A'dan Z'ye Rüzgar Santrali
Rüzgar enerjisi nedir?
Rüzgar enerjisi nedir? Rüzgar enerjisi nasıl üretilir? Rüzgâr türbini nedir? Deniz üstü (Offshore) RES nedir? Rüzgar enerjisinin tarihi nasıl oluşmuştur? Teorik rüzgâr enerjisi ve uygulamada rüzgâr enerjisi nasıl olur? Rüzgâr hızının dağılımı, rüzgâr tarlaları, rüzgâr türbin teknolojisi, rüzgar enerjisinden elektrik üretimi, rüzgar enerjisinde şebeke yönetimi, rüzgar enerjisinde kapasite faktörü, rüzgar enerjisinin doğaya etkisi, rüzgar sektöründe öngörülebilirlik, rüzgar türbin yerleşimi, rüzgâr gücü kullanımı nasıl olur? Sorularına yanıt bulabileceğiniz;
Türkiye’de rüzgar enerjisi, Türkiye rüzgar enerjisi oranı, rüzgar enerjisinin dünyadaki ve Türkiye’deki son durumu, sektörün geçmiş yıllardaki karnesi gibi bilgilere erişebileceğiniz eşsiz bir kaynağı içeriyor.
Rüzgar enerjisi nedir?
Rüzgâr gücü; elektrik üretmek için rüzgâr türbinlerinin gücünden, mekaniksel güç için yel değirmeninden, su veya kuyu pompalama için rüzgâr pompalarından, gemileri yürütmek için yelkenlerden elde edilen kullanışlı rüzgar forumundan oluşur ve sonucunda elde edilen güce rüzgar enerjisi denir.
Rüzgar enerjisi nasıl üretilir?
Rüzgar enerjisi, rüzgarın sahip olduğu kinetik enerjinin önce mekanik enerjiye, sonra da elektriğe dönüşmesiyle üretilir. Bunun için öncelikle enerjinin kontrolü gerekir. Kontrol edilen enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Mekanik enerji jeneratörü çalıştırır ve üretim tamamlanır. Rüzgar, türbininin kanatlarını döndürür. Kanatlar, bağlı oldukları dişli kutusundaki çarkları döndürür. Dönen çarklar jeneratörü çalıştırır. Jeneratör ürettiği elektriği transformatöre iletir. Transformatör, aldığı elektriği şebekeye iletir.
Rüzgâr türbini nedir?
Rüzgâr türbinleri, rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bir rüzgâr türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Pervane milinin devir hareketi hızlandırılarak gövdedeki jeneratöre aktarılır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.
Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çeşitlilik gösterse de genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre, Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri (YERT), Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri (DERT) ve Eğik Eksenli Rüzgâr Türbinleri (EERT) olmak üzere üç sınıfa ayrılırlar.
Deniz üstü (Offshore) RES nedir?
Rüzgâr enerjisi santralleri, kara üstü (Onshore) ve deniz üstü (Offshore) olmak üzere 2 farklı türe sahiptir. Offshore yani deniz üstü RES’ler, rüzgâr enerjisinin büyük türbinler ile elektrik enerjisine dönüştürülmesi işleminin, denizin üzerine kurulan santraller ile sağlandığı yöntemdir. Bu iki yönteminde temel çalışma prensipleri aynı olsa da çevresel faktörlerden dolayı offshore rüzgâr türbinleri, denizdeki çevresel faktörler göz önüne alınarak üretilir. Deniz üstü sistemlere, denizin içine kuruldukları için yüksek nem ve tuzlu çevre koşulları göz önüne alınarak etkin bir dış koruma uygulaması zorunludur.
İlk olarak kıyıdan uzaklığı 10 kilometreyi ve derinliği 10 metreyi geçmeyen alanlarda kurulan deniz üstü RES’ler, günümüzde çok daha efektif hale geldiler. İlk deniz üstü rüzgar enerji santrali 5 MW kurulu güce sahip Danimarka’da Looland Adası yakınlarında kurulan Vindeby rüzgar enerji santralidir. 2007 yılında kurulu deniz üstü RES’lerin toplam kapasitesi 1079 MW’a iken bu oran 34 gigavata kadar yükselmiştir. IRENA’nın raporuna göre offshore kapasite, 2010-2020 döneminde 11 yılda 11 kat artış göstermiştir. Deniz tabanına sabitlenerek inşa edildiği için bugüne kadar sığ denizlerde kurulabilen deniz üstü RES’ler, artık yüzen temel teknolojileri sayesinde Ege, Akdeniz, Karadeniz gibi derin denizlerde de kurulabiliyor.
Rüzgar enerjisinin tarihi
İnsanlar yelkenlileri hareket ettirmek ve gemileri yürütmek için en az 5 bin 500 yıldan beri rüzgârın gücünden faydalanıyor. Yel değirmenleri, sulama işlemi ve tahıl ezmek için 7. Yüzyıldan bu yana Afganistan, İran ve Pakistan’da kullanılıyor.
1887 yılının Temmuz ayında İskoç Akademisyen Profesör James Blyth rüzgâr gücü ile elektrik üreten ilk değirmeni inşa etti ve 1891’de İngiltere’de patent aldı. 1887-88’de Amerika Birleşik Devletleri’nde, Charles Francis Brush, James Blyth’in değirmeninden daha büyük ve üzerinde daha fazla mühendislik işlemi bulunan bir değirmen kullanarak elektrik üretti. Francis Brush bu değirmen ile 1900 yılına kadar evinnin ve laboratuvarının elektriğini kendi sağladı. 1890’larda Danimarkalı bilim adamı ve mucit Poul la Cour’un rüzgâr türbinleri üzerine rüzgâr tünelinde yapmış olduğu deney ve araştırmalar sayesinde, bugünün gelişmiş türbinlerine giden ciddi bir bilgi birikimi oluşmaya başladı. 1970’lere gelindiğinde fosil yakıt dışında enerji kaynakları arayışının artması ve çevre aktivistlerinin baskıyla Danimarka’da ilk modern rüzgâr türbinleri üretilmeye başladı. Bu ilk rüzgâr türbinleri, 20-30 kW gücündeydi.
Türkiye’de rüzgâr enerjisinin gelişimi
1998 yılında İzmir’de 1,5 megavat (MW) kurulu güce sahip Germiyan RES ile başlayan Türkiye’nin rüzgârdan elektrik üretimi macerası, son dönemde yenilenebilir enerji santrallerine verilen teşviklerin etkisiyle hızlanarak sürmektedir. 1998 yıl sonunda 8,7 MW’a yükselen ve toplam kurulu güç içerisinde binde 4 seviyesinde pay alan RES kurulu gücü, 2020 yılı sonu itibarıyla %9’un üzerinde pay ile 8.832 MW’a yükselmiştir.1 RES kurulu gücünde dikkat çeken diğer bir nokta ise Covid-19 salgını nedeniyle yurtdışı menşeli ekipman tedarikinde zorluk yaşanmasına rağmen 2020 yılının, 2016 yılı ile birlikte en yüksek yıllık kurulu güç artışı (1,2 gigavat) izlenen yıl olmasıdır. 2020 yılında RES kurulu gücündeki artış, Türkiye toplam kurulu gücündeki net 4,6 gigavat (GW) artışta %27’lik bir pay almıştır.
Dünyada rüzgar enerjisi
Dünyadaki rüzgar enerji santrallerinin durumu, dünyada rüzgar enerjisi kullanımı ve rüzgar enerjisinde dünya sıralaması gibi sorulara yanıt verebilecek veri, aşağıdaki gibidir.
- Çin: 281.993 MW (Aralık, 2020)
- ABD: 117.744 MW (Aralık, 2020)
- Almanya: 62.184 MW (Aralık, 2020)
- Hindistan: 38.559 MW (Aralık, 2020)
- İspanya: 27.089 MW (Aralık, 2020)
- Birleşik Krallık: 24.665 MW (Aralık, 2020)
- Fransa: 17.382 MW (Aralık, 2020)
- Brezilya: 17.198 MW (Aralık, 2020)
- Kanada: 13.577 MW (Aralık, 2020)
- İtalya: 10.839 MW (Aralık, 2020)
- Türkiye: 10.585 MW (Aralık, 2021)
- İsveç: 9.688 MW (Aralık, 2020)
Dünyadaki toplam kurulu kapasite: 710.517 MW (Aralık, 2020)
Ülkelerin kişi başına düşen rüzgar santrali kurulu gücü
Ülke Kurulu Güç (MW) Kişi Başına Kurulu Güç (Watt)
- Danimarka 235 1.082
- İsveç 688 962
- Almanya 184 751
- İrlanda 830 595
- İspanya 089 582
- Portekiz 239 508
- Hollanda 600 385
- Avusturalya 457 384
- Birleşik Krallık 665 376
- Kanada 577 371
- ABD 744 362
- 31. Türkiye 559 114
Rüzgar enerjisindeki son gelişmeler
Küresel rüzgâr enerjisi, son 10 yılda ortalama dört katına kadar çıktı. Küresel Rüzgar Raporu 2021’de (Global Wind Report 2021, GWEC) açıklanan verilere göre rüzgar enerjisi 2020’de, yıllık %53 büyüme ile tarihteki en iyi sıçramayı yakaladı. Sektör bölgesel düzeyde de rekorlara imza attı. 2020 yılı Asya Pasifik, Kuzey Amerika ve Latin Amerika’daki kara kurulumları için rekor bir yıl oldu. Bu üç bölge yeni kara rüzgar kapasitesinde bir önceki yıla göre %76 daha fazla artış sağladı. Avrupa, yeni kara rüzgar kurulumlarında yıllık bazda yalnızca %0,6’lık bir büyüme gösterdi. Afrika ve Orta Doğu’da 8,2 GW kapasitesinde kara rüzgar santrali kurulumu gerçekleşti.
Açık deniz (Offshore) rüzgar enerjisinde, 2020 yılında 6.1 GW’lik kapasite devreye alındı. Bu alanda Çin, rekor kırarak açık deniz rüzgar kapasitesinin yarısını tek başına kurdu. Avrupa’daki Offshore kapasitede Hollanda ilk sırada yer alırken, Belçika, İngiltere, Almanya ve Portekiz sıralamayı oluşturdu. Dünya genelinde toplam açık deniz rüzgâr kapasitesi 35 GW’ı geçerek, toplam küresel kümülatif rüzgar kapasitesinin %4.8’ini oluşturdu.
5 yıl içerisinde 469 GW’ın üzerinde yeni kara ve deniz rüzgar kapasitesinin kurulması bekleniyor. Bu hedef, 2025 yılına kadar her yıl ortalama 94 GW yeni kurulum anlamına geliyor. Çin’in 2060’a kadar net sıfır hedefi ve ABD’nin yeni yönetimi ile 2050’ye kadar net sıfıra ulaşma niyeti, küresel ölçekteki bu tahminleri destekliyor.
Türkiye’nin rüzgar enerjisindeki durumu:
Kurulu güç 10.585,15 MWm’ye, üretimdeki toplam oran 9.2’ye ulaştı
Türkiye’de rüzgar enerjisinin gücü her geçen gün artıyor. Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği’nin (TÜREB) verilerine göre, toplam kurulu güç 10.585,15 MW’ye ulaştı. Son 10 yılda çok ciddi bir atılım gerçekleştiren rüzgar enerjisi sektörü, 2021 yılının Aralık ayına kadar olan süreçte; 272 santralden, 3 bin 868 türbin ile elektrik üretiminin yüzde 9.2’sini karşıladı.
Faaliyet gösteren şirket sayısının 3 bin 580’e, doğrudan ve dolaylı istihdamın ise 25 bin kişiye ulaştığı rüzgar enerjisi sektörü, 2013 yılında Türkiye’deki elektrik üretiminin yüzde 1.5’ini karşılarken, 2021 yılının Aralık ayında bu rakam yüzde 9.2’ye kadar ulaştı. Geçtiğimiz 29 Kasım tarihinde Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi’nin (TEİAŞ) açıkladığı verilere göre, rüzgar enerjisi ilk kez Türkiye’nin elektrik üretiminde birinci sırada yer aldı. 28 Kasım üretimi için açıklanan veride, ilk sırada yüzde 22.6 payla rüzgar enerjisi santralleri yer alırken, bunu yüzde 22 ile doğal gaz santralleri, yüzde 17.7 ile ithal kömür santralleri izledi.
Rüzgar enerjisindeki kurulu gücü 10 GW eşiğini aşan ülkemizde, TÜREB’in güncel 2021 verilerine göre, kurulu kapasitesi en yüksek firma Borusan EnBW Enerji oldu.
Türkiye’de rüzgar enerjisi kapasitesi en yüksek şirketler
Kapasite (MW) Toplam kapasitedeki pay (%)
- Borusan EnBW Enerji 649.85 6.14
- Polat Enerji 598.70 5.66
- Güriş 588.85 5.56
- Demirer Enerji 570.68 5.39
- Fina Enerji 563.60 5.32
- Eksim Yatırım Holding 426.40 4.03
- RT Enerji 372.24 3.52
- Bilgin Enerji 371.50 3.51
- Akfen Enerji 348.90 3.3
- Fernas Enerji 264.30 2.5
Türkiye’nin rüzgar üsleri
TÜREB verilerine göre rüzgar enerjisinde il bazında en yüksek kapasite 1.873,83 MW İzmir’de bulunurken, bunu 1.363,65 MW ile Balıkesir, 917,35 MW ile Çanakkale, 727,55 MW ile Manisa ve 503,79 MW ile İstanbul izliyor.
Kurulu güç (MWm) Toplam güçteki pay (%)
İzmir 1.873,83 17.7
Balıkesir 1.363,65 12.88
Çanakkale 917,35 8.67
Manisa 727,55 6.87
İstanbul 503,79 4.76
Türkiye’nin kurulu rüzgar enerjisi kapasitesinin türbin markalarına göre dağılımı:
Nordex %28.55
Enercon %19.31
Vestas %18.69
GE %18.49
Siemens Gamesa %12.74
RÜZGAR ENERJİSİNİN MATEMATİĞİ
Rüzgâr enerjisi hareket halindeki havanın kinetik enerjisidir. Hayali bir A alanına T zamanında ilerleyen toplam rüzgâr enerjisi:
(E = A . v . t . ρ . ½ v2) formülü ile açıklanır. (V rüzgâr hızı, P havanın yoğunluğu)
Bu formül iki ana kısımdan oluşur: A alanına doğru ilerleyen havanın hacmi (A . V . T) ve ilerleyen havanın birim hacim başına kinetik enerjisi (ρ . ½ v2).
Toplam rüzgâr gücü ise:
(P = E / t = A . ρ . ½ v3) formülü ile açıklanır.
Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının üçüncü kuvveti ile orantılıdır. Bir başka deyişle, rüzgâr hızındaki bir birimlik artış ile rüzgâr gücü kübik olarak artar.
Teorik rüzgâr enerjisi nedir, nasıl elde edilir?
Hayali bir A alanına T zamanında ilerleyen toplam rüzgâr enerjisi ancak bir rüzgâr türbininin ilerleyen rüzgârın hızını sıfıra düşürmesi ile tamamen ele geçirilebilir. Gerçekte ise bu mümkün değildir. Çünkü türbine ulaşan havanın türbinden belli bir hız ile ayrılması gerekir. Rüzgâr hızı girdisi ve çıktısı arasında bir ilişki kurulur. Bunlardan biri akım borusu kavramıdır. Bu yönteme göre herhangi bir rüzgâr türbininden maksimum elde edilebilir rüzgâr enerjisi, toplam teorik rüzgâr enerjisinin %59’una eşittir. Bkz: Betz Yasası
Uygulamada rüzgâr nedir, nasıl elde edilir?
Rüzgârdan ticari olarak elde edilebilecek enerjisi, insanlığın diğer bütün kaynaklardan şu anda elde ettiğinden büyük ölçüde daha fazladır. Güneşten gelen enerjinin dünya tarafından emilen %1 atmosferde kinetik enerjiye dönüşür. Eğer bu enerjinin yer yüzüne eşit olarak dağıldığını varsayarsak karalarda rüzgârdan elde edilebilecek enerji 3.4×1014 Watt olarak hesaplanır ki bu dünyada şu anda kullanılan ticari enerjinin 22 katına denk gelmektedir.[1]
Global olarak kara ve okyanus kıyılarında 100 metre yüksekliğinde yaklaşık olarak 1700 terrawatt (TW) rüzgâr enerjisi mevcuttur. Günümüz şartlarında ticari olarak değerlendirildiğinde bunun 72 ila 170 TW’ı pratiklik ve maliyet göz önüne alındığında kullanılabilir.
Rüzgâr hızının dağılımı
Farklı rüzgâr kuvvetleri ve belli bir yerdeki ortalama değer bir rüzgâr türbininin yalnızca orada üretilebilir enerjisinin miktarını göstermez. Belli bir alandaki rüzgâr hızının frekansını belirlemek için olası bir dağılım fonksiyonu gözlenen veriye göre uyarlanır. Farklı alanlarda farklı rüzgâr hız dağılımı vardır. Weibull modeli birçok yerdeki saatlik rüzgâr hızlarının gerçek dağılımını yaklaşık olarak yansıdır. Weibull faktörü yaklaşık olarak 2’dir ve bu yüzden Rayleigh dağılımı daha az bir doğruluk olarak kullanılabilir fakat daha basit modeldir.
Şebeke yönetimi
Rüzgâr gücü için sıklıkla kullanılan indüksiyon jeneratörler, ikazlama için reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden, güç faktörü düzeltme için sağlam kondansatör bankalarını içeren rüzgâr güç düzeltme sistemlerinde şalt sahasına ihtiyaç vardır. Rüzgâr türbin jeneratörlerinin farklı türleri, şebekeye iletim esnasında farklı davranır. Bu yüzden, yeni bir rüzgâr tarlasının dinamik elektromekanik karakteristiğinin kapsamlı modellemesi, iletim sistemi operatörlerinin, oluşabilecek sistem hatalarını tamir edebilmesi ve dengeli davranış göstermesi sağlaması için, gereklidir. Özellikle indiksiyon jeneratörler, buhar ve hidrolik türbin senkron jeneratörlerin aksine, hata esnasında sistem gerilimini desteklemezler. Çift beslemeli elektrik makineleri rüzgâr türbinleri ve türbin jeneratörü ile toplayıcı sistem arasındaki katı hal dönüştürücüleri- şebeke bağlantısı için daha çok tercih edilen özelliklere sahiptir. İletim sistemi operatörleri, sisteme bağlantıyı sağlayan gereçleri belirlemek için şebeke koduna sahip bir rüzgâr tarla geliştiricisi ile bağlantı kurmalıdır. Bu gereçler, güç faktörü, sabit frekans ve sistem hataları esnasındaki rüzgâr türbinlerinin dinamik davranışlarını içerir.
Kapasite faktörü
Her bir rüzgâr türbini için belirlenmiş bir rüzgâr hızında, sistemden elde edilen güç en büyük değere ulaşır. Bu en büyük güce “nominal güç” ve bu rüzgâr hızına “nominal hız” adı verilmektedir. Rüzgâr hızının, nominal hız değerini aşması halinde sistemden elde edilecek güç nominal güç kadar olacaktır. Rüzgâr hızı değişken olduğu için rüzgâr türbini hiçbir zaman nominal gücü ile bir yıldaki toplam saatin çarpımı kadar üretim yapamaz. Santralin ortalama gücünün nominal gücüne oranı kapasite faktörü (KF) olarak adlandırılır. KF bir santralin ne kadar verimli kullanıldığını gösteren bir parametredir. Tipik olarak kapasite faktörü %20 ile 40 arasındadır. Örneğin; kapasite faktörü %35 olan 1 MW’lık bir türbin, yılda 8760 MWh (megawatt.saat) (1*24*365) üretmez. Sadece 1*0,35*24*365= 3066 MWh üretir. Yakıt santrallerinin aksine kapasite faktörü rüzgârın doğal özelliğiyle sınırlıdır.
Etki
Rüzgâr enerji “etki”si, rüzgâr tarafından üretilen enerjinin, jeneratörün kullanılabilir toplam kapasitesi ile karşılaştırılmasıdır. Genellikle rüzgâr etkisinin “maksimum” seviyede olduğu kabul edilir. Belirli şebekedeki sınır var olan üretim santrallerine, mekanizmaların fiyatına, arz-talep yönetimine, verime ve diğer faktörlere bağlıdır. Bağlı bir elektrik şebekesi, donanım başarısızlıkları için zaten ters besleme ve iletim verimini içerir. Bu ters verim, rüzgâr santrallerinde üretilen gücü düzene koymaya da yardımcı olabilir. Çalışmalar tüketilen toplam elektrik enerjisinin %20’sinin en az zorlukla birleştirilebileceğini gösterdi. Bu çalışmalar coğrafik olarak çeşitli yerlerdeki rüzgâr tarlalarında, kullanılabilir enerjinin bir kısmında, arz-talep yönetiminde, büyük şebeke alanlarında yapıldı. Bunlardan başka birkaç tekniksel sınırlama da vardır. Fakat ekonomik dengesizlikler daha da önem arz ediyor.
Öngörülebilirlik
Rüzgâr gücünden üretilen elektrik, birkaç farklı zaman aralığında, saatlik, günlük ve mevsimlik olarak yüksek oranda değişebilir. Rüzgâr santrali yatırımı yapılmadan önce bölgede ölçün direkleri vasıtasıyla en az 1 senelik ölçümler yapılır ve bölgenin ortalama rüzgâr hızı elde edilir, yatırım bu ortalama hıza göre yapılır. Analiz programları ile mikro analizler yapılarak bölgedeki rüzgâr açısından en verimli noktalar seçilir, bu sayede kesintiler en aza indirilir. RES’ler de diğer elektrik santralleri gibi belli bir talep ve tarife ile şebekeye elektrik satarlar. Diğer santrallerin aksine RES’lerde enerji üretimi rüzgârın anlık durumuna bağlı olduğundan rüzgâr tahminleri ciddi önem arz etmektedir. Türkiye’de Lisanlı ve Lisanssız sektör olarak ikiye ayrılmıştır. Lisanslı sektör 1 MW (megawatt) üzeri santralleri kapsar ve burada tarifelendirme yapılmaktadır ancak 1 MW altında elektrik üreten santraller doğrudan şebekeye verilebilir. Bu sebeple lisanslı RES’lerde öngörülebilirlik anlık olarak önem kazanmaktadır.
Türbin yerleşimi
Rüzgâr türbin yerlerinin iyi tespit edilmesi rüzgâr gücünün ekonomik kullanılması açısından kritik önem taşır. Rüzgârın kendi kullanılabilirliği bir tarafa, iletim hatlarının kullanılabilirliği, üretilen enerjinin değeri, bulunduğu yerin bedeli, yapıma ve işleme çevrenin vereceği tepkiler gibi diğer faktörlerde göz önüne alınmalıdır. Denizdeki yerleşimler, yapıları daha büyük inşa ederek, daha fazla yıllık yük faktörlerinin getirisiyle maliyeti dengeleyebilir. Rüzgâr tarla tasarımcıları, belirli bir rüzgâr tarlası tasarımında, bu tür sorunların tesirlerini tespit etmek için özel rüzgâr enerji yazılımı kullanır.
Rüzgâr güç yoğunluğu (WPD), belirli bir yerdeki rüzgârın etkin gücünün hesabıdır. Rüzgâr güç yoğunluğunun dağılımını gösteren bir harita, rüzgâr türbinleri uygun olarak yerleştirmek için başvurulacak ilk adımdır. Bir yerde ne kadar büyük WPD varsa, sınıflandırma o derece büyük olur. Rüzgâr gücünün 3’ten (50 m’lik rakımda 300–400W/m²) 7’ye (50 m’lik rakımda 800–2000 W/m²) kadar olan sınıflandırmalarda genellikle rüzgâr güç artırımı için uygunluk göz önünde bulundurulur…