Sürdürülebilir Enerji Arayışı, Alışılmadık Keşiflere Yol Açıyor

Küresel enerji tüketimi hızla artıyor. 2023’te bu büyüme %2,2 oranındaydı, 2010-2019 arasındaki yıllık ortalama %1,5 ile karşılaştırıldığında.

Bu daha hızlı enerji tüketimi esas olarak yönlendirilen Çin tarafından, +%6,6 ile 2010-2019 ortalamasının iki katı seviyededir. Diğer katkıda bulunanlar arasında Hindistan, İran, Brezilya, BAE, Cezayir, Vietnam ve Endonezya yer alıyor. Buna karşılık, enerji tüketimi Japonya, Güney Kore, Güney Afrika ve AB’de azaldı ve ABD’de istikrarlı kaldı.

Genel olarak, küresel enerji tüketimi 2000 yılından bu yana yaklaşık üçte bir oranında artmıştır. Şu anda 580 milyon terajoule olarak tahmin edilen bu yıllık küresel enerji tüketimi daha da öngörülmektedir 2040 yılına kadar 740 milyon terajoule’ye ulaşması bekleniyor.

Ancak en endişe verici kısım, bu enerjinin büyük çoğunluğunun—83%—fosil yakıtlardan geldiğidir, petrol en büyük enerji kaynağı olup, ardından kömür ve doğal gaz gelmekte, bunlar atmosfere muazzam miktarda CO2 salmaktadır.

Bu yeşil enerjide yenilik yapma konusunda acil bir ihtiyacı çağrıştırıyor. Yenilenebilir enerji büyümesi bekleniyor, bu artış sadece %4 olup, küresel birincil enerji kullanımının %6’sına yükseliyor.

Bu yüzden, enerji sistemini dönüştürme ihtiyacının küresel bir arka planı karşısında, güneş enerjisi potansiyel bir oyun değiştirici olarak ortaya çıktı. Bunun nedeni, güneş tarafından üretilen enerjinin tüm dünyayı ve daha fazlasını besleme potansiyeline sahip olmasıdır.

Dünya, tüm dünyaya bir yıl boyunca ihtiyaç duyduğu enerjiyi sağlamak için sadece birkaç saatlik güneş enerjisine ihtiyaç duyar.

Ayrıca mevcut en temiz ve en bol yenilenebilir enerji kaynağıdır. Dahası, karbon salımını azaltma, enerji maliyetlerini düşürme, çok daha düşük çevresel etki ve daha geniş enerji erişimi ve güvenliği sağlama avantajına sahiptir.

Elbette, güneş enerjisini kullanmayla ilgili çeşitli zorluklar vardır; aksi takdirde zaten yaygın olarak kullanıyor olurduk. Güneş ışığının gün boyunca sürekli olmaması gibi temel zorlukların yanı sıra, konum, depolama çözümleri ve bu enerjiyi elde etmek için gereken teknolojiyle ilgili ek zorluklar da bulunmaktadır.

Güneş enerjisini elde etmeye gelince, güneş ışınlarını yakalamanın ve enerjiyi dönüştürmenin birkaç yolu vardır.

Bir yöntem, aktif güneş enerjisini kullanmaktır; bu, güneş enerjisini aktif olarak başka bir enerji biçimine dönüştürmek için elektriksel veya mekanik cihazlar kullanmayı içerir. Bu gerçekleşir fotovoltaik (PV) veya Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (CSP) aracılığıyla.

PV’de, güneş ışığı, fotovoltaik etki gösteren yarı iletken malzemeler kullanılarak elektriğe dönüştürülür. PV teknolojisi daha çok güneş panelleri olarak bilinir; bu, her biri güneş ışığını absorbe ederek elektrik akımı oluşturan bir yarı iletken içeren bir dizi güneş hücresidir.

CSP’de, lens ve aynalar büyük bir alandan çok daha küçük bir alana güneş ışığını odaklayarak elektrik üretir. Güneş fırınları, güneş enerji kuleleri ve parabolik oluklar gibi farklı tipleri içeren, yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin bir örneğidir.

Başka bir yöntem, pasif güneş enerjisini kullanmaktır; bu, dış cihazlar kullanmaz, bunun yerine yerel iklimden yararlanır. Örneğin, bir binayı istenen miktarda güneş ışığı alacak şekilde tasarlamak ve termal yalıtımlı binalar inşa etmek bu yöntemin örnekleridir. Bu yöntemin diğer örnekleri arasında soğuk çatı ve yeşil çatı bulunur.

Ancak bu, güneş enerjisini kullanma tekniklerinin sonu değildir. Büyük potansiyeli göz önüne alındığında, araştırmacılar sürekli olarak güneş enerjisini yakalamanın ve faydalı enerjiye dönüştürmenin yeni yollarını, ayrıca maliyet etkin ve daha verimli hale getirme yollarını araştırmaktadır, böylece günlük yaşamımızda gerçekten kullanılabilir.

Telefonlar ve Arabalardan Güneş Elektriği Üretmek  

Oxford Üniversitesi’nden araştırmacılar, son zamanlarda güneş enerjisi teknolojisi alanında ilginç bir gelişme kaydettiler. Bu teknoloji kapsamında, güneş elektriği arabaların ve cep telefonlarının yüzeylerinden üretilebilir.

Kaynak: Oxford University

Evet, doğru duydunuz: silikon bazlı güneş panelleri dizileri kurmak yerine, günlük nesneler aracılığıyla giderek artan miktarda güneş elektriği üretilebilir.

Bu yenilik, bu nesnelerin yüzeylerine kaplanan yeni bir enerji üreten malzeme sayesinde mümkün oldu. Işık absorbe eden malzeme, neredeyse her yüzeye uygulanabilecek kadar ince ve esnektir. Bu devrim niteliğindeki yaklaşım, birkaç ışık absorbe eden katmanı tek bir güneş hücresinde birleştirmeyi içerir. 

Bunun için Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü’nden bilim insanları, aynı miktarda güneş ışığından daha fazla güç elde etmelerini sağlayan, ışık spektrumunun daha geniş bir aralığını kullanabilen bir teknik geliştirdi.

Bu malzeme, ince film perovskit, Japonya Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) tarafından bağımsız olarak %27’den fazla enerji verimliliği sağladığı onaylanmıştır. Bu rakamlar, geleneksel tek katmanlı enerji üreten malzemeler olan silikon fotovoltaiklerin performansına eşdeğerdir.

Araştırmacılara göre, çok katmanlı veya istifleme yaklaşımını kullanarak sadece beş yıl süren deneylerden sonra, güç dönüşüm verimliliğini yaklaşık %21 artırdılar. Bu, başlangıç verimliliği yaklaşık %6 iken, şimdi güneş ışığından %22’den fazla enerji dönüştürebildikleri anlamına geliyor.

Malzeme zaten bugünün tek katmanlı fotovoltaiklerinin başarabileceği sınırların yakınına ulaştığı için, Oxford’ta bir doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Shuaifeng Hu şöyle dedi:

“(Bu teknik) fotovoltaik cihazların çok daha yüksek verimliliklere ulaşmasını sağlayabilir, gelecekte %45’i aşabilir.”

Enerji verimliliğinin yanı sıra, malzemenin çok yönlülüğü de bir diğer kritik faktördür. Malzeme ultra ince, sadece bir mikronun (0.001mm) biraz üzerindedir ve bu da onu bir silikon wafer’dan yaklaşık 150 kat daha ince yapar. Si wafer’lar genellikle 0.5mm ile 400 mikron (0.4mm) arasında bir kalınlığa sahiptir, 2 ve 25 mikron aralığı ise belirli bilimsel amaçlar için kullanılır.

Bu yeni malzemenin inceliği, sadece herhangi bir yaygın nesne ve bina değil, temelde neredeyse her yüzeye uygulanabileceği anlamına gelir, mevcut fotovoltaiklerin aksine.

Yeni kaplama malzemelerinin kullanılmasıyla, Dr Junke Wang şöyle belirtti:

(Onlar) gösterdi ki, tekrarlayabilir ve silikonu aşabiliriz silikon aynı zamanda esneklik kazanarak. Bu önemlidir çünkü çok sayıda silikon bazlı panel ya da özel olarak inşa edilmiş güneş çiftliklerine ihtiyaç duymadan daha fazla güneş enerjisi vaat eder.

Bu yeni yaklaşım beklenmektedir güneşi yenilenebilir enerjinin en sürdürülebilir biçimi haline getirmesi ve maliyeti daha da düşürmesi; bu maliyet son 14 yılda %90’a kadar azaldı.

World Economic Forum’a göre, 2010 yılında, güneş fotovoltaiklerinden bir megavat saat elektrik üretmenin küresel ortalama maliyeti, herhangi bir sübvansiyon olmadan 378 dolar iken, 2019’da sadece 68 dolara düştü. Güneş enerjisi artık kömür ve nükleerden daha ucuz ve karasal rüzgar enerjisine neredeyse eşdeğer ekonomik verimliliğe sahiptir. Bu dönemde rüzgar enerjisinin maliyeti de azalmışken, nükleer ve kömür ya artmış ya da hafif bir düşüş kaydetmiştir.

Şimdi, ince film perovskit gibi yenilikler, silikon panellere ve özel olarak inşa edilmiş güneş çiftliklerine olan ihtiyacı azaltarak ek maliyet tasarrufları vaat ediyor.

Araştırmacılara göre, bu son yenilik mevcut nesneleri kullanarak malzeme üretmek ve güneş enerjisini ucuz ve sürdürülebilir bir şekilde üretmek için kendi endüstrisini oluşturabilir. 

‘Artificial Leaf‘ Temiz Yakıt Üretmek İçin

Bilim insanları sadece günlük nesnelerle güneş elektriğini ucuz bir şekilde üretmeyi mümkün kılmakla kalmıyor, aynı zamanda fotosentezi yeniden yapılandırarak temiz yakıt üretiminde devrim yaratıyor.

2019’da Cambridge Üniversitesi’nden araştırmacılar, sadece güneş ışığı, karbondioksit ve su kullanarak sentetik gaz üreten bir yapay yaprak başarıyla elde ederek yeni bir ölçüt belirledi. 

Kaynak: Cambridge University

Syngas, fosil yakıtlardan elde edilen, hidrojen ve karbon monoksit karışımı bir gazdır ve plastik, ilaç, yakıt ve gübre üretiminde kullanılır. Günlük tükettiğimiz ürünleri üretiyor olmamız nedeniyle, bunu sürdürülebilir bir şekilde üretmenin yollarını bulmanın çok önemli olduğunu söyleyebiliriz.”

İşte yapay yaprak; güneş ışığıyla çalışan, atmosfere CO2 salmayan karbon-nötr bir cihazdır. Üstelik güneş ışığıyla çalışmasına rağmen, yapay yaprak kapalı ve bulutlu günlerde de verimli bir şekilde çalışır. 

Fotosentezden ilham alan, bitkilerin güneş ışığını kullanarak karbondioksit ve suyu besine dönüştürdüğü doğal bir süreç, araştırmacılar yapay yaprakta iki ışık absorbe ediciyi kobalt katalizörüyle birleştirdi. Suya daldırıldığında, absorbe edicilerden biri katalizör yardımıyla oksijen üretirken, diğer kimyasal reaksiyonu gerçekleştirerek su ve CO2’yi hidrojen ve karbon monoksite indirger; bu da syngas oluşturur.

Işık absorbe ediciler düşük güneş ışığı seviyelerinde bile çalıştığı için, bu teknoloji tüm gün boyunca ve dünyanın her yerinde kullanılabilir.

Diğer yapay yaprak cihazları geliştirilmiş olsa da, Cambridge araştırmacıları kendi cihazlarının, kullandıkları malzeme ve katalizör kombinasyonu sayesinde syngas üretebildiğini, diğerlerinin sadece hidrojen ürettiğini belirtti.

Moleküler katalizör için kullanılan malzeme kobalt idi; bu, platin veya gümüş gibi diğer katalizörlere göre daha düşük maliyetli, bol ve karbon monoksit üretiminde daha iyidir.

Bu arada, ışık absorbe edicileri perovskitten yapılmıştı, silikon veya boya duyarlı malzemeler yerine. Perovskit ışık absorbe edicileri yüksek fotovoltaj ve elektrik akımı sağlayarak kimyasal reaksiyonu besledi; bu da CO2’yi CO’ya indirger.

Syngas’tan sonraki adım, benzin yerine sürdürülebilir bir sıvı yakıt geliştirmektir. Syngas üretip ardından onu sıvı yakıta dönüştürmek yerine, çalışma sıvı yakıtı doğrudan karbondioksit ve sudan bir adımda üretmeyi hedefliyor.

Elektriğin yalnızca küresel enerji talebinin bir kısmını karşılayabildiği bir ortamda, sentetik benzin hayati bir gelişme olabilir, diye belirtti Cambridge Kimya Bölümü’nden kıdemli yazar Profesör Erwin Reisner, ‘ağır taşımacılık, denizcilik ve havacılık için sürdürülebilir şekilde güç sağlayacak sıvı yakıtlara büyük talep’ olduğunu vurguladı.

Son birkaç yılda, Reisner ve ekibi, önce syngas üretmeden doğrudan temiz etanol ve propanol üretebilen yeni bir yapay yaprak geliştirmek için çalıştı. Bu başarılmıştır bakır ve paladyum bazlı bir katalizör geliştirilerek.

Makalenin birinci yazarı Dr Motiar Rahaman şöyle dedi:

“(Güneş enerjisi gücünü kullanarak) pratik bir sıvı yakıt üretebilmek” (bu) çalışmalarımızda tamamen yeni yollar açan heyecan verici bir ilerleme.

Şimdilik, cihaz sadece bir kavram kanıtıdır. Araştırmacılar yaprakları güneş ışığını daha iyi absorbe edecek şekilde optimize etmeye, katalizörü daha fazla güneş ışığını yakıta dönüştürecek şekilde iyileştirmeye ve nihayetinde cihazı büyük miktarlarda yakıt üretecek şekilde ölçeklenebilir hâle getirmeye çalışıyorlar.

Profesör Reisner bu yılın başlarında aslında ödül aldı Royal Academy of Engineering’den Emerging Technologies (Gelişen Teknolojiler) alanında bir kürsü. 2,5 milyon sterlinlik bu ödül, ekibinin güneş kimyasal teknolojilerinin laboratuvardan pazara geçişini sağlamasına olanak tanıyacak.

Reisner ekibi ürününü ölçeklenebilir hâle getirmeye çalışırken, Waterloo Üniversitesi’nden mühendislik profesörü Yimin Wu, Syngas araştırmasıyla aynı dönemde başka bir makale yayınladı. Bu makale ayrıca zararlı CO2’yi ucuz bir şekilde faydalı bir alternatif yakıta dönüştüren bir ‘yapay yaprak‘ oluşturdu.

Yine, fotosentez sürecinden ilham alarak, yapay yaprak doğal yaprağın (glukoz ve oksijen üreten) aksine metanol ve oksijen üretti. 

Buradaki ana bileşen, sekiz kenarlı parçacıklara sahip olacak şekilde tasarlanmış, optimize edilmiş kırmızı bir toz olan kuprous oksittir, bu tasarlandı bakır asetat, glukoz, sodyum dodekil ve sodyum hidroksit sülfatın belirli bir sıcaklığa ısıtılmış suya eklenmesiyle.

Su ile karıştırılıp CO2’ye maruz bırakıldığında, başka bir kimyasal reaksiyonun tetikleyicisi olarak görev yaptı, oksijen üretti ve CO2’yi metanole dönüştürdü. Beyaz ışık yaymak için bir güneş simülatörü kullanıldı. Çözeltinin ısıtılmasıyla reaksiyon metanol topladı ve bu buharlaştı.

Kuantum Noktalarıyla Çift Camlı Güneş Pencereleri Oluşturmak

Bu alandaki bir diğer gelişme, 2-10 nanometre aralığında küçük yarı iletken parçacıklar olan kuantum noktaları‘dır. Küçük boyutları onlara benzersiz elektronik ve optik özellikler kazandırır, bu da onları çok yönlü kılar.

Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir araştırmada, kuantum noktaları pencere camına gömülerek elektrik üretildi. Bu ‘tasarımcı‘ kuantum noktaları, pencerelerin şeffaflığını etkilemeden güneş ışığını absorbe edip enerjiye dönüştürür. 

Bu yenilik, geleneksel güneş panellerine ihtiyaç duymadan, maliyetli ve çok yer kaplayan bu panellerin yerine tüm binaların güneş enerjisi üreticisi olmasını sağlar.

Kaynak: Los Alamos National Laboratory

Baş araştırmacı Victor Klimov’a göre, kuantum nokta tabanlı çift camlı pencereler, bu elde edilen güçlü performans sayesinde “düşük maliyetli, çözeltiyle işlenebilir malzemeler” ile maliyeti azaltmak için yeni bir yaklaşım sunar.“

Bu yeni yöntem mevcut PV teknolojisini değiştirmez. Etkili güneş ışığı toplayıcıları basitçe eklenir mevcut güneş panellerine. Ayrıca yarı şeffaf pencereler olarak bir binanın mimarisine entegre edilebilir.

Mevcut fotovoltaik paneller yaklaşık %25 verimlilik elde ederken, kuantum noktaları taşıyıcı çoğaltma kullanarak bunu aşma potansiyeli sunar.

Tipik bir fotovoltaik güneş paneli bir ışık fotonunu absorbe eder ve bir elektron salar, bu da enerji olur. Ancak, taşıyıcı çoğaltma ve manyetik manganez iyonlarının eklenmesiyle, kuantum nokta tabanlı güneş panelleri absorbe ettikleri her foton için iki elektrondan fazlasını üretir.

Ancak, bu teknik ilerlemenin temelinde “güneş spektrumu bölme,“ yüksek ve düşük enerjili güneş fotonlarının işlenmesini ayırır. 

Bu manganez iyonlarının kuantum noktalara yüksek ışınımlı safsızlıklar olarak eklenmesiyle başarılmıştır. Kuantum noktalar ışığı absorbe ettiğinde, safsızlıklar aktive olur ve bu da manganez iyonlarının kuantum noktaların absorpsiyon başlangıcının altındaki enerjilerde ışık yaymasına yol açar.

Şimdi, bir pencereyi çift katmanlı ışıldayan güneş ışığı toplayıcıya dönüştürmek için, araştırmacılar ön cam tabakasının yüzeyine yüksek ışınımlı manganezle doplanmış bir kuantum nokta katmanı biriktiriyor. Bu sırada, arka tabakanın yüzeyine bakır indiyum selenitli bir kuantum nokta katmanı biriktirildi. 

Bu şekilde, ön katman güneş spektrumunun görünür mavi ve ultraviyole bölümlerini absorbe ederken, alt katman geri kalanını alır. Absorbe edildikten sonra, kuantum noktalar daha uzun dalga boyunda fotonları yeniden yayar. Yeniden yayılan ışık tam iç yansıma yoluyla pencerenin cam kenarlarına yönlendirilir; burada entegre güneş hücreleri ışığı toplar ve elektriğe dönüştürür.

Ayrıca, Klimov ekibi kuantum noktaların küresel enerji kullanımının %2’sinden fazlasını oluşturan amonyak üretiminde nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. Bu özel uygulamada, kuantum noktalar ve güneş ışığını kullanarak fotoemisyon yoluyla ışık yerine “serbest elektronlar“ üretiyorlar. 

Şimdi, güneş enerjisi alanındaki iki büyük şirkete bakalım.

#1. NextEra Energy

Yenilenebilir enerji alanında geniş çapta lider olarak bilinen NextEra Energy (NEE ), 2024’ün ikinci çeyreğinde 552 milyon dolar net gelir ve 865 milyon dolar ayarlanmış gelir açıkladı.

Şirket, önemli güneş projeleri de dahil olmak üzere yenilenebilir enerji kapasitesine 3 GW ekledi ve 2027’ye kadar artan bir kazanç eğilimi öngörerek, ayarlanmış hisse başına kazancın yıllık artması beklentisini ortaya koydu.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ), güneş paneli üretimi ve kapsamlı fotovoltaik enerji santrali hizmetleri sunma konusunda uzmanlaşmıştır. İnce film yarı iletken teknolojisinin yenilikçi kullanımı, onları güneş enerjisi sektöründe farklı kılar.