Dalga enerjisi potansiyelinin makro ve mikro ölçekte çıkarılması
Macro and micro scale modeling of wave energy potential
Yazar: YASIN ABDOLLAHZADEHMORADI
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÖZGER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Enerji, insanlığın var olduğu süreçte yaşam kalitesi ve refahının artması için vazgeçilmez bir faktördür.  İlkel insanlar ateşi bulduktan sonra sosyal ve sanayi gelişimlerinde büyük bir adam atmışlardır. Avrupalılar 18. yüz yılın sonlarına doğru,  taş kömür madenleri bulup bu doğal kaynak vasıtası ile Sanayi ya da Endüstri Devriminin temellerini atmışlardır. Bu gelişme devamında yeni fosil kaynakları kullanarak sanayi gelişmiş ve şehirleşme büyük çapta artmıştır. Sanayinin hızla gelişmesiyle milyonlar yılda yerin alt katmanlarında oluşan fosil enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Ayrıca bilim insanlarının araştırmalarına göre fosil kaynaklı enerjinin üretimi çevre kirliliği ve doğal dengenin bozulmasına sebep olmaktadır. 
Son yıllarda fosil enerji yerine insanların enerji ihtiyacını karşılayan ve çevresel etkisi daha az olan alternatif enerji kaynakları üzerinde çok sayıda araştırma yapılmıştır ve yenilenebilir enerji kaynakları kavramı ortaya konulmuştur. Teknolojinin gelişmesi ile doğadaki enerjileri elektrik enerjisine dönüştürme imkânları sağlanmıştır. Günümüzün teknolojik imkânları ile yenilenebilir kaynaklarından elde edilen enerji, fosil kaynaklarından elde edilen enerjiye göre daha maliyetli olsa da fosil kaynaklı enerjinin daha büyük sorunlara yol açtığı göz önünde bulundurulmalıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği tükenmezliği ve çevreye verilen zararın daha düşük olmasıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından Güneş, Rüzgâr, Dalga, Gelgit, Biokütle, Hidroelektrik ve Jeotermal enerjileri sayılabilir.
Günümüzde elektrik enerjisi toplumun yaşamını doğrudan etkilemekte ve insan hayatının olmazsa olmazlarından biri hâline gelmektedir. Elektrik enerjisi insan hayatının en önemli buluşlarından olup sosyal, ekonomik ve kültürel gelişmelerin ana değişkenlerinden biridir. Günümüzde toplumun refah seviyesini artıran birçok nesnenin elektrik enerjisi ile çalıştığı ve insanların yaşam kalitesinin önemli düzeyde elektrik enerjisine dayalı olduğu bir gerçektir. Ayrıca, zengin ve güvenilir enerji kaynaklarının bulunmasının uluslararası ilişkilerde ve siyasi güç dengelerinin kurulmasındaki rolü unutulmamalıdır. 
Örnek olarak fosil enerji kaynaklarından olan petrol, bulunduğu ülkeleri siyasi ve ekonomik açıdan odak noktası hâline getirmiştir. Bu durumda, Türkiye gibi gelişmekte olan bir ülke için enerji kaynaklarında dışa bağlılığı en az seviyeye indirmek büyük önem arz etmektedir. Bu sebepten dolayı yenilebilir enerjilerin geniş kapsamlı araştırmalara tabii tutulması bir zorunluluk hâline gelmiştir. Buna mukabil, Türkiye'de, bugüne kadar bu tezin konusunu teşkil eden dalga enerjisi üzerine bilimsel araştırmalar çok eksik kalmıştır.
Dünya genelinde deniz dalgalarından üretilebilecek enerjinin potansiyeli 2 TW'ın üzerinde öngörülmüştür. Ancak bu potansiyelin sadece 0,5 TW'lık kısmı günümüzün teknolojisi ile kullanılabilir hâle dönüştürebilmektedir. Dolayısıyla dalga enerjisinden en yüksek seviyede kullanabilir hâle getirilmesi için, bu alanda araştırma geliştirme faaliyetlerine hız verilmesi gerekmektedir. Bu konu ile ilgili araştırmaların devamı dalga enerjisinin kullanabilir hâle gelmesi ekonomik açıdan uygun olup kullanılmasının yaygınlaşması mümkün olacaktır.
Hazırlanan bu doktora tezinde, Karadeniz ve Marmara Denizi için Deniz Dalga Enerjisi potansiyeli incelenmiş ve elde edilen güvenilir sonuçlar sunulmuştur. Bilindiği üzere Türkiye dalga enerjisi açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Özellikle ülkenin büyük kısmını oluşturan sahil kesimlerinde bazı enerji ihtiyaçlarının dalga enerjisinden karşılanabileceği söylenebilir. Bu amaç doğrultusunda Karadeniz ve Marmara Denizlerinin dalga enerjisi potansiyeli makro ölçekte günümüzün en güvenilir yazılımlarından olan MIKE by DHI'ın spektral dalga modülü olan MIKE 21SW ile hesaplanmıştır.
Bir yazılım ile kurulan modellerin güvenilebilir bir seviyede olması için model girdi verilerinin, hesap ağı yapısının ve model çıktılarının karşılaştırılacağı verilerin de yeterli doğrulukta ve sayıda olması gerekmektedir. Bahsedilen yazılım ile sayısal model kurumunda "Marine Geoscience Data Sytem" batimetri değerleri ve ECMWF (Avrupa Merkezli Orta Menzilli Hava Tahminleri) rüzgâr verileri kullanılmıştır. Sabit bir sayısal model üzerinde çeşitli eleman sayılı hesap ağları çalıştırılmıştır. Eleman sayıları farklı olan sayısal ağların model sonuçları bir biri ile karşılaştırması neticesinde optimize eleman sayılı hesap ağı elde edilmiştir. Ayrıca sayısal modelin doğrulanması, Marmara Denizi için TPAO ve Ambarlı, Karadeniz'de ise Gelendzhik, Hopa, Sinop ve Filyos dalga ölçüm şamandıraları ile Gloria ve MHI sondaj platformu ölçümleri ve uydu verilerinden elde edilen (AVISO 1, 2, 3) dalga parametreleri yardımıyla yapılmıştır. Sayısal model çalışma alanında bulunan bu dalga ölçüm değerleri kullanılarak kalibre edilmiştir. Ölçüm değerleri ve model sonuçları arasındaki ilişki r, R2, RMSE, MAE, MedSim, MedObs, BIAS ve SI gibi istatistiksel parametreler ile değerlendirilmiştir. 
ECMWF'in uzun süreli veri setlerinin kullanılması (1979–2016) bu çalışmada elde edilen sonuçların güvenirliğini önemli ölçüde artırmıştır. Bununla birlikte, bölgesel dalga enerjisi potansiyeli araştırmalarında kullanılmak üzere mikro ölçekli sayısal model kurulumu üzerinde araştırmalar yapılmıştır.
Çalışma alanı, makro ölçekli model için Karadeniz ve Marmara Denizini kapsamaktadır. Mikro ölçekli modelde Karadeniz kıyısında bulunan Düzce iline bağlı Akçakoca ilçesi kıyı hattı incelenmiştir. Çalışma alanı, makro ölçekli model için Karadeniz ve Marmara Denizini kapsamaktadır. Mikro ölçekli modelde Karadeniz kıyısında bulunan Düzce İli 'ne bağlı Akçakoca İlçesi kıyı hattı incelenmiştir. 
Marmara Denizi'nde makro ölçekli sayısal modeli için optimize edilen sayısal ağ elmanı sayısı 4892 olarak belirlenmiştir. Sayısal model, TPAO ölçüm istasyonunun dalga ölçüm değerleri ve 20 farklı senaryo kullanılarak kalibre edilmiştir. Kalibrasyon aşamasında, sayısal model sonuçları ile ölçülen dalga parametreleri arasında iyi bir (r=0.88) uyum elde edilmiştir. Parametreleri kalibre edilmiş sayısal modelde uzun süreli dalga enerjisi tahminleri için 20 yıllık (1994–2014) alansal ECMWF rüzgâr veri seti kullanılmıştır. Bu sürede çalıştırılan sayısal modelin sonuçları, aylık, mevsimlik ve 20 yılın ortalamasının dağılım haritaları olarak sunulmuştur. 
Ortalama belirgin dalga yüksekliğinin en büyük değeri Ağustos (0.40 m) ayında ve en düşük ise Mayıs ve Haziran (0.20 m) aylarında meydana gelmiştir. Mevsimsellik açısından Kış ve Yaz mevsimlerinde en yüksek belirgin dalga yüksekliklerine (0.36 m) rastlanmıştır. Bununla birlikte en düşük belirgin dalga yüksekliği değerinin ilkbahar mevsiminde meydana gelmesi tespit edilmiştir. Genel olarak 20 yılın ortalama belirgin dalga yüksekliği en yüksek 0.30 m ve Marmara Denizi'nin orta kesimlerinde görünmüştür. 
Marmara Denizi'nde maksimum aylık ortalama dalga enerjisi incelendiğinde Kasım ayında (1.1 kW/m) elde edilmiştir. Dalga enerjisinin en az olduğu aylar ise Mayıs ve Haziran (0.3 kW/m) aylarıdır. Mevsimsellik açısından Kış mevsiminde (mevsimlik ortalama değerlerin maksimumu 0.75 kW/m) en yüksek dalga enerjisi elde edilmiştir. İlkbahar mevsimi en düşük dalga enerji değerine sahiptir. Genel olarak 20 yılın ortalama dalga enerjisindeki en yüksek değer 0.47 kW/m ve Marmara Denizi'nin orta kesimlerinde görünmüştür. Ayrıca İzmit, Gemlik ve Erdek körfezleri en düşük dalga enerjisine sahip olan bölgeler olarak belirlenmiştir. 
Karadeniz'in büyük ölçekli modellemesinde optimize edilmiş 5928 elemanlı sayısal çözüm ağı ve 37 yıllık ECMWF rüzgâr verisi kullanılmıştır. Hazırlanan sayısal model, Karadeniz'in çeşitli bölgelerinde ölçülen dalga parametresi veri setleri ile karşılaştırılarak kalibre edilmiştir. Ölçülen ve modellenen değerler arasındaki uyum r=0.90 ve r=0.77 arasında değişmektedir. 
Maksimum ortalama belirgin dalga yüksekliği Ocak (2.10 m) ve Şubat (2.07 m) aylarında elde edilmiştir. Bu çalışmanın aylık bazındaki sonuçları, Rusu (2009), Aydoğan ve diğ., (2013) ve Akpınar ve Kömürcü (2013)'nün çalışmalarındaki sonuçlar ile yakınlık göstermektedir. Ayrıca mevsimsel açıdan en yüksek belirgin dalga yüksekliği Kış mevsiminde (2.0 m) meydana gelmiştir. 37 yılın ortalama değerlerine göre Karadeniz'in batı yarısında, doğu yarısına göre daha büyük belirgin dalga yükseklikleri oluşmaktadır. Bu çalışmanın yıllık ortalama dalga yüksekliği 1.4 m ve aynı bölgedeki Akpınar ve Kömürcü 'nün (2013) araştırmasında elde eden sonuca göre (0.8 m) daha büyüktür. 
Karadeniz'de dalga enerjisi dağılım haritaları incelendiğinde, en büyük dalga enerjisi potansiyelinin Ocak (34.7 kW/m) ve Şubat (33.3 kW/m) aylarında ve Kış mevsiminde oluştuğu gözlenmiştir. Buna göre, Kış mevsiminin (31.7 kW/m) enerji potansiyeli Yaz mevsimine (5.33 kW/m) göre yaklaşık 6 kat daha büyük olarak elde edilmiştir. Bölgesel açıdan Karadeniz'in batı bölgesi, doğu bölgesine göre daha çok dalga enerjisi potansiyeline sahiptir. Ayrıca Türkiye kıyılarında İstanbul'a yakın bölgelerin kıyılarında daha büyük dalga enerjisi potansiyeli (7 kW/m) gözlenmiştir. 
Karadeniz'de alansal ortalama dalga enerjisi açısından en yüksek aylık ortalama dalga enerjisi potansiyeli Aralık (12.01 kW/m), Ocak(10.82 kW/m ) ve Şubat (10.67 kW/m) aylarında elde edilmiştir. Ayrıca Mayıs (2.71 kW/m), Haziran (1.77 kW/m) ve Temmuz (2.77 kW/m) ayları en az aylık alansal ortalama dalga enerjisi potansiyeline sahipdir. Karadeniz'de 37 yıllık ortalama alansal dalga enerjisi 6.35 kW/m'dir.
İncelenen 10 noktadaki dalga enerjisi zaman serilerinden elde edilen sonuçlara göre Karadeniz'de enerji gücünün yılın ortalama %70 den fazlasında 0 ile 10 kW/m değerleri arasında olduğu tespit edilmiştir. Özellikle 2-5 kW/m aralığında elde edilen dalga enerjisi yılın en az %36'sında meydana geldiği belirlenmiştir. 
Tezin son bölümünde Mikro ölçekli sayısal modelin üstünlükleri ve faydaları tartışılmıştır. Mikro ölçekli modelin kurulumunda sınır şartları makro ölçekli sayısal modelin hesapladığı sonuçlardan alınmıştır. Bu model için ölçülmüş batimetri haritaları kullanılmıştır. Bölgenin sayısal modele hassas bir şekilde temsil edilebilmesi için sık bir sayısal hesap ağı hazırlanmıştır. Mikro ölçekli model çalışma alanında makro ve mikro ölçekli model sonuçları karşılaştırılmıştır.
Bu iki model derin deniz kesimlerinde çok yakın sonuçlar sunmalarına karşın kıyının yaklaşık 1,5 km uzaklığında mikro ölçekli sayısal model sonuçlarında azalma meydana gelmiştir. Bu çalışma sonucu olarak mikro ölçekli sayısal modelin ölçülmüş batimetre seti ve sık hesap ağından yararlanarak kıyıya yakın kesimlerde daha gerçekçi sonuçlar sunulmuştur. Kıyıya doğru enerji potansiyelinin makro ölçekli modelin verdiği sonuçlara göre daha az olduğu mikro ölçekli modelden görülmüştür.
Bu çalışmanın en önemli sonuçları, sayısal modellerde kullanılan hesap ağının daha az koşturma süreleri elde edebilmek için optimize edilmesi, Karadeniz ve Marmara denizi için uzun yıllara ait dalga enerjisi potansiyellerinin çıkarılması ve bölgesel dalga enerjisi hesaplarında mikro ölçekli modellemeler için geliştirilen yöntemin sunulması şeklinde özetlenebilir.  Bu sonuçlar bundan sonraki araştırmalarda faydalı olacaktır.

Abstract:
Energy is an indispensable factor for increasing the quality of life and welfare of humanity. After finding the fire by the primitive people, they have taken a great step in their social and industrial development. By the end of the 18th century, Europeans found coal mines and used those natural resources to lay the foundations of the Industrial Revolution. In the course of this development, the industry using new fossil resources has developed and urbanization has increased greatly. With rapid development of industry, fossil energy resources which had formed over millions of years in the lower layers of the earth, are depleted rapidly. In addition, according to the researches of scientists, the production of energy from fossil fuels, causes environmental pollutions and deterioration of natural balance. 
In recent years, many studies have been conducted on alternative energy sources which meet the energy needs of people instead of fossil energy and have less environmental impacts. As a result of these researches, the concept of renewable energy sources has introduced. By the development of technology, it is possible to convert the energies of nature into electrical energy.
Although the energy obtained from renewable energy sources with today's technological opportunities is more costly than the energy obtained from fossil sources but it should be considered that fossil source energy causes bigger environmental problems. The most important feature of renewable energy sources is their inexhaustibility and their lower damage to the environment. Solar, Wind, Wave, Tidal, Biomass, Hydroelectric and Geothermal energy can be considered as renewable energy sources.
Nowadays, electrical energy has a direct impact on the life of the society and becomes one of the most important factors of human life quality. Usable electrical energy is one of the most important inventions of human and plays the main role in the development of social, economic and culture of humans. Nowadays, it is a fact that many objects that increase the welfare level of the society are working with electrical energy and the quality of life of people is based on electrical energy. Moreover, the role of rich and reliable energy sources should be kept in mind in the international relations of countries and should consider in establishment of the political power balance.
For example, petroleum, as a fossil energy sources, has turned the countries of its origin into political and economic focal points. In this case, decreasing the dependency on foreign sources of energy for a developing country such as Turkey has great importance. For this reason, it has become a necessity to conduct a wide range of research into renewable energies. Nevertheless, in Turkey, there is no sufficient scientific research related to the subject of this thesis.
The potential of energy generated from sea waves across the world is estimated to be above 2 TW. However, only 0.5 TW of this potential can be used with today's technology. Therefore, research and development activities in this area need to be accelerated in order to make the highest possible use of wave energy. The continuation of researches on this subject will make it possible to use the wave energy economically and the usage of it will become more widespread. This Ph.D. thesis, investigated the Sea Wave Energy potential for Turkey and presented reliable results. Obviously, Turkey has a great wave energy potential. It can be said that some energy needs can be met from the wave energy especially in the coastal areas which forms a large part of the country. For this purpose, the wave energy potential of Black Sea and Marmara Sea is calculated with MIKE 21SW which is the spectral wave module of MIKE by DHI.
For the models that installed with a software, in order to be at a reliable level, the model input data, the structure of the mesh and the data which will compare with the model outputs must have a sufficient accuracy and number. "Marine Geoscience Data System" bathymetric values and ECMWF (the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) wind data have been used in the numerical modeling setup with software that mentioned above. The numerical model with fixed parameter values has been run on the various numbers of meshes. The result of the numerical model has been compared with various numerical meshes, to optimize mesh element count. These numerical meshes have a different number of elements. In addition, to verification and calibration the result of the numerical model TPAO and Ambarli buoys measurements wave data were used for the Sea of Marmara and Gelendzhik, Hopa, Sinop and Filyos buoys, Gloria and MHI drilling platform and AVISO 1, 2, 3 satellite measurements wave data for the Black Sea. The relationship between measurement values and model results was evaluated by statistical parameters such as r, R2, RMSE, MAE, MedSim, MedObs, BIAS and SI.
The use of long-term data sets of ECMWF (1979-2016) significantly increased the reliability of the results obtained in this study. However, studies have been carried out on the microscale numerical model setup for use in regional wave energy potential researches.
The study area covers the Black Sea and Marmara Sea for the macro scale model. In the micro-scale model, the coastline of Akçakoca district of Düzce province on the Black Sea was investigated.
In the Marmara Sea, the number of optimized mesh elements for the macro scale numerical model is 4892. The numerical model was calibrated by preparing 20 scenarios with wave parameters that measured by TPAO buoy. In the calibration phase, a strong relationship between measured parameters and the numerical model results (r = 0.88) has been obtained. A 20-year (1994-2014) ECMWF wind data set was used for long-term wave energy estimation in the calibrated numerical model. The numerical model results are presented as monthly, seasonal and average of 20 years.
According to the average monthly significant wave height values, the highest significant wave height occurred in August (0.40 m) and the lowest in May and June (0.20 m). As seasonality analysis, the highest significant wave heights were observed in winter and summer seasons and the highest significant wave height was obtained as 0.36 m. The spring season has the lowest significant wave height value. In general, the maximum of average significant wave height of 20 years was obtained as 0.30 m and in the central parts of Marmara Sea.
According to the monthly average wave energy values in the Marmara Sea, the maximum values are obtained in November (1.1 kW / m). The minimum monthly wave energies occur in May and June (0.3 kW / m). In terms of seasonality, the highest wave energy was obtained in winter (maximum seasonal values of 0.75 kW / m) and the spring season has the lowest wave energy value. In general, the highest value in the average wave energy of 20 years was found to be 0.47 kW / m in the central parts of the Marmara Sea. The regions with the lowest wave energy in the regional wave energy study were identified as the gulfs of Izmit, Gemlik and Erdek.
In setup of the large-scale modeling of the Black Sea, the optimized numerical mesh with 5928 element number and 37-year ECMWF wind data set were used. The prepared numerical model was calibrated by comparing numerical model results with the measured wave parameter data sets in various regions of the Black Sea. For various calibration points, the correlation coefficient between the measured wave parameters and numerical model results are between r = 0.9 and r = 0.77.
As a result of this research, the months with the maximum average significant wave height are January (2.10 m) and February (2.07 m). In this study, the results of the numerical model on a monthly basis analysis, are compatible with the results of the studies by Rusu (2009), Aydoğan et al., (2013) and Akpınar and Kömürcü (2013). These results also show the highest seasonal wave height, obtained in the winter season (2.0 m). According to the average values of 37 years numerical model results, in the Western half of the Black Sea, larger significant wave heights are occurred in compared to the eastern half. The average annual significant wave height of this study is 1.4 m and it is greater than the 0.80 m average annual significant wave height that obtained by Akpınar and Kömürcü (2013).
When the wave energy distribution maps are examined in the Black Sea, the greatest wave energy potential occurs in January (34.7 kW / m) and February (33.3 kW / m) and in winter. Accordingly, the energy potential of the winter season (31.7 kW / m) was approximately 6 times greater than the summer season (5.33 kW / m). Regionally analysis shows that, the western half of the Black Sea has more wave energy potential than the eastern half. Also, the larger wave energy potential appear in coastal areas close to the coast of Istanbul in Turkey (7 kW / m) was observed. Also, the greatest wave energy potential appears in coastal areas close to the Istanbul in Turkey (7 kW/m).
The highest monthly average wave energy potential was obtained in December (12.01 kW / m), January (10.82 kW / m) and February (10.67 kW / m) in terms of the average wave energy in the whole of Black Sea domain. In addition, May (2.71 kW / m), June (1.77 kW / m) and July (2.77 kW / m) months have the minimum monthly average in term of average regional wave energy potential. The 37-year whole domain's average wave energy in the Black Sea is 6.35 kW / m.
According to the results obtained from time series of wave power at various 10 points in the Black Sea domain, the energy power in the Black Sea has occurred in the range of  0- 10 kW/m in 70% of the year. Especially the wave energy obtained in the range of 2-5 kW / m was at least 36% of the year.
In the last part of the thesis, the advantages and benefits of micro scale numerical model have discussed. The boundary conditions in setting of the micro scale model have taken from the results calculated by the macro scale numerical model. Additionally measured bathymetry maps have used for this model.
A frequent mesh has been prepared to precisely represent the region in the numerical model. Macro and micro scale numerical model results were compared in micro scale model study area. Although these two models offer very close results in deep-sea sections, micro-scale numerical model results have been reduced at a distance of approximately 1.5 km from the coastline.
Based on the results of this study it can be recommended that, micro scale numerical model have presented more realistic results in the coastal areas by using measured bathymetry set and finer computation mesh. It can be seen from the comparison of results of micro and macro scale models that the energy potential obtained by micro scale model is lower than the results of macro scale model towards the shoreline.
Finally the most important outcomes of this study can be listed as below:
•	Optimizing the number of mesh elements used in numerical models in order to achieve fewer run times
•	The extraction of long-term wave energy potential for Black Sea and Marmara Sea.
•	Presenting a method to setup numerical modeling for local wave energy computations.