Akıllı Şebekelerde Enerji Sistemlerinin Geleceği
Akıllı Şebekelerde Enerji Sistemlerinin Geleceği
The Future of Energy Systems in Smart Grids
Dr. Barbaros Batur1, , Muammer Akgün2, Dr. M. Cem Çelik3
1 Yıldız Teknik Üniversitesi
2 MMO İstanbul Şube Kazan ve Basınçlı Kaplar Komisyonu
3 Marmara Üniversitesi
Anahtar kelimeler: Enerji depolama, Esnek sistemler, Enerji verimliği
ÖZET
Geçmiş yüzyılda elektrik üretimi büyük güç santralleri, nükleer ve hidroelektrik santraller gibi alanlarda gerçekleştiriliyordu. Günümüzde ise yenilenebilir enerji kaynaklarının artan kullanımıyla birlikte rüzgar ve güneş enerjisine dayalı değişken elektrik üretimi gibi daha küçük ölçekli sistemler öne çıkıyor. Bu dönüşüm sürecinde elektrikli araçların sayısındaki artış ve enerji tüketim yapısında meydana gelen değişiklikler, tüketim tarafında önemli etkiler yaratıyor ve şebeke yükünü artırıyor. Bu nedenle, gelecekteki akıllı şebekelerin bu değişimlere uygun olarak planlanması ve geliştirilmesi önem arz etmektedir.
Yükselen yenilenebilir enerji entegrasyonu, ileri veri analitiği, yapay zeka uygulamaları, enerji depolama teknolojilerinin gelişimi, iletişim altyapısının ilerlemesi, proaktif şebeke yönetimi, mikro şebekelerde enerji paylaşımı, elektrikli araçların şebeke entegrasyonu, Nesnelerin İnterneti (IoT) entegrasyonu, güvenlik ve veri gizliliği, enerji iletişimi ile işbirliği konularının araştırılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır.
Gelecekteki akıllı şebekeler, enerji sektöründe önemli bir değişimi temsil edecek ve enerji yönetimi alanında büyük etkiler yaratacaktır. Yenilenebilir enerji entegrasyonu, veri analitiği ve yapay zeka uygulamaları, enerji depolama teknolojileri ve iletişim altyapısının gelişimi gibi faktörler, akıllı şebekelerin daha etkili, güvenli ve sürdürülebilir bir enerji geleceği sunmasını destekleyecektir. Bu sayede, enerji tüketimini en iyi seviyeye getirme, enerji kaynaklarını daha etkin kullanma ve karbon salınımını azaltma imkanı ortaya çıkacaktır.
Anahtar Kelimeler: Akıllı Şebekeler, Yenilenebilir Enerji Entegrasyonu, Enerji Yönetimi
ABSTRACT
In the past century, electricity generation was primarily carried out in large power plants such as nuclear and hydroelectric power stations. However, today, with the increasing use of renewable energy sources, smaller-scale systems based on wind and solar energy are gaining prominence. The rise in the number of electric vehicles and changes in energy consumption patterns in this transformation process are creating significant impacts on the consumption side and increasing the grid load. Therefore, it is crucial to plan and develop future smart grids in line with these changes.
The emerging integration of renewable energy, advanced data analytics, applications of artificial intelligence, the development of energy storage technologies, advancements in communication infrastructure, proactive grid management, energy sharing in microgrids, grid integration of electric vehicles, integration of the Internet of Things (IoT), security, and data privacy necessitate further research in energy communication and collaboration.
Future smart grids will represent a significant shift in the energy sector and will have substantial effects on energy management. Factors like the integration of renewable energy, data analytics, artificial intelligence applications, energy storage technologies, and the advancement of communication infrastructure will support smart grids in offering a more efficient, secure, and sustainable energy future. This will create opportunities to optimize energy consumption, utilize energy resources more effectively, and reduce carbon emissions.
Key Words: Smart Grids, Renewable Energy Integration, Energy Management
1. GİRİŞ
Gelecekte akıllı şebekeler, enerji sektöründe önemli bir dönüşümü temsil edecek ve enerji yönetimi alanında büyük bir etki yaratacaktır. Yenilenebilir enerji entegrasyonu, veri analitiği ve yapay zeka uygulamaları, enerji depolama teknolojileri ve iletişim altyapısının gelişimi gibi faktörler, akıllı şebekelerin daha verimli, güvenli ve sürdürülebilir bir enerji geleceği sağlamasını destekleyecektir. Bu sayede, enerji tüketimini optimize etmek, enerji kaynaklarını daha etkin kullanmak ve karbon salınımını azaltmak mümkün olacaktır.
Artan yenilenebilir enerji entegrasyonu, geleneksel enerji üretim yöntemlerinin yerini alarak çevresel etkileri minimize edecek ve enerji tüketimini daha sürdürülebilir hale getirecektir. Bununla birlikte, ileri veri analitiği ve yapay zeka uygulamaları, enerji üretim ve tüketimini daha akıllı bir şekilde yönetmeyi sağlayarak kaynakları daha etkin kullanmamıza olanak sağlayacaktır.
Enerji depolama teknolojilerinin gelişimi, enerjinin dalgalı üretimini dengelemek ve ihtiyaç olduğunda kullanabilmek için kritik bir rol oynayacaktır. Bu sayede, güneş enerjisi veya rüzgar enerjisi gibi değişken kaynaklar daha etkili bir şekilde kullanılabilir hale gelecektir.
İletişim ve internet altyapısının gelişimi, akıllı şebekelerin veri iletişimini daha hızlı ve güvenli hale getirerek enerji yönetimini optimize etmeye yardımcı olacaktır. Ayrıca, proaktif şebekelerin yönetimi ve mikro şebekelerde enerji paylaşımı gibi konular da geleceğin enerji sistemlerinin temel bileşenleri olacaktır.
Elektrikli araçların şebeke entegrasyonu ve Nesnelerin İnterneti (Internet of Things - IoT) entegrasyonu, enerji tüketiminin daha akıllıca yönetilmesini sağlayacak ve bu alanda yeni fırsatlar yaratacaktır. Güvenlik ve veri gizliliği de bu teknolojilerin geliştirilmesi sürecinde önemli bir rol oynayacaktır.
Akıllı şebekelerin geliştirilmesi ve uygulanması, enerji sektöründe çevresel etkileri azaltmak ve daha sürdürülebilir bir enerji geleceği oluşturmak için kritik bir adımdır. Bu teknolojilerin başarılı bir şekilde entegre edilmesi, enerji tüketimini optimize etmek, enerji kaynaklarını daha etkin kullanmak ve karbon salınımını azaltmak için önemlidir.
2. ENERJİ SİSTEMLERİNİN TARİHİ VE GÜNÜMÜZE ETKİSİ [1,2]
Termik Santraller; 1970'lerde 1.300 MW'lık ünite güç değerlerine ulaşıldı. 1972'de Alman üretici STEAG için 183 MW 'lık bir güç santrali olan dünyanın ilk entegre kömür gazlaştırmalı kombine çevrim enerji santralini işletmeye başladı. Bununla birlikte, çevre endişelerinin artması ve ABD-Nixon yönetiminin 1970'lerde Temiz Hava Kanunu'nu kabul etmesi, kükürt dioksit emisyonlarını azaltmak için siklonik filtreler gibi teknik çözümleri de teşvik etti. 1979'da Washington DC.'de Georgetown Üniversitesi kampüsünde inşa edilen akışkan yataklı yakma tesisi tamamlandı.
Bu arada, 1980 'lerin başında, azotoksit emisyonlarını azaltmak için katalitik indirgeme sistemlerinin tanıtılması ile emisyon kontrol teknolojilerinin daha da geliştirilmesi mümkün hale geldi. Kömür enerjisinin tarihindeki en son büyük kilometre taşlarından biri, 2014 yılında Kanada'nın Saskatchewan eyaletindeki Boundary Dam 'da karbon tutma ve depolama teknolojisi ile donatılmış ilk büyük kapasiteli kömürle çalışan enerji santralinin tamamlanmasıdır.
Ardından gelen sosyal bilinç, politika yapıcıların öncülük ettiği bir çevre hareketini tetikledi. Küresel çapta benimsenme sonucu oluşan iklim değişikliği endişeleri, dünyanın dört bir yanında enerji dönüşümlerini hızlandırdı; bu da kömürden uzaklaşıp düşük karbonlu veya sıfır karbonlu kaynaklara doğru bir kayma anlamına geliyordu. Dekarbonizasyon hareketi, enerji şirketi hissedarları ve müşterileri tarafından desteklendi ve dünyanın en büyük kömür üreticilerinden bazıları, yüzyıl ortasına kadar net sıfır hedeflerini açıkladı.
Gaz türbinlerinin tarihine bakıldığında, 1957 yılı itibarıyla, gaz türbin ünitelerinin kapasitelerindeki artış, gaz türbinleri ile ilk ısı geri kazanım buhar jeneratörünün (HRSG) kurulmasına yol açtı. 1965 yılına gelindiğinde, Birleşik Çevrimli Gaz Türbini Teknolojisi (CCGT) enerji santrali hizmete girdi ve 1968 yılında ilk CCGT bir HRSG ile donatıldı. Öte yandan, 1960'ların sonlarına doğru, gaz türbin tedarikçileri önceden tasarlanmış veya standart CCGT santralleri geliştirmeye başladı. Örneğin, GE, STAG (buhar ve gaz) sistemini, Westinghouse, PACE (kombine verimlilikte güç) sistemini ve Siemens, GUD (gaz ve buhar) sistemini geliştirdi.
Gelişmiş gaz türbin teknolojisi ayrıca CCGT verimliliği ve gaz türbini güç çıkışında yeni dünya rekorlarına yol açtı. Özellikle, GE Power, 2018 yılı Mart ayında GE 7HA gaz türbini ve Toshiba Energy Systems & Solutions Corp.'un buhar türbini ve jeneratör teknolojisi ile çalışan Chubu Electric Nishi-Nagoya enerji santrali Blok-1'in, %63.08 brüt verim elde ederek Guinness Dünya Rekorları tarafından dünyanın "en verimli kombine çevrim enerji santrali" olarak tanındığını duyurdu. Ağustos 2022'de, Siemens Energy SGT6-9000HL gaz türbini ile çalışan Duke Energy 'nin Lincoln Yanma Türbin İstasyonu, 410.9 MW güce sahip olarak resmi Guinness Dünya Rekorları unvanını "en güçlü basit çevrimli gaz enerji santrali" olarak aldı.
Nükleer santraller; Nükleer enerjiden elektrik üreten ilk reaktör, 20 Aralık 1951'de Idaho'da bulunan Deneysel Çoğaltıcı Reaktörü I idi. 1957'de, ilk ticari ABD nükleer enerji santrali olan 60 MW kapasiteli Shippingport Nükleer santrali, Pennsylvania'daki enerji şebekesine senkronize edildi. Ancak ABD ve Sovyetler Birliği nükleer santraller inşa eden tek ülkeler değildi. İngiltere, Almanya, Japonya, Fransa ve birkaç diğer ülke de bu trende katıldı. Sanayi 1960'ların ve 1970'lerin hızla büyümesini yaşadı. 1973 yılında sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde 41 yeni ünite sipariş edildi. Ancak daha yavaş elektrik talebi artışı, inşaat gecikmeleri, maliyet aşımı ve karmaşık düzenleyici gereksinimler, 1970'lerin ortasında bu talebin sona ermesine neden oldu. Planlanan projelerin neredeyse yarısı iptal edildi. Bununla birlikte, 1991 yılına gelindiğinde, ABD'nin dünyada 112 üniteyle diğer ülkelerden iki kat daha fazla işletilen ticari reaktörü vardı.
Nükleer enerjinin tarihini üç büyük kaza lekelemiştir. İlk olarak, 28 Mart 1979'da Three Mile Island Ünitesi 2'nin kısmi erimesi yaşandı. Ekipman arızalarının, tasarım kaynaklı sorunların ve işçi hatalarının bir ünitesinde erimelere yol açtı. İkinci büyük kaza, 26 Nisan 1986'da gerçekleşti. Bu olay, Ukrayna'daki Çernobil nükleer enerji istasyonundaki 4.ünitede bir reaktör sistemleri testi sırasında aniden artan bir enerji dalgasıyla tetiklendi. Kazada ve ardından çıkan yangın, çevreye büyük miktarda radyoaktif madde salınmasına neden oldu. En son büyük kaza, 11 Mart 2011'de Japonya kıyılarının açıklarında meydana gelen 9.0 büyüklüğündeki depremi takiben yaşandı. Depremin ardından Fukushima Daiichi istasyonu tüm dış kaynağını kaybetti. Sonuç olarak üç reaktör aşırı ısındı - çekirdeklerinin bir kısmının erimesine neden oldu, ardından hidrojen patlamaları radyoaktif kirliliği bölgeye yaydı.
Kazaların sonuçları, Belçika, Almanya, İsviçre ve İspanya gibi bazı ülkelerde nükleer enerjiye olan bağımlılığı azaltma veya aşamalı olarak sonlandırma kararlarına etki etmiştir. Bununla birlikte, Çin, Rusya, Hindistan, Birleşik Arap Emirlikleri, ABD ve diğer bazı ülkeler, modern güç santrali teknolojisinin birçok unsurunu içeren yeni üniteler inşa etmeye devam etmektedir.
Rüzgar Türbini; 1970'lerin petrol krizi tarafından canlandırılan rüzgar enerjisi araştırma ve geliştirmeyi teşvik etti. ABD'deki rüzgar enerjisi, Başkan Jimmy Carter'ın 1978'de Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Elektrik Alımını Zorunlu Kılan Kamu Hizmeti Düzenleme Politikaları Yasasını imzalamasıyla politik bir destek aldı. 1980'lerde, ilk hizmet ölçekli rüzgar çiftlikleri California'da ortaya çıkmaya başladı. İlk deniz üstü rüzgar çiftliği, 1991'de Danimarka'da kuruldu. Wind Europe 'e göre, Avrupa'da 2021'in sonunda 236 GW kurulu rüzgar enerjisi kapasitesi bulunmaktaydı; bu, beş yıl öncesine göre 12.6 GW kapasitenin önemli bir artışıdır. 2016'nın sonlarına doğru, ABD'deki ilk deniz üstü rüzgar çiftliği olan beş türbinli, 30 MW 'lık bir proje, Rhode Island'ın Block Adası sularında faaliyete geçti. Ancak 2022'ye gelindiğinde, ABD elektrik şebekesine sadece bir ek deniz üstü rüzgar projesi eklenmişti; bu, 12 MW üretim kapasitesine sahip iki türbinli Coastal Virginia Deniz Üstü Rüzgar pilot projesiydi. Bununla birlikte, karada rüzgar tesisleri çok daha iyi performans gösterdi. 2022 ortalarına gelindiğinde, Amerikan Temiz Enerji adlı bir yenilenebilir enerji savunucusuna göre, ABD'de 139 GW' dan fazla karadaki rüzgar enerjisi kapasitesi şebekeye bağlıydı.
Güneş enerjisi, 1982'de ARCO Solar tarafından geliştirilen ilk PV megavat ölçekli enerji santrali, California'nın Hesperia şehrinde devreye girdi. Aynı yıl, DOE, 10 MW' lık bir merkezi alıcı gösteri projesi olan Solar One 'ı işletmeye başladı, bu da kule teknolojisinin uygulanabilirliğini kanıtlayan ilk projeydi. Daha sonra, 1992'de Güney Florida Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, %15.9 verimli ince film PV hücresini geliştirdi ve %15 verimlilik barajını aşan ilk hücre oldu. 2000'lerin ortalarına gelindiğinde, konutlara yönelik güneş enerjisi sistemleri yapı marketlerinde satılmaya başlandı. Solar Energy Industries Association' a göre, 2022 Mart sonunda ABD'de 126 GW 'den fazla güneş enerjisi kapasitesi kurulmuştu ve ABD Enerji Bilgi İdaresi, 2021 yılında ABD elektrik üretiminin neredeyse %4 'ünün güneş enerjisinden geldiğini bildirdi.
Sanayide Nesnelerin İnternetinin Yükselişi; Kesin değişim, 2012 civarında "endüstriyel nesnelerin interneti" (IIoT) kavramının tanıtılmasıyla geldi - ki bu terimi GE 'nin uydurduğunu iddia ediyor - bu terim, makineler, gelişmiş analitikler ve onları kullanan insanlar arasındaki bağlantıyı tanımlıyordu. GE' ye göre, IIoT, "iletişim teknolojileriyle birbirine bağlı endüstriyel cihazlar ağıdır; bu, hiç olmadığı kadar değerli yeni bilgileri izleyebilen, toplayabilen, değiş tokuş edebilen, analiz edebilen ve sunabilen sistemlere yol açar. Bu iç görüler daha akıllı, daha hızlı iş kararları almak için endüstriyel şirketlere yardımcı olabilir.
Güç İş Modelinin Evrimi; İş modelleri, rekabetin girişimi ile birlikte 1970'lerin sonlarından itibaren daha belirgin bir şekilde değişmeye başladı; çevre politikası, petrol şokları ve havayolu ve kamyon endüstrilerini rekabete açma girişimleri statükonun bozulmasına neden oldu. Son 40 yılda meydana gelen evrim, kalıcı bir miras bırakan genellikle iki büyük kategoriye ayrılır: rekabetin tanıtılması ve tekel enerji şirketlerinin işleyiş şeklinin reforme edilmesi. ABD'de reformları başlatmak için önemli bir adım, daha küçük üreticilerin oyunun içine girmesine olanak tanıyan 1978'e ait Kamu Hizmeti Düzenleme Politikaları Yasası (PURPA) tarafından kaynaklanmıştır.
3. AKILLI ŞEBEKELER
3.1. Bağlam, Konsept ve Genel Tanım [3], [4]
Sürekli artan toplam elektrik talebi (kişi başına enerji kullanımında artışla yansıtılır) ve iklim değişikliğinin ana zorlukları, dünya elektrik şebekesinin altyapısına büyük bir yük getiriyor. Mevcut şebeke, elektriğin nispeten ucuz ve bol olduğu bir dönemde tasarlanmış ve inşa edilmişti; öncelik, elektrifikasyonu genişletmekti. Ancak günümüzde dünya, enerji verimliliği, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı (yenilenebilirler ve düşük karbon emisyonlu teknolojiler) gibi tamamen yenilikçi kavramların belirleyici olacağı yeni bir aşamaya hızla yaklaşıyor.
Bu bağlamda, mevcut şebekenin "daha akıllı" hale getirilme süreci, değişimin başarıyla ele alınabilmesi için temeldir. Major Ekonomiler Forumu tarafından belirtildiği gibi, bu güncelleme lehine birçok faktör bulunması nedeniyle gereklidir. Bu faktörler şunlardır:
3.1.1. Teknolojik faktörler:
a) Tamamen köhneleşmiş iletim ve dağıtım şebekesi
b) Nitelikli işgücünün azalması (nitelikli teknisyenlerin yüzde 50'si önümüzdeki 5 ila 10 yıl içinde emekli olacak)
c) Dünya çapında yeni teknolojinin geliştirilmesi ve mevcut teknolojinin iyileştirilmesi için büyük sermaye yatırımları
d) Normatif veya düzenleyici faktörler:
e) Birçok hükümetin istekliliği (örneğin Birleşik Krallık, Amerika Birleşik Devletleri, Brezilya, Avustralya, Hollanda ve İsveç)
f) Yenilenebilir enerjiyi teşvik eden dağıtılmış enerji üretiminin geliştirilmesi
g) Enerji bağımsızlığı gibi ulusal güvenlik hedeflerinin başarılması
h) Piyasa verimliliğinde önemli iyileştirmeler
i) Ekonomik faktörler:
j) Güvenilirliğin artırılması (kesinti sıklığının ve süresinin azaltılması dahil)
k) Doğrudan ve dolaylı işgücü maliyetlerinin azaltılması (örneğin sayaç okumaları ve bakım, şirket araçları, sigorta, onarımlar vb.)
l) Sistem kayıplarının azaltılması (sistem planlaması ve kaynak yönetimi gibi)
m) Gelir koruma (daha kesin faturalama ve hırsızlık/fraud önleme/tespit etme aracılığıyla)
n) Elektrik sektöründe yeni pazarların ortaya çıkması
o) Çevresel faktörler:
p) Karbon emisyonlarının azaltılması:
q) Doğrudan - Elektrik sadece toplam yakıt tüketiminin yüzde 17'sini oluşturmasına rağmen, sektör, yoğun fosil yakıt kullanımı nedeniyle küresel sera gazı emisyonlarının yüzde 38 'inden sorumludur.
r) Dolaylı olarak da, kirlilik yapmayan elektrikli araçların sayısının sürekli artmasına bağlı olarak yenilenebilir enerji üretiminin artırılması ve mevcut şebekeye entegre edilmesi
