Enerji sektörü ve Süperiletkenlik Uygulamaları

Tüm dünyada güç/şebeke operatörleri güvenilir bir hizmet sunmalarını tehdit eden karmaşıklıklarla ve problemler ile karşı karşıyadırlar. Çünkü sürekli bir talep artışı, buna karşın yaşlanan altyapı, yapısal ve düzensel reformların getirdiği yeni belirsizlikler, kaçak kullanımın artması son yıllarda önemli bir problem olarak dağıtım firmalarının karşısına çıkmaktadır. Son yirmi yılda HTS süperiletkenlikteki gelişmeler söz konusu kritik altyapı yenileme ve ülkenin güç sisteminin kapasitesini, güvenirlilik ve verimliliğini artırmak için gerekli olan bir dizi yeni teknolojik araçlara öncülük edebilecek boyutta olduğu düşünülmektedir. Bu yeni HTS teknolojileri kısa geçmişlerine rağmen hızlı bir gelişim göstermiştir ve tam ölçekli güç ekipmanı ve şebeke içi prototipleri tamamlanmış olup seri üretim ve uygulama projelerine yönelinmektedir. Bunun en güzel örnekleri ABD ve Kore de gerçekleştirilen gerçek zamanlı şebeke bağlantılarıdır. Dolayısıyla günümüzde artık teknolojik adaptasyon problemleri de çözülmüş durumdadır.

i- HTS Kablolar

Bu uygulamaların temeli sıfır ya da ihmal edilebilir direnç kayıplarına sahip, geleneksel bakır tellerle aynı boyutlarda olabilecek ancak çok daha yüksek akım taşıyabilen (yerine göre ~10-100 kat) yeni nesil süperiletken tel üretmektir. Günümüzün prototip ve tanıtım teknolojileri çok damarlı ilk HTS tel üretiminin hazır ve yüksek performanslı bir şekilde üretildiğini göstermektedir. Bu yeni teknolojiler içerisinde uygun metallerin HTS süperiletkenler ile ince film şeklinde kaplaması ve ince film üretim süreçlerinin çeşitliliği ve kullanışlılığı ile daha düşük maliyetli ve üstün performanslı ikinci nesil (2G) HTS teller hızla ticari olarak piyasada yerini almaktadır.

Yıllar önce fiber optik kabloların yaptığını yakın gelecekte HTS tellerin daha fazlası ile yapacağı düşünülmektedir. Öyle ki, günümüz 2G HTS kablo tasarımları kontrollü güç akışlarını ve parazitli elektromotor kuvvetinin tamamen baskılanmasını sağladıklarından ve eşdeğer kesit alana sahip geleneksel bakır kablolardan kat kat daha fazla güç iletebildiklerinden artık teknolojinin her kesitinde kullanılabilecek düzeydedir. Buna ait ilk önemli örnek; yaklaşık 300 bin eve/iş yerine güç sağlayacak düzeyde 574 MW’lık elektrik iletebilen bir güç şebekesinde dünyanın ilk HTS güç iletim kablo sisteminin uyarlamaları ABD de tamamlanmış ve kullanıma alınmış olmasıdır. Buna benzer yeni düzenlemelerin de planlama aşamalarının tamamlandığı ve çok yakında ticarileştirilebileceği görülmektedir.

ii- AC Güç İletim Kabloları

Süperiletken güç iletim kabloları normal iletim kabloları ile kıyaslanamayacak miktarda çok yüksek elektrik akımını çok düşük bir kayıpla (neredeyse sıfır kayıp) iletebilmektedir. Ayrıca AC güç kablolarının DC kablolara göre mevcut elektrik ağlarına (mevcut sistemlerin tamamı AC sistemde olduğundan) bağlanması açısından çok daha uygundur. AC güç kabloları için farklı formatlarda yapılmakta olan geniş çaplı araştırma projeleri Tablo 5 de de gösterildiği gibi ABD, Avrupa, Kore, Çin ve Japonya’da yoğunlaşmaktadır. Bunlar içerisinde Amsterdam’da yürütülmekte olan Neuon projesi en uzun süredir devam eden proje, SEI’nin Kumatori de test ettiği kablolar en fazla akım taşıyan kablo ve Shenyang da test edilen Furukawa’nın kabloları da en fazla kapasiteye sahip olan kablolar ve projeler olarak bilinmektedir. AC kablolar için en önemli problem AC akım taşınırken AC kayıpların en aza indirgenebilmesidir. Bu konuda da projeler bazında çalışmaların devam ettiği bilinmektedir.

iii- DC Güç Aktarım Kabloları

HTS süperiletkenler ile yapılmakta olan DC güç aktarım kabloları ile ilgili çalışmalar AC kablolar ile yapılmakta olan projelere kıyasla daha azdır. Bunun en önemli sebebi de mevcut elektrik güç aktarım hatlarının tamamının AC akım ile besleniyor olmasıdır. Ancak bu konuda başta ABD, Kore, Cin ve Japonya olmak üzere (Tablo 5) önemli projelerin yürütüldüğü de bir gerçektir. Örneğin ABD deki “Tres Amigas” projesi bu konuda en önemli projelerden olup 12,5 kA akım taşıma ve ~200 kV kapasitesine sahip olmasından dolayı başı çekmektedir. DC güç kablolarının özellikle yenilenebilir enerji kaynakları ile daha kolay birleştirilebilmesi mevcutta en belirgin kullanım alanı olarak düşünülmektedir.

iv- Enerji Depolama (SMED)

Verimli ve güvenilir enerji depolama teknolojileri son yıllarda oldukça önemli bir konu olmaktadır. Özellikle ani voltaj düşmelerinde veya kesilmesinde hem aydınlatmada hem de sanayi kullanımı sırasında önemli problemler ile karşılaşılmaktadır. Bir elektrikli cihaz ya tamir edilebilir düzeyde zarar görmekte ya da tamamen kullanılamaz duruma gelebilmektedir. Bu durum çok önemli sayılabilecek boyutlarda ekonomik kayıplara yol açabilmektedir. Bu bağlamda süperiletken manyetik enerji depolama sistemleri potansiyel bir kullanıma sahip olabilecektir. Çünkü uzun ömürlü, defalarca işlem görebilecek (aküler gibi belirli bir ömrü olmayan) ve anında ihtiyacı karşılayabilecek kapasiteye sahiplerdir. Küçük ölçekli ve LTS süperiletkenlerden üretilen Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMED) sistemleri bir süredir kullanılmaktadır. Bunların genel mantığı son derece basittir. Sürtünmesiz süperiletken yataklar üzerine kurulu volanlar dönme hareketi sırasında elektrik enerjisini kinetik enerjiye dönüştürebilir, dönen volandaki enerjiyi depolayabilir ve gerekli olan elektriği yeniden üretmek için bu kez dönme kinetik enerjisini kullanabilmektedir. HTS malzemeler ile çalışmalar ise henüz devam etmekte olup yakın gelecekte hacimsel HTS malzemelerden yapılmış kendinden merkezli yatakların ticari olarak kullanımı mümkün olabilecektir.

Bu sistemler vakum ortamında askıda kaldığından ve dönmeyi sağladığı için sürtünme kayıplarını oldukça azalmaktadır. Örneğin geleneksel volanlar saatte % 3-5 enerji kaybına neden olurken HTS tabanlı volanların saatte % 0.1 den daha az kayıpla çalıştıkları test edilmiştir ki buradaki kazanç 30-50 kat kadar olabilmektedir. SMES sistemleri HTS malzemeler ile yapılacak olursa en önemli beklentinin LTS malzemeler ile yapılan SMES sistemlerine göre çok daha yüksek enerji yoğunluğuna ulaşabilecek olmaları ve hacimsel olarak da daha küçük boyutlara sahip olmalarına rağmen en az benzer veya daha fazla enerjiyi depolayabilecek kapasitede olmalarıdır. Bu konuda ABD, Kore, Fransa ve Japonya da çalışmaların yapıldığı literatürden görülebilmektedir,Tablo 6. Tablo 6’dan da görüldüğü gibi Japonya da SMES sistemi NbTi LTS malzemesi ile üretilmiş olup kullanılmaktadır.

v- Trafolar

Şebeke operatörleri yüksek gerilim taşıma hatlarından gelen yüksek voltajları birkaç kez gerilim dönüştürme işlemi yaptıktan sonra evlerde veya işyerlerinde kullanılabilir duruma getirebilmektedirler ve dünyanın her yerinde tüketicilere aktarma konusunda bir takım genel zorluklar ile karşı karşıyadırlar. Söz konusu dönüşümün her bir aşamasında da yararlanılamayan ve ısı formunda bir kayıp meydana gelmektedir ayrıca bunun konvansiyonel teknolojiler ile önüne geçilmesi de mümkün değildir.

Dahası talepler sürekli artmakta olup özellikle de şehir veya sanayi alanlarında yeni ve güçlü transformatörler ve diğer şebeke elemanları için yer oldukça sınırlı hale gelmektedir. Üstelik geleneksel yağ-soğutmalı trafolar patlama (yanma) ve çevreye zarar verme gibi sorunlara da neden olmaktadır. Ancak bunun aksine çok daha kompakt, verimli ve çevreye zararı olmayan sıvı azot ile güvenli bir şekilde soğutulmakta olan HTS transformatörler olağanüstü çözümler sunmaktadır. Özellikle aşırı yük taleplerinde herhangi bir kayıp olmadan aşırı yük ile çalışabilecek, normal kapasiteyi de en az iki katına katlayabilecek özelliklere sahiptirler. HTS süperiletken malzemeler ile trafolar üzerinde yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarında başrolü ABD’nin oynadığı görülmektedir, Tablo 7. 28 MVA kapasiteli süperiletken trafo ABD de üretildiğinde büyük bir ilgiye sebep olmuştu. Hemen arkasından da Yeni Zelanda yeni bir projeyi yürürlüğe koyduğunu açıkladığında bilim insanları ve mühendisler tarafından ciddi bir şekilde uğraşın başladığı görülmektedir. 2010 yılında Industrial Research Limited (IRL) tarafından ortaya konan yeni projede ise 1MVA, 11 kV/415 V üç fazlı trafonun yüksek sıcaklık süperiletken ROEBEL kablolar ile yapılacağı belirtilmiştir. Ancak günümüzde ABD de ve Kore de çalışan HTS malzemeden yapılan trafoların test aşamalarının sonlanmak üzere olduğu bilinmektedir. Bu sistemlerin gelecek 5 yıl içerisinde ağlarda kullanılması beklenmektedir ki bu da ciddi bir tasarrufu beraberinde getirecektir.

vi- Hatalı Akım ve kaçak akım Sınırlayıcılar

Hatalı akım sınırlayıcılar (FCL), aniden ve yüksek miktarlarda gelen akım değerlerine karşı dağıtım ağını dolayısıyla ağda bağlı bulunan bileşenleri korumak için üretilmektedirler. Bu tür hassas cihazların sistemde bulunması ağ konfigürasyonlarına önemli bir esneklik kazandırmaktadırlar. Bu konuda yapılan önemli uluslararası çalışmalar Tablo 8’de özetlenmiştir. FCL sistemleri bir kaç farklı çalışma mekanizmasına sahip olabilmektedir. Bunlar rezistif tip, sature edilebilir reaktif tip ve manyetik kalkanlı tiptir. Teknolojide genel olarak kullanılanlar rezistif tip FCL’lerdir ve kritik akım değerlerinin üzerinde bir akım değeri ile karşılaşırlarsa süperiletken durumdan normal iletken durumuna geçerler. Sature edilebilir reaktif tipler ise üretimleri sırasında kullanılan demir çekirdekteki indüktans değişimini göz önüne alarak çalışırlar. Manyetik kalkanlı tipler ise süperiletken-normal faz geçişi sırasında (hatalı akım durumunda) süperiletken kalkanın indüktansında meydana gelecek değişimi kullanarak çalışırlar. Yeni enerji kaynaklarının genel ağlara eklenmesiyle birçok yerel şebeke kaçaklar veya kısa devrelerden oluşan ve kompanse edilemeyecek düzeyde yüksek/düşük güç dalgalanmalarından kaynaklanan risklerin artması ile karşı karşıya kalmaktadır.

Kaçak akım ve kısa devrelerin ya da gerilimdeki aşırı dalgalanmaların sayıları arttığında ağa bağlı dağıtım trafoları, sistemler ve diğer ekipmanların maksimum/minimum tolerans limitleri aşılabilmektedir. Bunun sonucunda var olan geleneksel devre kesici elemanlar veya şalterler özelliklerini kayıp edip tam olarak koruma sağlayamamaktadırlar ve sonuçta çok pahalı hasarlarla karşı karşıya kalınabilmektedir. Oysa HTS teknolojisi bu noktada da devreye girerek yeni bir çözümü ortaya koyabilmektedir. Süperiletkenlerin doğal özelliklerinden yararlanılarak, bu tür tehlikeli aşırı akımlar engellenebilmekte ve süperiletkenlikten dirençli duruma anlık geçişler yapılabildiği için pasif ve otomatik olarak çalışan “akıllı” kaçak akım sınırlayıcılar ile sistemler veya ağlar günümüzde rahatlıkla kullanılıp korunabilmektedir.

vii- HTS Motorlu Rüzgar Gülleri ve Enerji üretimi

Küresel ısınma göz önüne alındığında temiz elektrik gücü için artan talep rüzgar gücü gibi yenilenebilir enerji teknolojilerine olan ilginin artmasına ve geliştirilmesine hız katmaktadır. Büyük öneme sahip yeşil enerji kaynakları için de yeni teknolojiler kullanılması konvansiyonel teknolojilere göre daha verimli olabilmektedir. Örneğin rüzgar jeneratörlerinde yeni bir tasarım ve rotorun da bakır teller yerine HTS teller ile değiştirilmesi sonucunda yüksek verimli yeni jeneratörlere ulaşılabilecektir. Günümüzde süperiletken motorlu rüzgar gülleri batı Avrupa’da ve uzak doğuda kullanıma başlanmış durumdadır. 2-10 MW gücünde ve değişik boyutlarda olan rüzgar güllerinin örneğin 10 MW gücündeki süperiletken motorlu olanının ağırlığı konvansiyonel motorlu olanının yaklaşık üçte biri kadardır. Dolayısıyla ağırlıktaki bu azalma bıçak (pervane) boyutunun artmasını ve daha büyük güç çıkışı elde edilmesini de sağlamaktadır. Bu da geleneksel sistemlerin güç kapasitesinin yaklaşık iki katına çıkartılması ve üretilen rüzgar enerjisinin maliyetinin de azaltılması demektir.

Günümüzde genel olarak rüzgar türbinlerinin jeneratörlerinin 2-3 MW sınıfında oldukları ve bunlarında bakır kablolar kullanılarak yapıldıkları bilinmektedir. Bir kaç yıl önce oldukça hafif, kompakt yapılı ve 10 MW gücünde HTS süperiletken malzemelerden yapılmış türbinler konusunda önemli çalışmaların ABD ve Kore’de başladığı bilinmektedir.