Dünyada ve Türkiye'de rüzgar enerji santrallerinde yaşam sonu stratejilerinin değerlendirilmesi
Evaluation of end of life strategies in wind power plants in the world and in Turkey
Yazar: EREN DEDE
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ YALÇIN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tüm dünyada yenilenebilir enerji üzerine olan yatırımlar her geçen gün hızla artmaktadır ve genel olarak yenilenebilir kaynakların kullanımı günümüzde pek çok ülkede yaygın hale gelmiştir. Özellikle bu yenilenebilir enerji sistemlerinden rüzgâr enerjisi üzerine olan girişimler ve projeler, Türkiye'nin de arasında yer aldığı gelişmekte olan ülkeler ve gelişmiş ülkelerin yenilenebilir enerji yatırımlarında oldukça ciddi bir pay sahibi olmuştur. Zira güncel verilere dayanarak Dünyadaki elektrik üretimlerinin yaklaşık %7-8'i rüzgâr enerjisinden sağlanmaktadır ki bu değer her geçen yıl daha da artmaktadır. 
İlk olarak 1990'lı yıllarda Danimarka, Almanya ve ABD'nin proje ve yatırımlarına başladığı rüzgâr enerjisine olan yatırımlar diğer ülkelerde de zamanla ciddi bir şekilde yapılmaktadır. Ancak ilk kurulumundan uzun süreler sonra türbinlerin verimlerinde meydana gelen düşüşlerden veya bazı idari ve proje kaynaklı sorunlardan dolayı santral ömürleri sonlarına gelmektedir. Zira bu süre standart olarak bir rüzgâr santralinin teknik faydalı ömrü olan 20-25 yıldır. Dolayısıyla bir santralin faydalı ömrünün sonuna gelindiğinde yatırımcıların bundan sonra işleyecekleri politikalar oldukça önem arz etmektedir. Literatürde bu aşamada meydana gelebilecek birden fazla yaşam sonu değerlendirme uygulaması vardır ve küresel tecrübelere bakıldığında yaşam sonu değerlendirmelerinden yeniden güçlendirme çalışmaları en yaygın olan yöntemler olarak dikkat çekmektedir. Dünyada en çok uygulanmış olması dolayısıyla bu çalışmada yaşam sonu stratejilerinden yeniden güçlendirme üzerine daha çok durulmuştur. 
Literatürde "Repowering on Wind Farms; Rüzgâr Santralinde Yeniden Güçlendirme" olarak tanımlanan bu kavram bütünü, bir rüzgâr enerji santralinde mevcut rüzgâr türbinlerinin demonte edilmesi ve bu demonte edilen eski türbinlerin yerlerine veya yakınlarına yeni nesil büyük güçte türbinlerin kurulması anlamına gelmektedir. Dünyada bu alanda yapılan çalışmalar ilk olarak rüzgâr enerjisinde öncü olan Danimarka ve Almanya'da başlamışken gün geçtikçe eskiyen rüzgâr santrallerinin sayısının artmasıyla yeniden güçlendirme pek çok ülkede uygulamalarına başlanan bir yöntem haline gelmektedir. Türkiye açısından da standart ömrünün sonuna gelen rüzgâr enerji santrallerinin yavaş yavaş artacak olmasıyla bu alanda yakın gelecekte çalışmalara başlanacağı öngörülmektedir. 
Şimdiye dek yapılan işlerden ve uygulamalardan elde edilen verilere göre yeniden güçlendirme yönteminin oldukça fazla olumlu yanı vardır. Yine de bazı proje sahipleri ve yatırımcılar yeniden güçlendirme ile ortaya çıkacak bu pozitif etkilerin fazla olabilme durumuna rağmen farklı yaşam sonu değerlendirme yöntemlerini uygulamaktadırlar veya yeni santral kurma teşebbüsünde bulunmaktadırlar. Ancak sektör tecrübelerine göre belli koşullar altında proje sahiplerinin yeni santral kurmak yerine mevcut sahalarında bir yaşam sonu değerlendirmesiyle yeniden güçlendirme yapmaları daha tercih edilebilir konumdadır. Bu çalışmaların her ne kadar çok fazla artıları olsa da elbette ki bazı dezavantajları veya olumsuz etkileri de bulunmaktadır. 
Bu çalışmada rüzgâr enerjisi sistemlerinde yeniden güçlendirmenin ve diğer yaşam sonu senaryolarının nasıl yöntemler oldukları, uygulamalarında dikkat edilmesi gereken kriterlerin, bu çalışmalara etkiyen unsurların ve bu çalışmaların ortaya çıkaracakları etki ve sonuçların neler olduğu açıklanmaktadır. Buna ilaveten, tüm dünyada bu alanda yapılan çalışmaların incelenmesi yanı sıra aynı zamanda Türkiye'nin potansiyel yeniden güçlendirme ve diğer yaşam sonu stratejilerinin değerlendirilmesi yapılmaktadır. Bu bağlamda Türkiye'de yer alan örnek bir saha üzerinden olası bir yeniden güçlendirmenin oluşturabileceği potansiyel sonuçlar irdelenmektedir. Temel olarak bu çalışma sonunda ortaya çıkan sonuçlar umumiyetle pozitif çıksa da bu hususta değerlendirilecek pek çok unsurun olduğu vurgulanmış ve analizleri yapılmıştır. 
Bu tez çalışması sonucunda yeniden güçlendirme ve diğer yaşam sonu senaryolarına etki eden en önemli teknik ve idari unsurlar belirlenmiştir. Bunlar; sahanın mevcut durumu, eski türbinlerin servis ve bakım sözleşmesinin kalan geçerlilik süresi, mevcut türbinlerin her birinin kapasite faktöründeki yıllara göre değişim oranı, devletin bu uygulamalara yönelik çıkaracağı mevzuat ve yönetmelikler, yine devletin yatırımcıya uygulayacağı teşvik mekanizmasının durumu ve ek sübvansiyonların olup olmayacağı vb. olmak üzere ifade edilmektedir. 
Ek olarak bu çalışmada en belirleyici mali etkenlerin ise mevcut türbinlerin satılması veya geri dönüştürülmesi hususu için piyasa pazarının durumu, yeni türbinlerin maliyetleri, elektrik piyasa fiyatlarının seviyesi, yeniden güçlendirme için yatırım maliyetleri ve ömür uzatma için işletme maliyetleri olduğu tespit edilmiştir.
Bu çalışmanın çıktısı olarak, büyük güçte yeni nesil örnek türbin modelleri kullanımıyla beraber, santral kurulu gücü korunsa dahi tam yeniden güçlendirmeyle birlikte elektrik üretiminde ciddi miktarlarda artış söz konusu olmaktadır. Bununla beraber elbette yıllık finansal getirinin de oldukça arttığını söylemek mümkün olmuştur. 
Son olarak bu tez çalışmasında gelecek çalışmalara da önerilerde bulunulmuştur. Ayrıca bu tez henüz Türkiye'de bu alanda herhangi bir çalışmanın yürütülmemiş olmasından dolayı gelecekte Türkiye'de yapılacak çalışmalara öncü olacak niteliktedir.

Abstract:
Renewable energy systems are one of the most important energy systems in which many countries around the world create their energy investment strategies and plans. Renewable energy systems have become very important on the planet in a short time due to the multiple positive effects they have created. It should also be noted that in order to overcome the energy crisis that has been experienced all over the world recently, especially this energy crisis that has increased tremendously as a result of the Russia-Ukraine war, the states have taken very fast and big steps to reduce fossil fuel consumption and increase the use of green energy. Therefore, studies on renewable energy are increasing day by day.
The types of renewable energy that countries naturally benefit from the most in line with their geography, underground wealth and resources are changing. However, it should be noted that the most widely used renewable energy sources all over the world are; water (hydroelectric), wind, solar, biomass and geothermal. In particular, wind energy systems are among the most used energy systems in renewable energy systems investments in the world in this direction.Wind energy systems are one of the important factors that determine the energy investment strategies of countries at this point. As a matter of fact, Turkey has been increasing its investments in this field, especially in the last 10 years, and it is expected to increase for the future. 
Thousands of wind turbines have been installed and put into operation in the last 3035 years all over the world on Wind Energy Systems. Since then, wind turbines used in this field have changed with the developing technology. Small sized wind turbines with a nominal power of 200-300 kW used in the first installations in the past have been replaced by huge turbines with a nominal power of 7000-8000 kW these days. These developments in a short time show how important the wind energy sector is. 
It should also be known that a wind turbine has a useful life of about 20 years, but this period can be up to 25 years with some development and regulation studies. In fact, with the new turbine technologies produced in line with new research, this period may extend up to 30-35 years. Technically, this time depends on component design margins, wind farm location, meteorological conditions, maintenance record and etc. However, industry experience in general shows that the useful life of a wind turbine is 20-25 years as standard.
As a result of the studies and projects in this field, it has been observed that, like every technology, these systems are also subject to aging over time, and besides, there is a decrease in parameters such as efficiency and usability over time. Because it is claimed that with each passing year, the average load factors and annual energy production of wind turbines decrease by 1-2%. In addition, as turbines age and turbines require more maintenance, turbine downtime increases. Thus, operating costs increase over time. All these explanations and this rapid development of wind energy systems in general reveal that turbines will become technologically obsolete before they even reach half of their useful life.
In line with these problems and situations, when the age of the power plant increases and its operational life comes to an end, the project and property owners have to go to some new searches. In this context, three main options appear before them. The first is decommissioning, which is to remove infrastructure and reinstate land. The second is the extending of the life span of a wind power plant, without changing its physical characteristics (without increasing the amount of energy production), but with some changes, which increases the current planning time. And finally, the third option is repowering, which is applied to replace existing aging turbines with new, more efficient and generally larger turbines, by increasing or keeping production capacity at the same level. 
As stated, there are multiple applications that may occur at this stage, but when global experiences are taken into account, repowering studies are the most common methods among end-of-life assessments. Since it is the most applied in the world, this study focuses more on repowering, one of the end-of-life strategies. 
This concept, which is defined as "Repowering in a Wind Power Plant" in the literature, means disassembling the existing wind turbines in a wind power plant and installing new generation high-power turbines in the places or close to these disassembled old turbines. While studies in this field in the world first started in Denmark and Germany, which are pioneers in wind energy, repowering is becoming a method that has been started to be applied in many countries with the increase in the number of wind power plants that are getting old day by day. In terms of Turkey, it is foreseen that the wind power plants, which are coming to the end of their standard life, will gradually increase and work in this area will begin in the near future. 
According to the data obtained from the works and applications done so far, the repowering method has many positive aspects. Nevertheless, some project owners and investors apply different end-of-life evaluation methods or attempt to build new power plants, despite the fact that these positive effects that will emerge with repowering may be high. However, according to industry experience, under certain conditions, it is more preferable for project owners to retrofit (extend the life of the wind farm by upgrading some components) their existing sites with an end-of-life assessment instead of building a new power plant. Although these studies have many advantages, there are of course also some disadvantages or negative factors. 
In this study, it is explained how repowering and other end-of-life scenarios in wind energy systems are methods, the criteria to be considered in their applications, the factors affecting these studies and the effects and results of these studies. In addition to this, besides examining the studies done all over the world in this field, it also evaluates Turkey's potential repowering and other end-of-life strategies. In this context, the potential consequences of a possible repowering over an exemplary site in Turkey are examined. Basically, although the results obtained at the end of this study are generally positive, it has been emphasized that there are many factors to be evaluated in this regard and their analyzes have been made.
As a result of this thesis, the most important technical and administrative factors affecting repowering and other end-of-life scenarios were evaluated. These; the current status of the field, the remaining validity period of the service and maintenance contract of the old turbines, the rate of change and decrease in the capacity factor of each of the existing turbines according to the years, the legislation and regulations to be issued by the government for these applications, the status of the incentive mechanism that the government will apply to the investor and whether there will be additional subsidies, and etc, however, it is very important to make a financial analysis in order to make the study economically reasonable in addition to all these parameters in line with the researches. The most decisive financial factors in this study are the state of the market for the sale or recycling of existing turbines, the costs of new turbines, the level of electricity market prices, the investment costs for repowering and the operating costs for life extension. 
As the output of this study, with the use of new generation turbine models with high power, even if the installed power of the power plant is preserved, there is a significant increase in electricity production with full repowering. Also, of course, it has been possible to say that the annual financial return has increased considerably. 
Finally, in this content, suggestions were made for future studies. In addition, this thesis will be a pioneer for future studies in Turkey, since no study has been carried out in this field in Turkey yet.