Rüzgâr gücü

Rüzgâr gücü, elektrik üretmek için rüzgâr türbinleri, mekaniksel güç için yel değirmeni, su veya kuyu pompalama için rüzgâr pompaları veya gemileri yürütmek için yelkenler kullanarak rüzgârın kullanışlı formundaki rüzgâr enerjisinin sonucudur.

2022 itibarıyla dünya çapındaki rüzgâr enerji santrallerinin (RES) elektrik üretimi 2000 TWs'a (terawattsaat) ulaşmıştır. Bu da dünyada kullanılan elektriğin %7’si anlamına gelmektedir.

İnsanlar yelkenlileri hareket ettirmek ve gemileri yürütmek için en az 5500 yıldan beri rüzgârın gücünden faydalanıyor. Yeldeğirmenleri, sulama işlemi ve tahıl ezmek için 7. yüzyıldan beri Afganistan, İran ve Pakistan’da kullanılıyor.

1887 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 yapılmış değirmen kullanarak elektrik üretti. 1900 yılına kadar evinde ve laboratuvarının elektriğini sağladı. 1890’larda Danimarkalı bilim insanı ve mucit Poul la Cour'un rüzgâr türbinleri üzerine rüzgâr tünelinde yapmış olduğu deney ve araştırmalar sayesinde günümüz türbinlerine giden yolda ciddi bir bilgi birikimi oluştu. 2015 itibarıyla, Danimarka elektriğinin %40'ını rüzgârdan elde etti ve dünya etrafındaki en az 83 diğer ülke elektrik şebekesini rüzgâr enerjisi ile destekledi.

1970'lere gelindiğinde fosil yakıt dışında enerji kaynakları arayışının artması ve çevre aktivistlerinin baskıyla Danimarka'da ilk modern rüzgâr türbinleri üretilmeye başlandı. Bu ilk rüzgâr türbinleri 20-30 kW gücündeydiler. 2015 itibarıyla 7 MW'lık rüzgâr türbinleri prototip olarak geliştirilmektedir, ilk uygulamalar Avrupa'nın çeşitli yerlerinde yapılmaya başlanmıştır. Bugün rüzgâr türbinleri, ev bahçelerinden, parklara, akü depolamalı mini sistemlerden; fabrikalara elektrik sağlayıp ürettiği fazla elektriği şebekeye veren orta ölçekli sistemlere, şehirlere elektrik sağlayan santrallere kadar her ölçekte uygulanmaktadır.

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).

Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının üçüncü kuvveti ile orantılıdır. Bir başka deyişle, rüzgâr hızındaki bir birimlik artış ile rüzgâr gücü kübik olarak artar.

Rüzgârdan ticari olarak elde edilebilecek enerji 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 yeryüzüne eşit olarak dağıldığını varsayarsak karalarda rüzgârdan elde edilebilecek enerji 3.4x1014 W (Watt) olarak hesaplanır ki bu dünyada şu anda kullanılan ticari enerjinin 22 katına denk gelmektedir.

Global olarak kara ve okyanus kıyılarında 100 m yüksekliğinde yaklaşık olarak 1700 TW (terrawatt) rüzgâr enerjisi mevcuttur. Günümüz şartlarında ticari olarak değerlendirildiğinde bunun 72 ila 170 TW'ı pratiklik ve maliyet göz önüne alındığında kullanılabilir.

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.

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.

Bir rüzgâr tarlasındaki türbinler orta gerilimle güç toplama sistemi ve iletişim ağına bağlıdır (daha çok 34.5 kV). Alt istasyondaki, bu orta gerilim elektriksel akımı yüksek gerilim elektrik iletim hattı sistemine bağlanması için bir transformatör yardımı ile arttırılır.

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.

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.

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.

Şu anda, birkaç şebeke sistemindeki rüzgâr enerjisinin etkisi %5'in üzerindedir: Danimarka (%19'un üzerinde), İspanya ve Portekiz (%11'in üzerinde), Almanya ve İrlanda Cumhuriyeti %6'nın üzerinde). 8 Kasım 2009'un sabah saatlerinde, İspanya'daki elektrik arzında, ülkenin elektriğinin yarıdan fazlası rüzgâr enerjisinden sağlandı. Bu durum şebekede hiçbir sorun teşkil etmedi.

Danimarka şebekesi, Avrupa şebekesiyle büyük oranda bağlantılıdır. Rüzgâr gücünün yarıdan fazlasını Norveç'e göndererek şebeke yönetimi problemlerini çözmüş oldular. Elektrik gönderimi ve rüzgâr gücü arasındaki ilişki çok sıkıdır.

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.

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 güçünün 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 arttırımı için uygunluk göz önünde bulundurulur...

Rüzgâr gücü, dünyada kullanımı en çok artan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri haline gelmiştir. Günümüzde dünyadaki kullanım oranının çok düşük olmasına karşılık, 2020 yılında dünya elektrik talebinin %12'sinin rüzgâr enerjisinden karşılanması için çalışmalar yapılmaktadır.

Dünya Enerji Konseyi tarafından yayınlanmış çalışmaya göre; 5.1 m/s üzeri rüzgâr hızlarına sahip bölgelerin uygulamaya dönük ve toplumsal kısıtlar nedeni ile %4'nün kullanılacağı kabul edilerek, dünya rüzgâr enerjisi teknik potansiyeli 53,000 TWh/yıl olarak hesaplanmıştır. Dünya'da 2012 yılı sonu yıllık rüzgâr enerjisi üretimi 557 TWh/yıl olup enerji üretimi içerisindeki payı %2.6'dır.

2015 itibarıyla %36,25'lik bölümü Avrupa'da olan 369,553 MW'lık toplam kurulu güç kapasitesi vardır. Bu güç, binlerce rüzgâr türbininden üretiliyor. Dünyada rüzgâr üretim kapasitesi 2000 ile 2006 yılları arasında dört kattan daha fazla arttı. Kurulu rüzgâr gücünün %57.34'ü Kuzey Amerika ve Avrupa'dadır. En büyük üretici olan beş ülkenin 2004'te %71'lik, 2006'da %62'lik ve 2008'de %73'lük payları vardır. Bu ülkeler; Birleşik Devletler, Almanya, İspanya, Çin ve Hindistan'dır.

Birleşik Devletler şebekesine, güç kapasitesini 2007'de %45 arttırarak 16.8 GW'lık enerjiyi şebekesine ekleyerek, Almanya'nın 2008'deki kurulu gücünü geride bıraktı. Böylece diğer ülkelerden daha fazla rüzgâr enerjisini şebekesine eklemiş oldu. Kaliforniya, modern rüzgâr güç endüstrisinde patlama gösterenlerden birisidir. Kurulu güçte birçok yıl Birleşik Devletlere önderlik yaptı. Ta ki 2006'nın sonunda Teksas liderliği eline alıncaya kadar. 2008 sonunda 7,116 MW'lık kurulu gücü vardır. Bu da eğer ülkeden ayrı olarak düşünürsek dünyada altıncı sıraydı. Birleşik Devletler rüzgâr güç üretiminde Şubat 2006'dan Şubat 2007'ye kadar %31,8 büyüdü. Ortalama bir MW'lık rüzgâr gücü, yaklaşık 250 Amerikan hanesinin elektrik tüketimine eşittir. Amerika Rüzgâr Enerji Birliği kayıtlarına göre 2008'de rüzgârdan elde edilen elektrik %1'lik haneyi (4.5 milyon haneye eşdeğerdir) kaplıyorken, 1999'da sadece %0.1'lik haneyi kaplıyordu.

Çin 2020'deki yenilenebilir enerji kaynaklarındaki üretim hedefini 30.000 MW olarak açıkladı. Fakat 2009 sonu itibarıyla 22,500 MW'a ulaştı. 2020'de öngörülen değer 253,000 MW'ı aşacak gibi. Çin yenilenebilir enerji kanunu Kasım 2004'te kabul edildi. Ardından Dünya Rüzgâr Enerji Konferansı Çin tarafından düzenlendi ve Dünya Rüzgâr Enerji Birliğine katıldı. 2008'de rüzgâr gücü hükûmetin planladığından ve diğer büyük ülkelerden daha hızlı büyüdü. 2005'ten itibaren her yıl iki kattan daha fazla artış gösterdi. 2010 itibarıyla öngörülen kurulu kapasite 114,763 MW'a yakındır.

Hindistan, 2009 yılında 10,925 MW'lık toplam rüzgâr güç kapasitesiyle dünyanın beşinci büyük ülkesiydi. Bu da, Hindistan'da üretilen toplam elektriğin %3'üne denk geliyor. Kasım 2006'da Yeni Delhi'deki Dünya Rüzgâr gücü Konferansı, Hindistan rüzgâr güç endüstrisine ek ivme kazandırdı. Tamil Nadu şehrinin Muppandal köyü yakınlarında birkaç rüzgâr türbin tarlası vardır ve burası Hindistan'daki büyük rüzgâr enerji merkezlerinden biridir.

Meksika, tüketilen fosil yakıtlarının azaltmaya yönelik olarak son zamanlarda La Venta II rüzgâr güç projesini başlattı. 88 MW'lık proje Meksika'nın ilk rüzgâr üretim girişimidir ve Oaxaca şehrinin elektrik ihtiyacının %13'ünü karşılayacak. 2012'de proje 3,500 MW'a çıkacak. Sempra Enerji, Baja Kaliforniya'da en az 1000 MW'lık bir projeyi 5.5 milyar dolarlık maliyetle gerçekleştireceğini duyurdu.

Güney Africa, Olifants Nehri açıklarının kuzeyindeki Koekenaap kasabasının yakınında Batı Cape şehrindeki Vredental'ın doğusunda Batı Sahilinde bir istasyon kurdu. Toplam çıkış gücü 100 MW'tır. Bu kapasiteyi ikiye katlamak için görüşmeler yapılıyor.

Kanada rüzgâr kapasitesini 2000 ile 2006 arasında hızlı bir şeklide arttırarak 137 MW'dan 1451 MW'a çıkarttı. Bu da yıllık %38'lik bir büyümeye denk geliyor. Özellikle en hızlı büyüme 2006'da görülerek 2005 sonundaki 684 MW'lık üretimi ikiye katladı. Bu büyüme, yükleme hedefleri ekonomik teşvik ve politik destekle beraber beslendi. Örneğin, Ontario eyaleti rüzgâr gücü için vergi indirimine gitti...

Türkiye'de yer seviyesinden 50 metre yükseklikte ve 7.5 m/s üzeri rüzgâr hızlarına sahip alanlarda kilometrekare başına 5 MW gücünde rüzgâr santralı kurulabileceği kabul edilmiştir. Bu kabuller ışığında, orta-ölçekli sayısal hava tahmin modeli ve mikro-ölçekli rüzgâr akış modeli kullanılarak üretilen rüzgâr kaynak bilgilerinin verildiği Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) hazırlanmıştır. Türkiye ekonomik rüzgâr enerjisi potansiyeli 44,000 MW olarak belirlenmiştir. Rüzgar sınıflarına göre dağılımında Türkiye'nin rüzgar enerjisinden elde edebileceği enerjinin potansiyeli yaklaşık 88,000 MW'tır. Bu potansiyele karşılık gelen toplam alan Türkiye yüz ölçümünün %1.30'una denk gelmektedir. 2014 yılında rüzgâr ile elektrik üretimi, Türkiye toplam tüketiminin %3.27 sini karşılamıştır ve 8367 GWh rüzgârdan elektrik üretmiştir. 2015 yılı ilk 11 ayında tüketim karşılama oranı %4.37 seviyesindedir. 2015 Temmuz itibarıyla işletmede olan rüzgâr enerji santralarının kurulu gücü ise 4,192.8 MW'dır.

Daha düşük hızlarda maksimum gücü ulaşan türbinlerin boyutlarındaki artıştan dolayı üretilen enerji öngörülen kurulu güç kapasitesinden daha fazla artıyor. Yukarıdaki tabloya göre enerji, 2006 ve 2008 arasında iki kattan daha fazla artmasına rağmen aynı periyottaki kurulu kapasite %63 büyüdü.