Planning And Stochastic Evaluation Of Combined Cooling Heat And Power Systems Under Uncertainty

Abstract

CCHP (Combined Cooling Heat and Power) systems are the most well-known technologies for efficient energy usage and it usually refers to simultaneous production of cooling, heating and power from a single energy source. CCHP plants are built as decentralized systems, and they are operated close to where it is needed. Thus, CCHP systems are considered as more efficient, profitable, reliable and environmentally friendly systems compared with conventional generating plants. Nonetheless, CCHP systems or any other energy conversion systems should be designed and operated effectively to gain the expected advantages. It is not an easy decision for a SME (small and medium size enterprises) to invest in CCHP systems. Decisions for investments are generally taken by the conventional method, which relies on the result of an economic analysis with the assumption that variables will remain stable over the time the analysis is made. However, this kind of systems is dynamic and all the parameters are subject to change until the day the CCHP system expires economically. Thereby, CCHP systems work under uncertainty conditions during their economic life. The technical and financial performance of the system is affected by various parameters which include the fluctuation of energy loads, working hours, energy prices, exchange rates and interest rates. Accordingly, evaluating only the scenario where the current values of variables are taken into account may not help investors in decision making owing to uncertainties, the probability of occurrence of uncertainties and their outcomes. The analysis held in this study has been based on real and current operational data of an existing industrial facility located in Istanbul. Beside that, This study has two stages to assess the uncertainties in CCHP systems. The main purpose of the first part of the study is to specify a model and a methodology to select the best CCHP scheme in the presence of uncertainties. Differing from previous studies, this study examined the uncertainties in CCHP systems and evaluated the impacts of these uncertainties on the operational decision-making process as well as the stochastic impacts on the decision making process of the given investment. In the first stage, the system has been evaluated as a sole CHP system in the light of the updated value of the variables, then the system has been designed as a CCHP system by adding the absorption chiller with the intention of covering the cooling demand partly or fully. Setting the correct load capacity and scheduling is important while deciding on whether the most profitable system should be CHP or CCHP for a given plant. For this propose, macro program in Microsoft Excel has been run in order to determine the most proper capacity for the absorption chiller that will maximize the total annual saving. After determining the most proper cooling load of the absorption chiller, the system has been re-evaluated in the economical aspect. In another subsection, sensitivity analysis has been applied with the purpose of seeing the impact of the variables on the result. Following this, a new formula has been created to analyse and calculate the effects of variables on the result of the objective function on a percentage basis. Genetic algorithm is used to see the best case scenario in given constrains of uncertain variables. The result of this forms a reference for the comparison of the actual situation with the best case scenario. As a last step, possible results of the total annual saving have been re-calculated by using probabilistic models under non-parametric stochastic method. The analyses conducted in first stage have specifically addressed the variables that affect the economic feasibility of the investment and the uncertainties that may affect the investment any time in the systems economic life span. The main objective is to analyse all the possibilities and changes of the uncertain parameters during the life of the system to help investors see the possibility of the occurrence of the best and worst case scenario before making investment decision. Moreover, it is shown that some certain criteria should be satisfied in order for CCHP power plants to be more feasible. The results concluded from this stage are mentioned more in details in the last section of the manuscript. This stage of study has revealed that an evaluation made solely by considering the current values of the variables of the system is not sufficient to analyze the profitability of the investment. Apart from the conventional evaluation, the random changes of the independent variables at any time should be evaluated in order to see how they affect the profitability. Accordingly, it has been concluded that the deterministic evaluation is not sufficient to assess CCHP systems by its own and the stochastic evaluation gives a broader point of view in terms of overseeing all possible risks. The first stage of the thesis presented a very wide range of possibilities to assess the profitability of the system. At second stage, a re-evaluation was carried out in order to make a clearer analysis considering the historical data of the independent variables that affect the applicability of the system and the correlations between the variables, if any, and the probability density functions of the variables. Second stage of the study has been aimed to estimate how the profitability of a CCHP system, which is considered investable based on current values, will change throughout its economic life by adopting stochastic methods. Accordingly, the system has been analysed under four different simulation methods, namely parametric method, historical trend method, Monte Carlo method and scenario-based method, and their results have been compared. Among all the studied methods, the Monte Carlo and the historical trend methods directly take historical data as a reference. The parametric method, on the other hand, uses only the parameters of the mean and standard deviation from the historical data as a reference and thereafter assumes that all parameters will follow the normal distribution. Differing from these methods, the scenario-based method tries to determine where the objective function will be concentrated by considering all probable scenarios. In this regard, the parametric method gives results across the widest range, offering an unclear prediction about future results. The Monte Carlo method gives the highest mean value, while the historical trend method gives probabilities in a narrower range. The scenario-based method, meanwhile, offers a broader prediction than the historical trend method and also predicts a lower mean value for tas. Second stage of the study has showed that Investments in energy systems, including CCHP systems, face uncertainty. To answer whether an investment will remain profitable in the midst of these uncertainties, different methods can be applied either using past data or considering all possible scenarios. Although each method used in this study has certain advantages and disadvantages, all four methods can be used to evaluate CCHP systems at the investment stage. Since prices in almost all countries, particularly in the energy market, may not move in line with the historical trend, this study has shown that the scenario-based method is most appropriate to adopt given the comparisons and contrasts it provides.

Ülkemizde kullanılan enerjinin önemli bir kısmı, orta ölçekli sanayi tesisleri tarafından tüketilmektedir. Bu tesislerin kendi enerjilerini üretmesi, ülkenin enerji politikaları ve cari açığa katkısından dolayı önem arz etmektedir. Bunun sebebi öncelikle enerji nakli sırasında oluşan kayıpların önlenmesi ile Kojenerasyon / Bileşik Isı ve Güç (CHP) ve Trijenerasyon / Bileşik Soğutma, Isı ve Güç (CCHP) sistemleri gibi verimliliği yüksek sistemlerin kullanılabilmesidir. CHP ve CCHP yatırımları uzun teknik ve ekonomik ömürlere sahiptir. Bu tür yatırımlarda yaşam döngüsü 10 ila 20 yıl arasında değişir. Ancak, bu uzun zaman aralığında, sistemin tasarımı ve planlaması aşamasında kullanılan değişkenlerin sabit kalması veya değişimlerin aynı eğilimde devam etmesi mümkün değildir. Elbette sistem analizi çoğu zaman zaman güncel veriler ışığında yapılır ama yıllar içinde rassal değişimler sistemin ekonomikliğini ve teknik verimliliğini olumlu veya olumsuz yönde etkiler. Yatırımcı, belirsiz ortamda yatırıma karar vermede çoğu zaman çekimser davranır. Bunun en önemli nedeni, belirsizlikler ve bu belirsizliklerin kurulacak sisteme olan muhtemel etkilerini öngörememesinden kaynaklanır. CCHP sistemleri de, diğer bir çok enerji sistemlerinde olduğu gibi, dinamik sistemlerdir ve tasarım ve planlama aşamasında bir çok belirsizlikler barındırır. Öncelikle bu belirsizliklerin neler olduğu ve sistemin ekonomik analizi üzerine olan etkilerinin tespit edilmesi önem arz etmektedir. Enerji yatırımlarının önündeki en önemli engel yine enerji fiyatlarındaki belirsizliktir. Ancak yapılan yatırımın avantajlı olması için güncel enerji fiyatlarının bu yatırım için uygun, yatırımın avantajını koruyabilmesi için ise enerji fiyatlarındaki muhtemel değişimin öngörülebilir olması arzu edilir. Belirsizliklerin ve risklerin olduğu durumlarda karar verme oldukça zordur. Özellikle enerji yatırımlarında, ülkedeki ekonomik ve politik değişimler veya belirsizlikler, yatırım kararı almada çok etkili olmaktadır. Enerji yatırımları için genel olarak üç farklı riskten bahsedilebilir. Bu riskler; tasarım riskleri, teknik riskler ve finansal riskler olarak tanımlanabilir. CCHP sistemlerinin ekonomik analizleri için genel bir kural yoktur. Sistemin ekonomikliği, tesisin tasarımına, operasyon kriterlerine ve sistem parametrelerinin değişimlerine bağlıdır. Bu değişkenler; enerji talebindeki/yüklerindeki değişimler gibi iç değişkenler veya enerji fiyatları, kurlar, vergiler ve teşvikler gibi dış değişkenler olabilir. Bu çalışma, enerji yoğun orta ölçekli sanayi tesislerinde uygulanan CCHP gibi oto prodüksiyon sistemlerinin termo-ekonomik analizlerini, optimizasyonunu, yatırıma karar verme yöntemlerini, belirsizliklerin amaç fonksiyonuna etkilerini, skolastik belirsizliklerin farklı yöntemler ile analizini ve bu yöntemlerin karşılaştırılmasını kapsamaktadır. Tüm bu aşamalar ile, CCHP yatırımları üzerindeki tüm riskleri değerlendirilebilecek skolastik modeller ortaya konulması hedeflenmiştir. Tez kapsamında yapılan analizlerde, mevcut bir tesis için tasarlanan CCHP sistemine ait gerçek ve güncel veriler kullanılmıştır. Tez iki aşamadan oluşmaktadır. Genel olarak, birinci aşamada, CCHP yatırımlarındaki tüm riskler ve olası etkileri değerlendirilirken, ikinci aşamada bu risklerin yatırım sonrası dönemdeki muhtemel değişimleri ve bu değişimlerin sistemin karlılığına olabilecek etkileri analiz edilmiştir. Tezin ilk aşamasında; kurulacak söz konusu sistemin CHP olarak mı yoksa CCHP olarak mı kurulmasının daha avantajlı olacağı sorgulanmıştır. Sistemin CCHP olarak kurulmasının avantajlı olması durumunda, sistemden elde edilecek yıllık tasarrufu maksimize edecek en uygun yük dağılımı deterministtik yöntem kullanarak optimize edilmiş ve bu yüklere göre uygun kapasitede sistem elemanlarının seçimi gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada özellikle absorpsiyonlu soğutma kapasitesinin seçimi ve sistemin karlılığına olan etkisi vurgulanmıştır. Daha sonra, kurulan sistemden elde edilen yıllık tasarrufu etkileyecek değişkenler ve bu değişkenlerin yıllık tasarrufa olan etkileri, hassasiyet analizi kullanılarak belirlenmiştir. Hassasiyet analizi sonucu, her bir değişkenin sistem karlılığına olan etki katsayıları formüle edilerek, yatırımcının sistemin ekonomikliği üzerindeki riskleri daha net görebilmesi sağlanmıştır. Hassasiyet analizi yönteminde Microsoft Macro araçları kullanılmıştır. Tesisin ihtiyaç duyduğu termal yükler ve dolayısıyla elektrik yükü mevsimsellikten önemli ölçüde etkilenmektedir. Yüklerdeki bu mevsimsel değişimlerden dolayı sistemin karlılığı da değişkenlik gösterir. Karlılık üzerinde bir risk olarak değerlendirilen bu değişimlerin muhtemel etkileri, belirlenen mevsimsel kısıtlar içerisinde, parametrik olmayan rassal değişimler kullanılarak belirlenmiştir. Bu aşamada yıllık tasarrufu maksimize edecek en uygun yük aralıkları yine Macro araçları yardımıyla tespit edilmiştir. Bir sistemin karlılığını, muhtemel avantaj ve risklerini değerlendirirken, en iyi ve en kötü senaryo durumlarındaki muhtemel kazanç/kayıp limitlerini belirlemek önemlidir. Söz konusu sistemin en iyi senaryo durumu, MS. Excell Genetik Algoritma aracı ile belirlenmiştir. Tezin ilk aşamasında son olarak, yıllık tasarruf üzerindeki tüm riskleri ve bu risklerin muhtemel sonuçlarını değerlendirebilecek bir olasılık dağılımı oluşturulmuştur. Bu dağılımın oluşturulmasında parametrik olmayan rassal yöntem kullanılmış, sistemin güncel ve muhtemel kayıp/kazançları değerlendirilmiştir. Birinci aşamada, yukarıda bahsi geçen tüm değerlendirmeler ile beraber, aşağıdaki sonuçlar özellikle ön plana çıkmıştır; CCHP sistemlerinin ekonomikliğini etkileyen bir çok belirsiz değişken mevcuttur. Bu değişkenlerden en önemlileri, enerji fiyatları, sistemin yıllık çalışma saati, termal yük talebi değişimleri, döviz kurlarındaki değişimler ve bakım giderleri olarak sayılabilir. Soğutma ihtiyacı olan her tesis için CCHP sistemi uygulaması doğru bir yaklaşım olmayabilir. CCHP sistemleri özellikle belirli yük aralıklarında karlı olabilir. Türkiye'deki CCHP yatırımları için döviz kuru seviyesi çok önemli bir parametredir. Genellikle sistem elemanları yurtdışından ithal edildiğinden, yatırım aşamasındaki döviz kuru ve sistemin faaliyete geçtikten sonra oluşabilecek döviz kuru hareketleri sistemin amortismanını ve karlılığını doğrudan etkilemektedir. Yerel para biriminin, yani ülke para birimi TL'nin değer kazanması CCHP yatırımlarını daha cazip hale getirir. CCHP sistemleri kurulduktan sonra, iyi bir ekonomik geri dönüş arzulanıyor ise, mümkün olan en yüksek zaman periyodunda çalışması gerekmektedir. Yıllık 7.200 h'den az çalışan sistemler ekonomik açıdan uygulanabilir olmaktan uzaktır. CCHP yatırımının uygulanabilir olup olamayacağını anlayabileceğimiz en kolay kriter, ısı enerjisi fiyatı ile elektrik enerjisi fiyatı arasındaki ilişkidir. Söz konusu kriter, sonuç ve değerlendirme bölümünde detaylı açıklanmıştır. CCHP sistemlerinde absorbsiyonlu soğutmanın her zaman %100 kapasite kullanımı ekonomik olmayabilir. Güç sistemini ürettiği atık ısı ve tesisin yük ihtiyacına göre absorbsiyonlu soğutma kullanımı optimize edilmelidir. Çalışmadaki vakıa analizinde, soğutma ihtiyacının absorbsiyonlu soğutmadan optimum karşılanma oranı %44 olarak bulunmuştur. Özellikle Türkiye gibi, yüksek kredi faizi olan ülkelerde, yatırımcılar yatırımlarını değerlendirirken basit geri ödeme süresi yerine, gerçek geri ödeme süresini kullanarak değerlendirmelidirler. Paranın zaman değeri vardır ve yatırımcılar yatırımlarını her zaman kredi kullanarak finanse etmek isterler. Bu çalışmada, CCHP sistemleri için gerçek geri ödeme süresi kriterinin, sistemin yatırımına karar vermedeki önemini ortaya koymuştur. Çalışmadaki vakıa analizi, parametrik olmayan metot ile değerlendirildiğinde, söz konusu CCHP yatırımının, ekonomik ömrü boyunca, herhangi bir zaman aralığı içinde ve sistemin karlılığı bakımından; en iyi senaryonun gerçekleşme olasılığının %0, en muhtemel yıllık tasarrufun gerçekleşme olasılığının %31 ve yatırım için kritik değer olarak tespit edilen değerin gerçekleşme olasılığının %35 olduğu bulunmuştur. Bu olasılık değerleri, sistemin ilk fizibilitesi olumlu çıkması durumunda bile, parametrelerdeki muhtemel değişimlerin, sistemin ekonomikliğini her zaman sorgulanır ve risk altında tutabileceğini göstermiştir. Birinci aşamadaki analiz, sistemin karlılığını değerlendirmek için çok geniş bir olasılık aralığı sunmuştur. Dolayısıyla, CCHP sistemleri, yatırım sonrasındaki muhtemel değişimler için, daha farklı ve detaylı şekillerde analiz edilmelidir. Tezin ikinci aşamasında, CCHP yatırımları tamamlandıktan sonra, sistemin ekonomik ömrü boyunca karlılığına etki edecek belirsizliklerin ve değişkenlerin gelecekte nasıl hareket edebileceklerini öngörmek ve bu belirsizlikler ışığında gelecekle ilgili sistemin ekonomikliği hakkında tahminleme yapmak hedeflenmiştir. Bu bağlamda, daha net bir analiz yapabilmek için, sistemin uygulanabilirliğini etkileyen bağımsız değişkenlere ait tarihsel veriler, var ise bu değişkenler arasındaki korelasyonlar ve değişkenlere ait olasılık yoğunluk fonksiyonları göz önüne alınarak tekrar değerlendirme yapılması öngörülmüştür. Bu aşamada, çalışmanın daha uluslararası ve genel bir analiz sunabilmesi için, yerel para birimi kullanılmamış, dolayısıyla döviz kurlarındaki değişimin etkisi göz ardı edilmiştir. Tüm bu yeni değerlendirmeler ile söz konusu sistem, Parametric metot, Historical data metot, Monte Carlo metot ve Senaryo bazlı metot olarak 4 farklı yöntem ile irdelenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Belirsizlik analizinde ve stokastik metotlarda en önemli adım, belirsizliğin hangi dağılıma göre hareket edeceğinin tespit edilebilmesidir. Doğru dağılımı tespit etmede, geçmiş verilerin analizi önem arz etmekle beraber, gelecek hakkında da öngörüde bulunmak için uzman kişilerin deneyimlerine başvurulabilir. Dolayısıyla doğru dağılıma, bahsi geçen parametreye ait tarihsel veriler ve gelecekle ilgili öngörüler ışığında karar verilmelidir. Sistem, yıllık tasarruf hedef fonksiyonuna için, yukarıda bahsedilen metotlar ile değerlendirildiğinde, aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır. Öncelikle tüm metotların sonuçları Normal dağılıma yakın bir olasılık dağılımı vermiştir. Parametrik metot, hedef fonksiyonda oluşabilecek muhtemel sonuçları en geniş aralıklarda vermiş olup, önümüzdeki yıllara ait sistemden elde edilecek muhtemel avantajlar konusunda çok net olmayan öngörü sunmuştur. Monte Carlo metodu, yıllık tasarruf için en yüksek ortalama değeri (mean value) vermiştir. Dolayısıyla söz konusu sistemin ileriki yıllarda daha da karlı olabileceği ihtimalini ortaya koymuştur. Bu metotta ortalama değerin yüksek çıkmasının ana sebebi, geçmiş yıllardaki veriler ile oluşturulan elektrik ve doğal gaz fiyatlarına ait olasılık dağılımlarının BETA dağılımına uygun bir dağılım ortaya koymasıdır. Bu dağılıma göre, her hangi bir zaman aralığı içinde, elektrik fiyatlarının artış yönünde, doğal gaz fiyatlarının ise azalış yönünde hareket edeceği öngörülebilir. Bu durum CCHP sistemlerinin karlılığı açısında olumlu bir sonuç vermektedir. Historical Trend metodu, sistemin karlılığı açısından, diğer metotlara göre daha dar aralıkta bir sonuç vermiştir. Muhtemel ortalama değer öngörüsü olarak ise Monte Carlo metodundan sonraki en yüksek ortalama değeri vermiştir. Bu metotta, enerji fiyatları için doğrusal regresyon analizi uygulanmış ve gelecekte enerji fiyatlarının bu trende uygun hareket edeceği ön görülmüştür. Senaryo bazlı metod ise, Monte Carlo ve Historical Trend metotlarına göre daha geniş bir öngörü aralığı sunmuş ancak gerçekleşebilecek en muhtemel ortalama değer olarak ise Parametrik metota yakın bir sonuç vermiştir. Bu değerlendirmeler ile beraber, ortaya çıkan sonuçlar; kritik seviye, güven aralığı ve varyans analizi olarak üç farklı kriter ile de değerlendirmeye tabi tutulmuştur. Sistemin karlılığı için belirlenen kritik değerin üzerinde bir yıllık tasarruf verme olasılığı; parametrik metoduna göre %69.8, Monte Carlo metoduna göre %91.2, Historical trend metoduna göre %99.3 ve Senaryo bazlı metoda göre ise %71,4 olarak bulunmuştur. CCHP sisteminden sağlanacak muhtemel yıllık tasarruf %90 güven aralığında değerlendirildiğinde; %90 ihtimal ile parametrik metotta $49,767, Monter Carlo metodunda $145,440, Historical trend metotunda $167,563 ve Senaryo bazlı metotda ise $98,957'in üzerinde gerçekleşeceği tespit edilmiştir. Sistem varyans metodu ile değerlendirildiğinde ise; Historicak trend ve Senaryo bazlı metot $100k ile $200k arasında daha az volatil/oynak olduğu, Monte Carlo metodunun ise $200k üzerinde daha az volatil/oynak olduğu görülmüştür. Parametrik metot ise tüm aralıklarda daha homojen bir volatilite/oynaklık göstermiştir. Tüm bu sonuçların ışığında aşağıdaki değerlendirmeler yapılabilir. CCHP sistemlerinin yatırımları kendi içinde bir çok belirsizlikler barındırmaktadır. Bu belirsizlikler dolayısıyla, yatırımı yapılan sistemin karlılığının devam edip edemeyeceği önemli bir sorudur. Bu sorunun cevabını alabilmek için geçmiş verilerden faydalanılan veya tüm olası senaryoların hesaba katıldığı farklı metotlar uygulanabilir. Bu metotlar içerisinde, Parametrik, Monte Carlo ve Historical trend metodu geçmiş yıllardaki verileri doğrudan referans alarak, Senaryo bazlı metod ise, tüm belirsiz parametrelerin, olası tüm farklı senaryolara göre nasıl hareket edebileceği değerlendirilerek uygulanır. Bu sonuçlara göre, söz konusu metotların hangisinin uygulamada tercih edileceği, eldeki tarihi veri setinin ne kadar kapsamlı olduğuna, bu verilerin doğruluğuna, karar vericinin deneyimlerine ve değişkenlerin kendi aralarındaki etkileşimlerine/korelasyonlarına bağlıdır. Bunlarla beraber, bu belirsiz değişkenler için belirlenen kısıtların limitleri, bu kısıtların sürekli veya kesikli olmaları ve değişkenlerin bu kısıtları aşma potansiyelleri model belirlemede oldukça önemli olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu bağlamda, yeterli tarihsel verinin olması durumunda Parametrik metodun, daha detaylı tarihsel verilerin olması durumunda Monta Carlo metodunun, tarihsel trendlerin çok volatil/oynak olmayıp daha doğrusal olması durumlarında ise Historical trend metotlarının kullanılmasının daha uygun olacağı görülmüştür. Senaryo bazlı metot ise, hesaplamada tüm riskleri göz önüne alması özelliği ile, her durumda baş vurulması gereken önemli bir metot olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışmada bahsi geçen her bir metodun uygulamada öne çıkan bazı avantajları ve dezavantajları olmasına rağmen, yatırım aşamasındaki CCHP sistemlerinin değerlendirilmesi için kullanılabilecekleri sonucuna ulaşılmıştır. Bir çok durumda ve hemen her ülkede, özellikle enerji fiyatları söz konusu olduğunda, fiyat değişimlerinin tarihsel trendlerin dışında hareket etme ihtimalleri söz konusu olabilmektedir. Bu tür durumlar için, diğer metotlar ile birlikte, Senaryo bazlı metodun kullanılmasının, kıyaslama ve karşılaştırma açısından uygun olacağı değerlendirilmiştir. Bu çalışma, farklı alanlarda uygulanan çeşitli analiz yöntemlerini bir araya getirerek, CCHP sistemlerinin termo-ekonomik ve belirsizlikler açısından daha detaylı değerlendirilmesi konusunda farklı bir bakış açısı sunmuştur. Bu bağlamda, CCHP sistemlerine ait tüm belirsizliklerinin, sistemin ekonomikliğine ve amortismanına olan muhtemel etkileri ve riskleri her yönüyle detaylı şekilde ortaya konulmuş, bu sayede karar vericilerin en uygun kararı verilebilmesi için kapsamlı bir metodoloji oluşturulmuştur. Bu bakış açısının, CCHP sistemlerinin yanı sıra, diğer tüm enerji yatırımlarının fizibilite aşamasında da uygulanabilir olduğu ve bu sayede ülkemizde sıkça karşılaştığımız yanlış yatırım kararı verme problemine de katkı sağlayacağı öngörülmektedir.