Antarktika'da yenilenebilir enerji potansiyeli ve Türk araştırma üssü özelinde bir inceleme
A review on the renewable energy potential in Antarctica and the Turkish research base
Yazar: ŞEHRİBAN YİĞİT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT OĞUZ SELBESOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Antarktika = Antarctica ; Araştırma-geliştirme = Research-development ; Enerji = Energy ; Enerji kaynakları = Energy resources ; Enerji politikaları = Energy policies ; Türkiye = Türkiye ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Üsler = Bases

Özet:
Yenilenebilir enerji alanı artan Dünya nüfusu, sınırlı enerji kaynakları, karbon salınımı, iklim değişikliği krizi gibi sorunların büyümesiyle beraber her geçen gün ön plana çıkmaktadır. Bilimsel araştırmaların önemli bir merkezi olan Antarktika kıtasındaki bazı istasyonlarda kurulan yenilenebilir enerji tesisleri bu farkındalığın bir göstergesidir. Her ne kadar araştırma istasyonlarında fosil yakıtlar çoğunlukla kullanılıyor olsa da yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talep ve çalışmalar artmaktadır. Antarktika kıtasında kaynağının %100'ü yenilenebilir enerjiyi oluşturan Prenses Elisabeth araştırma istasyonu ile kutup noktalarına yakın, sert iklim koşullarına sahip yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanamayan istasyon örnekleri mevcuttur. 
Bu çalışmada, Antarktika kıtasındaki yenilenebilir enerji potansiyeli değerlendirilmektedir. Çalışma Doğu ve Batı Antarktika'yı kapsayacak şekilde seçilen 20 araştırma istasyonu ve Türk araştırma üssü Horseshoe adası özelinde bir incelemeyi içermektedir. Araştırma ve uygulamalar için Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA)'ne ait Modern Çağ Retrospektif-Analiz (MERRA-2) asimilasyon modeli yeniden analiz verileri kullanılmıştır. Çalışma için kullanılan kısa dalga boylu güneş radyasyonu verileri 1 Ocak 1984-31 Aralık 2020 yılları arasındaki 37 yıllık dönemi kapsamaktadır. Rüzgâr hızı verileri ise 1 Ocak 1981-31 Aralık 2020 yılları arasındaki 40 yıllık dönemi kapsamaktadır. Antarktika kıtasındaki yenilenebilir enerji potansiyeli bölgesel ve mevsimsel şartlara göre değerlendirilmektedir. Bu amaçla, 20 araştırma istasyonu ve Horseshoe adasının yeniden analiz verilerinin ortalama değerleri alınarak mevsimsel güneş ve rüzgâr enerjisi verisi oluşturulmuştur. Araştırma istasyonlarının bulundukları konuma, mevsimlere göre güneş radyasyonu ve rüzgâr enerjisi potansiyelinde değişim gözlemlenmiştir. Yaz mevsiminde kıtanın iç bölgelerinde ve doğu kıyılarında bulunan istasyonlarda yoğun radyasyon oranı gözlemlenirken batı kesimlerinde daha az güneş radyasyonu görülmektedir. Kış mevsiminde ise yaklaşık sıfır radyasyon değerlerine inen güneş radyasyonu kıtanın genelinde dramatik bir düşüş yaşamaktadır. Bu da kıtadaki güneş enerjisi potansiyeli açısından bir dezavantaj olarak görülmektedir. Kıtada güçlü katabatik rüzgarları bulunmakta ve etkisi bazen rüzgâr enerjisi için destekleyici bezen yıkıcı potansiyele ulaşabilmektedir. Araştırma istasyonunda gözlemlenen rüzgâr hızı değerlerine göre kış mevsiminde özellikle kıtanın doğu bölgesinde olan üslerde yüksek iç bölgelerde bulunan üslerde ise düşük değerlerde olduğu görülmektedir. Sıcaklık ve radyasyon yoğunluğu nedeniyle rüzgâr hızında yaz mevsiminde düşüş yaşanmaktadır. Ancak bu değişim, güneş radyasyonun kış mevsimindeki düşüşü kadar dramatik olmamaktadır. Sonuçların hem grafik hem de haritalarla görselleştirilerek mekânsal olarak analiz edildiği bu çalışmada ayrıca istasyonlardaki mevcut yenilenebilir enerji kullanım durumu ile ilgili bilgilerde yer almaktadır.
Antarktika kıtasındaki değişen mevsimsel koşullar dolayısıyla güneş ve rüzgâr enerjisinin dengesi depolama pil desteği yardımıyla ortaya çıkan hibrit model incelenen örnek çalışmalarla uygun görülmüştür. Enerji kaynağı olarak sadece yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan Princess Elisabeth üstünde tercih edilen bu model diğer araştırma istasyonlarında da gözlemlenmiştir. Çalışmada elde edilen ortalama tahmin değerlerine göre yenilenebilir enerji açısından en uygun görülen kıtanın doğu bölgelerinde bulunan araştırma istasyonlarında yenilenebilir kaynaklardan yararlanıldığı görülmektedir. Kıtanın doğu ve batı bölgelerinde bulunan araştırma istasyonlarında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması elde edilen ortalama değerleri destekleyici niteliktedir. Kıtadaki yenilenebilir enerji potansiyeli olumsuz hava şartlarına rağmen gelişen teknoloji ile umut vermektedir. Mevcut durumda, güneş ve rüzgâr enerjisinin yoğunlukla kullanıldığı kıtada gel git enerjisi için daha detaylı çalışmaların yürütülmesi gerekmektedir.
Çalışmada, Türk Bilim Üssü'nün yer aldığı Horseshoe adası özelinde yenilebilir enerji potansiyel durum incelemesi de yapılmıştır. Horseshoe adasının yenilenebilir enerji potansiyel durumunu karşılaştırmalı olarak analiz etmek için yenilenebilir enerji kaynağı kullanılan iki farklı konumdaki araştırma istasyonu seçilmiştir. Bu araştırma istasyonlarından biri Horseshoe adasına komşu olan Rothera istasyonu ve enerji ihtiyacını sadece yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılayan Princess Elisabeth istasyonudur.  MERRA-2 yeniden analiz verileri kullanılarak adanın ortalama güneş ve rüzgâr hızı değerleri analiz edilmiştir. Bu sonuçlara göre, adanın yenilenebilir enerji potansiyelinin rüzgâr enerjisi için kış mevsiminde, güneş enerjisi için ise yaz mevsiminde yüksek olduğu görülmektedir. Bu bağlamda, özellikle tüm yıl boyunca enerji ihtiyacı olan istasyonlar için rüzgâr ve güneş enerji kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrit modelin en verimli sonuç vereceği düşünülmektedir.

Abstract:
The field of renewable energy comes to the fore day by day with the growing world population, limited energy resources, carbon emissions, and climate change crisis. Renewable energy facilities established at some stations in Antarctica, an important center of scientific research, are an indicator of this awareness. Although fossil fuels are mostly used in research stations, the demand and studies for renewable energy sources are increasing. In the Antarctic continent, there are examples of the Princess Elisabeth research station, whose source is 100% renewable energy, and stations close to the polar center, which cannot use renewable energy sources with adverse climatic conditions.
In this study, the renewable energy potential in the Antarctic continent is evaluated. The study includes a study of 20 research stations selected to cover East and West Antarctica and the Turkish research base Horseshoe Island. Amundsen Scott, Kunlun, and Kohnen stations located in the interior of the continent within the study area have very harsh climatic conditions. The energy need provided to these regions is very costly and takes place under difficult conditions. The coastal regions of the continent have a milder climate transition than the interior regions. Princess Elisabeth, Neumayer III, Syowa, Halley VI, Mawson, Zhongshan, Casey, and Dumont d'Urville stations located on the eastern coast of the continent were preferred for the study area. These stations are located in different locations on the east coast. Artowski, Palmer, Rothera, Russkaya, McMurdo, Jang Bogo are other research stations selected in different regions on the continent's west coast. Two other selected research locations, Sky Blue and WAIS Divide, are located in the interior of West Antarctica.
The data analyzed in the study were obtained from the GIS web portal of the Worldwide Energy Resources Estimation (POWER) project of NASA, targeting Renewable Energy, Sustainable Buildings, and Agroclimatology user communities. Modern Age Retrospective-Analysis (MERRA-2) assimilation model reanalysis data of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) was used for research and applications. The short-wavelength solar radiation data used for the study covers the 37-year period between January 1, 1984 and December 31, 2020. Wind speed data covers the 40-year period between January 1, 1981 and December 31, 2020. The renewable energy potential in the Antarctic continent is evaluated according to regional and seasonal conditions. For this purpose, seasonal solar and wind energy data were created by taking the average values of the reanalysis data of 20 research stations and Horseshoe Island. Changes in solar radiation and wind energy potential were observed according to the location of the research stations and the seasons. In the summer season, intense radiation rate is observed at the stations located in the inner parts of the continent and on the eastern coasts, while less solar radiation is observed in the western parts. In the winter season, solar radiation, which decreases to approximately zero radiation values, experiences a dramatic decrease in the whole of the continent. This is seen as a disadvantage in terms of solar energy potential on the continent. The continent has strong katabatic winds and its impact can sometimes reach the destructive potential of wind energy. According to the wind speed values observed at the research station, it is seen that it is high in the bases located in the eastern part of the continent, and low in the bases located in the inner regions during the winter season. Due to the temperature and radiation intensity, there is a decrease in wind speed in summer. However, this change is not as dramatic as the decrease in solar radiation in winter. In this study, in which the results are visualized with both graphics and maps and analyzed spatially, information about the current renewable energy use status at the stations is also included. Selected research stations were mapped using the open source QGIS program with the Quantarctica plugin which is integrated into the software by Norwegian Polar Research Institute.
Due to the changing seasonal conditions in the Antarctic continent, and the balance of solar and wind energy, the hybrid model that emerged with the help of storage battery support was found to be appropriate for the case studies examined. This model, which was preferred at Princess Elisabeth Station, and uses only renewable energy sources as an energy source, has also been observed in other research stations.  According to the average estimation values obtained in the study, it is seen that renewable resources are used in the research stations located in the eastern regions of the continent, which are considered the most suitable in terms of renewable energy. The use of renewable energy sources in research stations located in the eastern and western parts of the continent supports the average values obtained. Despite the adverse weather conditions, the renewable energy potential in the continent gives hope with the developing technology. In the current situation, more detailed studies should be carried out for tidal energy in the continent where solar and wind energy are used extensively. The Antarctic continent is located in a region surrounded by oceans, especially in its geography. Most of the research stations are located in ocean areas. However, the potential alone is not sufficient for the use of renewable energy. In order to use energy resources, the necessary conditions must be favorable.
With the developing technology, the storage batteries are suitable for the continent, and the right building design for energy efficiency continues to develop in a way that supports renewable energy sources. Princess Elisabeth, the first zero-emission research station in Antarctica, which meets its energy needs only from renewable sources, is shown as a good example in this field with its appropriate building design. In addition to the importance of producing renewable energy, it is also of great importance to protect existing energy.
In the study, a renewable energy potential situation analysis was also carried out on Horseshoe Island, where the Turkish Science Base is located. In order to comparatively analyze the renewable energy potential of Horseshoe Island, two different research stations using renewable energy sources were selected. One of these research stations is Rothera station, which is adjacent to Horseshoe island, and Princess Elisabeth station, which meets its energy needs only from renewable energy sources. The average solar and wind speed values of the island were analyzed using the MERRA-2 reanalysis data. According to these results, it is seen that the renewable energy potential of the island is high in winter for wind energy and high in summer for solar energy. In this context, it is thought that the hybrid model, in which wind and solar energy sources are used together, will give the most efficient results, especially for stations that need energy throughout the year.
Since the average estimated values obtained in the study, the studies of the stations should be observed with more detailed measurements. Although the average value results and the use of renewable energy sources in research stations are promising, they are not sufficient for the future of this continent. While it is clear that sustainable resources, which are necessary for a sustainable life, shape our future, every work and every step to be made in this regard is of great importance.