Karbon emisyon oranları.. su kullanımı.. işletme ve bakım masrafları.. ve en önemlisi ilk yatırım maliyetleri.. Yenilenebilir kaynaklar ile fosil kaynakları bir çok açıdan karşılaştırmak mümkün, ancak bu güne kadar belki de üzerinde en az durulan bir diğer parametre ise kaynağın ne kadar yaygın ve erişilebilir olduğu. Her geçen gün daha fazla savaş haberi aldığımız ve her an daha da sık şekilde alışık olduğumuz hayat düzeninin tehdit edildiği bir dönemden geçiyoruz. Güvenlik tüm insalığın öncelikli sorunu halini almışken, enerjinin arz güvenliği ise içinde bulunduğumuz bu tablonun tam merkezine oturuyor.
Fosil kaynaklarla karşılaştırdığımızda özellikle rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının dünyanın her köşesinde kolaylıkla erişilebilir olduğunu söylemek mümkün. Örneğin kömür rezervleri, diğer fosil kaynaklar gibi, yer yüzünün sadece %5 ‘inde konumlanmış durumda [1]. Ancak bunun karşısında elimizde var olan ise; Amazonlar, Kongo ve güney doğu Asya dışında gezegenin hemen her köşede erişilebilir ve yenilenebilir şekilde bizi selamlayan eşsiz bir enerji kaynağı; Rüzgar ! (Şekil 1) Yapılan çalışmalar ile açıkça ortaya konulduğu üzere tüm dünyanın ihtiyacı olan enerjinin 20 katından fazla; yaklaşık 250 trilyon Watt ‘ık bir güçten bahsediyoruz [2]
Şekil 1. Rüzgar Enerjisi, Amazonlar, Kongo ve Güney Doğu Asya dışında yeryüzünün hemen her noktasında erişilebilir muazzam bir potansiyele sahiptir [3].
Merkezi ve yüksek güçlü enerji santralleri, günümüz dünyasının terör, savaş ve ekonomik kriz riskleri altında cazip bir çözüm olmaktan çıkmakta hatta tam tersine olası bir saldırı yada teknik problem sonucunda devre dışı kalmalarıyla top yekün ülkeleri enerji krizleriyle karşı karşıya bırakacak tehlikeli risk odakları haline gelmekteler. Dünya üzerindeki trendin enerjininin dev santrallerde üretildiği modelden ziyade, üretimin tüketim noktasında gerçekleştiği, gereği halinde şebekeden bağımsız adalar şeklinde çalışabilecek, iletim kayıplarının olmadığı modellere kayacağını ön görmek mümkün. Bu ütopyada merkezi güç santrallerinin sadece kamusal alanların enerji ihtiyaçlarını karşıladığını, bireylerin, kurum ve kuruluşların ise enerji ihtiyaçlarını merkezi bir şebekeye ihtiyaç duymadan kendi mikro santralleriyle karşıladıklarını düşünebiliriz. Bu yeni dünya senaryosunda enerji nakil kayıpları olmadığı gibi merkezi enerji üretim tesislerinden kaynaklı güvenli riskleri de bulunmuyor. Diğer taraftan enerji fiyatları da artık günlük hayatta bir parametre olmanın çok uzağında yer alıyor. İşte tam da bu noktada, yer yüzündeki hemen her noktaya yayılmış, yeterli ve yenilenebilir bir kaynağa olan ihtiyaç, rüzgar enerjisini (güneş enerjisi ile birlikte) bir kez daha çözümün merkezine oturtmakta.
Peki hal böyle iken, bu eşsiz enerji kaynağı rüzgarın sahip olduğu potansiyel ile hayatımıza kazandırdığımız limitli kapasite arasındaki uçurumu nasıl açıklayabiliriz? Ekonomik nedenler, bürokratik nedenler gibi bir çok sebep sıralanabilir ancak Amerikalı bilim insanı Dabiri ve arkadaşlarına göre temel sebep rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmekte tercih edilen büyük kapasiteli ve merkeziyetçi üretim mantığı [4]. Bu merkeziyetçi bakış açısını endüstri devriminin bu güne kadar evrilerek ulaştığı bir sonuç olarak görmek çok da yanlış sayılmaz [5]. Süregelen bu trendin Rüzgar endüstrisindeki iz düşümünü ise her geçen gün artan kanat çapları ve kule yükseklikleriyle bir öncekinden daha fazla alana ihtiyaç duyan yeni nesil rüzgar enerji santralleri olarak görebiliriz. Santraldeki türbinlerin birbirleriyle olan aerodinamik etkileşimini minimize ederek hem işletme sırasındaki istenmeyen yorulmalardan uzak durmak hemde enerji üretimini maksimize etmek için türbinler arasında bırakılması gereken mesafeler de kapasiteleriyle birlikte artmakta. Tek başına çalışan bir türbinin en az %90 kapasite ile çalışmaya devam edebilmesini santral içerisinde de sağlamak için, hakim rüzgar yönüne dik doğrultuda 3-5 rotor çapı, hakim rüzgar yönü doğrultusunda ise 6-10 rotor çapı alan bırakılması gerektiği daha önceki çalışmalarda ortaya konmuş sonuçlardır [6] [7] (Şekil 2.). Bu şartlarda projelendirilmiş bi santralin kapladığı alanda üretilen güç miktarı ise metrekare başına 2 ~ 3 W olmaktadır [8].
Şekil 2. RES sahalarına yerleştirilen yatay eksenli rüzgar türbinleri, gölge etkisi nedeniyle hakim rüzgar yönüne dik doğrultuda 3-5 rotor çapı, hakim rüzgar yönü doğrultusunda ise 6-10 rotor çapı alan bırakılarak yerleştirilirler.
Peki mevcut santral sahalarından daha fazla güç elde etmek mümkün müdür? Diğer bir değiş ile birim taban alanı başına üretilen güç değerini 2-3 W/m2 nin üzerine çekebilir miyiz? Bu sorunun cevabını evet olarak verebilmek için rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren geleneksel, yatay eksenli türbin teknolojisini yeniden gözden geçirmek gerekiyor. Yine Amerika Birleşik Devletleri merkezli yapılan bir çalışmada düşey milli rüzgar türbinleri kullanılarak kurulan rüzgar enerji santrallerinde bu değerin 3 – 4 katına kadar artabileceği gösterilmiştir [5].
Şekil 3. Düşey milli rüzgar türbinleriyle kurulu santrallerde birim alan başına üretilen güç, yatay eksenli türbinler ile kurulan santrallere oranla 3-4 kat saha fazladır [5].
Herhangi bir yaw mekanizmasına gereksinim duymaksızın çalışabilen düşey milli rüzgar türbinleri, farklı tasarım şekillerine sahip olmalarına rağmen bu gün sıklıkla tercih edilenleri düz kanatlı Darrieus tipi düşey milli rüzgar türbinleridir. İsmini bilinen ilk patentin sahibi olan Georges Jean Marie Darreius ‘dan alan türbinlere ait ilk patent 1931 yılında alınmıştır [9].
Şekil 4. G.J.M. Darrieus tarafından 1931 yılında alınmış ilk patent [9]
Çalışma prensibi gereği rüzgarın yönünden bağımsız olarak güç üretebilen düşey milli rüzgar türbinleri diğer taraftan karmaşık aerodinamik yapıları nedeniyle bu güne kadar yatay milli türbinlerin gölgesinde kısıtlı gelişim göstermiştir. Türbin içerisindeki kompleks akış yapılarının bu gün dahi tam anlamıyla anlaşılamamış olması türbinlerin ticari uygulamaları önündeki en büyük engel olarak gözükmektedir.
Son dönemde yoğun olarak yürütülen akademik çalışmalar ile elde edilen umut vaat edici sonuçlar ve yazının başında altı çizilen konjonktürel gelişmeler bir arada düşünüldüğünde düşey milli rüzgar türbinlerinin yakın gelecekte hem mikro enerji santrallerinin temel bileşenlerinden birisi olacağını hemde yeni nesil rüzgar enerji santrallerinin vazgeçilmez elemanlarından birisi olacağını söylemek hiç de zor değil. Ülkemizde konu üzerine çalışan akademisyenlerin başında gelen Yrd. Doç. Dr. Z.Haktan Karadeniz’in çalışmasında vurguladığı gibi taban alanı başına enerji yoğunluğu kavramının yaygınlaşması ile birlikte geliştirilecek düşey milli rüzgar türbini teknolojisi, rüzgar enerjisinden elektrik üretiminde bir paradigma değişimi yaşanmasına sebep olacaktır [11]. Kısa / orta vadede ise mevcut santrallerdeki geniş boşlukların değerlendirilmesi ve şehir içerisindeki mikro enerji santrallerinin sayısında artış yaşanması olasıdır.
Şekil 5. Düz kanatlı, düşey milli bir rüzgar türbinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli [10]
REFERANSLAR
[1] World Energy Council, Survey of Energy Resource 2010 and Energy Information Administration
[2] Jacobson, M. Z., and Cristina L. A. “Saturation wind power potential and its implications for wind energy.” Proceedings of the National Academy of Sciences 109.39 (2012): 15679-15684.
[3] http://www.vaisala.com/Vaisala%20Documents/Scientific%20papers/Vaisala_global_wind_map.pdf
[4] Dabiri, J. O., Greer, J. R., Koseff, J. R., Moin, P., & Peng, J. (2015). A new approach to wind energy: Opportunities and challenges. In AIP Conference Proceedings (pp. 51–57). http://doi.org/10.1063/1.4916168
[5] Sulzberger, Carl. “Thomas Edison’s 1882 Pearl Street Generating Station”, IEEE)
[6] Hau E 2006 Wind Turbines 2nd ed (New York: Springer)
[7] Sørensen B 2004 Renewable Energy: Its Physics, Engineering, Use, Environmental Impacts, Economy, and Planning Aspects (New York: Academic)
[8] D. J. C. MacKay, Sustainable Energy—Without the Hot Air (UIT Cambridge Ltd., Cambridge, UK, 2009).
[9] Darrieus, G. J. M. (1931). Patent-Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current. USA.
[10] Howell, R., Qin, N., Edwards, J., & Durrani, N. (2010). Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine. Renewable Energy, 35(2), 412–422. http://doi.org/10.1016/j.renene.2009.07.025
[11] Karadeniz Z.H., Düşey eksenli rüzgar türbini araştırmalarında son gelişmeler, 8. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, 151-155, Adana, 2015