Havai rüzgar enerjisi potansiyelinin tekno-ekonomik analizi ve yaşam döngüsü uygulaması

Abstract

Küresel iklim değişikliği ve sürdürülebilir enerji arz güvenliği hedefleri, yenilenebilir enerji teknolojilerinde arayışları hızlandırmıştır. Bu kapsamda, geleneksel Yatay Eksenli Rüzgar Türbinlerinin (YERT) kule boyu kısıtlamalarını aşarak 200 metre ve üzeri irtifalardaki yüksek ve kararlı rüzgar akımlarından faydalanmayı sağlayan Havai Rüzgar Enerjisi (HRE) sistemleri, yenilikçi bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, HRE teknolojisinin Türkiye’nin farklı coğrafi, meteorolojik ve ekonomik dinamiklere sahip 10 pilot ili (Aksaray, Çanakkale, Çorum, Giresun, Kastamonu, Konya, Muğla, Ordu, Samsun, Sinop) için uygulanabilirliği; rüzgar kaynağı karakterizasyonu, uluslararası literatürde yaygın olarak Life Cycle Assessment (LCA) adıyla bilinen ve kabul gören Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) metodolojisi ve Tekno-Ekonomik Analiz (TEA) boyutlarını kapsayan bütünleşik bir metodoloji ile incelenmiştir. Çalışmanın rüzgar potansiyeli analizi aşamasında, yüksek irtifa rüzgar verileri kullanılarak literatürde yaygın kabul gören 16 farklı istatistiksel dağılım ve parametre tahmin metodu karşılaştırılmıştır. Analizler sonucunda, rüzgar hızı frekansını modellemede Gamma (GAM) ve Justus (JMM) metotlarının, teorik enerji yoğunluğunu tahmin etmede ise Güç Yoğunluğu (PD) metodunun en yüksek istatistiksel başarımı sergilediği belirlenmiştir. Çanakkale ve Muğla gibi kıyı illerinde 600 metre irtifada %64,4 seviyelerine varan yüksek kapasite faktörlerine ulaşıldığı görülmüştür. Çevresel etki değerlendirmesi, ISO 14040 ve ISO 14044 standartlarına uyumlu olarak bütünleşik bir yaklaşımla gerçekleştirilmiştir. YDD bulguları, HRE sistemlerinin ağır çelik kule ve beton temellerden arındırılmış hafif yapısı sayesinde, üretim ve kurulum aşamalarındaki Kümülatif Enerji Talebi (KET) ve Küresel Isınma Potansiyeli (KIP) değerlerini YERT sistemlerine kıyasla ciddi biçimde düşürdüğünü ispatlamıştır. Ancak sistemin sürekli döngüsel hareket prensibi nedeniyle halat değişimi ve hareketli parçaların periyodik bakım ihtiyaçları, işletme (OPEX) dönemindeki çevresel yükü artırmaktadır. Buna rağmen, ulaşılan yüksek kapasite faktörü, işletme fazındaki bu dezavantajı telafi ederek yaşam döngüsü genelinde HRE sistemlerini daha doğa dostu bir teknoloji konumuna taşımıştır. Finansal fizibilitenin belirlendiği Tekno-Ekonomik Analiz (TEA) kapsamında; yerel sanayi altyapısı, bölgesel lojistik etkiler ve kapasite faktörleri entegre edilerek projelerin net bugünkü değer (NBD), iç getiri oranı (İGO) ve seviyelendirilmiş enerji maliyeti (SEM) hesaplanmıştır. 600 metre operasyon irtifasında Çanakkale ilinde SEM değeri 0,027 $/kWh gibi geleneksel ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla dahi rekabetin ötesine geçen bir seviyeye inmiş, projenin amortisman süresi 4 yıla yakın hesaplanmıştır. İç Anadolu illerinde rüzgar kapasitesinin artmasıyla ticari kârlılık 400 metre irtifadan itibaren sağlanırken; Karadeniz'in engebeli topoğrafyasına sahip Ordu ve Giresun gibi illerde lojistik engeller ve yüksek ilk yatırım (CAPEX) maliyetleri yatırımı fizibiliteden uzaklaştırmıştır. Sonuç olarak; HRE teknolojisi, yüksek rüzgar hızına sahip ve lojistik altyapısı gelişmiş bölgelerde önemli bir enerji üretim ve düşük maliyet potansiyeli sunmaktadır. Ancak teknolojinin mekanik dayanım sorunları, havacılık yasal mevzuatındaki (SHGM vb.) belirsizlikleri ve yüksek bakım talebi, sistemin tüm coğrafyalar için geleneksel rüzgar türbinlerinin yerini doğrudan alacak bir seçenek olmaktan ziyade; spesifik rüzgar koridorları ve uygun maliyetli alanlar için stratejik bir geçiş teknolojisi olduğunu ortaya koymaktadır.Global climate change and sustainable energy security goals have accelerated the search for renewable energy technologies. In this context, Airborne Wind Energy (AWE) systems, which overcome the tower height limitations of conventional Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs) to exploit high and stable wind streams at altitudes of two hundred meters and above, stand out as an innovative alternative. In this thesis study, the applicability of AWE technology for 10 pilot provinces in Türkiye (Aksaray, Çanakkale, Çorum, Giresun, Kastamonu, Konya, Muğla, Ordu, Samsun, Sinop) with varying geographical, meteorological, and economic dynamics was investigated through an integrated methodology encompassing wind resource characterization, Life Cycle Assessment (LCA), and Techno-Economic Analysis (TEA). During the wind potential analysis phase, sixteen different statistical distribution and parameter estimation methods widely accepted in the literature were compared using high-altitude wind data. The analyses demonstrated that the Gamma (GAM) and Justus (JMM) methods exhibited the highest statistical performance in modeling wind speed frequency, while the Power Density (PD) method was the most accurate in estimating theoretical energy density. At a 600-meter altitude in coastal provinces like Çanakkale and Muğla, capacity factors reached up to 64,4%. The environmental impact assessment was conducted in full compliance with ISO 14040 and ISO 14044 standards using a "cradle-to-grave" approach. The LCA findings proved that AWE systems, owing to their lightweight structure devoid of heavy steel towers and concrete foundations, notably reduce the Cumulative Energy Demand (CED) and Global Warming Potential (GWP) during the manufacturing and installation phases compared to HAWT systems. However, due to the continuous cyclic movement principle (reel-in/reel-out), tether replacement and periodic maintenance requirements of moving parts increase the environmental load during the operational (OPEX) period. Nevertheless, the high-capacity factor achieved compensates for this operational disadvantage, making AWE systems a more environmentally friendly technology over their entire life cycle. Within the scope of the TEA, which determined financial feasibility, Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), and Levelized Cost of Energy (LCOE) were calculated by integrating local industrial infrastructure, regional logistics effects, and capacity factors. At a 600-meter operational altitude in Çanakkale, the LCOE value dropped to 0,027 $/kWh, achieving a highly competitive level against both conventional and renewable energy sources, and the project's payback period declined to approximately 4 years. While commercial profitability was achieved in the Central Anatolian provinces starting from a 400-meter altitude due to increased wind capacity; logistical obstacles and high Capital Expenditure (CAPEX) costs in provinces with challenging topographies like Ordu and Giresun in the Black Sea region rendered the investments unfeasible. In conclusion, AWE technology offers significant energy generation and low-cost potential in regions with high wind speeds and developed logistical infrastructures. However, mechanical durability challenges, uncertainties in aviation legal regulations, and high maintenance demands indicate that the system is currently a strategic transition technology for specific wind corridors and cost-effective areas, rather than a direct replacement for conventional wind turbines across all geographies.