Elektrik Nasıl Üretilir? Elektrik Nasıl Oluşur?

Jeneratör, evlerde ve işyerlerinde kesintisiz elektriğe ulaşabilmemiz için sahip olduğumuz önemli enstrümanlardan biridir. Genellikle elektrik kesintilerinde devreye giren jeneratörlerin çalışma prensibi hareket enerjisinin türbinleri döndürerek elektrik enerjisi üretmektir.

Dizel, benzin, doğal gaz gibi kaynaklarla çalışan jeneratörlerin motorları türbinleri döndürerek elektrik enerjisinin açığa çıkmasını sağlar. Jeneratörler kullanım yerine çok yakın olarak kuruldukları için çok fazla voltaj ayarlaması yapılmadan kolayca kullanılabilir. Şebekeden gelen elektrik tesisatı ile kullanım yerinin içine giren elektrik tesisatı arasında kurulur ve elektrik kesintisi olmadığı durumlarda elektrik jeneratörlerin içinden geçerek kullanım yerine girer. Bu şekilde elektrik kesintilerini otomatik olarak algılayan jeneratörler, şebekeden elektrik gelmediği durumlarda otomatik olarak devreye girer ve elektrik kesintisi sırasında evin elektrik enerjisini karşılar.

Rüzgardan elektrik nasıl üretilir sorusu sormanın bir diğer şekli soruyu de pervaneden elektrik nasıl üretilir şeklinde sormaktır. Zira rüzgardan elektrik üretimi, rüzgarın bir motora bağlı olan pervaneleri döndürmesi ile yapılır. Kısacası rüzgar enerjisi, rüzgarın kinetik enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ile elde edilir.

Rüzgarın hareket enerjisinden elektrik üretimi nasıl hesaplanır? Bunun için rüzgar enerjisi örneğinden faydalanılabilir. 20 metre çapında pervane açıklığına sahip bir rüzgar türbini, rüzgar hızı saniyede 12 metreyken ne kadar güç üretir?

Bunun için öncelikle bir saniyede bu pervanenin içinden geçen hava kütlesini bulmak gerekir. Bir silindir şeklinde olacak havanın hacmi yarıçapın karesi x pi sayısı x bir saniyede geçen rüzgar formülünden:

12 x π x 102

V= 3770 m³bir saniyede pervanenin içinden geçen havanın hacmi bulunmuş oldu.

Normal bir hava basıncında havanın yoğunluğu 1.29 kgm³’tür. Pervanenin içinden geçen havanın kütlesini bulmak için:

1.29 x 3770 = 4863 kg

Hareket enerjisiden elektrik nasıl üretilir bölümünde belirtildiği üzere, v hızında hareket eden bir m kütleli bir cismin kinetik enerjisi 1/2 x m x v² formülü ile hesaplanıyordu. Buradan hareketle:

1/2 x 4863 x 144 = 350.000 Watt

Yani 12 metre hızla giden bir rüzgarın hareket enerjisi 20 metre çaplı bir pervaneden geçince 350 kW elektrik enerjisine dönüşmüş ve böylelikle 350 kW elektrik üretilmiş oldu.

Güneş enerjisinden elektrik nasıl üretilir sorusunun cevabı güneşin ışınları ile direkt olarak mı yoksa ışınlarının yarattığı ısıyla mı elektrik üretildiğine göre değişiklik gösterir. Fotovoltaik sistemler direkt olarak güneş ışınlarının elektrik ortaya çıkarmasını sağlayan panellerle yapılırken, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santralleri güneş ışınlarının yarattığı ısının özel bir sıvıyı ısıtması ile bu ısının elektrik motorunu döndürmesi ile elektrik üretir.

Güneş enerjisi Dünya’nın başlıca enerji kaynağıdır. Gezegendeki tüm iklim olayları da güneş ışınları sayesinde gerçekleştiğinden aslında güneş enerjisi tüm yenilenebilir enerji kaynaklarının başlıca kaynağıdır. Ancak güneş enerjisinin direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürülmesi de elektrik üretiminde önemli bir paya sahip olmaya başlamıştır. Global olarak genel elektrik talebinin %3’ü güneş enerjisi ile sağlanmaktadır. En yüksek güneşlenme oranı genellikle elektrik enerjisi talebinin en yüksek olduğu zamanlarda gerçekleşir ve bu güneş enerjisinden faydalanmanın en önemli avantajıdır. Ancak enerji depolama ve pil teknolojileri henüz yeteri kadar gelişmediğinden üretilen elektriğin hemen tüketilmesi gerekmektedir zira elektriği depolamak oldukça maliyetlidir. Günün tamamında güneş olmadığından güneşin görülmediği saatlerdeki elektrik talebi göz önünde bulundurulduğunda depolama olmadan güneş enerjisinin birincil elektrik kaynağı olması imkansızdır.

19. yüzyılın başlarında, elektronun keşfedilmesinden çok önce, manyetik ile elektrik arasında çok yakın ilişki olduğunu gösteren pek çok deney yapılmıştır. 1820 yılında Hans Oersted, pusulasının elektrik akımına yaklaşınca bozulduğunu fark etmiş ve aynı yıl Andre Ampere elektrik akımı olan iki kablo arasında bir manyetik güç olduğunu ispatlamıştır. Bu buluşla birlikte elektrik akımının ölçü birimi olan Amper, buluşu yapan bilim insanının adıyla anılmaya başlamıştır ve günümüzde de elektrik akımı Amper birimi ile ölçülmektedir.

1821 yılında Michael Faraday elektrik akımı geçen bir kablonun bir mıknatıs etrafında döneceğini keşfederek, ilk elektrik motorunu icat etmiş, 1832 yılında bobine sarılı kabloların içinden bir çubuk mıknatıs geçirerek elektrik akımının oluşabileceğini keşfederek ilk elektrik jeneratörünü icat etmiştir.

Mıknatısla elektrik nasıl üretilir sorusunun cevabı böylece 1832 yılında Michael Faraday tarafında verilirken, mıknatısla elektrik üretimi, elektrik üretmenin en temel ve basit yöntemi olarak günümüze kadar ulaşmıştır.

Mıknatısla elektrik üretiminde, mıknatısın bir kablonun altından mıknatısın geçirilmesi (ya da manyetik etkiyi artırmak için kabloların bir bobine sarılması ve mıknatısın bu bobinin içinden) ile elektronlar harekete geçirilerek elektrik akımı elde edilir. Hareket eden manyetik alanlar elektronların hareket etmesini sağlar ve bu şekilde elektrik yükü ortaya çıkar. Mıknatısla elektrik üretimi genellikle elektronları daha gevşek tutan metaller olan bakır ya da alüminyum tellerin mıknatısın içinden geçirilmesi suretiyle tellerin içindeki elektronların itilmesini sağlayarak elektrik akımını ortaya çıkartır.

Limondan elektrik üretimi, bir limonu bir elektrokimyasal bir pil olarak kullanarak yapılan deneysel elektrik üretimidir. Bu deney için hemen her meyve (veya patatesi) kullanılabilse de ihtiyacınız olan tek şey bir galvanizli çivi ve tek bir bakır paradır (bakır çivi kullanmak daha iyi olsa da).Çinko kaplı bir çivi ("galvanizli" olarak da bilinir) bir taraftan limonun içine ve diğer tarafa bakır bir bozuk para sokun.Çinko ve bakır, limonun içine temas etmeyecek şekilde birbirinden mümkün olduğunca uzak olmalıdır.

Limon pil, tam bir devreye bağlandığındaelektro-kimyasal reaksiyonlaçalışır.Limonun içindeki sitrik asit, elektriği ileten bir çözelti olan elektrolit görevi görür.Çinko çivi elektronları elektrik yüklü iyonlar olarak aside doğru yönlendirir (materyal elektron kaybettiği için "Oksidiyon" adı verilen bir işlemdir).

Bir limondan elektrik üretmek deneysel bir işlemdir. 1800’lü yıllarda pilin mucidi Alexandra Volta tarafından keşiflerde limon kullanılmış ve limondan elektrik üretimi günümüzdeki teknolojinin gelişmesindeki ilk adım olsa da cep telefonunuzu şarj etmek için 27.000 limondan elektrik üretilmesi gerekir zira limon pili oldukça güçsüzdür.

Güç santrali elektrik enerjisi üretimi yapan santraller için kullanılan genel terimdir ve elektrik üretimi gerçekleştiren her sistem güç santrali olarak adlandırılır. Güç santralleri (genellikle fosil yakıtlar kullanan) termik santraller ve yenilenebilir enerji santralleri olarak iki ana grupta değerlendirilir.

Termal güç santrallerinde elektrik enerjisi üretimi, ısı motorlarından üretilen ısı enerjisinin hareket enerjisine dönüştürülmesi ile yapılır. Termal güç santralleri de ısı kaynağına göre, birincil hareket kaynağına göre ve görevine göre üç ayrı grupta sınıflandırılır.

• Fosil yakıtlı santraller: Fueloil, kömür, doğal gaz gibi yakıtların yanması ile direkt ya da endirekt olarak türbinlerin döndürülmesi ile elektrik üretilir.
• Nükleer güç santralleri: Fizyon (atomun parçalanması) ile reaktörde ortaya çıkan enerjinin su buharı oluşturması ve bu buharın türbinleri döndürmesi ile elektrik üretimi gerçekleşir.
• Jeotermal enerji santralleri: Yeraltında bulunan sıcak suların buharı ile elektrik üretilir.
• Biyokütle santralleri: Hayvansal ya da bitkisel artıkların yakılması ile elektrik üretimi gerçekleştiren santrallerdir.
• Solar termal: Güneş ışınlarının oluşturduğu ısı ile su buharı oluşturarak buhar türbinlerinin dönmesi sonucu elektrik üreten santrallerdir.

Isı kaynağına göre sınıflandırılan termal elektrik santralleri, küresel elektrik ihtiyacının ezici bir çoğunluğunu üretmektedir. Bu durum ülkemiz için de benzerdir ve ülkemizdeki elektrik ihtiyacının önemli bir çoğunluğu termal kaynaklı güç santrallerinden üretilmektedir.

Birincil hareket kaynağı, güç santrallerinde elektrik üretimi için gerekli hareketin oluşmasını sağlayan kaynaktır. Güç santralleri birincil hareket kaynağına göre şu şekilde sınıflandırılır:

• Buhar türbinli santraller: Dünya’daki güç santrallerinin %90’ı buhar türbinlidir.

• Baz yük santralleri: Gün içinde neredeyse her zaman çalışan, diğer santrallere kıyasla daha düşük elektrik üretim maliyeti olan ve genellikle durdurulup tekrar çalıştırılması için uzun bir zaman gereken santrallerdir. Baz yük güç santralleri sisteme sürekli olarak elektrik veren santrallerdir.
• Puant (Pik) yük güç santralleri: Elektrik ihtiyacının artış gösterdiği zamanlarda şebekeye alınan ve yalnızca bu zamanlarda elektrik üretimi gerçekleştiren santrallerdir. Bu santrallerin elektrik üretim maliyeti diğerlerine göre daha yüksektir ancak kapanıp yeniden açılması için çok daha az zaman gerekir.
• Değişken yük santralleri: Puant (pik) yük santrallerine göre daha ucuz ancak baz yük santrallerine göre daha yüksek elektrik üretim maliyeti olan santrallerdir. Baz yük santrallerine göre daha çabuk kapasite değişikliği yapan santraller olduklarından talep değişikliklerine göre sisteme dahil edilip sistemden çekilir.

Hareket enerjisinden elektrik nasıl üretilir sorusunun cevabı, kinetik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ile açıklanmalıdır. Doğada enerji kaybolmaz ancak bir türden diğer türe dönüşür. Geleneksel elektrik üretimi bir türbin ile elektrik motorunun hareket enerjisi ile döndürülmesi ve bu türbinlerinde elektrik motorlarını döndürmesi ile elektrik enerjisi elde edilir.

Hareket enerjisi, kinetik enerjidir ve geleneksel elektrik üretim santralleri kinetik enerji ile elektrik motorlarını döndürerek elektrik üretir. Yani geleneksel elektrik santrallerinde hareket enerjisinden elektrik üretimi prensibi ile elektrik üretimi yapılır.

En başına dönerek hareket enerjisini, enerjinin değişimleri ile açıklayabiliriz. Hareket enerjisinden elektriğin nasıl üretildiğini bilimsel formülle bulmak için aşağıdaki formülleri takip etmek gerekir:

W (İş) = F (Güç) x s (Uzaklık)

Bu formülden hareketle yükseğe çıkartılan cisimlerin potansiyel enerjisi, o cismi H yüksekliğine çıkartmak için için yapılan işe harcanan güce eşittir.

Cisimleri yükseğe çıkarmak için cismin yer çekimine karşı ağırlığı kadar güç harcamak gerekir. Yani cismi h yüksekliğine çıkartmak için:

W (İş) = (m x g) x H

Bu formülde:

F (Güç): m x g

m: Cismin kütlesi

g: Yer çekimi ivmesi

H: ise cismin çıkartılacağı yüksekliktir.

Bu formülde yukarı çıkartılan cismin potansiyel enerjisi bu formülle hesaplanır ve o cismi o yüksekliğe çıkartmak için yapılan iş, o yükseklikte bulunan cismin potansiyel enerjisine eşittir.

Hareket enerjisinden elektrik üretmek ve hesaplamak için öncelikle bu cismin kinetik enerjisini hesaplamak gerekir. Cismi yukarı çıkartırken uygulanan kinetik enerji, potansiyel enerjiye dönüşmüştür ve o artık H yüksekliğindeki cismin potansiyel enerjisidir, bunu yukarıdaki forüulde hesaplanmıştı.

H yüksekliğinden aşağı bırakılan atılan bir cisim bir önceki formüldeki işe, yani m x g X H ye eşit olmalıdır. Peki bu cismin hızı (v) ne olacaktır?

• Cismin aşağı düşmesi için geçen zamanı (t), düşüş esnasındaki ivmesini (g) olarak aldığımızda bu cismin düşüş hızı t x g olacaktır.
• Bu cismin hızı aynı zamanda toplam kat edilen mesafenin (H), toplam süreye (t) bölünmesiyle de bulunur. Formül ise H/t olur.
• Sabit bir ivmeyle düşen cismin hızı, final hızının yarısı kadardır. Formül ise 1/2 x v olur.
• Bunlardan hareketle cismin kinetik enerjisi 1/2 mv2 olarak bulunur.

Biyokütle enerjisi; orman, şeker kamışı ya da hayvansal artık gibi canlı atıklarından elde edilen enerjiye verilen isimdir. Fosil yakıtlar da benzer kaynaklar olsa da, biyokütle fosilleşmemiş ve daha yeni atıklardır. Biyokütle enerjisi, biyokütlenin yakılması sonucu ısı ya da elektrik üretmesi ile oluşur. Aynı zamanda biyodizel gibi yakıtlara dönüştürülerek de kullanılır.

Gelişmekte olan pek çok ülkede geçmişten günümüze odun ya da tezek gibi hayvansal atıklar ısınmak amacıyla kullanılmaktadır ve bunlar geleneksel biyokütle enerjisi olarak sınıflandırılır. Gelişmiş ülkelerde son yıllarda “yeni biyokütle enerjisi” kavramı ortaya çıkmış ve bu enerji kaynağının içine yalnızca enerji üretimi için özel olarak üretilen bitkiler ile organik atıklar yer almaktadır.

Biyokütle enerjisinden elektrik üretimi, biyokütlenin yakılması sonucu oluşan ısının kazanlardaki suyu ısıtarak yüksek basınçlı su buharı üretmesi ve bu üretilen su buharının gaz tribünlerini döndürmesi, dönen bu türbinlerin hareketinin de elektrik motorunun elektrik üretmesi ile gerçekleştirilir.

Çöpten elektrik üretimi bir çeşit biyokütle elektrik üretimidir. Çöpten elektrik üretimi ülkemiz dahil pek çok ülkede giderek yaygınlaşmakta ve en önemli faydası evsel atıkların dönüşümünü sağlaması olarak ön plana çıkmaktadır.

Çöpten elektrik üretiminin başlıca kaynağı evsel atıklardır. Ancak evsel atıklar ikincil yakıt kaynağı (pelet yakıtı) olarak kullanılmak için çok verimli bir enerji kaynağı değildir. Çöplerin nem oranı yaklaşık %20’dir ve kömürün 30’da 1’i oranında enerji yoğunluğu bulunmaktadır. Bu yüzden çöpten elektrik üretimi, evsel atıkların direkt olarak yakılması ile ısı üretilmesi ve elde edilen ısının kazanlarda bulunan suyu ısıtarak buharın ortaya çıkması, ortaya çıkan su buharının da türbinleri döndürmesi ile elde edilir.

Tüm bu faktörlerle çöpten elektrik üretimi direkt olarak ekonomik bir yöntem olmasa da, evsel atıkların dönüştürülmesinin direkt olmayan ekonomik faydaları ve çevresel olumlu etkileri nedeniyle tercih ve teşvik edilmektedir.

Nükleer enerji ile elektrik üretimi, atomların parçalanması sonucu açığa çıkan enerjinin elektrik üretimi için değerlendirilmesi ile yapılır. Nükleer enerji ile elektrik üretimi termik enerji üretiminin bir türüdür. Nükleer enerji ile elektrik üretimi yapan termik santraller aşağıdaki şekilde sınıflandırılmıştır:

• Hafif su reaktörleri
• Gaz soğutmalı reaktörler
• Candu (Kanada Döteryum-Uranyum) tipi reaktörler
• Rus tipi reaktörler

Elektrik akımı basitçe elektrik yüklü parçacıkların bir bölgeden bir başka bölgeye hareketi anlamına gelmektedir. Georg Ohm, elektrik akımını şu şekilde tanımlamıştır: “Elektrik akımı, ısının hareketine benzer ve potansiyel fark da sıcaklık gibi elektrik akımının sebebidir”. Buna göre elektrik akımını soğuk hava dolu bir odadan soğuk havanın sıcak hava dolu odaya doğru hareket etmesi ile benzerlik göstermektedir. Daha sonraları elektronların bulunması ile elektrik akımının elektronların hızlı hareket etmesi sonucu elektrik akımının oluştuğu gözlemlenmiştir.

1840’larda James Joule adında bir bilim adamı bir su değirmenini bazı sıvıları ısıtmak için kullanıyordu. Araştırmaların sonunda Joule, hareketin ısıya dönüşmesi konusunda direkt bir ilişki olmadığını ve arada orta bir adımda elektrik enerjisinin aktif rol alıyor olabileceğini düşündü. Elektrik üretimi ve elektrik akımı o dönemde herkes için bilinen kavramlardı ve iki tip elektrik olduğu biliniyordu: Bir kedinin tüylerini amber bir çubuk ile okşamak çubuğu bir tür, kediyi ise bir diğer tür elektrik ile yükler.

Bir taraftan elektrik devreleri de bilim insanları tarafından incelenmekleydi. Alessandra Volta 1799’da pili bulmuş ve bundan yaklaşık 20 yıl sonra Georg Ohm elektrik akımı, direnç ve voltaj (gerilim veya potansiyel fark) üzerine bir yasa çıkartmıştır ve bu yasa günümüzde Ohm Kanunu olarak bilinmektedir. Ohm’a göre elektrik akımı ısı akımı gibidir ve elektrik akımını yaratan potansiyel farktır. Ancak elektrik akımının nasıl oluştuğuna dair kesin bilgiler ileri dönemlerde ortaya çıkan teoremlerle kanıtlatmıştır.

Elektrik akımı nasıl oluşur sorusunun bilimsel cevabı, elektriksel yük taşıyan parçacıkların bir bölgeden diğer bölgeye hareket etmesidir. Elektriksel yük genelde elektronlar tarafından taşınır. Elektrik akımının büyüklüğü, bir kablo parçası üzerinden birim zamanda geçen elektrik yükü miktarı ile ölçülür. Elektrik akımının ölçü birimi Andre Marie Ampere’in adı ile anılan “Amper”dir.

Tüketicilerin elektrik maliyeti ile elektrik üretimi maliyeti arasında doğrudan ilişki bulunmaktadır. Elektrik üretiminin ucuz kaynaklardan yapılması durumunda elektrik fiyatları da düşmüş, elektrik üretiminin daha pahalı kaynaklardan yapılması ise elektrik fiyatlarını artırmıştır.