Tarımda yenilenebilir enerji uygulamaları - 2

Tarım, insan gıdasının tek sağlayıcısıdır. Sürdürülebilir tarım, çevresel ürün ve hizmetleri olumsuz etkilemeyen, çiftçiler için ekonomik ve verimli olan ve gıda üretiminin artmasına katkıda bulunan teknoloji ve yöntemlerin uygulanması ihtiyacına odaklanmaktadır [1].

Çiftlikte ısıtma, soğutma, çekiş ve diğer enerji işlevleri için enerji kullanımını karşılamak üzere birçok teknoloji mevcuttur. Kırsal alanlarda rüzgar, güneş, biyoenerji ve jeotermal kaynaklardan yenilenebilir enerji üretilebilmektedir. Bu yenilenebilir kaynaklar tarım ve gıda sanayisi için büyük bir potansiyele sahiptir. Çiftçiler farklı teknolojileri aynı anda da kullanabilirler. Diğer ortamlarda, çiftlikte üretilen yenilenebilir enerji elektrik veya gaz şebekelerine verilebilir. Hem bireysel çiftlik hem de tüm tarım sektörü ölçeğinde, yenilenebilir enerji üretimi ve dağıtımı için çok çeşitli seçenekler ve potansiyel bulunmaktadır [2].

Tarımda kullanılan makinelerin çoğu, sera gazı emisyonlarına sebep olan ve dolayısıyla iklim değişikliğini hızlandıran fosil yakıtlarla çalışmaktadır. Bu tür çevresel sürdürülebilirlik sorunları güneş, rüzgar, biyoenerji, hidroelektrik, jeotermal enerji gibi yenilenebilir kaynakların teşvik edilmesiyle azaltılabilir [3, 4]. Ayrıca birçok küçük ve orta ölçekli tesis, yenilenebilir enerjinin üretimi, satışı ve dağıtımında yeni işbirliği fırsatları sunmaktadır. Yenilenebilir enerji kırsal bölgelere istihdam ve ekonomik kalkınma getirmekte, fosil yakıtların yerini almakta ve enerji güvenliğine katkıda bulunmaktadırlar [2].

Rüzgar Enerjisinin Tarımda Kullanımı

Rüzgar, güneş enerjisinin dolaylı şeklidir. Bu enerji türü sürekli olarak güneş tarafından yenilenir ve yer yüzeyinin güneş tarafından ısıtılmasından kaynaklanır. Yer yüzeylerinin farklı ısınması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, bu farklı basınç da havanın hareketine neden olur. Rüzgarın özellikleri, yerel coğrafi farklılıklar ve yeryüzünün homojen olmayan ısınmasına bağlı olarak, zamansal ve yöresel değişiklik gösterir [5, 6].

Günümüzde, teknolojisi ve kullanımı en hızlı gelişme gösteren ve ekonomisi de konvansiyonel enerji kaynakları ile rekabet edebilir hale gelen yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden biri rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisi, havanın var olan kinetik enerjisinden faydalanarak, türbinler vasıtası ile mekanik ya da elektrik enerjisi elde etme işidir. Rüzgar enerjisi çevre dostu, enerji güvenliğini sağlayabilecek ve fosil yakıtlara dayanan geleneksel enerjiye bir alternatiftir [7, 8].

Rüzgar enerjisinin tarımda kullanım alanlarını genel olarak iki grupta toplamak mümkündür. Bunlar;

• Mekanik uygulama alanları (su çıkarma, öğütme gibi),

• Elektriksel uygulama alanları (Şebeke bağlantısız ve şebeke bağlantılı uygulamalar) [9].

Rüzgar enerjisinden elektrik üretmek için rüzgar tribünleri, mekanik enerji yaratmak için yel değirmenleri veya kuyu pompalama için rüzgar pompaları kullanılır [10]. Kırsalda rüzgar enerjisinin kullanımının yel değirmenleri ile başladığı bilinmektedir. Ortaçağ dönemlerinden bu yana kulanılan yel değirmenleri kuyulardan su çekmek ve tahıl öğütmek amacı ile kullanılmıştır. Türbin aracılığı ile mekanik enerjiye dönüştürülen rüzgar enerjisi, iki plakanın ritmik olarak dönmesini sağlar ve bu iki plaka arasındaki ürünler öğütülür. Yel değirmenleri, tarımsal faaliyetlere uzun yıllar destek vermiştir [11, 12].

Pompalar, sıvıların potansiyel enerjisini kinetik enerjiye çeviren makinelerdir. Rüzgar enerjisi ile çalışan pompalar sadece rüzgar gücü ile su çekmektedir. Şekil 1’de gösterildiği gibi rüzgar türbini üzerindeki şaft ile rüzgar akımının kinetik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülerek tarım alanlarında su pompalamak ve kuyulardan su çekmek için kullanılır. Kaynak üzerine kurulan pompaya ait pistonunun aşağı-yukarı hareket etmesiyle bağlı bulunduğu düzenek yardımı ile suyu yüzeyde istenen alana boşaltır. Kaynaktan alınan su basınç farkının etkisi ile hortumlar vasıtası ile dışarı aktarılır. Rüzgar enerjisi kesintili bir kaynak olması sebebiyle su ihtiyacının sürekli karşılanabilmesi adına depolama sistemleri ile beraber kullanılır [13-15]. Sistemin çalışması için az bir rüzgar olması yeterlidir. Hafif rüzgarlarda bir rüzgar pompası ortalama 10-15 ton su çekebilmektedir. Kullanıcılar ihtiyaçlarına göre farklı boyutlarda pompalar temin edebilir. Pompanın bağlı bulunduğu rotorun büyüklüğüne göre kapasitesi değişkenlik gösterir [16].

Rüzgar enerjisi elektrik üretiminde önemli bir role sahiptir ve bu enerji kaynağı kullanılarak üretilmekte olan elektriğin oranı giderek artırmaktadır [17]. Rüzgar enerji santrallerini oluşturan ana elemanlar rüzgar türbinleridir. Rüzgar enerjisi ile elektrik enerjisi üretimi, çok yeni bir teknoloji olmasına rağmen, işleme mantığı eski yel değirmenleri ile aynıdır. Bir rüzgar türbini genel olarak jeneratör, kule, elektrik ekipmanları, dişli kutuları, pervane kanadı ve gövdesi (rotor) ile temelden oluşur. Rüzgarın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye dönüştürülürken rotor milinin dönme hareketi ile gövde bulunan jeneratöre aktarılır. Jeneratör kısmından elde edilen enerji ise akülerle depolanarak veya doğrudan elektrik alıcılarına iletilir [6, 10].

Rüzgar tribünleri şebeke bağlantılı ve şebeke bağlantısız olarak kullanılabilir. Şebeke bağlantılı rüzgar tribünleri genelde yüksek güçteki kullanımlar içindir. Şebeke bağlantısız tribünler de daha çok ufak ihtiyaçlar için kullanılmaktadır [18, 19].

Rüzgar enerjisi temiz, çevreyi kirletmeyen, yakıt gerektirmeyen bir enerji kaynağıdır. Tarımsal alanlarda her çiftliğe veya yerleşim birimlerine kurulacak rüzgârgülleri aracılığıyla enerji üretim maliyetleri oldukça düşmekte ve iletim hatlarına uzak bölgelerde kurulacak bu tür sistemler her yönüyle ekonomik olmaktadır. Bu sistemlerin elektrik dağıtım şebekesine bağlı olarak işletilmesi durumunda ise gerekli yasal zeminin oluşturulmasıyla üretilen elektriğin tüketimi aşan kısmının satılması yoluyla da ilave gelir elde edilebilmektedir.Rüzgar türbinlerinin en önemli avantajı, küçük izdüşümüne sahip olmaları nedeniyle çok fazla yer işgal etmemeleri, dolayısıyla da tarım alanlarının içinde kurulabilmeleridir [19, 20].

Hidroelektrik Enerjisinin Tarımda Kullanımı

İnsanlık, en eski zamandan bu yana su hayatımızın vazgeçilmezi olduğu için sürekli suya yakın yerlerde yaşam alanları kurmuştur. Suyu sadece günlük ihtiyacının ötesinde, ulaşım, avlanma ve hatta enerji üretmek için kullanmıştır. İlk basit taşıma işlemi nehirlerden yapıldı. Kesilen/toplanan ağaçların ve dalların su üzerinden akıntı ile taşınması su ile taşımanın ilk uygulama örneklerindendir. Halen ormancılık faaliyetlerinde yoğun kullanılan bu yöntem, ilk ulaşım olan salların veya kayıkların da gelişmesini sağlamıştır. Bu da ticari faaliyetlerin gelişmesini desteklemiştir [21].

Tarımda akan suyun enerjisi mekanik veya elektriksel olarak kullanılır. Suyun gücü yüzyıllardır mekanik güç üretmek için kullanılmaktadır. Tarımsal işleme gibi günlük faaliyetler mekanik güç sayesinde mümkün olmaktadır. Suyun mekanik gücünün tarımdaki önemli uygulamalarından biri bugün de halen kullanılan su değirmenleri ile tarımsal üretimin temel taşı olan tahıl öğütme işlemidir [22]. Su değirmeni, mekanik bir işlem için su çarkı veya türbini kullanan yapıdır. Bu sistem suyu bir nehirden veya göletten genellikle bir kanal veya boru boyunca bir su çarkına yönlendirerek çalışır. Su çarkları su akışına göre yatay ya da dikey olabilir. Yatay su çarkları daha basittir fakat iyi çalışması için suyun hızının yüksek olması gerekmektedir [23].

Hidroelektrik, özellikle yüksek enerji yoğunluğu, düşük maliyet ve güvenilirlik gibi diğer yenilenebilir kaynaklara göre sahip olduğu önemli avantajlar nedeniyle en yaygın kullanılan yenilenebilir enerji kaynağıdır [24]. Hidroelektrik santralleri, rezervuar hidroelektrik santralleri ve nehir tipi hidroelektrik santralleri olmak üzere iki ana grupta sınıflandırılabilir. Nehir tipi hidroelektrik santralleri, elektrik üretmek amacıyla türbinleri döndürmek için nehrin akan suyunu kullanır. Hidroelektrik santrallerin rezervuar tipleri, büyük miktarlarda suyu toplamak ve depolamak için bir baraj kullanır [25].

Hidroelektrik santralleri çok küçük boyutlardan çok büyük boyutlara kadar mevcuttur. Genellikle kW aralığında olan nehir tipi mikro ya da küçük hidroelektrik santraller, birçok ülkede kırsal alanda elektrik üretmek için kullanılmaktadır. Şekil 2’de gösterildiği gibi bu sistemler basit bir prensibe göre çalışır: akarsu veya nehirlerden gelen su bir türbinden geçer, türbin döner ve elektrik üretebilen bir jeneratörü döndürür. Güvenilir bir enerji üretimi elde etmek için yerel su kaynakları hakkında iyi bilgi sahibi olmak ve sistemi buna göre tasarlamak önemlidir [26, 27].

Küçük hidroelektrik santralleri tarım zincirine entegre edilme potansiyeli yüksek olduğu için uygulaması da gün geçtikçe artmaktadır. Bu sistemlerin geliştirilmesiyle kullanılamayan önemli bir fırsat sulama kanallarındaki mevcut akışlardan üretilen enerjide yatmaktadır. Bu şekilde kullanımla birlikte sulama kanalı verimli sulama hizmeti ve enerji üretimi için birlikte işletilmektedir [28].

Hidroelektrik santrallerinden elde edilen elektrik tarımsal alanda su pompalama, tarımsal ürünlerin işlenmesi ve depolanması, seraların ısıtılması ile aydınlanma için kullanılmaktadır. Ayrıca barajlar doğrudan sulama ve balık yetiştiriciliği için kullanılmaktadır [29].

Biyoenerjinin Tarımda Kullanımı

Biyokütle enerjisi, klasik ve modern olarak iki sınıfa ayrılabilir. Odun ve hayvan atıklarının basit şekilde yakılması, klasik biyokütle enerjisi olarak tanımlanırken, enerji bitkileri, enerji ormanları ve çöp atıklarından elde edilen, biyodizel, etanol ve biyogaz gibi çeşitli yakıtlar, modern biyokütle enerji kaynağı veya biyoyakıt olarak kabul edilmektedir [20]. Biyokütleden çiftliklerde doğrudan elektrik ve ısı ya da dolaylı olarak sıvı, katı veya gaz formunda yakıtlar olarak için yararlanılır. Dünya genelinde evlerde kullanılan enerjinin %30'undan fazlası ısıtma, pişirme ve aydınlatma için biyokütleden elde edilmektedir [30].

Teknolojinin hızla ilerlemesi ve makineleşmenin artmasıyla tarımsal üretim faaliyetlerinde, toprak işleme, gübreleme, ilaçlama, hasat, pazara taşıma gibi üretim aşamalarında petrol temelli yakıtların kullanımı artmaktadır. Bu tarım işletmelerinin yakıt tüketiminden kaynaklanan üretim maliyetlerini artırırken kırsal alanda çevre sorunlarının yaşanmasına neden olmaktadır. Tarımsal faaliyetlerde kullanılan petrol yakıtlarının biyoyakıtlar ile yer değiştirmesi büyük önem taşımaktadır [31].

Tarım ve ormancılık faaliyetlerinden kullanılan biyoenerji, çiftliklerin kendi enerjisini üretmeleri açısından önemlidir. Ayrıca, iklim değişikliğiyle mücadelede ve enerji arz güvenliğinin sağlanması için de kritiktir [25, 32].

Önceki bölümlerde biyoenerji ve tarımsal uygulamaları hakkında ayrıntılı bilgi verilmiştir.

Hibrit Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin Tarımda Kullanımı

Birden çok enerji kaynağı kullanılarak oluşturulan enerji sistemlerine hibrit enerji sistemleri denir. Hibrit enerji sistemi, yenilenebilir kaynaklı ya da fosil kaynaklı sistemlerin bir arada kullanılması ile enerji üretimi gerçekleştirmektedir [33]. Şekil 3’te örnek bir hibrit enerji üretim sistemi sunulmuştur. Hibrit bir enerji sisteminin planlanmasında teknoloji odağından ziyade pazar odağı vardır: öncelik, kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılamak için en verimli ve güvenilir enerji sistemleri seçilir [34].

Küçük bir hibrit sistemi tek bir sistem üzerinden pek çok faydayı bir arada toplar. Hibrit sistemler birden fazla enerji kaynağının kullanıldığı sistemlerdir bu sayede en iyi performans elde edilir. Yaz-kış enerji gereksiniminin olduğu ve kesintiye bir an bile yer verilmemesi ya da kurulan yenilenebilir enerji sisteminin desteklenmesi gereken yerler için ideal bir sistemdir. Hibrit enerji sistemleri, mevcut enerji altyapısından yararlanabilir ve maliyetleri, çevresel etkileri ve sistem kesintilerini azaltmaya yardımcı olacak bileşenler ekleyebilir [36]. Hibrit sistemin pek çok faydası olmakla birlikte bazı olumsuz tarafları da söz konusu olabilir. En belirgin olumsuz özelliği maliyettir. Çünkü enerji teknolojilerinin tekil kullanıldığı sistemlerden daha fazla bir maliyet söz konusu olabilir. Uzun vadede oldukça karlı bir sistemdir ancak en başta bir kurulum maliyeti de söz konusu olacaktır. Hibrit sistemlerde enerji kaynaklarının ikili ya da üçlü olarak kullanımı mümkündür. Herhangi bir zorluk yoktur. Projenin ihtiyacına bağlı olarak şebekeye bağlı ya da şebekeden bağımsız olarak tasarlanabilirler [37].

Hibrit enerji sistemleri tarım sektörü için alternatif enerji seçeneğidir. Bu sistemler bir veya daha fazla yenilenebilir enerji kaynağını depolama ile birleştirir ve bazen yenilenemeyen bir enerji kaynağı da içerebilirler. Bu sistemlerin mikro versiyonları, örneğin birkaç güneş paneline sahip bir mikro rüzgar türbini, düşük ve orta gelirli ülkelerdeki kırsal bölgeye elektrik sağlamak için uygulanabilir. Ayrıca enerji kaynağını çeşitlendirerek geleneksel yenilenebilir enerji sistemlerinin bazı sorunlarını çözebilir [38].

Kaynaklar

1. UNDP, Sustainable Agriculture, in The International Guidebook of Environmental Finance Tools, United Nations Development Programme (UNDP). 2012, United Nations

2. EIP-AGRI, Agricultural European Innovation Partnership (EIP-AGRI) Focus Group Enhancing production and use of renewable energy on the farm. 2019: Belgium.

3. Chel, K., Renewable energy for sustainable agriculture. Agronomy for Sustainable Development, Springer Verlag/EDP Sciences/INRA, 10.1051/agro/2010029.hal00930477, 2011. 31(1): p. 91-118.

4. Atılgan Türkmen, B., Renewable Energy Applications for Sustainable Agricultural Systems. International Journal of Innovative Approaches in Agricultural Research, 2020. 4(4): p. 497-504.

5. YEGM. Renewable Energy Sources. 2013 [12.05.2023]; Available from: http://www.eie.gov.tr/english/index-e.html.

6. Breeze, P., Chapter 11 - Wind Power, in Power Generation Technologies (Third Edition), P. Breeze, Editor. 2019, Newnes. p. 251-273.

7. Nurbay, N. and A. Çınar, Rüzgar türbinlerinin çeşitleri ve birbirleriyle karşılaştırılması. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, 2005: p. 19-21.

8. Türkmen, B.A., Orta ve Küçük Ölçekli Rüzgar Türbinlerinin Yaşam Döngüsü Boyutunda Sürdürülebilirliği: Literatür Taraması. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 2022. 13(3): p. 393-404.

9. Mahmoud, M., et al., Chapter 3.3 - Applications of wind energy, in Renewable Energy - Volume 1 : Solar, Wind, and Hydropower, A.G. Olabi, Editor. 2023, Academic Press. p. 331-345.

10. Bhatia, S.C., 8 - Wind energy, in Advanced Renewable Energy Systems, S.C. Bhatia, Editor. 2014, Woodhead Publishing India. p. 184-222.

11. Olabi, A.G., et al., Wind Energy Contribution to the Sustainable Development Goals: Case Study on London Array. 2023. 15(5): p. 4641.

12. Acosta-Silva, Y.d.J., et al., Applications of solar and wind renewable energy in agriculture: A review. 2019. 102(2): p. 127-140.

13. Taşkın, O. and A. Vardar, Tarımsal Üretimde Bazı Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kullanımı. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 2016. 30(1): p. 179-184.

14. Karishma, C., Farming the wind and wind power agriculture. Just Agriculture, 2021. 1(7).

15. Aermotorwindmill. How a Windmill Pumps Water?, Genuine Aermotor Windmills. 2004 [08.08.2023]; Available from: https://aermotorwindmill.com/pages/how-a-windmill-works.

16. Soyut Windmill. Rüzgar Su Pompası Nedir? 2023 [08.07.2023]; Available from: http://www.soyutwindmill.com/ruzgar-su-pompasi/nasil-calisir/.

17. TÜBA, Rüzgâr Enerjisi Teknolojileri Raporu, Türkiye Bilimler Akademisi,, İ. Dinçer, Editor. 2019: Ankara.

18. Gürbüz, İ.B., G. Özkan, and Ş. Korkmaz, Rüzgar Enerji Santrallerinin Kırsala Olan Sosyo-Ekonomik Etkileri ve Sosyal Kabulü. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Ejosat 2021, 2021. 1: p. 223-231.

19. Bıçakçı, E., C. Balabanlı, and E. Acar, Tarım ve Mera Alanlarında Rüzgâr ve Güneş Enerji Sistemleri Kurulması Hakkında Değerlendirmeler. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2023. 13(1): p. 700-712.

20. Karaca, C., Türkiye’de Sürdürülebilir Tarım Politikaları: Tarım Sektöründe Atıl ve Yenilenebilir Enerji Kaynakların Değerlendirilmesi. Tarım Ekonomisi Dergisi, 2013. 19(1): p. 1-19.

21. Shiji, C., S. Dhakal, and C. Ou, Greening small hydropower: A brief review. Energy Strategy Reviews, 2021. 36: p. 100676.

22. Angelakis, A.N., et al., Sustainable and Regenerative Development of Water Mills as an Example of Agricultural Technologies for Small Farms. 2022. 14(10): p. 1621.

23. Liz Bates, S.H., Smail Khennas, Nararya Sastrawinata, Expanding Energy Access in Developing Countries, The Role of Mechanical Power, ed. T.U.N.D.P. (UNDP). 2009, UK: Practical Action Publishing Ltd.

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

25. Atılgan Türkmen, B., Renewable Energy Applications for Sustainable Agricultural Systems. International Journal of Innovative Approaches in Agricultural Research, 2020. 4(4): p. 497 - 504.

26. EERE. Types of Hydropower Plants, US Department of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy, Water Power Technologies Office. 2023 [28.06.2023]; Available from: https://www.energy.gov/eere/water/types-hydropower-plants.

27. Singal, S.K., et al., Chapter 1 - Introduction to small hydropower, in Small Hydropower, S.K. Singal, et al., Editors. 2023, Elsevier. p. 1-14.

28. Cengiz, K., Sulama kanalları üzerine inşa edilen hidroelektrik santrallerin işletilmesi üzerine bir çalışma. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Ejosat 2021, 2020(19): p. 138-144.

29. Clement, O., et al., Renewable Energy Usage for Agricultural Practices: A review. 2018 International Conference of The Nigerian Institution of Agricultural Engineers, Lagos, Nigeria. 2018.

30. Saleem, M., Possibility of utilizing agriculture biomass as a renewable and sustainable future energy source. Heliyon, 2022. 8(2): p. e08905.

31. ALMA, H., TÜBA Biyokütle Enerjisi Raporu, in TÜBA Enerji Çalışma Grubu. 2022.

32. TOB, İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ VE TARIM DEĞERLENDİRME RAPORU, T.R.G.M. T.C. Tarım ve Orman Bakanlığı, Tarımsal Çevre ve Doğal Kaynakları Koruma Daire Başkanlığı, Editor. 2021.

33. Ding, J.J. and J.S. Buckeridge, Design considerations for a sustainable hybrid energy system. IPENZ Transactions, 2000. 27(1).

34. Manwell, J., Hybrid energy systems. Encyclopedia of energy, 2004. 3(1): p. 215-229.

35. Agarwal, S., S. Chourasiya, and D. Palwalia. Hybrid Energy Management System design with Renewable Energy Sources (Fuel Cells, PV Cells and Wind Energy): A Review. in APGRES 2017. 2018. Malaysia.

36. Zohuri, B., Hybrid Renewable Energy Systems, in Hybrid Energy Systems, Driving Reliable Renewable Sources of Energy Storage, B. Zohuri, Editor. 2018, Springer. p. 1-38.

37. İncitaş. Yenilenebilir Enerjide Hibrit Dönemi. 2023 [15.06.2023]; Available from: https://www.incitas.com.tr/bilgi-merkezi/blog/yenilenebilir-enerjide-hibrit-donemi.

38. Buddila, W. The Future of Rural Energy Is Hybrid Renewable Systems. 2021 [12.08.2023]; Available from: https://www.engineeringforchange.org/news/future-rural-energy-hybrid-renewable-systems/.