An investigation on resource limitations for sustaining a 100% renewable world

Abstract

Son yıllarda atmosferdeki karbon dioksit miktarının artmasıyla birlikte yenilenebilir enerji teknolojileri dikkat çekmeye baslamıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları, temiz, ucuz ve çok miktarda olduğu için bizim ihtiyaçlarımızı karşılayacak potansiyele sahiptirler. Tüm bu nedenlerden dolayı enerji gereksinimizin fosil yakıtlardan yenilenebilir enerji kaynaklarına donüştürmemiz bir zarurettir ve bu yönde oldukça yoğun araştırmalar yapılmakla birlikte endüstride bu dönüşümün gerekliliğini ve önemini kavramıştır. 2012 yılı verilerine göre, dünyanın kullandığı enerjinin yüzde 11' i yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanmış olup bu miktarın önümüzdeki yıllarda daha da artması beklenmektedir.Yenilenebilir enerji kaynaklarının günlük enerji tüketimimizde yer alabilmesi için bir dizi teknolojinin geliştirilmesi gerekmektedir. Rüzgar türbinleri, fotovoltaik hücreler, jeotermal, su bitkileri ve okyanus cihazları şu anda geniş kullanım alanı bulmuş yenilenebilir enerji kaynaklarındandır. Yenilenebilir teknolojilere dönüşüm için çeşitli kaynaklara ihtiyaç vardır. Diğer bir deyişle, yenilenebilir enerji teknolojileri inşa edebilmek için farklı hammaddeler kullanmaktyız ve bunların yeterli miktarda bulunması bir zorunluluktur. Bu kaynakların en başında su ve çeşitli metalller yer almaktadır. Alüminyum, sodyum ve mağnezyum gibi metaller yer kabuğunda bol miktarda bulunmalarına rağmen bazı kaynaklar için bu durum geçerli değildir ve hatta bu kaynakları şu anki madencilik teknolojileriyle bol miktarda çıkarmakda mümkün olmayabilir.Su, farklı uygulamalarda yoğun bir şekilde kullanılan önemli bir kaynaktır. Yeryüzünde çok büyük su kaynakları okyanus formunda bulunmasına rağmen, az miktarda tatlı su kaynakları mevcuttur. Son yıllardaki su kullanımın artmasına paralel olarak yakın zamanda yeryüzünde tatlı su probleminin yaşanması oldukça muhtemeldir. Mevcut teknolojiyle tuzlu ve okyanus sularının tuzdan arındırılması ekonomik değildir ve yüksek maliyetler gerektirmektedir. Bundan dolayı, tatlı su kaynaklarını verimli bir şekilde kullanmak oldukça önemli olmakla birlikte tatlı suyun yenilebilir enerji teknolojilerinde de kullanılıyor olması bu önemi daha da arttırmaktadır. Bu bağlamda, farklı endüstrilerin temiz su kullanma gereksinimleri yenilenebilir enerji teknolojileri için bir sorun teşkil edebilir.Bazı kaynaklar yer kabuğunda bol miktarda bulunurken, diğer bazı kaynaklar için şu anki madencilik yöntemleri yeterince verimli olmadığı için gelecekteki ihtiyacı karşılamakta sorunlar yaşanabilir. Sülfat ve indiyum bu tabloyu net bir şekilde görmemizi sağlayan örneklerdir. Sülfat kaynakları dünyanın önümüzdeki 100 yıl için ihtiyaçlarını karşılayabilecekken, indiyum kaynakları oldukça kısıtlı olup şu andaki madencilik teknikleriylede yeterince yer kabuğundan elde edilememektedir. Bu çalışmada kritik terimiyle ifade edilen bazı kaynaklar varki, onların üretimi yeterince yapılamamakla birlikte bu kaynaklar 2030 veya 2050 yıllarındaki yenilenebilir enerji teknolojileri içinde gereken ihtiyacı karşılayamayacak durumdadırlar.Diğer bir göz önünde bulundurulması gereken konuda geri dönüşüm oranıdır. Kaynakların geri dönüşümü onların daha sonraki zamanlarda kullanılmalarına olanak sağlamaktadır. Eğer geri dönüşüm işlemi olmasaydı, bazı önemli kaynakların gelecekteki ihtiyacı karşılamasında büyük sıkıntılar ortaya çıkabilecekti. Alüminyum, bakır ve çinko gibi bazı kaynakların geri dönüşüm oranları oldukça yüksekken, neodimyum gibi metaller içinse tam tersi bir durum sözkonusudur. Yenilenebilir enerji teknolojilerinin geliştirilmesinde çok farklı kaynaklara ihtiyacmız vardır ve bu kaynakların (metaller ve su) yeterli miktarda bulunması % 100 yenilenebilir bir dünya inşa etmek için gerekli ilk adımdır.Enerji senaryoları, dünyanın gelecekteki enerji gereksinimini haritalandırmaktadır. Enerji sektöründe her biri farklı parametreler kullanan çok farklı senaryolar mevcuttur. Enerji senaryolorı gelecekte kullanılacak olan enerjinin miktarını tahmin etmekte olup, bu çalışmada IPCC, WWF, IEA-HIREN ve IEA-2DS senaryoları 2030 ve 2050 yıllarında ki yenilenebilir enerji kaynaklarının gelişimini incelemekte kullanılmışlardır.Literatürde yenilenebilir enerji kaynakları üzerine çalışmalar olmasına rağmen, bu çalışmalarda yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan tüm metaller değerlendirilmemiş olmakla birlikte, bilinen tüm enerji senaryolarıda göz önüne alınmamıştır. Şu anki çalışmayla hedeflenen, yenilenebilir bir dünya için tüm gerekli kaynakların durumunun irdelenip kritik olanlarımn belirlenmesidir. Bu incelemede ele alınan yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan 33 kaynağın miktarı (kg.kWh-1) Ekoinvent veritabanından alınmıştır. Bu veritabanında (SimPro 7 yazılımının içerisinde) yaşam döngüsü analiz bilgileri tüm kaynaklar (yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılanlarda dahil olmak üzere) için yer almaktadır. Neodimyum ve Disprosiyumun miktarları bu veritabanında yer almamaktadır fakat bu metaller yenilenebilir enerji teknolojilerinde çok önemli bir yere sahip olduklarından dolayı onlara ait miktar bilgileri literatürden alınmıştır. Bu şekilde ilk aşamada incelenen yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan toplam kaynak sayısı 35' e çıkmıştır.Ikinci aşamada, 2030 ve 2050 yılları için yenilenebilir enerji teknolojilerin kullanım miktarları (EJ/yıl) IPCC, WWF, IEA-HIREN ve IEA-2DS senaryoları kullanılarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada ele alınan yenilenebilir enerji teknolojileri güneşi (güneş hücreleri (CIS, CdTe ve a-Si), CSP ve güneş termal ısı), rüzgarı (kıyıdan uzak (offshore) ve kıyıya yakın (onshore)), jeotermali (ısı ve güç), biyokütleyi (ısı, elektrik ve yakıt), hidroelektriği ve okyanusu içermektedir. İlk aşamadaki hesaplamalar metallerin yeryüzündeki mevcut kaynak ve rezervleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Bu hesaplamalardan 16 metalin kritik olduğu sonucu bulunmuştur. Bu metaller, Zn, Co, In, Nd, Cu, Mo, Au, Re, Cr, Cd, Ni, Zr, Pt, Te, Dy ve Te' dir.2050 yıllarında ihtiyaç duyulan miktarlarla karşılaştırıldı. Son aşama, 6 metalin kritik olduğunu ve diğer 10 tanesinin ise geri dönüşüm ile 2030 ve 2050 yılları için yenilenebilir enerji teknolojilerde ki gereksinimi karşılayabileceğini ortaya koymuştur. Kritik olduğu belirlenen altı metal Co, Nd, Dy, In, T eve Cd' dir.Kadmiyum güneş hücrelerinde (CdTe) kullanılmakta olup bu teknolojinin gelimesinde büyük rol oynamıştır. Güneş hücreleri IPCC-2050 senaryosunda büyük bir paya sahiptirler ve bu yüzden de bu metal 2050 için kritik durumda olabilir. Tez kapsamında yapılan hesaplamalar bu metalin tüm senaryalarda kritik konumda olduğunu göstermektedir. Diğer bir kritik metal kobalttır. Hesaplamalar bu metale IPCC-2050 senaryasunda ihtiyacın 59.4 milyon ton olduğunu göstermektedir ki bu rakam şu anda ki kobalt rezervinin 8 katıdır. Kobalt kaynakları yer kabuğunda oldukça fazladır fakat madencilik teknikleriyle bol miktarda bu metal üretilememektedir ve bundan dolayıda üretim ile tüketim arasında büyük bir boşluk söz konusudur. İndiyum güneş hücrelerinde (CIS) kullanılan diğer önemli bir metaldir. Bu metalin geri dönüşüm oranı (% 1) oldukça azdır ve bu yüzden de bu metal kritik konumdadır. Kaynaklar ve rezervlerde indiyum için yeterli değildir. Neodimyum ve disprotiyum rüzgar türbini teknolojilerinde kullanılan iki önemli metaldir. Bu metaller endüstride yoğun kullanıldıklarından dolayı büyük miktarlarda ihtiyaç duyulmaktadır. Başka bir ifadeyle, yeni rüzgar türbinlerin yapılması bu iki metale bağlıdır. Kaynak noktasında bu iki metal için bir sorun olmamasına rağmen şu anki madencilik teknikleriyle yüksek miktarda üretimleri yapılamamaktadır. Tellür, CdTe güneş hücrelerinde kullanılan diğer bir kritik metaldir. 2050 yılında kullanılması beklenen tellür miktarı bu metalin kaynaklarının %12' sine tekabül etmektedir. Bu metalin geri dönüşüm oranıda (%1) oldukça düşüktür.Tez kapsamında ele alınan farklı senaryolar değerlendirildiğinde, suyun, sürdürülebilir bir yenilebilir enerjinin hüküm sürdüğü dünya için yeterince bulunduğu anlaşılmaktadır.Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre %100 yenilenebilir enerji kullanan dünya şu anki üretim ve geri dönüşüm teknolojileriyle mümkün görünmemektedir. Bulunan kritik metaller, rüzgar ve güneş gibi önemli yenilenebilir enerji teknolojilerinin geliştirilmesinde temel rol almaktadırlar ve bu metaller 2030 ve 2050' de yenilenebilir enerjinin hüküm sürdüğü bir dünyanın ihtiyaçlarını karşılayamamaktadırlar.

Due to increasing the concentration of greenhouse gases (GHG) which lead to global warming phenomenon, transition from conventional sources of energy (fossil fuels) to clean sources of energy (Renewable energy sources) is necessary. Renewable energy sources are abundont and clean without releasing any pollution to the environment. Today many countries have a strong tendency for developing the renewable energy conversion technologies for decreasing negative effects of fossil fuels. Transition from fossil fuels to renewable energy technologies needs fundamental requirements like resources and materials required in different roadmaps and scenarios of renewable energy technologies. Resources like metals, materials and water are mentioned fundamental requirements that must satisfy our demands in order to 100% renewable energy technologies. In other words, an assessment about available reserves and resources considering their recycling rate, consumption rate and production rate is necessary for reaching to 100% renewable energy plant using long term scenarios. However there are some studies about resources analysis of materials used in renewable energy technologies, mentioned studies do not present a comprehensive study in terms of number of both investigated metals and long term green scenarios. In other words, there is not a clear image about critical metals and materials in different green and long term scenarios for reaching to 100% renewable energy planet. This study investigates the limitations of supply side for 35 metals and materials used in different renewable energy technology considering several long term renewable energy scenarios including IPCC-2050, IPCC-2030, WWF-2050, Hi-REN-IEA2050 and 2DS-IEA2050. This study indicates that there are not sufficient resources and reserves for reaching to a 100% renewable world. In other words there is a huge gap between supply and demand in some key metals required in wind energy conversion technology. Also for metals used in solar energy conversion technologies, resources are not enough to support all the required metals for reaching to 100% renewable world.