Su Enerjisi
Irmakta akan ya da yüksekten düşen suyun büyük bir enerjisi vardır. Yüzyıllar boyunca makineleri ve değirmenleri işletmek, su çarklarını döndürmek için hareket halindeki sudan yararlanılmıştır. Ama
bugün artık su enerjisi bu biçimde doğrudan değil, genellikle hidroelektrik enerjiye çevrilerek kullanılmaktadır. (“Hidro” Yunanca’dan gelen bir sözcüktür ve “suyla ilişkili” anlamına gelir.) Hidroelektrik enerji santrallarında, türbin denen makineler suyun etkisiyle çalıştırılır. Her türbinin mili, elektrik üreteci ya da jeneratör denen bir başka makinenin miline bağlıdır. Bu ikinci makine, türbin çalıştığı sürece elektrik akımı üretir. Elde edilen akım, kablolar yardımıyla gereksinim duyulan noktalara iletilir.
Su Çarkları ve Su Değirmenleri
18. yüzyılda buhar makinesi ortaya çıkıncaya kadar sanayide elle ya da hayvan gücüyle çalıştırılamayacak kadar büyük bütün makineler ya rüzgâr gücüyle ya da akarsuların yardımıyla çalıştırılırdı.
Su çarkında, akan ya da düşen suyun enerjisiyle bir çark döndürülür; çarkın ortasındaki mil, çalıştırılmak istenen makineye, örneğin bir değirmene bağlıdır. Böylece suyun etkisiyle çark döndükçe, makine de işler. Geçmişteki bu sistemden, özellikle buğdayın öğütülmesinde kullanılan un değirmenlerinde, ağır değirmen taşının döndürülmesinde yararlanılmıştır.
Su çarkını durdurmak için çarkın kanatlarına çarpan suyun kesilmesi gerekir. Bu nedenle
su çarkı akarsuyun ana yatağına değil, bir yan kanala yerleştirilir. Değirmenin suyunu sağlayan bu kanalın üst ucunda (yukarı çığırında), suyun akış miktarını azaltıp çoğaltmaya ya da suyu bütünüyle kesmeye yarayan bir
savak kapağı bulunur. Suyun çarka gelen kesimine yükleme kanalı, çarktan çıkan kesimine ise boşaltma ya da çıkış kanalı denir.
13. yüzyıldan sonra Avrupa’da görülen en yaygın su çarkı tipi, üstten çarpmalı çark'tır. Bunlarda çark, yükleme kanalının yaklaşık 60 cm altına yerleştirilir ve suyu üstten alır. Çarkın çevresine kepçe biçimli kanatlar takılmıştır; üstten akan su bu kepçelere dolar. Çarkın bir yanındaki dolu kepçeler ile öbür yanındaki boş kepçeler arasındaki ağırlık farkı çarkın dönmesini sağlar. Her kepçe dibe yaklaşırken içindeki suyu çıkış kanalına boşaltır. Üstten çarpmalı çarkların çapı, yükleme kanalı ile çıkış kanalı arasındaki düzey farkından biraz daha azdır. Bu tür çarklarda en yaygın rastlanan çap uzunluğu 6 ile 7,5 metre arasında olmuştur; ama çapı 21 metreden daha büyük bazı çarkların da kullanılmış olduğu bilinmektedir.
Üstten çarpmalı çarkların verimi oldukça yüksektir; bunlarda, düşen suyun enerjisinin yalnızca dörtte biri boşa gider. Ama üstten çarpmalı çarklar oldukça yavaş döner; bu nedenle çarkın döndürdüğü makineye aktardığı hızı yükseltmek için genellikle araya dişli çarklar yerleştirilir.
Alttan çarpmalı çark’lar, çarkın altından akan suyun hızından yararlanır. Su çarkın altındaki kanatlara çarpar ve çarkı döndürür. Bu tür çarkların verimi, üstten çarpmalılara oranla çok daha düşüktür; düz kanatlar kullanıldığı zaman suyun enerjisinin yaklaşık dörtte üçü boşa gider. Eğrisel kanatlar kullanılırsa verim iki katma çıkar. Alttan çarpmalı su çarkları, Avrupa’da özellikle Ren Irmağı boyunca uzun süre kullanılmıştır.
Yandan beslemeli çark'larda ise, yükleme kanalı ile çıkış kanalının arasında, çarkın çemberine yakın bir yerde, göğüslük denen bir bölüm vardır. Su çarka, çarkın hemen hemen eksen düzeyinde girer; eksen düzeyi, suyun kepçeler yoluyla uyguladığı kuvvetin en büyük olduğu düzeydir. Göğüslük, kepçeler çıkış kanalı ile hemen hemen aynı düzeye gelinceye kadar suyun kepçelerden dökülmesini önler. Yandan beslemeli su çarklarında, üstten ve alttan çarpmalı çarkların ilkeleri birleştirilmiştir.
Su çarklarının daha modern bir biçimi de, güçlü bir biçimde püskürtülen suya bağlı olarak yüksek hızlarda dönen, özel olarak tasarımlanmış Pelton çarkıdır. Pelton çarkı ve su türbinleri TÜRBİN sayfasında anlatılmıştır.
Enerji Tahmini
Düşen suyun enerjisi, dökülme yüksekliğine, yani yerçekimi etkisi altında düştüğü yüksekliğe bağlıdır. Düşme sırasında suyun hızı bütün düşme halindeki cisimlerde olduğu gibi giderek artar. Örneğin 150 metre yüksekten
düşen bir su kütlesi, çarka ya da türbine saatte 195 km hızla girer. Eğer yükseklik 1.650 metre olsaydı, bu hız saatte 647 km olurdu. Bir hidroelektrik enerji santralı için seçilecek türbinin tipini her şeyden önce suyun düşme yüksekliği belirler.
Jeneratörden elde edilen güç (jeneratörün üretim kapasitesi) kilowatt (kW) ya da megawatt (MW) olarak ifade edilir. 1 megawatt, 1.000 kilowatt ya da 1 milyon watt değerindedir. Kuramsal olarak, 102 metrelik bir yükseklikten düşen 1 kg ağırlığındaki 1 litre su (ya da bunun tersi olarak, 1 metreden düşen 102 litre su), saniyede 1 kW elektrik enerjisi üretir. Uygulamada bu verim daha azdır, çünkü enerjinin bir bölümü boru ve makine içindeki sürtünmeleri yenmek için harcanır.
Büyük tesislerde suyun akışı saniyede metreküp (metreküp bölü saniye) olarak ölçülür.
Enerji Kaynakları
İsviçre, İtalya, İsveç ve Norveç gibi, buhar enerjisiyle çalışan termik santrallarda kullanılacak yeterli kömürü ya da petrolü bulunmayan ülkeler su enerjisi kaynaklannı geliştirmişlerdir. Su, kömür, petrol ve doğal gaz kaynakları yeterli olan ülkelerde elektriğin hangi kaynaktan yararlanılarak üretileceği (su enerjisi, dizel motorlan, gaz türbinleri ya da buhar enerjisi santralları mı kullanılacağı) bir seçim ya da tercih sorunudur. Buhar enerjisi santralları konusunda da, yakıt olarak kömür ya da petrol yakmak ile nükleer reaktörlerden
yararlanmak arasında bir seçim yapılması gerekir. Bu yüzden çoğu kez pek çok karmaşık koşulun göz önünde tutulmasını gerektiren son kararı vermek zordur.
Su enerjisi kaynakları yalnızca belirli bölgelerde, genellikle de dağlık yörelerde bulunur. Bir hidroelektrik santralin yatırım tutarı, aynı güçteki bir kömürlü termik santralin yatırım tutarının en az üç katı, bir nükleer enerji santralin yatırım tutarının da bir buçuk katıdır. Ama hidroelektrik santralin işletme giderleri öbürlerine göre çok daha düşüktür; çünkü yakıt gideri yoktur ve daha az personelle işletilebilir.
Hidroelektrik Enerji Santralları
Bir hidroelektrik enerji santrali ya bol yağmur alan bir dağlık bölgede ya da bir ırmağın vadisinde kurulur. Birinci durumda, yamaçlarla kuşatılmış, olabildiğince geniş bir alandaki suların akaçlandığı yüksek bir kesimde
bir su toplama alanı kurulur. Akaçlama havzası da denen bu su toplama alanında çoğu kez bir göl bulunur. Su toplama alanının çıkışı bir baraj yapılarak kapatılır. Bu baraj havzadaki gölün büyüklüğünü önemli ölçüde artırır.
Su baraj tabanından tüneller ya da borularla enerji santraline alınır. Suyu enerji santralindeki
türbinlere ulaştıran borulara cebri boru denir. Cebri borular genellikle çelikten yapılır ve çok dayanıklıdır. Çünkü, cebri borudaki su basıncı, düşme yüksekliğine ve bundan doğan çarpma şiddetine bağlı olarak çok yüksek bir değerde olabilir ve dayanıklılığı yeterli olmayan herhangi bir boruyu patlatabilir. Bugüne kadar uygulamada kullanılan en büyük düşme yüksekliği 1.650 metredir; bu yükseklikten düşen su cebri boru yüzeyinde milimetre kareye 1,5 kilogramın üzerinde bir basınç yaratır. Öte yandan, genellikle tepelerin ve dağların içinden açılması gereken tüneller, iç duvarları beton ya da çelikle kaplanarak daha sağlam duruma getirilir.
Türbin durdurulduğunda, türbinin bağlı olduğu cebri borudaki basıncın aniden yükselerek borunun patlamasına yol açmasını önlemek için su alma sistemine denge bacası denen taşma boruları eklenebilir. Üst uçları baraj gölündeki su düzeyinin üzerine kadar çıkan denge bacalarının tepeleri açıktır. Denge bacaları genellikle cebri borulann tepesine bağlanır.
Santral binası, türbinlerden geçen suyun akabileceği bir akarsu yatağının ya da gölün yakınında, uygun olan en alçak yerde yapılır. Türbinlerden çıkan suyun döküldüğü kanala çıkış kanalı denir.
Eğer bir jeneratöre elektrik bağlanırsa, jeneratör bir elektrik motoru gibi çalışabilir ve bağlı bulunduğu türbini döndürebilir; bu durumda türbin pompa işlevi görür. Pompalı depolama sistemlerinde, elektrik tüketiminin düşük, yani yükün az olduğu saatlerde jeneratörler elektrik şebekesinden beslenerek motor
gibi çalıştırılır ve su daha alçak düzeydeki bir göletten daha yüksek düzeydeki bir gölete pompalanır. Yükün yüksek olduğu saatlerde ise bu kez yüksekteki gölette depolanan su kullanılarak, türbin-jeneratör grupları çalıştırılır ve yeniden elektrik üretimine geçilir.
Irmaklar Üzerinde Kurulan Enerji Sistemleri
Irmak üzerinde kurulan hidroelektrik enerji santrallarının ana gövdesini, ırmağın önünü kesecek biçimde yapılmış bir baraj oluşturur. Bu, ırmağın yukarı çığırında su düzeyini yükseltir ve böylece barajın yüksekliğine bağlı olarak belirli bir su düşme yüksekliği elde edilir. Barajın yukarı kesiminde toplanan su, çoğu kez kurak mevsimde ırmağın suları çekildiği zaman bile akış sürekliliğini sağlayacak kadar büyük bir göl oluşturur. Bu tür barajlardan taşkınları denetim altına almak için de yararlanılabilir.
Enerji santralı barajın üzerinde, iç yanında ya da hemen aşağı çığıra bakan kesiminde yapılabilir. Barajın alt kesiminden alınan su, türbinlerden geçirildikten sonra yeniden ırmak yatağına verilir. Irmağın bütün suyu
türbinlerden geçmez. Suyun türbinlerden geçmesi gerekmeyen bölümü, genellikle barajın tepesinde yer alan taşma savakları' ndan, küvetteki suyun taşmasına oldukça benzer bir biçimde aşağı çığıra verilir.
Az çok kesintisiz bir eğimi olan bir ırmağın üzerinde, bir biri ardına bir dizi baraj yapılabilir. Bunun bir örneği ABD’de Tennessee Irmağı’dır; bu ırmağın üzerinde dokuz, kolları üzerinde ise 13 baraj yapılmıştır. Bu barajların uzunlukları yaklaşık 800 metre ile 2,3 km arasında değişir. Irmağın düzeyindeki yükselmeler de bir barajdan ötekine farklılık gösterir. Örneğin bir barajda bu yükselme 50 metreyken, başka birinde yalnızca 21 metredir. Bu baraj dizisi Tennessee ve kollarından çok büyük miktarlarda enerji elde edilmesini sağlar. Yeni Zelanda’daki Waikato Irmağı ve Avustralya’daki Karlı Dağlar Projesi de çok sayıda barajın kurulduğu sistemlerdir.
Irmak suyundan enerji elde etmeye yarayan biraz daha değişik bir sistem de ABD’de Nevada ile Arizona arasındaki Hoover Barajı’nda kurulmuştur. Buradaki derin Siyah Kanyon, 221 metre yüksekliğinde bir barajın
yapımını olanaklı kılmıştır. Barajın gerisinde 185 km uzunluğundaki Mead Gölü oluşmuştur. Mısır’da Nil Irmağı üzerinde kurulan Assuan Barajı’nın oluşturduğu Nâsır Gölü, Mead Gölü’nün dört katı büyüklüğündedir. Dünyanın en büyük baraj gölü yaklaşık 5.000 km2’lik bir alanı kaplamaktadır ve bu göl
Afrika’nın güneyindeki Zambia ile Zimbabve arasında, Zambezi Irmağı üzerinde kurulmuş bulunan Kariba Barajı sisteminin bir parçasıdır. Dünyadaki su enerjisi sistemlerinin en büyüklerinden bazıları da Rusya’dadır. Yenisey Irmağı’nın üzerinde yapılan Krasnoyarsk Hidroelektrik Santralı 6.000 MW gücündedir.
Gelgit ve Dalga Enerjisi
Elektrik üretmek için gelgit enerjisinden, yani suların yükselmesi ve alçalmasından yararlanılabilir. Gelgit enerjisi santrallarıyla ilgili bugünkü tasarımlar, gelgit genliğinin büyük olduğu belirli bir kıyı kesimindeki ırmak ağzına ya da deniz girişine bir baraj yapılmasına dayanır. Eğer bu barajın içinden bazı tüneller açılırsa, sular yükselme zamanında bunlardan içeri girecek, alçalma zamanında da dışarı akacaktır. Tünellerin içine yerleştirilmiş olan türbinler de süyun akışıyla dönecek ve bunlara bağlı jeneratörlerden böylece elektrik üretilmiş olacaktır.
Gelgit sırasında suların yükselmesi ile alçalması arasındaki düzey farkı ender olarak 10 metrenin üzerine çıkar. Sıradan bir hidroelektrik enerji santralındaki 160 metrelik bir düşme yüksekliğiyle karşılaştırdığında çok küçük kalan böyle bir yükseklikten yararlanabilmek için büyük bir su hacmine gereksinim vardır. Bu nedenle, gelgit enerjisi santralları barajın büyük miktarda su tutmasını gerektirir.
İlk büyük gelgit enerjisi santralı 1966’da Fransa’da yapılmıştır. Bu santral Bretanya’daki St. Malo yakınlarında, Rance Irmağı'nın ağzındadır. Baraj uzunluğu yaklaşık 800 metredir ve 24 tüneli vardır. Her tünele 10 megawattlık bir türbin-jeneratör grubu yerleştirilmiştir. Türbinlerin kanatlan tersine çevrilebilmekte ve böylece suyun akış yönü değiştiğinde de dinamolar çalıştırabilmektedir.
ABD ile Kanada arasındaki Fundy Körfezi’nin girişindeki Passamaquoddy Körfezi ve İngiltere’de Severn Halici’nde gelgit enerjisi santrallarının kurulması öngörülmektedir.
Dalga enerjisi deniz dalgalarının enerjisine dayanır. Örneğin bu, Atlas Okyanusu’nun ortalarında1 metrelik dalga uzunluğu başına ortalama 90 kW kadardır. Fırtına koşullarında bu miktar metre başına 5 MW düzeyine kadar çıkar. Bu enerjiden yararlanmak için geliştirilmiş aygıtlardan biri, içi kısmen suyla dolu uzun ve esnek bir torbadan oluşur; dalga bu torbaya ulaştığında torba sıkışır ve içindeki su türbinlerden geçmeye zorlanır. Sanayi ölçeğindeki herhangi bir dalga enerjisi jeneratörü henüz işletilmemektedir, ama bu konuda özellikle Norveç v6 Japonya’da yoğun araştırmalar yapılmaktadır.
Su enerjisinden yararlanmada, başlıcaları ABD, Kanada, Avustralya, Yeni Zelanda ve Avrupa’da olmak üzere büyük gelişmeler sağlanmış olmakla birlikte, okyanuslar ve ırmaklar hâlâ büyük ölçüde el değmemiş dev enerji kaynaklarıdır.
Türkiye'de Hidroelektrik Enerji Santralları
Türkiye önemli bir su gücüne sahiptir. Su enerjisinden elektrik üretme potansiyeli bakımından Avrupa ülkeleri arasında Rusya ve Norveç’ten sonra üçüncü sırada yer almasına karşın, bu olanaktan yeterince yararlanamamaktadır. Gene de, özellikle 1950’den sonra üretilen toplam elektrik enerjisi içinde hidroelektrik
santralların payı giderek yükselmiştir.
Türkiye’de Osmanlılar döneminden başlayarak çeşitli büyüklükte barajlar yapıldı. Ama ilk dönemlerdeki bu barajlar daha çok su gereksinimini karşılamaya yönelikti. Su enerjisinden yararlanan ilk elektrik santralı 1902’de Tarsus’ta kuruldu.
Cumhuriyet döneminde, 1950’ye kadar elektrik üretiminde ağırlık daha çok termik santrallara verildi. Bu dönemde ilk hidroelektrik santral, Trabzon’da 1926’da yapımına başlanan ve 1929’da işletmeye açılan Visera’dır. 1951’e kadar Visera tek hidroelektrik santral olarak kaldı. 1950’de elektrik enerjisi üretiminin ancak yüzde 3,8’i su gücünden yararlanılarak elde ediliyordu. 1936-55 arasında tamamlanan Çubuk I, Gölbaşı, Gebere ve Elmalı II gibi barajlar doğrudan sulama ve kentlerin su gereksinimini karşılamak için yapılmıştı. 1950’lerde elektrik enerjisi üretiminde su kaynaklarına verilen önemin artmasıyla birlikte, yeni hidroelektrik santralların yapımına hız verildi.
1956’da tamamlanan Sanyar ile Seyhan barajları ve hidroelektrik santrallarının önemli katkısıyla, 1960’ta toplam elektrik enerjisi üretimi içinde hidroelektrik santralların payı yüzde 35,6’ya ulaştı. 1972’de Gökçekaya ve 1975’te Keban barajlan ve hidroelektrik santralları hizmete girdi. Daha sonra kurulan önemli barajlar ve hidroelektrik santrallar arasında, Yeşilırmak üzerindeki Haşan Uğurlu (1981) ve Suat Uğurlu (1981), Ceyhan üzerindeki Aslantaş (1984) ile Manavgat üzerindeki Oymapınar sayılabilir. 1985’te elektrik enerjisi üretiminde hidroelektrik santralların payı yüzde 35,2 olmuştur.
Güneydoğu Anadolu Projesi (GAP) kapsamında yer alan Karakaya Barajı ve Hidroelektrik Santralı 1987’de işletmeye açılmıştır. Aralarında Türkiye’nin en büyük barajı olan Atatürk Barajı’nın da bulunduğu 13 büyük
projeden oluşan GAP tamamlandığında toplam 15 baraj ve 18 hidroelektrik santral hizmete girecektir. Bu hidroelektrik santralların bugün var olan hidroelektrik gücün dört katı güç sağlayacakları öngörülmektedir.
