Geri Dön

Life cycle assessment in wind turbines

Rüzgar türbinlerinde yaşam döngüsü analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 639471
  2. Yazar: BUKET KÜÇÜKKARACA
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BARUTÇU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Mühendislik Bilimleri, Energy, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Dünyada enerji kaynağı olarak ağırlıklı olarak fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Fosil yakıtlara petrol, doğal gaz ve kömür örnek gösterilebilir . Ancak, zaman geçtikçe yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artmaktadır. Bunun başlıca sebepleri ise, fosil yakıtların tükenmesi ve çevre kirliliğidir. Yenilenebilir enerji kaynakları ise kendini yenilediğinden dolayı tükenmez ve çevreyi fosil yakıtlar kadar kirletmez. Ancak, yenilenebilir enerji kaynakları coğrafyaya göre değişkenlik gösterir. Yenilenebilir enerji kaynaklarına örnek ise güneş, rüzgar, biyokütle, dalga gösterilebilir. BP'nin verilerine göre, dünyada birincil enerji tüketimi 2018 yılında %33,62 petrol, %27,21 kömür, %23,87 doğalgaz, %6,84 hidroelektrik, %4,41 nükleer ve %4,05 yenilenebilir enerjidir. Türkiye'de ise birincil enerji tüketimi 2018 yılında %31,63 petrol, %27,56 kömür, %26,49 doğalgaz, %8,77 hidroelektrik enerji ve %5,56 yenilenebilir enerjidir. Bu durumda, Türkiye'nin dünyaya oranla yenilenebilir enerjiden yararlanma oranı daha fazladır. Yenilenebilir enerji payı içerisinde ise dünyada %51 rüzgar enerjisi kullanılmakta olup Türkiye'de ise %53'tür. Enerji sistemleri karşılaştırıldığında ömür bakımından rüzgar enerjisi 20-25 yıl gözükmektedir Diğer enerji sistemlerine göre daha az ömrü vardır. Örneğin hidroelektrik santralleri 70 yıl, nükleer santralleri 40 yıl, kömür ve güneş 30 yıl işletilebilir. Alan kullanımı bakımından incelendiğinde ise rüzgar enerjisi yaklaşık olarak 2 W/m2' dir. Nükleer enerjide ise yaklaşık olarak 966 W/m2'dir. Kapasite faktörü bakımından incelendiğinde ise rüzgar enerjisinin yaklaşık olarak %35, nükleer enerjinin %93, PV'nin %25 ve kömürün ise %54'dir. Rüzgar çevre dostu ve tükenmeyen bir enerji kaynağıdır ve rüzgar türbinleri sayesinde elektrik üretilir. Rüzgar türbinleri karada ve deniz üstünde kurulabilir. Karada kurulan rüzgar türbinlerinin kurulumu daha kolay ve maliyeti deniz üstünde kurulan rüzgar türbinlerine kıyasla daha azdır. Diğer taraftan, yatay ve dikey eksenli rüzgar türbinleri olmak üzere iki tip rüzgar türbini vardır. Dikey eksenli rüzgar türbinlerinin avantajları, jeneratörün zemin seviyesinde bulunması ve kuleye ihtiyaç duyulmamasıdır. Dezavantajları ise düşük rüzgar hızı ve düşük verimdir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri ise yüksek rüzgar hızından dolayı daha verimlidir. Dikey eksenli rüzgar türbinleri düşük rotor veriminden ötürü tercih edilmemektedir. Yatay eksenli rüzgar türbinlerinde dört eleman vardır: temel, kule, makine bölümü ve rotordur. Temel; beton, çelik ve demirden oluşup kulenin sabit durması için bir elemandır. Kule ise genellikle çelikten oluşup makine bölümünü ve rotoru taşır. Makine bölümü ise hız mili, vites kutusu, kontrol ünitesi ve jeneratörden oluşur. Rotor ise rüzgar enerjisini kanatlar sayesinde mekanik enerjiye çevirir. Genel olarak kanatlar, fiberglas ve epoksi resinden yapılır. Gövde ise rotorun ortasında bulunup kanatlar bu yapıya tutunur. Gövde ise döküm demirden yapılır. Gövde kanatlardan gelen enerjinin jeneratöre iletilmesini sağlar. Bu çalışmada karada kurulan yatay eksenli rüzgar türbinlerinin yaşam döngüsü analizi yapılmıştır. Bu yaşam döngüsünde çevresel etkiler değerlendirilmiştir. İlk incelenen çevresel etki ise küresel ısınma potansiyelidir. Güneşten gelen ışınlar kısmen emilir ve doğrudan ısınmaya neden olur. Güneşten gelen dalganın diğer kısmı yansıtılır. Dünyanın yüzeyi bu ışınları atmosfere geri yansıtır, ancak bu dalgalar CO2, metan ve CFC gibi sera gazları tarafından emilir. Bu dünyanın ısınmasına neden olur; dolayısıyla küresel ısınmaya neden olur. CO2-eq ile tanımlanır. Asidifikasyon ise SO2, NOx, HCL, HF ve NH4 gazlarının salınımı sebebiyle olur. Asidifikasyon korozyon oluşmasına, suların asitlenmesine, bitki örtüsüne ve toprağa zarar vermesine neden olur. Stratosferik Ozon Tabakası CFC, HCFC, halonlar ve CH3Br gazlarından kaynaklanır. Ozon tabakasının incelmesi UV radyasyonunda artışa neden olur. Fotokimyasal duman, görüşün azalmasına, göz ve akciğer tahrişine, solunum yoluna ve bitki örtüsü ve materyallere zarar verir. Eko-toksisite potansiyeli bir ekosistemin üzerindeki zararlı etkileri özetlemeyi amaçlar. İnsan, karasal ve su olarak ayrı ayrı incelenir. Ötrofikasyonda ise PO4, NO, NO2, Nitratlar ve NH4 kimyasalları sebep olur. Belirli bir su kütlesinde hava kirleticileri ve atık su nedeniyle besin zenginleşmesi gerçekleşir. Sonuç olarak, alg patlaması gerçekleşir. Bu nedenle, güneş ışığı su derinliklerine ulaşamaz ve canlılar fotosentez yapamaz ve oksijen azalır. Sonuç olarak, ekosistem yok olma tehlikesi ile karşılaşır. Bu çalışmada, rüzgar türbini üretilirken, kullanılan parçaların transferi, inşaatı sırasında, ve rüzgar türbini çalışırken ve ömrünü tamamladıktan sonra bertarafı sırasında harcanan enerjiler ve bu süreçlerin çevresel etkileri incelenmiştir. Bu çalışmada 2 MW'lık bir rüzgar türbini incelenmiştir ve 4 farklı senaryo oluşturulmuştur. Alüminyum yada bakır iletkenli kablo kullanılması yada ulaşım olup olmaması durumları incelenmiştir. Rotorda kanat, gövde ve burun konisinden oluşmaktadır. Kullanılan malzemeler resin, fiber glas ve döküm demirden oluşmaktadır. Temel ise beton, demir ve çelikten oluşmaktadır. Kule ise 3 parçadan oluşup çelikten yapılmıştır. Nacelle ise yatak, ana mil, transformatör, jeneratör, dişli kutusu ve nacelle kapağından oluşur. Kullanılan malzemeler ise demir, çelik, silisyum, bakır, resin ve fiber glastır. Kablolar alüminyum iletken yada bakır iletken şeklinde olabilir. Ancak türbin içinde yalnızca bakır kablo kullanılmaktadır. Belirli bir rüzgar tarlası kullanılmadığı için 1 km'lik 95, 120, 185 mm2 kesitlik kablolara göre tahmin yapılmıştır. Ulaşımda ise belli bir rüzgar tarlası olmadığı için belli rüzgar tarlalarının ortalama ulaşım verileri kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Ancak hesap yapılırken ulaşımlı ve ulaşımsız olmak üzere senaryolar oluşturulmuştur çünkü her bir sahanın farklı ulaşım verileri bulunmaktadır. Tır yada gemi kullanımı büyük farklılıklar oluşturur. Rüzgar türbinin inşaatı ve ömrünün sonunda sökülmesi için iş makinaları gerekmektedir. Vinç, yük kaldırma aracı ve kazı makinaları kullanılması durumları hesaplanmıştır. Rüzgar türbininin işletimi sırasında bir jeneratör değişimi ve yağ değişimi yapıldığı öngörülmektedir. Bu işletim süresinin bu türbin için 20 yıl olduğu kabul edilmiştir. Bertarafında ise demir, döküm demir, çelik, bakır, alüminyum ve yağ geri dönüşüme gönderilmesi hedeflenmiştir. Bu sayede kullanılan malzemelerde geri kazanım elde edilmiş olunacaktır. Kompozit malzemenin geri dönüşümünün verimliliği düşük olduğundan yakmaya gönderilmesi kararlaştırılmıştır. Bu bertaraf süreci hem alüminyum iletkenli hem de bakır iletkenli kablo için ayrı ayrı yapılmıştır. Ayrıca bu malzemelerin sökülmesinden sonra bertaraf tesislerine gönderilmesi de hesaba katılmıştır. Belirli bir rüzgar tarlası olmadığı için her bir malzeme için 100 km'lik bir uzaklık alınmıştır. Her senaryo için çıkan emisyonlar ve enerji harcamaları hesaplanmıştır. Ayrıca, rüzgar türbininin üretilmesi sırasında çıkan atıksu da hesaplanmıştır. Bu çıkan emisyonlardan ve atıksulardan kaynaklı çevresel etkiler dört farklı senaryo için hesaplanmıştır. Çevresel etkilerin hangi süreç tarafından ne kadar etkilendiği dört farklı senaryo için grafik olarak gösterilmiştir. Ayrıca dört farklı senaryo Vestas'ın V100 modeli ile çevresel etki bakımından karşılaştırılmıştır. Bu tez çalışmasında kullanılan rüzgâr türbininin çevresel etkileri imalatın Türkiye'de olup Türkiye'ye bu türbini kurma durumu ve Avrupa'dan Türkiye'ye ithali durumu incelenmiştir. Bu dört senaryo incelendiğinde enerji geri ödeme süresinde ulaşımlı ve ulaşımsız senaryolarda büyük bir farklılık oluşmuştur. Çevresel etkiler ise her bir çevresel etki için senaryolara göre değişiklik gösterir. Alüminyum kablo yada bakır kablo kullanılması durumda nasıl çevresel farklılıkların olduğu bu tezin sonucundan çıkartılabilir. Ayrıca ulaşımın yarattığı çevresel farklılıklar da gösterilmiştir. Sonuç olarak, geri dönüşüm pozitif olarak düşünülürse bakır iletken kablolu rüzgar türbini için daha fazla enerji gerekmektedir. Ancak, eğer geri dönüşüm negatif kabul edilirse alüminyum iletken kablolu rüzgar türbinlerinin enerji harcaması daha fazla olur. Küresel ısınmanın etkisi ise bakır iletkenli rüzgar türbininde daha fazladır. Gelecekteki çalışmalarda; kablolar, kanat ve temel için bertaraf yöntemleri üzerine araştırmalar yapılırsa çevresel ve ekonomik açıdan daha iyi sonuçlar elde edilebilir.

Özet (Çeviri)

Today in the world, fossil fuels such as coal, natural gas, and oil, are the most widespread used source of energy. However, the use of renewable energy has been increasing over time. The driving factors of such an increase in the use of renewable energy sources are mainly the depletion of fossil fuels and environmental pollution. Renewable energy sources are not exhausted because they naturally replenish themselves and cause less environmental pollution than fossil fuels. However, renewable energy sources vary due to geography. Wind is an environmentally friendly and inexhaustible source of energy. Wind turbines generate energy using wind power. These turbines can be built on land (onshore) and on the sea (offshore). Wind turbines built on land are easier to install and cost less. Additionally, there are two types of wind turbines which are horizontal and vertical axis wind turbines. The advantages of vertical axis wind turbines are that the generator is located at ground level and does not need a tower therefore they are less costly build and maintain. The disadvantages are low wind speed and low efficiency. Positions of horizontal axis wind turbines can be upwind or downwind. Due to high wind speed, horizontal axis wind turbines have higher efficiency. Horizontal axis wind turbines have four elements which are foundation, tower, nacelle, and rotor. The foundation consists of concrete, steel, and iron, and is a part of the wind turbine used to fıx it to the ground. The tower consists of steel and carries the nacelle and the rotor. The nacelle consists of a rotor shaft with bedding, gearbox, brakes and coupling, and a generator. Rotor converts kinetic energy of linear wind flow to rotational movement. In general, the blades are made from fibreglass and epoxy resin. The blade hub is located in the middle of the rotor and the blades are attached to this structure. The blade hub is made of cast iron and it provides the energy from the blades to be transmitted to the generator. In this thesis, the life cycle assessment of horizontal axis onshore 2 MW wind turbines is made. Furthermore, energy consumption, emission, and wastewater generation during different stages of the wind turbines' life cycle and consequent environmental effects are investigated. These stages of the wind turbines are manufacturing, transportation, construction, operation, and disposal. Four different scenarios are studied for this thesis which are the use of cables with aluminum or copper conductors and whether there is transportation or not. The rotor consists of a blade, hub, and nose cone which are made up of resin, fibreglass, and cast iron. The foundation consists of concrete, iron, and steel. The tower consists of three parts and is made of steel. Nacelle consists of bed frame, main shaft, transformer, generator, gearbox, and nacelle cover which consist of iron, steel, silicon, copper, resin, and fibreglass. Cables can be aluminum conductors or copper conductors. However, only copper cable is used inside the turbine with cross section of 50 mm2. Since no specific wind farm is used, the estimation is made according to 1 km cables with a cross section of 95, 120, and 185 mm2. In transportation, since there is no specific wind farm, an estimation is calculated by using the average transportation data of various wind farms. However, while calculating, scenarios are created with and without transportation, because specific transportation data of each site is not clear and the use of different transportation methods such as trucks or ships creates a wide range of divergence. Construction machines are required for the construction and deconstruction of the wind turbine at the end of its life. The use of cranes, forklift, and excavation digger is calculated. It is predicted that the lubricant will be replenished and the generator will be replaced during the operation of the wind turbine. This operating time is assumed to be 20 years for the turbine used in this study. In its disposal, it is aimed to send iron, cast iron, steel, copper, aluminum, and lubricant for recycling. Since the recycling of composite material has low efficiency, it is decided to send to incineration. This disposal process is carried out separately for both aluminum conductor and copper conductor cables. It is also taken into account that these materials are sent to recycling facilities after completion of their lifetime. Since there is no specific wind farm used for calculations, a distance of 100 km taken for disposal of each material. Emissions and energy consumption are calculated for each scenario. In addition, wastewater generation during the production of the wind turbine is calculated. Environmental impacts from these emissions and wastewater are calculated for four different scenarios. Environmental impacts which are global warming, acidification, eutrophication, photochemical smoke, human toxicity, freshwater/marine toxicity, and terrestrial toxicity is evaluated in this life cycle according to the results of each stage. The effects of each process on how they contribute to the environmental impacts are evaluated under four different scenarios and displayed by graphs. Furthermore, these scenarios are compared with Vestas V100 wind turbines in terms of their contribution to environmental impacts. In addition to this comparison, the environmental impacts of the wind turbines used in this study are also assessed according to whether they are produced within Turkey or imported from Europe and transported to Turkey. As a result, when these four scenarios are analyzed, there is a big difference between the scenarios with and without transportation in terms of energy payback period. Environmental impacts vary according to scenarios for each element. It is concluded that the environmental effects vary according to the materials used; aluminum cable or copper cable and different results are also obtained in terms of environmental impacts according to the inclusion or exclusion of the transportation stage. In conclusion, if recycling is considered positive, more energy is required for the Cu-conductor wind turbine. However, if recycling is considered negative, Al-conductor wind turbine requires more energy. The effect of global warming is more in the copper conductor wind turbine. For future studies, the disposal method for cables, blades, and foundation can be explored to handle better results in terms of environmental and economic aspects.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    627592

    Profil boru üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi

    Life cycle assessment of profile pipe production

    İREM ŞANAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA

  2. Tez No

    808551

    Design of hybrid solar wind system for sustainable energy storage: A case study Rutba city

    Sürdürülebilir enerji depolaması için hibrit güneş rüzgar sisteminin tasarımı: Rutba şehiri örnek çalışması

    AHMED BASEM MOHAMMD ALDULAEMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENK YAVUZ

  3. Tez No

    335416

    Rüzgar enerjisinden elektrik üretiminin yaşam döngü analizi

    Life cycle assessment of electricity generation by wind energy

    AKİF TAŞKIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    EnerjiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NESRİN KAYATAŞ DEMİR

  4. Tez No

    512709

    Bir rüzgar enerji santralinin çevresel etkileri

    Environmental impacts of a wind farm

    BUSE BAYINDIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA

  5. Tez No

    863815

    Ülkemiz yerli enerji kaynaklarının yeni teknolojilerle değerlendirilmesi sonucunda oluşacak sera gazı azaltım potansiyelinin belirlenmesi ve maliyet analizleri

    Determination of greenhouse gas mitigation potential resulting from the utilization of our country's domestic energy resources with new technologies and cost analysis

    ECE GİZEM ÇAKMAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN

Geri Dön