Türkiye'de elektrik santralleri ve rüzgar enerjisi: Üretim ve arazi kullanımı ilişkilendirmesi
Examination of power plants & wind energy in Turkey: Relationship between electricity production & land use
Yazar: MERT ANAMERİÇ
Danışman: PROF. DR. ŞİNASİ KAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Arazi kullanımı = Land use ; Elektrik santralleri = Power plants ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Hidroelektrik santralleri = Hydroelectric power plants ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Rüzgar santralleri = Wind plants ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Termik santraller = Thermal power plants ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Artan enerji talebinin karşılanması, enerji çeşitliliğinin arttırılması, dışa bağımlılığın azalması, çevresel etkileri azaltılması, iklim değişikliğine karşı alınan kararların yerine getirilmesi, istihdamın arttırılması ve enerji üretiminin devamlılığı için yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim artacaktır.
Tez kapsamında Türkiye'de elektrik santrallerinin arazi kullanımı/gereksinimi incelenmiştir. Çevreci ve temiz olarak bilinen yenilenebilir enerji kaynaklarından, güneş (GES) yatırımlarının 1,7 ha/MW arazi kullanım oranı ile 0,5 ha/MW'lık rüzgar enerjisi santrallerine (RES) göre daha çok arazi değişimine sebep olduğu hesaplanmıştır.
RES'lerin daha çok yerleşimden uzakta, dağlık alanlarda projelendirildiği, GES'lerin ise mümkün mertebe trafo merkezlerine yakın, eğimin olmadığı veya az olduğu arazilerde konumlandırıldığı ve sayılarının geçtiğimiz üç yılda hızla arttığı incelenen projelerde görülmüştür.
RES'ler en çok, yol yapımı ile arazi değişimine sebep olmaktadır. Ancak yollar çoğu zaman RES özelinde değil, sonrasında başka sebepler ile de kullanılmaktadır. Orman içinde olsa bile, yangınlara müdahale, orman içi ulaşım, gerekmesi halinde arama kurtarma gibi sebepler ile yola ihtiyaç duyulmaktadır.
Kapasite faktörü (KF) santralin gerçek üretiminin, tam kapasite ile çalışması durumuna oranı olarak özetlenebilir. RES'lerin arazi kullanımı rüzgar potansiyelinin yüksek olduğu (KF'nin de daha yüksek olduğu) bölge ve illerde rüzgar türbinlerinin (RT) arazi kullanımı daha azdır. Örnek olarak Manisa'da 0,354 ha/MW (%33 - %35 arası KF), Balıkesir'de 0,401 ha/MW (%31 - %36 arası KF), İzmir'de 0,423 ha/MW (%33 - %36 arası KF) hesaplanmıştır.
Rüzgar potansiyelinin daha az olduğu bölgeler için ise RT arazi kullanımının daha fazla olması beklenmektedir. İç Anadolu Bölgesi'nde 0,64 ha/MW (%27 - %32 arası KF), Güneydoğu Anadolu Bölgesi'nde 0,79 ha/MW (~%20 KF), Sivas'ta ise arazi kullanımı 0,79 ha/MW (%24 - %31 arası KF) olarak hesaplanmıştır.
Yıllar içinde türbinlerin kapladığı arazi, kanat boyları ile orantılı olarak artmıştır. 2000'li yıllarda 0,43 ha/MW iken 2018'de 0,56 ha/MW'a yükselmiştir. Yıllar geçtikçe türbin başına kurulu güç, rotor çapı ve dolaylı olarak arazi kullanımı da artmıştır.
İncelenen projelerde; dağlık ve engebeli arazilerde RT'lerince arazi değişimine daha az sebep olduğu ancak yol yapımı sebepli arazi değişiminin daha fazla olduğu gözlenmiştir. Ağaç olmayan, çıplak veya çıplağa yakın arazi örtülerinin de RT'lerin sebep olduğu arazi değişiminin ağaçlı araziye göre daha az olduğu hesaplanmıştır.
YEKA sisteminin devam etmesi durumunda, arazi kullanımı ve değişimi değerinin düşük olduğu Ege (0,44 ha/MW) ve Akdeniz (0,52 ha/MW) Bölgeleri'ne yeni projeler önerilebilir. Özellikle Mersin, Karaman sınırı ve civarı hem çorak bir arazi örtüsüne sahip, hem de yüksek KF'nin görüldüğü bir bölgedir. Bu ve benzeri alanlar, daha çevreci YEKA alanları önerimi için değerlendirilebilir.
RES'ler 2018 yılında 5,6 milyon kişinin elektrik ihtiyacını karşılamıştır ve toplamda 3500 hektar (İstanbul 3. Havalimanı'nın kapladığı alan kadar) arazi örtüsünün değişmesine sebep olmuştur. Bunun 1520 hektarı maki ve otsu bitki örtüsü ve 825 hektarı ise orman arazisidir.
İşletmedeki RES'lerin sebep olduğu arazi değişikliği de düşüldüğünde, yakın gelecekte yapılması planlanan RES projelerinin büyük çoğunluğunun Ege ve Marmara Bölgeleri'nde olmasından ötürü, projelerden daha çok etkilenecek arazi örtüsünün orman olacağı öngörülmektedir.
Yeni kurulacak RES'ler en fazla 4250 hektarlık alanın daha değişmesine sebep olacak ve toplamda 7750 ha gibi bir alanın arazi örütüsü RES'ler sebebi ile değişecektir. Bu değer şu an GES'lerin sebep olduğu arazi değişiminden azdır.
GES projelerinin maliyetlerinin son 5 senede ciddi olarak azalması sonucu yapılan GES yatırımlarının, önümüzdeki dönemde de artarak devam etmesi beklenmektedir. 2018 yılında GES'ler 2 milyondan fazla kişinin elektrik ihtiyacını karşılamıştır. GES'lerin tamamı 8800 hektardan fazla arazi ile, Türkiye yüz ölçümünün %0,011'ini kaplamış durumdadır. Mevcut kurulu gücün 40 katına çıkması durumunda bile bu oran %0,45 olacaktır (Kocaeli'nin yüz ölçümüne yakın). Yapılabilecek herhangi bir enerji projeksiyonunda bu değerden daha fazla artış öngörülmesi gerçekçi olmayacaktır.
Birim enerji üretimi için barajlı HES 13,09 ha/GWh ile en çok araziye ihtiyaç duymaktadır. Ardından 1,16 ha/GWh ile GES'ler, sonrasında maden alanın ihtiyacı ile birlikte yerli kömür santralleri 0,7 ha/GWh ile arazi ihtiyacına ve değişimine sebep olmaktadır. Bu üç santral türüne kıyasla geri kalan santral türleri ihmal edilebilir miktarda arazi kullanımına ihtiyaç duyar.
Proje alanının seçimi ve projelendirme, özellikle RES projelerinde hem elektrik üretimini hem de arazi kullanımını doğrudan etkilemektedir. YEKA ihale sisteminin devam edeceği düşünülürse, ihale alanlarının il bazında verilmesi yerine doğrudan proje alanı olarak ihale edilmesi her açıdan daha verimli olacaktır.
Yeni GES'ler hali hazırda düz olan arazileri kullanarak maliyetlerini azaltmak isteyebilir. Bu, ekili veya ekilebilir alanların GES'lerce kullanılması riskini akıllara getirmektedir. Unutulmamalı ki enerjiye olduğu kadar tarıma da ihtiyaç vardır.
Birçok santral türüne göre daha çok alana ihtiyaç duyan GES'lerin arazi örtüsü değişimini azaltmak için yapılabilecek ilk öneri GES'lerin hali hazırda yapay arazi örtüsüne sahip alanlarda konumlandırılmasıdır. Başka bir söylem ile konutların, endüstriyel alanların, alışveriş merkezlerinin, stadyumların, devlet kurumlarının, otoparkların üstüne ve/ya çatısına eklenebilecek GES sistemleri ayrıca bir arazi örtüsü değişimine sebep olmayacak, aksine bulunduğu yere fonksiyon katacaktır.

Abstract:
Energy is an indicator of development and symbol of power for current century. While preparing energy policies, planning is being made considering many different factors such as reserve of the resource, source diversity, cost, environmental impact, sustainability and its impact on employment. Besides the increase in energy consumption, electricity generation with alternative energy sources has been preferred due decreased investment costs, to increase resource diversity and reduce environmental impacts.
Whilst Turkey's installed capacity was reported as 21.89 GW as at the end of 1998, this increased to 40.84 GW as the end of 2008, and the total installed capacity has been reached to 89.13 GW in March 2019. According TEİAŞ (Turkey Electricity Transmission Corporation) it is predicted that the electricity energy need will increase between 3.6% and 6.0% every year in the next 10 years. Installed power expectation is between 104.0 and 105.3 GW at the end of 2022. It is expected that 10% of this capacity will be expected to be Wind Power Plants (WPP) and 8.5% of the capacity will be Solar Power Plant (SPP).
In 2018, 37.3% of the electricity production was obtained from coal, 29.8% from natural gas, 19.8% from the hydro energy, 6.6% from the wind, 2.6% from solar, 2.5% from geothermal energy and 1.4% from other sources. Wind, solar, hydro and geothermal power plants do not have any reserve limitation, therefore these energy sources are referred as sustainable and renewable.
The number of licensed and unlicensed power plants increased to 7423 by the end of 2018, which are divided as; 653 hydroelectric power, 60 coal, 249 wind, 48 geothermal, 311 natural gas, 5868 solar, and 234 other energy production based on their resources.
In order to diversify energy production, to reduce foreign dependency, for the fulfillment of commitments (Kyoto, Paris Agreement), increasing energy demand and to be more environmentally friendly, tendency towards renewable energy sources will increase. Also to slow down climate change, electricity generation based on clean energy sources has been supported in Turkey since 2005 with various incentives. As a result of the incentives and supports, the installed capacity of the licensed power plants, which generate electricity based on wind energy, exceeds 7,4 GW mechanical power (7,1 GW license based electrical connection power) and constitutes 8% of the total installed capacity.
Wind energy has been the focus of attention of investors since 2006 with the power plant being commissioned each year, more than the previous year. While there are no SPP connected to the electricity grid, operating in the pre-2014 period, the currently installed SPP power is recorded as 5.3 GW, especially with the projects completed in 2016.
Effects of power plants on the environment and nature are often assessed by their emissions (such as exhaust gas or/and heat) and waste. For example, coal-fired power plants have greenhouse gas effects and waste and ash management problems. By remote sensing methods, areas those affected by the cooling water of the thermal power plants and waste (dust, ash, etc.) emissions, can be determined. However, the land cover/use changes caused by power plants are not being evaluated, except for hydroelectric power plants.
It is known that land cover is changing rapidly and areas of artificial lands are increasing everyday just because of humans. Within the scope of CORINE project, land use/cover change maps and statistics are prepared as well as land cover and use. In the limits permitted by the CORINE database, land cover and use change can be examined for the projects whose location is known. For the power plants which are not in the resolution limits of CORINE database, needs to be investigated separately.
Within the scope of the thesis, the main power plants are compared with each other in different ways. Examples of plant types in service were examined especially in terms of land cover/use -change and evaluated with projections for the coming years. With the help of information such as annual electricity productions, installed power, an average capacity factor values for power plant types are also defined.
The amount of land required for electricity generation has been considered as an environmental impact and suggestions for improvement have been made to reduce the impact on the environment, especially for WPP and SPPs, which are increasing every day.
Every power plant type has been investigated according to land use with the help of digitizing with polygons drawn at the satellite images. Highest land use cover change realized for Hydroelectrically power plants with 26.0 ha/MW – 13 ha/GWh and SPPs 1.7 ha/MW – 1.2 ha/GWh. Also coal-fired power plants' land need has found high (2.2 ha/MW – 0.5 ha/GWh) when they are considered together with the mining activity land use.
It has been examined how much change WPP cause a in different land covers. Referring to results obtained, land cover/use change projections have been carried out for plants based on wind energy which are under construction and which have been licensed or pre-licensed. A total of 3500 ha of existing WPP projects have changed the land cover. The largest part of it was calculated as 1520 ha maize and herbaceous vegetation and 825 ha of forest land as second. It is foreseen that the forest cover will be affected more by the WPP projects due to the fact that the majority of the WPP projects planned in the near future are in the Aegean and Marmara regions. Maximum 4250 ha more land is expected to changed due to future WPP projects, total of 7750 ha is expected to covered by WPP projects in 2023. This total area amount is less than occupied land by current under operation SPPs.
Land cover changes caused by WPPs are mostly due to road construction. However, roads are not only used for WPPs, they are also used rather than accessing the WPP. Even if it is in the forest, there is a need for roads due to intervention in fires, transportation in the forest and search and rescue if necessary.
If the results are detailed throughout the WPPs, the land use of the turbines in the regions and provinces where the wind potential is higher is less; 0.354 ha/MW for Manisa (33% to 35% Capacity Factor - CF), 0.401 ha/MW for Balıkesir (31% to 36% CF), 0.423 ha/MW for İzmir (33% to 36% CF).
In areas where wind potential is less, turbines' land use is expected to be higher. For example; 0.64 ha/MW (27% to 32% CF) in the Central Anatolia Region, 0.79 ha/MW (~ 20% CF) values in the Southeastern Anatolia Region. But due to the lack of samples, it should be noted that, it represents only current projects (48.4 MW) for Southeastern Anatolia Region. In Sivas, land use is calculated as 0.789 ha/MW (24% to 31% CF).
Over the years, the installed power, rotor diameters and land use per turbine have increased. It is seen that the land covered by turbines increased in proportion to the blade lengths (rotor diameters). Land cover/use change increased from 0.43 ha/MW (2000's) to 0.56 ha/MW in 2018.
It can be said that the land cover has also effect on land cover/use change caused by wind turbines. It was observed that wind turbines cause less of land change in mountainous and complex terrain in the investigated projects but on the other hand change caused by road construction is more due to steep hills. It has also been observed that wind turbines have less land cover change on lands without tree, bare or non-vegetation land areas.
Due to most of the under operation WPPs are located in the Marmara and Aegean Regions, electricity grid connect lines are not long and therefore the amount of land change is not as high as in the USA.
WPPs are mostly located in mountainous areas far away from residential areas, however SPPs are placed close to the transformer centers to have shorter grid connection and mostly SPPs are planned on areas with low to no steepness.
While the costs of the SPP projects have decreased significantly in the last 5 years, SPP investments are expected to continue to increase in the coming period. According to calculations made, SPPs occupy 8830 ha, 0.011% of Turkey's surface. Even if capacity reaches 40 times of the current installed capacity, this ratio will be increased to 0.45%. For Turkey even this scenario's land amount is not a frightening risk. It will not be realistic to predict a further increase for SPP. However SPPs are potential risk for farmlands, therefore it is strongly recommended to locating new projects at roof tops, where already identified as man made artificial land cover.
Electricity generation from renewable energy sources and fossil sources have been compared in terms of capacity factor, land requirement, whole life cycle CO2 emission value, investment and operating costs, fuel cost, reserve life. Regarding to life cycle CO2 emission, Hydro power has the first place with lowest emission, WPP has the second lowest emission and third place is occupied with SPP.
For all types of resources, existing installed power and capacity factor values are calculated. It is clear that WPP and SPP cannot run higher than 40% CF in yearly bases, however is possible for thermal power plants; geothermal, bio-mass, nuclear, coal-fired or natural gas plants. A balance needs to be obtained for future energy scenarios; high capacity factor power plants needs to have a balance with low emission power plants when we consider the climate change and environmental impacts, together with costs.