Enerji

Artan küresel nüfus, kentleşme, sanayileşme ve teknolojik gelişmeler gibi faktörler nedeniyle enerji talebi hızla artmaktadır. Enerji, birçok şeyin temel bir bileşeni olması ve günlük yaşamın hemen her alanında kullanılması nedeniyle, toplumların refah seviyesinin yükseltilmesi için çok önemli bir bileşendir. İhtiyaçlar, tarımsal sorunlar, sağlık hizmetleri, istihdam, eğitim ve sürdürülebilirlik de dahil olmak üzere insan refahının tüm yönleriyle doğrudan ilişkilidir [1]. Dünya genelinde elektriğe erişimi olan insanların oranı 2010 yılında %83 iken 2020 yılında %91'e yükselmiştir. Elektriğe erişimi olmayan kişi sayısı ise bu süre zarfında 1,2 milyardan 733 milyona düşmüştür. Bu şeklide devam ederse 2030 yılında dünya nüfusunun %92'sinin elektriğe erişiminin olacağı ve yalnızca 670 milyon kişi elektriksiz kalacağı tahmin edilmektedir [2]. Kalkınmanın sürdürülebilir olması için enerjinin güvenli, uygun fiyatlı ve asgari düzeyde olumsuz çevresel etkiye sahip olarak sağlanması büyük öneme sahiptir [3].

Enerji Kaynakları

Enerji, iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Enerji, mekanik (potansiyel ve kinetik), termal, elektrik, kimyasal ve nükleer enerji de dahil olmak üzere çeşitli biçimlerde ortaya çıkar. Ayrıca çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere bir formdan diğerine dönüştürülebilir ve çeşitli şekillerde depolanabilir [4].

Birincil enerji, dönüştürülmeyen, doğrudan kullanılan tüm enerji kaynaklarını içerir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, yenilenebilir ve yenilenemeyen enerji olmak üzere iki farklı türde birincil enerji kaynağı vardır. Petrol, kömür, gaz, uranyum, hidroelektrik ve rüzgar gibi diğer tüm yenilenebilir enerji türleri birincil enerji örnekleridir. Yenilenebilir enerji, zaman içinde doğal olarak yenilenebilen ve bu nedenle kullanıma uygun olan kaynaklardan üretilirken, yenilenemeyen enerji kaynakları yenilenmeleri uzun zaman aldığı için sınırlıdır [5, 6].

İkincil enerji, birincil enerji dönüştürüldüğünde veya işlendiğinde ortaya çıkar. İkincil enerjiye doğal gazın yanmasından elektrik üretimi veya hidroelektriğin işlenmesi örnek olarak verilebilir. Ham petrolün rafine edilmesinden benzin gibi petrol ürünlerinin üretilmesi ve kömürden kok kömürü üretilmesi ikincil enerjinin diğer iki örneğidir [7].

Yenilenemeyen enerji kaynakları

Yenilenemeyen enerji, yakın gelecekte yenilenemeyen ya da yenilenme oranı kullanım oranından önemli ölçüde daha yavaş olan kaynaklardan sağlanan enerjidir. Bu tür birincil enerji kaynakları doğada sınırlı miktarlarda bulundukları için yenilenemeyen kaynaklar olarak kabul edilirler. Yenilenemeyen enerji kaynakları arasında fosil yakıtlar (kömür, petrol ve gaz) ve nükleer enerji üretiminde kullanılan radyoaktif mineraller yer almaktadır [5].

Kömür, siyah veya kahverengimsi siyah renkte olan ve enerji üretmek için yakılan tortul bir kayadır. Kömür endüstride ısı üretmek için kullanılsa da asıl endüstriyel kullanım alanı elektrik üretimidir ve birçok ülkede bu amaçla yüksek oranda kullanılmaktadır. Petrol, sıvı, gaz ve katı halde bulunabilen hidrokarbonların bir karışımıdır. En yaygın iki petrol türü olan sıvı ve gaz petrol, tipik olarak rezervuarlardan sondaj kuyuları açılarak ve bitmiş ürün yüzeye pompalanarak çıkarılır. Dizel, ulaşım, ısıtma ve elektrik üretimi gibi enerji ile ilgili uygulamalarda yaygın olarak kullanılan bir ham petrol ürünüdür. Doğalgaz hem ayrı olarak hem de ham petrol içinde çözünmüş olarak bulunabilen bir gazdır. Enerji içeriği yüksektir. Doğalgaz petrolden daha çevreci bir enerji kaynağıdır ve bu da kullanımında büyük avantaj sağlamaktadır. Doğal gazın konutlardan ticari ve endüstriyel alanlara kadar uzanan çeşitli kullanımları bulunmaktadır. Konutlarda mutfakta ve ev ısıtmasında, endüstride ise mekanların ısıtılmasının yanında ısıya ihtiyaç duyulan tüm uygulamalarda kullanılmaktadır. Radyoaktif mineraller (uranyum veya plütonyum), çekirdek nükleer fisyonla parçalandığında atomlarında enerji açığa çıkarır ve daha sonra elektrik üretmek için kullanılabilecek ısıyı serbest bırakırlar [1, 6].

Fosil yakıtlı enerji santrallerinde kömür, petrol veya gaz yakılması buhar şeklinde ısı üretir, bu da elektrik üreten devasa türbinlere güç sağlar. Bu tür santraller uzun süre boyunca sürekli olarak elektrik üretebilirler [3].

Yenilenebilir enerji kaynakları

Yenilenebilir enerji kaynakları, doğal olarak yenilenebilen ve neredeyse sınırsız olan kaynaklardır. Güneş, Dünya'nın ısısı, rüzgar ve su bunlardan sadece birkaçıdır. Biyokütleden elde edilen enerji de yenilenebilir enerji olarak kabul edilir [9]. Yenilenebilir enerji kaynakları, gerekli enerji sağlamak için çok büyük potansiyele sahiptir. Modern dönüşüm teknolojileri kullanılarak yenilenebilir enerji kaynaklarının daha fazla geliştirilmesi ve kullanılması sonucunda küresel enerji güvenliğini artması, geleneksel yakıtların uzun vadeli fiyatının düşmesi ve fosil yakıt rezervlerini diğer uygulamalar ve gelecek nesiller için sürdürülebilirliğinin sağlanması beklenmektedir [10]. Uygun fiyatlı, güvenilir ve uzun vadeli yenilenebilir enerji hizmetleri sağlamak için çok çeşitli teknolojiler mevcuttur veya geliştirilmektedir [10].

Güneş enerjisi, güneş ışığının ısıya veya elektriğe dönüştürülmesiyle elde edilir. Güneş enerjisi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bunlar arasında solar ısıtma, fotovoltaik hücreler ve solar termal elektrik üretim teknolojisi yer almaktadır. Biyokütle dolaylı veya direk olarak enerji üretiminde kullanılan bir kaynaktır. Doğrudan kullanımında biyokütleden ısı veya elektrik enerjisi üretimi yapılmakta, dolaylı kullanımında ise biyokütle enerji kaynağı olarak kullanılabilen bir sıvı veya gaza dönüştürülmektedir. Odun, mısır, şeker kamışı, hayvan atıkları ve kentsel katı atıklar biyokütleye birkaç örnektir. Çöp sahalarındaki biyokütlenin ayrışmasından kaynaklanan çöp gazı veya metandan da biyokütleye bağlı olarak enerji elde edilebilir. Biyokütleden elde edilebilen enerji uygulamaları güç sistemlerini ve ulaşım için kullanılan biyoyakıtları içerir. Rüzgar türbinleri rüzgar enerjisini elektrik veya mekanik güce dönüştürebilir. Rüzgar gücünden azami faydalanmak için tasarlanmış olan rüzgar türbinleri, tipik olarak şaftlar ve kuleler üzerine monte edilmiş kanatlardan oluşur. Akan sudan elektrik üretebilen santrallere hidroelektrik santraller denir ve bu santraller elektrik üretmenin en temiz ve en verimli yoludur. Jeotermal teknoloji kullanılarak, yeraltında mevcut ısı kaynağı yüzeye çıkarılır ve bu ısı doğrudan ısıtma ve soğutma amacıyla ya da elektriğe dönüştürülerek kullanılabilir [3, 9, 11]. Tablo 1, yenilenebilir ve yenilenemeyen enerji kaynaklarının avantaj ve dezavantajlarını karşılaştırmaktadır.

Tablo : Enerji kaynaklarının karşılaştırılması [5]

Küresel Enerji Sektörü

Küresel enerji talebi, özellikle gelişmekte olan piyasa ekonomilerinde kentleşme, nüfus ve ekonomik büyüme nedeniyle hızla artmaktadır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, toplam birincil enerji arzı (TEP) 1971 ile 2019 yılları arasında küresel boyutta 2,6 kattan fazla artarak 606 EJ'ye ulaşmıştır [12]. Küresel enerji arzının büyük bir kısmı Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü - Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) ülkelerinden gelmektedir. OECD ülkeleri 2019 yılı itibariyle toplam enerji arzının %37,1'ini karşılamaktadır. Çin %23,5'lik arz payı ile ikinci sırada yer almaktadır [12].

Şekil 3'te gösterildiği üzere, 2019 yılında dünya birincil enerji arzının %30,9'unu petrol, %26,8'ini kömür ve %23,2'sini doğalgaz kaynaklarından sağlanmıştır. Bunları yanıcı yenilenebilir kaynaklar ve atıklar (%9,4), nükleer (%5,0), hidroelektrik (%2,5) ve rüzgâr, jeotermal ve güneş (%2,2) takip etmektedir. Güneş, hidroelektrik ve rüzgar enerjisi santralleri için küresel boyutta toplam kurulum miktarının neredeyse yarısı Çin’de kurulu durumdadır [9].Gelişmekte olan ülkelerde toplam enerji arzının %20'sinden fazlası biyokütleden karşılanmakta ve bu ülkelerde biyokütlenin büyük bir kısmı yemek pişirmek ve ısınmak için kullanılmaktadır [13].

Şekil : Kaynağına göre toplam enerji arzının küresel payı, 2019 [12]

Küresel enerji talebi, 2018'de görülen büyüme oranının yarısından daha az artarak 2019'da 418 Exajoule (EJ) değerine ulaşmıştır. Şekil 4'te gösterildiği üzere, petrol (%40,4) nihai enerji tüketiminde en fazla paya sahip yakıt olmaya devam ederken, onu elektrik (%19,7), doğalgaz (%14,5), biyoyakıtlar (%10,4), kömür (%9,5) ve rüzgar, güneş, hidroelektrik ve jeotermal dahil diğerleri (%3,6) takip etmiştir. [12].

Bölgesel olarak, Çin %3,4'lük artışla 2019'daki net küresel enerji talebi artışının %90'ını oluştururken, neredeyse tüm gelişmiş ekonomilerde enerji talebinde düşüş gözlenmiştir. Avrupa Birliği ülkelerinde enerji talebi ortalama %2, Amerika Birleşik Devletleri'nde ise %0,8 oranında azalmıştır. Güneydoğu Asya'da talep %3,4 gibi yüksek bir hızla artarken, Hindistan'da 2018'de %4 olan büyüme 2019'da 2007'den bu yana en düşük seviye olan %0,9'a gerilemiştir [12].

Elektrik sektörü, en fazla yenilenebilir enerji kullanan sektör olmasına rağmen (%26), 2019 yılında toplam nihai enerji tüketiminin yalnızca %17'sini karşılamıştır. Özellikle yüksek işleme sıcaklıkları gerektiren sektörlerde yenilenebilir enerji kaynakları, endüstriyel enerji talebinde küçük paya sahip olmaya devam etmiştir. Yenilenebilir enerji, toplam endüstriyel enerji talebinin yaklaşık %14,8'ini oluştururken özellikle düşük sıcaklıkta proses ısısına ihtiyaç duyan işletmelerde kullanılmaktadır. Yenilenebilir elektrik, yenilenebilir endüstriyel ısının %10'unu oluştururken 2019'da toplam endüstriyel ısı tüketiminin yalnızca %1'ini oluşturmaktadır. Petrol ve petrol ürünlerinin (%0,8 yenilenemeyen elektrikle birlikte) küresel ulaşım enerjisi ihtiyacının neredeyse tamamını (%95,8) karşıladığı, ulaşım sektörünün yenilenebilir enerji kullanımında en düşük paya sahip olmaya devam ettiği belirlenmiştir. Bu ihtiyaçların sadece %3,1'i ve %0,3'ü sırasıyla biyoyakıtlar ve yenilenebilir elektrik tarafından karşılanmıştır. Yenilenebilir enerji, bina nihai enerji talebinin giderek artan bir bölümünü karşılamakta ancak hala toplam enerji talebinin %15'inden azını oluşturmaktadır [9].

Enerji sektörü, herhangi bir ülkenin uzun vadeli kalkınması için kritik bir sektördür; ancak enerji üretimi ve tüketiminin iklim değişikliği, kirlilik ve enerji yoksulluğu gibi çevresel, ekonomik ve sosyal sonuçları vardır. Sürdürülebilir enerji, tekrar tekrar kullanılabilen ve tükenmeden mevcut enerji ihtiyaçlarımızı karşılayan enerji olarak tanımlanmaktadır [3, 14]. Fosil yakıtlı enerji santrallerinde kömür, petrol veya doğalgaz yakıldığında buhar üretilir ve bu buhar elektrik üreten devasa türbinlere güç verir. Bu santraller uzun süre boyunca istikrarlı bir şekilde elektrik üretir. Buna karşılık fosil yakıtların yakılması atmosfere büyük miktarlarda sera gazı ve diğer zararlı gazlarla birlikte katı atıklar yayarak iklim değişikliğine, asit yağmurlarına, toprak ve su kirliliğine neden olur. Elektrik üretmek için fosil yakıtlar yerine yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, enerji sektöründen kaynaklanan emisyonları azaltabilecek bir faktördür [3, 15]. Enerji üretimi, dönüşümü ve kullanımı çevre üzerinde önemli bir olumsuz etkiye sahip olduğundan, ekonomik ihtiyaçları karşılarken çevreyi de koruyan bir enerji sistemi kurmak çok önemlidir. Enerji seviyelerine bağlı küresel CO₂ emisyonları 2019 yılında yaklaşık 33 gigaton (Gt) seviyesine ulaşmıştır. Enerji kullanımından kaynaklanan CO₂ emisyonları 2018 ve 2019 yılları arasında %0,5 oranında artarak, 10 yıllık ortalama yıllık büyüme oranı olan %1,1'in yarısından daha az artmıştır [12, 16].

Yenilenebilir enerjinin daha düşük sera gazı emisyonu ve daha az hava kirliliği gibi çevre için avantajları iyi bilinmektedir. Bununla birlikte yenilenebilir enerji teknolojilerinin kullanımı yaygınlaştıkça, birçok sosyal ve ekonomik avantajı da belirgin hale gelmektedir. Yenilenebilir enerji sayesinde her yıl dünya çapında önemli sayıda istihdam yaratılmaktadır. Yenilenebilir enerji sektörü küresel olarak 10,3 milyon kişi istihdam etmektedir. Bir milyardan fazla insan elektriğe erişimi olmayan bölgelerde yaşarken bir diğer milyar insan da güvenilir olmayan enerji kaynaklarını kullanmaktadır. Kırsal alanlarda veya gelişmekte olan ülkelerde elektriğe erişimi olmayan insanların %80'i için, küçük ölçekli yenilenebilir enerji teknolojileri, enerji kaynaklarına artan güvenilirlik, hızla düşen teknoloji maliyetleri ve destekleyici politikalar sayesinde enerji sağlamak artık finansal olarak uygulanabilir hale gelmiştir [15].

Enerji Verimliliği

Enerji verimliliği, tüketilen enerji miktarının, üretimdeki miktar ve kaliteyi düşürmeden, ekonomik kalkınmayı ve sosyal refahı engellemeden en aza indirilmesidir. Aynı miktarda işi daha az enerji ile yapmak anlamına gelir. Enerji verimliliği tipik olarak belirli bir enerji girdisi için enerji çıktısı miktarı olarak ifade edilir ve %0 ile %100 arasında bir yüzde olarak ifade edilir. Enerji üretiminden enerji tüketimine kadar, zincir boyunca enerji verimliliğinin artırılabileceği birçok yer vardır [17].

Enerji verimliliğinin, daha düşük sera gazı emisyonları, daha düşük enerji ithalatı talebi ve daha düşük hane halkı gideri de dahil olmak üzere çeşitli avantajları vardır. Binalar, ulaşım, sanayi veya enerji üretimi olsun, ekonominin her alanı verimlilik iyileştirmeleri için önemli bir potansiyele sahiptir. Enerji verimliliği girişimleri, enerji sektöründe ve sanayide yeni işlerin yaratılmasına yol açabilir [6, 17].

Küresel birincil enerji verimliliği yılda %1,9 artarak 2010'da ABD$ başına 5,6 megajoule (MJ) iken 2019'da 4,7 MJ değerine yükselmiştir. Enerji verimliliği hedefine ulaşmak için 2030 yılına kadar yıllık artış oranının ortalama %3,2 olması gerekmektedir [2].

Kaynakça

1. WEC, World Energy Resources, World Energy Council. 2016.

2. UN. The Sustainable Development Goals Report 2022, United Nations. 2022 13/10/2022]; Available from: https://unstats.un.org/sdgs/.

3. IPCC, Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, ed. R.P.-M. Ottmar Edenhofer, Youba Sokona, Kristin Seyboth, Patrick Matschoss, Susanne Kadner, Timm Zwickel, Patrick Eickemeier, Gerrit Hansen, Steffen Schloemer, Christoph von Stechow. 2011: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

4. Ackerman, C., et al., Primary Energy Infobook, The National Energy Education Development (NEED) Project in 2019.

5. Zohuri, B. and P. McDaniel, Chapter 9 - Energy insight: an energy essential guide, in Introduction to Energy Essentials, B. Zohuri and P. McDaniel, Editors. 2021, Academic Press. p. 321-370.

6. IEA, Energy Technology Perspectives 2020, International Energy Agency. 2020.

7. Iliev, I., et al., Energy Efficiency and Energy Management Handbook. Bulgaria Energy Efficiency for Competitive Industry Financing Facility (BEECIFF): Project Preparation, Capacity Building and Implementation Support, ed. I.K. Iliev. 2012.

8. Rahman, M., J.-H. Kim, and S. Hossain, Recent Advances of Energy Storage Technologies for Grid: A Comprehensive Review. Energy Storage, 2022.

9. REN21, Renewables 2021 Global Status Report, Paris: REN21 Secretariat. 2021.

10. Turkenburg, W., et al., Renewable Energy (Chapter 11), in Global Energy Assessment, J.ü.r. Schmid, Editor. 2012, Cambridge University Press.

11. Panwar, N.L., S.C. Kaushik, and S. Kothari, Role of renewable energy sources in environmental protection: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011. 15(3): p. 1513-1524.

12. IEA, Key World Energy Statistics, International Energy Agency, Editor. 2021, Energy Information Administration: Paris.

13. IRENA, Hydropower, in Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series. 2022, International Renewable Energy Agency: Germany.

14. Hollaway, L.C., 19 - Sustainable energy production: key material requirements, in Advanced Fibre-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Structural Applications, J. Bai, Editor. 2013, Woodhead Publishing. p. 705-736.

15. IRENA. Renewable Energy Benefits, International Renewable Energy Agency. 2022 12/10/2022]; Available from: https://www.irena.org/benefits.

16. BP, BP Statistical Review of World Energy. 2020, British Petroleum: London. p. 1-44.

17. Erbach, G., Briefing 2015, Understanding Energy Efficiency, EPRS | European Parliamentary Research Service. 2015.