Sanayide kullanılan ısı ve buharın üretilmesi, enerji tüketiminin önemli bir bölümünü oluşturuyor. Yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulan endüstriyel süreçlerde genellikle fosil yakıtlar yaygın olarak kullanılıyor. Isı pompaları bu noktada dikkat çekici bir alternatif olarak ön plana çıkmaya başlamış olsa da bu sistemlerin ekonomik açıdan ne kadar avantajlı olacağı hâlâ tartışılıyor. Bu soruları ortadan kaldırma hedefiyle yola çıkan Cagliari Üniversitesi araştırmacıları, ısı pompalarını güneş enerjisi ve bataryayla bir araya getirmenin çok daha iyi sonuç verebileceğini gösteren bir çalışma ortaya koydu. Araştırmacılar, ortam havasından ısı çekerek endüstriyel buhar üretebilen bir ısı pompasını güneş panelleri, batarya depolama sistemi ve elektrik şebekesiyle bir araya getirdi. Yapılan analizler, bu sistemin ekonomik olarak dikkat çekici sonuçlar verdiğini gösteriyor.
Güneş Panelleri ve Bataryalarla Desteklenen Isı Pompası Nasıl Çalışıyor?
Araştırmacıların geliştirdiği sistemin merkezinde, saatte 2 ton doymuş buhar üretebilen üç aşamalı bir buhar üretim ısı pompası (SGHP) bulunuyor. 15 bar basınçta buhar üretecek şekilde tasarlanan sistem, yoğuşan suyu ise 1 bar basınçta geri alıyor. Geleneksel yüksek sıcaklıklı ısı pompalarının aksine bu sistem, çalışmak için fabrikalarda ortaya çıkan atık ısıya ihtiyaç duymuyor. Bunun yerine doğrudan ortam havasından yararlanarak ısı üretebiliyor. Böylece kullanılabilir atık ısı kaynağının bulunmadığı tesislerde de bu teknolojiden yararlanılmasının önü açılıyor.
Sistem, farklı sıcaklık seviyelerinde çalışan üç aşamadan oluşuyor. İlk aşamada hava-su tipi bir ısı pompası, ortam havasından aldığı ısıyı suya aktarıyor. İkinci aşamada su-su tipi bir ısı pompası, elde edilen ısıyı daha yüksek sıcaklıklara taşıyor. Son aşamada ise mekanik buhar sıkıştırma (MVR) teknolojisi kullanılarak gerekli buhar koşullarına ulaşılıyor. Bu kademeli yapı, ısının tek bir aşamada çok yüksek sıcaklıklara çıkarılması yerine farklı aşamalarda yükseltilmesini sağlıyor. Sistemin elektrik ihtiyacı ise güneş panelleri, bataryalar ve şebeke arasında paylaştırılıyor. Güneş panellerinden üretilen elektrik öncelikle ısı pompasını çalıştırmak için kullanılıyor. Üretimin sistemin anlık ihtiyacını aşması durumunda fazla elektrik bataryalarda depolanıyor. Batarya kapasitesi ve çalışma sınırları izin verdiğinde, geriye kalan elektrik şebekeye satılabiliyor.
Güneş enerjisinin yetersiz kaldığı saatlerde ise bataryalarda depolanan elektrik devreye giriyor. Bu kaynağın da talebi karşılayamadığı durumlarda eksik enerji şebekeden alınıyor.
Sistemin Ekonomik Olarak Ne Kadar Avantajlı Olacağı da Araştırıldı
Araştırmada, sistemin farklı koşullar altında ekonomik olarak ne kadar avantajlı olabileceği de detaylı şekilde incelendi. Araştırmacılar, güneş paneli kapasitesini 0 ile 12 MW, batarya kapasitesini ise 0 ile 24 MWh arasında değiştirerek farklı kombinasyonları değerlendirdi. Elektriğin şebekeden satın alınma fiyatı da MWh başına 20 euro ile 200 euro arasında değişen senaryolar üzerinden analiz edildi. Ekonomik değerlendirmede yalnızca elektrik faturaları dikkate alınmadı. Güneş panellerinin ve bataryaların kurulum maliyetleri, işletme giderleri, bileşenlerin yenilenmesi, şebekeye satılan elektriğin getirisi ve sistemin kullanım ömrü boyunca elde edilecek diğer ekonomik değerler de hesaba katıldı.
Araştırmacılar, 20 yıllık proje ömrü ve yüzde 5 iskonto oranı üzerinden hesaplama yaparak üretilen faydalı ısının seviyelendirilmiş maliyetini (LCOH) belirledi. (Bu gösterge, sistemin kullanım ömrü boyunca ortaya çıkan net maliyetlerin üretilen toplam faydalı ısıya oranını ifade ediyor.) Sonuçlar, elektrik fiyatları yükseldikçe ekonomik açıdan en avantajlı sistemin de değiştiğini ortaya koydu. Elektriğin ucuz olduğu senaryolarda şebekeye daha fazla bağımlı kalmak ekonomik açıdan mantıklı olabilirken, fiyatlar yükseldiğinde güneş panelleri ve bataryalarla desteklenen sistemler çok daha cazip hâle geliyor. Çünkü güneş enerjisi üretimine yapılan ilk yatırım, uzun vadede ortaya çıkacak yüksek elektrik faturalarının yanında çok daha avantajlı kalıyor.
Ne var ki bu dönüşümün hangi fiyat seviyesinde gerçekleştiği, sistemin kurulduğu bölgeye göre değişiyor. Araştırmacılar, İtalya’nın Cagliari kenti ile Almanya’nın Berlin kentini karşılaştırdı. Daha elverişli güneş koşullarına sahip Cagliari’de güneş enerjisi ve batarya yatırımının ekonomik faydaları daha düşük elektrik fiyatlarında ortaya çıkarken, Berlin’de aynı dönüşüm için daha yüksek elektrik fiyatları gerekti. Araştırmaya göre en düşük ısı üretim maliyeti, Cagliari senaryolarında MWh başına yaklaşık 55 ile 109 euro arasında değişirken Berlin’de bu değer yaklaşık 55 ile 149 euro arasında kaldı. İki şehir arasındaki fark, aynı teknolojinin farklı iklim ve güneş ışınımı koşullarında birbirinden oldukça farklı ekonomik sonuçlar verebileceğini gösteriyor.
Güneş Işınımı, Ortam Sıcaklığından Daha Belirleyici Oldu
Araştırmanın dikkat çeken sonuçlarından biri de sistemin ekonomik performansında güneş ışınımının ortam sıcaklığından daha büyük bir etkiye sahip olması oldu. Isı pompalarının verimliliği ortam sıcaklığından etkileniyor olsa da analizler, güneş enerjisi üretimindeki farklılıkların toplam ısı üretim maliyetini daha güçlü biçimde etkilediğini gösterdi.
Nitekim Cagliari’deki en uygun sistem, ısı pompasının ihtiyaç duyduğu elektriğin yaklaşık yüzde 91’ini güneş enerjisinden karşılayabildi. Berlin’de ise yüksek güneş paneli ve batarya kapasitelerine rağmen bu oran yüzde 60’ın altında kaldı. Bu sonuç, güneş enerjisi koşulları elverişli olan bölgelerde şebekeden elektrik alma ihtiyacını azaltmanın ve enerji bağımsızlığını artırmanın daha kolay olduğunu ortaya koydu.
Araştırmanın başyazarı Luca Migliari’ye göre bu sonuçlar, buhar üreten ısı pompalarının ekonomik açıdan uygulanabilirliğinin yalnızca cihazın verimliliğine bağlı olmadığını gösteriyor. Elektrik tedarikinin nasıl tasarlandığı ve yerel güneş enerjisi potansiyeli de en az ısı pompasının performansı kadar önemli. Genel olarak çalışma, ortam havasından yararlanarak endüstriyel buhar üreten ısı pompalarının, doğru boyutlandırılmış güneş panelleri ve batarya sistemleriyle birlikte kullanıldığında enerji maliyetlerini düşürme potansiyeli taşıdığını ortaya koyuyor. Ancak her tesis için aynı çözümün geçerli olmayacağı da açıkça görülüyor. Güneş ışınımı, elektrik fiyatları, ekipman maliyetleri ve şebekeye elektrik satışı için sunulan koşullar, bu noktada en uygun sistem tasarımının hangisi olduğunda belirleyici oluyor.
