Yakın Geleceğin Solar Teknolojileri

Yakın Geleceğin Solar Teknolojilerinin neler olabileceğini hiç düşündünüz mü? Uluslararası Enerji Ajansı tarafından gerçekleştirilen pazar analizine göre, güneş enerjisinden elektrik üretimi 2019 yılı itibariyle 720 terawatt saat (TWh) düzeyindedir ve 2025 yılında 1940 TWh düzeyine ulaşması öngörülmektedir. Günümüzde güneş enerjisinden elektrik üretimi için kurulu güç dünya genelinde 592 GW düzeyindedir ve tüm kaynaklar arasından %2.2’lik bir paya sahiptir. Yine aynı analize göre, düşen maliyetler ve teşvikler sayesinde 2021 yılında yenilenebilir enerji kapasite artışının rekor seviyede, yani %10 oranında gerçekleşmesi beklenmektedir.

Günümüzde güneş enerjisinden elektrik üretimi uygulamalarının  %90’dan fazlasında kristal silikon temelli güneş panelleri kullanılıyor. Geriye kalan %10’luk dilimi, Kadmiyum-tellürid (CdTe), amorf silikon, bakır-indiyum-galyum-selenür (CIGS) gibi ağırlığını ince esnek filmlerin oluşturduğu teknolojiler oluşturmaktadır.

Kristal silikon bazlı panellerden elektrik üretmenin maliyeti son 10 yılda %80’den fazla düştüğü için konut ve ticari kurulumların birinci tercihi konumundadır ve tahtından indirmek hiç de kolay olmayacak gibi görünmektedir.

Diğer taraftan, kristal silikon teknolojisi teknik sınırlarına dayanmış durumdadır. Ekonomik cazibe anlamında yaptığı sıçramayı verimlilik ve dayanıklılık açısından yapabildiğini söylemek mümkün görünmemektedir. Bu nedenle sektörel oyuncular, verimliliği daha yukarılara taşıyabilecek farklı materyaller ve yeni teknolojiler üzerinde ciddi Ar-Ge çalışmaları yürütmektedir.

Verimliliği, dayanıklılık ve fiyatla harmanlayan yeni bir teknoloji, sadece güneş enerjisi sektörünü değil, enerji sektörünü bir bütün halinde kökten değiştirme potansiyeline sahiptir.

YENİ TEKNOLOJİLER

Tipik bir solar hücre silikon bazlı P tipi ve N tipi yarı iletken malzeme ile üretilmektedir. Piyasada yaygın kabul görmüş panellerin hemen hepsinin teknolojisi bahse konu P tipi ve N tipi silikon hücrelere dayanmaktadır. Gelgelelim, son dönemde güneş pazarının artan hızla büyümesi sonuncunda, alternatif malzemeler için Ar-Ge çalışmaları hayata geçirilmeye başlanmıştır. Güneş enerjili sistemlerin azalan maliyetleriyle uyumlu yeni malzemeler üzerinde ciddi araştırmalar yürütülmektedir ve yakın gelecekte yaygınlık kazanmaları kuvvetle muhtemeldir.

Yeni Nesil Güneş Panelleri

Güneş panellerine ilişkin yapılan araştırmaların odağında üç ana başlık olduğunu görüyoruz:

1. Standart kristal silikonun (c-Si) yeni malzemelerle ve teknolojilerle harmanlanarak verimliliğinin artırılması çalışmaları
2. İnce esnek filmler üzerinde yürütülen çalışmalar.
3. Yeni nesil perovskite solar hücrelerle (Perovskite Solar Cell-PSC) yürütülen çalışmalar.

Kristal Silikon

Güneş panellerinin yapımında en yaygın kullanılan yarı iletken malzeme Kristal silikondur (c-Si). Küresel güneş paneli pazarının %90’ı kristal silikon kullanılan panellerden oluşmaktadır. Buna karşılık verimlilikleri teorik olarak %30 düzeyinin altındadır. Verimlilikteki bu sınırlamaya karşılık, kendini kanıtlamış bir teknoloji olması ve düşen maliyetleri nedeniyle rekabetçi konumunu sürdürmektedir. Bu nedenle kristal silikona ilişkin Ar-Ge çalışmaları hız kesmeden devam etmektedir.

ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (The National Renewable Energy Laboratory-NREL) III-V multijunction malzeme ve hibrit tandem III-V/ Si solar hücre kullanarak %30 verimlilik sınırını aşmayı hedefleyen bir çalışma yürütmektedir. Bu çalışma kapsamında yapılan denemelerde six-junction (altı-eklemli) III-V solar hücreler ile laboratuvar şartlarında %47,1 verimlilik seviyesi yakalanabilmiştir

Kristal silikon temelli güneş panellerindeki bir diğer yenilik ise çift-taraflı (bi-facial) güneş panelleridir. Her iki yüzünden enerji üretimi yapabilen standart bifacial güneş panellerinin standart panellere kıyasla %11 daha verimli olduğu bilinmektedir

İnce Esnek Filmler (Thin Films)

İnce film güneş hücreleri (thin film güneş hücreleri) uygun boyutlu tasarımları (ışığı absorbe eden katmanları standart silikon bazlı panellerin 350’de biri boyundadır), hafifliği, esnekliği ve kolay montajı ile büyük umut vadeden PV teknolojilerinden biri olarak görülmektedir.

İnce esnek filmlerin üretiminde dört malzeme grubu öne çıkmaktadır: Kadmiyum-tellürid (CdTe), amorf silikon, bakır-indiyum-galyum-selenür (CIGS) ve galyum-arsenür (GaAs).

CdTe (Kadmiyum-tellürid) bazlı hücreler, kadmiyum nedeniyle zehirlenme riski taşıdığı için CIGS (bakır-indiyum-galyum-selenür) daha güvenli olması ve %21 seviyesini aşan verimiyle daha fazla umut vadetmektedir.

Perovskite Solar Hücreler

Yeni nesil hücre teknolojileri arasında üzerinde en fazla araştırma yürütülen ve güneş enerjili sistemlerde devrim yaratması muhtemel teknoloji ise hibrit metal halinde perovskite solar hücrelerdir. Perovskite solar hücreler düşük maliyeti, ince tasarımı, üretimde yüksek ısıya gereksinim duymaması ve ışığı yüksek seviyede absorbe edebilmesi nedeniyle popülerliğini günden güne artırmaktadır.

Perovkiste hücrelerin çıktı alma (print) yöntemiyle üretilebilmesi de araştırmaların odağı haline gelmesine ve neden olmaktadır. Diğer bir ifadeyle, ölçeklenebilir yüksek çıktılı üretime müsaade etmesi perovskite hücreleri cazip kılan bir diğer etmendir. Yapılan bir araştırmada çıktı yöntemiyle üretilen perovkiste hücre ile %12,2 verimlilik düzeyi yakalanabilmiştir

Tüm bunlara rağmen, Oxford PV istisna olarak düşünülürse perovskite ürünlerin henüz ticarileşmediğinin altını çizmek gerekir. Ticarileşme safhasını henüz tamamlamamış olsa da güneş enerjili sistemler için ekonomik ve verimlilik devrimi yaratmaya aday perovskite hücre teknolojisinin yakından takip etmekte yarar var.

Insolight Teknolojisi

İsviçreli bir start-up şirketi olan Insolight ise şirketle aynı ismi taşıyan bir teknoloji üzerinde çalışıyor. Güneş panellerini kaplayan cam teknolojisinde altıgen mercekler kullara ışığı odaklıyor ve daha fazla enerji üretilmesini sağlamaktadır. Insolight teknolojisi kullanan panellerin %30 verimlilikle çalıştığı iddia edilmektedir

Gerekli yatırımı sağlayan şirketin yaz aylarında ilk ticari üretimi yapacağı ve sınırlı sayıdaki ilk üretimde hedef pazarın tarım sektörü olacağı açıklanmış durumda. Bahse konu teknoloji sahada da kendisini kanıtlarsa güneş paneli üretiminde köklü değişikliklere neden olabilir.

Yeni Kullanım Alanları

Değişen sadece panel teknolojileri değil. Güneş panelleri ile birlikte güneş enerjisinin entegre edildiği alanlar da çeşitlenmektedir.

Yüzer GES (Hydrosolar) Sistemler

Yüzer güneş panellerinin geniş ölçekli kurulumu arazi kurulumlarına kıyasla daha yüksek miktarda enerjinin daha uygun maliyetle elde edilmesini sağlamaktadır. Zorluk ise geniş kapsamlı kurulumu mümkün kılacak teknolojik altyapı ve sürdürülebilirliği sağlamaktır. Son dönemde yaşanan gelişmeler hydrosolar sistemlerin yani yüzer GES’lerin ciddi bir potansiyel barındırdığını göstermektedir.

Yüzer GES’i avantajlı kılabilecek en önemli değişkenlerden biri suyun soğutucu etkisidir. Bu sayede %10 daha fazla enerji üretimi mümkün olabilecektir. Ayrıca panellerin malzeme ömürlerinin uzaması ve performanslarının artması söz konusu olacaktır. Uygun teknolojiler kullanıldığında kurulumu arazi kurulumlarından daha kolaydır. Ayrıca suyun buharlaşmasını azaltacak olması da diğer bir olumlu yönüdür.

Düşen maliyetler ve başarılı pilot projeler yüzer GES’lerin popülaritesini günden güne artırmaktadır. Dünya Bankası verilerine göre kurulu Yüzer GES kapasitesinin önümüzdeki süreçte 2GW düzeyinden 400GW düzeyine sıçrama yapması beklenmektedir.

Binaya Entegre Fotovoltaik Sistemler (BIPV)

Avrupa Birliğinin (AB) Binalarda Enerji Performansı Direktifi uyarınca tüm tüm AB sınırları içerisindeki yeni binaların “yaklaşık sıfır enerji” olması gerekmektedir. Bununla birlikte önümüzdeki dönemde mevcut binaların da enerji verimliğinin artırılması öngörülmektedir.

Birlik ülkeleri bu hedefe ulaşabilmek için binaya entegre güneş enerjisi sistemlerine daha fazla önem verme başlamıştır. Bilhassa çatı uygulamalarında güneş paneli ile kiremit ya da çatı kaplaması gibi malzemeleri harmanlayan yeni ürünler pazar payını günden güne artırmaktadır. Bununla da sınırlı kalmayan entegre sistemler saydam cam paneller, cephe sistemleri ve araç park alanları gibi çeşitli uygulamalarıyla güneş enerjisinin geleceğinin nasıl şekilleneceği konusunda önemli ipuçları sunmaktadır.

Son dönemde yapılan pazar araştırmaları, AB’nin itici gücünün de etkisiyle binaya entegre güneş enerjisi sistemlerin pazar payının katlanarak arttığını göstermektedir. Gelecekte binada güneş enerjisi sistemi olup olmadığını anlamak için çok daha dikkatli gözlere ihtiyaç duyacağız sanki.

Güneş Enerjili Kumaşlar

Binaya entegre güneş enerjisi sistemi olur da giysiye entegre olmaz mı? Mobilya, kıyafet ve araç giydirme gibi çok sayıda farklı alanda kullanılabilecek güneş enerjili kumaşlar üretmek için ciddi Ar-Ge çalışmaları yürütülmektedir.

2021 yılı Ağustos ayında Fraunhofer adına çalışmalar yürüten Alman araştırmacılar güneş enerjili kumaşlar konusunda ciddi ilerleme kaydettikleri yönünde açıklamalar yaptılar.

Organik solar hücre, perovskite solar hücre gibi teknolojilerde de mesafe kat edilmesiyle, cep telefonumuzu giydiğimiz elbiselerle şarj edeceğimiz çok da uzak olmayabilir.

 Agrivoltaik

Güneş Enerjisi Santrali ile tarımsal üretimin bir arada yapıldığı sistemlere agrivoltaik denilmektedir. Aynı arazinin hem tarım hem de enerji üretimi için kullanımı önemli avantajlar sunabilmektedir.

Japonya, Çin, Hindistan, Malezya, Vietnam, ABD, Şili ve AB ülkelerinde çok ciddi araştırma çalışmaları yürütülmektedir. Araştırmaların odağında tarımsal üretim ile enerji üretiminin birlikte en verimli şekilde nasıl yapılacağı na ilişkin deneysel çalışmalar bulunmaktadır. Bu tarz hibrit sistemlerle %30 oranında ekonomik değer artışı sağlanabildiği görülmüştür.

Tartışmalara konu bazı dezavantajları olduğunun da altını çizmek gerekmektedir. Sistem gölgeyi seven bitkilerle umut verici sonuçlar vermekle birlikte, buğday gibi ışınıma yüksek oranda ihtiyaç duyan bitkilerde verimli olamamaktadır. Almanya’da yapılan bir araştırmada, tam da bu nedenle agrivoltaik sistemlerin Almanya için verimli olmadığı ve kar ettirmeyeceği sonucuna ulaşılmıştır.

Enerji Depolama Sistemleri

Yeni teknolojiler ve artan verimlilik güneş enerjisinin konumunu giderek sağlamlaştırmaktadır. Gelgelelim, güneşin enerji sektöründe devrim yaratacağı en kritik dönemeç depolama sistemleriyle hibrit kullanımının yaygınlaşması olacaktır.

Lityum pil teknolojilerinin yanında, super kapasitör ve hidrojen kullanan pillerin teknolojik ve ekonomik açıdan her geçen gün daha ulaşılır hale gelmesi çok önemli gelişmelerdir. Bahse konu depolama sistemlerinin ucuzlaması ve verimliğinin artması ile birlikte çok büyük bir devrim yaşanacağını rahatlıkla söyleyebiliriz.

Şöyle düşünelim! Çatısında güneş panelleri olan ve etkin bir depolama teknolojisiyle donanmış bir ev, şebekeden bağımsızlığını ilan etmiş demektir. Aynı mahalledeki tüm evler şebekenden bağımsız olduğunda her tarafta gördüğümüz elektrik telleri ve direkler tarihe karışacaktır. Orta ve uzun vadede, toplumsal yaşam ve şehir mimarisinin kökten değişime uğrama ihtimali söz konusudur. Dolayısıyla depolama teknolojilerinin gelişimi yakından takip etmekte yarar var.

Son Söz

Yakın Geleceğin Solar Teknolojilerinden bazı örnekler verdik. Teknolojik gelişmelerden bağımsız olarak güneş enerjisi kurulum maliyetleri her geçen gün düşmektedir. Güneşin, 2030 sonrası dönemde dünyanın büyük bölümünde en önemli enerji kaynağına dönüşeceği öngörülmektedir. Bu değişim insan için, toplum için, çevre için kısacası hepimiz için geleceğin hiç şüphesiz parlak olmasını sağlayacaktır.