Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 1. ENERJİ KONGRESİ ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ İÇİN DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ RÜZGAR ENERJİ POTANSİYELİNİN ANALİZİ M.Arif ÖZGÜR Osmangazi Üniversitesi Müh. Mim. Fak. Makine Mühendisliği Bölümü, 2648 Eskişehir Ramazan KÖSE Dumlupınar Üniversitesi Müh. Fak. Makine Mühendisliği Bölümü, 431 Kütahya ÖZET Konvansiyonel enerji santrallarından enerji üretiminde ortaya çıkan çevresel sorunların giderilmesinde ve ülkelerin enerji talebindeki artışın karşılanmasında, başta rüzgar enerjisi olmak üzere yenilenebilir enerji kaynakları önemli katkı sağlayabilir. Bu nedenle, günümüzde pek çok ülke ulusal programlar ve teşvikler uygulayarak yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretim teknolojilerini geliştirmeye çalışmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında rüzgar enerjisi, çevre uyumu nedeni ile son zamanlarda en çok rağbet gören enerji üretim teknolojisidir. Elektrik enerjisi üretimi için rüzgar karakteristiğinin incelendiği bu çalışmada, Dumlupınar Üniversitesi Kampus alanı içerisinde bulunan Bünelek Tepedeki rüzgar ölçüm istasyonundan, Temmuz 21 Haziran 24 tarihleri arasında 36 ay boyunca, rüzgar hız ve yön bilgileri alınmıştır. Toplanan veriler, CALLaLOG 2 ve ALWIN yazılımlarında bölgenin topoğrafik özellikleri dikkate alınarak değerlendirilmiş ve rüzgar enerjisi hesaplamaları yapılmıştır. Eldeki mevcut veriler, 6 farklı türbin imalatçısının değişik kapasitelerdeki modellerine uygulanarak bölge için en uygun rüzgar türbini belirlenmeye çalışılmıştır. 1. GİRİŞ Nüfus artışı, sanayileşme ve teknolojik gelişmeler enerji talebindeki hızlı bir artışı da beraberinde getirmektedir. Bu nedenle Türkiye nin de içinde bulunduğu gelişmekte olan ülkeler, sanayileşmiş ülkelerin düzeyine yetişmek için daha çok enerji yatırımı yapmak zorundadır. Bu bağlamda, konvansiyonel güç santrallarından enerji üretimi sonucu ortaya çıkan küresel ve yerel düzeydeki çevresel kirlilik ve bunların küresel ısınma ile ilişkisinin açıkça görülmesi, 189
neredeyse sıfır emisyona neden olan yenilenebilir enerji kaynakları oldukça önemli bir konuma getirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında, en yaygın olan ve çevre uyumu nedeni ile son zamanlarda teknolojisi en hızlı gelişeni ise rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisinin hem yerel kaynak, hem de temiz ve çevre dostu olması dikkate alındığında, günümüz enerji sorunlarının aşılmasında bu enerjiden yararlanmak için gerekli teknik ve ekonomik fizibilite çalışmalarının yapılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada; Dumlupınar Üniversitesi Kampus alanı içerisinde bulunan Bünelek Tepedeki rüzgar ölçüm istasyonundan, Temmuz 21 Haziran 24 tarihleri arasında 36 ay boyunca alınan veriler ile bölgenin rüzgar karakteristiği incelenmiştir. Toplanan veriler, CALLaLOG 2 ve ALWIN yazılımlarında bölgenin topoğrafik özellikleri dikkate alınarak değerlendirilmiş ve rüzgar enerjisi hesaplamaları yapılmıştır. Ayrıca, eldeki mevcut veriler, 6 farklı türbin imalatçısının değişik kapasitelerdeki modellerine uygulanarak rüzgar türbinleri, kapasite faktörleri açısından karşılaştırılmış ve bölge için en uygun türbin belirlenmeye çalışılmıştır. 2. DÜNYA ve TÜRKİYE RÜZGAR ENERJİSİ DURUMU Yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretimi, üye olmayı hedeflediğimiz Avrupa Birliği nde (AB), güçlü destekleme politikalarının uygulanması nedeniyle sürekli artmaktadır. Birliğe üye ülkeler, 27.1.21 tarih ve 21/77/EC sayılı Yönergeye göre, 21 yılında tüketecekleri enerjinin ortalama olarak %22 sini yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılayacaklarını taahhüt etmişlerdir [1]. Fosil yakıtların ucuzluğu, yenilenebilir enerji kaynakların kullanımı önünde bir engel olmakla beraber, çevre koruma ve enterkonnekte şebekeden uzaktaki küçük yerleşim bölgelerine elektrik sağlama amacıyla, dünyada küçük kapasiteli hidrolik, biyokütle, rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına hızla artan bir yöneliş söz konusudur. Dünya rüzgar enerjisi kurulu gücü 1999-21 yılları arasında büyük bir ivme kazanmış ve iki yılda toplam küresel kapasite yaklaşık iki kat artmıştır. Son dört yılda ise, Şekil 1 den görüleceği gibi, büyüme oranları giderek azalmış, 24 yılı yeniden artmaya başlamış ve 25 yılı sonu itibarıyla, tüm dünyada rüzgar santrallarının kurulu gücü 59.322 MW ile, 1999 yılındaki kurulu güce oranla 4 kattan fazla büyüme sağlamıştır [2,3]. 19
Toplam Kurulu Güç (MW) 7 6 5 4 3 2 1 4 35 3 25 2 15 1 5 Kurulu Güç Artış Oranı % 1999 2 21 22 23 24 25 Toplam Kurulu Güç (MW) 13932 18449 24927 3237 431 4762 59322 Kurulu Güç Artış Oranı % 32 35,1 28,5 25,8 18,2 24,6 Şekil 1. Dünya Rüzgar Enerjisi Kurulu Güç Gelişimi [2,3] Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliğinin (EWEA) hazırladığı Rüzgar Gücü-12 raporuna göre; dünya, 22 yılına kadar, elektrik enerjisi ihtiyacının %12 sini rüzgar gücünden karşılayacaktır. Senaryoya göre, 22 sonuna gelindiğinde, rüzgar gücünün 1,2 Milyon MW ı aşkın bir kapasiteye ulaşacağı öngörülmektedir. Ayrıca senaryonun çevre kirliliğini önleme açısından da büyük katkıları olup, 22 yılına kadar, atmosfere salımı önlenen toplam CO 2 miktarı 1 milyar 771 milyon ton olacaktır [4]. Türkiye nin komşu ve bölge ülkelerinde yapılmış rüzgar ölçümleri ve Devlet Meteoroloji İşlerinden (DMİ) alınan düzenlenmiş veriler, ülkenin rüzgar enerjisi bakımından zengin olduğunu göstermektedir. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü (EİEİ) 199 yılından itibaren rüzgar potansiyeli önemli görülen ve rüzgar santralı kurulması düşünülen bölgelerde, rüzgar hız ve yönlerini ölçmektedir. Yapılan ölçümler sonucunda; özellikle Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz kıyı bölgesinin zengin rüzgar potansiyeline sahip olduğu görülmüş ve EİEİ ile DMİ tarafından hazırlanan Türkiye Rüzgar Atlasına göre Türkiye nin rüzgar enerjisi teknik potansiyeli 88. MW, ekonomik potansiyeli ise 1. MW olarak belirlenmiştir [5]. Bu büyük potansiyele rağmen, Türkiye de ilk rüzgar enerji santralı Şubat 1998 de 1,5 MW kurulu güçle İzmir-Çeşme-Germiyan da işletmeye alınmış olup 25 yılı sonuna gelindiğinde ise halen Şekil 2 den görüleceği üzere toplam kurulu güç 2.1 MW ı geçememiştir [6,7]. 191
Kurulu Güç (kw) 25 2 15 1 5 Kurulu Güç Kümülatif Güç Kümülatif Kapasite Eğrisi 25 2 15 1 5 Kümülatif Kapasite (kw) 1986 1998 2 23 25 Yıllar Şekil 2. Türkiye nin 1986-25 Yılları Arası Rüzgar Enerjisi Kurulu Güç Kapasitesi [6,7] Türkiye, hem enerji üretim teknolojilerinin çeşitliliği hem de kaynak açısından dışa bağımlılığın azaltılması için elektrik enerjisi üretim portföyünde rüzgar santrallarından 213 yılında % 4.1 oranında faydalanmayı planlamaktadır. Bu bağlamda, 9. Beş Yıllık Kalkınma Planı Enerji Özel İhtisas Komisyonu Taslak Raporunda rüzgar gücünün, 27 yılında toplam kurulu gücün 1413 MW ile %3.2 sine, 21 yılında 1788 MW ile %3.9 una, 213 yılında 2163 MW ile %4.1 ine sahip olacağı öngörülmektedir [8]. 3. MATERYAL ve YÖNTEM Rüzgar enerjisi sistemlerinin tasarımı, planlanması ve çalıştırılması için rüzgar karakteristiklerinin tüm detaylarıyla bilinmesi gerekmektedir. Rüzgar enerji santralının projelendirilmesi ve ekonomisi temel olarak seçilen santral sahasından üretilebilecek enerji miktarına bağlı olmaktadır. Enerji miktarının tespiti için ise, uzun süreli güvenilir verilere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle, seçilen proje sahasının topoğrafik yapısı göz önüne alınarak uygun noktaya rüzgar gözlem istasyonu (RGİ) kurulmalıdır. İnceleme neticesinde Dumlupınar Üniversitesi Kampus alanında 29 54 4,4 boylam ve 39 29 6,34 enlemlerine sahip Bünelek Tepe, ölçüm için uygun arazi olarak belirlenmiştir. Buraya kurulan RGİ den Temmuz 21-Haziran 24 tarihleri arasında 36 ay boyunca rüzgar hız ve yön bilgileri alınmıştır. Rüzgar ölçüm işleminde kullanılan ekipmanların belirlenmesinde, 11/1/22 tarih ve 2493 sayılı Resmi Gazetede yayımlanarak yürürlüğe giren Rüzgar Ölçümlerine İlişkin Tebliğ dikkate alınmıştır [9]. Buna göre, ölçüm direği 3 m olup Şekil 3 de görüldüğü gibi 1.ve 3. metrede birer adet anemometre ve 3. metrede bir adet yön kontrol cihazı bulunmaktadır. Ayrıca ölçüm istasyonunun enerji gereksinimi için solarcell (12 V /5W) 192
kullanılmıştır. Seçim yapılan bölge ve kurulum safhaları hakkında detaylı bilgi referans [1-12] den alınabilir Rüzgar ölçüm istasyonundan alınan rüzgar hız ve yön bilgisine ait veriler Datalogger da toplanmaktadır. Datalogger dan rüzgar hız ve yön bilgisine ait verileri almak için CALLaLOG 2 yazılımı kullanılmıştır. CALLaLOG 2 yazılımı içerisinde 1 ar dakikalık ortalamalar şeklinde günlük ve aylık klasörler halinde kaydedilen veriler, ALWIN yazılımında değerlendirilmiştir. Bu program vasıtasıyla; bölgenin rüzgar karakteristiği incelenmiş ve program içerisinde bulunan rüzgar türbini imalatçılarının katalog değerleri dikkate alınarak türbinlerin kapasite faktörleri ve elektrik enerjisi üretim potansiyelleri hesaplanmıştır. Bünelek Tepe (194m) 3.m Anemometre Datalogger 3.m Yön Kontrol 1.m Anemometre 1.m Anemometre Solarcell Şekil 3. Rüzgar Ölçüm İstasyonu ve Bünelek Tepe 193
4. BULGULAR ve TARTIŞMA Bir bölgenin rüzgar potansiyelini belirleyebilmek için o bölgeden minimum bir yıl boyunca ölçüm almak gereklidir. Ancak daha doğru ve güvenilir bir değerlendirme yapabilmek için bir yılın üzerinde ölçüm alınması önerilmektedir [13]. Bu amaçla Bünelek Tepeden Temmuz 21 - Haziran 24 tarihleri arasında 36 ay boyunca rüzgar hız ve yön bilgileri alınmıştır. Alınan 36 aylık rüzgar hız verilerinin frekans dağılımı Şekil 4 de verilmektedir. Rüzgar şiddetine karşılık gelen esme yüzdelerini gösteren Şekil 4 ile, ölçüm yapılan alanda hangi rüzgar şiddetinin daha sık gözlendiği tespit edilebilmektedir. Buna göre 36 ay için ölçümlerden elde edilen ortalama rüzgar hızı 4,8 m/s, Weibull ölçek parametresi (c) 5,36 m/s ve şekil parametresi (k) 1,58 olarak bulunmuştur. Şekil 4. Rüzgar Hızı Frekans Dağılımı Rüzgar potansiyeli incelemelerinde olasılık yoğunluk fonksiyonlarının kullanılma nedeni, bölgenin genel karakteristiğinin belirlenmesidir. Bünelek tepeden 36 ay boyunca alınan rüzgar hızlarının Weibull ve ölçümlerden elde edilen frekans dağılımları, Şekil 5 ve 6 da verilmektedir. Şekil 5 ve 6 incelendiğinde, rüzgar hızı frekans dağılımının 2-3 m/s aralığında yoğunluk kazandığı ve Weibull tahmini frekans dağılımının, ölçümlerden elde edilen frekans dağılımına göre daha düzgün bir eğri çizdiği görülmektedir. 194
16 1.Yıl 2.Yıl 3.Yıl 36 Aylık 14 12 Frekans % 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 Rüzgar Hızı (m/s) Şekil 5. Weibull Dağılımına Göre Rüzgar Hızı Frekans Dağılımı 18 1.Yıl 2.Yıl 3.Yıl 36 Aylık 16 14 12 Frekans % 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 Rüzgar Hızı (m/s) Şekil 6. Ölçümlerden Elde Edilen Dağılıma Göre Rüzgar Hızı Frekans Dağılımı Rüzgar türbini kurulumu öncesi önemli adımlardan bir tanesi, hakim rüzgar yönünün belirlenmesidir. Bu amaç için, belirli kesimlerdeki (sektörlerdeki) rüzgarın esme sıklığı ile rüzgar yönlerinin oransal dağılımını veren rüzgar gülü kullanılır. Bünelek Tepeden alınan 36 aylık rüzgar verileri ile, ortalama ve maksimum rüzgar hızlarının estiği yönler ve yönlere göre frekans dağılımları belirlenmiştir. Kurulan ölçüm istasyonunda, yön kontrol cihazının referans noktası ( o olduğu nokta) 195
Kuzey yönüdür. Şekil 7 ve Tablo 1 den de görülebileceği gibi, ortalama rüzgar hızı 6.24 m/s ve 6 m/s ile sırasıyla Kuzey (N) ve Güneybatı (SSW) yönlerinden ve maksimum rüzgar hızı ise 37.4 m/s ile Güney (S) yönünden esmektedir. WNW W NNW N 4 35 3 25 2 15 1 5 NNE ENE E WSW ESE SSW SSE S Ortalama Rüzgar Hızı (m/s) Max.Rüzgar Hızı (m/s) Şekil 7. Yönlere Göre Ortalama ve Maximum Rüzgar Hız Dağılımları Tablo 1. Yönlere Göre Rüzgar Dağılımları Yönler Frekans Dağılımı Ortalama Rüzgar Hızı Maksimum Rüzgar Hızı % (m/s) (m/s) N 8.68 6.24 22.3 NNE 8.55 5.75 18.8 ENE 7.65 4.4 2.2 E 18.15 3.96 24.2 ESE 13.37 2.93 21.8 SSE 4.6 2.52 26.7 S 2.76 3.93 37.4 SSW 3.98 6. 34.5 WSW 5.5 5.71 29.1 W 11.3 5.15 2.2 WNW 11.63 4.32 18.8 NNW 4.27 3.59 18.5 Bünelek Tepede 36 ay boyunca ölçülen rüzgar yön verilerine göre hakim rüzgar yönü, Şekil 8 ve Tablo 1 de verildiği gibi %18.15 frekans dağılımıyla Doğu (E) yönü olarak tespit edilmiştir. 196
NNW N,2,15 NNE WNW W,1,5 ENE E WSW ESE SSW Frekans Dağılımı % S SSE Şekil 8. Yönlere Göre Rüzgar Frekans Dağılımı Ölçüm alınan bir bölgede, rüzgar santralının kurulup kurulmayacağına ilişkin karar vermede kapasite faktörü belirleyici bir etkendir. Bünelek Tepeden 36 ay boyunca alınmış rüzgar verileri, ALWIN yazılımı içerisindeki 6 farklı türbin imalatçısının değişik kapasitelerdeki modellerine uygulanarak enerji hesabı yapılmıştır. Yapılan hesaplamalarda Şekil 9 dan da görülebileceği gibi seçilen bölge için en iyi kapasite faktörünü Dewind, Enercon ve SüdWind rüzgar türbinleri vermekte, en yüksek yıllık enerji miktarını ise 3483,4 MWh ile 8 m rotor çaplı 25 kw lık rüzgar türbini sağlamaktadır. Bu türbinde yüksek enerji miktarına karşılık kapasite faktörünün düşük olmasının nedeni, türbinin kurulu gücünün büyük olmasıdır. Şekil 9 dan görüldüğü gibi, rotor çapı büyüdükçe, büyüyen kanatların kendi ekseni etrafında dönüşü esnasında süpürdüğü alanın büyümesi sonucu enerji üretim miktarı büyümektedir. Ancak bir türbinin verimli olabilmesi için, belirlenen jeneratör kapasitesine göre optimum kanat çapının hesaplanması üzerinde çalışılması gereken önemli bir konudur. Buradan her zaman en büyük kanada sahip türbinin, en verimli türbin anlamına gelmeyeceği görülebilir. Bu yüzden bir bölgede rüzgar santralı kurulurken o bölgenin yıllık enerji gereksiniminin dikkate alınması, bölge için optimum sistemin kurulmasında büyük rol oynamaktadır. Üretilen Enerji (MWh) 4 Üretilen Enerji 35 Kapasite Faktörü 3 25 2 15 1 5 27 29 3 33 4 43 44 46 48 48 48 5 5 52 52 54 54 58 62 62 62 64 64 66 7 8 Enercon ANBonus Enercon ANBonus Südwind DeWind NegMicon NegMicon Südwind NegMicon ANBonus Enercon DeWind ANBonus DeWind NegMicon Enercon Südwind 25 2 15 1 5 Kapasite Faktörü % Rotor Çapı (m) Şekil 9. Bünelek Tepede 7 Farklı Rüzgar Türbini İçin Enerji ve Kapasite Faktörü Değerleri 197
Bünelek Tepe için yapılan çalışmada, bulunan 4,8 m/s ortalama rüzgar hızı için DeWind 1 kw lık rüzgar türbininin kapasite faktörü %22,2 olarak tespit edilmiştir. Buradan da görülmektedir ki, rüzgar türbin teknolojisindeki gelişim, düşük rüzgar hızlarından elektrik enerjisi üretimini sağlar hale gelmiştir. Bu nedenle, ilerleyen zamanlarda teknolojik gelişim ve rüzgar türbini ekipmanlarının seri üretimleri neticesinde maliyetlerinin düşmesiyle bölgede rüzgar gücünden elektrik enerjisi üretiminin mümkün olabileceği söylenebilir. 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışmada; Bünelek Tepeden Temmuz 21-Haziran 24 tarihleri arasında 36 ay boyunca rüzgar verilerine ait hız ve yön bilgileri alınmıştır. Alınan veriler ile ortalama hız, yön ve enerji hesaplamaları yapılmıştır. Buna göre 36 ay için ölçümlerden elde edilen ortalama rüzgar hızı 4,8 m/s, Weibull (c) parametresi 5,36 m/s, (k) parametresi 1.58, ortalama rüzgar hızının estiği yönler N (Kuzey) ve SSW (Güneybatı) ve hakim rüzgar yönü ise E (Doğu) olarak tespit edilmiştir. Ölçümlerden elde edilen rüzgar potansiyeline göre, bölgeden elde edilebilecek en yüksek enerji oranı %22,2 kapasite faktörü ve yıllık 1.98.1 MWh enerji üretim miktarıyla DeWind-D6/1 kw türbin modelinden elde edilmiştir. Rüzgar çevrim santralları Türkiye için önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olup değerlendirilmeyi beklemektedir. Türkiye nin, enerji ihtiyacını karşılamada dışa bağımlılığı ve çevre ülkelerin istikrarsız tutumları nedeniyle, bir yandan içeride enerji kaynaklarını ve ülke çeşitliliğini artırması, diğer taraftan yeni kaynaklara yönelmesi gerekmektedir. Bu nedenle ülkenin, elektrik gereksinimindeki sıkıntıyı azaltmak ve gelişiminin devamı için yenilenebilir enerji kaynaklarına destek verilmelidir. Rüzgar enerjisinden elektrik üretimi amacıyla yararlanılması, aynı zamanda enerji çeşitlendirmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Bunun için rüzgar potansiyeli yüksek olan bölgelerden başlayarak rüzgar enerjisi için gereken yatırımların geciktirilmeden yapılması gerekmektedir. 198
6. KAYNAKLAR 1. European Parliament and of the Council Directive 21\77\EC On the Promotion of Electricity Produced from Renewable Energy Sources in the International Electricity Market, Official Journal of the European Communities, s.33-4, Brussel, 21. 2. Global Wind Energy Council (GWEC) 26. erişim: http://www.gwec.net/uploads/ media/ statistics25_1726.pdf 3. Global Wind Energy Market Report, 25. erişim: http://www.awea.org/pubs/ documents/globalmarket25.pdf 4. Rüzgar gücü -12, 24, erişim: http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/ documents/publications/wf12/rzgargc12.pdf 5. Dündar, C., Canbaz, M., Akgün, N., Ural, G., Türkiye Rüzgar Atlası, EİEİ&DMİ,22. 6. Hepbaşlı, A.,Özgener, Ö., A Rewiew on the Development of Wind Energy in Turkey, Renewable&Sustainable Energy Rewiews, vol. 8, p:257-276, 24. 7. World Wind Energy Association (WWEA), Press Release, 24, erişim: http://www.wwindea.org/pdf/wwea_pr_gigures23_5-3-4.pdf 8. Devlet Planlama Teşkilatı 9. Beş Yıllık Kalkınma Planı Enerji Özel İhtisas Komisyonu Taslak Raporu, 26, erişim: www.dpt.gov.tr 9. Rüzgar ve Güneş Ölçümlerine İlişkin Tebliğ, 11.1.22 tarih ve 2493 sayılı Resmi Gazete. 1. Özgür, MA.,Kütahya da Seçilen Bir Konumda Rüzgar Verileriyle Elektrik Enerjisi Üretim Potansiyelinin Bulunması, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Kütahya, 89 s., 22. 11. Köse, R., An Evaluation of Wind Energy Potential as a Power Generation Source In Kütahya, Turkey, Energy Conversion and Management, vol.45, p:1631-1641, 24. 12. Köse, R., Özgür, MA., Erbaş, O., Tuğcu, A., The Analysis of Wind Data and Wind Energy Potential in Kutahya, Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews; vol.35, d p:277-288, 24. 13. AWS Scientific Inc. Wind Resource Assessment Handbook. National Renewable Energy Laboratory; April 1997, erişim: http://nrel.gov/docs/legosti/fy97/22223.pdf 199