kısmı su gücünden elde ediliyordu.

Birlikte var olmakrüzgar ve güneş, hidroelektrik enerjisi gibi diğer yenilenebilir üretim türleriGünümüzde de temel bir öneme sahip olmaya devam etmektedir. Dünya elektriğinin neredeyse dörtte birinin bu teknoloji sayesinde üretilmesi boşuna değildir; bu pay Norveç (%99), Demokratik Kongo Cumhuriyeti (%97), Brezilya (%96) veya Kanada (%60) gibi ülkelerde çok daha yüksektir. Bu teknolojinin büyük önemine bir örnek olarak, çağımızın en büyük inşaat projelerinden bazılarının Üç Boğaz Barajı (Çin 22.500 MW) veya Itaipu Barajı (Brezilya ve Paraguay 14.000 MW) gibi hidroelektrik santralleri olmasıdır. Peki hidroelektrik enerjisinin nasıl çalıştığını biliyor muyuz?

Hidroelektrik enerjisi nasıl çalışır?

Az çok standart bir hidroelektrik santraline odaklanalım. Bu türdeki her santral, çalışması için birkaç temel unsurdan oluşur. Bunlara tek tek bakalım:

• Baraj: Santral işletmecisinin kullanımına sunulan su hacminin korunmasını sağlayan, çoğunlukla betondan yapılmış sivil bir yapıdır. En etkileyici olanlarından bazıları, şelaleyi yüzlerce metre yükseltir.
• Rezervuar: Tesisin bulunduğu ve gelen suyu toplayan su depolama tesisidir.
• Su bent kapakları: Bunlar, suyun içinden geçmesine izin vermek için açılıp kapanan hareketli elemanlardır.
• Penstock: Suyun elektrik üretim tesisine iletildiği boru hattı.
• Türbinler: Suyun içinden geçerken beslediği ve mekanik enerjinin üretilmesini sağlayan motorlardır.
• Elektrik jeneratörleri: Türbinlerin mekanik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren elemanlardır.
• Enerji Hattı: Yeni üretilen elektriği farklı tüketim noktalarına iletir.
• Çekiş borusu: Elektrik üretim sürecinde kullanılan tüm hidrolik akışın çıkışıdır.

Kısacası, hidroelektrik santralleri, farklı yüksekliklerde bulunan iki nokta arasına düşen suyun kuvvetini kullanarak elektrik üretir. Başka bir deyişle, tüm tesisin işleyişi, yerçekimi kuvvetini ve su kütlesini, bu enerji potansiyelini daha sonra elektrik enerjisine dönüştürmek üzere emecek bir dizi mekanik elemanın yararına kullanmaya dayanır.

Bu şekilde, rezervuarda tutulan su, barajın hidrolik devreleri içinde dolaşarak iki nokta arasındaki seviye farkını kapatır. Doğal şelalelerdeki suları taklit eden bu yapay şelale, yerçekiminin etkisiyle sıvının hız kazanmasını sağlar ve bu hız, altyapının seviye farkının en alt noktasında bulunan türbinlere kinetik enerji olarak aktarılır. Böylece su, türbinin içinden geçerek dönüşünü hızlandırır ve mekanik enerji üreterek elektrik jeneratörüne aktarılır ve bu mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür.

Sonuç olarak, su tesislerden çıkar ve çevreye herhangi bir zarar vermeden nehrin akış aşağı kısmına boşaltılır. Tüm bu süreç, suyun potansiyel enerjisinin yaklaşık %90’ının elektrik üretimi için kullanılmasıyla olağanüstü bir verimlilik sağlar ve yalnızca hidrolik devrenin yüklenmesinde ve hidroelektrik grubunun (türbinlerin) sürtünme sürecinde verimlilik kayıpları oluşur.

Bu şekilde, yüksek sürdürülebilirlik ve yeniden kullanım oranı sayesinde en pozitif enerjilerden biri olan ve atmosfere sera gazı emisyonunu azaltmaya yardımcı olan %100 yenilenebilir elektrik elde edebiliriz. Ayrıca, işlemde kullanılan su evsel tüketim veya sulama için de kullanılabilir. Uzun ömürlü bu teknoloji, nehirlerin akışını düzenleme ve selleri önleme açısından da özellikle ilgi çekicidir; bu, Çin’deki Üç Boğaz Barajı’nın inşasının temel nedenlerinden biridir. Barajın enerji amacı, 1931’de milyonlarca insanın etkilenip ölümüne yol açan sel gibi bir selin önlenmesine de eklenmiştir.

Hangi tip hidroelektrik santralleri vardır?

Günümüzde hidroelektrik santralleri, işlevleri ve konumları bakımından üç ana tipte sınıflandırılabilir:

• Saptırma veya “nehir akışı” hidroelektrik santrali: Bu model, su depolama kapasitesine sahip olmadığı, bunun yerine dolaşımdaki suyu kullanarak enerji ürettiği için hava koşullarına veya nehrin akışına en çok bağımlı olan modeldir. Bu, çoğu boyut ve kapasite olarak diğerlerinden daha küçük olan bu santrallerin elektrik talebinin ihtiyaçlarına uyum sağlayamayacağı anlamına gelir. Avantajları, nehrin akışını kesintiye uğratmamaları ve çevre üzerindeki çevresel etkiyi en aza indirmeleridir.
• Barajlı hidroelektrik santrali: Bu, sorulsa hepimizin aklına gelecek hidroelektrik santrali türüdür. Belirli bir zamandaki elektrik talebine göre çalışmalarını düzenlemek için farklı miktarlarda su depolarlar. Su kaynakları mevcut olduğu sürece toplumun enerji ihtiyaçlarını karşılayabildiğimiz büyük yarı doğal enerji bataryalarıdır.
• Pompalı depolama hidroelektrik santrali (PSH): Bunlar, enerji üretmek için su kaynaklarının sürekli bir devresini oluşturmak üzere suyu bir rezervuardan diğerine pompalayan, farklı üst üste bindirilmiş yüksekliklerde inşa edilmiş su tutma tesisleridir.

Enerji depolamada hidroelektrik enerjinin rolü nedir?

Hidroelektrik enerjisinin en büyük özelliklerinden biri deyoğun talep zamanlarında elektrik tedarik etme yeteneğiRezervuarların büyük enerji bataryalarına dönüştürülebilmesi sayesinde. Birkaç on yıl öncesine kadar büyük bir fayda sağlayan bu durum, değişen iklim koşulları nedeniyle üretim akışı azalan diğer yenilenebilir teknolojilerin ortaya çıkmasıyla giderek daha da önemli hale geldi.

Böylece, fotovoltaik veya rüzgâr santrallerinden elde edilen fazla enerjiyi kullanarak hidroelektrik üretim sürecinde kullanılan suyu yukarı akışa aktaran pompa tesislerinin gelişiyle hidroelektrik enerjisinin rolü güçlenmiştir. Bu sayede, üretim sırasında şebekeye verilmeyen rüzgâr veya fotovoltaik enerji, bu hidrolik santrallerde altyapının üst rezervuarlarını beslemek için kullanılır ve bu su kaynağının daha sonra yenilenebilir bir şekilde kullanılmasına olanak tanır; üretilen rüzgâr veya fotovoltaik enerji israf edilmez. Rüzgâr her zaman lehimize esmese ve güneş ışığı her zaman gerekli enerjiyi sağlamasa da, hidroelektrik enerjisi yeşil enerji üretimi için bir sığınak görevi görecektir. Bu şekilde, bir rezervuar devasa bir bataryaya dönüşür.

Bu tür bir teknolojinin başarısının ve büyük büyüme potansiyelinin açık bir örneği, El Hierro Adası’nda (Kanarya Adaları) bulunan İspanyol Gorona del Viento hidroelektrik santralinde görülebilir. 2014 yılında hizmete giren bu santral, bu küçük Kanarya Adası’nın toplam elektrik ihtiyacının %70’ini %100 yenilenebilir enerji yöntemiyle karşılıyor; hatta enerjinin %100’ünün bu yöntemle karşılandığı günler bile elde ediliyor.