Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ GÖKÇEADA NIN ELEKTRİK ENERJİSİ İHTİYACININ RÜZGAR ENERJİSİ İLE KARŞILANMASI

Transkript

1 Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ GÖKÇEADA NIN ELEKTRİK ENERJİSİ İHTİYACININ RÜZGAR ENERJİSİ İLE KARŞILANMASI İsmail Hakkı TAVMAN Dokuz Eylül Üniversitesi Bornova İzmir ÖZET Bu çalışmada, Gökçeada nın elektrik enerjisi ihtiyacının rüzgâr enerjisi ile temini incelenmiştir. Kuzey Ege de bulunan Gökçeada, Çanakkale iline bağlı olup Türkiye nin en büyük adasıdır, devamlı oturan nüfusu 2000 yılına sonuçlarına göre 8578 dir. Gökçeada nın puantı yaz sezonunda (Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül ) 1700 kw, kış sezonunda ise (Ekim, kasım, Aralık, Ocak, Şubat, Mart, Nisan) 1600 kw olarak alınmıştır. Gökçeada nın kişi başına ortalama tüketimi yıllık 1736 kwh dır. Gökçeada nın rüzgar hızları adanın 429 m yükseklikteki Kesiktaş (Araşa) tepesinde Genba Mühendisliğe ait rüzgar ölçüm direği data veri kaydedici cihazı çıktılarına göre alınmıştır; 40 ve 50 m deki ortalama, maksimum ve minimum rüzgar hızlarını gösterilmiştir. Bu çalışmada rüzgâr enerjisinin temel kıstaslarından yola çıkılarak bir bölgenin elektrik enerjisi ihtiyacının rüzgâr enerjisi ile karşılanması konusunda genel prensipler araştırılmış Gökçeada için bir rüzgâr enerjisi santrali tasarlanmıştır. Bunun için Gökçeada nın elektrik enerjisi ihtiyacı ve bu ihtiyacı karşılamak için türbin sayısı, bunların ürettikleri enerji miktarları hesaplanmış, türbinlerin ihtiyacı karşılama oranı, kapasite faktörleri bulunmuştur. Rüzgar santralı için, Türkiye de çok kullanılan, belli bir markanın çeşitli kapasitedeki türbinleri incelenmiş ve en uygun türbin tipi bu türbinler arasından seçilmiştir. Santralin maliyet analizi yapılmış ve geri ödeme süresi 2,66 yıl olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak Gökçeada gibi elverişli rüzgâr hızlarına sahip bölgelerde zannedildiğinden daha verimli, ucuz, temiz ve yenilenebilir enerji ile elektrik üretiminin sağlanabileceği vurgulanmıştır. 1.Giriş Gelişen teknolojiye paralel olarak ortaya çıkan çağdaş gereksinimlerden dolayı, gün geçtikçe artan elektrik enerjisi sarfiyatı, insanoğlunu yeni enerji kaynakları aramaya itmektedir. Yenilenebilir, temiz, ucuz üretilebilen bir enerji olan rüzgâr enerjisi de bu yeni enerji kaynaklarına bir örnektir. Rüzgâr enerjisi gündeme 1980 li yılarda girmiş ve hızla önemini arttırmıştır. Bunun sonucunda, Avrupa 201

2 Birliği, kurulu rüzgâr gücünün 2004 yılı sonunda yaklaşık MW a ulaşmıştır. Türkiye nin rüzgâr enerjisi ile ilgilenmeye başlaması büyük ölçüde 1990 lı yılların ortalarına rastlar. Günümüzde, Türkiye genelinde, toplam 19 MW gücünde, 3 adet rüzgâr enerjisi santrali mevcuttur. Bununla beraber, 1999 yılında açılan ve başvuru süresi 2000 yılının Mayıs ayında sona eren bir ihale kapsamında, Türkiye nin çeşitli yerlerinde 37 adet rüzgâr çiftliği kurulması öngörülmüştür. Bunlarla ilgili çalışmalar devam etmektedir ve bu projeler sonucunda, Türkiye nin 19 MW lık kurulu gücüne 4092 MW daha eklenmesi beklenmektedir [1]. 2. GÖKÇEADA NIN ELEKTRİK ENERJİSİ İHTİYACI Gökçeada, Marmara Bölgesinde Çanakkale iline bağlı Türkiye nin en büyük adasıdır. Kıyılarının uzunluğu 92 km, yüzölçümü 279 km 2 dir, nüfusu, 2000 yılına sonuçlarına göre 8578 dir, ancak yaz aylarında gelen ziyaretçilerle birlikte bu nüfusun e ulaşmakta tahmin edilmektedir. Gökçeada nın puantı yaz sezonunda (Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül ) 1700 kw, kış sezonunda ise (Ekim, kasım, Aralık, Ocak, Şubat, Mart, Nisan) 1600 kw olarak alınmıştır. Havanın erken kararması, ısınmanın ağırlıklı olarak elektrikli ısıtıcılarla yapılması, bunun yanında evlerdeki diğer elektrikli aletlerin aynen yaz aylarındaki gibi kullanılması, elektrik tüketiminin soğuk kış aylarında 2-3 kat artmasına yol açar. Bu çalışmada, Gökçeada için, Çanakkale ilinin kişi başı yıllık ortalama elektrik tüketim miktarı baz alınacaktır. Çanakkale ilinin kişi başı yıllık ortalama elektrik tüketim miktarı 1713 kwh tir ( Gökçeada nın puantı ise yaz sezonunda (Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül ) 1700 kw, kış sezonunda da (Ekim, Kasım, Aralık, Ocak, Şubat, Mart, Nisan) 1600 kw olarak alınacaktır. Bu değerler zaten yaklaşık olarak kişi başı yıllık ortalama tüketim miktarına eşit olup, aynı zamanda TEDAŞ ın Gökçeada puant değerlerine de eşittir ( kw x 8760 saat / 8578 kişi = 1736 kwh/kişi (1) 3. GÖKÇEADA NIN RÜZGAR HIZLARI ÖLÇÜMLERİ Gökçeada nın rüzgar hızları, adanın 429 m yükseklikteki Kesiktaş (Araşa) tepesinde Genba Mühendislik e ait rüzgar ölçüm direği olan data logger cihazı çıktılarına göre alınmıştır. Bu çalışmada, yapılacak olan bütün hesaplar bu direğin Temmuz Haziran 2002 ayları arasında ölçtüğü bir yıllık rüzgar hızı ölçümlerine göre yapılmıştır. Bu değerler, 50 m yükseklikte alınmış olup, onar dakikalık ortalamalar halinde data-loggera kaydedilmiştir, 50 metredeki ölçülen aylık ortalama rüzgar hızları, Şekil 1 de verilmiştir. Daha sonra, bu değerler Hellmann yükseltme faktörü (µ) 0,18 alınarak, 70 m yüksekliğe ve başka yüksekliklere taşınmıştır [2]. µ H V r = V rref.. (2) H ref. 202

3 Burada, V r hesaplanmak istenen yükseklikteki rüzgar hızını, V rref. ölçüm sonuçları bilinen yükseklikteki rüzgar hızını, H hesaplanmak istenen noktanın yerden yüksekliğini, H ref. ölçüm sonuçları bilinen noktanın yerden yüksekliğini ve µ Hellmann katsayısını simgelemektedir. Hellmann katsayısı, rüzgar hız ölçüm yerinin özelliklerine bağlıdır ve Tablo 1'de verilmiştir. Rüzgar Hızları (m/s). 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Temmuz Ekim Aylar Ocak Mart Nisan Haziran Şekil yıları arasındaki bir senelik rüzgar ortalama hızları Genba Mühendisliği verileri Tablo 1. Ölçüm yerinin özelliklerine bağlı olan Hellmann katsayısının değişimi [2] Ölçüm yerinin tanımı µ (Hellmann Katsayısı) Açık deniz, kıyı şeridi 0,14 Açık alan ve tarlalar 0,18 Ağaçlık alan ve şehir 0,28 Yüksek binalı kentsel alan 0,4 4. RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN BELİRLENMESİ Bu çalışmada yeteri kadar rüzgar türbini verisi elimizde olmadığından dolayı, türbin üreten çeşitli firmaların türbinlerini karşılaştırmak yerine, tek bir üreticinin, firmasının çeşitli nominal güçlerindeki türbinleri karşılaştırılmıştır. 500 kw için 41, 600 kw için 48, 1000 kw için 62, 1250 kw için 64, 1500 kw için 70 ve 2000 kw için D8 kullanılacaktır, bu türbinlerle ile ilgili bilgiler, Tablo 2 de verilmiştir.tam bir karşılaştırma olması için, kule yükseklikleri hepsi için sabit tutularak 70 m alınmıştır. 203

4 Tablo 2. Rüzgar hızına göre türbin güçleri (kw). (Rüzgar türbini katalogları,[3]). Rüzgar Hızı (m/s) D8 1 0 (kw) 0 (kw) 0 (kw) 0 (kw) 0 (kw) 0 (kw) 2 1, , ,3 13 8,8 9,6 4 10, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Nominal Güç (kw) Rüzgarsız günlerde üretilemeyen elektrik enerjisi, Gökçeada nın ana karayla olan elektrik hattından sağlanacaktır. Buna karşın, rüzgarın elverişli olduğu günlerde üretilen ihtiyaç fazlası elektrik, aynı hatlardan ana karaya iletilecektir. Bu çalışmadaki amaç, doğal güzelliği ile ünlü turistik adamızın türbinlerle doldurulmayıp, adanın elektrik enerjisi ihtiyacının optimum türbin sayısı ile karşılamaktır. Böylece adanın elektrik enerjisi ihtiyacının önemli bir bölümü daha temiz ve çevreci rüzgar enerjisi ile karşılanacaktır. Ayrıca optimum türbin sayısının bulunması, elektrik üretim maliyetini önemli ölçüde düşürecektir. Optimum türbin sayısını, bir günlük ortalama elektrik enerjisi ihtiyacını ( kwh), ortalama rüzgar hızında (7,7m/s) üretilen bir günlük enerjiye bölerek bulabiliriz [4]. Tablo 3 te bu formülle bulunan türbin sayıları verilmiştir. Bir Günlük Ortalama Elektrik Enerjisi İhtiyacı = ( 1700 x x 7) x 24 / 12 Türbin Sayısı = = kwh (3) Bir Günlük Ortalama Elektrik Enerjisi İhtiyacı (4) Ortalama Rüzgar Hızında Üretilen Bir Günlük Enerji Tablo 3. Optimum türbin sayısı Türbin Adı Optimum Türbin Sayısı D

5 5. ELEKTRİK ENERJİSİ İHTİYACININ RÜZGAR ENERJİSİNDEN SAĞLANMASI Her bir türbinin günlük enerji üretimi, 10ar dakika süreylele ürettiği elektriğin bir gün içinde toplanmasıyla elde edildi. Türbin gruplarının bir günde ürettikleri enerji miktarı Tablo 3 deki türbin sayısıyla çarpılarak bulundu. Hesaplanan her bir türbin grubunun ürettiği enerji, Gökçeada için puant değerleri ile karşılaştırıldı. Bu puant değerlerine kadar üretilen enerjinin Gökçeada da kullanıldığı varsayıldı. Rüzgarın verimli olduğu günlerde ise, puant değerlerinin üzerinde üretilen, yani santralin ürettiği ihtiyaç fazlası elektriğin ana karaya gönderildiği varsayıldı ve günlük olarak hesaplandı. Türbin gruplarının ürettiği toplam kullanılan enerji miktarı, üretilmesi gereken enerji, rüzgarın yetersiz olduğu günlerde şehir elektrik şebekesinden alınan enerji miktarı ve ana karaya gönderilen ihtiyaç fazlası enerji bir yıl için Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4. Türbin gruplarının yıllık enerji bilançoları Toplam üretilen kullanılan enerji Üretilmesi gereken enerji Şehir elektrik şebekeden alınan fark Ana karaya gönderilen enerji Karşılama Oranı D % 77,03 % 81,06 % 80,97 % 79,16 % 77,82 % 78,06 Aynı zamanda, Tablo 4 de Gökçeada nın elektrik enerjisinin rüzgar ile karşılanma oranları her bir türbin grubu için verilmiştir. Kapasite faktörü bir türbinin bir yılda ürettiği enerjinin, aynı türbinin üretebileceği maksimum enerjiye bölünmesi ile ortaya çıkmaktadır. Bir türbinin bir yılda üretebileceği maksimum enerji, o türbinin nominal gücünün 8760 saat ile çarpılması sonucunda bulunur. Kapasite faktörü analizinde dünya ortalaması %20 civarındadır. Bu oranın üzerindeki kapasite faktörüne sahip yerler, enerji üretimi açısından verimlidir. Tablo 5 de her bir türbinin bir yıl boyunca ürettiği enerji üretebileceği maksimum enerji ve kapasite faktörü verilmiştir. Bu tablodaki üretilen 205

6 enerji, kullanılan enerji (Tablo 4) ve ana karaya gönderilen enerjinin (Tablo 5) toplanması sonucunda çıkan rakamın Tablo 3 te bulunan türbin sayısına bölünmesi ile elde edilmiştir. Tablo 5 incelendiğinde, 48 (600kW) in en verimli olduğu görülmektedir (%47,31) kw nominal güçlü D8 %41,92 oranı ile en verimsiz türbin olmasına rağmen yinede dünya ortalamasının üstündedir. Bu oranlar Gökçeada nın rüzgar enerjisi bakımından ne kadar verimli olduğunu göstermektedir. Tablo 5. Kapasite faktörü D8 Üretilen Enerji Üretilebilecek Maksimum Enerji Kapasite Faktörü (%) 41,99 47,31 47,00 43,22 43,39 41,92 6. MALİYET ANALİZİ Enerji sistemlerinin değerlendirilmesinde, ilk yatırım ve birim enerji maliyeti en önemli parametrelerdir. Bu çalışmada da, önerilen sistemin diğer sistemler ile kıyaslanabilmesi için, birim enerji maliyeti hesabı yapılmıştır. Kıyaslama şehir elektrik şebekesi kwh ücreti ile, üretilen birim enerjinin maliyeti arasında yapılmıştır. Tablo 6 de maliyet hesabı analizinde bize yardımcı olacak türbin fabrika çıkış fiyatları verilmiştir, bu fiyatlara 70 m kule fiyatı da dahildir. Yine aynı tabloda kw başına düşen türbin fabrika satış değeri de verilmiştir. Tablo 7 deki türbin fiyatı, Tablo 6 daki türbin fabrika çıkış fiyatının gerekli türbin adedi ile çarpılması sonucu elde edilmiştir. Birim enerji maliyeti hesabında, sistemin ilk yatırım maliyetine ek olarak; yıllık bakım-onarım, sigorta giderleri, sermaye maliyet amortismanı, türbin fabrika çıkış fiyatının %12,69 u olarak kabul edilmiştir [5]. Tesisin ortalama ekonomik ömrü 20 yıl olarak kabul edilmiş ve hesaplamalar bu süre göz önüne alınarak yapılmıştır. Rüzgar türbinleri tarafından üretilen elektrik enerjisi miktarının 20 yıl boyunca aynı kaldığı kabul edilmiştir. Bu durumda, 20 yıllık bakım, onarım, sigortalama, sermaye maliyeti, amortisman, işçilik vb. giderleri de sabit olarak alınmış ve Tablo 7 de gösterilmiştir. Bu kabul ve verilere göre türbinlerin ürettikleri enerjinin birim maliyeti Tablo 7 da hesaplanmıştır. Toplam üretilen enerji, türbin gruplarının 1 sene içerisinde ürettikleri kullanılan enerji ve ana karaya gönderilen fazla enerjinin toplanması sonucunda ortaya çıkan rakamın, 20 yıl ile çarpılması sonucunda bulunmuştur. Birim enerji maliyeti ise, 20 yıllık toplam maliyetin 20 yıllık toplam üretilen enerjiye bölünmesi ile elde edilmiştir. 206

7 Tablo 6. Türbin fabrika çıkış fiyatları [3] D8 500 kw 600 kw 1000 kw 1250 kw 1500 kw 2000 kw $ $ $ $ $ $ 913,5 $/kw 883,33 $/kw 1020,0 $/kw 852 $/kw 900 $/kw 900 $/kw Tablo 7. Birim enerji maliyeti Türbin Adı Adet Türbin fiyatı ($) 20 Yıllık bak., on., sig., ser., iş. giderleri Toplam ($) Üretilen Toplam Enerji kwh (20 yıllık) Birim enerji ($ / kwh) , , , , ,042 D ,041 Tablo 7 nin incelenmesi sonucunda en düşük birim enerji maliyetine 0,038 $/kwh ile 600 kw nominal güçü olan 48 kullanılarak ulaşılmıştır. En yüksek enerji maliyeti ise üretimden kalkan ve bu yüzden fiyatları pahalı kalan 41 ve 62 oluşmuştur (0,044 $/kwh). Gökçeada da tüketiciler daha çok Kent Mesken sınıfında olduklarından TEDAŞ ın söz konusu sınıf için kullandığı tarife seçilmiştir. 1 Mart 2003 tarihinden itibaren geçerli olan bu tarifeye göre Çanakkale iline bağlı Gökçeada diğer iller sınıfına girmektedir. Bu sınıf için tarife TL dir ( Sistemin geri ödeme süresinin daha iyi anlaşılması için, bu fiyat 1 Mart 2003 Merkez Bankası kuru ile A.B.D. Dolarına($) çevrilmiştir. Söz edilen tarihte 1 $, TL ye eşitti ( Buna göre TEDAŞ ın birim satış fiyatı yaklaşık olarak 0,08 $/kwh tir. Dolayısıyla, burada sistemin geri ödeme süresinin hesaplanması için kwh satış fiyatı olarak bu rakam ele alınacaktır. 207

8 Tablo 7 deki ve enerji satış fiyatı verileri ışığında, sistemin geri ödeme süresi, her bir türbin grubu için ayrı ayrı bulunmuş ve Tablo 8 de verilmiştir. Bu tabloda geri ödeme süresi hesaplanırken; birim satış fiyatından birim enerji maliyeti düşülmüş, çıkan rakam üretilen yıllık enerji miktarı ile çarpılarak yıllık gelir oluşturulmuştur. Geri ödeme süresi, türbin fiyatlarının bu rakama bölünmesiyle yıl bazında hesaplanmıştır. Buna göre, 2,66 yıl geri ödeme süresi ile, 48 kendisini en çabuk amorti eden türbindir. Bu hesaplama yöntemi geri ödeme süresi üzerine genel bir fikir vermektedir, ancak elektrik dağıtımındaki hat kayıpları, fatura tahsilat masrafları, muhtelif vergiler gibi giderleri dikkate almamaktadır. Tablo 8. Sistemin kendini geri ödeme süresi Türbin 41 Üretilen enerji Birim satış fiyatı ($/kwh) Birim maliyet ($/kwh) Türbin fiyatı ($) Geri Ödeme Süresi (Yıl) D ,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,044 0,038 0,044 0,040 0,042 0, ,104 2,664 3,097 2,813 2,960 3, SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME Gökçeada nın elektrik enerjisi ihtiyacının rüzgar enerjisinden sağlanması üzerine yapılan bu çalışmada, bir firmanın çeşitli kapasitedeki rüzgar türbinleri birbirleri ile karşılaştırılmış ve sonuçlar özet olarak Tablo 9 da verilmiştir. Bu tablodan da görülebileceği gibi nominal gücü 600 kw olan 48 tipi en elverişli türbin tipi olmaktadır. Bu türbinlerden 10 adedi 70 metrelik kulelere yerleştirilerek bir rüzgar santralı kurukduğu takdirde, adanın elektrik enerjisi ihtiyacının % 81,06 sı rüzgar enerjisi ile karşınabilmekte, bu türbin gurubu % 47,31 ile en yüksek kapasite faktörüne sahiptir. Aynı zamanda en düşük birinci yatırım maliyeti, birim enerji maliyeti ve geri ödeme süresine sahiptir. Toplam maliyet $, birim enerji maliyeti 0,038 $ ve geri ödeme süresi 2,66 yıldır. Bu rakamlar dikkate alındığında temiz, yenilenebilir ve ucuz olan rüzgar enerjisinden faydalanmanın önemi ortaya çıkmaktadır. 208

9 Tablo 9. Türbinler arası karşılaştırma Türbin Tipi Türbin Adeti Toplam Üretilen Enerji kwh İhtiyacı Karşılama Oranı (%) Kapasite Faktörü (%) Toplam Maliyet ($) Birim Enerji Maliyeti ($)/kwh Geri Ödeme Süresi (yıl) ,03 41, ,044 3, ,06 47, ,038 2, ,97 47, ,044 3, ,16 43, ,040 2, ,82 43, ,042 2,960 D ,06 41, ,041 3, Kaynaklar [1] Özgener, O. (2003) Türkiyede ve Dünyada Rüzgar Enerjisi Kullanımı. D.E.U. Mühendislik Fakultesi Fen ve Mühendislik Dergisi, (5): [2] John Walker, Niholas Jenkins,(2001) Wind Energy Technology, John Wiley&Sons s.7 [3] Özdamar, A., (2000) (2). Büyük Anma Güçlü Rüzgar Türbinlerinin Çeşitli Kriterlere Göre Karşılaştırılması, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Sayı: B.30.2.PAU / , s.5. [4] Özdamar A.& Şen Ç.,(2003). Çeşme de Bir Otelin Kullanım Suyu Isıtmasının Rüzgar Enerjisinden Sağlanması, II.Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s.6. [5] Onat C., Canbazoğlu S., (Ocak 2002) Rüzgar Türbinlerinin Ekonomisi Üzerine Bir Araştırma MÜHENDİS VE MAKİNA Ocak Sayı