A methodology to analyze short term impacts of electric vehicles on costs, emissions and energy consumption: Case of Turkey

Abstract

Günümüzde çevresel sorunların artışı ve enerji kaynaklarının hızla azalması enerji sektörünün verimliliğinin ve sürdürülebilirliğinin giderek artan bir şekilde sorgulanmasına sebep olmaktadır. Bu şartlar altında elektrikli arabalar, karayolu taşımacılığının verimliğini artırmak ve egzoz gazı emisyonlarını azaltabilmek adına önemli bir seçenek olarak ortaya çıkmaktadır. Bu yeni teknolojinin vadettiği faydaları getirebilmesi için pazara girişlerinden önce birincil enerji tüketimi, emisyonlar ve son kullanıcıya maliyetleri gibi etkileri inceleyen kapsamlı araştırmalar yapılması gerekmektedir. Literatürde karşılaşılan çalışmalar elektrikli arabaların performanslarını sabit senaryoları üzerinden bulundukları bölgenin ortalama elektrik santrali portföyüne bakarak tahmin etmeye çalışmakta ve tek amaç fonksiyonlu modellerden yararlanmaktadır. Oysa elektrikli araçların gerçek performansı şebekeye getirdikleri yeni yükün karşılandığı santrallerin özelliklerine bağlıdır ve tek amaçlı modeller çözüm kümesini kısıtlayarak çevresel açıdan çok faydalı çözümleri gizleyebilmektedir. Ayrıca araçların şarj edileceği saatler hep önceden kabul edilen sabit senaryolar olarak modellere girilmiş ve bu değişken üzerinde herhangi bir eniyileme çabasına rastlanmamıştır. Son olarak elektrikli arabaları için önemli bir potansiyel pazar olan Türkiye'deki geniş çaplı bir elektrikli araç kullanımının etkilerini inceleyen bir çalışma bulunmamaktadır.Bu tez çalışmasında literatürde tespit edilen bu eksiklikleri gidermek amacıyla elektrikli arabaların performasını hesaplayan ve içten yanmalı araçlarla karşılaştıran bir metot önerilmektedir. Bu metotda kullanılan çift amaçlı optimizasyon modeli sayesinde marjinal yükü karşılayacak çözümler sadece en ucuz şarjı sağlayacak şekilde kısıtlanmamış, emisyonları da azaltması mümkün olan tüm etkin jeneratör kümeleri tespit edilebilmiştir. Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketinden alınan gerçek verilerle yapılan çalışmada elektrikli arabaların egzoz gazı emisyonu, birincil enerji tüketimi ve son tüketiciye maliyetleri konusunda içten yanmalı araçlara üstünlük sağladığı görülmüştür. Ancak tek amaçlı çözümlerin, kimi örneklerde elektrikli arabaların emisyon ve enerji tüketici avantajlarını yok edecek şekilde çözümler önerdiği ve marjinal jeneratörler ile yapılan analizlerin sonuçlarının ortalama değerler ile yapılan çalışmalardan farklı sonuçlar verdiği de gösterilmiştir. Bu sebeplerden teknolojinin mevcut durumu kötüleştirmemesi ve etkilerinin doğru olarak tahmin edilebilmesi için bu çalışmada önerilen metot ile yapılacak analizler önem teşkil etmektedir.

In today?s world, where sustainability of energy supply chains is questioned intensively, electric vehicles (EV) are emerging as a solution to reduce emissions and increase efficiency of the road transportation sector. Impacts of this emerging technology, such as emissions, primary energy consumption and cost to end users should be analyzed before introduction of the technology, in order to get the best benefit and avoid a case where they perform worse than conventional vehicles (CV). Studies in the literature are based on average energy mix or pre-defined generation scenarios and they aim to construct policy recommendations solely on the cost minimization objective. However, the performance of EVs depends on the sources that are used to generate the marginal electricity that charges the batteries and single objective models provide a limited analysis on the benefits of EVs. Moreover, impact analysis studies always used pre-defined scenarios for charging hours without any optimization effort to determine the best hours of charging and there are no studies that analyze Turkey, which is an important potential market for EVs.In this study, gaps above are addressed by a methodology that analyzes performance of EVs under different charging and market penetration scenarios and compares the performance with CVs. The methodology uses a bi-objective optimization model representing the electricity market to determine the efficient set of options for marginal generators that charge EVs. The model is applied by using real data from the Turkish electricity market. Results show that, electric vehicles provide an opportunity to decrease costs, emissions and primary energy consumption significantly compared to CVs in Turkey. Single objective models are shown to prevent the sector from getting the best environmental benefit and may end up in a solution where EVs perform worse than CVs. Hence, decision makers should use bi-objective models to make better use of EVs and take specifications of the marginal electricity into account before shaping EV policies.