A double auction microgrid market design and its application with agent-based simulation

Abstract

Bu çalışma değişen ve gelişen elektrik üretim şekillerinin, özellikle de yenilenebilir enerji kaynakları ile elektrik üretiminin yarattığı çeşitli sorunları göz önünde bulundurarak ve ortaya koyabileceği çeşitli olumlu özelliklerden de yararlanarak, mevcut elektrik şebekesine eklemlenmesine katkıda bulunabilecek microgrid'ler (mikro şebekeler) için bir piyasa tasarımını içermektedir. Bu katkı temel olarak elektriğin şebekeden bağımsız olarak tüketim noktalarında temiz, tüketiciler için karşılanabilir ve üreticiler için de kazanç sağlayabilecek maliyetler ile üretilmesini sağlamaya çalışmaktır. Mikro şebekeler hatırı sayılır bir süredir elektrik şebekeleri literatüründe bulunsa da, hem yenilenebilir enerji kaynaklarının hem de elektrik pillerinin yüksek maliyetleri bu tür uygulamaların önüne geçmekteydi. Bu birimlerin fiyatlarının son yıllarda düşmeye başlaması ve üretimlerinin daha kolay hale gelmesi ile, mikro şebekelerin teknik olurluluğunun yanında yatırımsal olarak da olurluluklarının ihtimali ortaya çıkmıştır. Mikro şebekeler temiz ve ucuz elektrik üretebilme ihtimallerinin yanında, dünya çapındaki çevre örgütlerinin ve bazı gelişmiş ülkelerin ortaya koyduğu karbon salınımı azaltma yönündeki hedeflerin gerçekleşmesi için gerekli olan, enerjinin fosil yakıtlar yerine rüzgar ve Güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile üretilmesinin yaygınlaşmasında da bir aracı olarak düşünülebilir. Fosil yakıtların aksine bu yenilenebilir enerji kaynaklarının davranışlarının isabetli şekilde tahmin edilmesi oldukça zordur, bu yüzden de fosil yakıtlara dayalı çalışan alışılagelmiş elektrik şebekesi, yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme dahil olma oranı arttıkça çeşitli sorunlar yaşamaktadır. Bunlardan en önemlisi, elektrik şebekesinde arz ve talebin sistem çalıştığı her an eşitlenmesi gerekliliğidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının davranışlarının tahmin edilmesinde yaşanılan güçlükler de bu dengenin kurulmasını zorlaştırmaktadır. Bu denge bozulduğunda sistemin çalışma frekansında değişmeler yaşanmakta, bu da sağlanan elektriğin kalitesini kötü etkileyip elektrik üreten ve elektrik tüketen aygıtları tehlikeye sokmaktadır. Ancak, bu sorunun da çözümü teknolojinin gelişmesi ile kolaylaşacak gibi görünmektedir. Elektrik pillerinin ucuzlayıp yaygınlaşmaya başlamasıyla yenilenebilir enerji kaynakları beklenenden veya gereğinden fazla üreitim yaptığında bu enerji depolanabilecek, tersi durum olduğunda da gereken enerji depolanmış enerjiden sağlanabilecektir. Tesla gibi firmalar bu konuda çeşitli girişimler yapmış olup, evsel kullanıcı için çeşitli depolama seçenekleri yaratan piller satmaya başlamıştır. Elbette tüm bu bahsedilen gelişmeler çeşitli hukuki ve ekonomik sorunlar da yaratmaktadır. Elektrik şebekesi için elektrik üretenler çoğunlukla elektrik santrali sahibi büyük firmalardır. Elektrik üretimi yöntemleri çoğalıp boyutları küçüldükçe, bunların evsel kullanıcılar tarafından edinilmesinin de yolu açılmıştır. Gelişen elektrik dağıtım teknolojileri ile beraber şebeke dağıtım unsurlarında olabilecek sıkışmaların da çözümlerinin bulunmasıyla evinde yenilenebilir enerji kaynakları ile elektrik üreten kullanıcıların ürettiği elektriği şebekeye veya diğer kullanıcılara satabilmesinin de önü açılmıştır. İşte önerilen piyasa tasarımı da kullanıcılara elektrik ticareti yapabilme imkanı vermektedir. Literatürde ise bu konuda araştırma sayısı çok fazla olmadığından, gelecekteki elektrik şebekesinin de adım adım daha yerel parçalara bölünebileceği düşünüldüğünden, bu konunun çalışılmasının yararlı olduğu görülmüştür.Tasarımı yapılan bu piyasa düzeninin en önemli özelliği ise fiyatlandırmada yüksek oranda belirsizlik içeren bu yenilenebilir enerji kaynaklarının davranışlarını da göz önüne almasıdır. Ekonomi literatüründeki bazı çalışmalara göre satıcıların ve alıcıların bir mal için akıllarında noktasal bir değer yoktur ve mallara biçilen değer çeşitli dışsal faktörlerden etkilenebilmektedir. Özellikle elektrik üretiminin yenilenebilir enerji ile yapıldığı bir ortamda elektrik arzının değişkenliği ve dolaylı olarak da değeri oldukça değişken bir halde olacaktır. Coherent arbitrariness (Tutarlı keyfilik) olarak adlandırılan bu durum, piyasa içinde kullanılan çift taraflı açık artırma yönteminde fiyatın tekliflerinin değerlendirilmesi için kullanılmıştır. Elektrik üretimi ile kaynakların ve elektrik tüketiminin tahmini de iç içe olduğundan bu piyasa düzeninin de elektrik tahminine ihtiyacı olacağı düşünülüp, bu tahminlerde oluşan tahmin hatalarının fiyatlara yansıtılması elektrik değerindeki dalgalanmaları hesaba katacağı düşünülmüştür. Bahsi geçen bu çift taraflı açık artırma yöntemi de mikro şebekelerde elektrik ticareti için çeşitli çalışmaların sonuçlarına göre uygun olarak kabul görmüştür. İşte tüm bu bilgileri hesaba katarak, çalışmanın amacını da göz önünde bulundurarak bu piyasa tasarımının nasıl performans gösterdiğini görebilmek adına bu çalışma için bir ajan-temelli benzetim modeli kurulmuştur. Bu model de Londra için yapılan bir projede bulunan, akıllı elektrik ölçer (smart grid) bulunduran evlerin bir yıl boyunca yarım saatlik elektrik tüketimleri verisini, Londra için rüzgar hızı ve güneş enerjisi verisini kullanmıştır. Modelde piyasanın çalışmasını sağlan bir yönetici ajan ve piyasa içinde bulunan ev halklarını temsil eden 13 adet evsel ajan bulunmaktadır. Modelde çeşitliliği sağlamak adına bazı evlerde üretim araçları bulunmakta, bazılarında bulunmamaktadır. Bu ajanlar yönetici ajanın yönettiği açık artırma sisteminde birbirleri ile elektrik alış-verişi yapıp birbirlerine bunun için ücretler öderler. Yönetici ajan sistemde arz ve talebin sürekli eşitlenmesinden, tahminlerin yapılmasından ve bir sonraki aralıkta, mikro şebekeye eklenmiş olan, yakıt hücresinin çalışıp çalışmayacağının kararını vermektedir. Evsel ajanlar ise Pekiştirmeli Öğrenme yöntemlerinden biri olan Q-Learning'i kullanarak açık artırmalarda alış ve satış için hangi teklifleri vermeleri gerektiğini belirlemektedirler. Model ise piyasanın performansını görmek için üretildiği için ve mikro şebekelerin ucuz ve güvenli enerji sağlayabileceği iddia edildiği için, modelin en önemli çıktıları ise modellenen piyasada bulunan hanehalklarının ne kadar elektrik faturası ödediği, mikro şebekenin elektrik arzını sağlamakta ne kadar başarılı olduğu ve ne kadar elektrik ticareti yapıldığı gibi ölçütlerdir. Bu ölçütlerden, özellikle, hanelerin ödediği elektrik faturaları oldukça önemli olup, bu hanelerin mevcut elektrik şebekesine bağlı oldukları takdirde aynı tüketim ile ne kadar elektrik faturası ödeyecekleri değerleri ile karşılaştırılmıştır. Kurulan benzetim modeli çalışıtırılmış ve kurulan mikro şebekenin tüm kullanıcılar için daha ucuz elektrik sağlayabileceği görülmüştür. Ancak, modelin bazı girdilerinin değişkenliği de bu elektrik faturalarını ve kurulan mikro şebekenin elektrik arzını sağlayabilme yetisini etkileyebilmektedir. Bu girdiler için çeşitli deneyler yapılmış olup, hanelerin elektrik faturaları ve mikro şebekenin çeşitli performans göstergeleri karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda mikro şebekenin elektrik sağlamakta ve haneler arası elektrik alış-verişini düzenlemekte oldukça başarılı olduğu görülmüştür. Bu yapılan deneylerin yanısıra, hem düzgün açık-artırmada hem de teklifin ödendiği açık artırma yöntemleri de bu piyasa düzeni için denenmiştir. Mikro şebekelerin özelliklerinden biri olan hem kendi başına izole bir şekilde çalışabilme özelliği hem de ana elektrik şebekesine bağlı olarak çalışabilme özelliği de bu açık artırma yöntemleri ile beraber performanslarının görülebilmesi adına benzetim deneylerine katılmıştır. Fakat, bilinmektedir ki, mikro şebekelerin de maliyeti tüm ucuzlamalara rağmen halen oldukça yüksektir. Bunun için de yatırım analizi yapılmış olup, elektrik faturaları ile sağlanan tasarrufun yapılan yatırımı kaç sene içinde amorti edeceği araştırılmıştır. Tüm bunlar sonucunda, mikro şebekenin tamamen izole şekilde çalışmasının elektrik pillerinin maliyetlerinin devletsel bir otorite tarafından karşılanması halinde bile halen kârlı olmadığı, ancak ana şebekeye bağlanabilen bir mikro şebekenin maliyetini ekipmanların tahmini hayat süresi içerisinde çıkarabildiği görülmüştür. Sonuç olarak, izole mikro şebekelerin daha yaygın hale gelebilmesi için özellikle elektrik pillerinin ucuzlama trendini devam ettirmesi gerekmekte, bu gerçekleşinceye kadar da daha yüksek yenilenebilir enerji üretimi oranlarına ulaşılabilmesi için de ana şebekeye bağlanabilen mikro şebekenin geçiş süreci için kurulabilmesi önerilmiştir.

The study aims at illustrating the feasibility of microgrids to supply cleaner and cheaper electricity to its stakeholders. The motivation arises from the changing energy visions of the developed world. The Earth can no longer afford being polluted by the rampant burning of the fossil fuel resources to supply energy. The electricity grid that envelops human civilization has changed very little and it is heavily reliant on the fossil fuel resources. To realize the vision of clean energy, the grid must first undergo a structural change and the microgrid might be a stepping stone in this regard. Microgrids are technologically feasible and there are several applications around the world. Before becoming widespread in use, however, the problem of unpredictability and erraticism in renewable generation poses a formidable obstacle for microgrids. To address this problem, new grid paradigms are facilitated, namely, distributed generation, that is electricity generation at the site of consumption, peer-to-peer electricity trading and energy storage. With these possibilities becoming cheaper than ever and continuing to become cheaper, it will not be long before microgrids are regarded as viable alternative in localized generation of electricity. To that end, this study proposes a means to regulate the peer-to-peer trading among the microgrid to alleviate the negative effects of the variability in renewable energy generation. One of the cornerstones of any market structure is the pricing mechanism and it is the part where the dynamics of the market manifests itself. There are no examples literature that integrates the nature of the renewable generation in the market structure in microgrids, that is why this study aims at producing such an effort. To integrate the variability in renewable generation, the idea of coherent arbitrariness is presented as a viable approach. The bid and ask prices in double-auctions are modified with the average forecasting errors to account for the risk in uncertain output from the renewable generation units. For the simulation of the proposed market structure an agent-based model is built with their capability to learn emulated by simple reinforcement learning approach. A simple ARIMA model is used as a placeholder to provide forecast values and their errors in the form MAPE. The simulation is run with real world data from the Low Carbon London project and various meteorological data from the UK Met Office and experimentation of numerous model parameters are carried out and their results are reported. The results of the study indicate that the islanded microgrid can in fact supply cheaper and cleaner electricity yet the high setup costs and how they should be covered, make it rather difficult to implement. Due to these estimated high costs, the grid-connected mode of operation is proposed to be a transitionary period until the islanded form microgrid until renewable generation units and electricity storage becomes cheap enough to make the islanded microgrid a beneficial investment.