Dalga enerjisi potansiyelinin makro ve mikro ölçekte çıkarılması

Enerji, insanlığın var olduğu süreçte yaşam kalitesi ve refahının artması için vazgeçilmez bir faktördür. İlkel insanlar ateşi bulduktan sonra sosyal ve sanayi gelişimlerinde büyük bir adam atmışlardır. Avrupalılar 18. yüz yılın sonlarına doğru, taş kömür madenleri bulup bu doğal kaynak vasıtası ile Sanayi ya da Endüstri Devriminin temellerini atmışlardır. Bu gelişme devamında yeni fosil kaynakları kullanarak sanayi gelişmiş ve şehirleşme büyük çapta artmıştır. Sanayinin hızla gelişmesiyle milyonlar yılda yerin alt katmanlarında oluşan fosil enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Ayrıca bilim insanlarının araştırmalarına göre fosil kaynaklı enerjinin üretimi çevre kirliliği ve doğal dengenin bozulmasına sebep olmaktadır. Son yıllarda fosil enerji yerine insanların enerji ihtiyacını karşılayan ve çevresel etkisi daha az olan alternatif enerji kaynakları üzerinde çok sayıda araştırma yapılmıştır ve yenilenebilir enerji kaynakları kavramı ortaya konulmuştur. Teknolojinin gelişmesi ile doğadaki enerjileri elektrik enerjisine dönüştürme imkânları sağlanmıştır. Günümüzün teknolojik imkânları ile yenilenebilir kaynaklarından elde edilen enerji, fosil kaynaklarından elde edilen enerjiye göre daha maliyetli olsa da fosil kaynaklı enerjinin daha büyük sorunlara yol açtığı göz önünde bulundurulmalıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği tükenmezliği ve çevreye verilen zararın daha düşük olmasıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından Güneş, Rüzgâr, Dalga, Gelgit, Biokütle, Hidroelektrik ve Jeotermal enerjileri sayılabilir. Günümüzde elektrik enerjisi toplumun yaşamını doğrudan etkilemekte ve insan hayatının olmazsa olmazlarından biri hâline gelmektedir. Elektrik enerjisi insan hayatının en önemli buluşlarından olup sosyal, ekonomik ve kültürel gelişmelerin ana değişkenlerinden biridir. Günümüzde toplumun refah seviyesini artıran birçok nesnenin elektrik enerjisi ile çalıştığı ve insanların yaşam kalitesinin önemli düzeyde elektrik enerjisine dayalı olduğu bir gerçektir. Ayrıca, zengin ve güvenilir enerji kaynaklarının bulunmasının uluslararası ilişkilerde ve siyasi güç dengelerinin kurulmasındaki rolü unutulmamalıdır. Örnek olarak fosil enerji kaynaklarından olan petrol, bulunduğu ülkeleri siyasi ve ekonomik açıdan odak noktası hâline getirmiştir. Bu durumda, Türkiye gibi gelişmekte olan bir ülke için enerji kaynaklarında dışa bağlılığı en az seviyeye indirmek büyük önem arz etmektedir. Bu sebepten dolayı yenilebilir enerjilerin geniş kapsamlı araştırmalara tabii tutulması bir zorunluluk hâline gelmiştir. Buna mukabil, Türkiye'de, bugüne kadar bu tezin konusunu teşkil eden dalga enerjisi üzerine bilimsel araştırmalar çok eksik kalmıştır. Dünya genelinde deniz dalgalarından üretilebilecek enerjinin potansiyeli 2 TW'ın üzerinde öngörülmüştür. Ancak bu potansiyelin sadece 0,5 TW'lık kısmı günümüzün teknolojisi ile kullanılabilir hâle dönüştürebilmektedir. Dolayısıyla dalga enerjisinden en yüksek seviyede kullanabilir hâle getirilmesi için, bu alanda araştırma geliştirme faaliyetlerine hız verilmesi gerekmektedir. Bu konu ile ilgili araştırmaların devamı dalga enerjisinin kullanabilir hâle gelmesi ekonomik açıdan uygun olup kullanılmasının yaygınlaşması mümkün olacaktır. Hazırlanan bu doktora tezinde, Karadeniz ve Marmara Denizi için Deniz Dalga Enerjisi potansiyeli incelenmiş ve elde edilen güvenilir sonuçlar sunulmuştur. Bilindiği üzere Türkiye dalga enerjisi açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Özellikle ülkenin büyük kısmını oluşturan sahil kesimlerinde bazı enerji ihtiyaçlarının dalga enerjisinden karşılanabileceği söylenebilir. Bu amaç doğrultusunda Karadeniz ve Marmara Denizlerinin dalga enerjisi potansiyeli makro ölçekte günümüzün en güvenilir yazılımlarından olan MIKE by DHI'ın spektral dalga modülü olan MIKE 21SW ile hesaplanmıştır. Bir yazılım ile kurulan modellerin güvenilebilir bir seviyede olması için model girdi verilerinin, hesap ağı yapısının ve model çıktılarının karşılaştırılacağı verilerin de yeterli doğrulukta ve sayıda olması gerekmektedir. Bahsedilen yazılım ile sayısal model kurumunda "Marine Geoscience Data Sytem" batimetri değerleri ve ECMWF (Avrupa Merkezli Orta Menzilli Hava Tahminleri) rüzgâr verileri kullanılmıştır. Sabit bir sayısal model üzerinde çeşitli eleman sayılı hesap ağları çalıştırılmıştır. Eleman sayıları farklı olan sayısal ağların model sonuçları bir biri ile karşılaştırması neticesinde optimize eleman sayılı hesap ağı elde edilmiştir. Ayrıca sayısal modelin doğrulanması, Marmara Denizi için TPAO ve Ambarlı, Karadeniz'de ise Gelendzhik, Hopa, Sinop ve Filyos dalga ölçüm şamandıraları ile Gloria ve MHI sondaj platformu ölçümleri ve uydu verilerinden elde edilen (AVISO 1, 2, 3) dalga parametreleri yardımıyla yapılmıştır. Sayısal model çalışma alanında bulunan bu dalga ölçüm değerleri kullanılarak kalibre edilmiştir. Ölçüm değerleri ve model sonuçları arasındaki ilişki r, R2, RMSE, MAE, MedSim, MedObs, BIAS ve SI gibi istatistiksel parametreler ile değerlendirilmiştir. ECMWF'in uzun süreli veri setlerinin kullanılması (1979–2016) bu çalışmada elde edilen sonuçların güvenirliğini önemli ölçüde artırmıştır. Bununla birlikte, bölgesel dalga enerjisi potansiyeli araştırmalarında kullanılmak üzere mikro ölçekli sayısal model kurulumu üzerinde araştırmalar yapılmıştır. Çalışma alanı, makro ölçekli model için Karadeniz ve Marmara Denizini kapsamaktadır. Mikro ölçekli modelde Karadeniz kıyısında bulunan Düzce iline bağlı Akçakoca ilçesi kıyı hattı incelenmiştir. Çalışma alanı, makro ölçekli model için Karadeniz ve Marmara Denizini kapsamaktadır. Mikro ölçekli modelde Karadeniz kıyısında bulunan Düzce İli 'ne bağlı Akçakoca İlçesi kıyı hattı incelenmiştir. Marmara Denizi'nde makro ölçekli sayısal modeli için optimize edilen sayısal ağ elmanı sayısı 4892 olarak belirlenmiştir. Sayısal model, TPAO ölçüm istasyonunun dalga ölçüm değerleri ve 20 farklı senaryo kullanılarak kalibre edilmiştir. Kalibrasyon aşamasında, sayısal model sonuçları ile ölçülen dalga parametreleri arasında iyi bir (r=0.88) uyum elde edilmiştir. Parametreleri kalibre edilmiş sayısal modelde uzun süreli dalga enerjisi tahminleri için 20 yıllık (1994–2014) alansal ECMWF rüzgâr veri seti kullanılmıştır. Bu sürede çalıştırılan sayısal modelin sonuçları, aylık, mevsimlik ve 20 yılın ortalamasının dağılım haritaları olarak sunulmuştur. Ortalama belirgin dalga yüksekliğinin en büyük değeri Ağustos (0.40 m) ayında ve en düşük ise Mayıs ve Haziran (0.20 m) aylarında meydana gelmiştir. Mevsimsellik açısından Kış ve Yaz mevsimlerinde en yüksek belirgin dalga yüksekliklerine (0.36 m) rastlanmıştır. Bununla birlikte en düşük belirgin dalga yüksekliği değerinin ilkbahar mevsiminde meydana gelmesi tespit edilmiştir. Genel olarak 20 yılın ortalama belirgin dalga yüksekliği en yüksek 0.30 m ve Marmara Denizi'nin orta kesimlerinde görünmüştür. Marmara Denizi'nde maksimum aylık ortalama dalga enerjisi incelendiğinde Kasım ayında (1.1 kW/m) elde edilmiştir. Dalga enerjisinin en az olduğu aylar ise Mayıs ve Haziran (0.3 kW/m) aylarıdır. Mevsimsellik açısından Kış mevsiminde (mevsimlik ortalama değerlerin maksimumu 0.75 kW/m) en yüksek dalga enerjisi elde edilmiştir. İlkbahar mevsimi en düşük dalga enerji değerine sahiptir. Genel olarak 20 yılın ortalama dalga enerjisindeki en yüksek değer 0.47 kW/m ve Marmara Denizi'nin orta kesimlerinde görünmüştür. Ayrıca İzmit, Gemlik ve Erdek körfezleri en düşük dalga enerjisine sahip olan bölgeler olarak belirlenmiştir. Karadeniz'in büyük ölçekli modellemesinde optimize edilmiş 5928 elemanlı sayısal çözüm ağı ve 37 yıllık ECMWF rüzgâr verisi kullanılmıştır. Hazırlanan sayısal model, Karadeniz'in çeşitli bölgelerinde ölçülen dalga parametresi veri setleri ile karşılaştırılarak kalibre edilmiştir. Ölçülen ve modellenen değerler arasındaki uyum r=0.90 ve r=0.77 arasında değişmektedir. Maksimum ortalama belirgin dalga yüksekliği Ocak (2.10 m) ve Şubat (2.07 m) aylarında elde edilmiştir. Bu çalışmanın aylık bazındaki sonuçları, Rusu (2009), Aydoğan ve diğ., (2013) ve Akpınar ve Kömürcü (2013)'nün çalışmalarındaki sonuçlar ile yakınlık göstermektedir. Ayrıca mevsimsel açıdan en yüksek belirgin dalga yüksekliği Kış mevsiminde (2.0 m) meydana gelmiştir. 37 yılın ortalama değerlerine göre Karadeniz'in batı yarısında, doğu yarısına göre daha büyük belirgin dalga yükseklikleri oluşmaktadır. Bu çalışmanın yıllık ortalama dalga yüksekliği 1.4 m ve aynı bölgedeki Akpınar ve Kömürcü 'nün (2013) araştırmasında elde eden sonuca göre (0.8 m) daha büyüktür. Karadeniz'de dalga enerjisi dağılım haritaları incelendiğinde, en büyük dalga enerjisi potansiyelinin Ocak (34.7 kW/m) ve Şubat (33.3 kW/m) aylarında ve Kış mevsiminde oluştuğu gözlenmiştir. Buna göre, Kış mevsiminin (31.7 kW/m) enerji potansiyeli Yaz mevsimine (5.33 kW/m) göre yaklaşık 6 kat daha büyük olarak elde edilmiştir. Bölgesel açıdan Karadeniz'in batı bölgesi, doğu bölgesine göre daha çok dalga enerjisi potansiyeline sahiptir. Ayrıca Türkiye kıyılarında İstanbul'a yakın bölgelerin kıyılarında daha büyük dalga enerjisi potansiyeli (7 kW/m) gözlenmiştir. Karadeniz'de alansal ortalama dalga enerjisi açısından en yüksek aylık ortalama dalga enerjisi potansiyeli Aralık (12.01 kW/m), Ocak(10.82 kW/m ) ve Şubat (10.67 kW/m) aylarında elde edilmiştir. Ayrıca Mayıs (2.71 kW/m), Haziran (1.77 kW/m) ve Temmuz (2.77 kW/m) ayları en az aylık alansal ortalama dalga enerjisi potansiyeline sahipdir. Karadeniz'de 37 yıllık ortalama alansal dalga enerjisi 6.35 kW/m'dir. İncelenen 10 noktadaki dalga enerjisi zaman serilerinden elde edilen sonuçlara göre Karadeniz'de enerji gücünün yılın ortalama %70 den fazlasında 0 ile 10 kW/m değerleri arasında olduğu tespit edilmiştir. Özellikle 2-5 kW/m aralığında elde edilen dalga enerjisi yılın en az %36'sında meydana geldiği belirlenmiştir. Tezin son bölümünde Mikro ölçekli sayısal modelin üstünlükleri ve faydaları tartışılmıştır. Mikro ölçekli modelin kurulumunda sınır şartları makro ölçekli sayısal modelin hesapladığı sonuçlardan alınmıştır. Bu model için ölçülmüş batimetri haritaları kullanılmıştır. Bölgenin sayısal modele hassas bir şekilde temsil edilebilmesi için sık bir sayısal hesap ağı hazırlanmıştır. Mikro ölçekli model çalışma alanında makro ve mikro ölçekli model sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu iki model derin deniz kesimlerinde çok yakın sonuçlar sunmalarına karşın kıyının yaklaşık 1,5 km uzaklığında mikro ölçekli sayısal model sonuçlarında azalma meydana gelmiştir. Bu çalışma sonucu olarak mikro ölçekli sayısal modelin ölçülmüş batimetre seti ve sık hesap ağından yararlanarak kıyıya yakın kesimlerde daha gerçekçi sonuçlar sunulmuştur. Kıyıya doğru enerji potansiyelinin makro ölçekli modelin verdiği sonuçlara göre daha az olduğu mikro ölçekli modelden görülmüştür. Bu çalışmanın en önemli sonuçları, sayısal modellerde kullanılan hesap ağının daha az koşturma süreleri elde edebilmek için optimize edilmesi, Karadeniz ve Marmara denizi için uzun yıllara ait dalga enerjisi potansiyellerinin çıkarılması ve bölgesel dalga enerjisi hesaplarında mikro ölçekli modellemeler için geliştirilen yöntemin sunulması şeklinde özetlenebilir. Bu sonuçlar bundan sonraki araştırmalarda faydalı olacaktır.