Sürdürülebilirlik teriminin vurguladığı gereksinimler, etkisini yaşamın her alanında göstermekle birlikte, resmi olarak ilk kez bahsedildiği Oxford University Press aracılığı ile 1987 yılında yayınlanan Brundtland raporu Our Common Future, günümüze kadar giderek değer kazandı. Sürdürülebilirlik, tanım olarak, çeşitliliğin ve üretimin daimi olmasını sağlamaktır. Sürdürülebilirlik temel olarak 3 bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenler çevre koruma, ekonomik büyüme ve sosyal gelişimdir.
Sürdürülebilirlik kapsamında, sürdürülebilir tarım terimi, yeterli ve kaliteli gıda maddesinin uygun maliyetlerle üretilmesini, tarım yapılan arazinin korunmasını, çiftçilerin, çevrenin ve doğal tarım kaynaklarının korunmasını amaçlayan uygulamalar içerir.
Bitkiler atmosferden aldıkları karbondioksit ve soğurdukları güneş ışığını fotosentez olayı ile karbon yakıtına yani besine dönüştürürler. Üretilmiş olan besinin %40’ını bitkiler köklerine gönderirler ve köklere gönderilen karbon yakıtını köklerdeki mikroorganizmalara sızdırırlar. Sızdırılan karbon ile beslenen mikroorganizmalar mineral içeren besinler ile bitkileri beslerler. Bu süreçlerin sonucunda mikroorganizmalar köklerin çevresinde karbonu toprağa hapsederler. Böylelikle toprak, bitkiler ve mikroorganizmalar aracılığı ile karbonu emmiş olur. Geleneksel tarımda bu döngü zirai kimyasallar ile tahrip edilmektedir. Bitkilere ve toprağa sıkılan zirai kimyasal ilaçlar karbonun toprağa tutunmasını sağlayan bakterilerin neredeyse tamamını öldürür. Toprağa sıkılan kimyasallar toprağa girmekle kalmayıp içme sularına karışmakta ve nihayetinde bu döngü ile vücutlarımıza girmektedir. Vücudumuza almış olduğumuz zirai kimyasallar vücudumuzda buluna faydalı bakterileri de öldürmektedir. Bu da çeşitli sağlık sorunlarına yol açabilmektedir. Değişmekte olan çevre koşullarıyla birlikte gıda güvenliğini sağlamak giderek belirsizleşmekte ve artmakta olan popülasyonun değişken gıda tüketim alışkanlıkları sürdürülebilir tarımı desteklemeye yönelik ihtiyacı ortaya koymaktadır. Bu bakış açısıyla, gıda ihtiyacını karşılamaya yönelik yapılan çalışmalar hızla ilerlemekte, yüksek teknoloji ve yenilikçi fikirler kullanılarak daha az enerji ve su tüketimi ile toprak erozyonunu önleyerek yüksek kalite ürün elde etme yöntemleri Ekolojik Tarım adı altında uygulanmaktadır. Ekolojik tarım, günümüzde sürdürülebilir tarım savunucuları arasında üst düzey hedef olarak kabul edilmektedir. Resim 1 de ekolojik tarım yapılan yüksek teknoloji bir sera görseli verilmiştir. Sera içerisinde sensörler ve otomasyon yardımıyla mikro iklim koşulları sağlanarak yıl boyunca aynı şartlar altında ürün yetiştirmek mümkündür.
Geleneksel tarıma kıyasla, toprak kullanmadan, bilgisayar desteğiyle bitkilere verilen yeterli miktarda bitki besini ve %95 daha az su ile 20 kat daha fazla, kaliteli ürün elde etme olanağı sağlanabilmektedir. Yüksek teknoloji sera çözümlerinin giderek daha fazla uygulamaya koyulmasıyla tarımda kullanılan elektrik enerjisi ihtiyacı giderek ağırlığını arttırmaktadır. Sera işletme süreçlerinde kullanılan iklimlendirme sistemleri, ısıtma-soğutma sistemleri (su ısıtma, kar ve buz eritme vs.), aydınlatma sistemleri, drenaj sistemleri, gübreleme ve sulama sistemleri, CO2 dozaj sistemleri vs. gibi sistemler elektrik enerjisi kullanarak, sensörler ve otomasyon yardımı ile ürünün ihtiyacı olan optimum ortam koşulları yıl boyunca otomatik olarak sağlanmakta ve atık yönetimi ile süreç devam ettirilmektedir. Sürdürülebilir tarımda, sera gazı emisyonlarını minimize eden veya tamamen ortadan kaldıran, kendi ürettiği enerji ile yüksek oranda kendine yetebilen sistemler kurulabilmektedir.
Resim 1
Resim 1: Serada bitkileri inceleyen bilim insanı.
Yenilenebilir enerji kaynakları ile mikro şebeke sistemlerinde enerji yönetimi uygulamalarıyla, enerji üretimi ve tüketiminin akıllı şebeke sistemleri ile kontrol altında tutulmasını sağlamak mümkündür. Böylece sera yükleri dağıtım şebekelerine olabildiğince yüklenmeden, kendi yenilenebilir enerji kaynaklarının üretmiş olduğu enerji ile tüm sistemlerin çalışması sağlanabilir. Bu bakış açısıyla sürdürülebilir tarım sistemlerinde sürdürülebilir enerji uygulamalarının yaygınlaştırılması olumlu bir uygulama örneği teşkil etmektedir. Günümüzde sürdürülebilir enerji için kullanılabilen enerji kaynaklarının çeşitli formları mevcuttur.
Yenilenebilir enerji kaynaklarını güneş, rüzgar, biyokütle, gelgit, jeotermal, küçük ölçekli hidro, biyoyakıtlar ve dalga kaynaklı güç üretim sistemleri olarak sıralayabiliriz. Yenilenebilir enerji kaynaklarının battery storage sistemleri ile desteklenmesi ile üretilen enerjinin depolanabilmesi sağlanmaktadır. Battery storage sistemleri özellikle rüzgar türbinlerinin, şebeke gerilimlerinin herhangi bir nedenden ötürü kesilmesi sonucu rüzgar türbinlerinin ada modunda çalışabilmesini mümkün kılar. Ayrıca rüzgar türbinlerinin rüzgar esiş hızlarına göre devreye girme ve çıkma özelliklerinden ötürü oluşacak olan duruşlarda battery storage sistemlerinde depolanmış olan enerji ile sistem, hesaplanmış olan depolama kapasitesi süresince gerekli olan yükleri beslemeye devam edebilir.
Ülkemizdeki örnek bir yüksek teknoloji sera projesini referans alarak, Ekolojik Tarım yapacak olan bir sera tesisin dağıtım sisteminin genel hatlarını anlatmaya devam edebiliriz. Kurulmakta olan tesis rüzgar türbinleri ile desteklenen ilk sera projesi olma özelliğindedir. Tesise ait genel tek hat şeması Resim-2’de gösterilmektedir. Tüm tesisin enerji dağıtım sisteminin omurgasını Ana Elektrik Odası ve Sera Elektrik Odasın da bulunan 34.5kV şalt tesisleri oluşturmaktadır. Ana elektrik odasında; 1 adet otoprodüktör hücresi, 2 adet ölçü hücresi, 2 adet transformatör çıkış hücresi, 2 adet rüzgar türbini giriş hücresi ve 1 adet sera elektrik odası çıkış hücresinden oluşmaktadır. Ana elektrik odasında bulunan orta gerilim bara sisteminin otoprodüktör giriş hücresi, sistemi dağıtım şebekesine bağlayan elemandır. Baradaki 2 adet türbin giriş hücreleri ise rüzgar türbinlerini ana omurgaya, yük akış yoluna göre bakarsak, 3.8 MVA gücünde 0.69/34.5kV step up transformatör ve bu transformatörün yüksek gerilim tarafından bağlı olduğu gaz izoleli Ring Main Unit (RMU) üzerinden bağlarlar. Ana elektrik odasında bulunan 2 adet transformatör çıkış hücresinden, 630kVA olan transformatör ana elektrik binasının iç ihtiyacını karşılayacak olan iç ihtiyaç transformatörünü, 3150kVA transformatör ise soğuk hava deposunu enerjilendirecek olan soğuk hava deposu transformatörü besleyecektir.
Şekil 2
Şekil 2: Yüksek Teknoloji bir sera tesisine ait örnek tek hat şeması.
Ana elektrik binasında bulunan sera çıkış hücresi ile sera elektrik binasında bulunan giriş hücresi 34.5kV sera şalt sistemini ana elektrik odasına bağlamaktadır. Böylelikle sera yükleri hem rüzgar türbinlerine hem de şebeke sistemine bağlanmış olmaktadır. Sera şalt sistemi ise 1 adet giriş fideri ve 6 adet transformatör çıkış fiderinden oluşmaktadır. Bu çıkışlar 1250kVA gücünde 34.5/0.4kV Sera iç ihtiyaç transformatörünü ve tesiste bulunan kazanları panolarını beslemek üzere de 3 adet 2500kVA gücünde 34.5/0.4kV kazan transformatörlerini besleyecektir. Ayrıca 2 adet 2500kVA gücünde, 34.5/0.4kV Sera Aydınlatma transformatörleri öngörülmüştür. Kazan panoları ve sera aydınlatma alt dağıtım panoları LV ana dağıtım panoları üzerinden enerjilendirilmektedir. Sera binası iç ihtiyaç ana dağıtım panosu sera proses sisteminde bulunan havalandırma, perde, bitki ısıtma, evaporatörler, fanlar, filtreler, eşanjörler, sulama sistemlerini besleyebilmektedir.
Sistemin;
• Şebeke besleme,
• Şebeke ile rüzgar türbinleri besleme yük akış analizleri,
• Şebeke besleme, şebeke ile rüzgar türbinleri besleme 3 faz kısa devre ve 1 faz kısa devre,
• Şebeke besleme, şebeke ile rüzgar türbinleri besleme 1 faz-toprak kısa devre,
Şekil 3
Şekil 3: Yük Akışı Sonuçları -> Şebeke ve Rüzgar Türbinleri Çalışma Durumu
analizleri PSS® SINCAL yazılımı veya benzeri yazılımlar ile modellendirilir. Örnek tesis yük akış modellemesi şekil 3 te görünmektedir. Elektrik güç sistemlerinde meydana gelebilecek ani güç kayıplarının, hatalar ve arızaların giderilebilmesi için koruma koordinasyon şebeke ile selektif olacak şekilde, kısa devre hesaplarında VDE 0102/2002-IEC 909/2001 standardı, koruma koordinasyon simülasyonları ve koruma parametreleri ayar değerlerinin hesaplanmasında IEEE 242-2001 standardı temel alınmalıdır.
Bu tip bir sera tesisinin Scada HMI ekranları üzerinden uzak kumanda kurulumlarının yapılması ve tesisin sağlığının izlenmesi tüm tesisin kolayca işletilebilmesi açısından önerilir. Bu nedenle uzak kumanda, koruma ve haberleşme fonksiyonlarının tamamının sağlanabilmesi için orta gerilim hücrelerinde yeni nesil, esnek ve akıllı cihazlar olan koruma röleleri kullanılabilir. Röleler Scada sistemi ile ihtiyaca uygun biçimde seçilmiş olan haberleşme portları üzerinden IEC61850 haberleşme protokolü veya farklı bir protokol ile haberleştirilebilir. Rüzgar türbinlerinin durumları, alçak gerilim sistemleri, AC kesintisiz güç kaynağı ve DC redresör sistemleri, dizel jeneratörlerin durumları yapıya göre çeşitli haberleşme protokolları ile sağlanabilir. HMI ekranlarında tüm sistemdeki rölelerden ve ölçüm cihazlarından alınan ölçüm verileri (S, P, Q, V, I, f vs), kesici açık-kapalı pozisyon bilgileri, ayırıcı araba işletme-test pozisyonları, toprak ayırıcıları açık-kapalı pozisyonları izlenebilmekle birlikte ilgili protokol üzerinden gönderilen açma veya kapama komutları ile kesiciler de ihtiyaca göre pozisyon değişikliği yapılabilmektedir. Aynı şekilde alçak gerilim ana dağıtım sistemlerinin giriş ve çıkış kesici pozisyonları izlenmekte giriş kesicilerinin açık-kapalı pozisyonları Scada bilgisayarından gönderilecek açma ve kapatma komutlarıyla yönetilebilmektedir. İç ihtiyaç alçak gerilim ana dağıtım panoları yaşanabilecek ani enerji kesintilerine karşı dizel jeneratörler ile otomatik transfer yapabilecek şekilde, ihtiyaca yönelik yük atma senaryoları sisteme entegre edilerek, uygun tasarımlarla sistem sürekliliği sağlanabilir.
Enerji yönetimi sisteminde orta gerilim ana baralarından tüm giriş ve çıkışların transducerlerinden alınmış olan güç bilgileri işlenerek, üretim ve tüketim miktarlarını izlemekle beraber, rüzgar hızının, rüzgar türbinini tam güçte tahrik edemediği durumlar da tesisin iç ihtiyaç güç talebini karşılayacak olan şebekeden çekilen enerjiyi, rüzgarın, türbinleri tam güçte tahrik edebilecek hızlarda esmesiyle beraber, belirlenmiş olan limitler içerisinde tekrar iç ihtiyaç fazlası üretilebilen enerjiyi şebeke yönünde basacak şekilde kurgulanması uygun olacaktır.
Tesisin haberleşme altyapısı, sekonder ve işletme topraklamaları, AC kesintisiz güç kaynağı sistemleri, DC redresör sistemleri, dizel jeneratörler, OG ve AG kablo kesit hesapları, kablo taşıma sistemleri tasarımları ve güç transformatörleri için ayrı bir mühendislik çalışması yapılabilir.
Sonuç olarak; her geçen gün artmakta olan popülasyonun ve değişmekte olan gıda alışkanlıklarının getirdiği yükü karşılayabilecek, doğaya uygun ve dolayısıyla sürdürülebilir tarım faaliyetleriyle toprağı erozyona uğratmadan, %95 daha az su tüketimi ile gelecek nesillere fayda sağlayarak oluşturulacak olan yeni düzenlemelerin sonucunda sera gazı salınımlarını minimize edebilecek metotlar ile tarım faaliyetleri yürütmek günümüzde mümkündür ve uygulamaya koyulabilmektedir. Akıllı mikro şebeke sistemleri ile kendi sürdürülebilir enerji kaynaklarını kullanarak, ürettiği enerjiyi tüketebilen sistemlerin oluşturulması ile tarım faaliyetleri geliştirilebilir. Daha fazla yaygınlaştırılması ve bilinçlendirilmesi gereken tarım uygulayıcılarını cesaretlendirici adımlar atılarak, toplam karbon ayak izinin yıllık %14-30 aralığında olduğu vurgulanan sera gazı salınımı yapan geleneksel tarım faaliyetleri yeniden dizayn edilebilir.
02.09.2021
Hüseyin Budak
Siemens A.Ş
SI DS HUB - Solution Engineer