Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi (Göklerden Enerji Toplamak)
Toplumların zenginliği ve fakirliğiyle enerjiye erişimleri arasında doğrusal bir ilişki olduğunu söylemek yanlış olmaz. Daha çok üretim yapılan daha zengin toplumlar daha çok enerji tüketiyorlar. Gelişmekte olan ülkelerin enerji ihtiyacı da artan üretimle beraber giderek artıyor. İnsanlara daha iyi eğitim, sağlık, beslenme ve iş olanakları sunmanın yolu daha çok enerjiye daha ucuz bir biçimde erişmekten geçiyor. Bugüne kadar insanların enerji ihtiyacını karşılayan ana kaynak fosil ve nükleer yakıtlardı. Ancak yer altında milyonlarca yıl içinde oluşan fosil yakıtların hem yenilenme hızı günümüzdeki tüketim hızını karşılayacak düzeyde değil hem de çevreye verdiği zarar söz konusu. Nükleer yakıtların kullanıldığı enerji santrallerininse çevresel felaketlere sebep olma potansiyelleri görece yüksek. Giderek artan enerji ihtiyacını çevreye zarar vermeden, sürdürülebilir bir biçimde karşılamanın yolu yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmekten geçiyor. Tüm dünyanın enerji ihtiyacını karşılayabilecek düzeyde bol ve yenilenebilir enerji kaynaklarından biri rüzgar enerjisi.
Günümüzde rüzgar enerjisinden yararlanmak için yaygın olarak karasal bölgelerde rüzgar santralleri kuruluyor. Yaklaşık 100 metre yüksekliğindeki tipik bir rüzgar santralinden 1,5 MW güç elde edilebiliyor. Ancak bu rüzgar santralleri hiçbir zaman tam kapasite ile çalışmıyor. Çünkü yeryüzüne yakın hava katmanlarındaki rüzgarlar sürekli değil ara sıra esiyor. Bu yüzden sıradan rüzgar santrallerinden elde edilen enerji çoğu zaman azami kapasitenin yarısına bile ulaşmıyor.
Rüzgar santrallerinden daha fazla enerji elde etmenin bir yolu, daha küçük alanlarda daha çok güç üretebilecek rüzgar santralleri kurmaktan geçiyor. Yüksek irtifalardaki hava akımları genellikle daha güçlü olduğu için bu durum rüzgar santrallerinin yüksekliğinin ve kanat uzunluğunun artırılması anlamına geliyor. 2000’lerin başlarından beri yatırım yapılan bir alansa açık denizlere rüzgar santralleri kurmak. Yeryüzünde denizler karalardan daha çok alan kaplar. Ayrıca kıyıdan uzaklaştıkça rüzgarlar genellikle hem güçlenir hem de daha düzenli ve sık esmeye başlar. Bu yüzden denizlerden elde edilebilecek rüzgar enerjisi potansiyel olarak karalardan elde edilebilecek olandan daha fazladır. Ancak sıradan rüzgar santralleri sadece sığ sulara ya da özel olarak tasarlanmış yüzer platformların üzerine kurulabiliyor. Bu da denizlerden elde edilebilecek rüzgar enerjisi miktarını sınırlıyor.
Dünya’daki rüzgar enerjisinin büyük kısmı esasen atmosferin yeryüzüne yakın kısımlarında değil yükseklerinde bulunur. Bilimsel çalışmalar atmosferin alt katmanlarındaki rüzgarların sıradan rüzgar santrallerine
sağlayabileceği azami gücün 400 TW olduğunu gösteriyor. Söz konusu olan atmosferin tamamı olduğundaysa bu değer 1800 TW’a çıkıyor. Üstelik yüksek irtifalardaki rüzgarlar daha güçlü olmanın yanı sıra daha düzenli ve süreklidir de. Dolayısıyla rüzgar enerjisinden daha fazla yararlanabilmenin bir yolu da enerjiyi göklerden toplamaktan geçiyor. Peki ama nasıl? Cevap: 100 m2‘lik uçurtmalarla, havada asılı kalan rüzgar türbinleriyle, planörlerle, balonlu uçurtmalarla, türbinler taşıyan insansız hava araçlarıyla… Rüzgarlardaki 1800 TW gücün sadece %1’ini toplamak bile bugün tüm dünyanın enerji ihtiyacını karşılamaya yetebilir.
Göklerden Rüzgar Enerjisi Toplamanın Yolları
Rüzgar enerjisinden yararlanmanın insanlar için yeni bir olgu olduğu söylenemez. Yüzlerce yıldır yel değirmenlerinde buğday öğütmek ya da yelkenli gemilerle denizlerde yol almak için rüzgar enerjisinden yararlanılıyor. Ancak bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak büyük ölçekte rüzgar enerjisinden yararlanma çabalarının görece yeni olduğu söylenebilir.
Göklerdeki rüzgar enerjisinin nasıl toplanabileceğiyle ilgili ilk çığır açıcı çalışma 1970’lerin sonlarında Miles Loyd tarafından yapılmıştı. O sıralar dünya genelinde bir petrol krizi yaşanıyordu. Loyd da var olan enerji krizinden çıkmanın bir yolunun göklerden rüzgar enerjisi toplamak olduğunu düşünmüştü. Loyd 1980 yılında yayımladığı makalesinde bir uçurtma hayal etmişti. Bu uçurtmadan verimli bir biçimde enerji elde etmek için önerdiği yöntemse çocukluğunda uçurtma uçurmuş hemen her çocuğun iyi bildiği bir fiziksel gerçeğe dayanıyordu: Rüzgara dik biçimde hareket eden bir uçurtmanın ipindeki gerilim rüzgarı arkasına almış bir uçurtmanın ipindeki gerilimden çok daha büyüktür.
Loyd, rüzgara dik biçimde hareket eden uçurtmalarla enerji toplamak için iki yöntem önermişti. Birincisi, uçurtmayı yeryüzüne bağlayan halattaki kaldırma kuvveti yeryüzündeki bir kütleyi hareket ettirmek için kullanılabilir. Örneğin halat sabit bir eksen etrafında dönebilen bir makaranın etrafına dolanır. Uçurtma göklerde yükselirken makaranın yapacağı dönme hareketi bir elektrik üretecini çalıştırmak için kullanılır. İkincisi, uçurtmanın üzerine ufak rüzgar türbinleri yerleştirilir ve üretilen
elektrik enerjisi iletken kablolarla yeryüzüne aktarılır.
Loyd yaptığı kuramsal tahminlerde tek bir uçurtmadan 45 MW güç elde etmenin mümkün olduğunu hesaplamıştı. Bu değer bugünkü en gelişmiş rüzgar türbinlerinin kapasitesinin bile üzerindedir. Şu an için ticari olarak
satışı yapılan en gelişmiş rüzgar türbini olan MHI Vestas V164 9,5 MW güç üretiyor. Prototip aşamasında olan GE Wind Energy şirketine ait 260 metre yüksekliğindeki devasa Haliade-X türbinleriyse 12 MW güç üretebiliyor.
Loyd hesaplarında hem uçurtma ve kabloların kütlesini hem de kablolardaki hava sürtünmesini ihmal etmişti. Bu yüzden 45 MW tahmininin gerçekçi olduğu söylenemez. Ancak Loyd’un fikirleri ilerleyen yıllarda da etkili olmaya devam etti.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemleri
Bugün gökyüzünden rüzgar enerjisi toplamak için üzerine çalışmalar yapılan hava araçlarına uçurtmaların yanı sıra planörleri, havada asılı kalan türbinleri, balonlu uçurtmaları ve diğerlerini de eklemek lazım. Atmosferin 200 metre ila 10 kilometre yüksekliğindeki bölgelerinde çalışmaları için tasarlanan bu Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin (HKRES) genel olarak iki ana bileşenden oluştuğu söylenebilir: bir yer istasyonu ve bu yer istasyonuyla bağlantılı bir hava aracı.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemleri, sahip oldukları özelliklere göre çeşitli başlıklar altında sınıflandırılabilir. Bazı Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinde, enerji üretimi yer istasyonunda yapılırken bazılarında ise enerji uçan hava aracında üretildikten sonra yer istasyonuna aktarılır. Enerjinin yerde üretildiği sistemlerde hava aracı genellikle bir ya da birkaç kabloyla hareketli bir düzeneğe bağlıdır. Bu hareketli düzenek istasyonun tamamı olabileceği gibi sadece bir parçası da olabilir. İstasyonun sabit olduğu sistemlerde iplerin sağladığı çekiş, bir elektrik motorunu hareket ettirmek için kullanılır. Bu sistemlerde çalışma süreci iki aşamadan oluşur. Birinci aşamada, araç havada yükselirken kablolar üreteçleri hareket ettirir ve elektrik enerjisi üretilir. İkinci aşamadaysa araç alçalarak başlangıçtaki yüksekliğine geri dönerken kablolar yeniden yer istasyonundaki düzeneğe sarılır ve az da olsa enerji tüketilir. Gökyüzünde genellikle 8 sayısının şekline benzer bir rota takip eden bu sistemler, sadece birinci aşamada enerji üretildiği için yer istasyonuna sürekli güç sağlamaz. Üretimin periyodik olarak onlarca saniye kesintiye uğraması büyük bataryalara ya da kapasitörlere ihtiyaç duyulmasına neden olur. Kabloların sağladığı çekişin yer istasyonun tamamını hareket ettirdiği sistemlerdeyse kesintisiz güç üretilmesi amaçlanır. Ancak çok daha karmaşık olan bu sistemlerin şu an geliştirilme aşamasında olan tek bir prototipi vardır. Bu sistemde istasyonun hareketi hava aracının rotasını kontrol etmek için kullanılır. Enerji üretimi de istasyonun hareketinin bir elektrik motoruna aktarılmasıyla sağlanır.
Enerjinin havada elde edilip yeryüzüne aktarıldığı sistemlerse havada kaldıkları her an güç üretebilirler. Üretim, sadece havalanma ve iniş sırasında kesintiye uğrar. Üstelik toplanan rüzgar enerjisinin bir kısmı aracın kendi enerji ihtiyacını karşılamak için de kullanılabilir. Sürekli yükselip alçalması gerekmeyen hava araçları daha basit rotalar takip eder. Ancak sıradan kablolara göre genellikle daha kalın olan iletken kabloların sürtünmeyi artırması bu sistemlerin verimini düşürür.
Üzerinde Çalışılan Alternatifler
Farklı alternatiflerin gerçek dünyada nasıl performans göstereceğini anlamaya çalışan araştırmacılar prototipler üretip test ediyorlar. Bir Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sisteminin sağlayacağı güç pek çok değişkene bağlıdır. İstisanasız tüm Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinde hava aracının kütlesinin artması kablolardaki gerilimin azalmasıyla sonuçlanıyor. Bu durum özellikle enerji üretiminin yer istasyonunda yapıldığı sistemler için önemli. Bu sistemlerde elektrik motorunun çalışmasını kablolardaki gerilim sağladığı için hava aracının kütlesi arttıkça elde edilen güç azalıyor. Enerji üretiminin hava aracı üzerindeki türbinlerle yapıldığı sistemlerdeyse durum farklı. Kuramsal tahminler hava aracının kütlesinin elde edilecek enerjiye önemli bir etkisinin olmadığına işaret ediyor ve gözlemler de bu tahmini doğruluyor.
Hâlâ tartışmalı olan bir konu hava aracının kanatlarının esnek mi yoksa sert mi olmasının daha iyi olduğu. Esnek kanatlı araçlar, testler sırasındaki kazaları daha hafif hasarlarla atlatıyorlar. Ayrıca kütleleri daha hafif olduğu için daha fazla güç sağlayabiliyorlar. Sert kanatlı araçlarınsa hem aerodinamik verimliliği daha yüksek hem de daha dayanıklılar. Şu an için hangi seçeneğin uzun vadede öne çıkacağını kestirmek zor.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin hangi irtifalarda daha verimli çalışacağı da cevaplanmayı bekleyen bir diğer soru. İrtifa yükseldikçe rüzgarlar daha şiddetli esmeye başlar. Ancak araçların daha yüksek irtifalarda çalışması aynı zamanda daha uzun kablolara ihtiyaç duyulması anlamına gelir. Daha uzun kablolar ise daha fazla hava sürtünmesi demektir. Şu an için hangi irtifanın daha iyi olduğu ile ilgili tahminler, doğru olduğu varsayılan hipotezlere göre değişiyor. Bir tahmine göre, kablolardaki hava sürtünmesinin azaltılabilmesi durumunda 1000 metre civarındaki yükseklikler ideal sonuçlar verebilir.
Sistemlerin güvenli bir biçimde çalışması için hava araçlarını yer istasyonuna bağlayan kabloların elektrostatik özelliklerinin de göz önünde bulundurulması gerekiyor. Günümüzde bu sistemlerde yaygın olarak kısaca UHMWPE olarak adlandırılan düşük maliyetli, mükemmel mekanik özelliklere sahip polimer kablolar kullanılıyor. Bugüne kadar bu kabloların kuru ya da nemli hava koşulları altında nasıl performans göstereceğini tespit etmek için yapılan çalışmalarda fırtına bulutlarındaki statik elektrik alanların parlamalara ya da boşalmalara sebep olmadığı gözlemlenmemiş. Ancak özellikle iletken olmayan kablolar yıldırımların ürettiği dinamik elektrik alanlara maruz kaldıklarında parlamaları ve boşalmaları tetikleyebiliyor. Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin fırtınalı havalarda çalışması beklenmediğinden bu durumun bir sorun teşkil etmeyeceği söylenebilir. Ancak sistemlerin güvenli bir biçimde çalışabileceği “en kötü hava koşullarının” da tespit edilmesi gerekiyor.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin Avantajları
Bir rüzgarın sağlayabileceği güç, rüzgarın hızının küpüyle orantılıdır. Örneğin rüzgarın hızı iki katına çıktığında sağladığı güç sekiz katına çıkar. Dolayısıyla rüzgar enerjisinden daha fazla yararlanmak daha güçlü rüzgarlara erişmekten geçiyor. Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin standart türbinler karşısındaki en önemli avantajı da zaten standart türbinlerin ulaşamadığı, güçlü rüzgarların estiği irtifalarda çalışmaları. Ayrıca standart türbinler sadece karalarda ve sığ sularda çalışıyor. Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemleri ise deniz tabanına türbin kurulamayan açık denizlerden bile rüzgar enerjisi toplayabilir. Ayrıca yüzer türbinlerle karşılaştırıldığında da Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemleri taşıyan platformlar açık denizlerdeki zorlu koşullara karşı daha dayanıklıdır.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin sıradan türbinlere göre bir diğer avantajı, kütlelerinin düşük olması. Göklerden rüzgar enerjisi toplayan bir uçurtmayı taban ve kule gibi enerji üretimine katkısı olmayan ağır kısımlarından arındırılmış bir rüzgar türbinine benzetebilirsiniz. Örneğin yaklaşık 1,5 MW güç üreten 80 metre yüksekliğindeki standart bir rüzgar türbininin ağırlığı 100 tona varırken, toplam ağırlığı sadece 1 ton olan bir drone ve yer istasyonu 100 kW güç üretmeyi başarabiliyor. Kütlenin düşmesi doğal olarak enerjinin üretim maliyetini de düşürüyor. Bu durum rüzgar enerjisinin geleceği açısından özellikle önemli olabilir. Çünkü standart rüzgar türbinlerinin ürettiği enerjinin maliyeti şu an enerjinin ortalama satış fiyatının üzerinde.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin standart türbinler gibi sabit olmaması da bir diğer avantaj. Standart türbinlerin aksine hava aracının çalıştığı irtifa ve hareket yönü, maksimum verim alınacak biçimde, rüzgarların hızına ve esme yönüne göre ayarlanabilir.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinde Aşılması Gereken Zorluklar
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin güvenli ve verimli bir biçimde çalışabilmesi için aşılması gereken pek çok zorluk var: hava trafiği, zorlu atmosfer koşulları, kablo ve kanatlarda kullanılan malzemelerin çok dayanıksız ya da çok ağır olması, elektriksel bağlantıların endüstriyel standartlara uygun olmaması vb.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin çalışması sırasında felaketlere sebep olabilecek pek çok şey var: zayıf bağlantıların kopması, aşırı güçlü rüzgarlar, yıldırımlar… Bu ve benzeri durumlar için bir çözüm hava araçlarını herhangi bir acil durum sırasında yere inebilecek biçimde tasarlamak olabilir. Örneğin, Ampyx Power şirketi topladığı enerjinin bir kısmını depolayıp kendisine saklayan uçurtmalar tasarlıyor. Böylece uçurtmanın kabloları kopsa bile depoladığı enerjiyle yere inmeyi başarması amaçlanıyor. Ancak Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemleriyle ilgili en önemli zorluk da belki de bu noktada başlıyor. Bu cihazların havalanmalarını ve yere inişlerini otomatikleştirmek çok zor; özelikle de açık denizlerde çalışması planlan, yüzer, hareketli platformların üzerinde iniş kalkış yapacak hava araçları için. Söz konusu olan büyük ölçekte enerji üretecek, birbirinden bağımsız çok sayıda Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sisteminin bir arada çalışacağı santraller olduğunda durum daha da zorlaşıyor. Örneğin 300 tane hava aracının olduğu bir santrali düşünelim. Her bir araç tek bir seferde 2 gün havada kalabilse bile bu durum bir yıl içinde yaklaşık 55.000 kalkış ve iniş olacağı anlamına gelir. Bu kadar çok sayıda aracın çevredeki insanlar, hava araçları ve santralin kendisi için tehlike arz etmeden nasıl çalışacağı hâlâ üzerine araştırmalar yapılması gereken önemli bir sorun.
Yüksek irtifalarda çalışması planlanan araçlar için başka bir zorluk da farklı irtifalardaki koşulların farklı olması. Aracın sadece çalışması planlanan irtifadaki sıcaklık, basınç ve rüzgar koşullarına uygun biçimde tasarlanması yeterli olmayacaktır. Çünkü aracın bu irtifalara ulaşması için daha alçak katmanları da aşması, dolayısıyla bu bölgelerde de güvenli biçimde çalışabilecek biçimde tasarlanması gerekir.
Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisinin Bugünü ve Geleceği
Hava kaynaklı rüzgar enerjisi ile ilgili araştırmalara bugüne kadar onlarca milyon dolar harcanmış durumda. Ancak enerji piyasasının büyüklüğü, rüzgar enerjisinin sahip olduğu potansiyel ve hava kaynaklı sistemleri üretmenin ve işletmenin zorluğu düşünüldüğünde bu meblağın büyük olmadığını, aksine küçük olduğunu söylemek gerekir. Yine de hem enerji sektöründeki büyük firmalar hem de özel olarak bu işe odaklanan daha küçük firmalar hava kaynaklı enerji sistemleri üzerinde çalışmalar yapmaya devam ediyorlar.
Google’ı da bünyesinde bulunduran Alphabet şirketinin sahibi olduğu Makani firması, yakın zamanlarda Norveç fiyortlarında 600 kW güç üreten uçurtmalarını test etti. Uçurtmaların doğal koşullar altında nasıl davrandığıyla ilgili veriler topladı. Ampyx Power isimli Hollanda menşeli bir şirket yüzer platformlardan havalanabilen sistemler üzerine çalışmalar yapıyor. Şirketin en gelişmiş modelinin kapasitesi 300 kW. Skysails isimli bir Alman firması ise kendi geliştirdiği bir uçurtmayı bir çevre koruma örgütüne ait gemiye çoktan monte etti bile. Uçurtma geminin enerji ihtiyacının tamamını olmasa da bir kısmını karşılamaya devam ediyor. Şirket 2020 içinde 500 kW’a kadar güç üreten sistemleri piyasaya sürmeyi planlıyor. Benzer çalışmalar yapan çok sayıda başka firmayı da sayıp bu
listeyi uzatmak mümkün.
Şu an için Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemlerinin ürettiği enerjinin maliyeti yüksek. Ayrıca sistemlerin ne ölçüde güvenli olduğu da tam olarak bilinmiyor. Bu yüzden geliştirdikleri ürünleri test etmek ve geliştirmek isteyen firmalar her tarafı şebekelerle donatılmış şehirlere değil, enerjiye erişimin zor olduğu ücra bölgelere yöneliyorlar. Örneğin Kitepower isimli Hollanda firması, Karayipler’deki Curaçao Adası’nda test amaçlı ufak bir Hava Kaynaklı Rüzgar Enerjisi Sistemi parkı kurdu. Park, şirketin Hollanda’daki Delft şehrinde bulunan merkezinden idare ediliyor. Uzaktan yapılan gözlemlerle araçların hangi sıklıkla bakıma ihtiyaç duyduğu tespit edilmeye çalışılıyor ve sistemin performansı hakkında veri toplanıyor. Yerdeki araçların havalanması içinse şirketin bölgedeki çalışanlarından yardım alınıyor.
Önümüzdeki yıllarda hava kaynaklı rüzgar enerjisi üzerine yapılan çalışmaların ivmelenmesi, şu an devam eden çeşitli projelerin tamamlanması ve test edilmesi bekleniyor. Geliştirilen teknolojilerin güvenlik ve verim açısından ne kadar olgunlaşacağını ve var olan teknolojilerle ne ölçüde rekabet edebileceğini ise zaman gösterecek.
Kaynaklar
– Cherubini, Antonello ve ark., “Airborne Wind Energy Systems: A review of the technologies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt 51, s. 1461, 2015.
– Loyd, Miles L., “Crosswind Kite Power”, Journal of Energy, Cilt 4, s. 106, 1980.
– Harris, Margaret, “The promise and challenges of airborne wind energy”, Physics World, 2019.
