Hidroelektrik Enerjisi!

Dünyada sıklıkla tercih edilen hidroelektrik enerjisi, elektrik enerjisi üretiminde basit ve verimli bir yöntemdir.  
Yenilenemeyen enerji kaynaklarının her geçen gün azalması insanlığı, yenilenebilir ve sürdürülebilir kaynaklar aramaya itmiştir. Dünya nüfusunun da giderek artması enerji ihtiyacının artışına yol açar. Dolayısıyla yenilenebilir ve doğa dostu enerji kaynakları önem kazanır.  

Hidroelektrik enerjisinin farklı kullanım alanları da bulunur. Geniş tarım arazilerinin sulanması, hidroelektrik enerjisi kullanımının örneklerinden biridir. Ayrıca, değirmenlerde, suyun oluşturduğu itme gücü kullanılarak tahıl öğütme işlemleri yapılabilir. 
Tarihteki en büyük medeniyetlerden biri olan Mısır Uygarlığı tarafından da sulama ve öğütme gibi işlemlerde hidroelektrik enerjisinden faydalanılmıştır. 
Hidroelektrik faydaları bakımından, en eski elektrik üretim şekillerinden biridir. Yüzyıllar sonra bu enerji yerli güç asansörlerine güç yetiştirmek için, değirmenleri döndürmek ve öğütme tahılları gibi mekanik görevleri yerine getirmek için kullanıldı. Ondan beri esas olarak elektrik üretiminde kullanılmak üzere geliştirildi.

Hidroelektrik enerjisi, fosil yakıtların azalması ile beraber enerji ihtiyacının karşılanması için kullanılan alternatif, yenilenebilir doğal kaynaklardan biridir.
Hidroelektrik şüphesiz dünyanın önde gelen elektrik kaynağıdır. Aslında, tüm dünyanın elektriğinin yaklaşık beşte birini üretir. Hidroelektrik enerjiden üretilen enerjinin tüketimi hızla artmaya devam ediyor. Tahmin edilebileceği gibi, hidroelektrik santrallerinden elde edilen elektrik, bol miktarda su kaynağı olan ülkelerde ağırlıklı olarak kullanılmaktadır. Nitekim hidroelektrik faydaları ile bugün en ucuz enerji türlerinin başında gelir. Enerji üretmek için gerekli altyapı hazır olduğunda, akan suyun enerjisinin kullanılması tamamen ücretsizdir.
 

Yenilenebilir kaynaklar arasında olan hidroelektrik enerjisi; hareket halinde olan akarsu, nehir, şelale gibi suların gücünden elde edilir. 
Yunanca su anlamındaki “hydro” kelimesinden türetilen hidroelektrik enerjisi, uzun yıllardır kullanılmaktadır. Hem antik Yunan hem de antik Roma’da insanlar tahıl öğütmek, un ile ekmek yapmak amaçlarıyla akan sudan faydalanmışlardır. 
Akan su ile dönen çarklara sahip türbinler inşa edilmiş ve bu türbinler uzun süre kullanılmıştır.   
Hidroelektrik enerji elde etmek için diğer bir kaynak da su değirmenleridir. 1900’lü yıllara kadar yaygın bir şekilde kullanılan su değirmenleri, nehir kıyılarında büyük çarklar şeklinde görülmüştür. Tahıl öğütmenin yanı sıra su değirmenleri ile kereste kesmek ya da çelik üretmek gibi faaliyetler için güç sağlanmıştır. 
 

Hidroelektrik Santrallerin Sınıflandırılması Nasıl Yapılır:

• Depolama şekline göre
• Kurulu güce göre
• Baraj gövdesinin tipolojisine göre
• Ulusal elektrik sisteminin ihtiyacını karşılama kapasitesine göre
• Santral binasının bulunduğu yere göre
• Düşüye göre

Hidroelektrik santraller (HES), suyun potansiyel ve kinetik enerjisinden faydalanarak elektrik enerjisi elde edilen tesislerdir. 

Bu enerji, hidrolik santrallerde hidrolik türbinler yardımı ile mekanik enerjiye, türbinlerin tahrik ettiği jeneratörler ile elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Suyun düşü ve debisi türbinden elde edilecek güce, büyük oranda etki etmektedir. Düşü, üst su yüzeyi ile alt su yüzeyi arasındaki farktır. Düşü ve debi, türbinden elde edilecek güce, büyük oranda etki etmektedir.
Hidroelektrik santral en yaygın olarak; düşülerine, kurulu güce, depolama durumuna, baraj gövdesinin tipine ve santral binasının konumuna göre sınıflandırılabilir. Kurulu güce göre sınıflandırmada, dünya genelinde kabul görmüş bir sınıflandırma bulunmamaktadır. Pek çok ülke büyük ve küçük hidroelektrik santralleri, farklı kurulu güce göre tanımlamaktadır. 
Genel olarak kurulu gücü; 100 kW altında olanlar mikro, 101-1000 kW arasında olanlar mini, 1001-10000 kW arasında olanlar küçük, 10000 kW üzerindeki santraller büyük hidroelektrik santraller olarak adlandırılır.
Düşülerine göre; alçak (düşü 10 metreden küçük), orta (düşü 10-50 metre arasında) ve yüksek (düşü 50 metreden büyük) düşülü hidroelektrik santraller olarak sınıflandırılır. 
Depolama durumuna göre ise hidroelektrik santraller: genel olarak, rezervuarlı (baraj göllü veya tabi göllü), rezervuarsız (nehir tipi) ve pompaj depolamalı olarak sınıflandırılmaktadırlar. Rezervuarlı (depolamalı) hidroelektrik santraller, barajlı santraller olarak da isimlendirilmektedir. Burada düzenli ve sürekli elektrik enerjisi üretimi için suyun önü bir baraj ile kapatılarak, barajın gerisinde bir rezervuar oluşturulur. Depolanan su sayesinde üretimin yağış rejimine olan bağımlılığı azaltılır ve yağışsız ve kurak sezonda ihtiyaç duyulan su bu birikmiş hacimden temin edilir. Ayrıca biriken suların meydana getirdiği baraj gölü sayesinde düşü yüksekliği sağlanarak suyun potansiyel enerjisi artırılır. Bu şekilde hidroelektrik santralinden üretilecek elektrik enerjisi miktarı da artırılmış olunur.
 

Nehir tipi hidroelektrik santraller: rezervuarlı hidroelektrik santrallerin aksine debi düzenlemesinin olmadığı, üretimin yağış rejimine bağlı olduğu santral türüdür. Güvenilir elektrik enerjisi üretim miktarı, akarsuyun minimum debisi ile sınırlı olduğundan genelde düşüktür. Bu tip santrallerin kuruluş yerinin seçiminde ideal olan, kurak sezonun hiç yaşanmadığı nehirler üzerinde veya membasın da rezervuarlı hidroelektrik santral bulunan nehirler üzerinde inşa edilmesidir. Böylelikle rezervuarlı hidroelektrik santralin düzenlemiş olduğu debiden istifade edile bilinir. 
Bu santrallerde bir saptırma savağı ve su alma ağzından kanala verilen su, bir yükleme odasına kadar getirilmektedir. Yükleme odasındaki fazla su için bir taşkın savağı bulunmaktadır. Su bir cebri borudan geçirilerek türbine verilmekte ve burada hidrolik enerjisi mekanik enerjiye çevrilmektedir. Depolamasız sistemde suyun önü kesilmez, sadece bir kısmı bir kanal içerisine alınır. Bu sistemlerde türbin için gerekli debi, kurak sezonlarda her zaman sağlanamayabilir. Bu sistemlerin en büyük avantajları, yerel olarak çok düşük bir maliyetle inşa edilebilmeleridir. Bu sistemler akarsu yatağına fazla zarar vermezler. Su debisi, yükleme odasında günlük olarak yapılan ayarlarla kontrol edilir.
Pompaj depolamalı hidroelektrik santraller: alt ve üst olmak üzere iki rezervuardan oluşurlar. Bu santraller enerji verimliliğinin artırılmasında önemli görev yürütürler. Bu santrallerde; enerji talebinin yüksek olduğu veya elektriğin pahalı olduğu zamanlarda, üst rezervuarda biriktirilmiş olan suyun alt rezervuara düşürülmesiyle elektrik enerjisi üretilir. Enerji talebinin az olduğu zamanlar veya elektriğin ucuz olduğu zamanlarda ise pompa çalıştırılarak su, alt rezervuar seviyesinden üst rezervuar seviyesine yükseltilerek enerji depolamasını sağlarlar. Termik santraller talep değişimlerine hızlı reaksiyon veremedikleri için baz yük santrali olarak kullanılırlar. Hidroelektrik santraller ise kolayca işletilip durdurulabilen ve aynı zamanda kısa sürede tam kapasite yüke çıkabilmeleri nedeni ile pik talebin karşılanmasında kullanılmaktadır. 

Pik talebin karşılanmasında rezervuarlı hidroelektrik santrallerin yetersiz kalması durumunda pompaj depolamalı hidroelektrik santrallere ihtiyaç duyulmaktadır. Pompaj depolamalı santraller, özellikle rüzgar santrallerinin frekans bozucu etkisi gibi olumsuzluklarını da ortadan kaldıracak şekilde hibrit sistemler olarak çalıştırılabilmekte ve rüzgar santrallerinden elde edilen enerjiyi daha güvenilir hale getirebilmektedir.

Hidroelektrik santraller ayrıca baraj gövdesinin tipine göre; ağırlıklı beton gövdeli, beton kemer gövdeli, kaya dolgu gövdeli, toprak dolgu gövdeli olarak sınıflandırılabileceği gibi, santral binasının konumuna göre; yer üstü, yer altı ve yarı gömülü veya batık hidroelektrik santraller olarak da sınıflandırılabilir. Bu tesisler, kurulacakları yerin topoğrafik yapısına göre çeşitli şekillerde olabilir. 

Bir hidroelektrik santrali; baraj gövdesi ve gölü, su alma tesisi, suyolları tesisleri, santral binası, santral çıkış suyu kanalı, şalt sahası, dip savak tesisleri, dolu savak tesisleri gibi bölümlerin tamamını veya bir kısmını içerebilir.

Hidrolik Türbinler:

Türbinler; akışkanda mevcut bulunan serbest haldeki mekanik enerjiyi genellikle üzerinde çarkları bulunan dönen bir mil vasıtasıyla faydalı mekanik enerjiye dönüştürmek amacı ile kullanılan hidrolik makinalardır. Türbinin yapısını akışkan belirlemektedir. 

Hidrolik türbininin çalışma prensibi şu şekildedir; akışkan türbinin kanatçıklarına çarparak türbin milini çevirmek suretiyle mekanik enerji meydana getirir, daha sonra mekanik enerji jeneratöre iletilir ve burada elektrik üretilir. Hidrolik güç santralleri bu prensibe göre çalışır ve bu santraller de kullanılan türbinlere hidrolik türbin adı verilir

Türbinin projelendirmesinde imal edilmek istenen esas türbin rotoruna geometrik olarak benzer olan ve H = 1 m faydalı hidroelektrik düşü ve Q =1 m³/s’lik hacimsel debi ve seçilen işletme devrinde (n) çalışan model bir türbin rotorunun ns özgül devir sayısı, türbin boyutlarını belirlemektedir. Özgül devir sayısının belirlenmesinden sonra belirli ampirik formüller ile ns’den yararlanılarak türbinin projelendirilmesi yapılmaktadır. 

Özgül devir sayısı aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir.

 ???????? = ???? ????^1/2 ????^-3/4  

Hidrolik Enerji:

Suyun potansiyel enerjisinden elde edilen kinetik enerjiye hidrolik enerji adı verilir. Suyun yüksek seviyeden düşük seviye inmesiyle meydana gelen enerji, hidrolik türbinler kullanılarak mekanik enerjiye ve jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Daha sonra, elektrik enerjisi, elektrik iletim hatları kullanılarak son kullanıcıya nakledilir. Hidrolik potansiyel, yağış rejimine bağlıdır. Bir bölgenin su potansiyeli, yağan yağış miktarı ile belirlenir. Bu sebepten dolayı, iklim şartlarındaki ufak dalgalanmalar, hidroelektrik enerji üretimine etki edecektir. 

Güneş enerjisi ile nehirler, deniz veya göllerden buharlaşan su buharı dağların yamaçlarına yağmur veya kar şeklinde ulaşmakta ve nehirler veya göle geri dönmektedir. Bu sebepten dolayı hidrolik enerji yenilebilir bir enerji kaynağıdır. Hidrolik türbinlerde enerji elde etmek için suyun mutlaka belirli bir düşü yüksekliğine sahip olması gerekmektedir. Bir hidroelektrik santral tesisinin su düşüsü, üst su yüzeyi ile alt su yüzeyi arasındaki yükseklik farktır. Yukarıda bahsettiğimiz bu hidrolik düşüye brüt hidrolik düşü veya geometrik düşü denir. 

Bir hidroelektrik santralin su iletim kısımlarında (iletim kanalları, iletim tünelleri, cebri borular, türbin giriş vanaları vs.) su moleküllerinin sürtünmelerinden dolayı kayıplar oluşur. Meydana gelen bu kayıpların toplamı ise ΣΔH ile gösterilir. Brüt hidrolik düşüden net toplam kayıpların çıkarılması ile net hidrolik düşü bulunur. 

Bir hidrolik türbinden üretilebilecek mekanik güç;  ???? = ???? ???? ???? ????₀ ????????   eşitliği ile ifade edilir. 

Formülde; P türbin milinden alınan mekanik gücü (W), ρ suyun yoğunluğunu (kg/m3 ), g yerçekimi ivmesini (m/s² ), Q türbine gelen suyun hacimsel debisini (m ³ /s), H₀ net hidrolik düşüyü (m) ve ηt türbinin hidrolik verimini ifade etmektedir.

Hidroelektrik Santrallerinin Ana Kısımları:

• Baraj
• Dolu Savak
• Dip Savak 
• Su Alma Yapısı
• İletim Kanalı
• Cebri Borular
• Salyangoz
• Türbin
• Jeneratör
• Transformatörler
• Şalt Alanı
• Diğer Mekanizmalar

Hidroelektrik Enerjinin Tarihçesi: İnsanlık var olduğundan beri çeşitli işler için su kullanılmıştır. 

2000 yıl kadar önce Yunanlılar, buğdaydan un elde etmek amacıyla su çarkları yapmıştır. Mısırlılar MÖ 3.yüzyılda, Arşimet ise “su vidasını” sulama için kullanmıştır. 

Modern hidroelektrik türbinlerinin kullanımı ise 1700’lü yılların ortalarında başlamıştır. 1880’de Michigan’da bulunan bir tiyatro ile mağazanın aydınlatması için su türbini tarafından hareket ettirilen bir dinamo kullanılmıştır. 

Bugün kullanılan yöntem olan alternatif akım, enerjinin daha uzak mesafelere iletilmesini sağlamaktadır. 1893’te Kaliforniya’da kurulan Redlands Elektrik Santrali, ilk alternatif akım hidroelektrik santralidir. Su çarklarını kullanan bu santral, güç dağıtımını tutarlı bir şekilde gerçekleştiren üç fazlı bir jeneratör ile çalışmaktadır.

Günümüzde su türbinleri sayesinde suyun gücünden kinetik enerji elde edilir.  Ekim 1881 yılında Londra’nın güneybatısında yer alan Godalming kentinde bulunan Wey Nehri üzerinde iki işletmeci tarafından “Central Power Station” adıyla dünyada bilinen ilk hidroelektrik santrali kurulmuş ve elektrik üretilmiştir. Hatta santralin ilk müşterisi Godalming Belediyesi olmuştur. Ancak o zamanki şartlar (sokak aydınlatmaları için elektrik enerjisinden aydınlatma amaçlı ampullerin dayanıksız olması ve halkın gaz lambası gibi ucuz bir üründen vazgeçmesi gibi) santralin kısa sürede elektrik enerjisi üretiminin durdurulmasına sebep olmuştur. Fakat cesaretle atılan bu ilk adım Hidroelektrik enerjisinin günümüzdeki önemine kavuşmasında büyük rol oynamış ve sonraki yıllarda teşebbüslere cesaret vermiştir.

2016 yılında ise dünyanın en büyük çaplı hidroelektrik santrali Çin'de kurulmuştur. Bu santralin 22.400 MW üretim kapasitesine sahip olduğu bilinmektedir.

Ülkemizde ise 1902 yıllından itibaren hidroelektrik enerji santralleri devlet ve özel teşebbüsler ile kurulmaya başlamıştır. Sultan 2. Abdulhamit’in Mersin/Tarsus'a ilk santralimizi kurulduğu bilinmektedir. 

Cumhuriyet tarihinin ilk santrali ise Trabzon'un Işıklar ilçesinde 1929 yılında üretime başlamıştır.

Türkiye’miz, en büyük hidroelektrik santralleri (HES) kurulu gücüne sahip ülkeler listesinde dünya 9’uncusu, Avrupa'da ise ikincisi durumda. Hedef 2023’e kadar Avrupa şampiyonluğudur.

Uluslararası Hidroelektrik Birliği (International Hydropower Association - IHA) tarafından yayınlanan 2020 Hidroelektrik Durum Raporu’na göre; Çin 352 bin 260 MW’lik kurulu güçle dünyanın en büyük HES pazarı konumunda. Listede 104 bin 139 MW ile Brezilya ikinci, 102 bin 745 MW ile ABD üçüncü, 81 bin 386 MW ile Kanada dördüncü, 49 bin 917 MW ile Hindistan beşinci sırada yer alıyor. Japonya’nın 49 bin 905 MW ile altıncı, Rusya’nın 48 bin 506 MW ile yedinci, Norveç’in 32 bin 256 MW ile sekizinci durumda olduğu listede Türkiye 28 bin 358 MW’lik kurulu gücüyle dokuzuncu durumda. Dünyanın en büyük 10 HES gücüne sahip ülke listesinin 10’uncu sırasında ise 25 bin 519 MW ile Fransa bulunuyor.

Uluslararası Hidroelektrik Birliği’nin Küresel Hidroelektrik Durum Raporu’na göre dünya hidroelektrik kurulu gücü 1 milyon 308 bin MW’a (1.308 GW) yükseldi. 

Dünyadaki hidroelektrik enerji üretimi ise 4 bin 306 terawatt (TWh) ile yeni bir rekora ulaştı.

Dünyadaki En Büyük Hidroelektrik Santralleri:

1-) Çin’de bulunan ve kurulumu 2008-2012 yılları arasında gerçekleşen Three Georges Barajı, 22.500 MWh kapasite ile dünyanın en büyük hidroelektrik santralidir. 

2-) Brezilya’daki Itaipu Barajı, 1984’te açılmıştır ve 14.000 MWh kapasite ile dünyadaki ikinci büyük HES’tir. 

3-) Çin’deki Xiloudi Barajı, Çin’in ikinci ve dünyanın üçüncü en büyük kapasiteli HES’idir. 2014 yılında kurulan bu baraj ise 13.860 MWh kapas