Türkiye üzerinde 21. yüzyılda rüzgar hızı ve rüzgar enerjisi potansiyelinin incelenmesi ve wasp modeli ile seçili bölge için sonuçların değerlendirilmesi
Assesment of wind energy potential over Turkey in the 21st century by using regional climate model coupled with micro scale model
Yazar: ERKAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL ; PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ ; PROF. DR. ZAFER ASLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
İnsanoğlunun, bugünkü hayatının ayrılmaz bir parçası olan, sanayiden, teknolojiye, ulaşımdan, sağlığa kadar bütün faaliyetlerinin en temel kaynağı olan enerji, 18. yüzyıldaki Sanayi devriminden sonra büyük bir ivme kazanmıştır ve bu ihtiyaca olan talebimiz her geçen gün artarak devam etmektedir. Enerjiye olan gereksinimin karşılanması için ilk olarak  fosil yakıtların kullanılması gelmektedir. Fakat bugün önemine daha fazla vurgu yapılan, şu aşamada bile yaşamımızı etkilemeye başlayan, yakın gelecekte hayatımızı daha fazla ve derinden etkileyecek bir kavramla, iklim değişikliği ve küresel ısınma ile karşı karşıyayız. Fosil yakıtların kullanımının yaygınlaşması, karbon emisyonlarının daha önce hiç tanık olmadığımız eşik değerlerini aşması, sera etkisinin artmasına kısaca küresel ısınmaya sebep olmaktadır. Bu sebeple yeni teknolojilerin ve yenilenebilir enerjinin kullanımının önemi artmıştır. Bu kullanımda şu an en büyük paya sahip olan ve gelecekte de en büyük paya sahip olması beklenen rüzgar enerjisine aittir. 
Rüzgar enerjisinin, yenilenebilir enerji kaynakları (YEK) arasında yatırım maliyetinin düşük olması ve kurulumundan elde edilecek faydanın diğer yenilenebilir kaynaklardan fazla olması dolayısıyla, diğer YEK'lere göre ön plana çıkmıştır. Bu kaynağın en önemli etkeni olan rüzgarın, hız ve yönündeki değişimler kaynak yerinin belirlenmesinden, üretim faaliyetine ve sonraki tüm süreçlere kadar önem derecesinde etki eder. Bu sebeple kaynağın kullanımının ve kullanılacak kısmının optimizasyonu için, rüzgarın hız ve yönündeki değişimler, saniye mertebesinden, mevsimsel, yıllık ve uzun dönemler boyunca incelenmeli ve belirlenmelidir.
Bu tez çalışmasında, Türkiye ve çevresinde küresel iklim modeli MPI-ESM-MR ile zorlanmış RegCM4.3 bölgesel iklim modelinin Türkiye üzerindeki 10 km yüksek çözünürlüklü simülasyonları  kullanılarak 2100 yılına kadar rüzgar hızı ve yönü ile rüzgar enerjisindeki değişimleri incelenmiştir.
Tez kapsamının ilk aşamasında Türkiye için hazırlanmış farklı kuruluşlar tarafından farklı çözünürlüklerde ve farklı yüksekliklerdeki 6 farklı rüzgar potansiyeli haritası incelenmiş, modelin referans dönemi ile olan benzerliklerine bakılmıştır. Farklı zamanlarda ve farklı yüksekliklerde hazırlanan haritalarda yüksek rüzgar potansiyeline sahip bölgelerin modellin referans dönemi ile aynı yerlerde olduğu görülmüştür.  Hazırlanmış bu potansiyel atlasları ile model arasında, referans dönemi ile olan yakın ve aynı sonuçlar gösterilerek modelin doğruluğu test edilmiştir.
Gelecekte rüzgar hızı ve rüzgar enerjisi yoğunluğunun nasıl değişeceği 1971-2000 yılları arasındaki referans dönemi baz alınarak 3 farklı dönem için  tespit edilmiş, her dönem için  değişimlerin referans dönemine göre yüzde değişimi incelenmiştir.
Çalışmanın ilk evresinde Dünya'da, Avrupa'da ve Türkiye'de rüzgar ve rüzgar enerjisi konusunda kapsamlı ve birleştirici çalışmalar yapan 3 büyük öncü kuruluş GWEC, EWEA ve TÜREB'in yayınladığı raporlar incelenmiştir. Son 10 ila 15 yıl içinde paylaşılan istatistiksel sonuçlara göre; Dünya'da, Avrupa'da ve Türkiye'de bu sektörün devamlı ivme kazanarak büyüdüğü, kurulu güç miktarının her sene bir önceki seneye kıyasla artarak, başta enerji olmak üzere elektrik ve diğer ihtiyacları karşılamada devasa bir yenilenebilir çözüm ortağı haline geldiği göz önüne serilmiştir.
Bu çerçeve de yine bu öncü kuruluşlar tarafından geleceği öngörmek amaçlı hazırlanan gelecek senaryoları ile 2020, 2030 ve 2050 hedefleri incelenmiştir. Bu raporlara göre rüzgar enerjisi kullanımının son 15 yıldaki büyüme hızında olmasa bile, kurulum ve kullanım artışını devam ettireceği ve 2050 yılında yenilenebilir kaynaklardan enerji üretiminin %50'sini karşılayacağı öngörülmektedir. Türkiye ise 2013 yılında, 2023 hedefi olarak rüzgardan enerji üretimini 20 GW olarak planlamıştır.
 Çalışmanın ilk evresinde 1984 yılında hazırlanan ilk rüzgar enerjisi yoğunluğu atlası, daha sonra MGM'nin hazırladığı atlas ve en son REPA projesi için hazırlanan atlas detaylıca incelenmiştir. Bunlara ilaveten 3 farklı firmanın farklı yüksekliklerde  ve farklı çözünürlükte hazırladığı haritalar örnek olarak konulmuştur.
Çalışmada MPI-ESM-MR yer sistem modeli çıktılarının, referans ve RCP 4.5 ve RCP 8.5 senaryolarına göre gelecek için 10 km çözünürlüğe dinamik olarak ölçek küçültülmüş sonuçları incelenmiştir. 1971-2000 referans dönemi için 50m, 80m, 100m ve 200m'deki rüzgar hızları, rüzgar enerjisi yoğunluğu ve rüzgar yönü mevsimsel ve dönemsel olarak hesaplanmış, daha sonra RCP 4.5 ve RCP 8.5 senaryoları için  2021-2040, 2041-2070 ve 2071-2100 dönemleri için ortalama rüzgar hızı ve rüzgar enerjisi yoğunluğundaki değişimler analiz edilmiştir. Bu tez çalışmasında sadece 80m ve 200m sonuçları gösterilmiştir.
Referans dönemi rüzgar enerji potansiyeli 10'ar yıllık periyotlar halinde incelenerek günümüz koşullarında rüzgar enerji potansiyelinde değişimin mevcudiyeti araştırılmıştır. Ayrıca farklı yüksekliklerdeki farklar alınarak da değişimler irdelenmiştir. 10 yıllık periyotlardaki değişimler çok küçüktür. Bu sebeple daha uzun periyotlar seçilerek (1971-2000, 2021-2040, 2041-2070, 2071-2100) değişimlerin daha iyi gözlenmesi amaçlanmış, hem de literatür çalışmaları ile ortak karşılaştırılma yapılmak istenmiştir.
80 m ve 200 m için simülasyonların referans dönemi ile gelecek dönem sonuçları birbirinden çıkarılarak, anomaliler incelenmiş ve ne kadar bir sapmanın olacağı gösterilmiştir.
Sonuçların yüksek çözünürlükte değişimini analiz etmek  için seçilen pilot bölge Bandırma ve çevresinde WAsP, rüzgar analiz ve değerlendirme modeli ile ölçek küçültme uygulanmıştır. WAsP modelinin sadece tek bir noktadan veri girişi nedeniyle 10 km çözünürlüklü modelden, bölgeye en yakın grid çıktısı kullanılarak çalışma yapılmış ve rüzgar enerji potansiyelinin lokal ölçekteki rüzgar enerjisi değişimi uzun dönem meteoroloji ölçümü, ölçüm direği ve grid noktasındaki referans ve gelecek dönemler için hesaplanmıştır. Sonuçların bölgesel iklim modeli ile uyumluluğu karşılaştırılmıştır. 
Ayrıca uzun dönem meteorolojik ölçüm, ölçüm direği ve grid noktasındaki değerler, yüksek potansiyele sahip bir referans noktasına taşınarak genel rüzgar hızı ortalaması  ve rüzgar enerjisi yoğunluğu incelenmiştir.
Yapılan literatür araştırmalarının sonuçlarının da gösterdiği gibi Türkiye ve çevresi için potansiyeli yüksek olan bölgeler olan, batı ve kuzeybatı bölgelerinde, rüzgar hızı artışına bağlı olarak rüzgar enerjisi yoğunluğunun da arttığı görülmüştür. Özellikle Ege denizi ve çevresinde rüzgar hızlarında 2070 dönemi sonrasında ciddi artışlar kaydedilmiştir. Ayrıca ülkemizin iç kesimlerinde özellikle İç Anadolunun ortasında ve buradan Ege denizine kadar uzanan kordidor boyunca rüzgar hızlarında artış tespit edilmiştir. Bunun yanında Güneydoğu Anadolu bölgesinde de rüzgar hızlarında bir artış vardır. Doğu Anadolu bölgesi ve özellikle Akdeniz bölgesinde rüzgar hızlarında ciddi bir azalma kaydedilmiştir. Akdeniz bölgesindeki bu azalma gelecekte bu bölgede beklenen daha az siklonik, daha fazla antisiklonik büyük ölçek sirkülasyonlarındaki değişimlerden kaynaklanması beklenmektedir. Ayrıca Karadeniz ve çevresinde farklı zamanlarda küçük değişimler beklenmektedir.

Abstract:
Energy, which is inseparable part of our life and is one of the basic requirements of all our activities from industry, technology, transportation, and health, has been gaining importance since industry revolution at 18th century. After the industrial revolution, it became very curial and our demand continues to increase with each passing day. Firstly, burning of fossil fuels used to fulfill the needs of energy. We are facing with climate change and global warming concept whose importance has emphasized much more nowadays. Even at this stage, it started to affect our lives and will affect our lives more deeply at near future. Widespread usage of fossil fuels causes to exceed the threshold of carbon emissions, which we have never witnessed before, and to increase the greenhouse effect. Briefly, it causes global warming and increasing temperatures. Hence the importance of new technologies and usage of renewable energy have come into prominence. At this moment, wind energy has the lion's share in usage of energy pool, and is expected to have biggest share in the future.
Due to low cost of wind energy investment and high benefit obtained from installation of wind energy within all renewable energy sources, wind energy come forward compared to other sources. The changes in speed and direction of wind that is the most important factor of that resource, significantly affect determination of the resource location, production and upcoming whole processes. For this reason, changes in the wind speed and direction should be examined and determined along with seasonal, annual and long term changes for the wind energy capacity of the region and the optimization of the extracted power.
In this study, the changes in wind speed, wind direction and wind energy were examined by using high resolution simulation results of regional climate model RegCM4.3 driven by global climate model MPI-EMS-MR until 2100.
In the first section of the thesis, 6 different wind potential maps that are prepared by different organizations and have different resolutions and different heights are examined, and the similarities of the wind patterns with referance period are analyzed over Turkey. Even though the maps show the wind potentials at different times and heights, high wind potential areas of the simulations are consistent with literature.
The wind speed and wind power density changes in future periods were determined on the basis of the reference period and anomalies are drawn for each period was examined as a percentages.
GWEC, EWEA and TUREB are conducting comprehensive and unifying works in wind and wind energy on World, Europe and Turkey. In the first part of the work, published reports of these 3 major leading companies have been examined. 
According to the statistics within last few decades, the wind energy sector has grown continuously in the World, Europe and Turkey, and installed power has been increased compared to the previous years and become the largest partner of renewable energy group in meeting energy needs of the societies.
In this framework, future expectations of the wind energy industries have been put forward by leading organizations for the target years of 2020, 2030 and 2050. The results reveals that the increase of wind energy usage will continue, even if at this rate, %50 of energy needs will be expected to come from renewable sources by 2050. In 2013, Turkey has been targeted to have 20 GW of the production of energy from wind by 2023.
In the first part of the study, three wind power density atlases prepared in 1984, by MGM and by REPA project are examined in detail even though they belong to different heights and different solutions because of the lack of resources to compare with the climate simulations.
Dynamically interpolated 10 km resolution MPI-EMS-MR model outputs were analyzed for 1971-2000 referance period, and future periods of 2021-2040, 2041-2070, 2071-2100 under RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios. The long term avarages of the wind speed and wind energy density at heights of 50m, 80m, 100m and 200m are  calculated fort he referance and future periods on seasonal and annual time scales. Then the wind speed anomalies of RCP 4.5 and RCP 8.5 scenario results with respect to the referance were analyzed for the periods 2021- 2040, 2041- 2070, 2071-2100. In this study, only 80 m and 200 m results are shown.
We divided the referance period three decades (1971-1980, 1981-1990 and 1991-2000) and investigated the differences. It is found that the changes in the wind speed and wind energy potential within decades are not significant. Therefore, we split the period times 30 years chunks like 1971-2000, 2021-2040, 2041-2070,2071-2100 to identify the difference and compare the results with the previous studies.
Bandırma and its surrunding area has been choosen as a pilot region to further downscale the cimate model results to high resolution by using micro scale model of WAsP wind analysis and evalution program. Since WAsP is driven with the data provied only one single point, closest grid of the regional climate model to Bandırma had been used and wind energy change in the local scale is calculated for referance and future periods at long term meteorological measurement, measurement mast and grid point. Results'compatibility were compared with regional climate model.
In addition, long-term meteorological measurements, measurement mast and the value in grid points were moved to a referance point where high potential areas, so changes in average wind speed and wind speed density are examined.
The results obtained by this study are similar to the previous studies findings espacially, in the western part of Turkey, at Aegean sea after 2070. We found that  the wind speed and wind energy density along  the shore line are expected to increase in the future. It is identified that this area  also extends to the interior regions and especially in the middle of central Anatolia from The Aegean Sea have been identified. In addition Southeastern Anatolia has an increase in wind speed. Particularly in Mediterranean region and Eastern Anatolia region has been a serious decline in wind speed. These decreases in the wind speed are likely related to changes in the large-scale circulation as the Mediterranean area is projected to have less cyclonic influence and more anticyclonic conditions in the future. Also there is small changes in Black sea and around for different time periods.