Dağıtım Şebekelerinde Enerji Depolama Sistemlerinin Uygulanması

Elektrik enerjisinin arz-talep dengesizliklerinin ve yük eğrisinde görülen günlük dalgalanmaların önlemesi için enerji depolama sistemleri büyük öneme sahiptirler. Çevresel koşullara önemli ölçüde bağımlı olmaları sebebiyle yenilenebilir enerji kaynakları tarafından üretilen enerji miktarı sürekli olarak değişim göstermektedir. Günümüzde bütün modern enerji sistemleri arz güvenilirliği, sistem kararlılığı, enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması iletim / dağıtım şebekesi problemlerinin ve maliyetlerinin minimize edilmesi gibi birçok nedenle enerjinin depolanmasını zorunlu kılmaktadır.

A- A+

09.12.2019 tarihli yazı 7168 kez okunmuştur.

Siemens Enerji Depolama Enerji Depolama Dağıtım Elektrik Dağıtım Dağıtım Şebekeleri

Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin güç kalitesi standartlarına uygunluğunun sağlanması ve sürdürülebilir olması açısından dezavantajlarının ortadan kaldırılması gerekmektedir. Bu nedenle enerji depolama uygulamaları, güç sisteminin (izole / şebekeye bağlı/ mikro şebeke) kararlılığı ve güvenilirliğinin geliştirilmesinde hayati rol oynamaktadır. Günümüzde çok farklı depolama teknolojileri bulunmakla birlikte bu teknolojilerin fiyat-performans ve sistem kararlılığına katkısı açısından değerlendirilmesi oldukça önemlidir.

Enerji depolama sistemleri ve güç sistemine sağlayacağı katkılar güncel çalışma konuları içerisinde yer almaktadır. Güç sistemleri üzerine farklı depolama teknolojilerinin uygulanması konusunda çok fazla sayıda çalışma ve araştırma olmasına rağmen, bu çalışmaların çok sınırlı bir kısmı uygulamaya geçmiştir. Sınırlı sayıda uygulamanın hayata geçmesinin temel sebeplerinden bazıları aşağıda belirtilmiştir;

► Geleneksel güç sisteminde arz-talep dengesini karşılamak amacıyla kullanılan üretim kaynaklarının fazlasıyla bulunması ve bu sistemin enterkonnekte bir yapıda olması nedeniyle kullanımda olan depolama teknolojilerinin ekonomik kazançlarını belirlemenin/doğrulamanın zor olması
► Pratik deneyim eksikliği, fiyat optimizasyonu, planlama aşamasında (piyasa modellerinin oluşum ve karar aşamalarında) depolama teknolojisinin faydalarının tespit edilmesi/ değerinin belirlenmesi konularında kullanılan araçların yetersizliği

Enerji Depolama Sistemleri dağıtım ve iletim seviyesinden bağlanabileceği gibi alçak gerilim dağıtım seviyesinden de şebekeye entegre edilebilmektedirler. Enerji Depolama Sistemleri özellikle aktif-reaktif güç akışı ve gerilim profilini önemli derecede etkilemektedirler. Enerji kesintilerinin önlenmesi ve enerji sürekliliğinin sağlanması amacıyla enerji depolama sistemleri kesintisiz güç kaynağı olarak da kullanılabilmektedir. Benzer şekilde şebekedeki gerilim çökme veya yükselmeleri, arızalar gibi bozucu etkilere karşı yüklerin korunması amacıyla bu etkilerin oluştuğu sırada enerji depolama sistemleri yüklere destek sağlayabilmektedir.

Enerji Depolama Sistemlerinin Uygulamaları

Enerji depolama teknolojisi; elektrik güç sistemlerini iyileştirmek, yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimini artırmak ve ulaşım sektöründe petrol türevi yakıtlara alternatifler sunmak için büyük bir potansiyele sahiptir. Enerji depolama teknolojilerinde; güç depolama kapasitesi, enerji kapasitesi, deşarj süresi, verimlilik, dayanıklılık gibi parametreler planlama aşamasında dikkate alınması gereken en önemli parametrelerdir. Enerji depolama sistemlerinin seçiminde maliyet, verimlilik ve cevap süresi. vb. parametreler de etkin rol oynamaktadır. Bu yüzden depolama sistemleri; şebekenin ihtiyacına göre seçilmelidir. Depolama sistemleri şebekenin dengeli yüklenmesinde, esnek yapıya kavuşmasında ve aynı zamanda daha fazla yenilenebilir üretim kaynaklarının entegrasyonun sağlanmasında kaynak olarak kullanılmaktadır. Lokal olarak incelendiğinde dağıtım şebekeleri yönetim sistemlerinin geliştirilmesine, maliyetlerin azaltılmasına ve verimliliğinin arttırılmasına olanak sağlamaktadır.Depolama sistemleri; şebekenin kararlılığını ve esnekliğini arttırırken kesintili olarak üretim yapan rüzgâr ve güneş enerji santrallerinin kullanımın artmasına yardımcı olacaktır.

Şekil 1. Enerji depolama sistemlerin faydaları

►İlginizi Çekebilir: Hava İzoleli Orta Gerilim Panolarında İç Ark ve Basınç Deşarjı

Şekil 1’de verilen elektrik şebekesi aşamalarının her biri için enerji depolama sistemlerinin faydaları mevcuttur ve temel olarak aşağıda sıralanmıştır:

► Üretim Sistemine Katkısı: Gün içerisinde güç talebinin yüksek olduğu puant zamanlarda depolanan enerjinin kullanılmasıüretilen gücün ve dolayısıyla geleneksel üretim tesisi yatırımlarının azalmasına yardımcı olacaktır. Ayrıca sistem içerisinde bulunan yüklerin acil durumlar için yedek rezerve bırakılması önemli bir husustur. Depolama birimleri şebeke koşullarına göre frekans kontrolü için de kullanılmaktadır.
► İletim ve Dağıtım Sistemine Katkısı: İletim sistemini üzerinde bulunan elemanların senkron olması sistem açısından son derece önemlidir. Depolama sistemleri; iletim sisteminin kararlı çalışmasına destek vermektedir. Aynı zamanda hem iletim hem de dağıtım sistemi için gerilim regülasyonu amacıyla da kullanılabilmektedir. Ayrıca depolama sistemlerinin entegrasyonu iletim ve dağıtım sistemlerine ilave yatırımların ertelenmesine olanak sağlamaktadır. Böylece sermayenin optimum kullanılması sağlanabilmektedir.
► Enerji yönetim sistemi: Depolama sistemleri puant zamanlarda devreye girerek bu zamanlarda şebekenin zorlanmasını engeller. Aynı zamanda merkezi arızalarda devreye girerek kesintisiz güç kaynağı gibi davranarak müşterilerin enerjisiz kalmasını önlemektedir.
► Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Entegrasyonu: Yenilebilir enerji kaynaklarının şebekeye entegrasyonu ile üretim maliyetleri önemli oranda düşmeye başlamıştır. Güneş, rüzgâr ve dalga enerjilerinin kesintili olarak üretim yapmaları, talep açısından şebekenin esnek olması zorunluluğu gerektirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintili üretim yapmaları aynı zamanda üretim miktarının tüketimden fazla olduğu zamanlarda şebeke ekipmanlarını zorlanmaktadır. Bu sebeple üretim miktarı fazla olduğu zamanlarda enerjini depolanarak sistem elemanlarının gereksiz yüklenmesi engellenebilir.

Enerji depolama cihazları teknik olarak birçok alanda kazanımlar sağlamaktadır. Depolama cihazlarının dağıtım sisteminde kullanılmasındaki beklentiler ise genel anlamda; gerilim profilinin iyileştirilmesi, puant zaman kaydırma, hat yüklenmelerinin azaltılması, kayıpların azaltılması olarak sıralanabilir.

Dağıtım şebekelerinde depolama cihazlarının teknik katkıları detaylı olarak aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:

► Depolama cihazlarının şebekenin aşırı yüklenmesi durumunda devreye sokulması ile yük eğrisinin düzenlenmesi ve dağıtım şebekesinden kullanılan enerji tüketiminin azaltılmasının sağlanması
► Doğa koşullarına bağımlı olan dağıtık üretim kaynakları ile kullanılması durumunda bu kaynaklardan faydalanma süresinin artırılmasının sağlanması
► Enerji tüketiminin yön değiştirmesi sonucunda dağıtım sistem yapısının yeniden değerlendirilerek yapılacak olan şebeke elemanları yatırımlarının azaltılması sağlanması
► Güvenilir olmayan şebeke bağlantılarında veya küçük tüketime sahip dizel yakıtlı generatörler ile depolama cihazlarının birlikte kullanılması durumunda işletme veriminin artırılmasının sağlanması

Yenilenebilir enerji kaynaklarının yüksek oranda yaygınlaşmasının önündeki en büyük engel zamanla değişen dalgalı bir güç çıkış karakteristiğine sahip olmasıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğu sürekli ve kararlı enerji sağlayamamaktadır. Yük talebi ve enerji kaynakları arasında potansiyel bir dengesizlik durumu meydana gelebilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının bu olumsuz etkilerinin giderilmesi, şebeke gerilim ve frekans değerlerinin kabul edilebilir sınırlar içerisinde tutulması için enerji depolama sistemleri etkin bir çözüm olmaktadır. Şekil 2’de rüzgâr ve güneş enerji santralleri ile şebekenin yük profilleri gösterilmiştir.

Şekil 2. RES, GES ve şebeke yük profilleri

Belirtilen teknik katkıların yanında depolama cihazları enerji alışverişinde kullanılarak ekonomik olarak da fayda sağlamaktadır.

Enerji depolama sistemlerinin (EDS) en etkin kazanç sağladığı uygulama “ara kazanç” (arbitraj) olarak adlandırılan uygulamasıdır. Bu uygulama ile elektrik enerjisi birim fiyatının ucuz olduğu (enerji talebinin düşük olduğu) zaman aralığında şebekeden veya yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen fazla enerji depolanmakta ve elektrik enerjisi birim fiyatının daha yüksek olduğu (enerji talebinin yüksek olduğu) zaman aralığında depolananenerjinin talep edilen enerjiyi karşılaması için kullanılmaktadır. Böylece tarife farkından yararlanılarak mali kazanç sağlanabilmektedir. Enerji depolama sistemleri, iletim ve dağıtım şebekesinin kapasite aşımını önlemekte ve ek yatırım maliyetleri oluşmasına engel olarak, yatırımları ötelemektedir. Ara kazanç olarak tanımlanan arbitraj uygulaması görsel olarak Şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 3. Depolama cihazlarının günlük yük eğrilerine etkisi

Depolama Cihazlarının Dağıtım Şebekesine Yerleşimi ve Maddi Faydaları

Depolama cihazlarının elektrik dağıtım şebekesine yerleşimi açısından en uygun noktaları tespit edebilmek için çalışma yapılacak olan fidere, bölgeye ait saatlik, günlük,aylık veya yıllık yük profili bilgilerine sahip olunması gerekmektedir. İlk aşamada yapılacak olan yük akışı ve yük profili analizi sonuçlarına göre gerilim profili, ekipman yüklenmesi ve kayıp analizi vb.parametreler kullanılarak sistem içerisinde zayıf bölgeler belirlenmelidir. Depolama cihazlarının yerleştirilmesi düşünülen bölge içerisinde zayıf bölgelerde kullanılması teknik olarak daha fazla katkı sağlayacağından dolayı uygun olacaktır. Yapılan analiz sonuçlarına göre mevcut sistemde zayıf bölgeler seçilirken gerilim profilinin düşük, şebeke yükünün fazla olduğubölgeleri desteklemek amacıyla veya fiziksel (coğrafi) konumu nedeniyle uygun lokasyonlar seçilebilirler.

Yapılacak olan güç sistem analizlerinde maksimum ve minimum yük profili koşulları, farklı depolama cihazı kapasitesi veya birden fazla depolama cihazı uygulanacak ise farklı kombinasyonlar için analizler tekrarlanmalıdır.Uygulanması düşünülen noktalarda modellenen depolama cihazlarından maksimum verim elde edilebilmek için kontrol parametresine göre optimum değerler seçilmelidir. Depolama cihazlarının şarj ve deşarj durumlarını belirleyebilmek için seçilen kontrol noktasının gerilim profili, ekipman yüklenmesi dikkate alınmalıdır.

Yapılan güç sistem analizleri sonucunda elde edilengerilim profili, ekipman yüklenmesi ve kayıplarının azaltılması vb.belirlenecek olan parametreler ile mevcut sonuçlar karşılaştırılmalıdır. Belirlenecek olan kriterlere göre depolama cihazı uygulanmasıdurumunun teknik olarak yeterli olup olmadığı değerlendirilmelidir. Bu kriterler depolama cihazlarının uygulanması durumunda oluşabilecek beklentileri karşılaması gerekmektedir. Örnek vermek gerekirse depolama cihazı uygulanması durumunda gerilim profilini %2 iyileştirilmesi, ekipman yüklenmeleri ve kayıplarının %20 azaltılması gibi belirlenebilir.

Depolama cihazı uygulanması durumunun teknik olarak yeterli olduğu düşünülen uygulama noktalarının ekonomik olarak da değerlendirilmesi gerekmektedir. Depolama cihazları uygulanması durumunda ekipmanların kayıplarının azalmasından kaynaklı olarak kazanç elde edilmiş olacaktır. Elde edilen kazanç düşünüldüğünde depolama cihazının yatırım maliyetini karşılaması gerekmektedir. Ayrıca enerjinin fiyatının düşük olduğu zaman enerjinin depolanması, fiyatın yüksek olduğu zamanlarda şebekenin ihtiyacına göre satılması sonucunda enerjinin satış fiyatı üzerinden de bir kazanç elde edilmiş olacaktır.

Depolama cihazlarının elektrik şebekelerinde kullanımının hem doğrudan hem de dolaylı olarak birden fazla katkısı bulunmaktadır. Bu faydalar teknik ve genel faydalar olmak üzere iki ana başlık altında sınıflandırılmaktadır. Depolama cihazlarının teknik etkilerinden birisi şebekedeki teknik kayıplarının azaltılmasıdır. Özellikle dağıtım şebekeleri düşünüldüğünde teknik kayıplarda yapılabilecek her türlü iyileştirme, kaybedilen (dolayısıyla satılamayan) enerji miktarını azaltarak mali anlamda tasarruf sağlayacaktır. Depolama cihazlarının kullanımının sadece dağıtım şebekesi bazında değil tüm elektrifikasyon düşünüldüğünde ülke ekonomisine de katkısı bulunmaktadır. Genel anlamdaki bu faydalara puant zaman kaydırmasıyla tarifeden elde edilecek kazanç ve yatırım erteleme (geciktirme veya öteleme) örnek olarak gösterilebilir.

Depolama cihazlarının optimum boyutu ve lokasyonu belirlenirken bu cihazlardan beklenen faydalar artış gösterirken aynı zamanda depolama cihazlarının fiyatlarında en aza indirgenmesi gerekmektedir.

Uluslararası uygulamalara örnek vermek gerekirse; İtalya’da dağıtım sistemi işletmecileri yeni bir hat inşa etmek yerine tespit edilen sorunların çözümünü depolama cihazı uygulanması ile en düşük maliyetli yol olduğunu gösteren bir fayda-maliyet analizi sonucunda gösterebilirler. Belçika’da ise depolama cihazlarının yaygınlaşması ile enerjinin düşük fiyattaki saatlerde depolanması, yüksek olduğu saatlerde satılması sonucu elde edilecek ara kazancın piyasada mevcut olarak bulunan rekabeti değiştirmediği sürece kullanılmasına izin verilebilir.

Değerlendirme

Elektrik enerjisinin arz-talep dengesinin sağlanması ve yük eğrisindeki dalgalanmaların önüne geçilebilmesi adına enerji depolama sistemleri büyük öneme sahiptirler. Yenilenebilir enerji kaynaklarının tüketim merkezlerine uzak olması ve sürekli olarak üretim yapamamaları, enerji depolama sistemlerinin önemini giderek arttırmaktadır. Günümüzde bütün modern şebeke sistemleri arz güvenilirliği, sistem kararlılığı, enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması, iletim/dağıtım problemlerinin ve maliyetlerinin minimize edilebilmesi gibi birçok nedenle enerjinin depolanmasına gereksinim duymaktadır.

Enerji depolama sistemlerinin dünyadaki uygulamaları incelendiğinde, özellikle dağıtım şebekesinde gerilim regülasyonu düzenleyebilmek adına destek amaçlı kullanıldığı görülmektedir. Depolama sistemleri puant zamanlarda devreye girerek bu zamanlarda dağıtım şebekesi ekipmanlarının zorlanmasını engellemektedir. Bu duruma ek olarak arıza anlarında devreye girmek suretiyle müşterilerin enerjisiz kalmasını önlemektedir. Puant saatlerde oluşan aşırı yüklenmelere destek vererek oluşan tepe değerlerin düşmesini sağladığı için yatırımların ötelenmesi dolayısı ile bütçenin optimum düzeyde kullanılmasına katkı sağlanmaktadır.

Ülkemizde rüzgâr ve güneş santrallerinin entegrasyonunun arttırılmasına yönelik bataryalı depolama sistemlerinin uygun olabileceği görülmektedir.

Dağıtım şirketlerinin enerji depolama cihazlarına sahip olması ve işletilmesi kullanım amacına göre düzenlenebilir. Fiyattan avantaj sağlayacak uygulamalarda dağıtım şirketlerinin depolama cihazlarının mülkiyet ve işletme sahibi olması kısıtlanabilir. Sadece belirlenecek küçük kapasiteye sahip depolama cihazları ile dağıtım şebekesi işletmecilerinin üretim lisansına sahip olmasına izin verilebilir. Büyük kapasiteye sahip depolama cihazları uygulamalarında fiyattan daha fazla avantaj sağlanması durumu ortaya çıkacağından dolayı sahipliği ve işletilmesi özel kişiler tarafından yönetilmelidir. Fakat dağıtım şirketi depolama cihazlarını gerilim profilinin düzenlemesi, ekipman yüklenmelerinin ve kayıplarının azaltılması ve yatırım geciktirmesi amacıyla kullanılacak ise herhangi bir kısıtlama olmadan mülkiyet ve işletme sahibi olmasına izin verilebilir.

Dağıtım şebeke işletmecilerinin depolama cihazlarına sahip olması ve işletilmesine izin verilmesi sistemdeki rolünün optimize edilmesini ve yatırım yapılmasını sağlayacaktır. Depolama cihazlarının dağıtım şebekesine eklenmesi ile puant zamanların kaydırılmasından dolayı toplam yatırım maliyetleri azaltılmış olacaktır. Gelecekte depolama cihazlarının fiyatlarının azalması ile elde edilecek sonuçlar daha fazla umut verici olacaktır. Depolama cihazlarının diğer faydaları ise dağıtım sisteminin güvenilirliğini artırması ve güç kalitesi problemlerini azaltması düşünülebilir.

Daha verimli depolama cihazları teknolojisi kullanıldıkça ara kazanç artacaktır. Bununla birlikte ara kazanç değeri önemli ölçüde depolama cihazının kurulum ve bakım maliyetlerinden daha az olacaktır. Şu anda, depolama cihazları ekonomik olarak yalnızca enerjiden sağlamış olduğu kazançtan dolayı rekabet edebilecek konumdadır. Bu sebeple, depolama cihazlarının mevcut maliyetlerine göre, sadece ara kazanç elde etmek için hiçbir yatırımcı enerji depolama cihazı kurmayacaktır. Maksimum kazanç elde edebilmek için her bir yük durumuna göre en optimum şekilde çalıştırılmalıdır.

Depolama teknolojilerinin geliştirilmesini engelleyen bir husus ise gelecekteki elektrik sistemlerinde enerji depolama cihazlarının değerinin anlaşılmamasıdır. Enerji depolama cihazlarını teşvik etmek amacıyla elektrik piyasalarındaki değişiklikler ile bu cihazların değerinin sisteme en iyi şekilde yansıtılmasını hedeflenmelidir. Depolama cihazlarının esas değeri enerji sistemi verimliliğini arttıran tüm sistemin değeridir ve yalnızca arabağlantı ve yan hizmetler gibi alternatifleri de göz önüne alan bir yaklaşımla değerlendirmelidir.

Ersan Bozkurt, İsmail Şahin

Siemens San. ve Tic. A.Ş., Power Technologies International

Referanslar:
[1]Hadjipaschalis, I., Poullikkas, A. and Efthimiou, V., “Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6 7):1513–1522, 2009
[2] ÖzdemirÖ.,Çalıker A.Koç İ.”Yenilenebilir Enerji Kaynağindan Beslenen Elektrik Guc Sistemleri İcin Hibrit Enerji Depolama Teknolojileri”,ICCI 2014
[3]Koç İ. M., “Akıllı Şebekelerde Enerji Depolama Uygulamaları ve Standartların İncelenmesi”, Enerji Verimliliği, Kalitesi Sempozyumu ve Sergisi, Haziran, 2015
[4] Kozak M., Kozak Ş., “Enerji Depolama Yöntemleri”, SDU International Technologic Science, Vol. 4, No 2, pp. 17-29, 2012
[5] “Electricty Storage”, The Institution of Engineering and Technology, 2012
[6] I. Gyuk, M. Johnson, J. Vetrano, K. Lynn, W. Parks, R. Handa, L. Kannberg, S. Hearne, K. Waldrip and R. Braccio, “Grid energy storage,” U.S. Department of Energy, U.S.A, 2013
[7]Çalıker A., Özdemir E., “Modern Enerji Depolama Sistemleri Ve Kullanim Alanlari”, Enerji Verimliliği, Kalitesi Sempozyumu ve Sergisi, Mayıs, 2013
[8] “The Role of Bulk Energy Storage in Facilitating Renewable Energy Expansion” Facilitating energy storage to allow high penetration of intermittent renewable energy project, September 2012
[9] Connolly D., “An investigation into the energy storage technologies available, for the integration of alternative generation techniques”, November 2007
[10] Baker, J., “New technology and possible advances in energy storage”, Energy Policy, 36(12):4368–4373, 2008
[11] Michael P., Thomas M., Raquel G., Gabriel G.” European Regulatory and Market Framework for Electricity Storage Infrastructure”, Intelligent Energy Europe, June 2013
[12] Haisheng C, Thang N, Wei Y, Chunqing T, Yongliang L, Yulong D,” Progress in electrical energy storage system: A critical review. ”Elseiver 2009
[13]Makansi J, Abboud J. Energy storage: the missing link in the electricity value chain-An ESC White Paper. Energy storage Council 2002; p. 1-23.
[14] Ribeiro PF, Johson BK, Crow ML, et al. Energy storage systems for advanced power applications. In: Proceedings of the IEEE 2001; 89:1744–56
[15] IEEE Std. 2030.2”Guide for the Interoperability of Energy Storage Systems Integrated with the Electric Power Infrastructure”2015
[16] IEEE Std 2030.3”IEEE Standard Test Procedures for Electric Energy Storage Equipment and Systems for Electric Power Systems Applications”2016
[17] IEEE 1547 “National Standard for Interconnecting Distributed Generation”, September 2003