Şebeke bağlantili ve şebekeden bağımsız hibrit güç sistemleriyle enerji üretiminin ekonomik analizi

Abstract

Bu çalışmada Türkiye'de pilot bir bölge seçilip o bölgedeki yenilenebilir enerji potansiyeli incelenerek ve bu potansiyelin bölge elektrik talebini karşılamada şebeke bağlantılı ve şebekeden bağımsız olarak kullanılmasının maliyet olarak analizi yapılmıştır.Öte yandan, rüzgâr ve güneş enerjisinin elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanıldıklarında beraberinde getirdikleri birtakım problemlerin bertaraf edilmesi amacıyla da enerji taşıyıcısı olarak hidrojenden faydalanılması araştırılmıştır. Temel olarak hidrojen enerjisinden faydalanmanın ve hidrojenin süreksiz biçimdeki yenilenebilir enerji kaynaklarına entegrasyonunun ekonomik anlamda incelenmesi hem şebekeden bağımsız bir sistem için, hem de şebeke bağlantılı bir yapı hesaba katılarak yapılmıştır. Bu tür bir enerji üretiminin geleneksel enerji üretim sistemleriyle kıyaslanması ve rekabet edebilirliğinin ölçüt ve sınırlarının belirlenmesi amacıyla, bir teknoloji ya da çeşitli teknoloji kombinasyonlarının maliyet etkin olduğu eşik değerler bulunmaya çalışılmıştır.Sistem çalışmasını simüle etmek ve her bir konfigürasyon için teknik-ekonomik parametreleri hesaplamak için HOMER (NREL, US) programı kullanılmıştır. Program, teknoloji opsiyonları, bileşen maliyetleri ve kaynak uygunluğu gibi girdi değerlerini gerektirmektedir ve bütün bu verileri kullanarak HOMER, farklı sistem konfigürasyonları için net maliyete (sistem maliyeti) göre uygulanabilir sistem kombinasyonlarını sıralamaktadır.Çalışmada, belirlediğimiz teknik ve ekonomik kıstaslar hesaba katılarak farklı senaryolar için söz konusu pilot bölgede optimum (minimum sistem maliyetli) hibrit enerji sistemi tasarlanmıştır. Bu tasarım, bölgenin kaynak uygunluğuna ve enerji ihtiyacına göre boyutlandırılarak maliyette minimizasyon amaçlanırken; güvenilir enerji arzında maksimum düzey hedeflenmiştir.Yenilenebilir kaynaklı enerjinin kullanıldığı ve ekonomik optimizasyonun yapıldığı örnek yer olarak İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesi'ndeki Elektrik-Elektronik Fakültesi seçilmiştir.Çalışma sonuçlarına göre, hibrit olmayan sistemler uygulanabilir sistem kombinasyonları arasında yer almamıştır. Diğer taraftan, bütün hibrit yapılar arasında ise, şebeke bağlantılı hibrit sistemler şebekeden bağımsız sistemlere kıyasla enerji üretim maliyeti ve sistem maliyeti açısından daha avantajlı olmuştur. Elektrik tarifesi, bileşen maliyetleri ve kapasite yetersizlik oranı gibi unsurların değişim aralığında sistem yapısı ve maliyetler analiz edilmiştir.Yapılan çalışmada, elektrik fiyatı, yenilenebilir enerji sistemi ekipmanlarının maliyet çarpanı ve izin verilen kapasite yetersizlik oranının optimum konfigürasyon modelinde ve enerji üretim maliyetinde önemli farklılıklara neden olduğu gözlenmiştir.Modellemesi yapılan hibrit sistemin, günümüz koşullarında yüksek maliyete enerji ürettiği hesaplanırken, bileşen maliyetlerinin azalması, ya da şebeke elektrik fiyatının artması gibi uzun dönem durumlarında söz konusu yapının mevcut enerji üretim sistemiyle rekabet edebilir olduğu gözlenmiştir.

In this thesis, a pilot region was selected and cost analysis of using renewable energy sources-integrated with hydrogen system-for the region?s energy demand was introduced, in a techno-economic perspective. The renewable energy potential for the region was evaluated by implementing energy cost analysis. The study also evaluates the feasibility of utilizing solar and wind energy with hydrogen as an energy carrier or a storage unit to meet the electricity requirements of the pilot region as a stand alone system and in conjunction with the conventional grid based electricity.It was analyzed the energy generation via renewable energy sources and also defined the limitations of its competitiveness to traditional systems according to its measure values and rivalry state. As well as defining these limitations, the integration of hydrogen with unstable renewable energy sources, which are not practically seen in the applications, was analyzed with an economical perspective. Different combinations of component sizes and quantities were compared; and it was furthermore explored how variation in resource availability and system costs affect the installation and operation costs for different system designs.The utilization of hydrogen energy with renewable energy sources was evaluated both for a stand alone system and a grid connected structure in economical perspective. It was purposed to find threshold where an energy production technology or combination of technologies became cost effective.In order to simulate the operation of the system and to calculate the technical and economic parameters, micropower optimization program Homer (NREL, US) was used in this study. Homer requires some input values, such as technological options, cost of components, and resource compliance; and then the program ranges the feasible system configurations according to the net present cost (system cost) by using these inputs.The pilot region in this study, where the renewable based energy was used, has been determined to be Electrics& Electronics Faculty, Istanbul Technical University.According to the results, non-hybrid systems were not listed among the feasible system combinations; in other words, it is not an optimum solution to build an energy system of depending on only one source of energy. On the other hand, among all the hybrid systems, grid connected hybrid systems produced electricity with a lower system cost in comparison with the stand alone systems. The decline in the cost of RE components and the chance of using of hydrogen as the stored energy in order to meet 24 hours load profile, as the results of this study, increased the feasibility of the system and decreased dependency to the grid. Moreover, It has been observed that electricity price variation, cost factor of renewable energy system equipments and changes in capacity shortage fraction led to remarkable differences in the optimum configuration model and energy generation cost.The system that is modelled, produced electricity at higher costs in contemporary conditions. While with decreasing component prices and increasing grid electricity price, the model has been feasible and cost comptetitive with traditional energy production methods, giving environmental friendly, sustainable solution to the energy demand problems.