Süper Bilgisayarlar Komşu Rüzgâr Çiftliklerinin Daha Fazla Enerji Sıkıştırmasına Nasıl Yardım Ediyor?12 Şubat 2019
Oldukça sert esen bir günde, dönen bir rüzgâr türbininin arkasına geçtiğinizde, türbin kanatları hareketli havadan enerjiyi çekerken yüzünüze çarpan esintinin belirgin şekilde yavaşladığını hissedersiniz. Bu elbette bir sürpriz değil. Çünkü modern bir türbinin rüzgâr sönümleme modunun yarattığı sıkışma akıllara durgunluk verici. Nature Energy dergisinde yayınlanan yeni bir makaleye göre günümüzün dev türbinleri, rüzgâr hızlarında 30 km’ye kadar düşüşe, beraberinde enerji emiliminde ve komşu rüzgâr çiftliklerinin elde ettikleri enerji gelirlerinde de azalmaya neden oluyor.
Daha iyi ve daha ucuz türbinler rüzgâr endüstrisini ileriye götürdükçe – ABD’deki üretim kapasitesinin son beş yılda yüzde 50 büyüdüğü de düşünüldüğünde – rüzgâr enerjisi, ülkeler için değerli bir ekonomik kaynağa dönüşüyor. Yine de, rüzgârın aynı zamanda ortak bir kaynak olduğu konusu daha az takdir görmesine neden oluyor.
Rüzgâr türbinlerinin komşularını nasıl etkilediği, GE Research‘ün önde gelen Makine Mühendisi Lawrence Cheung için özellikle büyük bir önem taşıyor. Cheung, GE‘de geçirdiği sekiz yılının altısında rüzgâr türbinleri üzerinde çalıştı. Rüzgâr enerjisini en iyi şekilde kullanabilmek için rüzgârın gerçek dünyada nasıl hareket ettiğini detaylı şekilde modellemek üzere, modern süper bilgisayarların hesaplamalı ateş gücünü kullanma konusunda uzmanlaştı. Cheung, normalde hava akımının kanat ucunun etrafından düzenli ve temiz bir şekilde geçmeye başladıktan sonra karmaşıklaştığını söylüyor.
Cheung, 2012 yılında rüzgâr türbini araştırma ekibine katıldığında diğer GE araştırmacıları, rüzgâr türbinlerinin işlevini analiz etmek ve geliştirmek için hâlihazırda “Cray” isimli eski nesil süper bilgisayarların gücünü kullanıyordu. O zamanlarda, türbinin bireysel çalışmasını iyileştirmeye yönelik farklı bir problemi çözmeye odaklandılar; yüz milyonlarca tekil su molekülünün modelini yaratırken bu molekülleri bir türbin kanadı üzerinde buza dönüştürdüler. Modeller, daha soğuk iklimlerdeki verimlerini artırarak, “buz tutmayan” bıçakların oluşturulmasına yardımcı oldu.
Altı yıl sonra ise, Cheung’in grubu farklı bir yol izliyor. En yeni Cray XC süper bilgisayarının gücünden faydalanan yeni modeller, büyük resme bakmak için bir adım geriye gidiyor. Cray‘ler gibi süper bilgisayarlar, muazzam veri kümeleriyle başa çıkmakta ve güçlü “büyük ölçekteki çok çekirdekli” işlemciler arasındaki hesaplamaları bölmekte uzmandır. Bu özellikler Cheung’in en yeni çalışmaları için harika oluyor, çünkü bu süper bilgisayarlar 5.000 dönüme ya da 3.780’den fazla futbol sahasına yayılan bir rüzgâr çiftliğinin tamamındaki hava akışını modelleyebiliyor.
Bu mesafelerdeki rüzgâr davranışını anlamanın eski yolu, türbinler monte edildikten sonra rüzgâr hızlarını yakalayabilecek radarlar veya fiziksel rüzgâr hızı dedektörleri kurmaktı. Bu yöntem her seferinde değişkenlik gösteren veriler ürettiğinden, mühendislere bir rüzgâr çiftliği kurmak için yaratıcı fikirler denemek ve türbinleri bölgeye optimum şekilde yaymak adına sağlıklı bir ortam sağlayamıyordu.
Cheung’in “teknik olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları” olarak bilinen süper bilgisayar modelleri ise, büyük rüzgâr çiftliklerini yüz milyonlarca tekil metreküp içine bölüyor. Simülasyonların çalışmaya devam etmesi hâlâ bir haftayı bulsa da, Cray XC’nin gücü olmasaydı aynı işlemleri yapmak aylar alacaktı.
Cheung’in hedefi, rüzgâr uyandırma problemini ortadan kaldırmak değil; farklı rüzgâr çiftliği konfigürasyonlarında yavaşlayan havanın bir rüzgâr türbininden geçtikten sonraki kesin etkisini anlamak. Bu şekilde rüzgâr sıkışmalarını azaltmanın masrafı, daha geniş aralıklarla yerleştirilmiş türbinlere sahip çiftliklerin inşa maliyetiyle kıyaslanabiliyor. Bu maliyetler, hem fazladan toprak (ya da okyanus) elde etme fiyatı hem de daha büyük çiftlikleri inşa etmek ve sürdürmekle gelen ek masraflar demek.
Bu hâsıla ve maliyet dengesine rağmen, türbinleri daha düşünceli komşular hâline getirmenin ekonomik fayda potansiyeli oldukça fazla. Nature Energy’nin son çalışması da tüm bu olasılıkların anlamı hakkında bilgiler veriyor. Teksas’taki komşu rüzgâr santrallerinin bir üçlüsünü analiz eden Colorado Boulder Üniversitesi‘nden araştırmacılar, rüzgâra karşı konuşlanan dikey yönlü rüzgâr türbin çiftliğinin, rüzgâr yönünde çalışan yatay yönlü rüzgâr türbin çiftliğinin rüzgâr hızını yüzde 5 azalttığını tespit etti. Çalışmaya göre çiftlikler 2011-2015 yılları arasında gelir kaybına 3,7 milyon dolar harcadı.
“Rüzgâr Türbini Uyandırma Etkilerinin Eşgüdümsüz Rüzgâr Enerjisi Gelişiminden Kaynaklanan Maliyetleri ve Sonuçları” adlı bu çalışma, rüzgâr endüstrisinin bir bütün olarak ne kadar kaybedeceğini doğrudan söylemese de on rüzgâr çiftliğinden dokuzunun başka bir çiftliğe 40 km uzaklıkta olmasından ötürü kaybın miktarının büyük olabileceği konusunda uyarıyor. Sıkışma etkilerinin uzun mesafelerde hissedilmesi için, rüzgârın nispeten düz arazide tutarlı bir yönde esiyor olması gerekiyor ki bu da rüzgâr çiftlikleri için en elverişli coğrafya demek oluyor.
Cheung’in modelleri henüz 5 kilometreyi geçmiyor ancak Cray’in süper bilgisayarları daha da güçlenip geliştikçe, modellerini detaylandırırken bu aralığı daha da artırmayı planlıyor. Şimdilik etkilerin katlanarak daha yüksek olduğu münferit rüzgâr çiftlikleri içindeki rüzgâr sıkışmalarının azaltılması hakkında öğrenilecek çok şey olduğu görülüyor.