RÜZGÂR ENERJİSİ Arş. Gör. Süleyman TAŞGETİREN Pamukkalc Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, DENİZLİ ÖZET Fosil esaslı yakıtların çevreye verdiği zararlar ve kaynaklarının sınırlı olması nedeniyle başlatılan enerji kaynaklarını araştırma çalışmaları, insanoğlunun, tarihin en eski çağlarından beri önce su üzerindeki araçların hareket ettirilmesinde, daha sonra da yel değirmenlerinde kutlandıkları rüzgâr enerjisinden çağımızda en çok kullanılan enerji türü olan elektrik enerjisi üretiminde yararlanma çalışmalarına başlamasına neden olmuştur. Özellikle elektrik şebeke hatlarının çekilmesinin pahalıya malolduğu uzak bölgelerde enerji ihtiyacının karşılanmasına ekonomik çözümler getiren rüzgâr enerjisi uygulamaları yıl boyunca rüzgâr rejiminin uygun olduğu bölgelerde şebekeye enerji temini konusunda da istikbâl vaat etmektedir. Bu makalede rüzgâr enerjisi ve bundan yararlanma şekilleri ve rüzgâr türbinleri konusunda temel bilgiler verilerek, ülkemizdeki potansiyeline dikkat çekilmeye çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Rüzgâr enerjisi, rüzgâr türbini WIND ENERGY ABSTRACT However, the wind energy İs used from ançient times as a driving force for vehicles on water and for windmills, the studies on the alternative energy sources because of environmental disadvantages and limited capacity of fossil sources had slartedto investigate the possibility to use the wind energy for production of electricity, most widely used energy type in modem world. Espeeially for the remote areas where the cost of electrical network connections are high, the uiud energy submit economical solutions. By wind power, the electrical energy can be supplied for network at regions where the wind regime has a reasonable degree Bverthe year. in this anide. wind energy, its utilisation methods, and wind turbines are investigated and the poiantial for Türkiye has been discussed. Keywords: Windenergy, windtürbine GİRİŞ Rüzgârdan yararlanarak enerji üretiminin geçmişi 7. yüzyıla kadar dayanır. İlk olarak İranlıların rüzgâr değirmenleri yaptıkları bilinmektedir. Rüzgâr türbinleri Avrupa'ya 11-13. yüzyıllar arasında meydana gelen Haçlı Seferleri sırasında geçmiştir. Danimarka'da ilk türbin 1259 tarihinde inşa edilmiştir. Daha sonra çok büyük bir kullanım sahası bulan bu türbinler sayesinde Hollanda yel değirmenleri ülkesi olarak anılmaya başlanmıştır. Modern türbinler konusunda ilk çalışmalar Danimarkalı Dane Paul La Cour tarafından 1890 yılında başlatılmış ve bu sayede Danimarka rüzgâr türbinlerinin kâşifi sayılmıştır(l). AHIIKA AVUSTRALYA ASYA KUZEY AMERİKA <! Miv,-\MI:RIK.\,\VKI'r,1]-; :l VR-.:-.. TOPLAM Tablo 1. Dünya rüzgâr enerjisi kaynağı km 2 200 550 200 6,0-: 3.350 yso 3.100 8..150 (fl Mrrır > oran <%) ].1 1 IJ ]ü i k -klikle Yıllık (VıaliimiiRü sgârhızlim/s) 5,6-6,0 için km 2 Ora» (%) 3.350 400 45(1 1.73& fco 2.750 9.550 11 4 2 S 5 9 7 : " gelmiş; şu anda da çevre İle ilgili endişeler ve alışılmış enerji üretim yöntemlerinin sebep olduğu çeşitli olaylar nedeniyle canlanmıştır. Son 15 yılda rüzgâr türbinleri ile elektrik üretiminde muazzam gelişmeler sağlandı. Yaklaşık 2000 M W şebeke bağlantılı rüzgâr enerjisi kurulu gücü ile, elektrik 3200 GWh'in üzerine çıkmıştır. Bu türbinlerin çoğunluğu ABD ve Danimarka'da tesis edilmiştir. Rüzgâr enerjisinin bir uygulama alanı da su pompalama sistemleridir. Geçen yüzyılda ve bu yüzyılın birinci yansında geniş çapta kullanılan rüzgâr pompaj sistemlerinde İ950-60İ1 yıllarda oldukça ani düşüşler olmuş, ve neticede rüzgâr ile çalışan su pompaları yerlerini diğer kaynaklarla çalışan pompalara kaptırmıştır. RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr yeryüzünün her tarafının aynı miktarda ısınmamasından dolayı meydana gelir. Yeryüzünün farklı ısınması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, farklı basınçta havanın hareketine neden olur. Rüzgâr enerjisi yenilebilir enerji kaynaklan arasında sayılmaktadır. Endüstri devrimi sırasında diğer kaynaklardan ucuz enerji elde edilmesi nedeniyle yerini diğer kaynaklara bırakmıştır. Petrol krizi sonrasında rüzgâr enerjisi su pompalama ve uzak yerleşim yerlerindeki enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla yeniden günde- km- 3.750 850 1.150 2.550 1.400 3.550 13.650 5,J-5,6için oran (%) 12 S 6 12 TT 12 10 Birçok yerde mevsime bağlı farklılıklar bulunur. Rüzgâr hızı genel olarak kışın daha yüksek olmakla birlikte bazı bölgelerde topografik yapıya bağlı olarak yazın daha yüksek olabilmektedir. Mevsime bağlı değişmeler yüzünden, rüzgâr enerjisi potansiyelinden elde edilecek enerjinin, yıllık ortalama Ekim-Kasım-Aralık 1998, Sayı: 29 23
S TAŞGETÎRKN Şekil 1. İngiltere için hazırlanmış rüzgâr atlası. Rüzgâr hızı 30 m yükseklikte ölçülmüştür. hız değerinden hesaplanan enerjiden daha fazla olacağı bilinmelidir. Son on yılda dünyanın rüzgâr enerjisi potansiyelini belirlemek için çok sayıda rüzgâr atlası çalışması yapılmıştır. ABD, Avrupa, Latin Amerika, Çin, İspanya, Peru, Mısır, Somali, Sahil Ülkeleri, Etyopya ve eski Sovyetler Birliği'nin bir kısmının rüzgâr atlası çıkarılmıştır. 1988 yılında yapılan bir çalışma sonucu Ürdün, Hindistan, Pakistan, Çin, Moritanya, Fas, ve Şili'nin rüzgâr enerjisinde iyi bir potansiyele sahip olduğu anlaşılmıştır. Şekil 1 ',İ!' örnek olması amacıyla İngiltere için hazırlanan atlas verilmiştir. NASA dünya rüzgâr enerjisi teknik potansiyelini 26.000 TWh yıl olarak tahmin etmiştir. Bu alanlar 50 kuzey/güney enlemleri arasında bulunmaktadır. Ekonomik, estetik ve fiziksel planlama limitleri dikkate alındığında bu potansiyelin üçte birinin (9000 TWh/yıl) gerçekleşebileceği hesaplanmaktadır. Dünya Meteoroloji Organizasyonu 1981 yılında, dünyanın rüzgâr kaynağı haritasını geliştirmiştir. Bu çalışmada dünya düzeyinin % 25'inin yıllık ortalama rüzgâr hızının, 10 m yükseklikte Şekil 2. Yatay ve düşey eksenli türbinler 5,1 ın/s'den daha büyük olabileceği tahmin edilmiştir. 1 km 2 'ye yaklaşık 0,33 MW türbin kapasitesi yerleştirilebilirse, ortalama üretim 2000 MWh/yıl olabilecektir. Tablo l'de kara alanlarının ortalama rüzgâr hızlan gösterilmiştir. RÜZGÂR TÜRBlNl Modem rüzgâr türbinleri yatay eksenli ve düşey eksenli olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır (Şekil 2). Her iki tip te aerodinamik yapı nedeniyle rüzgâr enerjisinden faydalanabilirler. Türbinlerde alt sistemler olarak: - Kanatların, göbek ve şaftın monte edildiği bir rotor, - Dişli kutusu ve generatörün bulunduğu mekanizma, - Rotor sistemini taşıyan bir kule, - Kontrol sistemleri, - Diğerleri (Elektriksel bağlantılar, servis kolaylığı sağlayan teçhizat, taşıyıcı yapı) bulunmaktadır. Türbinler kanat sayısı olarak da tek kanatlı, iki kanatlı ve çok kanatlı olarak yapılmaktadır (Şekil 3). 26 Ekim-Kasım-Aralık 1998, Sayı: 29
RÜZGÂR ENERJİSİ Şekil 3. Tek ve çok kanatlı türbinler(3). Şekil 4. Rüzgâr enerjisi temel kullanım şekilleri Şebekesiz sistemler akülü veya uzak yerlerde emniyetli sistemler şeklinde iki gruba ayrılabilirler. Akülü sistemlerin çoğu, küçük, ucuz rüzgâr türbinleri olup bireysel veya konutlar içindir. Bu türbinler az veya orta Rüzgâr enerjisinden yararlanmada önemli araştırma konularından biri de en ekonomik enerji üretimi için gerekli rüzgâr türbini büyüklüğüne aittir. Yapılan sistem analizlerinde, rüzgâr enerjisi gelişiminde 60-100 m çapındaki sistemleri (1 ila 3 MW) optimum büyüklük olarak tespit edilmiştir. Tablo 2'de çeşitli kapasitedeki türbinlerin boyutları verilmiştir. RÜZGÂR TÜRBlNl UYGULAMALARI 19. Yüzyıl ve öncesinde mekanik güç üretmek amacıyla kullanılan rüzgâr türbinleri artık çoğunlukla elektrik üretimi için imal edilmektedir. Modern türbinlerkullanma amacına göre 4 grupta incelenebilir. Bunlar: Su pompalama sistemi, hacim veya su ısıtılmasında kullanılan sistem, uzak bölgelerde enerji üretimi için kullanılan şebekesiz sistem ve şebekeye bağlantılı olarak kullanılan sistemlerdir (Şekil 4). Su pompalama sistemleri, çok kanatlı, düşük rüzgâr hızında yüksek moment sağlayabilen, su pompası ile bağlantılı olarak çalışan sistemlerdir. Uzak yörelerde, pompaj derinliği az olan küçük çapta sulama ve sulu tarım için kullanılmaktadır. Bu amaçla genellikle 3-5 kw'lık türbinler kullanılmaktadır. Hacim veya su ısıtılmasında kullanılan sistemler aynı şekilde uzak bölgelerde ya da rüzgâr enerjisinin daha ekonomik olabildiği bölgelerde su ısıtılmasında ya da sera gibi büyük hacimlerin ısıtılmasında kullanılmaktadır. Kullanılan türbin kapasitesi 5-10 kw arasındadır. Şekil 5. Şebekesiz türbinlerin depolama ünitesi ve dizel jenaratörle entegre olarak kullanılan bir sistem Ekim-Kasım-Arahk 1998, Sayı: 29 27
RÜZGAR ENERJİSİ Kanal Sayısı Kanat Çapı Kule Yüksekliği Kanat Malzemesi Tablo 2. Halen imal edilmekte olan çeşitli kapasitedeki türbinlerin boyutları 60 W 2 I..U. Kul esiz Yüksek bir yere monte edilir. Kanat Ağırlığı 22 kg Kule Ağırlığı Temel Ağırlığı okutup, 3faz,48V, t,25 A, 50 Hz : Rüzgar Minimum 3,5 m/s Hızı INormal NVlaximum 7 m/s 90 m/s ye kadar çalışır maliyetli olup kanat çaplan 5 m civarındadır. Şekil 5'te sistemde kullanılan depolama Ünitesinin fotoğrafı verilmiştir. Uzak yerlerde emniyetli sistemler küçük, tek başına, uzak yerler için güvenilir güç üretirler. Bu sistemlerde de depolama ünitesi olarak akü bulunmalı ve mutlaka diğer kaynaklarla beraber kullanılmalıdır. Tipik kullanımları deniz fenerleri ve telekomünikasyon uygulamalarıdır. Şekil 5'te dizel jeneratörle entegre olarak kullanılan bir türbin sistemi verümiştir(2). Rüzgâr türbinleri bir yerleşim yerinin elektrik yükünü karşılayabilir. Burada, türbin elektrik yükünün yakınında ve yük aynca şebeke ile bağlantılıdır. Bu türbinler 10-l00kw arasında güce sahip türbinlerdir. Aynca merkezî yerde çok sayıda tesis edilmiş türbinlerle rüzgâr tarlaları da oluşturulabilir (Şekil 6). Burada da asıl amaç şebekeye enerji temin etmektir. Bu türbinlerin güçleri 50-500 kw'dır. 1 MW 2 45 m 60 m Cam Takviyeli Plastik + Çelik Çelik 2,5 ton 65 ton 200 ton 1250 530 V, 50 Hz 6 m/s 8 m/s 56 m/s 2MW 1 75 m 100 m Çelik Beton 20 ton 1500 ton : '^ton Asinkroı 6000 V, 263 A, 50 Hz 6 m/s 12,5 m/s m/s ÇEVRE İLE ETKİLEŞİM Rüzgâr enerjisi uygulamalarının çevresel etkileri belli başlı enerji geri Ödeme zamanı, kuş ve diğer uçan canlılar üzerindeki etkisi, gürültü etkisi, görüntü etkisi, telekomünikasyon ve haberleşme üzerindeki etkisi ve sistemlerin emniyetli olup olmamaları açılarından ele alınabilir. Türbinler inşa edilirken kullanılan malzemenin üretiminde ve tesis edilirken belirli miktarda enerjiye gereksinim vardır. Bu enerji yatınım, türbinin ömrü boyunca geri ödenmek zorundadır. Yapılan analizlerde geri ödeme zamanı, birkaç ay ile iki yıl arasında değişmektedir. İşlemekte olan türbinlerin yakınında bulunan kuş potansiyeli, kanatlann hava akımında meydana getirdiği kargaşa durumu nedeniyle zarar görebilmektedir. Bu nedenle özellikle rüzgâr tarlası uygulamalannm millî park- Şekil 6. Rüzgâr tarlaları 18 Ekim-Kasım-Aralık 1998. Sayı: 29
RÜZGÂR ENERJİSİ lar ve kuşların uğrak yerleri yakınlarında kurulmaması gerekmektedir. Ancak yapılan araştırmada 1 kw yüksek voltaj hattında telef olandan 10 kat daha az olduğu anlaşılmıştır. Türbinlerin çıkardığı gürültü çeşitli problemlere yol açar ve türbinlerde yerleşim alanlan arasındaki mesafenin sınırlandırılmasında dikkate alınır. Mekanik ve aerodinamik parçalar akustik yayınımı oluşturur. Yayınım rüzgâr tu2 M bağlıdır. Bu problem türbinlerinin sık yerleştirildiği alanlarda ortaya çıktığından tesis edilebilecek türbin potansiyelinin tespitinde dikkate alınmalıdır. Türbinler elektromanyetik dalgalar üzerinde engel oluşturur. Emniyet açısından ise türbinlerle çok nadir olarak kazalar meydana geldiğinden ve işletme sırasında hemen hiç oluşmadığından rüzgâr türbinleri yüksek emniyetli sistemler sayılabilmektedir. EKONOMİK DURUM Rüzgâr enerjisi ekonomisi kullanım amacına göre farklılık göstermektedir. Enerji arzına katkı için en Şekil 7. M farklı kule tipi ve 2 MW güçlü türbinin kanat montajı Şekil N. Rüzgâr gücünden yararlanmada ilk modeller önemli uygulama, şebeke bağlantılı türbinlerdir. Gelişmekte olan ülkelerde su pompaj ve sera ısıtma sistemleri en önemli uygulamalardır. Çok küçük ve çok büyük sistemler maliyeti yükseltmektedir. Türbin sistemlerinin maliyetini etkileyen temel faktörler, yatırım maliyeti, amortisman süresi, faiz oranlan; türbin verimi; rüzgâr rejimi; teknolojik İmkanlar; İşletme ve bakım maliyetleri ile sistem ömrü olarak sayılabilir. Bunlara ilaveten türbin imalat maliyeti, altyapı ve tesis maliyeti inşaat işleri ile mühendislik ve şebekeye bağlantı maliyetleri de büyük önem taşımaktadır. Yapılan çalışmalarda yatırım bedeli olarak 100-400 kw arasındaki güce sahip türbinler için 1989 yılında 1000-2000 S/kW maliyet tesbit edilmiştir. Türbin ömrü olarak ise 20 yıl alınmaktadır. İşletme ve bakım maliyeti 0,005 S/kWh olmaktadır. Taranan her m 2 kanat alanından yılda elde edilebilecek ortalama enerji için E=bxV* şeklinde bir ifade verilmektedir. Burada b performans faktörü, V ise ortalama rüzgâr hızıdır. Bu faktör türbinin kalitesini göstermekte olup, rüzgâr hızının frekans dağılımına da bağlı olduğundan, her yöre için aynı değildir. Performans katsayısının yükselmesi teknolojinin iyileştiğini gösterir. Su pompajında kullanılan sistemlerde su ihtiyacı/rüzgâr enerji potansiyeli oranının en yüksek olduğu durum ekonomiklikte bir ölçü olmaktadır. Ekonomik bir sistem için suyun maliyeti 0,10 $/m 3 'Ün altında olmalıdır. Mevcut Ekim-Kasım-Aralık 1998, Sayr: 29 2<)
S.TAŞGETİREN pompalama sistemlerinde işletim maliyeti 0,4-0,8 $/kwh arasındadır. Rüzgâr sistemlerinde yapılacak iyileştirmelerle maliyetlerde azalma olacağı, böylece, su maliyetlerinin 0,08 $/kwh veya daha alt bir seviyeye inebileceği tahmin edilmektedir. Diğer taraftan rüzgâr enerjisi kullanımı bir kısım maliyetleri de önlemektedir. Bunlar arasında tasarruf edilen yakıt, önlenen mril artıklar sayılabilir. Bunlardan tasarruf edilen yakıtın miktarı sisteme dahil edilen rüzgâr gücü seviyesine bağlıdır. Hollanda'da 1000 MW'hk rüzgâr kapasitesinin 165-184 MW konvansiyonel kapasitenin yerine geçebileceği hesaplanmıştır. Zararlı atıkların önlenmesi konusunda ise, türbinler yardımıyla üretilen her bir GWh elektrik enerjisi başına kirlilik miktarında belirli bir azalma olduğu söylenebilir. 1989\la Danimarka'da rüzgâr enerjisi yardımıyla 500 GWh elektrik üretilmiş ve bu üretimle yaklaşık 400.000 ton kirliliğin önlenmesi sağlanmıştır. Bütün ekonomik durumlar gözönüne alındığında şebekeye enerji temini için rüzgâr türbini tesis edilmesinin ancak 2020 yılında linyitle çalışan santrallere göre avantajlı duruma geçebileceği anlaşılmaktadır. Bununla beraber Çin'de olduğu gibi uzun dönemi marjinal maliyetler açısından rüzgâr ve şebeke bağlantı durumları göz önüne alındığında, bazı ülkelerde rüzgâr enerjisini öncelikli duruma geçebilecektir(4,5). SONUÇ Dünya nüfusunun yaklaşık % 80'i kırsal kesimde yaşamakta ve yaklaşık % 65'i şebekeden elektrik enerjisi temin edememektedir. Gelecek 30 yıl içinde şebekeden yararlanmayacak insan sayısının yaklaşık 2 milyar civarında olacağı tahmin edilmektedir. Bu nedenle küçük ve şebekesiz yerlerde, rüzgâr yardımıyla enerji temini yüksek bir potansiyele sahip olabilecektir. Diğer taraftan, rüzgâr enerjisinin süreksiz bir enerji olması, dolayısıyla mevcut enerji üretim sistemleriyle entegre çalışılması veya depolama için yöntemler geliştirilmesi gerekmektedir(6). Kabaca yapılmış tahminlere göre yatırım yapılmasına karar verilemez. Bu nedenle her ülkede veya bölgede, rüzgâr enerjisi kaynağın! ortaya çıkaracak daha detaylı analizler yapılmalıdır. Durumun ayrıca çevresel şartlara göre de değerlendirilmesi, düşük veya yüksek sıcaklık, buz, kar, havada üflenen kum ve havanın tuz ihtiva ettiği yerlerin dikkatle incelenmesine gerek vardır. Türbinlerin değerlendirilmesi, test metodları için pratik tavsiyelerin geliştirilmesi, karma sistemler, deniz rüzgâr sistemleri, türbülans etkisi ve rüzgâr meteorolojisini de kapsayan projelerin yürütülmesi için bir iş bölümü yapılmalıdır. KAYNAKLAR 1) Van Wijk, A.J.M., Coelingh. J.P., Turkenburg, W.C. Rüzgar Enerjisi: Statüler, K ısıllar. Fırsatlar, Özetleyen: Adnan Temiz, Worid Energy Commission, Türkiye Rüzgâr Enerjisi Birliği, 1989. 2) Toftevag, T., Mulen, K., Skarstein, O., Wigren, S., A Norwegian Wind/Diesel Aııtonomous System, öct., s. 59, 1989. 3) Stemme, H.. "Single Bladed Wind Türbine", Modem Power System, Oct s. 67, 1989. 4) Breze, P., "Wind of Change in the UK*\ June, p. 57, 1989. 5) Mays, I. D.. Morgan, C. A.. Andersen M. B.. Powles. S. J. R.. The 500 kwwt 850 is Now Operating, Modem PowerSystem, Oct.. s. 53, 1990. 6) Culp. A. W., Princİples of Energy Conversion, Mc Graw-Hill Inc., 1991. 30 Ekim-Kasım-Aralık 1998, Sayı: 29