“Türk mühendislerinin alnında
Cumhuriyetin istikbalini aydınlatan ışık parıldar” Mustafa Kemal Atatürk
Ülkemiz, OECD ülkeleri içerisinde geçtiğimiz 15 yıllık dönemde enerji talebi artışının en hızlı gerçekleştiği ülke durumuna gelmiştir. İspatlanmış petrol ve doğalgaz rezervlerinin yaklaşık % 70’ine sahip bir bölgede yer alan Ülkemiz, bölgesindeki en büyük doğalgaz ve elektrik pazarlarından biridir1.Ülkemizin enerji stratejisinin temel unsurlarının başında artan talep ve ithalat bağımlılığını dikkate alarak, enerji güvenliği bağlantılı faaliyetlerin önceliklendirilmesi, yerli ve yenilenebilir enerji kaynaklarının payının arttırılması sayılabilir. Yenilenebilir enerji kaynaklarımızın üst düzeyde ve verimli kullanımının planlanması ve buna dönük adımlar atılması, Milli Enerji Politikamızın temel argümanlarından biri olmalıdır. Türkiye yenilenebilir enerji kaynakları potansiyeli yönünden fosil kaynaklara göre daha avantajlı durumdadır. Özellikle; hidrolik, rüzgar, güneş, biyokütle ve jeotermal enerjilerin potansiyeli oldukça yüksektir.
Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Özellikle temiz bir enerji kaynağı olması ve kurulumdan sonra düşük maliyetle çalışması güneş enerjisinin önemini arttırmaktadır (www.enerji.gov.tr). Ülkemizin de dahil olduğu uluslararası kuruluşlar ve ülkeler, enerji politikalarında güneş enerji teknolojilerine ticari teşvikler uygulamaktadır. Ülkemizde çok doğru bir kararla enerji arz güvenliğinin güçlendirilmesi, yerli ve yenilenebilir kaynakların kullanımı ve öngörülebilir piyasa koşullarının tesis edilmesi temeline dayalı “Milli Enerji ve Maden Politikası” benimsenmiştir.
Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi (TEİAŞ) verilerine göre Ülkemizde güneş enerjisine dayalı santrallerin kurulu gücü Nisan 2018 sonu itibariyle 3 adet santral için toplam 22.9 MW, lisanssız 5320 santral için toplam 4605 MW olmak üzere toplamda 5323 santral 4627,9 MW kapasiteye ulaşmıştır2. Güncel veri olarak ise; TEİAŞ, Üretim Kapasitesi Projeksiyonu (2020-2024) Raporunda3; güneş payı 2014 yılında %0,1 iken 2019 yılında %6,6 seviyesine çıkmıştır. Yine aynı rapora göre bu pay ileri projeksiyonda 2024 yılında %10.4 olarak beklenmektedir (çizelge 1).
Çizelge 1. Yıllar itibariyle kaynakların Ülkemiz elektrik üretim toplam kurulu gücü içerisindeki payları ve öngörüler (%)3
Güneş enerjisi çevreci, temiz, sürdürülebilir enerji kaynağı olduğu için fosil enerji kaynaklarına alternatif olacak bir enerji olarak görülmektedir. Ülkemiz bulunduğu matematik konum gereği güneş enerjisi potansiyeli bakımından oldukça iyi durumdadır (şekil 1). Yıllık ortalama güneşlenme süresi 2640 saat (günlük 7,2 saat), yıllık ortalama güneş radyasyon değeri 1311 kWh/m2 (günlük 3,6 kWh/m2)’dir (Toklu, vd., 2010)4. Ülkemizde yaklaşık 56.000 MW termik santral kapasitesine eşdeğer güneş enerjisi potansiyelinin bulunduğu ve bu potansiyelden yararlanılması durumunda yıllık ortalama 380 milyar kWh elektrik enerjisi üretilebileceği hesaplanmıştır4.
Şekil1. Ülkemizin güneş radyasyonu haritası
Güneş enerji santrali, güneşten gelen sonsuz enerjiyi fotovoltaik (PV) modüllerin ve diğer bileşenlerin kurulumu ile elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Güneş ışınlarının fotovoltaik modüller üzerine temas etmesi ile doğru akım (DC) elektrik enerjisi üretilir, üretilen enerji, merkezi şebekeye bağlanabilen ve yüksek çevrim gücü olan inverterler (inventör) aracılığıyla merkezi şebeke sistemine bağlanır.
Güneş Enerji Santralleri (GES) (şekil 2) ilk yatırım maliyetleri yüksek olan, ancak enerji üretim sürecinde en düşük 25-30 yıl (bu süreç sonucunda verim yaklaşık %80’lere düşmektedir) yüksek verim alınabilen imalatlar olması nedeniyle yatırımcıların ilgisini çekmektedir. Yüksek maliyetli yatırımlarda en önemli unsur, yatırımın ekonomik ömrü boyunca korunmasıdır.
Ülkemizde 2005 yılında Resmi Gazete’de yayınlanarak yürürlüğe giren 5346 sayılı “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanunun” temel amacı; yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanımının yaygınlaştırılması, bu kaynakların güvenilir, ekonomik ve kaliteli biçimde ekonomiye kazandırılması, kaynak çeşitliliğinin arttırılması, sera gaz emisyonlarının azaltılması, atıkların değerlendirilmesi, çevrenin korunması ve bu amaçların gerçekleştirilmesinde ihtiyaç duyulan imalat sektörünün geliştirilmesidir (Şenlik, 2017).
Söz konusu kanun kapsamında güneş enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üreten gerçek ve tüzel kişiler; ihtiyaçlarının üzerinde ürettikleri elektrik enerjisini dağıtım sistemine vermeleri halinde 0.133 USD/kWh birim fiyatlardan 10 yıl süre ile alım garantisinden faydalanabilmektedirler (Şenlik, 2017). Ancak; son yapılan yasal düzenlemeler ile idareler sadece iç tüketimleri ölçüsünde santral kurabilmektedir ve dağıtım sistemlerine satış bedellerinde değişiklikler (vergi oranları, satış bedelleri vb) olmuştur. Buna rağmen santral yatırımları karlılıklarını korumaktadır.
Tasarım Aşamaları
Tüm enerji yatırımlarında olduğu gibi güneş enerji santrallerinin de yer seçiminin, kurulum ve üretim maliyetlerinin, arazi kullanım etkisinin ve olası çevre etkilerinin değerlendirilmesi gerekir (Şenlik, 2017).
GES’ler için risk unsurlarını üç ayrı maddede özetlemek mümkündür:
- Tasarım Aşaması
- Montaj Aşaması
- İşletme aşaması
Şekil 2. İmalatı tamamlanmış arazi tipi Güneş Enerji Santrali (GES)
Her aşamada mevcut tehlikeler farklılık gösterse de tasarım ve montaj çalışmaları sırasında fark edilmeyen bir unsur işletme aşamasında ortaya çıkarak büyük boyutlu hasarlara ve dolayısıyla milli gelir kayıplarına neden olabilmektedir (şekil 3). Bu nedenle; santrallerin işletmelerinden tasarımına kadar büyük bir özen gerektiği açıktır2.
Sadece tasarım nedeniyle bile tüm marka model ve ürünleri aynı olan iki santralden tasarımı daha iyi daha gerçekçi olan ile kötü olan arasında üretim noktasında % 15 – % 20’lik farlılıklar oluşabilmektedir.
Şekil 3. Güneş enerji santrallerinde montaj aşamasındaki risk unsurları2
Güneş enerji santrallerinin yer seçimi kriterleri, santrallerin kurulum aşamasından işletme aşamasına kadar olan süreçleri ve elektrik üretim maliyetlerini doğrudan etkilemektedir. Uygun yer seçimi konusunda kesin kurallar olmamakla birlikte geçmişte ve günümüzde elde edilen deneyimler, birtakım kriterlerin oluşmasını sağlamıştır. Bu kapsamda bölgenin güneş enerjisi potansiyeli, yerel iklim durumu, arazi yapısı, arazinin kullanım durumu, şebeke bağlantısı, enerji tüketim bölgelerine yakınlığı, erişilebilirliği, su kaynakları, jeofizik-jeolojik yapısı ve geoteknik özellikleri, mülkiyet durumu ve arazi fiyatları gibi temel kriterler bulunmaktadır (Şenlik, 2017).
Milli enerji politikamızın önemli saç ayaklarından biri olan Güneş Enerji Santrallerinin tasarımı da en küçükten en büyüğe her kademesiyle büyük önem arz etmektedir.
Santrallerin statik projelerinin hazırlanması aşamasında; kesit elemanlarının zati yükleri, panel – bağlantı elemanları – inverter – pano ilave yükleri, sıcaklık yükü, Bina Deprem Yönetmeliği’ne (2018) göre deprem yükü (jeofizik-geoteknik rapor), düşey hareketli kar yükü, yatay hareketli rüzgar yükü ve bunların yükleme kombinasyonları ayrı ayrı değerlendirilir1. Modelleme aşamasında; tasarımda kullanılacak olan yüklemelerin imalata aynı anda etki etmesi durumları göz önüne alınarak, yapı sisteminde en olumsuz durumlar için yükleme kombinasyonları oluşturulur.
Yüklerden biri hatalı tanımlanırsa konstrüksiyonların (çelik veyahut alüminyum ürünler) statik ve dinamik dayanımları belirgin oranda farklılık gösterecek ve olası hasarlara davetiye çıkaracaktır. Bu yüklerin tanımlanması ise şu an için yazımızın konusunun dışındadır.
Geoteknik Çalışmalar
Santrallerin projelendirilmesi aşamasında olmaz ise olmaz uygulamalardan biri de geoteknik (zemin ve temel etüt) çalışmalardır. Santral hasarlarında önemli etkenlerden olan “yer (zemin/kaya) özelliklerinin dikkate alınmaması” (veyahut doğru, proje koşullarına uygun bir etüt çalışmasının planlanamayıp, projeyi ve dolayısıyla imalatı yanlış yönlendirmesi) % 15’lik (ki bu tespit edilebilen orandır) bir pay ile önemli kısmı temsil ettiği de şekil 3’de net bir şekilde görülmektedir.
- Deprem yüklerinin tespiti ve statik projeye adapte edilmesi, (Deprem yükleri, yapının üst tarafında çok fazla yük olmadığı için konstrüktif yükler olarak görünmekle birlikte, yatay doğrultudaki deplasmanları hesap etmeden yapılan statik analizler çok büyük riskler doğurabilir)
- Konstrüksiyonun yere montaj şeklinin/temel tipinin (çakma tipi, vidalı sistem, beton temel, karot beton vb) belirlenmesi,
- Sahada yüzey veya çevre drenaj sistemlerine ihtiyaç olup olmadığı,
- Doğal drenaj yollarının tespiti ve yeterliliğinin belirlenmesi,
- Yeraltısuyu ve yüzey suyu durumu,
- Geoteknik riskler (şişme problemleri, sıvılaşma riski, taşıma gücü kaybı vb),
- Eğimli alanlarda şev stabilitesi ve gerekli önlemler (taş duvar, beton istinat, palye uygulaması vb),
- Kolon çakma-çekme testlerinin yapılması,
- Doğru ve gerçekçi yatay ivme değerlerinin ve yer sınıfının hesaplanması,
- Kazı ve dolgu gerekliyse ilgili hesaplar,
- Gerekliyse çakıl örtü kararının (boyut, miktar, taş ocağı temini önerileri vb) verilmesi vb.
konularının tespiti ve değerlendirilmesi geoteknik etüt aşamasında gerçekleştirilir.
Şekil 4. (a) Çakma metodu ile yere teşkil edilmiş çelik konstrüksiyonlar, (b) panel eğimleri (güneye doğru genellikle 25° – 30° eğimle) için gerekli ölçümlerin yapılması
Tasarım aşamasında hazırlanan “Kolon Aplikasyon Planına” göre, Elektrik, Jeofizik, İnşaat, Jeoloji ve Harita Mühendisleri ile birlikte kolonların yerleşim noktaları ve projesi yapıldıysa drenaj hatları fiili saha şartlarına göre tek tek belirlenmelidir. Geoteknik (Zemin ve Temel Etüt) Raporu dikkate alınarak panellerin kurulacağı yerin (zemin\kaya) yapısına göre:
- Çakma makinesi ile kolon çakma,
- Çelik vidalar (helisel) ile temel tesis edilmesi,
- Karot delik delme yöntemi ile beton uygulaması,
- Beton pabuç kalıp yöntemi veya hatıl beton ile temel uygulaması
- Hatıl beton ile temel uygulaması vb
yöntemlerinden en uygun, güvenilir ve ekonomik olanı seçilmelidir (Şekil 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).
Şekil 5. (a) Vida tipi çelik konstrüksiyonlar (b) yere teşkil edilmiş hali (c) fotovoltaik panellerle birlikte imalatı tamamlanmış hali
Şekil 6. (a) Çok gevşek kumlu-siltli bir zeminde rock yardımıyla donatısız beton ile temel imalatı yapılacak forajların açılması (b, c, d) foraj çukurlarının genel görünümleri
Şekil 7. Beton temel uygulamalarından örnekler2
Şekil 8. Prefabrik kiriş beton (pabuç kalıp) ile ve gömülü donatısız karot beton ile konstrüksiyon altı temel imalatı
Şekil 9. (a) Çakma ve (b) karot beton temel için en kesitler
Şekil 10. Eğimli bir topoğrafya üzerine kurulmuş santral görüntüsü, Yer-mühendislik çözümü/palye uygulaması, santral içerisinden geçen doğal drenaj hattı (İzmir Seferihisar Turabiye Güneş Enerji Santrali, 8 Mw)2
Örneğin; sıklıkla karşılaşılan hasar türlerinden biri gevşek zeminlerde taşıyıcı kolonların minumum yüklerde zemine gömülmesi durumudur1. Aynı şekilde; doğru tespit edilmemiş bir ortama (zemin veya kaya) konstrüksiyon montajı sırasında karşılaşılan sorunlar: kolon eğilmeleri, galvaniz sıyrılmaları ve dolayısıyla korozyon oluşumu, zemin özelliklerinin dikkate alınmaması sebebiyle yerinden çıkan ve eğilen konstrüksiyonlar (hareketli kolon) vb sıralanabilir.
Şekil 11. Taşıyıcı kolonların zemine yeterince çakılmaması ve zemin özelliklerinin dikkate alınmaması sebepleri ile yerinden çıkan ve eğilen konstrüksiyonlar (Hareketli Kolon)
Güneş Enerji Santrallerinde yer alan ve ağırlıkları itibariyle yere ciddi bir düşey yük uygulayan bir diğer ünite ise1600 kVA trafo gücüne kadar üretilen trafo ve dağıtım merkezleri olan, genellikle C35 beton basınç dayanımında ve (genellikle 8-30 ton arası) 30 tona ulaşabilen ağırlıkları ile monoblok beton köşklerdir (şekil 12).
Beton köşkler özellikle eğimli bir alanda projelendirilen sahalarda, yerleştirileceği lokasyon itibariyle temel geoteknik problemlere yol açabilir.
Örneğin; eğimli bir topoğrafyada yer alıp sıkı olmayan, suya doygun hale gelmesi halinde hareketlenmeye müsait bir jeolojik birimde şev topuğuna yakın yerleştirilmiş 30 ton ağırlığında bir beton köşkün, eğer şev altının bir destek sistemiyle/çözümüyle (taş duvar, beton istinat, şevin uygun açıyla geriye yatırılması vb) desteklenmeyerek imalatı yapılması halinde ciddi anlamda bir geoteknik problemle karşılaşılabilir. Bu anlamda etüt raporlarının bu riskleri göze alacak şekilde de planlanması büyük önem teşkil etmektedir.
Aynı durum; santral tesisinde yer alması öngörülen idari binalar için de geçerlidir. Eğer idari bina yükleri ihmal edilebilir boyutta ise (küçük boyutta prefabrik vb) maliyetleri arttırmamak anlamında daha basit çözümlerle önlem almak da mümkündür.
Şekil 12. Monoblok beton köşk
Ülkemizde yapılan santral projelerinin önemli bir kısmında yeterli örnekleme ve uygulama yapılmadan hazırlanan zemin ve temel etüt raporlarına rastlanılmakta ve dolayısıyla doğru tanımlanmamış bir zemin ya da kaya ortama ve yeterli veriye dayanmayan parametre hesaplarına (zemin emniyet gerilmesi, deprem yönetmeliğine göre belirlenen zemin /kaya sınıfı vb) maruz kalınmaktadır.
Şekil 13. Doğru tanımlanmamış bir zeminde çelik vida temel ve çelik konstrüksiyonların imalatlarının tamamlanamamış hali
İmalat sonrası kontrol amaçlı jeofizik çalışmalar da gerçekleştirilebilir (şekil 14).
Şekil 14. İmalat sonrası, çelik kolon altı beton temelde donatı tespiti/kontrolü (Jeofizik çalışma -NDT)
Zeminden kaynaklı hasarların yanı sıra montaj hataları, malzeme seçimi yanlışlıkları, iklimsel koşulların doğru analiz edilememesinden kaynaklı risk/hasarlar, mevzuattan kaynaklı zaman kısıtlamaları ve daha birçok sorunu da sıralamak mümkündür.
Sel ve su baskını sorunlarının tespiti, suyun zemine vereceği hasar ve dolayısıyla bunun üst yapıya yansıması da zemin ve temel etütlerinin belli bir oranda konusu olarak sayılabilir. Yoğun yağışlı koşullarda santral sahalarında biriken/akan sular zeminde belirgin aşınmalara neden olabilmektedir (şekil 16). Zeminin aşınması taşıyıcı kolonların rijitliğini kaybetmesine, dolayısıyla o masada (panel dizileri, masa masa adlandırılır) belirgin bir hasara neden olabilmektedir. Drenaj imalatı gereken sahalarda, drenaj projeleri de zemin/temel etüt raporları ile birlikte hazırlanmalıdır. Drenajla amacın suyun tamamen tahliyesi değil, suyun tahliyesine yardımcı olmak ve biriken su miktarını azaltmak olduğu da unutulmamalıdır (şekil 15). Bunun dışında; zemin rutubeti veya zemin suyu içerisinde bulunan sülfatlar, temel betonuyla kimyasal reaksiyonlara girerek beton kompozisyonunun bozulmasına neden olabilir. Bu bozulma doğrudan GES’teki panel sehpalarını taşıyan kolonlardaki betonları bozabilir ve santralin statik dayanımını olumsuz etkileyebilir. Suyla temas halinin daha uzun süreler olması ve nemli ortamın sürekliliğinin artması, konstrüksiyonda korozyonun ve deformasyonun daha hızlı gerçekleşmesi anlamına gelmektedir. Bunula birlikte; gömülü solar kablolar, daha büyük kesitli alternatif akımda kullanılan kablolar, haberleşme kabloları vb suyla temas durumunda ek noktalarında ciddi anlamda sorunlar yaratabilecektir.
Şekil 15. Santral sahasında imalat esnasında, drenaj olmaması sebebiyle yağışa bağlı oluşan su birikmesi
Şekil 16. Aşırı yağışa bağlı oluşan zemin sorunları
Mevcut mevzuat incelendiğinde GES’ler için temel olarak tasarım hesaplarında elektromekanik ve inşaat projeleri istenmesine rağmen drenaj projesi için ayrı bir başlık açılmamıştır. Bu anlamda, bu durum mevzuattaki ciddi bir eksiklik olarak değerlendirilebilir.
Bu yazı, tasarım aşamasında yerden (zemin/kaya) kaynaklı olabilecek hasarları önceden belirleyip tasarımın ona göre yapılmasını hedefleyen zemin ve temel etüt işleyişi için bir özel teknik şartname önerisi getirmektedir.
İlgili zemin ve temel etüt mevzuatları çok önemli ve değerli düzenlemeler sunmaktadır. Bununla birlikte; GES imalatlarının zemin ve temel etütleri için ayrı bir düzenlemeye ihtiyaç olduğu düşünülmelidir. Bu anlamda; aşağıda önerdiğimiz özel şartname taslağının; çalakalem yapılan etütlerin önüne geçebileceği, yukarıda sıralamaya çalıştığımız riskleri (ki bu risklerin hepsi ayrı bir yazı konusudur) daha gerçekçi tespit edebileceği ve dolayısıyla zemin/kaya ortamdan kaynaklı hasarları minimize edebileceği öngörüsüyle yararlı olabileceğini düşünmekteyiz. Tabi ki belki de en önemlisinin de tüm santral imalatlarında yeterli/yetkin bir kamusal denetimin sağlanması olduğu gerçeğini de göz ardı etmemeliyiz.
“Mühendislik, insanın kullanımı ve rahatlığı için
doğadaki büyük kaynakları yönetme sanatıdır”
Thomas Tredgold
KAYNAKLAR
2 Ekol Sigorta Ekspertiz Hizmetleri Limited Şirketi, Risk Değerlendirme Bülteni, 2018
3 TEİAŞ, Üretim Kapasite Projeksiyonu, 2020-2024
4 Yılmaz, M.; 2012, Türkiye’nin Enerji Potansiyeli ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Açısından Önemi, Ankara Üniversitesi Çevre Bilimleri Dergisi
Şenlik, İ, 2017, Güneş Enerji Santrallerinin Yer Seçimi, Elektrik Mühendisliği Dergisi, Sayı 462
Toklu, E, Güney M.S., Işık, M., Çomaklı, K and Kaygusuz, K. 2010. Energy production, consumption, policies and recent developments in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, (14):1172-1186.
