Bölüm 13: Denizüstü (Offshore) RES

Denizüstü rüzgâr türbini (DRT) çiftliklerinin ilki 1991’de Danimarka’nın Vindeby kasabasında kıyıdan 2 km uzaklıkta ve 4 metre su derinliğinde (11 adet, rotor çapı 35 metre olan her biri 450 kW rüzgâr türbini) yapılmış ve bu tarihten itibaren de bu sektör özellikle Danimarka, Almanya, Birleşik Krallık, Hollanda gibi Avrupa ülkelerinde, özellikle Kuzey Denizi’ne yerleştirilen çiftlikler ile giderek büyümüştür. Bu büyümenin başlıca sebebi açık denizlerde tutarlı/devamlılık gösteren ve yüksek rüzgâr hızı potansiyelinin karaya göre daha fazla olmasıdır. Kara (onshore) RES ile denizüstü (offshore) DRES arasındaki en önemli farkları anlamak gerekmektedir. Bu farklar:

• Denizüstünde daha kararlı ve yüksek rüzgâr hızlarının bulunması sebebiyle daha fazla enerji üretimi,
• Denizüstü RES’lerde montaj ve inşaat işlerinin daha yüksek meblağlara yapılması, Ulaşım ve denizüstü olması nedeni ile bakım maliyetinin yüksekliği,
• Denizüstü RES projelerinde finansman olanaklarının zorluğu,
• Denizüstü RES’lerin işletmesinin karaüstü RES’lerden daha zor olması sayılabilir.

13.1 DRES’lerin Kurulum Aşamaları

Denizüstü RES yapımındaki aşamaları genel olarak üç grup halinde toparlamamız mümkündür. Bunlar şöyle sıralanabilir:

Proje Aşamasında:

• Rüzgâr potansiyeli ve bu potansiyelin belirlenmesi için denizüstü ölçüm istasyonları Deniz derinliği ve deniz tabanı yapısı
• Kıyıya uzaklık
• Elektrik iletimi ve karadaki enterkonnekte sisteme bağlantı koşulları
• Denizüstü ve altı doğal koruma alanları ve canlılar
• Askeri kullanım
• Sivil havacılık
• Balıkçılık
• Deniz trafiği
• Boru hatları ve kablolar
• Yerel yetkililerden çeşitli izinlerin alınması
• Finansal planlama

Tedarik ve Yapım Aşamasında;

• Rüzgâr türbinleri seçimi ve montajı
• Temel seçimi
• Sualtı kablo döşenmesi
• Denizüstü trafo merkezi
• Deniz yapı elemanları
• Malzemelerin belirlenen bölgeye taşınması ve montajı için gerekli ekip ve ekipmanlar
• İşletme ve Bakım Aşaması

13.2 MICROSITING

Bir açık deniz rüzgâr çiftliği projesini başlatmak için, ilk olarak rüzgâr çiftliği inşaat alanı tanımlanmalıdır. Buna rüzgâr çiftliği makro-yerleşim adı verilir. Bu aşamada, kıyıya olan mesafe, askeri yasak alan gibi kısıtlama alanı, balıkçılık çiftliği, doğal rezerv alanı, ana kanalı ve rüzgâr kaynağı dağılımı dikkate alınan temel konulardır. Kıyıya yakın ve sığ suya sahip alanlar tercih edilmelidir. Ardından, ölçülen rüzgâr hızına bağlı olarak rüzgâr türbinleri optimize edilmiş bir şekilde konumlandırılacaktır. Türbinlerin mikro konumlandırma optimizasyonunun kritik bir parçası olduğundan, başka bir terim olan WFLOP, çözümün optimalliğini sağlamak oldukça zor hale gelir. WFLOP’un temel unsurları şu şekilde özetlenebilir:

• Izgara Modeli: Tüm alan ızgaralara ayrılır ve her bir ızgaranın merkezi, rüzgâr türbininin potansiyel konumunu temsil eder.
• Koordinat Modeli: Türbinler X ve Y koordinatlarında verilir.
• Amaç İşlevi: Sermaye maliyetini, işletim ve bakım (O&M) maliyetini ve yıllık enerji üretimini en aza indirgemek veya enerji üretimini, uyanıklık kayıplarını dikkate alarak maksimize etmektir.
• Daha uzun bir türbin ömrü sağlamak için, her bir türbin çifti arasındaki minimum mesafe dikkate alınmalıdır.
• Metodoloji: Matematiksel programlama yöntemleri kullanılır.

13.3 Deniz Üstü Rüzgâr Hızı Ölçümü Ve Rüzgâr Potansiyeli

Devlet Meteoroloji Genel Müdürlüğü’nün Denizcilik Meteorolojisi biriminin deniz taşımacılığı, rüzgâr rejimleri, akıntı sistemleri ve fırtınaların oluşumları hakkında sistematik bilgi ihtiyacını karşılamak ve gemi güvertelerinde gönüllü gemilerce yapılan gözlemlerin belirli bir esasa dayanarak temin edilecek veya Avrupa Orta Ölçekte Rüzgâr Tahmini Merkezinin (European Centre for Medium- Range Weather Forecasts) çeşitli ölçüm sonuçlarını bir araya getirerek matematiksel modelleme ile çıkarılan günlük haritalardaki verilere istinaden ilgili bölgedeki rüzgâr gücü tahmini yapılabilir. Fakat bu değerlerin hiçbiri, DRES santralinde kullanılması planlanan deniz üstü rüzgâr türbin yüksekliğinde deniz üstünde kurulacak bir ölçüm istasyonundaki veriler kadar kesin bir sonuç elde edemez. Bu nedenle, santral kurulacak alanın özelliğine istinaden, bir deniz üstü ölçüm platform veya ölçüm direği kurulur. Ölçüm platformları santral için gerekli olan rüzgâr hızı, rüzgâr yönü, yoğunluk, basınç, sıcaklık gibi ana bileşenlerin yanında denizaltı ekolojisi gibi bilimsel çalışmalara, veri toplamak gibi daha kapsamlı donanımlara sahiptir.

Denizüstünde rüzgâr hızlarının karaya göre çok daha kuvvetli olması ve dalga, denizaltı su akıntıları gibi nedenlerle rüzgâr ölçüm sistemlerindeki yorulma (fatigue) karasal ölçüm sistemlerine göre çok fazladır. Denizüstünde kullanılan meteorolojik sensörler, karaüstünde kullanılanlara göre bazı farklılıklar gösterir. Bu farklılıklar aşağıda belirtilmiştir:

• Isıtmalı Sensör Kullanımı
• Sonik Sensörler Kullanımı
• Korozyona, Neme ve Deniz Tuzuna Karşı Daha Dayanıklı Sensörler olması gerekmektedir.

Bu amaçla World Meteorological Organization sınıflandırmasına göre Secondary Standard meteorolojik sensörler kullanılmaktadır.

Deniz Üstü Rüzgâr Ölçümleri

13.3.1 Klasik Ölçüm Direği

Halen standartlarca tavsiye edilmektedir. Ölçüm 10 metre ve %80 göbek yüksekliği arasında olmalıdır. Her 20 metrede bir rüzgâr hızı ölçülmelidir. Her 40 metrede bir ise rüzgâr yönü ölçülmelidir. T/RH ve P direk boyunca en az 3 noktada ölçülmelidir. Klasik ölçüm direğinde karşılaşılan bazı problemler vardır. Platform yüzeyi alt kademedeki ölçüm cihazlarını olumsuz etkilemektedir. Aynı zamanda türbin yüksekliğinde kurulum fazla maliyetlidir.

13.3.2 Platform Üstü LİDAR/SODAR Ölçümleri

Türbin yüksekliğinde ve tavan yükseklikte ölçüm imkânı bulunmaktadır. Her kademede türbülans hesaplanabilir. Direk maliyetinin yaklaşık 10 katı kurulum/kullanım maliyeti vardır ve tüm artı yönlerine karşılık hala normal ölçüm direğinin problemlerini yaşamaktadır.

13.3.3 Yüzen LİDAR

Platform maliyeti ve platform etkisi yoktur. Dalgalanmalara karşı veri düzeltmesi gerekmektedir. Türkiye için ideal bir ölçüm yöntemidir.

13.3.4 Uydudan Rüzgâr Ölçümü

Dalgarın görüntüsünden yola çıkarak 10 a.s.l. rüzgâr hız ve yön ölçümü yapılmaktadır. Verilerin modellemelerle 300 metreye kadar taşınabilmesi mümkündür. Direğin konumu ve tarlanın sınırlarını belirlemek için ideal bir ölçüm yöntemidir.

13.4 Denizüstü Rüzgâr Özellikleri

Avrupa ülkelerinin DRES’e geçmelerinde, karadaki rüzgâr için verimli yerlerin azlığı, rüzgârın verimli olduğu yerlerde ise bu bölgelere ulaşım, bakım ve onarım zorlukları gibi sebepler etkili olmuştur. Bunların yanı sıra, deniz üstünde rüzgâr hızının karaya oranla daha yük- sek olmasından ötürü DRES’de daha fazla enerji elde ediliyor olması da DRES’in tercih edilmesinde çok büyük bir öneme sahiptir. Deniz üzerinde esen rüzgârın kendine has bazı özellikleri bulunmaktadır. En önemli özelliği, deniz üstünde rüzgâr hızının, kara üzerindekinden daha yüksek olmasıdır. Yapılan araştır- maların sonucunda deniz üstü rüzgâr hızının en yakın kara parçasından %20-25 civarında daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Buna ek olarak deniz üzerindeki yüzey pürüzlülüğünün kara üzerindekinden daha düşük olmasından dolayı, rüzgâr akışının türbülans yoğunluğu da düşüktür. Türbülansın düşük olması da rüzgâr enerji santrallerindeki yorulmanın daha düşük olması anlamına gelir.

13.5 Denizüstü Rüzgâr Enerji Santralleri

Açık deniz rüzgâr türbinleri (offshore), kara rüzgâr türbinleri (onshore) ile oldukça benzer teknolojiye sahiptirler. En büyük farkları açık deniz türbinleri daha fazla enerji yakalar.

Açık deniz rüzgâr türbinlerinde kullanılan aktarma parçaları (drive-trains) kara rüzgâr türbinleri ile aynıdır, bazıları dişli kutuları ve yüksek hızlı jeneratörler kullanırken, diğerleri türbin rotoru ve jeneratör arasında direk aktarım (direct drive) kullanır. Açık deniz rüzgâr türbini kuleleri genellikle çelik boru profillerden inşa edilir. Ayrıca açık deniz rüzgâr türbinlerinin temelleri, karada kullanılanlardan önemli ölçüde farklıdır. Açık deniz rüzgâr ortalama hızı ve potansiyeli karaya göre çok daha yüksektir. Ayrıca açık denizde pürüzlülük (rüzgârı engelleyebilecek herhangi yapı yükselti veya eğrelti) ve alan sıkıntısı olmadığından elde edilen kapasite faktörü çok daha yüksektir. Açık denizde tuzlu suyun aşındırıcı özelliği, rüzgâr hızlarının çok daha yüksek olması karaya kıyasla daha zorludur. Buna istinaden deniz suyunun aşındırıcı özelliğine karşı petrol ve gaz platformlarında kullanılan deniz teknolojileri açık deniz rüzgâr türbinlerinde de türbin ömrünü uzatmak amacıyla kullanılmaktadır.

13.5.1 Denizüstü Rüzgâr Türbini Özellikleri

Denizüstü ve karasal rüzgâr türbinleri arasında bazı teknik farklılıklar bulunmaktadır. Bu farklılıkların başında offshore sistemler denizin içine kurulmaktadırlar. Deniz deyince akla su ve tuz gelmektedir. Yüksek nem ve tuzlu çevre koşullarına bağlı olarak, rüzgâr türbin yüze- yinde korozyonlar meydana gelir. Offshore sistemlerin korozyondan korunabilmeleri için rüzgâr türbin yüzeylerinde etkin bir özel dış koruma kaplaması yer almaktadır. Onshore rüzgâr türbinlerinin yerleşim yerlerine de yakın olarak kurulabileceği dikkate alınarak başta kanat tasarımı olmak üzere tüm sistem gürültüyü azaltacak şekilde tasarlanmaktadır. Offshore rüzgâr türbinlerinde ise tasarımın temel amacı gürültüden ziyade optimum aerodinamik verimin alınabilmesidir. Bu sebeple offshore rüzgâr türbinlerinin kanat hızları onshore sistemlere göre daha yüksektir. Kanat hızlarının artırılması aşağıda ifade edilen gereklilikleri de beraberinde getirmektedir.

• Kanat katılığının (solidity) azalması sonucu kanadın süpürdüğü alanın düşmesi ve dolayısıyla kanat boyunun kısalması
• Kanadın süpürdüğü alanının düşmesi sonucu rüzgâr türbini çalışmıyorken kanat üzerine etkiyen kuvvetlerin azalması
• Dişli kutusu, ana yatak gibi mekanik aksamın küçülmesi (dişli kutulu sistemlerin kullanılması halinde geçerlidir)

Dişli kutusunun kullanıldığı offshore rüzgâr türbinlerinin periyodik bakım işlemleri de onshore sistemlerden biraz farklıdır. Yağlama sisteminin servis süresi daha uzundur. Birçok yatak otomatik olarak yağlanmaktadır. Dişli kutusunda bulunan özel bir yağ filtreleme sistemi yağın kalitesinin uzun süre korunmasını sağlamaktadır.

Denizüstünde esen rüzgâr hızlarının yüksek ve türbülans yoğunluğunun az olması nedeniyle, rüzgârın bir engele çarptıktan sonra (türbin kanatları) düzelmesi için gerekecek mesafe karasal türbinlerden fazladır. Bu nedenlidir ki, karasal türbin arası mesafe pervane çapının 3–5 katı olmakta iken, denizüstü türbinlerde 6–8 kanat çapı olmaktadır. Rüzgâr türbini seçimi ve onların saha içindeki yerlerine konuşlandırılması için profesyonel bir programa ve detaylı saha, rüzgâr, nem, basınç, sıcaklık verilerine ihtiyaç duyulmaktadır.

13.5.2 Kule ve Temel

ADRES’ler genellikle silindirik içi boş kuleden oluşmakta olup deniz seviyesinden yükseklikleri 105 metreye kadar ulaşmıştır. Çok az rastlansa da kafes tipi kuleler de kullanılmaktadır. Kuleler, geçiş elemanları kullanılarak temele monte edilir. Kulelerin monte edildiği temellerin tasarımlarını ve temel seçimlerini belirleyen çeşitli parametreler vardır. Bunlardan birincisi, denizüstü rüzgâr türbininin kurulu gücü, kule yüksekliği ve ağırlıkları, ikincisi temelin kurulacağı deniz tabanın yapısı ve son olarak da temelin yapılacağı yani santralin kurulacağı alandaki su derinliğidir.

Denizüstü rüzgâr türbinleri için temel inşası; hidrodinamik, rüzgâr yüklemesi ve karmaşık dinamik davranışlarla başa çıkmak demektir. Dalga ve rüzgâr yüklerinin birleşik etkisini ortaya çıkarmak temel inşası için hayati öneme sahiptir. Ayrıca, çok büyük su derinliklerinde gereken yapım işleri, maliyetin önemli bir parçası ve tüm kurulumun titreşimsel karakteristiği üzerinde hayli fazla etkiye sahip olabilmektedir. Gerçekte günümüzde 4 ana tasarım göz önünde bulundurulur. Bunlar: Yerçekimi merkezli (Gravity), Tek kazık (Monopile), Üçayak (Tripod) ve Ceket (Jacket) temelleridir.

13.5.2.1 Monopil Temel

Monopil temeller düşük maliyeti, basitliği ve sığ sulara (20 metreden düşük) uygunluğu gibi nedenlerden ötürü ADRES projelerinde en çok kullanılan tasarımlardır. Monopil temel, 500 tona yaklaşan ağırlığı ve 5,1 metreyi bulan çapıyla diğer temel tasarımlarından daha kolay bir şekilde üretilir. Fakat derin sularda, dalgaların şiddetli olduğu ya da türbin boyutlarının büyük olduğu durumlarda tercih edilmezler.

13.5.2.2 Yerçekimi Merkezli Temel D

Denizüstü RT lerde en yaygın kullanılan temel tipidir. Adından da anlaşılacağı gibi betonun yerçekimi kuvveti üzerine durmaktadır. Bu tip temel hidrodinamik yüklere aşırı duyarlıdır. Hidrodinamik yüklerle kasıt ise, denizlerdeki dalgalardır. Dalga yüksekliği ise denizin derinliğine bağlıdır. Bu tip temellerin su altında kalan kısımları konik olarak tasarlanmıştır. Sebebi ise buzlanmanın etkilerini azaltmaya çalışmaktır.

13.5.2.3 Jacket Tipi Temel

Jacket tipi temel aslında petrol ve gaz endüstrisinde kullanılan açık deniz uygulamalarında kullanılsa da ADRES uygulamalarında da kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzdeki örnekleri 4 yüzeyli olup, uzay kafes yapıdan oluşur. Yüksek güçlü türbinleri (5 MW) destekleyebilme ve 40 metreden daha derin sularda çalıştırabilme özelliği bulunur. Monopil temelden daha geniş en kesiti olduğu için dalgadan ve akıntıdan gelen yüklerden oluşan momentlere karşı dayanıklıdır.

13.5.2.4 Tripod Temel

Monopil temelden yola çıkılarak yapılan bu tasarımda temel, 3 ayaküstüne oturtulmuştur. Şekil 13.8’de görüldüğü gibi 3 ayaklı olmasından dolayı dalga ve akıntıdan kaynaklanan momentlere karşı çok dayanıklıdır.

Bu zamana kadar yapılan projelerde daha çok monopil ve yerçekimi merkezli temeller kullanılsa da derinliğin çok olduğu ya da karmaşıklıkların bulunduğu bazı yeni projelerde tripod, jacket gibi çeşitli temeller kullanılmaya başlanmıştır.

13.5.3 Elektrik Sistemi ve Donatım

ADRES’lerden üretilen elektrik enerjisinin merkeze iletimi çeşitli aşamalardan oluşur. Rüzgârdan elde edilen enerji öncelikle elektrik enerjisine dönüştürülür. Dönüştürülen elektrik enerjisi toplanarak iletim kablolarıyla karaya ulaştırılır. Karaya ulaşan elektrik enerjisi ise bu- radan ana trafoya ulaştırılır. Rüzgâr çiftliklerinin karaya olan mesafeleri burada önemli bir öneme sahiptir. Mesafe arttıkça sistem ve donatım masrafları da aynı oranda artış göstermektedir.

13.5.4 Hücreler ve Transformatörler

ADRES’ler için kullanılan dönüştürücüler karada kullanılanlardan farklılık gösterir. Karadakilerde olduğu gibi yerin üstüne konmaz. Kulenin üstüne ya da türbinin hemen altına konulur. Açık deniz rüzgâr türbinlerinde, güç genellikle 660 – 690V gibi düşük voltaj seviyelerinde üretilir. Elektrik güç kayıplarını azaltmak için, açık deniz rüzgâr türbininde naselin içine düşük frekanslı transformatör yerleştirilir. Bu transformatörler gerilimi 11 ~ 33 kV orta gerilim seviyelerine yükseltilir.

13.5.5 Toplama Sistemi

Toplama sisteminde sualtı iletken kablolar aracılığıyla transformatörlerden elektrik enerjisi toplanır. Her bir türbin birbirine bağlanarak deniz üstündeki trafoya gitmeden önce birleşir. Bu tasarımdaki amaç kablo maliyetini düşürmektir.

13.5.6 Deniz Üstü Trafo Merkezi

Toplama sisteminden gelen her bir kablo burada bir araya gelir; buradan petrol ve gaz platformuna benzer bir trafo merkezine gönderilir. Kurulacak olan DRES’nin kıyıya olan mesafesine göre trafo merkezi karaya veya denizüstüne yapılır. Deniz üstü trafoların boyutları projeye ve projenin enerji kapasitesine göre değişiklikler gösterir. Toplama sisteminden gelen orta gerilim değeri yüksek gerilim seviyelerine yükseltilir.

13.5.7 Karaya İletim

İletim kabloları karaya uygun voltajda ve güç oranında gelir. Kabloların boyutları projelerin kapasitelerine ve iletilecek gücün miktarına göre değişir. Karaya ulaşan elektrik gücü, uygun trafo merkezine gönderilir.

Denizüstü rüzgâr çiftliğinin karaya doğru olan güç iletiminin başlangıcı, her bir rüzgâr türbininin ürettiği gücün, türbin tabanında ya da yakınında yer alan bir orta gerilim yükseltici trafo yardımıyla optimum bir orta gerilim seviyesine sahip alternatif akım şebekesinde toplamaktır. Denizüstü rüzgâr çiftliklerinin karaya olan iletim bağlantıları için üç alternatif vardır.

HVAC (High Voltage Alternate Current = Yüksek Gerilim Alternatif Akım), LCC (Line Commuted Converter = Hat Anahtarmalı Konverter) tabanlı, HVDC (High Voltage Direct Current = Yüksek Gerilim Doğru Akım) veya VSC (Voltage Source Converter = Gerilim Kaynağı Konverteri) tabanlı, HVDC (High Voltage Direct Current = Yüksek Gerilim Doğru Akım) teknolojileridir. Birbirine göre dezavantaj ve avantajları olan bu iletim çeşitlerinin karşılaştırılması Şekil 13.11’de verilmiştir.

13.5.8 Açık Deniz Rüzgâr Santrali Kablolamaları

Deniz altı iletimi için 3 tip kablo yalıtımı yaygın olarak kullanılmıştır. İzolasyon yapısı ve kalınlığı voltaja bağlı değişkenlik gösterse bile hem yüksek hem de orta gerilim de kullanılabilir. Düşük basınçlı yağ dolu (Low Preasure Oil Filled, LPOF), sıvı dolu (LPFF), sıvı emdirilmiş kâğıtla yalıtımlı kablolar, geçmişte ABD’de denizaltı alternatif akım iletimi için kullanılmıştır. Günümüzde zırhlandırılmış XLP kablolar bu kabloların yerini almaktadır. XLP kabloların dirençleri daha düşük, maliyetleri daha az, alternatif akım uygulamalarında kayıp daha az ve daha uzun üretilebildiği için tercih edilmektedir.

Kablolar bu işlem için özel tasarlanmıs gemiler tarafından deniz yüzeyine bırakılır. Bazı engebeli arazilerde yüzeye yerleştirmede dalgıçlarda görev alır. Kablolar ağır ve yüksek basınçlı su altı şartlarına dayanıklı olacak şekilde tasarlanmıştır.

13.6 Montaj, Servis, Bakım

Açık deniz ortam personelinin kara ve türbinler arası gidip gelmesini gerektirir. Bu da ekipman, zaman ve artan riskle birlikte sigorta maliyetlerini arttırır. Açık denizde çalışmak bakım ve kurulum zamanını etkileyen fırtınaları da beraberinde getirir, Bu da sonuç olarak yatırım ve işletim maliyetlerini arttırır. Orta boyutta dalgalar (2 metre üzeri) kurulumu geciktirebilir ve bakım ekiplerinin türbinlere ulaşımını aksatabilir. Bütün bunlar türbinin emre amadeliğini negatif olarak etkilemektedir. Emre amadelikle başa çıkmanın bir yolu ise türbin bileşenlerinin güvenilirliğinin yüksek olarak imal edilmesidir. Bu sayede bakım ve tamirat için türbinlere ulaşım ihtiyacı azalacaktır. Elbette güvenilirliği yüksek ürün üretmek için belirli bir Ar-Ge çalışması, Ar-Ge çalışması için de zaman ve yatırım gereklidir. Açık deniz rüzgâr projelerinin yatırım harcamalarından biri de kurulum ve bakım için kullanılan şileplerin fiyatlarına bağlıdır ve günlük kiralar değişkendir. Açık deniz rüzgâr tarlalarının hızla artması ilerleyen yıllarda şilep sıkıntısına yol açabilir. Bakım masraflarını açık denizde uygulamak onshore’a göre başlıca yüksek vinç şilep fiyatları ve kötü havalardaki bekleme süreleri nedeniyle 5-10 kat daha pahalıdır.