Fotosentez mi Verimli Fotovoltaikler mi ?
Genelmekanik, ansiklopedi
Güneş enerjisi denince aklımıza gelen ilk şey yenilenebilir alternatif bir enerji kaynağı olsa da aslında güneş enerjisi hayatımızın her yerinde vardır, hatta hayatın düpedüz kaynağıdır. Çünkü hem hücrelerimiz oluşturan biyomolekülleri bir arada tutan, hem de tüm yaşamsal faaliyetlerimizi sürdürmemizi sağlayan enerji, bitkilerin ve alglerin fotosentez yoluyla kimyasal bağlar biçiminde sakladığı güneş enerjisidir. Varlığımızı bir bakıma güneşe borçlu olan biz insanoğlu dünya üzerinde sürdürülebilir bir yaşama düzeni kurmak için ihtiyaç duyduğu en önemli enerji kaynağı güneş enerjisidir. Çağımızsa güneş enerjisi önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak görülüyor ve bu konuda bir kısmı endüstriyel düzeyde pratiğe dökülmüş çeşitli teknolojiler mevcuttur. O halde güneş enerjisini en verimli şekilde kullanma ile alakalı olarak doğa mı yok ise; insanlık mı daha öndedir.
Güneş insanoğlunun erişebileceği en büyük ve en sürdürülebilir enerji kaynağıdır. Dünya ya ulaşan güneş enerjisi yıllık ortalamaya göre 120.000 bin terawatt gücünde, güneş dünya ya saniyede ortalama olarak 120 trilyon joule enerji göndermektedir. İnsanlığın dünya çapında yıllık bazdaki enerji ihtiyacının 15 terawatt güce denk olduğu düşünüldüğünde, güneşten ne kadar büyük miktarda enerji geldiği daha iyi anlaşılabilmektedir. Güneş’ ten 1 saat içinde gelen enerji, insanlığın bir senelik enerji ihtiyacını karşılayabilecek miktardadır. Ancak güneş enerjisi dünya ya seyrelmiş bir halde ulaşıyor. Metrekareye düşen güneş enerjisi, yıllık ortalama 170 w gücündedir. Bu yüzden, her ne kadar Dünya’ ya Güneş’ ten toplamda büyük miktarda enerji geliyor olsa da u enerjinin verimli bir şekilde yakalanıp depolanmasını sağlayacak teknolojiler önem arz etmektedir.
Bazı organizmaların birkaç milyar yıl önce buna örnek bir mekanizmayı, yani fotosentezi geliştirmesi Dünya’ yı bun kü haline getiren temel değişim oldu. Bugünkü şeklini alması milyonlarca yıl sürmüş olan fotosentez sürecinin, iki yüzyılı geçmeyen modern güneş enerjisi teknolojilerinde çok daha verimli olması gerektiği akla gelebilir. Oysa durum pekte öyle değil en yaygın güneş enerjisi teknolojisi olan fotovoltaik sistemlerde elde edilen verim, fotosentetik organizmaların geride bırakmış durumdadır. ancak bu sonuca varmak, yani fotosentezin ve fotovoltaiklerin (PV) verimlerini karşılaştırmak pekte kolay bir iş değil . çünkü ilki güneş enerjisini biyolojik moleküllerde kimyasal bağlar biçiminde depolarken, fotovoltaikler depolanmamış elektrik akım5ları oluşturur. Bu yüzden doğrudan bir karşılaştırma yapmak elam ile armutu karşılaştırma gibi olur. Elmaları almayla karşılaştırmak için, iki işlemin birbirine benzer biçimlerini ele almak gerekir. Bir grup araştırmacı 2011 yılında yayımlanan bir çalışmada işte bunu yaptılar. Araştırmacılar fotosentezle karşılaştırmak üzere PV’ lerin tıpkı fotosentezde olduğu gibi güneş enerjisini kimyasal bağlarda depolamak üzere kullanıldığı su elektrolizi sistemlerini ele aldılar. Bu sistemler Pv’ ler den elde edilen elektrik enerjisini, suyu hidrojen hidrojene ve oksijene ayrıştıran elektroliz için kullanılıyor. Hidrojen enerji kaynağı enerji kaynağı olarak kullanılabilen yanıcı bir gaz olduğu için de bu karşılaştırma da fotosentez ürünü olan ve yine enerji kaynağı olarak kullanılabilen karbonhidratlara karşılık geliyor.
Araştırmacılar karşılaştırma için iki zemin belirlemiş. Biri, fotosentezin ve silikon güneş gözlerinin elektromanyetik spekturumun yani farklı dalga boylarındaki ışığın oluşturduğu yelpazenin ne kadarlık bir kısmından yararlanabildiğiyle ilgilidir. Bu konuşa silikon güneş gözeleri daha üstün, çünkü morötesinde kızılötesine uzanan geniş bir aralıktaki fotonları soğurabiliyor. Fotosentetik organizmalarsa sadece 400-700 nanometre dalga boyu aralığındaki görünür ışıktan faydalanabilir. Araştırmacıların iki sistem için kullandığı diğer karşılaştırma zemini ise enerji dönüşümünün verimliliğiyle ilgilidir. Pv’ lerin enerji dönüşümü verimliliği genellikle, oluşan elektrik gücü sistemin aldığı güneş enerjisi gücüne oranlanarak hesaplanıyor. Ancak bu, enerjinin saklanmasını ve iletimini hesaba katmıyor. Fotosentez enerjiyi kimyasal bağlarda saklıyor. Bu enerjinin büyük bir kısmı organizmanın yaşamını sürdürmesi ve çoğalmak için kullanıyor. Fotosentezin enerji etkinliği ise belirli bir bölgede yıllık olarak hasat edilebilen biyokütlenin enerji içeriğinin ( fotosentezin doğrudan ürünü olan glikozun standart koşullar altında yanarak karbondioksit ve su oluşturması sonucu oluşan enerji ) aynı bölgeye düşen güneş enerjisi miktarına oranı şekline hesaplanıyor.
Araştırmacılar doğrudan bir karşılaştırma için Pv’ lerin su elektrolizin de kullandığı sistemlere odaklanmış. Ticari olarak kullanılabilen tek-eklemli ( tek fotosistemli ) silikon güneş gözesi modülerinin güneş enerjisinden elektrik üretirken sergilediği tipik enerji dönüşümü verimliliği %18 civarında. Günümüz ticari elektroliz sistemlerinin enerji verimliliği, Dünya’ ya ulaşan güneş enerjisinin yıl içindeki değişkenliği, Pv’ lerin ürettiği elektriksel voltajla elektrolizin gerektirdiği elektriksel voltaj ile elektrolizin elektriksel voltaj arasındaki uyumsuzluklar da hesaba katıldığında Pv bağlantılı elektroliz sistemleri için bu verimlilik oranı %10-11 civarında dönüşüyor.
Fotosentetik organizmalara g gelince… Aslında fotosentezin yapıldığı organel olan kloroplastlar da kuantum verimliliği, yani soğurulan fotonların ne kadarının kararlı foto ürünler oluşturduğunu ifade eden oran , %100′ e yakın. Ancak fotosentez görünür ışık da denen 400-700 nanometre dalda dalga boyu aralığındaki ışıkla yapılabildiği için fotosentetik yapılara gelen fotonların önemli bir kısmı soğurulamıyor ya da kloroplast dışındaki yapılara düşüyor. 400-700 nanometre dalga boyu aralığındaki fotonlardan düşük dalga boyundakilerin ( yüksek enerjili olanların ) enerjisine karşı -ılık gelen kadarı kullanılabildiği için enerji kayboluyor. sonunda glikozda depolanan enerjinin büyük bir kısmı da organizma tarafından kullanılıyor. Tüm bunlar hesaba katıldğında Güneş’ ten gelen enerjinin kurumsal olarak sadece %5-6 kadarlık net ürüne dönüşebiliyor. Gözlemlenen verimlilikler ise, bubunda altındadır…Tarımsal bitkilerinki yıllık ortalama olarak, bazı istisnalar dışında, optimum koşullarda, %1′ i geçemiyor., biyoreaktörlerdn çoğaltılan alglerinkiyse %3′ ün biraz üstünde Büyüme dönemlerinde C3 tipi bitkilerde %3,5′ i C4 tipi bitkilerde %4,3′ ü biyoreaktörlerde çoğaltılan alglerdeyse %5-7′ yi bulabilen verimlilik gözlemlenmiştir.
Sonuç olarak söz konusu araştırmada yapılan karşılaştırma güneş enerjisini dönüştürme verimliliği açısından fotovoltaik sistemlerin, fotosentetik sistemlerden daha üstün olduğunu gösteriyor. ancak araştırmacılar bu karşılaştırma yapılırken hesaplanan farklı aşamalardaki verimlilik kayıplarının, her iki sistemde yapılabilecek geliştirmeler için yol yol gösterici olabileceğini vurguluyor. Zira sadece güneş enerjisi dönüştürme sistemlerini değil, dünyanın artan besin ihtiyacını karşılamak üzere tarımsal bitkilerin fotosentetik sistemlerini de daha verimli hale getirme çalışmaları gündemde.
Kaynak : Bilim ve Teknik ; Sayı 548 , Sayfa 26-27
- Blankenship, R. E. ve ekipleri, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement”, Science, Cilt 332, Sayı 6031, s. 805-809, 2011.
- Zhu, X. G., Long, S. P., Ort, D. R., “What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?”, Current Opinion in Biotechnology, Cilt 19, Sayı 2, s. 153-159, 2008.
