Küçük akarsu havzalarında hidroenerji potansiyelinin belirlenmesi için en uygun modelin araştırılması
Investigation of the optimal method for determining hydropower potential of small stream basins
Yazar: İBRAHİM HALİL DEMİREL
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: GIS =   ; Hidroelektrik = Hydroelectric

Özet:
Endüstrileşmeyle birlikte, insan gücüyle yapılan işler büyük miktarlarda fosil yakıt enerjisi kullanarak makinelerle yapılmaya başlanmış olup bu da büyük bir miktarda enerji ihtiyacı oluşturmuştur. Bu küresel enerji tüketimi, nehir tipi hidroelektrik projeleri başta olmak üzere alternatif enerji kaynaklarını keşfetme ihtiyacını doğurmuştur. Türkiye'de küçük akarsulardan yararlanarak hidroelektrik enerji üretimi henüz istenilen seviyeye ulaşmamıştır. Hidroenerji, suyun potansiyel enerjisinin başta kinetik, daha sonra mekanik enerjiye dönüştürülmesiyle elde edilen bir enerji tipidir. Herhangi bir akarsu kaynağı üzerinde bir hidroelektrik santral projesi tasarlandığında, projelendirmede kullanılacak en önemli iki parametre; akarsuyun debisi ve düşüsüdür. Hidroenerji potansiyeli topografya ve hidrolojinin bir fonksiyonudur. Topografyadan yükseklik, hidrolojiden de debi elde edilerek hidroenerji potansiyeli belirlenebilir. Bu tez çalışmasının temel amacı, Fırat-Dicle havzasında yer alan Batman alt havzasında hidroelektrik enerji üretiminin istenilen düzeyde artırılabilmesini sağlamak ve yerel olarak uygulanabilecek potansiyel elektrik üretimini tahmin etmek için basitleştirilmiş bir yöntem sunmaktır. Bu çalışmada, Hidrolojik Modelde (HM) kullanılmak üzere üç adet yağış istasyonun eksik günlük yağış verileri Yapay Sinir Ağı (YSA) Yöntemiyle tahmin edilmektedir. Daha sonra Batman ili alt havzası üzerinde Akım Gözlem İstasyonu (AGİ) bulunmayan sekiz adet küçük akarsu üzerinde, havza sınırı ve drenaj ağı Havza Modelleme Sistemi (HMS) (Watershed Modeling System (WMS)) tarafından hazırlanıp Hidrolojik Mühendislik Merkezi Hidrolojik Modelleme Sistemi'ne (HMM-HMS) (The Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modelling System (HEC-HMS)) aktarılmıştır. Simülasyon çalışmalarından elde edilen, modelin kalibrasyon (Basköy NSE = 87.0%, Celebiyan NSE = 87.40%) ve doğrulama (Basköy NSE = 83.70%, Celebiyan NSE = 81.90%) periyotları için ölçülmüş havza akım ve pik akım değerlerinin iyi bir şekilde tahmin edilebildiğini göstermektedir. HMM-HMS modeli yardımıyla, ölçülen Başköy ve Çelebiyan Derelerine ait parametrelerin kalibrasyon sonuçları, çalışma alanındaki ölçümü olmayan sekiz adet akarsuya aktarılmış olup bu akarsuların akımları simüle edilerek NSE ve BHH kriterleri ile değerlendirilmiştir. Çalışmada ayrıca modelden elde edilen debi değerleri, Yüzgeçler ve Pitot Tüpü Yöntemleri ile ölçülen hız değerlerine dayanarak hesaplanan debi değerleri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra çalışma alanındaki sekiz adet alt havza için Brüt Hidroelektrik Potansiyel (BHP), Hipsografik Eğri (HE) ve Düşü-Akım (DA) Diyagramları Yöntemleriyle hesaplanmakta olup hidroelektrik fizibilite analizi için Debi Süreklilik Eğrisi (DSE) kullanılmıştır. Sonuç olarak bu çalışma sonucunda göz önüne alınan havzalardaki akarsular için 15 ila 35 m'den daha yüksek düşülere sahip KHES'lerin yapılması durumunda maliyetlerini 2 ila 19 yıl aralığında finanse edeceği belirlenmiştir. Ayrıca bir akarsu havzasının hidroelektrik potansiyelinin, bir CBS çerçevesi içinde bir dijital yükseklik modeli, akarsu ağı verileri ve HEC modeli gibi bir hidrolojik model kullanılarak doğru bir şekilde değerlendirilebileceğini ortaya koymaktadır.

Abstract:
With industrialization, people have mechanized their work by using large amounts of fossil fuel energy, and this situation has created a large amount of energy need. Global energy consumption has triggered the need to explore alternative energy sources, especially river-type hydropower projects. Hydroelectric power generation in Turkey benefiting from small streams have not yet reached the desired level. Hydroelectric energy is the type of energy provided by converting the potential energy of water into kinetic energy first and then into mechanical energy. When a hydroelectric power plant project is designed on any river source, the two most important parameters to be used in project design are; it is the flow and head of the stream. Hydropower potential is a function of topography and hydrology. The head of the water from the topography and the flow from the hydrology are calculated and the power is calculated. The aim of this study is to provide that hydroelectric energy production can be increased at the desired level in the Batman sub-basin and will offer a simplified method to estimate the potential power generation that can be applied locally. In this study, missing daily precipitation data of three precipitation stations to be used in Hydrological Model (HM) are estimated by Artificial Neural Network (ANN) Method. Then, the basin boundary and drainage network were prepared by the Watershed Modeling System (WMS) and transferred to the Hydrological Engineering Center Hydrological Modeling System (HEC-HMS) on eight small rivers that do not have a Flow Observation Station (FOS) on the sub-basin of Batman province. The simulated values of the HM flows are evaluated using the Nash Sutcliffe Efficiency (NSE) and Relative Volume Error (RVE) criteria. Calibration (Baskoy NSE= 84%, RVE= - 24%; Celebiyan NSE= 72%, RVE= 9.7%) and verification (Baskoy NSE= 83%, RVE= - 14%; Celebiyan NSE= 71%, RVE=0.65%) shows that the measured basin flow and peak flows for periods can be estimated well possible. Calibration results of the measured parameters of Baskoy and Celebiyan Streams with the HEC-HMS model were transferred to eight unmeasured streams in the study area and the flows of these streams were simulated and evaluated with NSE and BHH criteria. In addition, the flow values obtained from the model were compared with the flow values calculated based on the velocity values measured by Floats and Pitot Tube Methods. Then, Gross Hydroelectric Potential (GHP), Hypsographic Curve (HC), and Head-Flow (HF) Diyagram Methods for sub-basins were calculated. Flow Duration Curve (FDC) was used for the hydroelectric feasibility analysis. As a result of this study, it has been determined that in the case of the construction of SHP with a head of 15 to 35 m for the rivers in the considered basins, their costs will be financed in the range of 2 to 19 years. It also the study revealed that the hydropower potential of a river basin can be correctly assessed by employing a digital elevation model, stream network data, and a hydrological model, such as the HEC model, within a GIS framework.