Günümüzde adından sıkça söz ettiren sürdürülebilirlik mottosu, özellikle enerji sektörü için oldukça önemli bir yere sahiptir. Geçmişte kömür, petrol vb. fosil yakıtların enerji alanında temel yükü çektiği düşünüldüğünde; hem bu kaynaklara ait rezervlerin azalması hem de enerji üretimi sırasında oluşan CO2 salınımının çevreye verdiği zarar sürdürülebilir bir yaşamın tamamen karşısında yer almaktadır. Bu amaçla son yıllarda rüzgâr, güneş, jeotermal, hidrojen vb. yenilenebilir, temiz enerji kaynaklarına olan yatırımlar hızla artmıştır. Henüz bahsi geçen temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım oranları istenilen seviyelerde olmasa da varlıkları enerji üretimindeki karbon ayak izini giderek azaltmaktadır.

Sürdürülebilir bir enerji ekosistemi için sadece üretim tarafında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması yeterli değildir. Bu ekosistemin tüketim ayağında da ilgili hamlelerin yapılması gerekmektedir. Akıllı şebekeler, mikro şebekeler, yeşil şehirler, yeşil ulaşım bu bileşenlerden sadece birkaç tanesidir. Yeşil ulaşım özelinde inceleme yapıldığında Paris İklim Anlaşması doğrultusunda birçok uluslararası araç üreticisi içten yanmalı motorların üretimini durdurup gelecek modellerinde hibrit, şart edilebilir hibrit, yakıt hücreli veya tam elektrikli araçların üretileceğini açıklamışlardır. Özellikle günümüzde seri üretimi yapılan modeller ve trafikteki elektrikli araç popülasyonu dikkate alındığında artık bu durum hedef bazlı açıklamaların önünde bir gerçekliğe dönüşmüştür.


 

SiChargeD

İlk bakışta elektrikli araçlar içten yanmalı motorların yerini alarak karbon salınımını azalttıkları göz önünde olsa da çevreye ve ekosisteme olan tüm etkileri olumlu veya olumsuz anlamda etraflıca değerlendirilmelidir. Örneğin elektrikli araçların bağlı olduğu şebeke kullanılan enerjinin kaynağı önemlidir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması durumunda çevreci yapı oluşturulmuş olmasına karşın fosil yakıtlar kullanılıyorsa ekosistem tam anlamıyla kurulamamıştır.

Elektrikli araç kullanımının günden güne hızla artması mevcut dağıtım şebeke varlıklarının limitlerini zorlamakta ve geçmiş planlamalar yeterli düzeyde öngörülmeyen talep artışlarına neden olmaktadır. Elektrikli araçların yüksek güçlerde ve hızlarda şarj edebilmesi, dağıtım şebekesine hangi noktadan bağlanacağı, şebekeden ne kadar süre güç talebinde bulunacağı vb. belirsizlikler özellikle planlama ve işletme konusunda problemler doğurmaktadır. Mevcut şebeke planlamaları yapılırken yük tahminlerine kesinlikle elektrikli araçların da etkisi eklenmelidir.

 

Elektrikli araçların şebekeye entegrasyonu ve dağıtım şebekelerine etkisi konusunda literatürde pek çok yaklaşım ve yöntem bulunmaktadır. Yapılan incelemelerde, literatürün genel olarak şarj istasyonlarının şebekeye etkileri ve şarj istasyonlarının en uygun konuma yerleştirilmesi olmak üzere iki ana başlık altında toplandığı gözlenmiştir.

Elektrikli araçların şebekeye etkileri üzerine yapılan çalışmaların büyük bir bölümünde elektrikli araçların geleneksel günlük yük eğrilerini değiştirerek puant yük talebinin artmasına veya puant gücün yaşandığı sürenin uzamasına sebep olduğu gözlemlenmiştir. Ek olarak, günlük yük eğrisinde yaşanan bu değişimin, başka bir deyişle puant yük artışının, transformatörün yüklenme oranının artmasına, gerilim profilinde değişimlere, iletkenlerden geçen akımın artmasına bağlı olarak olası ek yatırım maliyetlerine ve ekipmanların aşırı yüklenmesine bağlı olarak ekonomik kullanım sürelerinin azalmasına olan etkileri de araştırılmıştır.




Bu konulara ek olarak elektrikli araçların bir depolama ünitesi gibi davranarak puant saatlerde şebekeyi (Vehicle to Grid - V2G) veya enerji ihtiyacı duyan herhangi bir sistemi (Vehicle to Everything - V2X) beslemesi literatürde oldukça sık karşılaşılan bir konu olmuştur. Bu yöntemin teorik olarak mümkün olduğu anlaşılsa da günümüz araç batarya teknolojisi koşullarında uygulamada pek mümkün olamayacağı da açıkça belirtilmiştir.

Yapılan bu çalışmada temel amaç, örnek bir sistem üzerinde alçak gerilim seviyesinden bağlanacak olan elektrikli araç yüklerinin dağıtım şebekesine olan etkilerinin güç sistemleri analizleri aracılığıyla benzetiminin yapılarak incelenmesi ve olası problemler için uygun mühendislik çözümlerinin sunulmasıdır.

 

 

Bu çalışmada analizleri yapılan pilot bölgenin seçiminde sosyoekonomik ve kültürel gelişmişlik seviyeleri göz önünde bulundurularak elektrikli araç kullanımının yaygınlaşması için muhtemel olarak en uygun yer tercih edilmiştir. Bu doğrultuda seçilen pilot bölge, 34,5/0,4 kV 1,25 MVA’lık dağıtım transformatörü üzerinden beslenmektedir. Dağıtım transformatörünün alçak gerilim barasında farklı karakteristiklerdeki tesisleri besleyen 6 adet fider çıkışı yer almaktadır.

Box – 1 :      Mesken
Box – 2 :      Mesken
Box – 3 :      Otopark
Box – 4 :      Mesken (Müstakil)
Box – 5 :      Ticarethane
Box – 6 :      Benzin İstasyonu


Örnek alçak gerilim dağıtım şebekesine ilişkin temel bilgiler Tablo 1, Tablo 2 ve Tablo 3’te yer almaktadır.

 

Tablo 1: Örnek dağıtım şebekesi hat bilgileri




Tablo 2: Örnek dağıtım şebekesi transformatör bilgileri




Tablo 3: Örnek dağıtım şebekesi yük bilgileri






Şekil 1: Analizi yapılan örnek dağıtım şebekesine ait tek hat şeması
 

Örnek dağıtım şebekesi Siemens AG’nin lisanslı şebeke analiz yazılımı olan PSS^®SINCAL’de modellenmiş olup ilgili analizler de bu yazılım aracılığıyla yapılmıştır.

 

Örnek dağıtım şebekesi temel olarak 2 farklı koşul için analiz edilmiştir.

► Senaryo 1: Elektrikli araç şarj istasyonlarının bağlı olmadığı mevcut durum
► Senaryo 2: Elektrikli araç şarj istasyonlarının (AC ve DC) bağlı olduğu mevcut durum

Bahsi geçen senaryoların analizinde zamana bağlı yük akışı analizi (yük profili analizi) kullanılmıştır. Bu durumun sebebi elektrikli araç şarj istasyonu yükleri zamana bağlı değişken yükler olup önceden de bahsedildiği üzere günlük yük profilini değiştiren bir yük karakteristiğidir. Bu sebeple sadece bir ana ait yük durumunun değil zamana bağlı değişken yük durumunun analiz edilmesi gereklidir. Bu amaçla hem mevcut yükler hem de elektrikli araç şarj istasyonları için kendi karakteristiklerine uygun bir şekilde 15 dakika çözünürlüğünde günlük yük profilleri oluşturulmuştur.

Ayrıca şarj istasyonlarının nominal gücü, AC (normal) veya DC (hızlı) seçim kriterleri ilgili bölgenin gelişmişlik düzeyi, farklı yük tiplerine sahip olan fiderler, ilgili fidere ait yük profili, fider sonunda yer alan son kullanıcının istekleri doğrultusunda eklenen şarj istasyonları ve bu istasyonlara ait yük profilleri doğrultusunda öngörülmüştür.

Şebekeye eklenen elektrikli araç şarj istasyonlarına ait bilgiler aşağıda yer almaktadır:

Box – 1 :      1 adet DC 120 kW + 3 adet AC 22 kW
Box – 2 :      1 adet DC 120 kW + 3 adet AC 22 kW
Box – 3 :      1 adet DC 180 kW +1 adet DC 120 kW + 3 adet AC 22 kW
Box – 4 :      4 adet AC 11 kW
Box – 5 :      1 adet DC 120 kW + 2 adet AC 22 kW
Box – 6 :      1 adet DC 120 kW + 1 adet AC 22 kW


Analiz sonuçlarının yorumlanması ve ihlallerin belirlenmesi için aşağıdaki kriterler kullanılmıştır:

Hat ve transformatör için yüklenme kriteri : %100
Gerilim düşümü kriteri : %5 (Elektrik Kuvvetli Akım Tesisleri Yönetmeliği - Madde 58)

 

Örnek dağıtım şebekesi yukarıda belirtilen temel iki senaryo için 96 saatlik zaman dilimi için analiz edilmiştir. Analizler sonucunda Senaryo 1’de dağıtım transformatörünün anma gücünün aşılmadığı gözlemlenirken, Senaryo 2’de elektrikli araç şarj istasyonlarına ait yük profillerinin günlük yük eğrilerini değiştirmesiyle birlikte puant güç yükselmiş ve dağıtım transformatörü %139,05 seviyesinde yüklenmiştir. Tespit edilen bu sonuç transformatör kapasitesinin yetersiz kaldığını açıkça göstermekte olup olası bir transformatör yatırımına işaret etmektedir.

Transformatör yüklenmelerine benzer şekilde Senaryo 1’de alçak gerilim fider çıkışlarında aşırı yüklenme problemi görülmezken, Senaryo 2’de Box 1, 2, 3, 5 ve 6 çıkışlarında aşırı yüklenme problemi görülmektedir. Bu ihlaller özellikle mevcutta sözleşme ve kurulu gücü düşük olmasına rağmen EA şarj istasyonlarının yoğun bir şekilde konumlandırılacağı düşünülen benzin istasyonları ve otopark gibi dur-park et- devam et özelliğine sahip noktalarda gözlemlenmiştir. Bahsi geçen bu noktalardaki beklenti şarj sürelerinin olabildiğince kısa ve sürekliliğin sağlanabilmesi adına DC hızlı şarj istasyonlarının hem sayı hem de kurulu güç bakımından daha yüksek seviyelerde olmasıdır.

Şekil 3’teki fider saatlik yüklenme eğrilerinden de görüleceği üzere Box-3 yani otopark bölgesi ve Box-6 benzin istasyonu bölgesinde hat yüklenmeleri %150’nin üzerinden seyretmektedir. Bu koşullar altında ilgili hatlarda yaşanan ihlaller sonucu yalıtım problemlerinin gerçekleşmesi kaçınılmaz olup hatların kullanım dışı kalarak enerji arz sürekliliğinin sağlanamayacağı aşikardır.

Örnek şebeke gerilim düşümü açısından incelendiğinde Senaryo 1’de herhangi bir problem görülmemektedir. Ancak Senaryo 2’de Box 3, 4 ve 6’da %5 sınırını geçen gerilim düşümü problemleri görülmektedir.

Bahsi geçen tüm problemlerin çözümleri için transformatör kapasitesinin yükseltilmesi, iletken kesitinin arttırılması vb. geleneksel yatırım çözümleri önerilebilir. Literatürde Fernandez ve arkadaşlarının yaptığı bir çalışmada elektrikli araç şarj istasyonlarının şebekede oluşturacağı ek talebi karşılamak için gerekli olan ek yatırımın toplam maliyetin %15’ini bulabileceğini aktarmışlardır.

Elektrikli araç şarj istasyonları sebebiyle ortaya çıkan ilave yatırımı optimize etmek için bu çalışmada “Yerinde Üretim Yerinde Tüketim” konsepti ile Elektrikli Araç Şarj İstasyonlarıyla birlikte Depolama ve Çatı Tipi Güneş Enerjisi Santrali çözümleri önerilmiştir. Bu noktadaki amaç, zayıf şebeke bağlantısında yüksek güçlü şarja olanak sağlamak, yenilenebilir enerji üretimini depolamak, akıllı ve verimli yük yönetimi ile günlük yük eğrisindeki değişimleri sağlamaktır. Bu amaçla şebekenin belli noktalarına aşağıdaki Depolama ve Çatı Tipi Güneş Enerjisi Santrali yatırımları önerilmiştir.

Box – 1 : Depolama 276 kW/492 kWh + Çatı Tipi GES 160 kW AC
Box – 2 : Depolama 276 kW/492 kWh + Çatı Tipi GES 160 kW AC
Box – 3 : Depolama 276 kW/492 kWh + Çatı Tipi GES 180 kW AC
Box – 4 : Depolama 184 kW/164 kWh + Çatı Tipi GES 4x10 kW AC
Box – 5 : Depolama 276 kW/328 kWh + Çatı Tipi GES 240 kW AC
Box – 6 : Depolama 184 kW/328 kWh + Çatı Tipi GES 80 kW AC

Bu yatırımlara ek olarak benzin istasyonu ve otopark gibi konumlarda hatırı sayılır düzeyde talep artışı görüleceği için bu çıkışlara ait iletkenlerde kesit arttırımı yapılması kaçınılmazdır. Bahsi geçen yatırımlar yapıldığı takdirde Senaryo 2’de elektrikli araç şarj istasyonlarının entegrasyonuyla ortaya çıkan problemler ortadan kalkacaktır. Dağıtım transformatörüne ait yüklenme eğrisi Şekil 2’de, alçak gerilim ana fider çıkışlarına ait yüklenme eğrisi Şekil 3’te ve alçak gerilim ana dağıtım panolarına ait gerilim profili de Şekil 4’te yer almaktadır.


 

Şekil 2: Dağıtım transformatörü saatlik yüklenme eğrisi


Şekil 3: Alçak gerilim fider çıkışlarına ait saatlik yüklenme eğrileri



Şekil 4: Alçak gerilim ana dağıtım panolarına ait saatlik gerilim profili




Şekil 5: Depolama birimleri şarj eğrileri

Yukarıda bahsedilen tüm bu faydaların yanı sıra geleneksel yatırım yöntemleri ile “Yerinde Üretim Yerinde Tüketim” konseptinin enerji kayıplarının önüne geçilebilmesi adına getirdiği ek bir fayda ortaya çıkmaktadır. Şekil 6’da görüleceği üzere 30 günlük bir periyot boyunca yapılan analizlerde geleneksel yatırım yöntemlerine nazaran şebekede gözlemlenen kayıpların azaltılmasında da fayda sağladığı gözlemlenmiştir.



 

Şekil 6: Alçak gerilim seviyesinde 30 günlük periyottaki enerji kayıpları

 

 

Bu çalışmada seçilen pilot bölgeye ait alçak gerilim dağıtım şebekesi PSS®SINCAL şebeke analiz yazılımında modellenmiş ve iki farklı senaryo için (mevcut durum ve elektrikli araç şarj istasyonlarının bağlı olduğu durum) analizler gerçekleşmiştir. Yapılan analizler sonucunda elde edilen hat ve transformatör yüklenmeleri, gerilim düşümleri ve hat kayıplarına ilişkin sonuçlar karşılaştırılmıştır ve olası problemler için çözüm önerilerinde bulunulmuştur. Özetlemek gerekirse; elektrikli araç şarj istasyonları sebebiyle ortaya çıkan problemlerin çözümü için sadece geleneksel yatırım çözümleri yerine, ek faydalar da sağlayabilen literatürde kablosuz (Non-Wire) alternatif olarak geçen yenilenebilir enerji üretimi ve depolama çözümleriyle birlikte bütüncül bir çözüm önerilmelidir. Bu sayede hem teknik hem de ekonomik anlamda toplam katkıyı gözeten çözümler ortaya konabilir. Bu durumu hem dağıtım şirketleri hem de şarj ağı işletmecileri dikkate almalıdır.


Referanslar

[1] Raghavan, S ve Khaligh, A. (2012). Impact of plug-in hybrid electric vehicle charging on a distribution network in a smart grid environment, Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), Washington DC, Ocak.
[2] Taylor, J., Maitra, A., Alexander, M., Brooks, D., Duvall, M. (2009). Evaluation of the impact of plug-in electric vehicle loading on distribution system operations, Power & Energy Society General Meeting, IEEE.
[3] Maitra A., Taylor, J., Alexander, M., Brooks, D., Duvall, M. (2009). Integrating plug-in electric vehicles with the distribution system, Power & Energy Society General Meeting, IEEE.
[4] Sortomme, E. ve Hindi, M.M. (2011). Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribution system losses, IEEE Transactions on Smart Grid, cilt 2, pp. 186-193.
[5] Fernandez, L. P., Gomez, T. S. R., Cossent, R., Mateo, C. D. ve Frias, P. (2001). Assessment of the impact of plug-in electric vehicles on distribution networks, IEEE Transactions on Power Systems, cilt 26, pp. 206-213.
[6] Papadopoulos, P., Skarvelis-Kazakos, S., Grau, I., Cipcigan, L. M., & Jenkins, N. (2012). Electric vehicles’ impact on British distribution networks, IET Electrical Systems in Transportation, 2(3), p.91-102.
[7] Clement-Nyns, K., Haesen, E. ve Driesen J. (2010). The Impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on a residential distribution grid, IEEE Transactions on Power Systems, cilt 25, pp. 371-380, 2010.
[8] Ala, G., Di Filippo, G., Viola, F., Giglia, G., Imburgia, A., Romano, P., ... & Miceli, R. (2020). Different scenarios of electric mobility: Current situation and possible future developments of fuel cell vehicles in Italy. Sustainability, 12(2), 564.
[9] Deloitte internet sistesi (2022). Erişim 11 Ocak 2022 https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/future-of-mobility/electric-vehicle-trends-2030.html

Yazarlar

► İsmail Şahin | Power Technologies International
 
► Batuhan Uzaslan | Power Technologies International