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. 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 (2) (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.