Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Mikro Şebekelerde Enerji Yönetim Modelinin Geliştirilmesi

Abstract

ÖZET: Endüstrideki ve teknolojideki ilerlemelere bağlı olarak artan yaşam konforu ve kentleşme beraberinde enerji tüketimini yükseltmektedir. Günümüzde elektrik enerjisinin büyük bir kısmı fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Ancak fosil yakıtların hem sınırlı kaynaklara sahip olması hem de çevre ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı ülkeler alternatif kaynak arayışına yönelmişlerdir. Yenilenebilir enerji kaynakları (YEK), temiz ve sınırsız kaynaklar olmaları nedeniyle fosil yakıtlara iyi bir alternatif olabilir. Ancak YEK’lerin doğası gereği kesintili ve öngörülemez olmaları nedeniyle birden çok YEK’lerin bir araya getirildiği mikro şebekeler (MŞ) daha uygun bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, farklı amaçlara yönelik MŞ sistemleri HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) programı kullanılarak tasarlanmış ve performansları analiz edilmiştir. İlk uygulamada, rüzgâr hızı ve güneş radyasyonu açısından farklılık gösteren Çanakkale, Diyarbakır ve Rize illerinde, aynı yükü besleyecek şekilde fotovoltaik (FV) paneller, rüzgâr türbini (RT), dizel generatör (DG) ve batarya depolama sisteminden (BDS) oluşan hibrit bir mikro şebeke tasarımı gerçekleştirilmiştir. Rüzgar potansiyelinin yüksek olması nedeniyle, Çanakkale ili için tasarlanan mikro şebekede en düşük net bugünkü maliyet (Net Present Cost - NPC) ve seviyelendirilmiş enerji maliyeti (Levelized Cost of Electricity - LCOE) değerleri elde edilmiştir. YEK’lerin üretim payı ise %94.8 olarak gerçekleşmiştir. İkinci uygulamada, hayvancılıkla uğraşan kırsal hanelerin enerji ihtiyacını karşılamak için FV paneller, RT, biyogaz generatörü (BGG), yakıt hücreleri (fuel cell – FC), boyler ve hidrojen tanklarını (HT) içeren bir sistem analiz edilmiştir. Hayvansal atıklar değerlendirilerek yeşil hidrojen üretilmiş, üretilen hidrojen elektrik üretiminde kullanılmış ve ortaya çıkan ısı ile hanenin termal ihtiyacı karşılanmıştır. Üçüncü uygulamada, ikinci uygulamadan farklı olarak bir hane yerine bir topluluğun elektrik ve ısı ihtiyacını karşılayan bir sistem tasarlanmıştır. Bingöl ili Doğanevler köyü için tasarlanan MŞ’de diğer kaynaklara ilave olarak Arşimet burgusu (Archimedes screw turbine- AST) kullanılmıştır. Dördüncü uygulamada ise bir hibrit MŞ sistemi, HOMER yazılımı ve MATLAB bağlantısı (ML) kullanılarak optimize edilmiştir. ML stratejisi ile elde edilen veriler, HOMER'ın döngü şarjı (CC) ve yük izleme (LF) optimizasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve üstünlüğü ortaya konulmuştur. Tüm bu uygulamalardan elde edilen sonuçlar, MŞ sistemlerinin enerji arz güvenliğini sağlama, çevresel etkileri azaltma ve maliyet etkinliği açısından üstünlüğünü ortaya koymaktadır.

ABSTRACT: Increasing living comfort and urbanization due to advances in industry and technology increase energy consumption. Currently, most of the electrical energy is generated from fossil fuels. However, due to the limited resources of fossil fuels and their negative effects on the environment and human health, countries have been seeking alternative sources. Renewable Energy Sources (RES) can be a good alternative to fossil fuels, as they are clean and virtually unlimited. Nevertheless, due to the intermittent and unpredictable nature of RESs, microgrids (MGs), where multiple RESs are combined, are a more suitable solution. In this thesis, MG systems for different purposes are designed and their performances are analyzed using HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) software. In the first application, a hybrid microgrid consisting of photovoltaic (PV) panels, wind turbine (WT), diesel generator (DG), and battery storage system (BSS) was designed to supply the same load in Çanakkale, Diyarbakır and Rize provinces, which differ in terms of wind speed and solar radiation. Due to its high wind potential, the microgrid designed for Çanakkale achieved the lowest Net Present Cost (NPC) and Levelized Cost of Electricity (LCOE) values. The share of RES in the total energy production was 94.8%. In the second application, a system consisting of PV panels, WT, a biogas generator (BGG), fuel cells (FC), a boiler, and hydrogen tanks (HT) was analyzed to meet the energy needs of rural households engaged in livestock farming. Animal waste was used to produce green hydrogen, which was then utilized for electricity generation and the resulting heat was used to meet the thermal needs of the household. In the third application, unlike the second application, the system was designed to meet the electricity and heat demands of a community instead of a single household. In addition to other sources, Archimedes screw turbine (AST) was used in the designed MG for Doğanevler village in Bingöl province. In the fourth application, a hybrid MG system was optimized using a combination of HOMER software and MATLAB link (ML). The results obtained with the ML strategy were compared with HOMER’s cycle charging (CC) and load following (LF) optimization results and its superiority is demonstrated. The results obtained from all these applications highlight the advantages of MG systems in ensuring energy supply security, reducing environmental impacts, and enhancing cost efficiency.