GELECEKTE RÜZGARDAN ENERJİ ÜRETİMİNDE

GELECEKTE RÜZGARDAN ENERJİ ÜRETİMİNDE KULLANILABİLECEK YENİ
TEKNOLOJİLER
Giriş
Günümüzde enerjiye talep sürekli artarken yenilenebilir enerji kaynaklarından (YEK)
yararlanmanın önemi ve gerekliliği artmaktadır. YEK arasında “rüzgar” en yaygın ve hızla
gelişen teknolojiye sahip olanlardan biridir.
Dünyada 2008 yılı verilerine göre 90.512 MW kurulu rüzgar gücü bulunmaktadır ve bunun
yaklaşık % 60’ı Avrupa’da; Almanya, İspanya ve Danimarka öncülüğünde kullanılmaktadır.
Ayrıca, Amerika Birleşik Devletleri (ABD), Çin, Hindistan ve Japonya bu alana önemli
yatırımlar yapmaktadır [1].
Türkiye’deki duruma göz atıldığında, 2005 yılında rüzgar enerjisinin kullanımının
yaygınlaştırılması önündeki engelleri kaldıran ve kullanımını teşvik eden “Yenilenebilir
Enerji Kanunu” ile rüzgar çiftlikleri yaygınlaşmaya başlamıştır. Sektörün hızla büyümesi,
Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu’na yapılan başvuruların sayısı ve büyüklüğü bu gelişmenin
Türkiye tarafından da desteklendiğinin göstergesidir.
2006 yılında Enerji İşleri Etüd İdaresi tarafından hazırlanarak yayınlanan Rüzgar Enerjisi
Potansiyeli Atlası kullanılarak Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyeli değerlendirildiğinde iyimükemmel olarak adlandırılan potansiyel bölgelerde 48.000 MW, orta olarak adlandırılan
bölgelerde de 82.000 MW rüzgar potansiyeli öngörülmektedir. 2008 yılının Eylül ayı
itibariyle Türkiye’nin kurulu gücü 333,35 MW’tır. Yapımı sürmekte olan santrallerin toplam
gücü 142,8 MW, tedarik antlaşması yapılan santrallerin toplam gücü ise 1.070 MW’tır [2].
Dünyada rüzgar enerjisinin yaygınlaştırılması için çok çeşitli çalışmalar sürdürülmekte ve
alanın lider üreticileri Ar-Ge yatırımlarına önem vererek sektörde sürekli yenilik ve gelişimi
özendirmektedirler. Bu çalışmalar şu ana başlıklar altında toplanabilir: 1) Çıkarılacak yasa ve
yönetmeliklerin rüzgardan elde edilecek elektriğin artışını öngörmesi, 2) Rüzgar gücü birim
ücretinin düşürülmesi, 3) Rüzgar sektörü ile ilişkili işgücünün artırılması, 4) Rüzgar gücünün
ekolojik ve çevre dostu bir şekilde yaygınlaştırılması, 5) Teknoloji yardımıyla daha hafif,
dayanıklı ve geri dönüşümlü malzemelerin kullanılması, 6) Uluslararası terimi “offshore” olan
deniz üstü rüzgar enerjisi (DRE) santrallerinin temeller ve taşıyıcı sistemlerinin en
iyilemesi, 7) DRE lojistik ve parça birleşiminin kolaylaştırılması, rotor kanatları için
yordamların ve test yöntemlerinin geliştirilmesiyle harcamaların azaltılması, sektör
kazançlarının artırılması, 8) Arzın yükseltilmesi.
Günümüzde 126 metre çap ile üç kanatlı bir rüzgar türbininin 5 MW’a kadar güç üretmesi
mümkündür. Dünya’nın ilk 6 MW’lık türbinini Enercon firması gerçekleştirmiştir. Gelecekte
yeni tasarımlar ile ekonomik ve mühendislik açısından 10-20 MW’lık rüzgar türbinleri
üretmek için kavramsal çalışmalar yapılmaktadır [3].
Avrupa Birliği 2020 yılı sonuna kadar enerjisinin % 20’sini YEK kullanarak sağlama kararı
almıştır. ABD’nin hedefi ise 2030 yılına kadar enerjisinin % 30’unu YEK’ten sağlamaktır.
Ancak bu hedefi her ülkenin tek bir enerji kaynağı kullanarak sağlaması mümkün değildir.
YEK’te rüzgar enerjisinden başka yaygın kullanım alanı bulan diğer enerji kaynağı güneş
enerjisidir. Türkiye’de güneş enerjisi kullanımı çoğunlukla ısıtma amaçlıdır. Yeni yeni güneş
gözeleri (FV) ile sokak aydınlatması, trafik sinyalleşmesi ve baz istasyonları gibi uygulamalar
yapılmaktadır. Ancak YEK’ten elde edilen enerjinin süreksizlik sorunu nedeniyle güneş veya
rüzgar enerjisinin tek başına kullanımı enerjinin etkin kullanımını engellemektedir. Bu
olumsuzluğu gidermek için yapılan araştırmalarda bu iki enerjinin beraber (karma)
kullanımı önerilmektedir. Karma enerji kullanımında rüzgar ve güneş enerjisi beraber
kullanılarak gün boyunca kesintisiz enerji elde edilmesi hedeflenir. Bu sistemin en iyilemesi,
birleştirilmesi ve başarım çözümlemesi gibi konularda araştırmalar devam etmektedir.
Türkiye’de de sektörün bu ilkeler çerçevesinde büyümesi ve gelecekte rüzgar ve güneş
sektörlerinin gelişmesi için DRE ve rüzgarın FV gibi diğer YEK ile beraber kullanılması
önemlidir. Bu makalede; DRE, rüzgar ve FV’nin karma kullanımına yer verilmektedir. Bu
sistemler tanıtılarak karma sistem ile aydınlatma üzerine bir örnek gösterilmiştir.
Deniz Üstü Rüzgar Türbinleri
Karadaki türbinlere kıyasla daha yüksek rüzgar hızı ve daha düzgün rüzgar rejimine sahip
olan DRE’ler % 50’ye kadar daha fazla enerji üretme kapasitesine sahiptirler. DRE’nin en
önemli kazanımları; ekonomide yeni iş ve üretim fırsatları yaratmak, iklim değişikliğini
önlemek için çevresel güvenlik sağlamak, yabancı enerji kaynaklarına olan bağımlılığı
azaltabilmek için enerji güvenliği yaratmak ve dengeli fiyat garantisi ile tüketiciyi korumak
olarak görülmektedir [4]. DRE projeleri; karadaki projelere göre ilk maliyetin % 10
azaltılması, türbin bedelinin proje bedelinin sadece 1/3’ü olması, Ar-Ge ve sergileme
olanaklarının bulunması gibi potansiyellere sahiptir [5].
2006 yılında Amerikan Enerji Bakanlığı, ABD’de deniz üstünde 900.000 MW rüzgar enerjisi
kapasitesi olduğu tahmininde bulunarak, DRE teknolojisinin 2025 yılına kadar ülkenin
elektrik şebekesine 70.000 MW sağlayabileceğini açıklamıştır. 2008 yılının Mayıs ayında ise
ABD’de 2030 yılında rüzgardan elde edilen toplam enerjinin yaklaşık altıda birinin DRE’den
elde edileceği tahmininde bulunarak beş öncelikli bölge belirlemiştir. Bu bölgelerde on DRE
projesi uygulanmaya başlamıştır [6]. Avrupa’da ise karadaki rüzgar gelişim sahaları azaldıkça
rüzgar sektörünün gelişmesi büyük ölçüde DRE’lere kaymaktadır. Kurulan ilk DRE sistemi
1998 yılında Danimarka tarafından Baltık Denizinde kurulmuş olup karadan 2 km uzaklıkta
ve toplam 11.450 kW gücündedir [7]. Avrupa Rüzgar Enerjisi Derneği’nin 2007 yılı sonunda
yaptığı tahmine göre Kuzey Denizi’nin toplam yüzey alanının % 5’ine rüzgar türbinleri
yerleştirilerek Avrupa Birliği’nin enerji ihtiyacının dörtte biri DRE tarafından
karşılanabilecektir. Bu rakam oldukça iddialı görünse de, İngiliz hükümeti 2007 yılının Aralık
ayında, 2020 yılına kadar DRE’den 33.000 MW enerji üretilmesi hedefini ulusal planına
koymuştur [8].
DRE ile ilgili gerçekleştirilen çalışmalar daha çok teknolojik ve çevresel alanlardadır.
Teknoloji ve Ar-Ge çalışmaları; DRE türbin üretimi üzerine karşılaştırmalı çalışmalar;
özellikle yüksek MW’lı DRE rüzgar türbinleri, DRE test ve geliştirme çalışmaları, rüzgar
türbininin denetlenmesine ilişkin yöntemler, rüzgar çiftliklerinde yapısal güvenlik,
güvenilirlik ve daha uzun süre hizmet etmesi için gerekli araçlar ve güvenlik konularında
yoğunluk kazanmıştır.
5 MW’lık türbinleri geliştirme amaçlı araştırmaların yanında 2.5 MW’lık vitessiz bir türbin
üretilmiştir. Daimi mıknatıslarla harekete geçirilen yüksek güçlü sistemin kullanımı kule kafa
yüksekliğini ve ağırlığını oldukça azaltmaktadır. Motor kısmının küçültülmüş yapısı özellikle
deniz üstü kullanımına çok uygundur. 2008 yılında ilk örneği üretilmeye başlanan modelde
kafa kısmı toplamda sadece 150 ton ağırlığındadır. Bu yeni hafif türbin teknolojisinin
kullanılmasının üretim maliyetinde büyük azalmaya neden olması ve DRE’de önemli bir çığır
açması beklenmektedir [9].
Genelde yüksek potansiyele sahip alanların 50 m’den daha derinde bulunduğu ABD’de ise,
tek payandalı sistem kullanmak DRE kullanımını engelleyecek düzeyde pahalıdır ve seçenekli
yapısal teknikler geliştirilmesi gerekmektedir. Petrol ve doğalgaz endüstrileri tarafından bu
konuda yapılan çalışmaları başlangıç noktası kabul ederek basitleştirmek ve seri üretime
uygun hale getirmek için çalışmalar devam etmektedir. Şekil 1’de DRE’nin derin sularda
kullanımı için temellerin gelişimi görülmektedir [10].
DRE’nin çevresel etkileri üzerine yapılan çalışmalar; kuşlarla ilgili çalıştaylar, tarihsel
dokularda görsel etkileri, yeni DRE rüzgar ve dalga ölçüm teknikleri ve rüzgar çiftliği
üzerindeki aerodinamik etkilerinin araştırılması, kuş cinsleri ve rüzgarla etkileşimleri, ses
etkileri, enerji piyasası ve altyapı değerlendirmeleri üzerine yapılmaktadırlar.
DRE gelişiminden etkilenme
riski olan uçan hayvanların tek
bir veritabanında toplanması
üzerine
çalışmalar
vardır.
Avrupa’da DRE’nin Kuzey
Deniz’inin ekosistemi üzerindeki
etkileriyle ilgili bir atlas
hazırlanmıştır [9].
Şekil 1. Derin sularda DRE temellerinin gelişimi
Karma Sistem (Rüzgar ve Güneş Enerjisinin beraber Kullanımı)
FV piller, yarı iletken malzemeden yapılan güneşten aldığı enerjiyi doğrudan elektrik
enerjisine çeviren yapılardır. Bu yapıda, yarı iletken katmanlarda bulunan zayıf bağlı
elektronların güneş ışığında yer alan fotonlar sayesinde bulundukları katmandan kopartılarak
diğer katmana taşınmasıyla elektrik akımı elde edilir. Üretilen enerji miktarının
belirlenmesinde uygulanan bölgenin coğrafi, topolojik durumu ve meteorolojik yapısı
etkilidir. FV hücreler için bant aralığı 1.4 eV ile 1.6 eV arasında bulunan yarı iletkenler en
uygun malzemelerdir [11]. Belirli güç ve voltaj aralığında üretilen fotovoltaik hücreler
birbirlerine seri yada paralel bağlanarak FV panelleri oluştururlar [12]. Bu paneller yapılarına
bağlı olarak % 10 ile % 30 civarında gelen güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler.
Güneş hücresinde akım oluşabilmesi için değer elektronların yer değiştirmesi gerekmektedir.
Bu yer değiştirme, elektronun yasak bant genişliğine eşit veya daha büyük bir enerjiyi güneş
ışınından yani fotondan alarak değer bandından koparılması ile mümkündür. Böylece değer
bandından kopan elektron iletkenlik bandına geçer. Ancak, akım oluşabilmesi için bu
elektronun iletkenlik bandından ayrılması zorunludur. Bu işlem bir elektrik alan oluşturularak
gerçekleştirilir.
Bir güneş pili toplam beş kısımdan oluşmaktadır. Bunlar; kaplama, saydam kontak,
soğurucu/üretici, toplayıcı-çevirici ve opak kontak kısımlarıdır. Pilin en önemli bölümleri
fotonları soğuran elektron-delik çiftlerini üreten yarı iletken tabaka ve üretilen taşıyıcıları
toplayıp elektronların hareketlerini yönlendiren bir gerilim bölgesi’dir. Soğurucu bölge,
üretilen akımın büyüklüğünü belirlerken geriliminin yüksekliği ise pilin üretebileceği gerilimi
belirler. Gerilim ve akımın çarpımı gücü verir.
Silikon malzemeden üretilen bir güneş pili, p-tipi ve n-tipi yarı iletkenin diyot formatında
birleştirilmesinden elde edilir. Şekil 2’te bir pil üzerine düşen ışınımın nasıl hareket edeceği
gösterilmektedir.
Bir fotovoltaik panelde güç hesaplaması aşağıda verilen eşitlikten bulunur. Bu eşitlikte ;
ışınım olmadığında diyotun sızma akım yoğunluğunu (amper), q; elektrik yükünü (coloumb),
V; uygulanan gerilimi (volt), n; akım değeri düştükçe 1’den 2’ye doğru artan ideallik
faktörünü, k; Boltzmann sabitini, T; sıcaklığı ( ,
ise ışından oluşan akımı (amper)
göstermektedir. Bu eşitlikte; T arttıkça artar, Malzeme kalitesi arttıkça azalır ve T=300 K
olduğunda
=25.85 mV olmaktadır [12, 13].
(1)
Şekil 2. Panel üzerine düşen ışınımın
emilme ve yansıma biçimleri
(1) üst noktada yansıma ve emilme,
(2) pil yüzeyinde yansıma,
(3) istenilen emilme,
(4) pilin arkasından yansıma (sadece
zayıf ışık emilir),
(5) yansımadan sonra emilme,
(6) arka temasta emilme
Rüzgar enerjisinin kaynağı güneştir. Güneşin karaları, denizleri ve atmosferi her yerde aynı
derecede ısıtmamasından dolayı oluşan sıcaklık ve basınç farkları rüzgarı yaratmaktadır.
Rüzgar, yüksek basınç alanından alçak basınç alanına yer değiştiren havanın dünya yüzeyine
göre bağıl hareketiyle meydana gelir. Rüzgar enerjisinden faydalanmak için rüzgar türbinleri
oluşturulmuştur [13]. Rüzgar türbininin kanadı ile alınan enerji doğrudan alternatif akıma
çevrilerek güç elde edilir. Eğer enerji depolanmak isteniyorsa bir çevirici yardımıyla doğru
akıma çevrilerek bir bataryada depolanabilir. Bir rüzgar türbininden elde edilebilecek güç
miktarı aşağıda verilen eşitlikten hesaplanır. Bu eşitlikte
işlevi türbin güç katsayısıdır ve
iki parametreye (λ ve θ) bağlıdır.
(2)
Burada, ρ;türbinün A alanından geçen hava yoğunluğu,v; rüzgar hızı, θ; türbin kanat açısı ve
λ; uç-hız oranıdır ve aşağıdaki eşitlik ile gösterilir.
(3)
Bu eşitlikte türbin milinin açısal dönüş hızını verirken r ise türbin yarıçapıdır. Güç eşitliği
göz önüne alındığında, teorik olarak elde edilebilecek en büyük güç oranı 16/27=0,59’dur. Bu
da bir rüzgar türbininde gelen rüzgarın %59’unun enerji olarak aktarılabileceğini
göstermektedir.
Karma sistemler enerji kaynaklarının birlikte kullanımı üzerine yapılandırılmış sistemlerdir.
Bilindiği gibi yenilenebilir enerji kaynaklarında en büyük sorun enerji üretiminde sürekliliğin
sağlanamamasıdır. Karma sistemlerde, farklı iki veya daha fazla temiz enerji kaynağı paralel
bağlanarak etkinliği ortadan kalkan temiz enerji kaynağının oluşturacağı enerji süreksizliliği
paralel bağlı diğer etkin temiz enerji kaynağının devreye alınması ile sağlanır. Bu nedenle
karma sistemlerin bu sorunu gidereceği düşünülmektedir. Rüzgar-güneş karma sisteminde
rüzgar enerjisi ile güneş enerjisi beraber kullanılarak enerji üretimi sağlanmaktadır. Bu
çalışmada, rüzgar ve güneş enerjisinin ortak kullanımı ile aydınlatma kullanılan bir sistem
örnek olarak verilmiştir. Şekil 3a’da sistemde kullanılan rüzgar türbini ve güneş panelleri
(a)
(b)
Şekil 3. (a) Karma sistemdeki rüzgar türbini ve güneş panelleri, (b) bu sistem kullanılarak
elde edilen aydınlatma sisteminin genel şeması
gösterilmektedir. Görüntü Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü’nün bahçesinde yer alan
aydınlatma sisteminden alınmıştır. Şekil 3b’de bu aydınlatma sisteminin genel şeması
verilmektedir. Şekilden de görüleceği gibi, sisteme rüzgar enerjisinin yetersiz olduğu
durumlarda sistemin enerji üretiminin sürekliliğini sağlamak için fotovoltaik paneller
eklenmiştir. Bu sistemde eğer istenirse kontrol sistemi yardımıyla her iki enerji sisteminin de
aynı anda çalıştırılabileceği görülmektedir. Sistem incelendiğinde rüzgar ve güneşten elde
edilen enerjinin önce kontrol paneline aktarıldığı görülür. Daha sonra bu enerji doğru akıma
çevrilerek istenildiği zaman kullanılmak üzere bir bataryaya aktarılır ve depolanır. Karanlık
algılayıcısı aydınlatmaya ihtiyaç duyulduğunda devreye girer ve bataryadaki enerji bir çevirici
ile alternatif akıma çevrilerek istenilen aydınlatma gerçekleşir.
Sonuç
Bilindiği gibi YEK günümüzde küresel ısınma nedeniyle hızla önem kazanmakta ve geniş
kullanım alanı bulmaktadır. Araştırmacılar çalışmalarını YEK’ten enerji elde edebilmek için
gerçekleştirilebilecek sistemler üzerine yoğunlaştırmaktadırlar. Amerika ve Avrupa ülkeleri
bu nedenle YEK’te enerji üretimi için geniş kaynak ayırmakta ve araştırmalarını bu alana
kaydırmaktalar.
YEK’ten enerji üretiminde rüzgar enerjisinin büyük payı olacağı görülmektedir. Rüzgar
enerjisinde ise geleceğin, DRE ve karma sistemler üzerinde yoğunlaşacağı düşünülmektedir.
YEK’in en büyük açmazının enerji üretiminde süreksizlik olmasından dolayı karma
sistemlerin kullanılması oldukça mantıklı görünmektedir. YEK arasında rüzgar ve güneş, en
önemli ve en fazla ilgi duyulan enerji kaynakları olarak kabul edildikleri için, rüzgar-güneş
enerjisinin karma kullanımının da süreksizliliğin giderilmesine bir çözüm olacağı
öngörülmektedir.
Halen gelişmekte olan rüzgar sektöründe, eskiden riskli bir yatırım gibi görülen DRE
günümüzde; yeni çalışma sahaları sağlaması, enerji verimliliği, sera gazlarının azaltılması ve
üretilen elektrik bedellerinin düşüklüğü ile başarıyla uygulanmaya başlanmış yeni bir
teknolojidir. Yeterli başlangıç desteği verilmesi halinde DRE’den üretilecek enerji bedelinin
2020 yılına kadar nükleer enerji ücretlerinin biraz daha aşağı seviyesine düşmesi
beklenmektedir. DRE’yi bekleyen engeller ise deniz üstü petrol ve doğalgaz endüstrisinin
70’li ve 80’li yıllarda karşılaştıkları engellerden çok da farklı değildir [14]. Ancak henüz
Türkiye’de DRE kapasitesi ile ilgili ciddi bir çalışma bulunmamaktadır. Bir an önce böyle bir
çalışmaya başlanması ile, üç tarafı denizler ile çevrili Türkiye’nin kendi teknolojisi ile dünya
ile rekabet edebilir duruma gelmesine yardımcı olacaktır.
KAYNAKLAR
[1] Y. Malkoç, “Türkiye’de Elektrik Enerjisi İhtiyacının Karşılanmasında Rüzgar Enerjisinin Yeri”, Yeni Enerji,
2008.
[2] M. B. Özerdem, “İzmir ve Rüzgar Enerjisi”, TMMOB İzmir Kent Sempozyumu, İzmir, 2009.
[3] http://www.wind-energy-the-facts.org
[4] J. Lanard, http://www.awea.org/policy/regulatory_policy/pdf/12-2-08_Offshore_Wind_Webinar.pdf, 2008.
[5] J. Banks, http://www.awea.org/policy/regulatory_policy/pdf/12-2-08_Offshore_Wind_Webinar.pdf, 2008.
[6] L.S. Morton, http://www.awea.org/policy/regulatory_policy/pdf/12-2-08_Offshore_Wind_Webinar.pdf, 2008.
[7] International Solar Energy Society, Wind Energy Pocket Reference, 2007.
[8] M. Lethe, “Rotors take to the high seas”, Researcheu, Special issue, 2008.
[9] Alman Federal Çevre, Doğa Koruması ve Nükleer Güvenlik Bakanlığı, Innovation Trough Research 2007
Annual Report on Research Funding in the Renewable Energies Sector, 2008.
[10] “Loads Analysis of a Floating Offshore Wind Turbine Using Fully Coupled Simulation”, WindPower 2007
Conference & Exhibition, Los Angeles, California, June 3–6, 2007
[11] M. K. Kaymak, A. D. Şahin, “İstanbul’da Konutlar için Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemlerinden Elektrik
Üretimi”, Yeni enerji, Yıl 2, Sayı 7, 2008.
[12] M. A. Aktacir vd., “Fotovoltaik-Rüzgar Hibrid Güç Sistemi Uygulaması”, Yeni enerji, Yıl 1, Sayı 3, 2008.
[13] A. D. Şahin, “Rüzgar enerjisi Hesaplamalarında Geliştirilmiş bir Yöntem”, Bitirme Ödevi, İTÜ, 1994.
[14] G. Boyle, 2006, “UK offshore wind potential”, reFOCUS, Temmuz-Ağustos 2006.