Metro sistemlerinde güneş enerjisi kullanımının çevresel sürdürülebilirlik kapsamında yaşam döngüsü değerlendirmesi
Life cycle assessment of solar energy use in metro systems within the scope of environmental sustainability
Yazar: BURCU UZUN AYVAZ
Danışman: PROF. DR. BURCU ONAT
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Küresel ölçekte uygulanan enerji dönüşümü politikalarına bakıldığında, çatı üstü fotovoltaik (PV) uygulamalarına yönelik ilginin arttığı, özellikle şehirlerde bu uygulamalara yönelik alanların değerlendirildiği ve teşvik programlarının oluşturulduğu gözlenmektedir. Bu vesile ile, gelişmeye devam eden yeni PV teknoloji ve uygulamalarının, çevresel performansını anlamak ve diğer enerji kaynaklarıyla anlamlı bir karşılaştırmaya olanak sağlamak için, kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi önemlidir. Bu çalışma, Türkiye'nin İstanbul ilinde, bir raylı sistem yerleşkesinde bulunan atölye binasının çatısına uygulanacak ve 1956.15 kilowatt peak (kWp) kurulu gücüne sahip bir çatı üstü PV santralinin, yaşam döngüsü boyunca çevresel etkilerinin değerlendirmesine odaklanmaktadır. Bu kapsamda, son teknolojilerden biri olan yüksek verimli Pasifleştirilmiş Verici ve Arka Hücre (PERC) ile oluşturulmuş bir PV modül sisteminin, ulaşım yapı bileşenlerine entegre edilmesi ve Türkiye kurulum lokasyonu dikkate alınarak çevresel etkilerinin kapsamlı olarak değerlendirilmesi ilk kez yapılmıştır. SimaPro v9.2 yazılımı ile gerçekleştirilen Yaşam döngüsü değerlendirme (YDD) kapsamı, "beşikten mezara" olarak belirlenmiştir ve fonksiyonel birim 1 kilowatt saat (kWh) elektrik üretimi olarak kabul edilmiştir.
Çatı üstü PV santralinin yaşam döngüsü boyunca, 1 kWh elektrik üretimi başına düşen toplam sera gazı (GHG) emisyonu 55.1 gram karbondioksit eşdeğeri (g CO2 eşd.) olarak hesaplanmıştır. Şebeke elektriğine göre karşılaştırıldığında, analiz edilen sistemin kullanım ömrü boyunca, toplam ~1146 ton/yıl CO2'yi önleyeceği tahmin edilmiştir. Öncelikli olarak dikkate alınan diğer çevresel etkiler; insan toksisitesi-kanserojen olmayan; 1.9E-06 CTUh/kWh, insan toksisitesi-kanserojen; 7.6E-08 CTUh/kWh, tatlı su ötrofikasyonu; 0.03 g P eşd./kWh, tatlısı ekotoksisitesi; 2649.9 CTUe/kWh, fosil kaynak kullanımı; 570.2 MJ/kWh ve mineral ve metal kullanımı; 0.0050 g Sb eşd./kWh olarak hesaplanmıştır. Çevresel yüklerin en büyük kaynağı, PERC PV modülünün üretim aşamasıdır (yaklaşık %82.2- %99.0). Üretim lokasyonuna ilişkin hassasiyet analizinden, sıcak noktalar olarak belirlenen modül montajı ve enerji yoğun süreçlerin (poly-Si ve Cz-Si) daha yeşil enerji karışımına sahip bir lokasyonda yapılmasının, çevresel faydalarda iyileşme sağlayabileceği gözlenmiştir. Çift camlı modül tasarımına sahip bir PERC modülünün uygulamada kullanılması senaryosu ise çevresel etkiler açısından en iyi performansı göstermiştir. 
Sonuçlar, yerinde güneş enerjisiyle üretilen elektriğin, fosil yakıt bazlı elektriğe göre etkilerin çoğunda daha avantajlı olduğunu desteklemektedir. Önemli ulaşım türlerinden biri olan raylı sistem bileşenlerine uygulanacak çatı üstü PV kurulumları, özellikle İstanbul gibi metropol şehirlerde çevresel faydalar sağlayabilir. Ancak, bu sistemlerin özellikle modül üretimi gibi diğer aşamalarından kaynaklanabilecek çevresel etkilerinin de olabileceği (ADP-nihai gibi) dikkate alınmalıdır. Uygulamaların sürdürülebilirliği açısından yaşam döngüsü değerlendirme çalışmalarının proje öncesi analizlere dahil edilmesi, çevresel etkilere sebep olan sıcak noktaların belirlenmesinde ve buna yönelik önlemler alınmasında fayda sağlayacaktır.

Abstract:
In terms of energy transition policies that are being implemented on a global scale, interest in rooftop photovoltaic (PV) applications is on the rise, sites for these applications are being evaluated, and incentive programs are being put in place, especially in cities.  Therefore, it is important to comprehensively evaluate new PV technologies and applications as they evolve in order to understand their environmental performance and make meaningful comparisons with other energy sources.  The focus of this study is the assessment of the life cycle environmental impacts of a rooftop PV system with an installed capacity of 1956.15 kilowatt peak (kWp) on the roof of a workshop building at a railway system campus in Istanbul, Türkiye.  This is the first time that a PV module system using one of the latest technologies, the high-efficiency Passivated Emitter and Rear Cell (PERC), has been integrated into transportation building components and its environmental impacts have been comprehensively assessed. The study also takes into account the Türkiye location of the installation. The scope of the life cycle assessment (LCA) conducted with SimaPro v9.2 software was determined as "cradle to grave" and the functional unit was considered as 1 kilowatt hour (kWh) electricity generation.
Over the life cycle of the rooftop PV system, the total greenhouse gas (GHG) emissions per 1 kWh of electricity produced are calculated to be 55.1 grams of carbon dioxide equivalent (g CO2 eq.). Compared to grid electricity, the analysed system is estimated to avoid a total of ~1146 tons/year of CO2 over its lifetime.  Other significant environmental impacts are calculated as human toxicity non-carcinogenic; 1.9E-06 CTUh/kWh, human toxicity carcinogenic; 7.6E-08 CTUh/kWh, freshwater eutrophication; 0.03 g P eq./kWh, freshwater ecotoxicity; 2649.9 CTUe/kWh, fossil resource use; 570.2 MJ/kWh and mineral and metal use; 0.0050 g Sb eq./kWh. The biggest source of environmental impact is the production phase of the PV module (approximately 82.2-99.0 %). The sensitivity analysis of the manufacturing location showed that module assembly and energy-intensive processes (poly-Si and Cz-Si) in a country with a more environmentally friendly energy mix could result in an improvement of the environmental performance. The best performance in terms of environmental impact was achieved by glass-glass PERC.
The results support that on-site solar electricity generation is more advantageous than fossil fuel electricity generation in most of the impacts. Rooftop PV installations on components of rail systems, one of the main modes of transportation, can provide environmental benefits, especially in large cities such as Istanbul. However, it should be noted that these systems may also have environmental impacts (such as resource use, minerals and metals) that may arise from other stages of these systems, in particular from manufacturing the modules. The inclusion of life cycle assessment in pre-project analyses in terms of sustainability of the applications will be beneficial in identifying hotspots that cause environmental impacts and taking measures accordingly.