Capacity analysis in Turkey for carbon fiber production considering offshore wind turbines demand forecast
Açık deniz rüzgar türbinleri talep tahminine göre Türkiye'de karbon elyaf üretimi için kapasite analizi
- Tez No: 863672
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜR BERSAM SİDAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İşletme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Dünya nüfusu 21. yüzyılda 8 milyara yaklaşmaktadır. Nüfusun artışıyla birlikte dünyanın enerji ihtiyaçları ve talepleri de önemli ölçüde artmaktadır. Bu talebi karşılamak amacıyla farklı enerji kaynakları kullanılarak elektrik enerjisi üretilmektedir. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olan rüzgar enerjisinin dünya enerji sisteminde önemli bir rol oynaması beklenmektedir. Ülkelerin enerji dönüşüm stratejileri ve dünyadaki gelişmeler denizüstü rüzgar türbinlerine olan ihtiyacı açıkça ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda rüzgar türbini teknolojisi ve yetenekleri gelişmeye devam etmektedir. Rüzgar hemen hemen dünyanın her yerinde mevcuttur. Gelişmiş teknolojiler yardımıyla rüzgarın nerede en güçlü estiği bilinmektedir ve yerel koşullarla ilgili fizibilite çalışmaları ile en uygun sahalara rüzgar türbinleri kurmak mümkün hale gelmektedir. Ayrıca insanların yaşadığı bölgelerden daha uzak ve izole bölgelere kurulum fırsatı sağlamaktadır. Rüzgar günün belirli saatlerine bağlı değildir ve mevsimsel veya yıllık bir ritmi bulunmaktadır. Rüzgarın kesintili olması bir dezevantaj gibi gözükse de orta ve uzun vadede istikrarlıdır. Rüzgar enerjisinin elektriğe dönüşüm performansı gün geçtikçe artmaktadır. Günümüzde rüzgar türbinlerinin verimlilikleri % 40-% 50 oranındadır ve Betz yasasına göre maksimum teorik seviye olan % 59'a yakındır. Rüzgar türbinlerinin kanatlarının dikey olarak uzanması ve tabandaki boyutunun diğer enerji santralleriyle karşılaştırıldığında az olması olumlu yönlerinden biridir. Fazla yer kaplamazlar ve arazinin diğer kullanımlarıyla uyumludurlar. Türbin kanatlarının dönmesinden kaynaklanan görüntü kirliliği ve gürültü ile ilgili devam eden çalışmalar bulunmaktadır. Açık deniz rüzgar türbinlerinin denizlere kurulumu ile yaşama ve doğaya olan olumsuz etkilere azaltılabilecektir. Diğer enerji kaynaklarına göre kurulum süreleri kısa ve işletme maliyetleri düşüktür. Rüzgar türbinleri çok maliyetli olmayan düzenli bakımları yapılarak yirmi yılı aşan süreler boyunca çalışabilmektedirler. Rüzgar türbinlerinin geri dönüştürülme oranı yüksektir ve santraller bileşenlerine ayrılabilmektedir. Döngüsel ekonomi modeline uygun olarak aynı hammaddeler kullanılarak yeni tesisler oluşturulabilmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), açık deniz rüzgarının önümüzdeki yıllarda Avrupa'nın bir numaralı enerji üretim kaynağı olabileceğini öngörmektedir. Açık deniz rüzgarının elektrik potansiyeli, küresel elektrik tüketimimizden çok daha fazladır. Yıllık üretim tahminleri ortalama 380.000 TWh/yıl olup, bu rakam mevcut küresel yıllık elektrik üretiminin yaklaşık 13 katıdır. Açık deniz rüzgar santralleri yenilenebilir enerji sağlarlar, istihdam yaratırlar ve çevreye kirletici maddeler veya sera gazı yaymazlar. Denizde rüzgar hızlarının yüksek olması ve rüzgarın yön tutarlılığı nedeniyle kapasite faktörleri daha yüksektir ve daha güvenilir bir enerji kaynağıdır. Bu sayede, karadaki rüzgar santralleriyle aynı miktarda enerji üretebilmek için açık denizde daha az türbin kurulumuna olanak sağlarlar. Rüzgar enerjisi bir ölçek ekonomisidir ve büyük türbinler daha fazla güç üretmektedirler. Belirli bir miktarda elektrik üretmek için, birkaç küçük türbin yerine birkaç büyük türbine sahip olmak daha az maliyetlidir. Bu da daha az yer işgali, malzeme kullanımı, bakımı anlamına gelmektedir. Ekonomik olarak da maliyetini çok daha hızlı amorti etmektedir. Bir türbinin üretebileceği elektrik miktarını etkileyen üç faktör vardır: süpürülen alan, rüzgar hızı, hava yoğunluğudur. Daha büyük rotor çapları, rüzgar türbinlerinin daha fazla alanı taramasını, daha fazla rüzgarı yakalamasını ve daha fazla elektrik üretmesini sağlamaktadır. Daha büyük rotor çaplarına ulaşmak için rüzgar türbin kanatlarının boylarının uzaması gerekmektedir. Bu çalışmada rüzgar enerjisinin metodolojisi, rüzgar ölçümlerinin nasıl yapıldığı, rüzgar verilerinin nasıl analiz edildiği, hangi enerji modellerinin kullanıldığı, rüzgar türbinleri ile ilgili tarihsel ve teknolojik gelişimi ele alınmaktadır. Rüzgar türbinini oluşturan parçalar, rüzgar türbini kanat uzunluklarının büyüme eğilimi, türbinin tasarım aşamasında nasıl sınıflandırıldığı, açık deniz rüzgar sektörünün son durumu ve gelişmeleri anlatılmaktadır. Denizüstü rüzgar türbin çiftliklerinin sürdürülebilirlik hedefleri çerçevesinde seçiminin nasıl yapıldığı ve ülkelerin sahip olduğu kurulu güçler ve projeler hakkında bilgiler verilmektedir. Rüzgar türbinin“ana kuşak”olarak adlandırılan kompozit malzemeden oluşan ana taşıyıcı kirişinin özellikleri açıklanmaktadır ve içerisinde kullanılan CFRP pultrüzyon plakanın üretimi ve hammaddesi olan karbon elyafın üretim prosesi, avantajları ve sektörde kullanımının gelişimi hakkında detaylı bilgi verilmektedir. Sürdürülebilirlik yaklaşımıyla açık deniz rüzgar türbinleri talep tahmini yapılmaktadır. Talep tahmini yaparken kullanılabilecek literatürde yer alan metodlar ve performans ölçüm kriterlerine değinilmektedir. 2007-2023 yılları arasında Avrupa`da kurulan denizüstü rüzgar türbini kurulu güç (MW) verileri kullanılmaktadır. Veri kümesinin parametrik analizleri yapılarak kullanıma uygun hale getirilmektedir. Trend analiz metodları ve ARIMA model kullanılarak gelecekteki 4,5 yıllık bir dönem için talep tahmin edilmektedir. Modellerin sonuçları performans parametreleri ile karşılaştırılmaktadır ve en uygun modele karar verilmektedir. Denizüstü rüzgar türbin pazarı incelenerek, hangi türbin üretici firmaların hangi türbin modelinin hesaplamalarda kullanılacağına karar verilmektedir. Yıllara göre hesaplanan açık deniz türbinleri kurulu güç tahmin değerleri kullanılarak türbin adetleri ve rüzgar türbin kanat sayıları hesaplanmaktadır. Referans alınan rüzgar türbin kanadının ve sektörün eğilimleri incelenerek ana taşıyıcı kirişin miktari için farklı senaryolar oluşturulmaktadır. Bu senaryolar oluşturulurken kompozit plakanın karbon elyaf hacim oranı ve rüzgar türbin kanadığın ağırlıkça ne kadarının karbon plaka ile oluşturulduğu dikkate alınmaktadır. Oluşturulan senaryolar ile denizüstü rüzgar türbinlerinin gelecek 4,5 yıl için ihtiyaç duyacağı karbon elyaf miktarları minumum ve maksimum olacak şekilde hesaplanmaktadır. Havacılık, otomotiv ve rüzgar sektörü için son derece önemli ve katma değeri olan karbon elyaf malzemesinin üretim prosesi anlatılmaktadır. Hali hazırda Türkiye`de bu ürünün üretilebilindiğine değinilmektedir. Açıkdeniz rüzgar sektörünün taleplerini karşılayabilecek şekilde küresel sürdürebilirlik hedefleri de gözetilerek Türkiye`de üretilebilmesi için yeni yatırım veya mevcut kapasitelerin arttırılmasıyla ilgili analizler yapılmaktadır. Talebi karşılama oranları hesaplanarak ihtiyaç duyulan yatırım bütçesi, işgücü miktarı ve maliyetler belirlenmektedir. Paris Anlaşması (Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği) kapsamında anlaşmanının gereklilikleri, kullanıla standartlar anlatılmaktadır. Hali hazırda Türkiye'de üretim yapan firmaların paylamış oldukları sürdürebilirlik raporları referans alınarak karbon pultrüze plaka üretimindeki emisyon miktarları tahmin edilmektedir. Sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda sektörün şu anki konumu, Türkiye dışındaki diğer karbon elyaf üreticilerinin sahip olduğu ve sektörde avantaj getirecek sertifikalara değinilmektedir. Gelecek yıllarda çalışma ömürlerini tamamlaması beklenen rüzgar türbin kanatlarının oluşuracağı atık miktarları paylaşılmaktadır ve gereken planlamaların yapılması gerekliliği vurgulanmaktadır. Türkiye'nin sektördeki potansiyeli ve rüzgar sektörünün yaratacaği fırsatlar, kazanımlar ve gelecek çalışmalar hakkında bilgiler verilmektedir.
Özet (Çeviri)
The world population approached 8 billion in the 21st century. With population growth, the world's energy needs and demands are also increasing significantly. In order to meet this demand, electrical energy is produced using different energy sources. Wind energy, a renewable energy source, is expected to play an important role in the world's energy system. Energy conversion strategies of countries and developments in the world clearly reveal the need for offshore wind turbines. Accordingly, wind turbine technology and capabilities continue to develop. Wind is available almost everywhere in the world. With the help of advanced technologies, it is known where the wind blows the strongest and with feasibility studies on local conditions, it becomes possible to install wind turbines on the most suitable sites. It also provides the opportunity to install in more remote and isolated areas where people live. Wind is not tied to specific times of the day and has a seasonal or annual rhythm. Although the intermittency of wind may seem like a disadvantage, it is stable in the medium and long term. The conversion performance of wind energy into electricity is increasing day by day. Today, the efficiency of wind turbines is between 40%-50%, close to the maximum theoretical level of 59% according to Betz's law. One of the positive aspects of wind turbines is that their blades extend vertically and their size at the base is small compared to other power plants. They do not take up much space and are compatible with other land uses. There are ongoing studies on visual pollution and noise caused by the rotation of turbine blades. With the installation of offshore wind turbines in the seas, the negative impacts on life and nature can be reduced. Compared to other energy sources, installation times are short and operating costs are low. Wind turbines can operate for more than twenty years with regular maintenance that is not very costly. The recycling rate of wind turbines is high and the plants can be disassembled into their components. In accordance with the circular economy model, new plants can be created using the same raw materials. The International Energy Agency (IEA) predicts that offshore wind could become Europe's number one source of energy production in the coming years.The electrical potential of offshore wind is much greater than global electricity consumption. Estimated of potential electricity generation is average 380,000 TWh/y. This is about 13 times more than current global annual electricity production. Offshore wind farms are a source of renewable energy that creates jobs and emits no environmental pollutants or greenhouse gases. Due to the high wind speeds at sea and the consistency of wind direction, capacity factors are higher and it is a more reliable energy source. In this way, the same amount of energy can be produced as onshore wind power plants with fewer offshore turbine installations. Wind energy is an economy of scale and larger turbines produce more power. To produce a given amount of electricity, it is less costly to have a few large turbines rather than a few smaller turbines. This means less space occupation, material use and maintenance. Economically, it amortizes its cost much faster. There are three factors that affect the amount of electricity a turbine can produce: swept area, wind speed, air density. Larger rotor diameters allow wind turbines to sweep more area, capture more wind and generate more electricity. In order to achieve larger rotor diameters, wind turbine blades need to be lengthened. In this study, the methodology of wind energy, how wind measurements are made, how wind data are analyzed, which energy models are used, the historical and technological development of wind turbines are discussed. The components that make up a wind turbine, the growth trend of wind turbine blade lengths, how turbines are classified in the design phase, the latest status and developments in the offshore wind sector are described. How offshore wind turbine farms are selected within the framework of sustainability goals and information about the installed capacity and projects of the countries are given. Installed power (MW) data of offshore wind turbines installed in Europe between 2007 and 2023 are collected. The data is made suitable for use by performing parametric analysis. A future period of 4.5 years is forecasted using trend analysis methods and ARIMA model. The results of the models is compared with the performance parameters and the most suitable model is decided. Demand forecasting for offshore wind turbines is done from a sustainability perspective. Methods in the literature and performance measurement criteria that is used in demand forecasting are mentioned. The offshore wind turbine market is examined and the turbines produced by the companies are decided to be used in the analysis. The features of the main strength carrier beam of the turbine which is called“spar cap”, which consists of composite material, are explained and detailed information is given about the production process of the CFRP pultrusion laminate used in it and its raw material, carbon fiber. By analyzing the offshore wind turbine market, it is decided which turbine model of which turbine manufacturers will be used in the calculations. The number of turbines and the number of wind turbine blades are calculated by using the offshore turbine installed power forecast values calculated according to years. By examining the trends of the reference wind turbine and the sector, different scenarios are created for the amount of the sparcap. These scenarios take into account the carbon fiber volume fraction of the composite plate and how much of the wind turbine blade by weight is formed with carbon plate.With the scenarios created, the amount of carbon fiber that offshore wind turbines will need for the next 4.5 years is calculated as minumum and maximum. The production process of carbon fiber material, which is extremely important and has added value for the aviation, automotive and wind industries, is explained. It is mentioned that this product can currently be produced in Turkey. Analyses are carried out for new investments or increasing existing capacities in order to meet the demands of the offshore wind sector in Turkey, taking into account global sustainability targets. The required investment budget, amount of labor force and costs are determined by calculating the rates of meeting the demand. Within the scope of the Paris Agreement (United Nations Climate Change), the requirements of the agreement and the standards used are explained. The amount of emissions in carbon pultrusion plate production is estimated with reference to the sustainability reports shared by the companies currently producing in Turkey. The current position of the sector in line with sustainability targets, the certificates held by carbon fiber producers outside Turkey that will bring advantages in the sector are mentioned. The amount of waste generated by wind turbine blades, which are expected to complete their working life in the coming years, is shared and the need for necessary planning is emphasized. Information is given about Turkey's potential and the opportunities, achievements and future work it will create.
Benzer Tezler
- Tarihi yapılarda tuğla duvarların karbon lifi tekstil donatılı horasan harcı ile güçlendirilmesinin deneysel olarak incelenmesi
An experimental study of strengthening brick masonry walls with carbon fiber reinforced horasan mortar in historical buildings
ORHAN KERTİŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
- Uydu görüntüleri, meteorolojik veriler ve kamera fotoğrafları ile pamuk ve mısır bitkileri için rekolte tahmin modeli tasarımı: Şanlıurfa örneği
Crop yield estimation model design for cotton and maize crops using satellite imagery, meteorological data and camera photographs: Şanlıurfa case study
UĞUR ALGANCI
Doktora
Türkçe
2014
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANKUT ÖRMECİ
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
- Aktif karbon adsorbsiyonu ile kağıt endüstrisi atıksuyundan renk ve kol giderimi
Color and cod removal from pulp and paper ındustry wastewaters using activated carbon adsorbtion
DENİZ ERSOY
- Ponza katkılı tuğla üretimi ve bu tuğlaların mekanik ve boşluk özelliklerinin incelenmesi
The Production of bricks with pumice additive and the investigation of the mechanical and pore properties of these bricks
AYŞE GÜL GÜZEL