Tümleşik şebekeler neler vaad ediyor?

Erlangen'deki Siemens araştırmacıları, geleceğin akıllı şebekelerini geliştirmekle meşgul. Bu şebekeler sadece her türden elektrik tüketicisi ile tedarikçisini birbirine bağlamakla kalmayacak, aynı zamanda bina sistemleri bileşenlerini de bütünleştirecekler. Burada ana fikir, tüm enerji sistemlerini onların mümkün olduğunca verimli bir yoldan elektrik, ısı, soğutma ve içme suyu sunmalarını sağlayacak şekilde entegre etmek.

Siemens Geliştirme Mühendisi Sebastian Nielebock dizüstü bilgisayarındaki upuzun bir hesaplamalar listesine göz atmaktadır. "Bunlar fotovoltaj bir dönüştürücüye ait parametreler. Biz onları küçük şebekemizi dengede tutacak ve her türlü yük senaryosunda optimum çalıştıracak şekilde en iyilemeye çalışıyoruz" diyor. Bu küçük şebekenin içinde bir duvar dolabı büyüklüğünde akü ile bileşenleri şebekeye bağlamakta kullanılan dönüştürücülerin konulduğu kontrol kabinleri var.

Bileşenler ise enerji depolama cihazları ile fotovoltaj ve rüzgar enerjisi ünitelerinden ibaret. Bir başka ifadeyle, bu kurulum aslın arada herhangi bir şebeke bağlantısı olmamasına rağmen alışveriş merkezlerine, hastanalere ve otellere elektrik sağlayan tipik bir konfigürasyonu temsil ediyor. Mevcut güneş ışığı miktarına bağlı olarak bu akünün ya geçici olarak ihtiyaç fazlası enerjiyi depolaması ya da gerektiğinde bu izole edilmiş şebekeyi beslemesi gerekiyor.

Talep ciddi seviyede arttığında ise hemen devreye dizel bir jeneratör giriyor. Şu anda güneş parlamıyor ve dizel jeneratör de çalışmıyor ama şebeke halen durmamış ve çalışıyor. Çünkü bu şebeke büyük bir şehirde değil ama Almanya, Er-langen'deki Siemens'in Merkezi Olmayan Çoklu-Üretim Geliştirme Merkezi'nde bulunuyor. Burası Siemens Kurumsal Teknoloji-ler'den (CT) araştırmacıların geleceğin akıllı şebekelerini laboratuvar koşullarında test ettikleri bir merkez.

Bu laboratuvardaki uzmanlar kendi 120 metre karelik laboratuvar salonlarında neredeyse her türden akıllı şebekeyi yaratabilirler. Bu tesis, akü dolapları, bir kojenerasyon ünitesi, bir acil durum jeneratörü, değişken bir yerel şebeke trafosu, çeşitli elektrik yükleri ve düzinelerce dönüştürücünün yanısıra iki soğutma ünitesi ile bir içme suyu arıtma sistemine de ev sahipliği yapıyor. ~
Senaryolar çok farklı olabileceklerinden, bu laboratuvarın 20 çalışanı arasında elektrik mühendisleri ve bilgisayar bilimcileriyle birlikte çalışan termodinamik ve süreç otomasyonu uzmanları da var. Laboratuvardaki geniş ekipman yelpazesi sayesinde bu ekip çeşit çeşit akıllı şebekelerin küçük ölçekte modellerini çıkartabiliyor. Mesela bir dizel jeneratör burada bir kojenerasyon tesisi veya biyokütle reaktörü rolü oynayabiliyor.

Burada önemli olan istikrarsız ve güvenilir enerji kaynaklarının oranlarının orjinal modellerdekilerle çakışması. Bu gibi akıllı şebekeler sadece bir kaç yıl içinde birer standart haline gelecekler. Bu şebekeler giderek daha fazla miktarda enerjiyi istikrarsız kaynaklardan alacaklarından, dağınık elektrik tedarikçilerinin kusursuz bir şekilde etkileşime girebilmelerini sağlamak için akıllı kontrol sistemlerine gerek duyulacak. Eğer onlar olmazsa, önemli hasarlara yol açabilecek elektrik kesintileri yaşanabilir.

İşte Nielebock'un zaten engellemeye çalıştığı şey de bundan ibaret. O, şu anda fo-tovoltaj ünitesindeki dönüştürücünün aşırı elektrik üretmesine neden olan yoğun güneş ışığı üzerinde simülasyonlar yapıyor. Nielebock, "Eğer bunun yüzünden şebekede ihtiyaç fazlası enerji üretilirse, voltaj ile frekans aşırı yükselir.

Ben şimdi bu dönüştürücünün parametrelerini körü körüne maksimum çıktıya ulaşıncaya kadar şebekeyi beslemek yerine şebekenin istikrarına katkıda bulunacak şekilde ayarlamaya çalışıyorum" diyor. Eğer her şeye rağmen bir elektrik kesintisi olursa aküler ve fotovoltaj üniteleri gibi dağınıkte-darikçilerin şebekeyi yeniden ayağa kaldırıp çalışır duruma getirmeleri gerekiyor.

Ancak bunun yapılması söylenmesi kadar kolay değil çünkü "karanlık kalkış" denilen bir süreçte bütün bileşenlerin şebeke voltajını önceden belirlenmiş bir değere çıkartacak şekilde birlikte çalıştırılarak eşzamanlı hale getirilmeleri gerekiyor. Enerjinin farklı kaynaklardan eşit miktarlarda yüke verilmesi şart.~
Nielebock, "Eğer dahili kontrol birimleri gerektiği gibi ayarlanırlarsa, bu dönüştürücüler voltaj ve frekans verilerini kullanarak kendi kendilerini senkronize edebilir ve sonuçta istikrarlı bir faaliyeti sağlayabilirler" diye açıklıyor.

Bu dönüştürücüler, tıpkı bir orkestradaki maestro'nun müzisyenleri yönetmesi gibi bir şebekedeki düzeni sağlarlar ve bu şekilde dizel jeneratörden gelen değişken voltaj, dönüştürücüden gelen voltaj ile uyumlu olarak salınım yapar. Bu gibi araştırmalar şebeke operatörlerinin yenilenebilir ve dağınık enerji kaynaklarına geçiş sürecinde yüzleşebilecekleri meydan okumalar hakkında bir fikir sunmaları açısından çok önemlidirler.

Enerji tedarikçilerinin istikrarlı bir şebeke kurabilmek için sayısız fotovoltaj tesisini, rüzgar türbinini, ve biyokütle reaktörünü konvansiyonel enerji tesisleri ile enerji depolama cihazlarına bağlamaları gerekecek. Bu gibi bir sistemin uygulamada nasıl çalışacağını kestirmek için Siemens 2011 yılı başından 2013 güzüne kadar güney Almanya'nın Allgau bölgesindeki Wildpoldsried köyüne hizmet veren yerel bir şebekeyi gözlem altına aldı.

Bu köydeki neredeyse her evin çatısında güneş pilleri var ve burada elde edilen enerji, biyokütle reaktörlerinden gelen gaz ile çalışan bir kaç kojenerasyon tesisi tarafından destekleniyor. Bu köydeki enerji sistemine son noktayı beş tane rüzgar türbini koyuyor. Hepsi alt alta toplandığında, Wildpoldsried bugün tükettiğinden beş kat fazla elektrik üretiyor.

Bu kulağa ne kadar hoş gelse de yerel şebeke operatörü AÜW açısından çok ciddi bir sorun, çünkü ihtiyaç fazlası enerji yüzünden onun enerji hatları istikrarsızlığa sürükleniyor. Bu yüzden AÜW büyük ölçekli akıllı şebekeleri test etmek için tasarlanmış bir proje olan IRENE'i (Rejeneratif Enerji ile Elektrikli Mobilitenin Entegrasyonu) başlatabilmek için Siemens, RWTH Aachen Üniversitesi ve Kempten Üniversitesi ile işbirliğine gitti. ~
Bu proje başlatıldığından bu yana 200 kadar ölçüm cihazı tarafından şebekenin faaliyetleri hakkında genel bilgiler toplanıyor ve değişken biryerel şebeke dönüştürücü, bir akü depolama ünitesi ve uzaktan kontrollü foto-voltaj dönüştürücüler ile şebekenin dengede kalması sağlanıyor. Bu sistemin en önemli parçası SOEASY (Siemens'in Kendi Kendini Organize Eden Enerji Otomasyon Sistemi). SOEASY arz ile talepi dengeliyor.

Bu kurulumda her bir enerji tedarikçisi ve her bir enerji tüketicisi birer Kişisel Enerji Acentası (KEA) ile temsil ediliyor. Bu sistemin yazılımı örneğin bir fotovol-taj ünitesi sahibinin satmaya razı olabileceği en düşük elektrik fiyatı gibi bilgileri biliyor. Ardından bu yazılım şebeke operatörünü temsil eden ve KEA'nın fiyatının kabul edilebilir olup olmadığına karar veren denge yöneticisine bu fiyatı aktarıyor.

Allgau'deki testten önce Erlangen'de kurulu geliştirme merkezindeki araştırmacılar akü, fotovoltaj üniteleri ve değişken yerel şebeke dönüştürücü arasındaki etkileşimleri incelemek için kendilerine ait bir şebeke kurmuşlardı. Bu araştırmacılar şimdi daha karmaşık akıllı şebekeleri analiz ediyorlar. Araştırma Merkezi'nin sahibi olan Enerji Dönüştürme Teknolojileri Alanı'nın Başkanı Prof. Rolf Hellinger, "İlk aşamada, sadece elektrik tüketicileri ile üreticilerini birbirlerine bağlamıştık.

İkinci adımda klima ünitelerinde kullanılan basınçlı soğutma makineleri gibi bina sistemi bileşenlerinin entegrasyonu yapılacak" diyor. Bu sayede akıllı şebekenin esnekliği artırılmış olacak çünkü zekice kontrol edilen binalar talebin düşük olduğu zamanlar ihtiyaç fazlası enerjiyi içine çekebilir.sıdan gelen su. Siemens araştırmacılarının uzun vadeli hedefi, petrol, doğal gaz, rüzgar, güneş, biyokütle ve atık ısı gibi farklı enerji kaynaklarını, elektrik, ısı, soğutma ve içilebilir su üretmek için olası en verimli ve en çevre dostu yoldan harmanlamak. Onlar aynı zamanda bu kaynakları çok modüllü bir enerji sisteminin içinde entegre etmeyi de çok istiyorlar.

Isı Dönüşümü ve Dağınık Enerji Sistemleri Araştırma Grubu'nun başkanı Dr. Jochen Schafer, "Vakaların çoğunda bugüne kadar bu gibi sistemlerin sadece bireysel özellikleri ele alınmıştı, mesela şebekenin yenilenebilir kaynaklardan gelen enerji ile beslenmesi gibi.~
Şimdi ise aksine çok sayıda bileşen içeren şebekeler üzerinde çalışıyoruz. Ayrıca bu bileşenlerin birbirleriyle etkileşim kurma yöntemlerini ve onların genel denge üzerindeki etkilerini de araştırıyoruz. Bir başka ifadeyle biz bu sistemin bütün bileşenleri arasındaki sistem entegrasyonu ve optimum karşılıklı etkileşimle ilgileniyoruz" diyor.

Bu araştırmacılar özellikle de ve diğer endüstriyel ekipmanlardan çıkan atık ısıdan faydalanmakla ilgileniyorlar. Günümüzde bilhassa düşük sıcaklık aralığına giren atık ısıdan ekonomik anlamda faydalanıldığına nadiren rastlanır. Oysa bu ısının içinde mesela atık suyun içilebilir suya dönüştürülerek geri kazanılmasını sağlamaya yetecek kadar enerji vardır. Bu amaçla yola çıkan Siemens araştırmacıları Erlangen'de 70 ile 120 Santigrad derece aralığındaki atık ısıdan atık suyu buharlaştırmak için faydalanan EvaCon (buharlaştırma ve yoğuşturma) sistemini geliştirdiler.

Burada elde edilen su buharı bir yoğuşturucuya yönlendiriliyor ve orada bir yoğuşturma sürecinde saf su ile konsantre atık su parçacıklarına dönüştürülüyor. Geliştirme Merkezi'ndeki EvaCon prototipi tam 5,5 metre yüksekliğinde. Atık su izole borular aracılığıyla sağ üst köşeden içine doğru akıtılıyor. Ardından bu suyun sıcaklığını arttırmak için atık ısının kullanıldığı birkaç ısı dönüştürücüden geçiriliyor.

Bu işlemden sonra bir buharlaştırıcı aracılığıyla atık su dam-lalaşıp buharlaşıyor. Bir vantilatör ile yaratılan hava akımıyla buharlaşmış su yukarıya taşınıyor. Bu buhar yan tarafta yani yoğuşturucunun olduğu yerde yeniden yoğuşturulu-yor. Bu çok basitmiş gibi görünebilir, ancak detayları karmaşıktır. Çevreci Teknolojiler Araştırma Grubu'nun Başkanı Dr. Manfred Baldauf, "Mümkün olduğunca çok su buharı taşımak için minimum seviyede elektrik kullanmak istiyoruz.

Bunun için de ısı dağılımını ve hava hacmini mükemmel şekilde ayarlamamız gerekiyor" diyor. Burada atılacak bir sonraki adım, saatte 25 metre küp suyu arıtabilecek kapasitede pilot birtesis kurmak olabilir. Bu aslında içecek endüstrisindeki şişeleme süreçlerinden kaynaklanan atık suyun arıtılması için yeterli olabilir. Ancak EvaCon aynı zamanda biracılık süreçlerinde ve petrol çıkarma faaliyetlerinde üretilen atık suyun arıtılmasında da kullanılabilir.~

Ancak bazı durumlarda düşük sıcaklıktaki atık ısıdan uygun maliyetli bir yoldan faydalanmak mümkün olmayabilir. Bu gerçekten yola çıkan araştırmacılar sıcaklığı bir önceki sınır olan 90 derecenin yerine maksimum 140 Santigrad dereceye kadar çıkartabilen bir ısı pompası yaptılar. Schafer, "Bu ısı pompasının mekanizması temel olarak aynı ancak biz burada ısı döngüsü için farklı bir süreç sıvısından faydalandık.

Bu sıvı daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabiliyor ve aynı zamanda hem çevresel anlamda zararsız hem de oldukça güvenilir" diye açıklıyor. Bu yeni ısı pompası ile mesela 70 ila 90 derece arasında değişen endüstriyel atıkların ısısını veya jeotermal kaynakların ısısını merkezi ısıtma sistemlerinde standart olarak kabul edilen 130 Santigrad dereceye yükseltmek mümkün olacak. Bu ısıdan binaların ısıtılmasında faydalanılabilir. Evacon ve geliştirme merkezindeki diğerekipmanlarla bir kombinasyon halinde bu yeni ısı pompaları, araştırmacıların hiçbir enerji kaynağının çarçur edilmeyeceğine dair rüyalarını gerçekleştirmelerine bir adım daha yaklaşmalarını sağlayacak.

Christian Buck