MÜHENDİS ve MAKİNA     Ocak 2002 - Sayı 504 Yeni Ürünler Odadan Güncel - Standardizasyon ve Avrupa Mevzuatı ve Yapılması Gerekenler Makale - Çok İnce Çelik Sacların Elastik Şekillendirilmesi Güncel - Türkiyenin Doğal Gaz Temin ve Tüketim Politikalarının Değerlendirilmesi Makale - Rüzgar Türbinlerinin Ekonomisi Üzerine Bir Araştırma Atölyeden - Dövme Proses Hataları ve Çözümleri Dergimize Bakış - 2001 Yılında Dergimiz

RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN EKONOMİSİ ÜZERİNE

BİR ARAŞTIRMA

 

 

 

Cem ONAT, Suat CANBAZOĞLU *

 

 

 

 

Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan rüzgar enerjisi, artık diğer enerji üretim kaynakları ile rekabet edebilen küresel bir güç üretim endüstrisi haline gelmiştir. Rüzgar enerjisi çevrim sistemlerine olan ilgi ve yatırımlar bütün dünya bazında gittikçe artış göstermektedir. Ülkemizde de bu konudaki, gerek bilimsel çalışmalara ve gerekse ticari faaliyetlere her geçen gün bir yenisi eklenmektedir. Bu çalışmamızda ekonomisi gün geçtikçe iyileşen rüzgar türbinlerinin maliyetlerine etki eden faktörler irdelenmiş olup, etüt ve analizi iyi yapılarak, rüzgar potansiyeli iyi olan yörelere kurulacak rüzgar türbinlerinin birçok ekonomik fayda sağlayacağı ortaya konmuştur.

 

Anahtar sözcükler: Rüzgar türbini, rüzgar enerjisi, yenilenebilir enerji.

 

Wind energy, one of the renewable energy sources, has now become a global power generation industry competing with other sources of energy generation. While the interest in and investments for wind energy recycling systems are gradually increasing world-wide, both the scientific studies and commercial activities in this field in our country are expanding everyday. This study explores into the cost factors of wind turbines, the economy of which improves day by day, and discloses that wind turbines to be set up in the locations with high wind potential through proper surveying and analysis will produce many economic benefits.

Keywords: Wind turbine, wind energy, renewable

energy

 

 

 

 

*     İnönü Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

      Makina Mühendisliği Bölümü

 

II. GAP ve Sanayi Kongresi Bildiriler Kitabında yer almıştır.

 

Amerika’daki en büyük türbin üreticisinden biri olan Enron Rüzgar Şirketinin başkanı Kenneth C. Karas, rüzgar türbin büyüklüklerindeki artışın 1981’den bugüne maliyetleri önemli ölçüde azalttığını belirtmiştir. 1981 yılında yılda 45000 kWh enerji üreten 25 kW güç kapasiteli bir rüzgar türbininin maliyeti 2600 $/kW iken, bugünün tipik rüzgar türbini olan 750kW kapasiteli rüzgar türbini 800 $/kW yatırım maliyeti ile yılda 2.5 milyon kWh enerji üretebilmektedir.

Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliğinin bir raporuna göre rüzgar türbinlerinin fiyatı 1981-1991 yılları arasında 3 misli azalmıştır. Washington’daki Yenilenebilir Enerji Politikaları Projesi bulgularına göre ise 1997 yılında 1000 $/kW olan rüzgar türbinlerinin yatırım maliyetleri 2006 yılında 600 $/kW’a düşecektir.

22 Nisan 1999 tarihinde Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği tarafından yapılan basın açıklamasında dünya rüzgar kapasitesinin 10 000 MW’ı aştığı ve 2000’li yıllarda dünyada bu temiz enerji teknolojisinin giderek daha yaygın olarak kullanılmaya başlandığı duyurulmuştu.

Kapasitelerinin 10 000 MW’ı aştığı demek, 10 milyar dolar değerinde rüzgar türbininin satıldığı anlamına gelmektedir. Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliğinin iki yıl önceki hedefi Avrupa için 2010 yılında 40 000 MW, 2020 yılında ise 100000 MW rüzgar güç santral kapasitesini tesis etmektir. Ancak bu hedefin şimdi daha çok aşılacağı görülüyor.

Rüzgar enerjisinin en önemli çevresel yararı konvansiyonel elektrik üretim yöntemleri ile karşılaştırıldığında hava kirleticileri ve sera gazları emisyonları olmamasıdır.

Rüzgar enerjisi gelecekteki pazar başarısı için en önemli kriter olan ekonomik maliyette kararlı ve hızlı bir gelişme göstermektedir. 1990’lı yılların başında Pasific Gas & Electric ve Electric Power Research Institute tarfından yapılan ve rüzgar enerjisinin en ucuz elektrik üretim kaynağı olacağına ilişkin uzun vadeli öngörümler artık hayal olmayıp gerçekleştirilmek üzeredir.

Kaliforniya Enerji Komisyonu, çeşitli enerji seçeneklerinin maliyetlerini ve pazara hazırlıklarını incelemektedir. Tablo 1’de temel yakıt tiplerinin maliyetleri rüzgar enerjisi maliyetleri ile karşılaştırılmaktadır [1].

 

Tablo 1. Rüzgar ve Diğer Enerji Kaynaklarının Karşılaştırmalı Maliyetleri

 

 

 

SİSTEM MALİYETİ

Rüzgar türbinleri tarafından üretilen enerjinin maliyetini belirlemede, göz önüne alınması gereken en önemli faktörler, tesisin ilk maliyeti ve yıllık olarak üretilen enerjinin miktarıdır.

Ekonomiklik açısından incelendiğinde, diğer teknolojilerle üretilen enerjinin birim maliyeti ve satış fiyatı da önem kazanmaktadır. Ticari amaçla  rüzgar türbini tesis etmek isteyenlerin değerlendirmesi gereken konular şunlardır.

a) İlk kuruluş maliyeti

•    Alış fiyatı

•    Nakliye

•    Tesis maliyeti

•    İthal vergisi tutarı

•    Tesisin kapladığı alana ilişkin maliyet

b) Elektrik enerjisi üretimi

•    Rüzgar türbininin verimi

•    Rüzgar türbininin tipi ve büyüklüğü   

•    Rüzgar rejiminde görülen yıllık değişimler

c) Sistem tarafından üretilen enerjinin satış fiyatı ile diğer teknolojilerle üretilen enerjinin satış fiyatlarının karşılaştırılması

d) İşletme ve bakım masrafları

e) Yasal mevzuat

f) Enflasyon

g) Amortisman [2]

YILLIK ENERJİ ÜRETİMİ

Rüzgar türbininin tesisinin planlandığı yörede, Dt_i zaman aralıklarında V_ri rüzgar hızlarının olması durumunda, tesis edilecek rüzgar türbininin üreteceği enerji için;

   (kWh/yıl)     (1)

bağıntısı geçerlidir. Enerji eldesi hesabı yapılırken o yörede rüzgar hızının hangi aralıkta ne kadar süre estiği çok önemlidir. Bu formülde C_P güç katsayısını, r havanın yoğunluğunu, R pervane yarıçapını simgelemekte (R=20 m) ve h_kay ise; mil yataklarındaki sürtünme kayıplarını (örneğin 0.996), dişli kutusundaki kayıpları (örneğin 0.972), elektrik jeneratöründeki kayıpları (örneğin 0.972) ve çeşitli elektrik-elektronik kayıpları (örneğin 0.94) içeren bir katsayı olup, bu kayıpların hepsinin çarpımına eşit olan bir genel (toplam) katsayıdır. Rüzgar türbini pervanesi üzerinde yaptığımız bu çalışmada, h_kay=0.9 olarak hesaba katılmıştır [3].

C_P güç katsayısı; dizayn devirlilik sayısı (l), hücum açısı (a_D), kanat sayısı (z) ve kanat profil tipine bağlı olarak değişen ve bütün olarak bir rüzgar türbinini karakterize edebilen bir katsayıdır.

Tablo 2’de verilen Malatya ili için senelik rüzgar hızı değerleri [4] ve bunlara ait esme süreleri verilerine göre, önce belirli dizayn seçeneklerine göre değişim gösteren C_P güç katsayısı hesaplanarak ve denklem 1 kullanılarak, NACA 4415 ve LS-1 profiline sahip kanatların birçok dizayn seçeneğinde yapılan hesaplamalardan en iyi sonuçları veren seçenekler Şekil 1 ve Şekil 2’de verilmiştir[5].

Şekil 1 ve Şekil 2’den de anlaşılacağı gibi Malatya ili şartlarında, yerden 42 m yükseklikte ve R=20 m yarıçapındaki söz konusu dizayn seçeneğindeki rotordan maksimum enerji elde edilmektedir. En fazla enerji üretimini sağlayan bu dizayn seçeneğinde, yılda yaklaşık olarak 184 000 kWh enerji üretilebilir [5].

 

Tablo 2. Malatya İli İçin Rüzgar Hızı Değerleri ve Esme Süreleri

 

?ti	1534	4100	1900	598	316
H=10 m	0.5	1.5	2.5	3.5	4.5
H=42 m	0.736	2.210	3.683	5.156	6.629
?ti	184	97	33	10	5
H=10 m	5.5	6.5	7.5	8.5	9.5
H=42 m	8.103	9.576	11.049	12.522	13.996

 

 

Şekil 1.  Üç Kanatlı LS-1 Profilinden Bir Yılda Elde Edilebilecek Enerji Miktarının Dizayn Devirlilik Sayısına ve Hücum Açısı ile Değişimi

 

 

Şekil 2. Dört  Kanatlı LS-1 Profilinden Bir Yılda Elde Edilebilecek Enerji Miktarının Dizayn Devirlilik Sayısına ve Hücum Açısı ile Değişimi

 

BİRİM ENERJİ MALİYETİ

C kapitali geri kazanma faktörü, Ü üretim maliyeti (TL), I servis, bakım ve sigorta giderleri (%), i faiz oranı (%), n amortisman süresi (yıl), C_T rüzgar türbininin toplam kuruluş maliyeti (TL) ve E yıllık üretilen enerji miktarı (kWh) olmak üzere;

                                                  (2)

 (TL/kWh)                                (3)

formülleri geçerlidir.

Rüzgar türbininin toplam kuruluş maliyeti; rüzgar türbinini taşıma ve dikme, kurma, trafo ve şebekeye bağlantı giderlerinden oluşmaktadır [6].

ÇEVREYE UYUM

Rüzgar enerjisi çevresel kirlilik yaratmayan bir enerji kaynağı olmasına rağmen çevrim sistemlerinin çok yaygın bir şekilde kullanılması halinde aşağıda sıralanan bozucu etkilere sebep olabilir [6].

•    Çevre görünümünü bozması,

•    Metal kanat kullanımı halinde FM ve TV sinyallerini bozması,

•    İklim değişikliğine sebep olabilmesi,

•    Toprak işgali.

EKONOMİKLİK

Rüzgar türbini-jeneratör grubunun dizaynı ve çalışma tarzı ne olursa olsun, en önemli parametre rüzgar-elektrik enerjisi dönüşüm sisteminin ekonomikliğidir. Yıllık ortalama enerji üretim faktörü (kapasite faktörü) k, bir yıl içinde üretilen enerjinin (E), tesisten elde edilebilecek maksimum enerjiye (P_r=tesis gücü) olan oranına eşittir.

                                                    (4)

Rüzgar hızının sabit olmaması sebebi ile k değeri 1’den küçüktür ve genelliklede 0.1-0.5 değerleri arasındadır. k’nın yüksek değerli olması üretilen enerjinin maliyetinin düşük olmasını sağlar.

C_oe enerjinin maliyeti, A_fc yıllık sabit fiyat ve O_m çalışma ve bakım masraflarını if