Geri Dön

Techno-economic analysis of onshore and offshore wind farms in Türkiye

Türkiye'deki karasal ve denizüstü rüzgar santrallerinin tekno-ekonomik analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 894533
  2. Yazar: SAMET ERGİŞİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖNDER GÜLER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 89

Özet

Küresel olarak sürekli artış gösteren enerji talebi doğrultusunda, fosil yakıt rezervlerinin sınırlı olması nedeniyle ülkeler enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmek adına yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiştir. Alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi de rüzgar enerjisidir. Küresel anlamda rüzgar kurulu gücü son yıllarda hızla artmaktadır ve bu büyümenin çoğunluğunu karasal rüzgar enerji santralleri oluşturmaktadır. 2022 yılı sonu itibariyle, rüzgar enerjisinin küresel kurulu gücü 906 GW'a ulaşmıştır. Bu kurulu gücün yaklaşık %93'ünü karasal rüzgar enerji santralleri oluştururken sadece %7'si denizüstü rüzgar enerji santrali olarak karşımıza çıkmaktadır. Ülkeler karbonsuz enerji üretim dönüşümlerini tamamlayabilmek adına rüzgar kapasitelerini artırabilme çabası içindedir. Özellikle Çin, yıllardır rüzgar enerji pazarının lideri olarak yatırımlarına devam etmektedir. 2022 yılında küresel anlamda 66.8 GW olarak açıklanan ilave karasal rüzgar kurulu gücünün %52'si Çin tarafından gerçekleştirilmiştir. Karasal rüzgar enerjisine benzer şekilde, denizüstü rüzgar enerji pazarının da lideri Çin'dir. Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya kurulu rüzgar enerjisi kapasitesi açısından Çin'i takip eden diğer iki ülkedir. Türkiye'de rüzgar enerjisi kurulu gücü de son yıllarda istikrarlı bir şekilde artmaktadır. İlk rüzgar enerji santrali 1998 yılında kurulmuş olup, Ocak 2023 itibarıyla Türkiye'deki toplam kurulu rüzgar enerjisi kapasitesi 11,9 GW'ın üzerine çıkmıştır. Verilen teşvikler ve stratejik kalkınma planları dahilinde yenilenebilir enerji yatırımlarının Türkiye'de artarak devam etmesi beklenmektedir. Üç tarafı denizlerle çevrili olmasına ve 69 GW denizüstü rüzgar enerji kapasitesi olmasına rağmen, Türkiye'de henüz bir denizüstü rüzgar enerji santrali kurulamamıştır. Bununla birlikte, ülkenin yenilenebilir enerji potansiyeli dikkate alınarak hazırlanan Türkiye Ulusal Enerji Planı kapsamında 2035 yılına kadar 5 GW denizüstü olmak üzere toplam 29.6 GW toplam rüzgar enerjisi kapasitesine ulaşma hedefi vardır. Türkiye elektrik üretim kapasitesinde yenilenebilir enerjinin payını artırmak için iddialı hedefler belirlemiştir. Bu çalışma, Türkiye'deki kara ve deniz rüzgar santrallerinin kapsamlı bir tekno-ekonomik analizini sunmaktadır. Çalışma, enerji üretimini optimize etmek ve net bugünkü değer (NPV), seviyelendirilmiş elektrik maliyeti (LCoE) ve iç karlılık oranı (IRR) gibi temel ekonomik ölçütleri hesaplamak için farklı rüzgar türbini modelleriyle hazırlanmış simülasyonlardan yararlanmaktadır. Bir karasal ve bir denizüstü rüzgar santraline odaklanan araştırma, rüzgar enerjisi üretimi için en verimli ve uygun maliyetli seçenekleri belirlemek için farklı türbin modellerinin karşılaştırmalı değerlendirmesini sunmaktadır. Kapsamlı bir literatür araştırmasının ardından, ülkemizde denizüstü rüzgar santrali için ideal konum olarak Bozcaada'nın kuzey bölgesi seçilmiştir. Ayrıca, gerekli kapasite tahsisi ve diğer tüm teknik izinlerin alındığı varsayımı ile, Ezine Trafo Merkezi, denizüstü rüzgar santrali için en uygun şebeke bağlantı noktası olarak belirlenmiştir. Denizüstü rüzgar santralinin şebeke bağlantı noktasına olan uzaklığı ile muadil bir mesafede olacak şekilde, bölgenin rüzgar atlası da dikkate alınarak karasal rüzgar santrali için Ezine'nin Derbentbaşı ve Çamlıca köyleri arası uygun bulunmuştur. Bu seçim, hem karasal hem de denizüstü rüzgar santrali projelerinin sağlıklı bir şekilde değerlendirilmesine ve karşılaştırılmasına izin vererek, şebeke bağlantı noktasına benzer bir yakınlığı korumayı amaçlamaktadır. Aday bölge olarak denizüstü rüzgar santrali için Bozcaada'nın Kuzey bölgesini ve karasal rüzgar santrali için Derbentbaşı-Çamlıca bölgesininin ele alındığı bu çalışma, her iki projenin de verimli enerji üretimi ve etkin şebeke bağlantısı için en uygun şekilde konumlandırılmasını sağlamaktadır. Hem karasal hem de denizüstü rüzgar santrallerine ait enerji üretim analiz ve değerlendirmeleri yapabilmek adına WindFarmer Analyst 1.5.0 programı ve ERA5 verileri kullanılmıştır. WindFarmer Analyst, rüzgar projelerinin detaylı değerlendirmelerini ve simülasyonlarını sağlayan bir yazılım uygulamasıdır. DNV tarafından özellikle rüzgar enerjisi profesyonelleri için geliştirilmiştir. WindFarmer Analyst, rüzgar çiftliklerinin performansını, fizibilitesini ve ekonomik uygulanabilirliğini analiz etmek için gelişmiş özellikler ve işlevler sağlar. Bu çalışmada WindFarmer Analyst programının optimizasyon özelliği kullanılarak her iki saha için de simetrik saha yerleşimi esas alınmıştır. ERA5 veri seti ise, rüzgar kaynaklarının değerlendirilmesi ve enerji üretiminin tahmin edilmesi için gerekli olan kapsamlı meteorolojik bilgileri sağlayan, rüzgar enerjisi alanında yaygın olarak kullanılan güvenilir bir veri setidir. ERA5 seti 100m yükseklik için rüzgar hız verilerine sahiptir. Modellemede kullanılan farklı göbek yüksekliklerine sahip farklı türbin modelleri için rüzgar hızı ekstrapolasyon ile elde edilmiştir. Kullanılan program ve veri seti, her iki rüzgar santrali projesi için enerji hesaplamalarına yüksek kalite ile birlikte tutarlı bir yaklaşım sağlamıştır. ERA5 verilerinin kullanılması, enerji değerlendirmelerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırarak rüzgar santrallerinin potansiyel enerji çıktılarının kapsamlı bir analizini mümkün kılmıştır. Karasal rüzgar santralleri için, 4 saygın türbin üreticisine (Enercon, Vestas, Nordex ve GE) ait 7 farklı rüzgar türbini kullanılmıştır. Denizüstü rüzgar santrali analizlerinde ise, Siemens Gamesa'nın iki farklı göbek yüksekliğine sahip rüzgar türbini modeli kullanılmıştır. Bununla birlikte WindFarmer Analyst programının sunduğu farklı güç ve göbek yüksekliklerine sahip üç konsept türbin modeli de dahil olacak şekilde toplamda beş türbin yerleşim çalışması yapılmıştır. Elde edilen üretim sonuçları doğrultusunda her iki saha için de en verimli senaryo sonuçları kullanılarak, finansal parametreler hesaplanmıştır. Ekonomik yönden değerlendirme kriterleri olarak Net Bugünkü Değer (NPV), İç Karlılık Oranı (IRR) ve Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti (LCoE) parametreleri dikkate alınmıştır. Net Bugünkü Değer, yatırımın ekonomik ömrü boyunca sağlayacağı getirinin bugünkü değerinden yatırım giderlerinin bugünkü değerinin düşülmesi ile elde edilen farkı ifade eder. Net Bugünkü Değer parametresinin negatif çıkması projenin yatırıma uygun olmadığını ortaya koymaktadır. İç Karlılık Oranı ise net bugünkü değeri sıfırlayan kazanç oranıdır. Projenin yatırıma elverişli olabilmesi için iç karlılık oranının öngörülen iskonto oranından yüksek olması gerekmektedir. Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti ise planlanan santralin üreteceği enerjinin birim maliyetidir. Bu çalışma kapsamında, offshore rüzgar santrali projesi için yapılan hassasiyet analizleri de yapışmıştır. Analizler, projenin farklı bileşenlerinin ve değişkenlerin projenin uygulanabilirliği üzerindeki etkilerini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. İlk olarak rüzgar türbini yerleşimi hassasiyeti incelenmiştir. Başlangıçta 28 rüzgar türbini içeren bir yerleşim modeline ilave olarak, 8, 12, 16 ve 20 rüzgar türbinini içeren dört farklı senaryo üzerinde çalışılmıştır. Bu analizler, farklı türbin yerleşimlerinin ve kurulu güçlerin, projenin performansına ve finansal sonuçlarına olan etkisini ortaya koymayı amaçlamaktadır. Bunlara ek olarak yatırım maliyetinde olası düşüş senaryoları da incelenmiştir. Ayrıca, farklı iskonto oranları altında projenin finansal uygunluğu ve kârlılığı değerlendirilmiştir. Bu analizler, projenin maliyet yapısının ve iskonto oranının kârlılık üzerindeki etkisini anlamak için değerli fikirler sunmaktadır. Son olarak, YEKDEM destek mekanizması ve yeşil enerji sertifikalarının hassasiyet analizi yapılmıştır. Bu analizler ile, farklı elektrik satış fiyatı senaryolarının ve yeşil enerji sertifikalarından gelecek gelirlerin projenin finansal çıktıları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Hassasiyet analizleri, projenin farklı değişkenler ve senaryolar altındaki potansiyelini anlamak için önemli bir araçtır. Bu analizler, projenin finansal performansını daha kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için yapılmıştır. İncelenen senaryolar ve geliştirilen analizler, enerji üretimi ve ekonomik ölçümler açısından karasal rüzgar santrallerinin Türkiye'de ekonomik olarak uygun ve uygulanabilir seçenek olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, simülasyonlar, denizüstü rüzgar santrali kurulumlarıyla ilişkili yüksek maliyetlerin, deniz üstünde artan rüzgar hızlarının ve enerji üretiminin potansiyel faydalarından daha ağır bastığını gösterdiğinden, ekonomik olarak denizüstü rüzgar santrallerinin mevcut şartlar kapsamında uygun ve uygulanabilir seçenek olmadığını ortaya koymaktadır. Ancak gelişen altyapı ve teknoloji gelişmeleri neticesinde yatırım maliyetlerindeki olası düşüşlerin ve piyasa şartları ile paralellik gösteren yenilenmiş bir YEKDEM tarifesi sayesinde deniz üstü rüzgar santrali yatırımları uygulanabilir bir seçenek olabilecektir. Bu çalışmanın bulguları, Türkiye'deki yenilenebilir enerji sektöründeki politika yapıcılar, yatırımcılar ve diğer paydaşlar için değerli bilgiler sağlamanın yanı sıra, benzer koşullara sahip diğer bölgelerde açık denizüstü rüzgar santrallerinin fizibilitesine ilişkin ileri seviye çalışmalara katkıda bulunabilir.

Özet (Çeviri)

In recent years, the global capacity of wind energy has been experiencing a rapid growth, with onshore wind farms accounting for the majority of the growth. As of 2022, the global installed capacity of wind energy reached 906 GW, of which around 93% is onshore and 7% is offshore. China, the United States, and Germany are currently the top three countries in terms of installed wind energy capacity. In Türkiye, the installed capacity of wind energy has also been steadily increasing. As of January 2023, the total installed wind energy capacity in Türkiye is over 11.9 GW. Despite Türkiye being bordered by the sea on three sides, the country is yet to establish an offshore wind farm. However, the Turkish government has set ambitious targets for increasing the share of renewable energy in the country's electricity mix, including a goal of reaching 5 GW of installed offshore wind energy capacity by 2035. In this study, a thorough techno-economic analysis of onshore and offshore wind farms in Türkiye is presented.The study utilizes simulations with different wind turbine models to optimize energy production and calculate key economic metrics such as net present value (NPV), levelized cost of electricity (LCoE), and internal rate of return (IRR). With a specific focus on one onshore and one offshore wind farm location, the research facilitates a comparative assessment of different turbine models to identify the most efficient and cost-effective options for wind energy generation. After conducting a comprehensive analysis and extensive review of relevant literature, the Northern site of Bozcaada Island has been meticulously chosen as the optimal location for the offshore wind farm. Additionally, considering the necessary capacity allocation and technical permits obtained, the Ezine Substation has been identified as the optimal grid connection point for the offshore wind farm. To ensure a fair comparison with the offshore wind farm's distance to the grid connection point, a site between the villages of Derbentbaşı and Çamlıca in Ezine has been selected for the onshore wind farm by taking into consideration the wind atlas of the region. This selection aims to maintain a similar proximity to the grid connection point, allowing for equitable evaluation and comparison of both onshore and offshore wind farm projects. By choosing the Bozcaada Island's Northern site for the offshore wind farm and the Derbentbaşı - Çamlıca area for the onshore wind farm, this study ensures that both projects are located in optimal positions for efficient energy production and effective grid connection. In order to conduct accurate energy yield assessments for both onshore and offshore wind farms, WindFarmer Analyst 1.5.0 software and ERA5 data has been used. WindFarmer Analyst software is a widely used and specialized tool in the field of wind energy analysis. It is a software application that enables detailed assessments and simulations of wind farm projects. Developed by DNV specifically for wind energy professionals. WindFarmer Analyst provides advanced features and functionalities to analyze the performance, feasibility, and economic viability of wind farms. On the other hand, ERA5 is a widely recognized and reliable dataset, provides comprehensive meteorological information necessary for evaluating wind resources and estimating energy production. By utilizing ERA5 data, this study ensures a robust and consistent approach to the energy calculations for both wind farm projects. The utilization of ERA5 data enhances the accuracy and reliability of the energy assessments, enabling a comprehensive analysis of the wind farms' potential energy output. For onshore wind farm, a comprehensive selection of 7 distinct wind turbine models was utilized, representing 4 reputable manufacturers: Enercon, Vestas, Nordex, and GE. This diverse range of turbine models enabled a comprehensive evaluation of their performance and efficiency in maximizing energy production for the onshore wind farm site. In the case of the offshore wind farm, a Siemens Gamesa offshore wind turbine model with two different hub heights were utilized. WindFarmer Analyst software provides conceptual wind turbine models with varying unit power and hub heights. To calculate the annual energy production for the offshore site, three additional conceptual models were incorporated, resulting in a total of five turbines allowing for a comparative assessment of their performance and suitability for the offshore wind farm site. This study also incorporates various sensitivity analysis to further enhance the understanding of the offshore wind farm project. Firstly, sensitivity of wind farms to variations in total installed capacity through different layouts using varying numbers of wind turbines were analysed. The initial study involved a layout with 28 wind turbines for the offhore wind farm. To conduct a sensitivity analysis, four additional layout scenarios were investigated, including configurations with 8, 12, 16, and 20 wind turbines. This allowed for a comprehensive assessment of the sensitivity of the wind farm's performance across different turbine layouts and installed power. In addition, various scenarios were examined, considering different percentages of cost reductions and analyzing financial outcomes under different discount rates. By altering the discount rate, the study provided insights into the financial viability and robustness of the project in different economic scenarios. Furthermore, this study explores the sensitivity of the offshore project with YEKDEM incentive and the revenues from green energy certificates. The analysis expands the understanding of how changes in market conditions and pricing mechanisms can affect the financial outcomes of offshore wind farms. The simulations in this study indicate that onshore wind farms are a feasible and economically viable option in Türkiye, with several turbine models producing favorable results in terms of energy production and economic metrics. However, the same cannot be said for offshore wind farms, as the simulations show that the high costs associated with offshore installations outweigh the potential benefits of increased wind speeds and energy production. But sensitivity analyses reveal that with the possible future reductions in CapEx, and a new amplified YEKDAM tariff in parallel with the current market prices offshore wind farms investment would be feasible. Overall, this study suggests that while onshore wind farms are a viable option for renewable energy production in Türkiye, offshore wind farms are not yet feasible due to the high costs associated with installation and maintenance. The findings of this thesis could provide valuable insights for policymakers, investors, and other stakeholders in the renewable energy sector in Türkiye, as well as contribute to the broader discussion on the feasibility of offshore wind farms in other regions with similar conditionsç

Benzer Tezler

  1. Tez No

    767872

    Techno-economic analysis of bioethanol production as a co-product from biomass

    Biyokütleden yan ürün olarak biyoethanol üretiminin tekno-ekonomik olarak incelenmesi

    ÖZGE DOYRANLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ŞILDIR

  2. Tez No

    693099

    Türkiye için %100 yenilenebilir enerji sisteminin tekno-ekonomik analizi

    Techno-economic analysis of 100% renewable energy system for Turkey

    ATAKAN AKGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    EnerjiHacettepe Üniversitesi

    Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYNUR ERAY

  3. Tez No

    495284

    Trijenerasyon sistemlerinde tekno-ekonomik analiz

    Techno economic analysis of trigeneration systems

    AYŞE COŞKUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ASLAN İNAN

  4. Tez No

    501991

    Adıyaman ilindeki kamu binalarında enerji verimliliği tekno ekonomik analizi

    Techno-economic analysis of energy efficiency in public buildings Adiyaman

    MEHMET GÜVENÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    EnerjiHarran Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT YEŞİLATA

  5. Tez No

    606426

    Techno-economic analysis of middle-size PTC power plant for a university campus

    Bir üniversite kampüsü için orta ölçekli PTC enerji santralinin tekno-ekonomik analizi

    GÖZDE TAYLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Sürdürülebilir Çevre ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT FAHRİOĞLU

Geri Dön