YENİLENEBİLİR ENERJİ ÜRETİMİNDE GELGİT AKINTILARININ KULLANIMI İÇİN STRATEJİLER

Transkript

1 YENİLENEBİLİR ENERJİ ÜRETİMİNDE GELGİT AKINTILARININ KULLANIMI İÇİN STRATEJİLER Kadir Orhan, M.Sc. Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, CORELAB/FTZ-Westküste Düsternbrooker Weg 150, 24105, Kiel, Almanya (+49) ÖZET Bir Almanya-Endonezya ortak projesi olan Ocean Renewable Energy ORE-12 kapsamında Endonezya daki okyanus alanları incelenip dalgalar ve gelgit akıntıları üzerinden yüksek verimle enerji üretimi yapılabilecek bölgeler saptanmaya çalışılmaktadır. Proje neticesinde bir karar destek sistemi (DSS), oluşturulması planlanmaktadır. Bu sistem kapsamında yenilenebilir enerji kaynaklarının tespiti için stratejiler; entegre bir coğrafi bilgi sistemi veri tabanı; data işleme ve görüntüleme sistemleri; akıntı, dalga, sediment taşınımı ve morfodinamik özelliklerin değişiminin belirlenmesi için nümerik modeller ve seçilen bölgelerdeki enerji potansiyellerinin hesaplanmasına yönelik araçlar oluşturulması hedeflenmektedir. Bunların yanında bölge kaynaklarının enerji üretiminde kullanılmasının yaratacağı çevresel etkinin de değerlendirilmesine yönelik bir çalışma yapılacaktır. Bu çalışmada ORE-12 projesinin metodolojisi hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca başlangıç aşamasında kurulan nümerik modellerin sonuçları sunulmuştur. STRATEGIES FOR THE USE OF TIDAL STREAM CURRENTS FOR POWER GENERATION The joint German-Indonesian project "Ocean Renewable Energy ORE-12" aims at the identification of marine environments in the Indonesian Archipelago, which are suitable for the efficient generation of electric power by converter facilities. The converters shall be driven by tidal currents and waves. The deliverables of the project comprise strategies for characterization of ORE resources, a DSS with integrated GIS-database for storage, processing and visualization of data, process based numerical models for currents, waves, sediment transport and morphodynamics as well as results of calculations concerning the electric power yield in the selected marine environments. Besides this investigation, strategies for Environmental Impact Assessment of the effects of the operation of power converters on the marine environment will be developed. In this study, information about the method of ORE-12 project will be given. Furhermore, results obtained from ad-hoc flow models will be presented. Anahtar kelimeler: yenilenebilir enerji, gelgit, hidrodinamik model 863

2 1. GİRİŞ Günümüzde, küresel enerji ihtiyacının yaklaşık %80 i fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Ciddi bir iklim değişikliği tehdidi ile karşı karşıyayken ve petrol, doğalgaz gibi kaynaklar hızla tükenmeye devam ederken de yenilenebilir enerji üretimi üzerine yapılan çalışmalar günden güne daha fazla önem arz etmekte ve yoğunlaşmaktadır yılında küresel enerji ihtiyacının %14 ünün yenilenebilir kaynaklardan karşılandığı tespit edilmiştir ve bu oran giderek artmaktadır. Güneş, rüzgar ve okyanuslar gibi kaynaklardan elde edilebilecek enerjinin küresel talebi rahatça karşılayacağı, hatta bunun çok üzerinde olduğu fikri ise bilim çevrelerince genel anlamda kabul görmektedir (Asif & Muneer, 2007). Yenilenebilir okyanus enerjisi kaynakları incelendiğinde, gelgit akıntılarının bu kaynaklar arasındaki önemi kolayca anlaşılabilmektedir. Erişilebilirliği, hava koşullarından bağımsız olması ve tahmin edilebilirliği, çevreye herhangi bir zarar vermemesi gibi sebeplerle çokça tercih edilmektedir ve dünya üzerindeki birçok noktada gelgit akıntılarından enerji üretebilmek için uygun bölgeler belirlenmektedir. Endonezya Ulusal Enerji Konseyi, yılları arasında okyanus enerjisinin enerji havuzlarındaki payını ciddi bir oranda arttırmayı amaçlamaktadır. SPICE III programı kapsamında bir Almanya-Endonezya ortak projesi olan Ocean Renewable Energy ORE-12 dahilinde bu amaca dönük olarak ülke genelinde enerji üretimine uygun okyanus alanlarının tespitine ve bu alanların en efektif biçimde kullanılabilmeleri için stratejilerin geliştirilmesine çalışılmaktadır. Bu çalışma da ORE-12 projesinin bir parçası olup, çalışma kapsamında Hint Okyanusu nu Java, Bali ve Flores denizlerine bağlayan boğazlardaki gelgit akıntıları incelenmekte ve bu akıntılardan enerji üretebilmek için geçerli stratejilerin geliştirilmesine çalışılmaktadır. 2. YÖNTEM Çalışma temel olarak iki aşamadan meydana gelmektedir. 2.1 Bölgesel değerlendirme ve fizibilite çalışması Bu aşamada hedef alınan bölgelerin coğrafi, hidrodinamik ve oşinografik koşulları detaylı bir biçimde ele alınmaktadır. Çalışmaya engel teşkil edebilecek ya da çeşitli sınırlamalara sebep olabilecek çevresel faktörler tanımlanmaktadır ve ekonomik modellerin oluşturulmasına çalışılmaktadır. 2.2 Detaylı bölgesel değerlendirme ve tasarım İkinci aşama tasarım ile ilgilidir. Bu aşamada tesislerin (türbin çiftlikleri) yapılandırılacağı bölgelere kesin olarak karar verilmekte, bunun da ötesinde türbinlerin yerleştirileceği noktalar teker teker belirlenmektedir. 864

3 Bölgesel değerlendirme yapılırken aşağıdaki kriterler dikkate alınmaktadır: Bölgeye ait yeterli veri mevcut mu ya da elde edilebilir mi? Ortalama yüksek gelgit akıntı hızı 1 m/sn den büyük mü? Gelgit türbinlerinin yerleştirilebilmeleri için derinlik yeterli mi? Bölge bir elektrik hattının yakınında mı? Bölge önemli bir gemi hattının üzerinde mi? İlk aşamada gerekli şartları sağladığı düşünülen bölgelere ait hidrodinamik koşulların analiz edilmesi için Delft3D programının FLOW modülü kullanılarak iki veya üç boyutlu hidrodinamik modeller kurulmaktadır. Modellerden elde edilen çıktıların ilerleyen aşamalarda saha ölçüm verileri ile kıyaslanarak modellerin kalibrasyon ve validasyonlarının yapılması planlanmaktadır. Bu noktada izlenen metoda ait özellikler çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1 Hidrodinamik analiz metodolojisi (EMEC, 2009) Birinci Aşama İkinci Aşama Harmonik analiz (min. gelgit bileşeni sayısı) Grid çözünürlüğü 500m - 50m < 50m Saha araştırması ölçüm periyodu 2 gün 1 ay 3 ay Saha ölçümleri iki farkli şekilde gerçekleştirilmektedir: 1. Alman Havacılık ve Uzay Merkezi, DLR a ait TanDEM-X ve TerraSAR-X uydularının radar sistemleri yardımıyla gerekli bölgelerdeki rüzgar iklimi, dalga yükseklikleri ve akıntı hızlarının tespiti yapılabilmektedir. Bu sistemler ağırlıklı olarak proje bölgesi seçimi aşamasında kullanılmaktadır. 2. Gelgit ölçeklerinden ilgili bölgelerdeki su seviyesi değişimleri zaman serileri halinde elde edilebilmektedir. Projenin ana odağı olan Flores Boğazı na kıyısı bulunan Larantuka bölgesindeki bir gelgit ölçeği şu aşamada ölçümlere devam etmektedir. Cihaz 8º S, 122º E koordinatlarına yerleştirilmiştir ve Flores Boğazı nın güneyinde bulunmaktadır. Gelgit akıntısından elde edilebilecek enerji miktarı hesaplanırken tercih edilen terim, güç yoğunluğu P[W] dir. Su altındaki bir türbin vasıtası ile akıntı enkesit alanına bağlı olarak elde edilebilen enerji miktarı aşağıdaki denklem 1 yardimi ile yaklaşık olarak hesaplanabilmektedir (Blunden et al., 2013). P/ A 1 2 U 2 (1) Burada A (m 2 ) akıntı enkesit alanı, ρ (kg/m³) suyun yoğunluğu ve U (m/s) akıntı hızıdır. 865

4 Tabii olarak, gelgit akıntılarından enerji elde edilmesi konusunda da birtakım kısıtlamalar söz konusudur. Bu kısıtlamaların amacı ise tahmin edilebileceği gibi çevresel etkileri minimuma indirmek ve içinde bulunulan ekosisteme herhangi bir zarar verilmesini önlemektir. Bu noktada Lanchester-Betz limitine göre elde edilebilecek optimum enerji miktarı, akıntı enerjisinin %59 udur. Work et al., 2012 tarafından yapılan çalışmada toplam enerji kapasitesinin %60 ının enerji üretiminde kullanılması durumunda bile akıntı hızlarında gözle görülür bir değişimin meydana gelmediği ortaya konmuştur (Şekil 1). Şekil 1 Toplam enerji kapasitesinin %60 ının kullanılması durumunda akıntı hızında meydana gelen değişim (Work et al., 2012) Bu çalışma dahilinde de çevresel etkiler göz önünde bulundurulmaktadır. Akıntı hızında meydana gelecek değişikliklerin olası çevresel etkilerinin yanısıra, çeşitli kimyasallara, ışığa ve sese dayalı olarak meydana gelebilecek kirlilik ve civar göç yolları üzerinde oluşabilecek etkiler de göz önünde bulundurulmakta ve gerekli hassasiyet gösterilmektedir. Bu noktada çalışmalar CRM (Coastal Research & Management) şirketi ile beraber yürütülmektedir. 3. SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRMELER Çalışma dahilinde, şu ana kadar birinci aşama bölgesel değerlendirme için hidrodinamik modeller kurulmuş ve çeşitli senaryolar için çalıştırılmıştır. Odak bölgeler aşağıda liste halinde verilmiştir: Hint Okyanusu nu Java Denizi ne bağlayan Sunda Boğazı Hint Okyanusu nu Bali Denizi ne bağlayan Bali, Badung, Lombok ve Alas boğazları Hint Okyanusu nu Flores Denizi ne bağlayan Flores, Lewotobi, Solor, Lamakera ve Boling boğazları 866

5 Sonuç olarak, Endonezya okyanus alanlarında hedef alınan bölgelerdeki su seviyesi değişimleri ve akıntı hızları yaklaşık olarak saptanmıştır. Yukarıda da söylendiği gibi, bir sonraki adım olarak saha ölçüm verileri yardımıyla modellerin kalibrasyon ve validasyonları yapılacak ve arkasından her bölge için ayrı ayrı yıllık enerji potansiyelleri hesaplanacaktır. Örnek teşkil etmesi amacıyla Flores Boğazı için kurulan hidrodinamik modellere ait birtakım bilgiler ve modellere ait bulgular aşağıda paylaşılmıştır. Flores Boğazı ndaki hidrodinamik koşulların belirlenmesi amacıyla öncelikle Hint Okyanusu nu Flores Denizi ne bağlayan boğazlar sisteminin tamamını kapsayan genel bir hidrodinamik model kurulmuştur (Şekil 2). Bu modelin sınır şartları belirlenirken iki farklı kaynaktan yararlanılmıştır: 1. 1/12º çözünürlüklü HYCOM ve NCODA küresel modellerinden bölgedeki su seviyesi değişimleri, tuzluluk ve sıcaklık değerleri elde edilmiştir. 2. 1/12º çözünürlüklü TPXO7.2 (Indian Ocean atlas) küresel modelinden bölgedeki harmonik gelgit bileşenleri (M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, M4, MS4, MN4) elde edilmiştir. Şekil 2 Flores Boğazı ve çevresini kapsayan genel modele ait yapısal ağ Flores Boğazı için sonraki aşamada kurulan detaylı modelin kapsadığı bölge yine şekil 2 de kırmızı çerçeve içine alınarak gösterilmiştir. Genel ve detaylı modellerin kapsadıkları bölgelerdeki su derinliklerinin konuma bağlı değişimleri de sırasıyla şekil 4 ve şekil 5 te görülebilmektedir. 867

6 Flores Boğazı için kurulan detaylı modelin (Şekil 3) sınır şartları saptanırken Delft3D-FLOW modülü bünyesindeki NESTHD aracı kullanılmış ve detaylı modelin sınır şartları genel modelin çıktıları üzerinden yapılan interpolasyon ile belirlenmiştir. Şekil 3 Flores Boğazı hidrodinamik koşullarının belirlenmesi amacı ile kurulan detaylı modele ait yapısal ağ Şekil 4 Hint Okyanusu nu Flores Denizi ne bağlayan boğazlar sisteminde su derinliğinin konumsal değişimi (31 Mart 2012, 10:30) 868

7 Şekil 5 Flores Boğazı nda su derinliğinin konumsal değişimi (31 Mart 2012, 10:30) Şekil 2 ve şekil 3 te görülen genel ve detaylı modellere ait temel özellikler çizelge 2 de verilmiştir. Görüldüğü gibi, modellerin her ikisi de 31 er günlük periyodlarla çalıştırılmıştır. Bunun amacı bir kameri aya karşılık gelen 28 günlük periyodun üzerinde bir süre ile modellerin çalıştırılması ve bu sayede bölgedeki gelgit karakteristiklerinin doğru biçimde gözlenebilmesidir. Modellere ait çıktılardan bazıları ise şekil 6, 7 ve 8 de sunulmuştur. Çizelge 2 Flores Boğazı hidrodinamik koşullarının belirlenmesi amacı ile kurulan modellere ait temel özellikler Harmonik analiz (gelgit bileşeni sayısı) Genel model Detaylı model Grid çözünürlüğü 500m 50m Zaman aralığı 3 saniye 3 saniye Periyod 31 gün 31 gün 869

8 Şekil 6 Flores Boğazı üzerindeki su seviyesinin 2012 yılı Mart ayı içerisindeki zamansal değişimi Şekil 7 Flores Boğazı üzerindeki akıntı hızının 2012 yılı Mart ayı içerisindeki zamansal değişimi (üst: u bileşeni; alt: v bileşeni) 870

9 Şekil 8 Flores Boğazı üzerindeki akıntı hızı büyüklüğünün konuma bağlı değişimi (6 Mart 2012, 20:30) Modellerden elde edilen sonuçlar bölgenin gelgit akıntılarından enerji üretimi gerçekleştirmek için son derece elverişli olduğunu göstermektedir. Saha ölçüm çalışmalarının tamamlanmasının arkasından modellerin kalibrasyon ve validasyon çalışmaları yapılacak ve bu sayede daha rafine sonuçlar elde edilebilecektir. Uydu radar sistemlerinden elde edilen verilerin güvenilirliği de bu süreçte sınanabilecek, başka herhangi bir cihaz kullanımına gerek kalmaksızın bu veriler kullanılarak model çıktılarının kontrol edilip edilemeyeceği anlaşılacaktır. Türkiye de de Karadeniz ve Ege Denizi kıyılarının dalga iklimlerine bağlı olarak sahip oldukları yenilenebilir enerji potansiyellerinin belirlenmesi amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Diğer yandan Çanakkale ve İstanbul boğazlarındaki akıntılardan yenilenebilir enerji üretimine yönelik projeler de yürürlüğe girmiş bulunmaktadır. Bu noktada özellikle hem üst, hem alt tabaka akım hızları Çanakkale Boğazı na kıyasla daha büyük olan İstanbul Boğazı ndaki akıntıların doğru değerlendirilmesi büyük önem arz etmektedir. Bölgede üst tabaka akımının hızı 2 m/s ye ulaşabilmekte, hatta ekstrem meteorolojik koşullar altında 2.5 m/s değerine ulaşabilmektedir. Alt tabaka akımının hızı ise 1 m/s ye ulaşabilmekte ve ekstrem meteorolojik koşullar altında 1.5 m/s değerine ulaşabilmektedir (Yüksel ve diğ., 2007). Ülke yenilenebilir enerji kaynaklarının incelenmesi ve değerlendirilmesine yönelik tüm projelerin ciddi bir şekilde desteklenmeleri ve sayılarının artması da hiç şüphesiz ülke menfaatine olacaktır. 871

10 4. KAYNAKLAR [1] Asif, M. and Muneer, T. (2007). Energy supply, its demand and security issues for developed and emerging economies, Renewable & Sustainable Energy Reviews 11, [2] Blunden, L.S., Bahaj, A.S., Aziz, N.S. (2013). Tidal current power for Indonesia? An initial resource estimation for the Alas Strait, Renewable Energy 49, [3] DLR, Earth Observation, 14 Eylül 2014 [4] EMEC, (2009). Marine Renewable Energy Guides: Assessment of Tidal Energy Resource, UK. [5] SPICE III, Topic 6. Potentials of ocean renewable energy in the Indonesian Seas, spice.zmt-bremen.com, 14 Eylül 2014 [6] Work, P.A., Haas, K.A., Defne, Z., Gay, T. (2013). Tidal stream energy assessment via three-dimensional model and measurements, Applied Energy 102, [7] Yüksel, Y., Ayat, B., Öztürk, M.N., Aydoğan, B., Güler, I., Çevik, E.Ö., Yalçıner, A.C. (2007). İstanbul Boğazı nda Akıntı İklimi Çalışması, 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu, Ekim 2007, İzmir 872