Güç üretimi
Güç üretimi, Elektrik gücü, dünyanın büyük bölümünde vazgeçilmez bir enerji biçimidir. Elektrikten başka eneri biçimlerini kullanan sistemler bile, elektrik gücüyle çalışan denetim düzenekleri ya da araçlar içerebilir. Sözgelimi, modern kaloriferler doğal gaz, mazot ya da kömür yakıyor olsalar bile, çoğunda, çalışmaları için elektriğin gerekli olduğu yanma ve sıcaklık denetimi düzenekleri vardır. Benzer biçimde, sanayi ve üretim süreçlerinin çoğu için elektrik gücü gereklidir; elektrik kesintisi olduğunda, ticari kuruluşlar genellikle çalışmaz duruma gelir
XX. yy'ın ilk yarısında, ABD'de üretilen toplam enerjinin yalnızca % 10 kadarı elektriğe çevrilirken, 1990'da toplam enerjinin yaklaşık % 40'ını elektrik gücü oluşturmuştur. Gelişme yolundaki ülkelerin elektriğe bağımlılığı, çoğunlukla, sanayileşmiş ülkelerin ki kadar büyük değildir ama, bu ülkelerin bazılarında, elektrik kullanımının artış hızı, gelişmiş Batı ülkelerinde ve ABD'de elektriğe geçişin ilk yıllarındaki artış hızına yakındır.
STANDART ELEKTRİK ÜRETİM TESİSLERİ
Günümüzde ticari amaçlı elektrik enerjisinin aşağı yukarı tamamı, yakılan fosil yakıtlardan ya da nükleer kaynaklardan sağlanan buharla ya da su gücüyle çalışan jeneratörler tarafından üretilmektedir. Gelişmiş ülkelerde en çok fosil yakıtlardan yararlanılır; ama bazı ülkeler, uranyum gibi maddelerle üretilen nükleer enerjiye günümüzde daha çok ağırlık vermektedirler. Sözgelişi, Fransa'da elektriğin yaklaşık % 70'i nükleer enerji santrallarında üretilmektedir; Avrupa'da enerji maliyetinin en düşük olduğu ülke Fransa'dır.
Buharla çalışan basit bir elektrik santralında, bir kazandaki ya da buhar jeneratöründeki suyun sıcaklığını artırarak buharlaşmasını sağlayan bir ocak (ya da reaktör) ve jeneratörü çalıştırarak elektrik gücü üreten bir türbin bulunur. Elektrik enerjisi sanayisinin tarihi boyunca, tasarımda, metalürjide, yapım tekniklerinde ve denetim sistemlerinde gerçekleştirilen gelişmeler, elektrik üretim birimlerinin boyutlarının, çalışma sıcaklıklarının, basınçlarının ve verimliliklerinin sürekli artmasını sağlamıştır. Bu gelişmeler ve artan elektrik enerjisi istemi sonucunda, buharlı motorla çalışan ve ancak birkaç kilovat (kW) üretebilen ilk jeneratörün yerini, zamanla, 1 300 000 kW gibi yüksek çıktılar sağlayan günümüzün dev jeneratörleri almıştır. Hidroelektrik jeneratörler (ya da su gücü jeneratörleri), 1882'deki 12 kW'lik makinelerden ABD'de kurulu Grand Coulee santralındaki 600 000 kW'lık birimlere kadar büyümüştür.
Tepe yükü sorunu. Bütün elektrik hizmeti sistemlerinde, günün bazı saatlerinde ve yılın bazı mevsimlerinde, elektrik enerjisi isteminin öbür saat ve mevsimlerden daha çok olduğu dönemsel yük biçimleri vardır. Bir tesisin üretim kapasitesi tasarlanırken bu gibi durumlar göz önüne alınır; çünkü bazı üretim donanımı tipleri, taban (ya da sürekli) yükleri karşılamaya daha uygundur ve değişken yükler söz konusu durumlarda yeterli ya da ekonomik olarak çalışamayabilir. Bazı üretim donanımlarıysa, bu tür çalışma biçimlerinin gerektirdiği değişken yüklenmelere, aralıklı kullanıma, sık sık açma ve kapatmalara daha iyi yanıt verecek biçimde tasarlanmıştır. Hidroelektrik santralları, aralıklı işletmeye genellikle daha iyi uyum sağlar ve tepe yüklerini sağlamaya elverişli olabilirler. Ne var ki, ancak belirli yerlere kurulabilirler ve tepe noktaya ulaşan gereksinmelerini karşılamak için çoğunlukla yakıtlı tesislerden yararlanmak zorundadırlar. Birkaç sistemde, tepe yüklerini karşılayacak biçimde özel olarak tasarlanan buharlı tesisler kurulmuştur; bu tür hizmetler için bazen de içten yanmalı birimler kullanılmaktadır.
Yanma türbinleri. Yakın dönemde, yanma türbin jeneratörleri tepe yükü birimleri olarak yaygınlık kazanmıştır; bunun nedeni yalnızca bu jeneratörlerin hızlı başlama ve aralıklı çalışma özellikleri değil, daha çok, kurulmaları için gerekli sürenin kısa olmasıdır. Büyük bir buharlı elektrik santralının ihalesi ve yapımı, avans işlemleri yerine getirildikten sonra bile 5-10 yıl almaktadır. Bu nedenle, ihaleden sonra bir ya da iki yıl içinde kurulup işletmeye açılabilen 30 000 kW'lık ya da daha büyük bir yanma türbini birimi çekici bir seçenektir. Bu tür birimler, enerji yetersizliklerinde acil hizmet de görebilir, ayrıca bir savaş durumunda uygulanacak karartmalardan sonra, geleneksel üretim tesislerine başlama enerjisi sağlayan kaynaklar olarak da değer taşırlar. Yanma türbinleri için yapılan sermaye yatırımı, geleneksel buhar birimlerine yapılan yatırımdan daha azdır, ama yakıt verimliliği çoğunlukla onlar kadar yüksek değildir ve bakımı daha pahalıdır.
ELEKTRİK ÜRETİMİNİN YENİ BİÇİMLERİ
Elektrik hizmeti kullanımına uygun, daha verimli, çevreye daha az zarar veren yeni elektrik üretim biçimleri bulma arayışı yıllardır sürdürülmektedir. Temel sorun, seçenek sistemlerin kabul edilebilir bir maliyetle elektrik üretip üretemeyeceğidir. Ne var ki, girdi enerjiyi mekanik enerjiye çeviren, sonra da mekanik enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesini sağlayan dönel (rotatif) makinelerin kullanıldığı sistemler dışında, geniş çaplı hizmet için yeterince pratik hiçbir yeni yöntem geliştirilememiştir. Bununla birlikte enerji sanayisinde başka olanaklar araştırılmaktadır.
Magnetohidrodinamik. Magnetohidrodinamik (MHD) yönteminde, magnetik alandan iyonlaştırılmış bir gaz ya da sıvı metal geçirilerek elektrik üretilir. Gerek ABD'de,gerek gelişmiş başka ülkelerde deneysel birimler kurulmuştur; ama henüz hiçbirisi geleneksel jeneratörlerin yerini alacak kapasitede değildir. Elektrogazdinamiği. Elektrogazdinamiği (EGD) yönteminde, yüklü parçacıkları elektrik alanından geçirmek için gaz akıntısından yararlanılır. Elektrik alanı, parçacıkların hareketine karşı koyarak onları yavaşlatır; böylece, kinetik (hareket) enerjisini doğru akıma çevirerek yüklerini artırır.
MHD'yle olduğu gibi, EGD'yle de bazı umut verici sonuçlar alınmıştır; ama EGD'nin geleneksel üretim donanımının yerini alabilmesi için çözülmesi gereken birçok sorun vardır.
Termoelektrik ve termiyonik jeneratörler. Termoelektrik ilkesine ya da termiyonik emisyon ilkesine göre çalışan jeneratörler, ısı enerjisini önce mekanik enerjiye çevirmeksizin doğrudan doğruya elektriğe çevirebilen statik aygıtlardır. Güç gereksinmesi az olan bazı küçük uygulamalarda her iki yöntem de kullanılmıştır; ama yakın gelecekte büyük çaplı güç kaynağı olarak ikisi de umut verici görünmemektedir.
Yakıt hücreleri. Bazı uzmanların düşüncesine göre, bazı sanayiler ve uzak yerleşim alanları için elektrik enerjisi kaynağı olarak yakıt hücrelerinin parlak bir geleceği vardır. Yakıt hücresi, kesintisiz süreç bataryasını andıran bir biçimde, yakıtın kimyasal enerjisini doğru akımlı elektrik çıktısına dönüştüren elektrokimyasal bir aygıttır. Uzay uygulamalarında hidrojen yakıtlı hücreler kullanılmıştır; doğal gaz ve elektrik hizmeti veren bir grupsa doğal gazlı bir yakıt hücresi geliştirmeye yönelik geniş çaplı bir araştırma programına destek vermiştir; ama günümüze kadar hiçbiri, geleneksel elektrik hizmetiyle yarışabilecek başarı düzeyine ulaşamamıştır.
Güneş enerjisi. Petrol ve kömür gibi fosil yakıtların tükenince yenilenemeyeceği konusunda kamuoyunun bilgi düzeyi yükseldikçe ve normal yanma süreçlerinin çevre üstündeki etkileri ile hava kirliliğine ilişkin kaygılar arttıkça, son yıllarda güneş enerjisine daha çok ilgi duyulmaya başlanmıştır. Güneş enerjisinden elektrik gücü üretimi hâlâ pahalıdır. Güneş enerjisinin büyük miktarda güç üretimi için kullanılabilmesi, yeterince düşük bir maliyetle yüksek verim elde edilmesine bağlıdır. Enerjiyi emerek ısı üreten küçük, bağımsız güneş toplama aygıtlarından, hem yeryüzüne hem de uzaya kurulacak nispeten büyük güneş toplama alanlarına varıncaya kadar çeşitli tasanlar üstündeki çalışmalar ilerlemektedir. Güneş ışığını elektriğe çeviren güneş pilleri (fotovoltaik piller) üstünde oldukça geniş araştırmalar yapılmıştır. Bilgisayar yongası teknolojisine dayanan yeni yapım işlemleri de geliştirilmektedir. Yapım maliyetleri azaltılabilirse, bu yönetim her ülkenin güneşli bölgelerinde uygulanabilir. Deneysel uygulamada, fotovoltaik pil sistemlerinin, enerji sanayisinin kabul edebileceği bakım maliyetlerinde güvenilir bir kaynak olduğu kanıtlanmıştır.
Rüzgâr gücü. Rüzgâr enerjisi, elektrik üretim yöntemi olarak son yıllarda oldukça büyük ilgi çekmektedir. Kaliforniya'da, çoğunun kapasitesi 50-200 kW arasında binlerce rüzgâr gücü makinesi kurulmuştur ve rüzgâr enerjisi, Kaliforniya'nın elektrik gücünün yaklaşık % 1 'ini sağlamaktadır. Bazı örnekleri İngiltere' de kullanılan daha büyük rüzgâr türbinlerinin kapasitesi birkaç bin kW'tır; ama bunların güvenilirliği konusunda henüz doyurucu sonuçlar alınamamıştır. Rüzgâr gücünden elektrik üretiminin, fosil yakıtların korunmasını sağlamasına ve havayı kirletmemesine karşın, enerjiye en çok gereksinme duyulan yerlerde rüzgâr gücü sürekli değildir. Güçlü rüzgârlara dayanabilecek uzun ömürlü türbinler yapmanın zorluğu ve rüzgâr gücünün yüksek maliyeti, gelecekte rüzgâr gücünün enerji üretiminde belki de yalnızca küçük bir rol oynamasına yol açacak iki ana nedendir.
Jeotermal güç. Dünyanın içindeki ısı "cep"leri, ABD (Kaliforniya), İtalya/İzlanda, Meksika, Yeni Zelanda, İngiltere, vb. ülkelerde elektrik üretimi için jeotermal enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Başka yöntemlerin maliyetinin artması nedeniyle jeotermal seçenekler ekonomik bakımdan daha uygun duruma gelirse, bu yöntem daha da yaygınlaşabilir. Jeotermal enerji santrallarının çalışması, öbür termal enerji santrallarıyla aynı ilkelere dayanır. Bu santrallar, elektrik jeneratörlerini çalıştıran türbinlere güç sağlamak için, yerkabuğunun altında bulunan buharın ya da sıcak suyun ısısından yararlanırlar. Kusurları arasında, sıcak suda ya da buharda tuzların bulunması ve bazı yerlerde gerekli sondaj derinliğinin aşırı yüksek olması sayılabilir.
Gelgit enerjisi. Birkaç ülkede gelgit enerjisi santralları kurulmuş, ama hiçbirinden henüz dikkate değer bir sonuç alınamamıştır.
Katı atıklardan elektrik üretimi. Birçok ülkenin bazı kentlerinde çok büyük çöpyakarları olan enerjiyi geri kazanma tesisleri, kentsel katı atıkları elektriğe çevirerek, elektrik dağıtım kurumlarına satmaktadır.
ELEKTRİK ENERJİSİ İLETİMİ
Elektrik enerjisi iletim sistemleri, düşük gerilimli güç üretim donanımını yüksek gerilimli iletim tesislerine bağlanmak için yükseltici transformatör merkezlerinden, gücü bir noktadan öbürüne aktarmak ve üretim kaynaklarını bir araya toplamak için yüksek gerilimli iletim hatlarından, ayrı ayrı iletim devreleri için kavşak noktaları olarak görev yapan şalter merkezlerinden, iletim devrelerini daha düşük gerilimli dağıtım sistemlerine ya da başka kullanıcı tesislerine bağlayan indirici transformatör merkezlerinden oluşur. Bu ikincil merkezlerde, transformatörlere ek olarak, donanımı hizmete sokup çıkarmak için devre kesiciler ve bunlarla ilişkili bağlantı aygıtları, donanımı yıldırımdan korumak için paratonerler ve elektriğin özel uygulamaları için başka araç-gereçler de bulunur. Aksaklıkları çabucak saptayan ve hatalı donanımı hızla devreden çıkaran duyarlı araçlar gibi son derece gelişmiş denetim sistemleri, hem elektrik donanımını hem de insanları korumak için her tesisin vazgeçilmez bir parçasıdır.
Havai iletim hatları. İlk yüksek gerilim iletim hatlarının birçoğu, temelde, elektrik enerjisini hidroelektrik santralarından uzaktaki sanayi bölgelerine ve yerleşim merkezlerine taşımak için kurulmuştur. Bu ilk dönemlerde yüksek voltaj iletim hatları, yakıt kaynaklarına ve soğutma suyu rezervlerine yakın olan elverişli, uzak yerlere büyük üretim birimlerinin ve santralların kurulmasına olanak verecek biçimde tasarlanmıştır. Ama günümüzde, çeşitli elektrik ağlarını birbirine bağlayan iletim hatları, düşük maliyetli enerji alışverişleriyle daha büyük ekonomi sağlamakta, yedek üretim kapasitesinden tasarruf edilmesine olanak vermekte, sistemin güvenilebilirliğini artırmakta ve farklı sistemlerdeki tepe yüklerinin değişik olmasından yararlanarak işletme giderlerini azaltmaktadır.
Eskiden 33 kV ya da 44 kV sınıfındaki enerji hatları "yüksek gerilim hattı" sayılırken, yükler arttıkça ve iletim uzaklıkları uzadıkça, iletilen voltajlar da artmıştır. Elektrik yitimleri, akımın karesiyle doğru orantılı olarak artar (hattaki voltaj ne kadar yüksekse, eşdeğer miktardaki enerjiyi taşımak için gerekli akım da o kadar düşük olur). Üstelik, bir tek yüksek gerilim hattı, çoğunlukla, birkaç tane düşük gerilim hattı kadar elektrik enerjisi taşıyabilir; bu nedenle, yüksek voltajların kullanılması, gerekli hat sayısını azaltır ve hatların geçeceği alanı daraltır. Günümüzde birçok ülkede, voltaj düzeyleri 69, 115, 138 ve 161 kV'a yükseltmiş, 1976'da ABD'de 1 380 km uzunluğunda 800 kV'lık bir hat hizmete sokulmuştur. Bunların tümü dalgalı akım hatlarıdır. Bu tür sistemler, büyük miktarlardaki elektrik enerjisini büyük uzaklıklara taşımak için ekonomik bir yol oluşturur.
Yeraltı iletim hatları. Birçok iletim devresinde yeraltı kabloları kullanılır; ama bu tesisler, büyük ölçüde, havai hatlar için geçiş izninin alınamadığı ya da başka etkinliklere engel olacakları için havai hatların kurulmasına olanak bulunmayan yerlerle sınırlıdır. Yeraltı devrelerinin maliyeti, benzer kapasitede havai devrelerin maliyetinden genellikle birkaç kat fazladır.
Yeraltı kablolarının yalıtımı sorunu, havanın büyük bir yalıtım ortamı olarak işlev gördüğü havai hatların yalıtımı sorunundan çok farklıdır. Katı sentetik yalıtım maddeleri, düşük voltaj aralıklarında doyurucu sonuçlar vermiştir, ama yüksek gerilim uygulamalarında başlıca yalıtkan, gaz ya da yağlı kâğıttır. Yakın dönemde, polietilen gibi maddelerin kullanıldığı bazı ekstrüzyonlu sentetik yalıtkanlar geliştirilmiştir.
Gazla ya da yağla yalıtılmış, yaygın bir kablo çeşidi olan kapalı kabloda, içi boş bir özün çevresinde oluşturulan bir iletken kullanılır; sonra bu öz, alçak basınçlı yağla doldurulur. İletken yağlı kâğıtla yalıtılır ve tümü metal bir kılıfla kaplanır. Dünyanın her yanında, dalgalı akım iletimi amacıyla normalde kullanılan üç evreli (fazlı) elektrik sisteminin her evresi için bir tane olmak üzere, bu kablodan üç tane kullanılması gerekir. "Boru tip kablo" adı verilen başka bir kablo sisteminde, yağlı kâğıtla yalıtılarak metal ya da sentetik kılıf bantlarıyla kapatılan iletkenler kullanılır. Bu kabloların üçü tek bir boruya geçirilir; sonra bu boru yüksek basınçlı gazla ya da yağla doldurulur.
Yeraltı dalgalı akım devrelerinde karşılaşılan önemli bir sorun, enerjili iletkenler ile kabloların metal kılıfları arasındaki sürekli yükleyici akım akışıdır. Pahalı denkleştirme aygıtları kullanılmadıkça, bu yükleyici akım, devrenin birkaç kilometresi içinde kablonun akım taşıyıcı kapasitesini bütünüyle kullanabilir ve başka işletme sorunlarına yol açabilir. Doğru akım kablo sistemlerinde böyle sorunlar oluşmaz; ama bunlarda da konvertörler (değiştirgeçler) ek bir maliyet yaratır.
Gerek estetik ve çevresel kaygılar, gerek geçiş izni elde etme zorlukları nedeniyle, güç devrelerinin yeraltına döşenmesi yönündeki baskılar artmıştır; gelecekte belki de yeraltı sistemleri önemli ölçüde genişleyecektir. Günümüzde en pahalı ekstra yüksek gerilim (EHV) yeraltı kablo sistemi, ABD'de New York kentindeki 345 kV'lık şebekedir.
GELECEKLE İLGİLİ DÜŞÜNCELER
Birçok ülkede hem devlet, hem de sanayi kesimindeki araştırmacılar, yıllar sonrası için yeni teknikler, yöntemler ve araç-gereçler bulmaya çalışmaktadırlar. Araştırılmakta olan konular arasında, tepe yük dönemlerinde elektriğin daha verimli kullanımı ve yüksek verimli floresan ampuller gibi enerji tasarrufu sağlayan araçların geliştirilip daha yaygınlaştırılması sayılabilir. Yakıt olarak hidrojen kullanımı gibi umut verici alanlardaki deneylerin yanı sıra, sentetik yakıt üretimi için ekonomik yöntemler bulma arayışı da sürdürülmektedir. Ayrıca, akım geçişine direnci azaltan daha yüksek sıcaklıklı süper iletken maddeler konusunda yapılan yeni buluşların, önemli yeni yaklaşımlar başlatmaları beklenmektedir.