Ana Sayfa e-Dergi Su Altı Akıntı Türbinleri

Su Altı Akıntı Türbinleri

Batuhan Özçay / NKÜ Makine Müh. Öğrenci


Giriş

İnsanoğlunun enerjiye olan ihtiyacı günümüzde olduğu gibi gelecekte de her zaman var olacaktır. Bir toplumda üretilen ve tüketilen elektrik enerjisi ile gelişmişlik seviyesi arasında bir korelasyon kurulması mümkündür. Sosyo-ekolojik krizlerin dünyamızı etkilediği ve buna paralel enerji fiyatlarının yükseldiği bir dönemde yenilenebilir enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretimindeki payı hala yeterli seviyede olmaması geleceğimiz adına bir kaygı unsuru oluşturmaktadır. Fosil türevli yakıtların, yakın gelecekte tükenme ihtimali olduğundan sürdürülebilir farklı kaynaklardan elde edilen enerji türlerine olan yönelim kaçınılmazdır.

Dünya genelinde üretilen elektrik enerjisinin çoğunluğu geçmişte ve günümüzde fosil yakıtlardan sağlandığından ve ayrıca artan nüfusun etkisiyle üretim ve tüketim çıktılarındaki yükseliş ve de bunların yol açtığı iklim değişikliği gibi ekosistemdeki dengesizlikler küresel ısınmanın başat faktörleridir.

Geçmişte ve günümüzde fosil kaynaklı elektrik enerjisi üreten santrallerin işletme ve kurulum maliyetleri, yenilenebilir enerjiye göre düşük olsa da gelecekte BM İklim Eylem Planı ve AB Yeşil Mutabakatı’nın hedeflediği çerçeveye doğrultusunda bu durum yeşil enerji santralleri lehine değişmesi bekleniyor. Bu ucuzlama ile beraber farklı kaynak yelpazesine sahip yenilenebilir enerji türleri ile kesintisiz güç elde edilmesi de mümkün hale gelecektir. Bu enerjiyi sağlayan teknolojiler;

  • Güneş enerjisi
  • Hidroelektrik santralleri
  • Rüzgar türbinleri (kara üstü)
  • Rüzgar türbinleri (deniz üstü)
  • Katı yakıt enerjisi
  • Atık enerji
  • Biyogaz
  • Sıvı biyoyakıt
  • Jeotermal enerji
  • Güneş termik santralleri
  • Dalga enerjisi
  • Su altı akıntı türbinleridir.

Günümüzde enerji üretimi az olan yenilenebilir enerji teknolojileri de bulunmaktadır. Dünya üzerinde yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimi %38,4 ile en büyük pay hidroelektrik santrallere (HES) aittir (Şekil 1). Bu payda kilit rolü suyun akışkan özelliği sağlamaktadır.

Dünyadaki yenilenebilir enerji türleri ve kurulu güçleri
Şekil 1. Dünyadaki yenilenebilir enerji türleri ve kurulu güçleri1.

Yenilenebilir enerji üreten başlıca kaynaklar (hidroelektrik santraller, güneş enerjisi, kara üstü rüzgar türbinleri) dışında %9 oranında farklı yenilenebilir enerji üreten teknolojiler mevcuttur (Şekil 1). Kesintisiz enerji sağlamak, enerji güvenliği ve arzını teminat altına almak için bu değerin artırılması gereklidir.

Dünya üzerinde 2020 yılında üretilen enerjinin sadece %2,6’sı rüzgar türbinlerinden gelmektedir2. Bu enerjinin ise yaklaşık 1/13’ü deniz üstü rüzgar türbinlerinden sağlanmaktadır. Türkiye’de üretilen toplam enerjinin %8,1’i rüzgar türbinlerinden elde edilmektedir3.

Akış Türbinleri

Türbinlerden enerji üretebilmek için hareketli bir akışkana ihtiyaç vardır. Bu akışkan rüzgar türbinleri için hava iken; HES, dalga enerjisi ve su altı akıntı türbinleri için sudur.

Rüzgar enerji̇si̇ ve rüzgar türbinleri

Atmosferdeki hava; sıcaklığın etkisiyle ısınır, ısınan hava yükselir ve bazı bölgelerde alçak basınç, bazı bölgelerde yüksek basınç noktaları oluşturur. Termofiziksel yasalara göre hava molekülleri yüksek basınçlı bölgeden alçak basınçlı bölgelere hareket etme eğilimindedir ve bu doğal hareket sonucu oluşan olaya da rüzgar ismi verilmektedir.

Rüzgar türbinleri, havanın doğal hareketi sonucu oluşan rüzgardaki potansiyel enerjiyi önce mekanik ardından elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Hareket eden hava molekülleri rüzgar türbinlerinin kanatlarına çarpmaya başlar. Art arda çarpan hava molekülleri enerjisini türbinin kanatlarına aktarır ve kanatlar dairesel hareket yaparak dönmeye başlar. Bir ucu kanatlara diğer ucu jeneratöre bağlı olan milde aynı etkiyle dönmeye başlar. Jeneratörün içinde bulunan milin ucunda aynı zamanda bir tel yumağı bulunur ve bu tel manyetik alan içerisinde yer alır. Mil ile birlikte dönen bu tel manyetik alan içerisindeki kuvveti ortaya çıkarır ve bu manyetik kuvvet tel üzerindeki elektronlara çarparak hareket etmesini sağlar. Bu ardıl çarpışmalar sonucu elektronların hareket etmesi ile elektrik enerjisi oluşur. Türbinlerde oluşan elektrik enerjisi önce şebekelere daha sonrada evlere ve işyerlerine dağıtılmak üzere taşınır.

Rüzgar türbinleri, üretmesi istenen enerji miktarı ve kurulacağı bölgeye göre tasarımları ve iç donanımları değişmektedir. Yapılan en sık karşılaştırma eksenine ve kurulum yerlerine göre olan karşılaştırmadır. Pervanelerin dönüş ekseni ile kulenin konumu dikkate alınarak yatay, dikey veya eğik eksenli olarak adlandırılırken, kurulduğu bölgeye göre kara üstü veya deniz üstü olarak adlandırılmaktadır. Bununla birlikte tasarım ve üretim aşamalarında kullanılan parametreler ile farklı sınıflandırmalar yapmak mümkündür (Şekil 2).

Bu faktörler içerisinden kara üstü ve deniz üstü kuruluma sahip rüzgar türbinlerinin incelenmesinde fayda vardır. Çünkü rüzgar her coğrafi bölgede aynı şiddetle esmez. Bu da rüzgar türbinlerinin kurulum yeri için daha verimli yeni bölgelerin araştırılmasına ve farklı türbin tasarımlarına yol açar.

Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması
Şekil 2. Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması4.

Kara üstü (Onshore) rüzgar türbinleri

Kara üstü rüzgar türbinleri karada kurulu sistemlerdir. Bu türbinleri kurarken kurulum yapılacak arazinin analizi ve rüzgar hızı, uygulama alanına ulaşımı, üretilecek güç potansiyeli, trafo merkezine olan uzaklığı gibi parametrelere dikkat edilmesi gerekir. Bu parametrelere uygun olan boyutlarda rüzgar türbin kurulumları yapılarak şebekeye daha verimli enerji üretmek mümkündür. Rüzgar türbini sayısı artırılarak kurulan rüzgar çiftliklerinde daha fazla elektrik enerjisi elde etmek mümkündür. Dünya’nın en büyük kara üstü rüzgar çiftliği Çin’in Gansu eyaletinde kuruludur, toplamda 7.000 türbin ile 7.965 MW kapasiteye sahiptir (Şekil 3 sol). Ülkemizde ise 181 adet türbin ile toplamda 288 MW kapasiteye sahip olan Soma rüzgar çiftliği Türkiye’nin en büyük rüzgar çiftliğine örnek olarak verilebilir5 (Şekil 3 sağ).

Gansu (sol), Soma (sağ) rüzgar çiftliği
Şekil 3. Gansu (sol), Soma (sağ) rüzgar çiftliği6,7.

Deniz üstü (Offshore) rüzgar türbinleri

Deniz üstü rüzgar türbinleri, kara üstü rüzgar türbinlerine göre daha fazla enerji üretebilirler. Bu iki tip türbin, yapılarına ve kurulduğu alanlara göre farklı avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Denizde kurulu olan rüzgar türbinleri özellikle korozyona daha dirençli yapı malzemeleri ile üretilmelidir. Denizlerde rüzgarın akışını etkileyen engeller olmadığı için deniz üstü rüzgar türbinlerinden enerji üretmek daha verimli olmaktadır. Kurulum maliyetleri daha fazla olmasına rağmen zamanla üretilen enerji kıyaslandığında deniz üstü rüzgar türbinlerinin şebekeye katkısı daha fazladır.

Deniz üstü rüzgar türbinlerinin kara üstü türbinlerine göre avantajları;

  • Denizdeki rüzgarın daha laminer akış sağlaması, hızlı ve stabil olması enerji hasadında sürekliliği sağlar.
  • Deniz üstü rüzgar türbinlerinin yerleşim yerlerinden uzak olması daha az gürültü kirliliği oluşturmaktadır.
  • Deniz üstü rüzgar türbinleri daha geniş alanlara ve birbirinden daha uzak türbinler kurularak rüzgarın perdelenmesi önlenmiş olur (Şekil 4).
  • Arazi alanı kullanımı yoktur.

Saint- Brieuc Körfezi deniz üstü rüzgar türbinleri
Şekil 4. Saint-Brieuc Körfezi deniz üstü rüzgar türbinleri8.

Kara üstü ve deniz üstü rüzgar türbinlerinin karşılaştırması

Kara üstü rüzgar türbinleri, rüzgarın verimli olduğu bölgelere kurulan karasal türbinlerdir. Deniz üstü rüzgar türbinleri ise açık denizlerde kurulan ve denizde oluşabilecek korozyona karşı yüksek korumalı, kara üstü rüzgar türbinlerine göre daha büyük kanatlara sahip ve nispeten daha gürültülü sayılabilecek türbinlerdir.

Dünya genelinde 2015 - 2020 yılları arası kara üstü ve deniz üstü rüzgar türbinlerinden üretilen enerji miktarı
Şekil 5. Dünya genelinde 2015-2020 yılları arası kara üstü ve deniz üstü rüzgar türbinlerinden üretilen enerji miktarı9.

2015-2020 yılları arasında küresel çapta rüzgar enerjisinden üretilen enerjiler incelendiğinde, kara üstünde kurulmuş sistemlerin (KÜKS) deniz üstünde kurulmuş sistemlere (DÜKS) göre çok daha fazla enerji üretimi sağladığı görülmüştür. 2012 yılında KÜKS’ün (1481 TWh), DÜKS’e (112 TWh) oranı 34 iken 2020’de bu oran 13’e düşerek tüm rüzgar sistemleri içinde denizde kurulu sistemlerin sayısı zamanla artsa da yeteri kadar değildir (Şekil 5). Bunun ilk sebebi, deniz üstü rüzgar santrali kurulumunun daha zor olmasıdır. Kara üstü rüzgar santrallerinin kurulum ve türbin maliyetinin deniz üstü rüzgar santrallerine göre çok daha düşük olmasından dolayı daha yaygındırlar. Kara üstü ve deniz üstü rüzgar türbinlerinin farkı sadece kurulum ve işletme maliyeti ile sınırlı değildir (Çizelge 1).

Çizelge 1. Kara üstü ve deniz üstü rüzgar santrallerinin karşılaştırılması.

Kurulum MaliyetiÇalışma HızıEnerji Üretimiİşletme MaliyetiYaygın Kullanımı
Kara ÜstüDüşükDüşükDüşükDüşükYüksek
Deniz ÜstüYüksekYüksekYüksekYüksekDüşük

Rüzgar türbinleri ve çevreye etkileri

Rüzgar enerji santrallerinde hava kirliliği yaratacak veya sera gazları emisyonu oluşturacak bir faktör yoktur ama kurulu olduğu bölgede bazı canlılar için potansiyel tehlike oluşturabilirler10. Rüzgar türbinleri dişli kutusu, jeneratör ve yedek motor kaynaklı mekanik ses ve aerodinamik ses oluşturarak gürültü kirliliğine yol açmaktadır.

Bu yüzden RES’lerin kurulacağı yerler seçilirken bazı faktörler göz önünde bulundurulmalıdır (Çizelge 2).

  1. Kuş göç yollarından,
  2. Gürültü faktörü dikkate alınarak doğal yaşamdan ve insanlardan,
  3. Radyo ve TV alıcılarını etkileme potansiyelinden dolayı bu tür yapılardan,
  4. Deniz üstü rüzgar enerji santralleri görsellik açısından turistik bölgelere ve ileride kurulabilecek olası yeni deniz ulaşım hatlarından,
  5. Deniz ekosistemini etkileyebilecek bölgelerden uzak yerlere kurulmalıdırlar.

Çizelge 2. Kara üstü ve deniz üstü rüzgar santrallerinin çevreye olan etkilerinin karşılaştırılması.

Kara üstüDeniz üstü
Kuş göç yolları üzerinde bulunmaması++
Gürültü faktörü (insana etkisi)+-*
Radyo ve TV alıcılarını etkileme potansiyeli+
Görsellik faktörü+

*Deniz canlılarını etkileyebilir11.

Bunun yanı sıra Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’nın yayınladığı yönergeye göre türbinlerin kurulduğu noktadan 300 metre çaplı sağlık koruma bandı uygulanması gereklidir. Buradaki asıl amaç hem gürültü hem de manyetik etkilerden dolayı herhangi bir canlıya zarar gelmesini önlemektir.

Ortalama bir rüzgar türbini yakınında ses seviyesi 105 dB(A)’yı bulabilir ve bu ses seviyesi neredeyse bir fabrika kadar ses çıkarmaktadır. Bu seslere uzun süre maruz kalmak insan sağlığına zarar verir. İnsan kulağı 90 dB(A) ve üstündeki ses seviyelerinde zarar görür. Ev yerleşimi için azami 300 metre uzaklıkta bulunması zorunlu olan bir rüzgar türbini sizi yaklaşık 45 dB(A) sürekli bir sese maruz bırakabilir12,13 (Şekil 6).

Ortalama bir rüzgar türbini ve ses seviyesi
Şekil 6. Ortalama bir rüzgar türbini ve ses seviyesi12.

Rüzgar türbinleri ve boyutları

Rüzgar türbini boyutları, üretilmek istenen enerji ile birlikte büyümektedir. Teknolojinin ve çevresel koşulların izin verdiği ölçüde büyüyen türbinler artık devasa boyutlara ulaşmıştır.

Bir türbin daha fazla enerji üretmesi için daha büyük kanatlara (bıçaklara) sahip olması gerekir bununla birlikte ağırlıkları da oldukça artmaktadır. Boyutlar ve ağırlıklar dikkate alındığında üretilen bir kara üstü rüzgar türbinin taşınması ve montaj aşaması oldukça zorlayıcıdır. Şu an Dünya üzerinde bulunan en yüksek kara üstü rüzgar türbini Almanya’dadır. Bu türbinin yerden yüksekliği kanat uzunluğu ile birlikte 246,5 metreyi bulmaktadır14. Deniz üstü rüzgar türbinleri de aynı şekilde devasa boyutlara sahip olabilmektedir. Deniz üzerinde bulunan ve kurulu en büyük türbin olma özelliğine sahip türbin, kanat uzunluğu ile birlikte 260 metre yüksekliğindedir. Fransa’da bulunan bu türbin neredeyse üst üste 4 tane Galata Kulesi boyutundadır15.

Rüzgar türbini ve bileşenleri
Şekil 7. Rüzgar türbini ve bileşenleri.

Bir rüzgar türbininin zeminden motor kısmına kadar olan uzunluğu merkez yüksekliğidir. Tam boyu ise kanat uzunluğunun eklenmesi ile olur (Şekil 7). Hem kara üstü hem de deniz üstünde bulunan türbinlerin boyutlarını anlayabilmek için, onları başka yapılar ile kıyaslamak türbin büyüklüklerini daha iyi kavramamıza yardımcı olacaktır (Şekil 8).

Türbin boyutlarının kıyaslanması
Şekil 8. Türbin boyutlarının kıyaslanması.

Rüzgar türbinlerinden daha çok enerji elde edebilmek için boyutlarının büyütülmesi gerekir bu da maliyetlerinin artması anlamına gelmektedir. Hammadde ve üretim maliyetinin düşürülebilmesi için daha küçük boyutlu türbin teknolojilerine yönelmek ve bu küçük süpürme alanlı kanatlarla daha yüksek enerji girdisi sağlanması için akışkanın daha yoğun olması gerekmektedir. Havadan daha yoğun, su akışkanlı ortamlarda kurulan dalga enerjisi sistemleri ve su altı akış türbin teknolojilerinin yaygınlaştırılması ile bu enerji girdisinin payı artırılabilir.

Su altı akıntı türbinleri

Su altı akıntı türbinlerinin temel amacı rüzgar türbinlerinde olduğu gibi bir akışkanın hareketi sonucu oluşan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektir. Rüzgar türbinlerinde kullanılan akışkan hava iken su altı akıntı türbinlerinde su kullanılmaktadır.

Su altı akıntı türbinleri, rüzgar türbinlerine göre daha az yaygın ve diğer türbinlere göre yeni bir teknoloji olarak sayılabilir. Artan enerji ihtiyacını karşılamak için bir çok şirket bu yeni teknoloji üzerinde çalışmakta ve dünyanın farklı bölgelerinde kullanılmaya başlanmaktadır. Bu firmalar içinde öncülük eden Simec Atlantis Energy şirketi MeyGen projesi ile İskoçya’nın kuzey kısmında yer alan Stroma Adası’nda 2016 yılında başlattığı projenin yüksek başarı elde etmesi bu sistemlerin enerji üretimi için önemini gözler önüne sermiştir.

Neden su altı akıntı türbinleri?

Ortalama kara rüzgar türbini kanat açıklığı 50-100 metre arasında değişmektedir. Büyüklük bakımından kurulum maliyetleri boyut ile orantılı olarak artmaktadır. Günümüzde gerekli enerjiyi üretebilmek için rüzgar türbinlerinin boyutları 200 metrelerin üzerine çıkmış ve çevreye verdiği rahatsızlıklar artmıştır. Devasa hale gelen kanatların döndüğünde çıkardığı ses ve kanatların arkasına geçen güneş ışığının yüzeyde oluşturduğu titreşimler, rüzgar türbinlerine yakın yerlerde yaşayan insanları rahatsız etmektedir.

Su altı akıntı türbinlerinde kullanılan türbinler ise suyun ortalama 60 metre altında bulunur. Kara üstü rüzgar türbinlerine karşın ses veya görüntü kirliliği yaratmazlar. İnsanların yanı sıra suda yaşayan canlılar da su altı türbinlerin oluşturduğu akış türbülansları ve titreşimlerden dolayı türbinlerden pek etkilenmezler. Su altı akıntı türbinlerinde önemli olan kurulum yapılacak bölgenin ekosisteminin incelenmesidir. Bu sistemler su altında yaşayan canlılar için tehdit oluşturmamalıdır.

Su altı akıntı türbinlerinde boyutlar deniz üstü ve kara üstü rüzgar türbinlerine göre küçüktür, bunun başlıca sebebi akışkan farkıdır. Su havadan 832 kat daha yoğundur. Bu yoğunluk farkı enerji üretmek için daha küçük kanatlar kullanılabileceği anlamına gelir. Simec Atlantis Energy’nin ürettiği AR1500 türbini 18 metre çaplı kanatlara ve toplamda 24 metre uzunluğa sahiptir. Su altı akıntı türbinlerinde, rüzgar türbinlerine göre sürekli bir akış bulunduğu için enerji çıkışı süreklidir. Aynı boyuttaki su altı akıntı türbininden rüzgar türbinine kıyasla 800 kat daha fazla enerji üretebilir (Şekil 9).

Rüzgar türbini ve su altı akıntı türbini enerji kapasite orani
Şekil 8. Rüzgar türbini ve su altı akıntı türbini enerji kapasite oranı.

Aynı boyutlarda su altı akıntı türbinleri normal (kara üstü ve deniz üstü) türbinlere göre daha fazla enerji üretimi sağlayabilmektedir. Deniz altına kurulacak bu türbinler sayesinde hem kara üstündeki görüntü kirliliği önlenebilir hem de yenilenebilir enerjinin çeşitlendirilerek büyümesi sağlanabilir.

Su altı akıntı türbinleri ile enerji nasıl üretilir?

Su altı akıntı türbinleri denizin tabanına monte edilerek kullanılmaktadır (Şekil 10). Bu montaj iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar; deniz tabanına sabitlemek için monte edilecek alt başlık, enerji üretimi için pervanelerin, motorun ve jeneratörün bulunduğu üst kısımdır. Montaj yapıldıktan sonra gerekli olan elektrik iletim hatları deniz tabanına döşenir, bu hatlar korozyona karşı dirençli ve su geçirimsizdir. Elektrik iletim hatları ana karada bulunan şebekeye iletilmek üzere bir trafo merkezinden geçer ve ana şebekeye elektrik verilir.

AR1500 türbin modelinin kurulumu (sol), Deniz tabanındaki tasarım (sağ)
Şekil 10. AR1500 türbin modelinin kurulumu (sol), Deniz tabanındaki tasarım (sağ)16,17.

Su altı akıntı türbinleri klasik olarak bildiğimiz rüzgar türbinleri ile aynı çalışma prensibine sahiptir. Suyun hareketi sonucu dönmeye başlayan kanatlar sayesinde türbinde elektrik üretimi sağlanmaktadır. Aynı zamanda bu türbinde motorun bulunduğu kısım akış yönüne göre hareket edebilirken kanatlar enerji üretimi için farklı pozisyonlar alabilir.

Rüzgar türbinlerinde oluşan verim, Betz Limiti ile sınırlıdır. Betz Limiti rüzgar türbinlerinin gücünün ulaşabileceği maksimum limitini ifade eder. 1919 yılında Alman fizikçi Albert Betz tarafından ortaya çıkmış ve kendi ismi ile özdeşleşmiştir. Betz bu limiti %59,3 olarak hesaplamıştır. Rüzgarın kinetik enerjisinin maksimum %59,3’ü türbini döndürüp elektrik üretiminde kullanılabilir. Bu oran teoride oluşabilecek bir değerdir, uygulamada ise daha da düşüktür18. Su altı akıntı türbinlerinde Betz Yasası uygulanamaz bunun temel sebebi akışkan farkıdır, Betz Limiti sadece hava için geçerlidir. Bir önemli sebep ise rüzgar türbinlerinde enerji üretimi için kinetik enerji kullanılırken, su altı akıntı türbinlerinde hem kinetik enerji hem de potansiyel enerjinin kullanılmasıdır (Şekil 11).

Su altı akıntı türbinleri ve rüzgar türbinleri, enerji farkları ile birlikte
Şekil 11. Su altı akıntı türbinleri ve rüzgar türbinleri, enerji farkları ile birlikte19,20.

Su altı akıntı türbinleri ve dünyadaki modelleri

Yenilenebilir enerji üretimi için kullanılan ve hızla geliştirilen su altı akıntı türbinleri üzerinde gün geçtikçe daha fazla şirket çalışmaktadır. Bu şirketlerin büyük bir çoğunluğu İskoçya, Kanada ve İngiltere üzerinde bulunurken bunun yanı sıra Kuzey Kore, Fransa, Norveç, Avustralya ve Hollanda gibi ülkelerden de bu teknoloji üzerinde çalışan birçok firma bulunmaktadır21.

1966 yılında Fransa’da dünyanın ilk su altı akıntı türbin santrali olarak açılan La Rance (Şekil 12) aslında bu teknolojinin geçmişe dayandığının bir kanıtıdır. Yılda yaklaşık 500 GWh enerji üreten La Rance santrali Fransa’nın elektrik ihtiyacının yaklaşık %0,012’sini karşılamaktadır22.

La Rance su altı akıntı türbin santrali
Şekil 12. La Rance su altı akıntı türbin santrali23.

2005 yılında İskoçya’da kurulan Open Hydro (Şekil 13) şebekeye bağlanan ilk su altı akıntı türbinidir. Platformdaki türbin hidrolik bir vinç ile denize indirilmesi sağlanarak 2 MW elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir.

Open Hydro EMEC projesi
Şekil 13. Open Hydro EMEC projesi24.

2008 yılında kurulan SeaGen Türbini (Şekil 14) o yıllarda var olan su atı türbinlerine göre 4 kat daha fazla elektrik üretimi sağlamaktaydı. 2019 yılında sonlandırıldı ve o zamana kadar şebekeye toplamda 11,6 GWh üretim yaptı. Bu türbin modeli gerektiğinde sudan çıkarılmakta ve bakımları yapıldıktan sonra su altına tekrar indirilmekteydi25.

SeaGen Türbini
Şekil 14. SeaGen Türbini26.

Güney Kore Sihwa Gölü’nde (Şekil 15) 2011 yılında kurulan bu santral dünyanın en büyük su altı akıntı türbin santrali olma unvanını taşır. Sihwa santralinin kurulması 560 Milyon dolara mal olmuştur. Yılda 550 GWh’nin üzerinde enerji üretim kapasitesine sahiptir. Yılda 160 milyon ton su buradan geçmektedir27,28.

Sihwa Gölü santrali
Şekil 15. Sihwa Gölü santrali28.

İskoçya’nın Kuzey kıyısında 2016 yılında okyanusa kurulan 4 türbin ile tamamen farklı bir yapıya sahip olan bu sistem 2019 yılında 24,7 GWh enerji üretmiştir. Bu sistemin bulunduğu ortam doğal bir okyanus kanalıdır ve türbinler dünyanın en büyük bağımsız su altı akıntı türbinleridir (Şekil 16). Üretim maliyeti hakkında detaylı bir bilgi olmasa da proje 2020 yılında İskoçya hükümetinden 1,5 milyon £ hibe almıştır.

SİMEC Atlantis AR 1500 türbini
Şekil 16. SİMEC Atlantis AR 1500 türbini29.

Türkiye’de su altı akıntı türbinleri

Türkiye’de 2 tane doğal boğaz bulunmaktadır. Bunlardan biri İstanbul Boğazı’dır. Her gün gemilerin, feribotların, teknelerin, yatların durmaksızın hareket içinde olduğu yaklaşık 30 km uzunluğunda büyük bir boğazdır. İkincisi ise Çanakkale Boğazı’dır.

İstanbul Boğazı’na göre daha sakin olsa da derinlik olarak neredeyse aynıdırlar. İki boğazında kendine özgü akış yönleri, yoğunlukları ve hızları bulunmaktadır. Boğazlarda kurulması düşünülen bu sistem için bir su altı haritasından yararlanarak, çevre faktörleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Uygun parametrelerle iki boğazdan da enerji üretmek mümkün görülmektedir.

Ülkemizde su altı akıntı türbinlerini kullanmak için en doğru bölgeler boğazlardır. Boğazların yanı sıra kıyıya yakın olan bölgelerde de bu sistemler kurulabilir. Su altı akıntı türbinleri genellikle 60 m derinlikte uygulandığı görülmektedir. Su altında derinlik arttıkça basınç artar ve buna bağlı olarak su altı akıntı türbinlerinde kullanılan malzemelerin yüksek basınçlara dayanıklı olması gerekmektedir.

Çanakkale Boğazı

Çanakkale Boğazı uluslararası deniz taşımacılığında kullanılan en dar boğazlardan biridir. Ege Denizi’ni Marmara Denizi’ne bağlamaktadır. Boğaz 61 km uzunluğunda, 1 ila 6 km genişliğinde ve ortalama 55 m derinliğindedir. Boğazın en derin noktası ise 103 m’dir30.

Çanakkale Boğazı’nda birbirine zıt yönde iki büyük akıntı bulunmaktadır; bunlardan ilki Marmara Denizi’nden Ege Denizi’ne doğru akan yüzey akıntısı, ikincisi ise Ege Denizi’nden Marmara Denizi’ne doğru akan dip akıntısıdır (Şekil 17).

Çanakkale Boğazı için su akıntı haritası
Şekil 17. Çanakkale Boğazı için su akıntı haritası31.

Çanakkale Boğazı’nda akıntı coğrafi yapıyı takip eder. Geniş yerlerde akıntı yayılır ve akıntının hızı düşer. Sahil kısımlarında ters akıntılar oluşabilir. Rüzgarın kuvvetli estiği günlerde yüzey akıntı hızı rüzgarın yönüne göre değişebilir. Rüzgarın, suyun akış yönüne göre ters esmesi yüzey akıntılarını ters yöne doğru iterek akıntının tamamen durmasına  sebep olabilir. Diğer bir durum ise rüzgarın akıntı yönü ile aynı yönde esmesi durumudur, bu durumda akıntı hızı rüzgar hızı ile birlikte artar. Yüzey akıntıları dursa da dip akıntısı rüzgardan çok az etkileneceği için su altı akıntı türbinleri çalışmasına devam edebilir. Rüzgarın etkisi bölgedeki derinliğe göre değişmektedir. Bahar aylarında Karadeniz’e gelen nehir suları arttıkça denizdeki su seviyesi yükselir. Bu durum Çanakkale Boğazı’nda akıntının artmasına neden olmaktadır. Bir önemli durum ise gemi trafiğidir, gemilerin oluşturduğu akıntı bozulmaları elektrik üretimini etkiler. Bu parametreler dikkate alınarak Çanakkale Boğazı’ndan su altı akıntı türbinleri ile elektrik üretilmesi olasıdır.

Çanakkale Boğazında su altı akıntı türbini uygulaması

Dr. Tarhan ve Dr. Yücel yaptıkları bir çalışmada Çanakkale Boğazı’nda ölçtükleri akıntı gücüne göre türbin tasarlamışlar ve bu türbinlerin uygunluğunu sahada test etmişlerdir. Akıntının yoğun olduğu ve türbin kurulması açısından uygun olabilecek üç farklı bölgede 5 kW’lık türbinin farklı akıntı hızlarındaki enerji verimliliği ölçülmüştür. Ayrıca akıntı yönündeki değişimin türbin üzerindeki olumsuz etkileri incelenmiştir. Bu çalışmalarda 2 farklı kanat boyuna sahip olan türbinler tasarlanmış ve kullanılmıştır (Şekil 18).

İki kanatlı ve 38 cm kanat boyuna sahip olan tübinin rotor bağlantısı (sol), 3 kanatlı ve kanat boyu 48 cm olan türbin modeli (sağ)
Şekil 18. İki kanatlı ve 38 cm kanat boyuna sahip olan türbinin rotor bağlantısı (sol), 3 kanatlı ve kanat boyu 48 cm olan türbin modeli (sağ)32.

Uygulama yapılan türbinde %40,5 verime ulaşılmıştır. Boğazdaki verimin bu oranda kalmasının sebebi akıntı yönünün sürekli değişim göstermesindendir. Yapılan çalışmalar sonucunda Çanakkale Boğazı’ndaki akıntı miktarı ve akıntı derinliğinin türbin kurulumu için uygun olduğu görülmektedir. Kurulacak olan türbinlerin gemi geçişini etkilememesi için kıyı bölgelere veya dip akıntının bulunduğu daha derin bölgelere kurulması gerekmektedir. Yerleşim yerleri su altı akıntı türbinlerinin kuruldukları yere yakın olduğundan ulusal şebekeye bağlanmadan kullanıma sunulabilir. Bu şekilde enerji iletim hatlarındaki kayıplardan da kaçınılmış olunur.

İstanbul Boğazı

İstanbul Boğazı, Karadeniz sularının tek çıkış noktasıdır. Karadeniz’den Marmara Denizi’ne yıllık 660 milyar metreküp su akmaktadır. İstanbul Boğazı, Karadeniz’den alçak, Marmara Denizi’nden yüksekte bulunmaktadır. Boğazın başlangıç noktası ile bitiş noktası arasındaki kot farkı yaklaşık 40-60 cm arasındadır. Bu nedenle Karadeniz’den Marmara Denizi’ne sürekli bir yüzey akıntısı vardır (Şekil 19). Yüzey akıntıları, İstanbul Boğazı’nın orta kesimlerinde daha şiddetlidir. Olağan koşullardaki hızı saatte 8 km’yi bulan yüzey akıntıları en kuvvetli hallerini Karadeniz üzerinden gelen kuzey rüzgarlarının estiği dönemlerde alır. Bu akıntı hızına aynı yönde etki eden rüzgarlar eklenince akıntının hızı saatte 13 km’yi bulur ve neredeyse bir nehir hızına ulaşır33.

İstanbul Boğazı uydu görüntüsü
Şekil 19. İstanbul Boğazı uydu görüntüsü34.

Marmara Denizi’nin suyu Karadeniz’in suyundan neredeyse iki kat daha tuzludur. Bu nedenle iki denizin arasında büyük bir yoğunluk farkı bulunur. Daha tuzlu olan Marmara suyunun özgül ağırlığı Karadeniz ve Boğaz sularından daha fazladır. Bu nedenle bu iki su kütlesini bağlayan dip akıntıları vardır. Dip akıntı kuvveti özellikle Kandilli açıklarından başlayarak güneye doğru saatte 5 km civarındadır33. Bu akıntı türü Boğazın 15-20 m derinliğinden itibaren derinlik arttıkça arazinin şekline bağlı olarak değişebilmektedir. İstanbul Boğazı’nın en derin kısmı 120 m ve ortalama derinliği ise 60 m’dir. İstanbul Boğazı akıntı türbinleri için yeterli derinliğe sahiptir. Bu konuda yapılmış detaylı bir çalışma bulunmamaktadır.

Sonuç

Yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimine yönelmek günümüzde doğaya zarar veren sera gazlarından kurtulmanın ve bunun yanında gelecek nesillere daha yaşanabilir bir Dünya bırakmanın ilk aşamasıdır. Temiz ve sürekli enerji elde etmenin yollarından birisi olan su altı akıntı türbinleri, elektrik üretiminde yenilenebilir enerji payının artırılması açısından hem Dünya hem de Türkiye için oldukça önemlidir.

Yenilenebilir enerjideki en önemli problemlerden birisi elektrik üretimindeki sürekliliğin sağlanamamasıdır. Su altı akıntı türbinlerinin kurulması ve geliştirilmesi ile bu problemin aşılmasında büyük adımlar atılabilecektir. Bu türbinler suyun 60 metre altına kurulmakta ve ülkemizdeki boğazların derinliklerinin de yaklaşık olarak 60 metre olması ise dikkate değerdir. Bununla birlikte genel olarak boğaz akıntı hızları su altı türbinlerinden elektrik üretimi için ideal değerlerdedir. Bu incelemeler göz önüne alındığında su altı akıntı türbinlerinin İstanbul ve Çanakkale Boğazlarında da kurulabileceği öngörülmektedir. Kurulacak su altı akıntı türbinleri sayesinde üretilen enerji, şehirlerin ve sanayi bölgelerinin kullanımına hızlı ve kayıpsız bir şekilde aktarılabilir. Bu sayede enerjide dışa bağımlılık azaltılabilir ve özellikle yenilenebilir kaynaklardan sürekli enerji üretimi sağlanabilir.

Katkı yapanlar: Kadir Yolal, Müberra Canbazoğlu ve Dr. Zekeriya Doğruyol.

Kaynaklar

    1. IRENA (2021). Renewable Energy Technologies. https://www.irena.org/Statistics/View-Data-by-Topic/Capacity-and-Generation/Technologies
    2. Ritchie, H., Roser, M., Rosado, P. (2020). Energy. https://ourworldindata.org/energy
    3. EPDK.  Elektrik Piyasası Yıllık Sektör Raporu 2020. https://www.epdk.gov.tr/Detay/Icerik/3-0-24/elektrikyillik-sektor-raporu
    4. Elibüyük, U., & Üçgül, İ. (2014). Rüzgar Türbinleri, Çeşitleri Ve Rüzgar Enerjisi Depolama Yöntemleri. SDÜ Yekarum E-Dergi, 2(3), 1–14.
    5. POLAT ENERJİ. Soma RES. https://www.polatenerji.com/85-santrallerimiz/155-soma-res/
    6. Jenn Cranney (2021, Ağustos 20). World Largest Wind Farms. Northwest Renewable Energy INSTITUTE. https://www.nw-rei.com/2021/08/20/worlds-largest-wind-farms/
    7. Rüzgar Enerjisi (2021, Şubat 10). Türkiye’nin en büyük RES’i 181 türbinle üretime devam ediyor. https://www.ruzgarenerjisi.com.tr/turkiyenin-en-buyuk-resi-181-turbinle-uretime-devam-ediyor/
    8. IDOM. Saint-Brieuc Bay offshore wind farm 496 MW, Brittany (France). https://www.idom.com/en/project/saint-brieuc-496-mwe-offshore-wind-farm-on-the-coast-of-french-brittany/
    9. International Energy Acency. (2021, Kasım). Wind Power https://www.iea.org/reports/wind-power
    10. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı. (2018, Nisan 18). Rüzgar santrallerinin çevresel etkileri. https://webdosya.csb.gov.tr
    11. Meriç, T., Uysal, E. S. Rüzgar Türbinleri Balıklara Konser veriyor!. Yeşeren Enerji Dergisi. https://yeserenerji.com/ruzgar-turbinleri-baliklara-konser-veriyor/
    12. General Electric (2014, Agustos). How Loud Is A Wind Turbine? https://www.ge.com/news/reports/how-loud-is-a-wind-turbine
    13. Ankara Üniversitesi. Gürültü Kirliliği. https://acikders.ankara.edu.tr/pluginfile.php/62788/mod_resource/content/0/11.pdf
    14. John Fitzgerald Weaver. (2017, Kasım 2). World’s tallest wind türbine built in Germany. https://electrek.co/2017/11/02/worlds-tallest-wind-turbine-built-in-germany/
    15. General Electric. Driving efficiency and decreasing the cost of offshore wind energy. https://www.ge.com/renewableenergy/wind-energy/offshore-wind/haliade-x-offshore-turbine
    16. Sonal Patel (2016 Kasım 01). Massive Scottish Tidal Stream Project’s First 1.5 MW Turbines Are Unveiled. POWERMAG. https://www.powermag.com/massive-scottish-tidal-stream-projects-first-1-5-mw-turbines-unveiled/
    17. SIMEC Atlantis. AR1500 TIDAL TURBINE. https://simecatlantis.com/wp-content/uploads/2016/08/AR1500-Brochure-Final-1.pdf
    18. Atılgan, M., Altan, D. B., Atlıhan, A. B. Pamukkale Üniversitesi. Rüzgar Türbini Uygulamaları. https://www.emo.org.tr/ekler/6c86b75e0580378_ek.pdf
    19. Julia Layton. (2021 Ocak 1). Evrim Ağacı. Rüzgar Enerjisi Nedir? Bir Rüzgar Türbini Nasıl Enerji Üretir? https://evrimagaci.org/ruzgar-enerjisi-nedir-bir-ruzgar-turbini-nasil-enerji-uretir-9817
    20. Mehmet Fatih Ünal (2014 Kasım 4). Enerji Teknolojileri. Su Altı Türbinleri. https://enerjiteknolojileri.wordpress.com/2014/11/04/su-alti-turbinleri/
    21. James, V. (2013). Marine renewable energy: A global review of the extent of marine renewable energy developments, the developing technologies and possible conservation implications for cetaceans. In Whale and Dolphin Conservation Society (WDC) (Issue November).
    22. TETHYS. La Rance Tidal Barrage. https://tethys.pnnl.gov/project-sites/la-rance-tidal-barrage
    23. Power Technology (2019, Ekim 28). La Rance: learning from the world’s oldest tidal project. https://www.power-technology.com/analysis/la-rance-learning-from-the-worlds-oldest-tidal-project/
    24. Mike Brookes. EMEC. Open Hydro. https://www.emec.org.uk/about-us/our-tidal-clients/open-hydro/
    25. Power Tchnology (2020, Temmuz 24). SeaGen Turbine, Northern Ireland, UK. https://www.power-technology.com/projects/strangford-lough/
    26. Morales, R., Fernández, L., Segura, E., & Somolinos, J. A. (2016). Maintenance maneuver automation for an adapted cylindrical shape TEC. Energies, 9(9), 1–16. https://doi.org/10.3390/en9090746
    27. International Hydropower Association (2016, Şubat 8). Technology case study: Sihwa Lake Tidal Power Station. https://www.hydropower.org/blog/technology-case-study-sihwa-lake-tidal-power-station
    28. Danny Ovy. (2020, Mart 21) Alternative-Energies. Tidal Energy Definition. https://www.alternative-energies.net/tidal-energy-definition/
    29. Ocean Energy Europe (2018, Kasım 22). SIMEC Atlantis and AD Normandie Développement signed joint venture for project in Raz Blanchard. https://www.oceanenergy-europe.eu/industry-news/simec-atlantis-and-ad-normandie-developpement-establish-joint-venture-for-tidal-project-in-raz-blanchard/
    30. Ilgar, R. Çanakkale Boğazı Ekosisteminde Ulaşım Faaliyetleri. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi. https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/26617
    31. Türk Deniz Araştırmaları Vakfı. İstanbul ve Çanakkale Boğazı Akıntı Haritaları. https://tudav.org/calismalar/deniz-alanlari/turk-bogazlari/istanbul-ve-canakkale-bogazi-akinti-haritalari/
    32. Yücel, M., & TARHAN, İ. (2019). Çanakkale Boğazi Akıntı Türbi̇n Modellenmesi̇. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 59–74. https://doi.org/10.17482/uumfd.412657
    33. Deniz Giray. Yelken Okulu. İstanbul Boğazı Akıntıları. https://yelkenokulu.com/denizcilik-bilgileri/istanbul-bogazi-akinti/
    34. NASA (2004 Nisan 16). Istanbul, Turkey: The Crossroads of Europe and Asia. https://earthobservatory.nasa.gov/images/4466/istanbul-turkey-the-crossroads-of-europe-and-asia

7 YORUMLAR

  1. Gelişen teknoloji ve gerektirdiği ihtiyaçlar düşüncesinde ekolojik sisteminde göz önünde bulunması şartlarıyla doğal ve yenilenebilir enerji kaynakları açısından geniş kapsamlı aynı zamanda ihtiyaçlar çerçevesine uygunluk bakımından olumlu bir makale olmuş bilgilendirme için teşekkür eder aynı zamanda tebrikler sunarım gelecek olan yeni makalelerini beklemekteyim.

  2. Makale pek çok yönden bilgilendirici olmuş. Ülkemizdeki doğal jeolojik yapının oluşturduğu fırsatların değerlendirilmesi açısından bir ışık tutmuş. Emeğinize sağlık.

  3. Makale özelde ülkemiz genelde dünyamız açısından yakın zamanda enerji potansiyelini daha iyi nasıl kullanabileceğimiz yenilenebilir enerji kaynakları ve çeşitleri açısından daha yararlı bir şekilde kullanılabileceği ve yapılmış örnekleriyle ayrıntılı bir şekilde bilgi vermekte makalenin yazarı arkadaşın başarılarının devamını dilerim.

Yorum Yap

Please enter your comment!
Please enter your name here

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Son Yazılar

Son Yorumlar