DOĞU AKDENİZ’İN DALGA GÜCÜ POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİ

Berna AYAT

Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik ve Kıyı Liman Mühendisliği Laboratuvarı, Davutpaşa Kampüsü 34220SAY

Esenler/İstanbul, Fax: 0 (212) 383 5133 Doç. Dr., Tel: 0 (212) 383 5174, e-posta:bayat@yildiz.edu.tr

ÖZET Bu çalışmada Doğu Akdeniz Baseninin dalga gücü potansiyeli değerlendirilmiş ve karakteristik özellikleri belirlenmiştir. Çalışma alanına ait dalga karakteristikleri 1994-2009 yılları arasındaki zaman dilimi için 3. nesil spektral dalga modeli kullanılarak elde edilmiştir. Rüzgar alanları European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)’ten sağlanmıştır. Dalga modelinin kalibrasyonu için üç ayrı ölçüm istasyonunda toplanmış dalga ölçümleri kullanılmıştır. Böylece model alanı için Belirgin Dalga Yükseklikleri (H) ve dalga periyotları (T) yüksek bir doğrulukla benzeştirilmiştir. Bu 15 yıllık veri seti kullanılarak Doğu Akdeniz için ortalama dalga gücü atlası elde edilmiştir. Model alanının seçilmiş bazı konumlarında dalga gücü gülleri, ve dalga gücünün elde edilebileceği koşulların (H ve T) oluşum yüzdeleri verilmiştir. Tüm model alanı kıyıları boyunca ortalama dalga gücü 2 kW/m’nin altında bulunmuştur. Çalışma alanı içerisinde dalga gücü potansiyeli en yüksek olan kısım Nil Deltası ile Libya sınırı arasında kalan Mısır sahilleridir. Bu kıyılar boyunca ortalama dalga gücü 4 kW/m’nin üzerinde değerler almaktadır. Yine Ege Denizi içerisindeki Yunan Adaları sahilleri boyunca yer yer ortalama 4 kW/m’lik dalga gücü potansiyeli sözkonusu olabilmektedir. Model alanının doğusu ise en düşük potansiyele sahiptitr. Dalga gücünün en büyük kısmını dalga yükseklikleri 1-4 m ve periyotları 4-8 s olan dalgalar taşımaktadır. Bu çalışmada dalga gücünün mevsimsel değişimleri de incelenmiştir. Kış aylarında ortalama dalga gücü yaz aylarının iki katına çıkabilmektedir. Anahtar Kelimeler: Dalga Gücü, Akdeniz, Spektral Dalga Modellemesi

Wave Power Potential of Eastern Mediterranean Sea Wave energy potential of the Eastern Mediterranean Sea Basin was assessed and characterized. Wave fields obtained from 3rd generation spectral wave model for years 1994-2009 by using wind data from European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) were used in order to calculate the wave powers. Wave model was calibrated using the wave measurements conducted at three

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

841

different stations. Wave model simulated the wave characteristics such as significant wave heights (H) and mean wave periods (T) with high accuracy. Wave power atlas was generated based on 15-year time-averaged wave data. Also wave power roses and distribution tables in means of periods and heights for different regions were presented. Mean wave power found to be below 2 kW/m along the coasts of the whole model area. The most energetic coast of the Southern Mediterranean Basin is Egyptian coast lying between Nile Delta and the Libya border with a potential of above 4 kW/m. Some regions along the coasts of some Greek Islands also have potential above 4 kW/m within the Aegean Sea Basin. The eastern part of the model area is found to be the least energetic. The most energetic sea states have significant wave heights between 1 and 4 m and wave energy periods between 4 and 8 s. Seasonal trends were also investigated in this study. The mean wave power in winter is roughly 2 times larger than annual mean. Keywords: Wave energy, Black Sea, Spectral Wave Modeling. 1. GİRİŞ Dalga enerjisi düşük emisyonlu yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden biridir. Dalgalar enerjilerini çoğunlukla rüzgardan elde eder ve önemli bir kayıp vermeden kilometrelerce ötedeki kıyılara taşırlar. Temelde güneş enerjisinden kaynaklanmakla birlikte dalga enerjisinin diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile karşılaştırıldığında bir takım üstünlükleri söz konusudur. Bunlardan en önemlisi günlük ya da mevsimlik tahmin edilebilirliğidir. Bu dalga alanlarının tahmin edilebilirliğinden ileri gelmektedir. Yine yılın 365 günü 24 saat boyunca elde edilebilir olması da dalga enerjisini kararlı bir enerji kaynağı haline getirmektedir. Dalga enerjisinin kullanılabilir enerjiye dönüştürülmesi için ulaşım yolları, geniş araziler üzerine kurulmuş büyük tesisler gerektirmemesi ve rüzgar enerjisine göre çok daha küçük santraller ile elde edilebilmesi dalga enerjisini çevreci bir enerji türü haline getirmektedir. Özdamar vd. (2004) 1 yıllık rüzgar verilerini analiz ederek, Çeşme’nin ortalama dalga gücü potansiyelini 14.84 kW/m olarak hesaplamıştır. Bu çalışmada Doğu Akdeniz’in dalga gücü potansiyeli araştırılmıştır. Seçilen çeşitli lokasyonlarda dalga gücü değerleri hesaplanmış, bunun yanısıra ortalama dalga gücünün model alanı içerisindeki uzamsal dağılımını gösteren dalga gücü atlası üretilmiştir. Dalga gücü dağılımı 15 yıllık dalga alanlarının, Mike 21 Sepktral Dalga Modeli kullanılarak üretilmesiyle elde edilen veriler kullanılarak belirlenmiştir. Dalga tahmin modeli üç ayrı istasyonda toplanmış belirgin dalga yüksekliği (Hs) ve ortalama dala periyodu (Tm) verileri kullanılarak kalibre edilmiştir. Kalibre edilmiş model dalga karakteristiklerini yüksek bir doğrulukla tahmin etmiştir. Model alanı için ortalama dalga gücü atlası oluşturulmuştur. Yine dalga gücünün çalışma alanı içerisinde ya ve kış ayları boyunca dağılımı sunulmuştur. Bu bilgiler çalışma alanından elde edilebilecek dalga gücünün

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

842

mevsimsel değişimlerinin de bilinmesi açısından önemlidir. Yine dalga gücünden elektrik enerjisi elde etmek için doğru yöntemin seçiminde önemli olan bir diğer veri de belirli bir dalga gücü değerini oluşturan deniz durumlarının oluşma olasılıklarıdır. Bu çalışmada seçilen bazı lokasyonlar için deniz durumlarının oluşma olasılıkları ve dalga gücü potansiyelleri de incelenmiştir. 2. ÇALIŞMA YÖNTEMİ 2.1 Spektral Dalga Modeli Doğu Akdeniz baseni içerisinde dalga gücü potansiyelinin belirlenebilmesi için önemli miktarda dalga verisine gereksinim vardır. Bu çalışmada bu dalga verisi MIKE 21 Spektral Dalga Modeli kullanılarak gerçekleştirilen benzetimlerden elde edilmiştir. Mike 21 Spektral Dalga Modeli, açık deniz ve kıyılarda dalga ikliminin analizi ve tahmini için kullanılan güncel bir sayısal modelleme aracıdır. Bu çalışmada Doğu Akdeniz Baseni içerisindeki rüzgâr ve ölüdeniz dalgalarının oluşum, gelişim, sönümlenme ve dönüşümlerinin benzeştirilmesi için Mike 21 Spektral Dalga Modeli kullanılmıştır. Bu model rüzgâr dalgası gelişimi, lineer olmayan dalga-dalga etkileşimleri, köpüklenmeye bağlı olarak dalga sönümlenmesi, taban sürtünmesi ve derinliğe bağlı olarak dalga kırılması, sapma, sığlaşma, dalga-akıntı etkileşimi ve su seviyesindeki zamana bağlı değişimleri de dikkate almaktadır. Mike 21 temel denklemlerin uzamsal ve spektral uzayda ayrıklaştırılmasında merkezi sonlu hacimler metodunu kullanmaktadır. Model alanının coğrafi temsilinde yapılandırılmamış hesap ağı tekniği kullanılmıştır. Mike 21 modeli zamansal integrasyon için, dalga hareketinin çoklu-sıralı açık metot ile hesaplandığı kısmi adım yaklaşımını kullanmaktadır. Mike 21 Spektral Dalga Modeli ağırlık dalgalarının dinamiklerinin tanımlanmasında, dalga hareketi yoğunluğu için taşınımı denklemini çözmektedir. Denklem 1’de Kartezyen koordinatlardaki dalga hareketi denge denklemi verilmiştir.

� �N S. vN

t

�3 �

� � (1)

Burada, � �N x, , , t� � hareket yoğunluğu, t zaman, � �x x, y� Kartezyen

koordinatlar, � �x yv c ,c ,c ,c� �� dört boyutlu faz uzayında dalga grup ilerleme hızı

x,� , ve �, ve S enerji denge denklemi için kaynak terimidir. 3, x,� , � uzayında dört boyutlu diferansiyel işlemcidir. Spektral dalga parametrelerinin hesabı için kullanılan spektral momentler Denklem 2 kullanılarak hesaplanmıştır.

� � i 1,2,3,..2π

ii

0 0

m = E f,θ f dfdθ=

�% % (2)

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

843

Burada � �E f,θ yönsel dalga enerji spektrumu ve f ise dalga frekansıdır. Böylece belirgin dalga yüksekliği ve enerji (ortalama) periyodu sırasıyla Denklem 3 ve Denklem 4’te gösterildiği gibi elde hesaplanmıştır.

s 0H =4 m (3)

� �1 0/ meT = m� (4)

Şekil 1. Akdeniz Baseni çalışma Alanı ve Ölçüm Noktaları.

2.2 Model Kurulumu Mike 21 Spektral Dalga Modeli Şekil 2’de gösterilen Doğu Akdeniz hesap ağı için çalıştırılmıştır. Model alanı 31-41°N ile 22.5-36°E arasında kalan Doğu Akdeniz’i kapsamaktadır. Farklı büyüklükteki üçgen elemanlardan oluşan hesap ağının çözünürlüğü, çalışma alanı kıyıları boyunca arttırılmıştır. Sonuçta oluşturulan hesap ağı 4098 nokta ve 7035 eleman içermektedir.

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

844

Şekil 2. Doğu Akdeniz Model Alanı için Hesap Ağı.

Spektral Dalga Modeli 1994-2009 arasındaki 15 yıllık süre için çalıştırılmıştır. Modelde stabilite sorunu yaşamamak için en çok 600 s olacak şekilde değişken zaman adımı kullanılmıştır. Dalga karakteristiklerini elde etmek için çalıştırılan modelde rüzgar alanları ECMWF’ten alınan veriler kullanılarak tanımlanmıştır. Rüzgar kuvvetini benzeştirmek için 0.1° çözünürlükle tüm model alanını kapsayan rüzgar u ve v hız bileşenleri kullanılmıştır. Modelde enerji transferi için dörtlü-dalga ve üçlü dalga etkileşim formülasyonları dikkate alınmıştır. Bu calısmada dalga tahmin modeli Tablo 1’de gösterilen istasyonlarda toplanan ölçüm verileri kullanılarak kalibre edilmiştir.

Tablo 1 Ölçüm istasyonları

İstasyon Adı Konumu Derinlik (m) Ölçüm Süresi Kaynak

Alanya 36.32�30KN 31.58�30KE 100 Kasım 1994-Şubat

1996 Özhan ve

Abdalla (2002)

Dalaman 36.41�30KN 28.45�18KE 100 Kasım 1994-Temmuz

1996 Özhan ve

Abdalla (2002)

Bozcaada 39.42�14KN 26.02�57KE 62 Kasım 1994-Ocak

1995 Özhan ve

Abdalla (2002)

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

845

Alanya istasyonu için model sonuçları ile ölçüm verilerinin karşılaştırılması Şekil 3’te gösterilmiştir. Sayısal model tüm istasyonlar için belirgin dalga yükseklikleri ve ortalama dalga periyotlarını yüksek doğrulukta tahmin etmiştir. Sayısal modelin tüm ölçüm istasyonlarında dalga karakteristikleri tahmin etmekteki başarısı Ortalama Kare Hataların Karekökü (OKHK) (Denklem 5) ve Korelasyon Katsayısı (KK) (Denklem 6) ölçütleri ile değerlendirilmiş ve sonuçlar Tablo 2’de gösterilmiştir.

� �2

1

N

iT Ö

OKHKN

��

� " (5)

� �� �� � � �

1

22

1 1

Ni ii

N Ni ii i

T T Ö ÖKK

T T Ö Ö

�

� �

� ��

� �

"

" " (6)

Bu denklemlerde T tahmin edilen, Ö ölçülen değerdir. N toplam veri sayısını göstermektedir.

Şekil 3. Alanya istasyonu için sayısal model ile ölçüm verilerinin karşılaştırılması.

Model benzetimlerinin tamamlanmasının ardından, dalga gücü Denklem 7 kullanılarak hesaplanmıştır.

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

846

� �2

2 2s e s e

gP H T 0.49 H T kW / m

64

�� H

� (7)

Tablo 2 Ölçüm istasyonlarında model tahminlerinin başarısı.

İstasyon Adı Hs (m) Tm (s) OKHK KK OKHK KK

Alanya 0.22 0.87 0.72 0.75 Dalaman 0.19 0.91 0.74 0.70 Bozcaada 0.34 0.74 0.64 0.70 Ortalama 0.25 0.84 0.70 0.72

Doğu Akdeniz Baseni için zamansal ortalama dalga gücü hesaplanmış ve Şekil 4’te gösterilmiştir. Burada sunulan ortalama dalga gücü değerleri herbir saat için hesaplanmış ve model alanı içerisindeki herbir eleman için 15 yıllık ortalaması alınmak suretiyle elde edilmiştir.

Şekil 4. Model alanı içerisinde yıllık ortalama dalga gücü dağılımı (kW/m).

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

847

Şekil 4’ten de görüldüğü gibi Doğu Akdeniz Baseni içerisinde dalga gücünün en yüksek olduğu ve dalga enerjisi elde etmek açısından en yüksek potansiyele sahip bölge basenin merkezinde yani açıkdeniz kısmında yeralmaktadır. Bu kısımlarda ortalama dalga gücü 5 kW/m olarak elde edilmiştir. Tüm kıyı şeridi özellikle Türkiye ve Yunanistan kıyıları oldukça düşük bir profil sergilemektedir. Kıyı bölgeleri içerisinde en yüksek potansiyel ise 4 kW/m’lik ortalama değer ile Mısır sahillerinde görülmektedir. Daga gücü potansiyeli açısından dikkat çeken diğer bazı kıyılar da Ege Denizi’ndeki bazı açık deniz bölgeleri ile Yunan adalarının kıyı sahanlıklarıdır. Buralarda da 5kW/m’nin üzerinde ortlama dalga gücü değerleri hesaplanmıştır. Çalışma alanı kıyıları boyunca seçilmiş bazı lokasyonlardaki yıllık ve mevsimlik ortalama dalga gücü değerleri Tablo 3’te sunulmuştur. Seçilen lokasyonlar Şekil 5’te gösterilmiştir. Mevsimsel analiz yapılırken 1 Aralık ile 29 Şubat arasındaki dönem kış ve 1 Mart ile 31 Ağustos arasındaki dönemde yaz mevsimi olarak değerlendirilmiştir. Yaz ve kış mevsimleri için çalışma alanı içerisinde dalga gücü dağılımını gösteren atlaslar sırasıyla Şekil 6 ve Şekil 7’de verilmiştir.

Şekil 5 Çalışma alanı kıyılarında secilmiş bazı lokasyonlar.

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

848

Tablo 3 Şekil 5’te gösterilen lokasyonlarda hesaplanan yıllık ve mevsimlik ortalama dalga gücü değerleri, kW/m. Konum 1 2 3 4 5 6 7 Dalga Gücü (kW/m) 5.42 5.65 5.90 4.20 4.65 4.78 4.26 Yaz Ayları Ort. Dalga Gücü (kW/m) 3.42 5.26 4.69 3.45 2.80 2.06 3.38 Kış Ayları Ort. Dalga Gücü (kW/m) 9.68 8.16 9.19 6.43 8.20 8.20 6.83

Şekil 6 Doğu Akdeniz Baseni içerisinde dalga gücünün yaz mevsimi boyunca

dağılımı.

Dalga enerjisinden elektrik elde etmekte uygun yöntemin seçilmesinde önemli olan bir başka etken de dalga gücünün dalga yükseklikleri ve dalga periyotlarına göre gösterdiği dağılımdır. Doğu Akdeniz Baseni için bu dağılımlar elde edilmiştir. Bu amaçla dalgalar belirgin dalga yükseklikleri, Hs ve enerji periyotları Te ile tanımlanmıştır. Dağılımlar oluşturulurken dalga yükseklikleri için 0.5 m ve periyotlar için de 1 s’lik aralıklar kullanılmıştır. Bu dağılımlar çalışma alanı içerisinde dalga gücünün önemli kısmının 4m’nin altındaki dalga yükseklikleri ve 4-8 s aralığındaki dalga periyotlarına sahip dalgalar tarafından oluşturulduğunu göstermektedir.

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

849

Şekil 7 Doğu Akdeniz Baseni içerisinde dalga gücünün kış mevsimi boyunca

dağılımı. 3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışmada Doğu Akdeniz Baseni için bugüne dek gerçekleştirilmiş en ayrıntılı dalga gücü tahmini çalışması sunulmuştur. Dalga gücü analizi 2 boyutlu spektral dalga tahmin modeli Mike 21 kullanılarak elde edilen dalga alanları esas alınarak gerçekleştirilmiştir. Analizde kullanılan 15 yıllık rüzgar verisi ECMWF’ten alınmıştır. Model üç ölçüm istasyonunda alınan dalga kayıtlaı kullanılarak kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Doğu Akdeniz Baseni içerisindeki yıllık ve mevsimlik ortalama dalga gücü atlasları sunulmuştur. Açık denizde yıllık ortalama 5 kW/m’lik dalga gücü potansiyeli hesaplanmıştır. Çalışma alanı içerisinde Libya sınırı ile Nil Deltası arasında kalan yakın kıyı bölgesi dalga gücü potansiyeli en yüksek olan yakın kıyı bölgesi olarak öne çıkmaktadır. Bu kıyılar boyunca yıllık ortalama dalga gücü 4kW/m civarındadır. Türkiye ve Yunanistan kıyıları ise en düşük dalga gücü değerlerine sahiptir. Yine Ege Denizi içerisindeki bazı Yunan Adaları kıyıları boyunca da kayda değer dalga gücü potansiyeli sözkonusudur. Mevsimsel analiz sonucunda kış aylarında yıllık ortalama dalga

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

850

gücünün iki katı mertebesinde dalga gücü potansiyeli oluştuğu görülmüştür. Dalga koşullarının analizi ise dalga gücünün en çok 4m’nin altındaki dalga yüksekliği ve 4-8 s aralığındaki dalga periyoduna sahip dalgalar tarafından taşındığı sonucunu ortaya koymuştur.

KAYNAKLAR DHI, (2008), Mike 21 SW Scientific Background. DHI, Denmark.

Özdamar, A., Gürsel, K.T., Örer, G., Pekbey, Y., 2004, “Investigation of the Potential of ind-Waves as a Renewable Energy Resource: by the example of Çeşme, Turkey”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 8:581-92.

Özhan E, Abdalla S. Turkiye Kıyıları için Rüzgar ve Derin Deniz Dalga Atlası, 2002.

8. KIYI MÜHEND�SL��� SEMPOZYUMU

851