KARADENİZ İN DALGA ENERJİSİ POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 KARADENİZ İN DALGA ENERJİSİ POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİ Burak AYDOĞAN (1), Berna AYAT (2), Yalçın YÜKSEL (3) Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik ve Kıyı Liman Mühendisliği Laboratuvarı, Davutpaşa Kampüsü Esenler/İstanbul, Fax: 0 (212) (1) Yrd. Doç. Dr., Tel: 0 (212) , e-posta: baydogan@inm.yildiz.edu.tr (2) Doç. Dr., Tel: 0 (212) , e-posta: ayat@inm.yildiz.edu.tr (3) Prof. Dr., Tel: 0 (212) , e-posta: yuksel@yildiz.edu.tr ÖZET Dalga enerjisi yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşmakta olanlarından biridir. Bu çalışmada, Karadeniz kıyılarının dalga enerjisi potansiyeli araştırılmıştır. Bu amaçla gereksinim duyulan dalga verisi MIKE 21 Spektral Dalga Modeli kullanılarak gerçekleştirilen benzetimlerden elde edilmiştir. Dalga enerji potansiyelinin belirlenebilmesi amacıyla, yılları arasındaki 13 yıllık süre için dalga yükseklikleri, kurulan sayısal model yardımıyla yeniden üretilmiştir. Rüzgâr alanlarının tanımlanmasında European Center for Medium- Range Weather Forecasts (ECMWF) verileri kullanılmıştır. Karadeniz kıyıları boyunca seçilen çeşitli lokasyonlarda dalga gücü değerleri hesaplanmış, bunun yanısıra ortalama dalga gücünün model alanı içerisindeki uzamsal dağılımını gösteren enerji atlası üretilmiştir. Elde edilen sonuçlar, Karadeniz in güneybatı kıyılarının en yüksek dalga enerjisi potansiyeline sahip olduğunu ve bu potansiyelin batıdan doğuya gidildikçe azaldığını göstermiştir. Karadeniz baseni içerisinde en yüksek dalga enerjisi, periyodu 5-6 s ve yükseklikleri de 4-5 m olan dalgalardan elde edilebilecektir. Karadeniz in kullanılabilir bir enerji potansiyeline sahip olduğu, tüm çevresel ve mali analizlerin yapılmasının ardından uygun dalga enerjisi elde etme yönteminin seçilmesiyle bu potansiyelin kullanılabileceği düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: Dalga Enerjisi, Karadeniz, Spektral Dalga Modellemesi Determining the Wave Energy Potential of Black Sea Wave energy is one of the most popular kinds of the renewable energy. In this study wave energy potential is calculated along coasts of the Black Sea. Wave properties are calculated using Mike 21 Spectral Wave Model (SW) for years using wind data from European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Wave power atlas showing time-averaged wave power for Black Sea is generated. Wave power roses and wave power distribution tables for 883

2 different parts of the sea are presented. Wave energy found to be decreasing along the coast from west to east. The most energetic region is the South western part of the sea. Most of the energy can be obtained from waves with wave heights less than 4-5m and with the energy periods of 5 s and 6 s in the Black Sea. Keywords: Wave energy, Black Sea, Spectral Wave Modeling. 1. GİRİŞ 1970 li yıllarda ortaya atılan rüzgâr dalgalarının enerjisinden faydalanma fikri, 1990 lardaki petrol krizinin ardından ivme kazanarak, araştırmacıların yaygın olarak çalıştıkları bir konu olarak tekrar güncellik kazanmıştır. Rüzgâr enerjisinin deniz yüzeyine aktarılması ile oluşan rüzgâr dalgalarından elde edilebilecek enerji miktarı küresel ölçekte değişiklik göstermektedir. Okyanus dalgalarından önemli büyüklükte enerji elde etmenin mümkün olduğu Kanada ve Amerika nın kuzey kıyıları, Avustralya ve Güney Afrika gibi dünyanın bazı bölgeleri dalga enerjisi açısından oldukça zengindir. Son yıllarda pek çok araştırmacı dünyanın farklı bölgelerine ait dalga enerjisi potansiyellerini araştırmıştır. Iglesias vd. (2009), Iglesias ve Carballo (2009) ve Iglesias ve Carballo (2010) SWAN modeli simülasyonlarını kullanarak, İspanya nın çeşitli bölgeleri için dalga enerji potansiyelini belirlemişlerdir. Hughes vd. (2009) AusWAM modelini kullanarak Avustralya nın dalga enerjisi kaynaklarını araştırmışlardır. Henfridsson vd. (2007) yaptıkları çalışmada Baltık Denizi ve Kuzey Denizi nin Danimarka kıyıları için dalga enerjisi potansiyelini ortaya koymuşlardır. Rusu ve Soares (2009) Portekiz yakın kıyı bölgelerindeki dalga enerjisi uzamsal dağılımlarını rapor etmişlerdir. Bu çalışmada Karadeniz kıyılarındaki dalga enerjisi potansiyeli araştırılmıştır. Karadeniz kıyıları boyunca seçilen çeşitli lokasyonlarda dalga gücü değerleri hesaplanmış, bunun yanısıra ortalama dalga gücünün model alanı içerisindeki uzamsal dağılımını gösteren dalga gücü atlası üretilmiştir. Karadeniz, Akdeniz ile tek bağlantısı İstanbul ve Çanakkale Boğazları ile Marmara Denizi nden oluşan Türk Boğazlar Sistemi olan bir iç denizdir. En derin yeri 2206 m olan Karadeniz km 2 lik yüzey alanına ve km 3 lük hacme sahiptir (Şekil 1). Bu geniş yüzey alanı ve oldukça uzun feçleri nedeniyle Karadeniz kayda değer bir dalga enerjisi potansiyeline sahiptir. 2. ÇALIŞMA YÖNTEMİ 2.1 Spektral Dalga Modeli Karadeniz kıyıları boyunca dalga enerjisi potansiyelinin belirlenebilmesi için önemli miktarda dalga verisine gereksinim vardır. Bu çalışmada bu dalga verisi MIKE 21 Spektral Dalga Modeli kullanılarak gerçekleştirilen benzetimlerden elde edilmiştir. Mike 21 Spektral Dalga Modeli, açık deniz ve kıyılarda dalga ikliminin 884

3 analizi ve tahmini için kullanılan güncel bir sayısal modelleme aracıdır. Bu çalışmada Karadeniz Baseni içerisindeki rüzgâr ve ölüdeniz dalgalarının oluşum, gelişim, sönümlenme ve dönüşümlerinin benzeştirilmesi için Mike 21 Spektral Dalga Modeli kullanılmıştır. Bu model rüzgâr dalgası gelişimi, lineer olmayan dalga-dalga etkileşimleri, köpüklenmeye bağlı olarak dalga sönümlenmesi, taban sürtünmesi ve derinliğe bağlı olarak dalga kırılması, sapma, sığlaşma, dalgaakıntı etkileşimi ve su seviyesindeki zamana bağlı değişimleri de dikkate almaktadır. Mike 21 temel denklemlerin uzamsal ve spektral uzayda ayrıklaştırılmasında merkezi sonlu hacimler metodunu kullanmaktadır. Model alanının coğrafi temsilinde yapılandırılmamış hesap ağı tekniği kullanılmıştır. Mike 21 modeli zamansal integrasyon için, dalga hareketinin çoklu-sıralı açık metot ile hesaplandığı kısmi adım yaklaşımını kullanmaktadır. Şekil 1. Çalışma Alanı; Karadeniz ve Ölçüm Noktaları. Mike 21 Spektral Dalga Modeli ağırlık dalgalarının dinamiklerinin tanımlanmasında, dalga hareketi yoğunluğu için taşınımı denklemini çözmektedir. Denklem 1 de Kartezyen koordinatlardaki dalga hareketi denge denklemi verilmiştir. N S.vN t (1) 885

4 Burada, N x,,,t hareket yoğunluğu, t zaman, x x,y koordinatlar, v c x,c y,c,c Kartezyen dört boyutlu faz uzayında dalga grup ilerleme hızı x,, ve, ve S enerji denge denklemi için kaynak terimidir., x,, uzayında dört boyutlu diferansiyel işlemcidir. Spektral dalga parametrelerinin hesabı için kullanılan spektral momentler Denklem 2 kullanılarak hesaplanmıştır. 2π 0 0 i i 1,2,3,.. m i= E f,θ f dfdθ (2) Burada E f,θ yönsel dalga enerji spektrumu ve f ise dalga frekansıdır. Böylece belirgin dalga yüksekliği ve enerji (ortalama) periyodu sırasıyla Denklem 3 ve Denklem 4 te gösterildiği gibi elde hesaplanmıştır. H=4 s m 0 (3) T= m /m (4) e Model Kurulumu Mike 21 Spektral Dalga Modeli Şekil 2 de gösterilen Karadeniz hesap alanı için çalıştırılmıştır. Model alanı N ile E arasında tüm Karadeniz i kapsamaktadır. Farklı büyüklükteki üçgen elemanlardan oluşan hesap ağının çözünürlüğü, bu çalışmanın konusu olan Karadeniz in güney kıyıları boyunca arttırılmıştır. Sonuçta oluşturulan hesap ağı 4755 nokta ve 8213 eleman içermektedir. Şekil 2. Karadeniz Model Alanı için Hesap Ağı. 886

5 Spektral Dalga Modeli arasındaki 13 yıllık süre için çalıştırılmıştır. Modelde stabilite sorunu yaşamamak için 600 s lik zaman adımı kullanılmıştır. Dalga karakteristiklerini elde etmek için çalıştırılan modelde rüzgar alanları ECMWF ten alınan veriler kullanılarak tanımlanmıştır. Rüzgar kuvvetini benzeştirmek için 0.1 çözünürlükle tüm model alanını kapsayan rüzgar u ve v hız bileşenleri kullanılmıştır. Modelde enerji transferi için dörtlü-dalga ve üçlü dalga etkileşim formülasyonları dikkate alınmıştır. Dalga kırılması Ruessink vd. (2003) tarafından verilen değişken gama ( 0.76kh 0.29) formülasyonu kullanılarak dikkate alınmıştır. Bu calısmada dalga tahmin modeli Tablo 1 de gösterilen istasyonlarda toplanan ölçüm verileri kullanılarak kalibre edilmiştir. İstasyon Adı Gelendhzik Hopa Sinop Filyos Karaburun Tablo 1 Ölçüm istasyonları Derinlik Konumu Ölçüm Süresi (m) N Temmuz 1996-Aralık E N Ekim 1996-Nisan E N Ocak 1996-Haziran E N Aralık 1995-Aralık E N Ağustos 2003-Aralık E 2004 Kaynak Özhan ve Abdalla (2002) Özhan ve Abdalla (2002) Özhan ve Abdalla (2002) DLH (2002) Cevik vd. (2006) Gelendzhik istasyonu için model sonuçları ile ölçüm verilerinin karşılaştırılması Şekil 3 te gösterilmiştir. Sayısal model tüm istasyonlar için belirgin dalga yükseklikleri ve ortalama dalga periyotlarını yüksek doğrulukta tahmin etmiştir. Sayısal modelin tüm ölçüm istasyonlarında dalga karakteristikleri tahmin etmekteki başarısı Ortalama Kare Hataların Karekökü (OKHK) (Denklem 5) ve Korelasyon Katsayısı (KK) (Denklem 6) ölçütleri ile değerlendirilmiş ve sonuçlar Tablo 2 de gösterilmiştir. N i 1 T Ö 2 OKHK (5) N KK N T 1 i T Öi Ö i 2 N Ti T i Öi Ö N i (6) 887

6 Bu denklemlerde T tahmin edilen, Ö ölçülen değerdir. N toplam veri sayısını göstermektedir. Şekil 3. Gelendzhik istasyonu için sayısal model ile ölçüm verilerinin karşılaştırılması. Model benzetimlerinin tamamlanmasının ardından, dalga gücü Denklem 7 kullanılarak hesaplanmıştır. 2 g 2 2 P HsTe 0.49 HsTe kw/m (7)

7 Tablo 2 Ölçüm istasyonlarında model tahminlerinin başarısı. İstasyon Adı H s (m) T m (s) OKHK KK OKHK KK Gelendhzik Hopa Sinop Karaburun Filyos GD GD Ortalama GD:Güvenilir değil Karadeniz baseni için zamansal ortalama dalga gücü hesaplanmış ve Şekil 4 te gösterilmiştir. Burada sunulan ortalama dalga gücü değerleri herbir saat için hesaplanmış ve model alanı içerisindeki herbir eleman için 13 yıllık ortalaması alınmak suretiyle elde edilmiştir. Şekil 4. Ortalama Dalga Gücü Dağılımı (kw/m). Şekil 4 ten de görüldüğü gibi Karadeniz Baseni içerisinde dalga gücünün en yüksek olduğu ve dalga enerjisi elde etmek açısından en yüksek potansiyele sahip bölge Güneybatı kıyılarıdır. Bu kıyılarda ortalama dalga gücü 5-6 kw/m olarak elde edilmiştir. Benzer şekilde dalga gücünün en düşük olduğu kıyılar ise Doğu Karadeniz kıyılarıdır. Ortalama dalga gücü bu kıyılarda yaklaşık 2kW/m değerine dek düşmektedir. Yine Karadeniz in Ukrayna, Bulgaristan ın Sivastopol kıyılarına gidildikçe dalga gücü açısından dikkate değer bölgelerle karşılaşılmaktadır. Tuna 889

8 Nehri deltası da 5-6 kw/m gibi önemli bir potansiyele sahiptir. Bu kıyıları oluşturan geniş kıta şelfi ve oldukça açıklarda dahi 100 m nin altındaki su derinlikleri dalga gücünün enerjiye dönüştürülmesi açısından önemli avantajlar sunmaktadır. Daha açıkta yeralan çok daha yüksek güce sahip alanlar kablolama ve tesis kurulumu gibi önemli kalemlerde yüksek maliyetlere neden olabileceğinden buralardaki dalga gücünden elektrik enerjisi elde etmek fizibl olamamaktadır. Karadeniz baseni içerisinde Türkiye kıyıları boyunca seçilmiş bazı lokasyonlardaki dalga gücü değerleri Tablo 3 te sunulmuştur. Seçilen lokasyonlar Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 5 Türkiye kıyılarında secilmiş bazı lokasyonlar. Tablo 3 Şekil 5 te gösterilen lokasyonlarda hesaplanan ortalama dalga gücü değerleri, kw/m. Konum Dalga Gücü (kw/m) Dalga enerjisi elde etmekte kullanılan pekçok farklı teknolojiler sözkonusudur. Uygun enerji elde etme yönteminin seçilmesinde önemli olan bir başka etken de dalga gücünün dalga yükseklikleri ve dalga periyotlarına göre gösterdiği dağılımdır. Bu nedenle Türkiye kıyıları boyunca seçilmiş 6 noktada bu dağılımlar incelenmiş ve yıllık dalga gücünün yıllık oluşma yüzdeleri kendisini oluşturan dalga karakteristikleri ile ilişkilendirilerek Şekil 6 da sunulmuştur. Bu amaçla dalgalar belirgin dalga yükseklikleri, H s ve enerji periyotları T e ile tanımlanmıştır. Dağılımlar oluşturulurken dalga yükseklikleri için 0.5 m ve periyotlar için de 1 s lik aralıklar kullanılmıştır. Bu dağılımlar Karadeniz de dalga gücünün önemli kısmının 4m nin altındaki dalga yükseklikleri ve 6 s nin altındaki dalga periyotlarına sahip dalgalar tarafından oluşturulduğunu göstermektedir. 890

9 Şekil 6. Karadeniz in Türkiye kıyıları boyunca seçilmiş Şekil 5 te gösterilen 6 lokasyon için dalga karakteristiklerinden elde edilen yıllık dalga gücü dağılımları (%). Yukarıdan aşağı sırası ile nokta no: 1, 2, 3, 4, 5, 6 891

10 Şekil 6. Devamı. 892

11 3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Karadeniz kıyıları boyunca dalga enerji potansiyeli sayısal modelleme kullanılarak araştırılmıştır. Model yıllarını kapsayan 13 yıllık süre ile çalıştırılmıştır. Söz konusu kıyılar boyunca seçilen 6 nokta için sonuçlar değerlendirilmiştir. Tüm noktalar için dalga karakteristikleri ve istatistiksel özellikleri yönden bağımsız olarak değerlendirilmiş ve böylece tüm noktalar için dalga gücü formülü kullanılarak enerji potansiyelleri belirlenmiştir. Tüm Karadeniz i kapsayan model alanı için hesaplanmış 13 yıllık zamansal ortalama dalga gücü haritası üretilmiştir. Enerjinin önemli bir kısmına yüksekliği 4m den daha küçük ve periyodu ise 5-6 s olan dalgaların sahip olduğu görülmüştür. Karadeniz in güney kıyıları boyunca dalga enerjisi potansiyelinin batıdan doğuya doğru gidildikçe azaldığı görülmüştür. Karadeniz in doğu kıyıları dalga gücü açısından 2 kw/m ile en düşük potansiyele sahip iken batı kıyılarında yakın kıyı bölgesinde ortalama dalga gücü 5-6 kw/m ye çıkabilmektedir. Açıkta ise 7 kw/m nin üzerinde dalga gücü potansiyeline ulaşılabilmektedir. Bu çalışma Karadeniz kıyılarının önemli bir dalga gücü potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Ancak bu gücün elektrik enerjisine dünüştürülmesi noktasında teknik, ekolojik, ekonomik ve çevresel çok sayıdaki faktörün de incelenerek fizibilite etüdlerinin yapılması gerekmektedir. KAYNAKLAR Çevik E, Yüksel Y, Yalçiner AC, Güler I, Ari A. Kıyı çizgisi değişiminin belirlenmesi ve kumlanma problemi için Karaburun örneği; 2006, TÜBITAK, _IÇTAG 1845( ). DHI, (2008), Mike 21 SW Scientific Background. DHI, Denmark. DHI. Mike 21 SW Scientific Background. Denmark: DHI; DLH. Hidrolik Laboratuvarı Filyos Limanı Dalga Ölçümleri; Henfridsson, U., Neimane, V., Strand, K., Kapper, R., Bernhoff, H., Danielsson, O., Leijon, M., Sundberg, J., Thorburn, K., Ericsson, E., ve Bergman, K. (2007). "Wave Energy Potential in the Baltic Sea and the Danish Part of the North Sea, with Reflections on the Skagerrak", Renewable Energy, 32: Hughes, M. G. ve Heap, A. D. (2009). National-Scale Wave Energy Resource Assessment for Australia, Renewable Energy, doi: / j.rene Iglesias, G. ve Carballo, R. (2009). Wave Energy Potential Along the Death Coast (Spain), Energy, 34:

12 Iglesias, G., Lopez, M., Carballo, R., Castro, A., Fraguela, J. A. ve Frigaard, P. (2009). Wave Energy Potential in Galicia (NW Spain), Renewable Energy, 34: Iglesias, G., ve Carballo, R. (2010). Offshore and Inshore Wave Energy Assessment: Astuarias (N Spain), Energy (2010), doi: /j.energy Iglesias, G., ve Carballo, R. (2010). Wave Energy Potential in the Estaca de Bares Area (Spain), Renewable Energy, 35: Özhan E, Abdalla S. Turkiye Kıyıları için Rüzgar ve Derin Deniz Dalga Atlası, Rusu, E. ve Soares G. C. (2009). Numerical Modeling to Estimate the Spatial Distribution of the Wave Energy in the Portuguese Nearshore, Renewable Energy, 34: