ÇevreÇevre BilimleriFizikKimyaKüresel IsınmaYer Bilimleri

Temiz Enerjinin Kirli Küçük Sırları

Yazan: Oğuzhan Çamcı                

Düzenleyen: Çağla Ayaz

Özeti: Rüzgâr enerjisi üretmek ve sürdürülebilir hâle getirmek için bazı aşamalar kaydedilmek zorundadır. Ortalama 25 yıl kullanım süresi olan bu türbinlerin elektrik üretmek için kullandıkları jeneratörlerinin içerdiği manyetik malzemenin ise 1 megawatt enerji ürettikten sonra yenisiyle değiştirilmesi gerekmektedir.

Küresel nüfus artışı, ekonominin büyümesi gibi etkenler insanlığın enerjiye olan ihtiyacını daha da arttırmıştır. Enerji ihtiyacımızı kömür, petrol ve doğal gaz gibi geleneksel fosil yakıtlardan sağlıyoruz. Bu enerji kaynaklarının çevreye olan etkilerinden dolayı insanlık yüzünü güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi ve jeotermal gibi yenilenebilir ve temiz olan enerji kaynaklarına çevirmiş durumda. Daha önceki yazımızda jeotermal enerjinin ne kadar çevreci olduğunu ele almıştık. Bu yazımızda ise rüzgâr enerjisinden elektrik üretimi konusu üzerinde duracağız. Rüzgâr türbinine gelen rüzgâr kanatların ortalama saniyede 12 m hızla dönmesine yardımcı olmaktadır. Bu dönme işleminin yarattığı kuvvet, şaft yardımı ile dişli kutusuna aktarılmaktadır. Bunun nedeni ise 12 m/s olan hızı yaklaşık 80 m/s’ye çıkartmaktır. Dişlilerin diğer ucunda ise jeneratör vardır ki elektrik üretme işlemi burada gerçekleşir (Şekil 1).

Şekil 1. A. Rüzgâr Türbini Boeing 747 model uçak ile boyut olarak karşılaştırılması B. Rüzgâr türbini ana bileşenleri (Generator: Jeneratör, Gear Box: Dişli kutusu, Shaft: şaft, Rotor: Pervane, Blade: Kanat, Tower: Kule) (Wilburn, 2011)

Basit bir şekilde elektrik üretme mantığı şöyledir: Jeneratör içerisinde şaftın yardımıyla gerçekleşen dönme işleminde manyetik malzeme bobin etrafında ya da bobin manyetik malzeme etrafında dönmektedir, bu jeneratör üreticisine göre değişir. Bu dönme işlemi sonucundan manyetik alan oluşur ve bu elektrik iletkenler ile şebekeye yönlendirilir (Şekil 2).

Şekil 2. Elektrik alan oluşturulması için kurulan temsili düzenek (S ve N: Manyetik kutuplar, Induced current, Yüklenmiş akım, Conductor: iletken) (McDonald ve Carroll, 2016)

Manyetik malzeme için samaryum-kobalt (SmCo) ya da neodimyum-demir-bor (NdFeB) kullanılmaktadır. Her iki malzemenin ortaya çıkarttığı manyetik kuvvet farklıdır. 1 kg NdFeB için 2,04 kg SmCo kullanılmak zorundadır. Samaryum ve neodimyum ise nadir toprak elementleri olarak bilinmektedir. Diğer yandan ise her bir megawatt enerji üretimi için yaklaşık olarak 216 kg neodimyum ve yaklaşık olarak 440 kg samaryum gerekmektedir.

Fosil yakıtlar ve nükleer enerjinin aksine rüzgâr türbinleri atmosfere sera gazı salınımı yapmaz ya da gelecek nesilleri tehdit edecek nükleer atıklar üretmez. Bu nedenlerden dolayı rüzgâr enerjisi temiz enerji ve çevre dostu olarak adlandırılır. Ancak gürültü ve görüntü kirliliğine neden olmaktadır ve bunların çözümleri kolaydır. Rüzgâr türbinlerinden 2 farklı gürültü yayılmaktadır. Bunlar, mekanik gürültü ve aerodinamik gürültü olarak adlandırılır. Pedersen’nin (2011) yaptığı çalışmada rüzgâr türbinine yakın olan kişilerde baş ağrısı gibi stres belirtileri ortaya çıktığını göstermiştir. Punch ve arkadaşlarının (2010) yaptığı çalışmada ise hedef alanı içeresindeki düşük frekanslı aerodinamik seslerin insanlarda uyku düzeni bozukluğuna, duyma kayıplarına ve vestibüler (denge) bozukluklara neden olduğunu gösterilmiştir. Bu sorunların çözümü için ise rüzgâr türbinlerinin yerleşim yerlerinden en az 2 km uzağa yapılmasını tavsiye etmişlerdir.

Bu bilgiler ışığında rüzgâr enerjisi temiz ve sürdürülebilir olarak görünmektedir. Ancak işin görünmeyen kısmı ise elektrik üretmek için samaryum ya da neodimyum gibi nadir toprak elementlerinin gerekmesidir. Bu cevherlerin ise madencilikleri kısaca şu şekilde yapılmaktadır:

Bu elementleri içeren kayaçlar 74 μm boyutuna getirildikten sonra manyetik ayırma yöntemi ile içerisindeki demir elementi toz haline gelmiş malzemeden ayrılır. Cevher ve istenmeyen malzemelerin ayrılması işlemi asitler (H2SO4, HCl) yardımıyla yapılır. Burada kimyasal olarak ayrılan malzemelere ise köpükle ayırma ve öz kütlesel ayırma yapılır. Öz kütlesi ağır olanlar dibe çökerken diğer parçacıklar köpüklere yapışıp yüzmeye başlarlar. Yüzen kısım ise mekanik bir sistemle oradan sıyrılarak alınır. Kullanılan asitler ise altın madenlerinde olduğu gibi asit havuzlarında bekletilir.

Diğer yandan ise toz haline getirilen malzeme içerisinde %0,04 oranında ThO2 (Toryum Oksit) bulunmaktadır. Bu tozlaştırma işlemi sırasında radyoaktif element işçilerin çalıştığı ortamda sürekli olarak var olmaktadır. İşçileri ve aynı zamanda çevresinde bulunan şehirleri, insanları ve tarım alanlarını direkt olarak etkilemektedir. Tablo 1’de görüldüğü üzere 2030 yılı dâhil olmak üzere üretilen manyetik malzemelerin en azından Amerika Birleşik Devletleri’nde geri dönüşümü düşünülmemektedir.  Bu da her bir rüzgar türbini için yeni bir manyetik madde üretimi anlamına gelmektedir.

Tablo 1. Belirli yıllara göre Amerika Birleşik Devletleri’nde (ABD) kurulan ve gelecekte kurulması planlanan rüzgâr türbinlerinin içerikleri. A. Seçilen yıllara göre toplan ihtiyaç duyulan malzeme miktarları, B. Seçili yıllara göre tahmini olarak yapılacak olan geri dönüşümler (Endüstri kapasitesi, geri kazanım ve 25 yıllık türbin ömrü temel alınarak yapılmıştır.) (Wilburn, 2011)

Rüzgâr türbinlerindeki yıllara göre kapasite artışları incelendiğinde ise sürekli bir artışın gözlendiği fosil yakıtların kullanılmasının önümüzdeki yıllarda azalacağı düşünüldüğünde artış hızının Şekil 3’teki gibi devam etmesi öngörülmektedir. Bu durumda ise manyetik malzeme üretimine yönelme de artacaktır. Adı üstünde nadir toprak elementleri olan bu elementlerin istenmeyen mineral ve elementlerden ayrılmaları yukarıda da bahsedildiği gibi bazı evrelerden geçmekte ve bunların insan sağlığına ve çevreye zararları yüksek olmaktadır. Zenginleştirme evreleri yukarıda bahsedilen kadar kısa ve düz işlemlerden oluşmamakla birlikte daha karışık ve kimyasal maddelerin bolca kullanıldığı ve bunların maden sahalarına yakın yerlerde süreçlerinin tamamlanmasının beklendiği uzun aşamalardan geçmektedirler.

Şekil 3. 1990-2015 arası Gigawatt türünden Dünya genelinde kurulu olan rüzgâr türbin kapasiteleri (Leung ve Yang, 2012)

Türkiye açısından ise rüzgâr enerjisi Almanya, ABD, Danimarka ve İspanya gibi öncü ülkeleri kadar önemli bir durumdadır. Bu alandaki Türkiye gibi öncü ülkeleri takip eden bir diğer ülke ise Çin’dir. Çin dünyadaki nadir toprak elementleri üretiminin %50’sini karşılamaktadır. Türkiye’de ise nadir toprak elementi potansiyeli olan maden sahaları bulunmaktadır (Şekil 4).

Türkiye açısından ise rüzgâr enerjisi Almanya, ABD, Danimarka ve İspanya gibi öncü ülkeleri kadar önemli bir durumdadır. Bu alandaki Türkiye gibi öncü ülkeleri takip eden bir diğer ülke ise Çin’dir. Çin dünyadaki nadir toprak elementleri üretiminin %50’sini karşılamaktadır. Türkiye’de ise nadir toprak elementi potansiyeli olan maden sahaları bulunmaktadır (Şekil 4).

Türkiye rüzgâr enerjisinin bu şekilde büyümesi sonucunda artan talep karşısında bu tarz madenciliklere başlamak durumunda kalacaktır.  Rüzgâr enerjisi ne kadar temiz gözükse de sürdürülebilmesi için nadir toprak elementi madenciliğinin yapılması gerekmektedir. La, Pr, Nd ve Sm gibi nadir toprak elementleri LREE olarak adlandırılmaktadır. Bular gibi bazı elementlerin ise stratejik ve ciddi önemleri vardır. Bu stratejik ve kritik önem tedarik riskinin ekonomik getirisine göre değişmektedir. Şekil 5’te görüldüğü gibi LREE sınıfındaki elementlerin tedarik riski yüksek iken ekonomik önemi görece düşüktür.

Şekil 5. 2017 yılı Avrupa Birliği (AB) komisyonun tedarik risk ve ekonomik önem grafiği (Öztürk vd., 2019)

Source
Bailey, G., Orefice, M., Sprecher, B., Önal, M. A. R., Herraiz, E., Dewulf, W., & Van Acker, K. (2021). Life cycle inventory of samarium-cobalt permanent magnets, compared to neodymium-iron-boron as used in electric vehicles. Journal of Cleaner Production, 286, 125294. Leung, D. Y., & Yang, Y. (2012). Wind energy development and its environmental impact: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 1031-1039. McDonald, A., & Carroll, J. (2016). Design of generators for offshore wind turbines. In Offshore Wind Farms (pp. 159-192). Woodhead Publishing. Öztürk, H., Hanilci, N., Altuncu, S., & Kasapci, C. (2019). Rare earth element (REE) resources of Turkey: an overview of their characteristics and origin. Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 159(159), 129-143. Pedersen E. (2011). Health aspects associated with wind turbine noise. Results from three field studies. Noise Control Engineering Journal, 59(1):47–53. Punch J, James R, & Pabst D. (2010) Wind-turbine noise: what audiologists should know. Audiology Today, 8:20–31. Sprecher, B., Xiao, Y., Walton, A., Speight, J., Harris, R., Kleijn, R., & Kramer, G.J. (2014). Life cycle inventory of the production of rare earths and the subsequent production of NdFeB rare earth permanent magnets. Environ. Sci. Technol. 48 (7). Uddin, M. S., & Kumar, S. (2014). Energy, emissions and environmental impact analysis of wind turbine using life cycle assessment technique. Journal of cleaner production, 69, 153-164. Wilburn, D.R. (2011). Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2011–5036, 22 p.

One Comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button