Enerji depolama üniteli trijenerasyon mikro şebeke sisteminde çizelgeleme optimizasyonu: Hastane uygulaması

Abstract

Teknolojik gelişmeler ve dijitalleşmenin gittikçe hız kazanması ile enerji ihtiyacı artmaya devam etmektedir. Dünya Enerji Görünümü raporlarındaki olağan durum senaryolarına göre talep edilen enerjinin sağlanması amacıyla fosil yakıtların kullanılmaya devam edilmesi ile hava kirliliği giderek artarak küresel ısınmaya sebep olacağı belirtilmiştir. Fosil yakıtların sınırlı olması nedeniyle ülkeler arasında enerji rekabeti ortamı oluşmaktadır. Bu enerji rekabeti sayesinde karbonsuzlaşma, enerji tasarrufu, verimlilik ve sürdürülebilirlik kavramları değer kazanmaya başlamıştır. Karbondioksit salınımın azaltılması ve küresel ısınmanın önüne geçilebilmesi için yenilenebilir enerji kaynakları en iyi çözüm olarak gösterilmektedir. Yenilenebilir enerji sistemlerinin giderek azalan enerji üretim maliyetleri ve teşvik edici politikalar sayesinde hızla büyümeye devam etmektedir. Böylece karar vericilerin yenilenebilir enerji sistemlerine yatırım yapmasının önü açılmaktadır. Yenilenebilir enerji sistemlerinin aralıklı üretiminden dolayı belirsizlikler ve dengesizlikler bulunmaktadır. Aralıklı üretimden kaynaklı belirsizliklerin giderilmesi, enerji yönetimi, enerji arz güvenliği ve enerji kalitesinin sağlanması problemlerini ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenle yenilenebilir enerji sistemleri, konvansiyonel enerji üretim sistemlerinin tam ikamesi olamamaktadır. Bu problemlerin çözümü olarak enerji depolama sistemleri gösterilmektedir. Çoğu güç uygulamaları ile entegre çalışabilen enerji depolama sistemlerinin sağladığı faydalar göz önünde bulundurulduğunda enerji depolama sistemleri teknolojik olarak gelişmekte ve giderek düşmekte olan maliyetleri ile yaygınlaşmaya devam etmektedir. Sürdürülebilir enerji yönetimi ve arz güvenliğinin sağlanması amacıyla dünya çapındaki güç uygulamalarında merkezsizleştirme, karbondan arındırma ve demokratikleşme eğilimleri ortaya çıkmıştır. Böylece ana şebekeye bağlı veya bağımsız olarak çalışabilen, enerji depolama, yenilenebilir ve konvansiyonel enerji üretim sistemlerinin entegre edilebildiği mikro şebeke uygulamalarının sayısı giderek artmaktadır. Mikro şebeke sistemi, dağıtılmış enerji kaynakları olarak güneş panelleri, rüzgâr türbinleri, kombine ısı ve güç santralleri, küçük doğal gaz yakıtlı jeneratörler, dizel jeneratörler, elektrikli araçlar, iklimlendirme sistemleri ve enerji depolama sistemleri gibi yük kontrolünün sağlanabildiği sistemlerle entegre bir şekilde çalışabilmektedir. Böylelikle son kullanıcının talep ettiği elektrik, ısıtma ve soğutma yükü talepleri ana şebekeden bağımsız bir şekilde kontrol edilebilmektedir. Enerji depolama sistemlerinin entegre edildiği mikro şebekeler sayesinde elektrik kesintilerine karşı enerji güvenliği sağlanmakta, çevre dostu enerji üretimi yapılmakta, yakıt tasarrufu, altyapı maliyet tasarrufu ve yardımcı enerji hizmetleri ile ekonomik fayda sağlanmaktadır. Mikro şebekelerde istenilen güç uygulamasının karakteristiğine göre kullanılabilecek birçok enerji depolama sistemi mevcuttur, fakat güç uygulamalarındaki hizmetlerin hepsinin karşılandığı bir enerji depolama sistemi bulunmamaktadır. Her enerji depolama sisteminin birbirleri ile karşılaştırıldığında teknik performans, ekonomik çerçeve ve çevresel etkiler kapsamında avantajlı ve dezavantajlı olduğu durumlar söz konusudur. Bu nedenle kurulması planlanan güç uygulamalarında seçilecek olan enerji depolama sistemleri, uygulamanın ihtiyaçlarını ve gerekli kısıtlarını karşılaması gerekmektedir. Dünya genelinde fosil yakıtların tükenmeye başlaması ve küresel ısınmadan kaynaklı iklim değişiklikleri nedeniyle karayolu taşımacılığında alternatif olarak elektrikli araçlar gösterilmektedir. Sürdürülebilir kalkınma senaryolarında 2030 yılına gelindiğinde elektrikli araçların pazar payı yüzde 30 ve araç stoğu 250 milyon adet olacağı tahmin edilmektedir. Elektrikli araç pazarının büyümesindeki en önemli etkenlerden biri olarak gittikçe maliyetleri azalan Lityum-iyon bataryalar gösterilmektedir. Lityum-iyon bataryalar yüksek enerji yoğunluğu, düşük oranda kendi kendine deşarj olma ve düşük bakım maliyetleri sayesinde elektrikli araçlarda en fazla kullanılan batarya sistemleridir. Diğer yandan yapılan araştırmalara göre Li-iyon bataryaların kullanım ömürleri elektrikli aracın özelliklerine ve sürücüye bağlı olarak 8-15 yıl arasında olmakta ve yüzde 80 kapasiteye ulaştığında elektrikli araçlardaki kullanımı sonlandırılmaktadır. Elektrikli araçlardan çıkarılan bataryaların bertaraf edilmesi büyük bir ekonomik kayıp oluşturmaktadır. Ayrıca batarya sistemleri, ikamesi az olan materyaller içerdiği için geri dönüştürme maliyetleri oldukça yüksektir. Bu nedenle elektrikli araçlarda kullanım ömrünü tamamlamış bataryaların ekonomik değerinin en üst düzeye çıkarılması için ikinci yaşam döngüsünde sabit depolama sistemi olarak kullanılması önerilmektedir. Bu tezin amacı, insan hayatı üzerinde kritik öneme sahip hastanelerin elektrik kesintileri ve enerji kalitesi problemlerine karşı enerji arz güvenliğinin sağlanmasıdır. Bununla birlikte hastanenin talep ettiği kritik elektrik, ısıtma ve soğutma yüklerinin güvenliği için trijenerasyon mikro şebeke sistemi tasarlamaktır. Sistemde enerji depolama sistemi olarak termal enerji ve ikinci yaşam döngüsündeki Lityum-iyon elektrikli araç bataryalarından oluşan depolama sistemleri dahil edilmiştir. Enerji üretim sistemi olarak güneş paneli, mikro türbin ve gaz kazanı kullanılmıştır. Soğutma yüklerinin sağlanması için ise absorpsiyonlu soğutucu ve elektrikli çiller sistemleri entegre edilmiştir. Diğer yandan güç ve ısı kontrol üniteleri ile sistemler arasındaki enerji yönlendirilerek hastanenin talep ettiği elektrik, ısı ve soğutma talepleri karşılanmaktadır. Tasarlanan trijenerasyon hastane mikro şebeke sisteminin en ekonomik şekilde çalışması ve kritik enerji yüklerinin her zaman karşılanabilmesi için çizelgeleme optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Çizelgeleme optimizasyonu ile sistem bileşenlerinden alınan ve yönlendirilen enerji yüklerinin kontrolü sağlanacaktır. Önerilen çizelgeleme optimizasyon modeli ile elektrik kesintisi ve enerji kalitesi problemlerine karşı hastanenin enerji güvenliğininin sağlanmasının yanı sıra yenilenebilir enerji ve depolama sistemlerinin entegre edilmesi ile enerji tasarrufu elde edilerek hem ekonomik hemde çevreci bir sistem tasarlanması hedeflenmiştir. Hastanenin çizelgeleme optimizasyonu için bir yıldaki saatlik elektrik tüketimi ve sıcaklık verileri kullanılmıştır. Optimizasyon probleminin çözdürülmesi amacıyla karma tamsayılı doğrusal programlama kullanılarak Excell Solver programında kodlanmıştır. Yapılan araştırma ile hastane birimleri arasında kesintisiz enerji talebinin en yüksek olduğu ameliyathane, resüsitasyon birimi ve yoğun bakım ünitelerinin kritik enerji yükü talepleri modele dâhil edilmiştir. Oluşturulan modelin uygulanması için 197 yataklı, 4 ameliyathaneli, 2 resüsitasyon birimli ve 13 yoğun bakım üniteli hastane seçilmiştir. Hastanenin kat planlarından ve sıcaklık verilerinden yola çıkarak alan soğutma ve ısıtma için enerji ihtiyacı hesabı yapılmış ve bir yıldaki saatlik ısıtma ve soğutma yük talepleri belirlenmiştir. Kurulan model ile doğal gaz, batarya yıpranma, işletme ve bakım, şebeke elektriği ve CO2 salınımından kaynaklı oluşan sosyal maliyetlerden oluşan amaç fonksiyonu optimize edilmiştir. Model çıktısında 8670 saat için yıllık toplam enerji maliyeti, batarya depolama sisteminin deşarj sayısı ve CO2 salımı tasarruf miktarları hesaplanmıştır. Tasarruf edilen CO2 salımının ekonomik değeri yapılan araştırmalar çerçevesinde belirlenmiştir. Bununla birlikte yapılan araştırmaya göre trijenerasyon sistemi için ilk yatırım maliyeti belirlenmiş ve geri ödeme süresi hesabı yapılmıştır. Yıllık net nakit akışı olarak elde edilen tasarruf miktarı kullanılarak sistemin ne kadar sürede amorti edeceği hesaplanmıştır. Tez çalışmasının sonucunda, insan hayatını tehlikeye atabilecek elektrik kesintilerine karşı batarya ve termal enerji depolama sistemleri sayesinde hastanenin kritik enerji yüklerini sürekli olarak karşıladığı gösterilmiştir. Diğer yandan şebekeden çekilen yüksek elektrik fiyatına karşı batarya sistemi deşarj edilerek yüksek miktarda elektrik maliyeti tasarrufu elde edilmiştir. Bunun yanı sıra mikro türbinden çıkan ısı enerjisi ise ısı kazanım cihazı ile tekrardan değerlendirilmiştir. Gaz kazanı ve mikro türbinden yönlendirilen ısı enerjisi, termal depolama sisteminde depolanmış ve gerekli durumlarda depolama sistemi deşarj edilerek kritik ısıtma ve soğutma yük talepleri karşılanmıştır. Böylece yüksek miktarda CO2 emisyon tasarrufu elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar ile birlikte sağlık sektörü haricindeki diğer kamu, hizmet ve endüstri sektöründeki tesislerde de enerji güvenliği ve tasarrufunun sağlanması konusunda enerji depolamalı trijenerasyon mikro şebekesinin önemi gösterilmiştir. Elektrikli araçlarda kullanımı sonlandırılmış yüzde 80 kapasitesini koruyan Lityum-iyon bataryaların yüksek geri dönüşüm ücretlerine karşı tekrardan sabit depolama sistemi olarak kullanılması ile önemli bir tasarruf kalemi elde edilmektedir. Bununla birlikte yakın gelecekte elektrikli araç sayısının artmasına bağlı olarak ikinci yaşam döngüsündeki bataryaların sabit depolama sistemi olarak kullanıldığı güç uygulamalarının sayısı artarak ülke ekonomisine fayda sağlayacaktır. Gelecekte yapılacak çalışmalarda hastanenin ilk kurulumundan itibaren kurulum yapılacak bölgenin özelliklerine göre enerji kaynağının seçilmesi, sistem boyutlandırılması ve tasarımının optimizasyonu çalışmaları yapılabilir. İlerleyen zamanlarda atık batarya pazarı oluşması ile yaşam döngüsü maliyet analizi yapılabilir; sistem boyutlandırma optimizasyonu ve enerji arbitrajı hizmetinin modele dâhil edildiği yatırım fizibilitesi çalışmaları yapılabilir. Ülkemizde karbon vergilendirme sistemi ve karbon piyasasının oluşması ve optimizasyon modeline eklenmesi ile birlikte elde edilen tasarrufun ekonomik değeri daha güncel olabilecektir.

With technological developments and the acceleration of digitalization, energy demand continues to increase. According to the World Energy Outlook reports, it is stated that using fossil fuels to meet the energy demand, leads to an increase in air pollution and global warming. Because of the limited fossil fuels, competition between countries increases. Due to this energy competition, the concepts of decarbonization, energy-saving, efficiency, have started to become important. Renewable energy sources are indicated as the best solution to reduce carbon emissions and prevent climate change. Renewable energy systems continue to grow rapidly because of the gradually decreasing energy production costs and incentive policies. This paves the way for decision-makers to invest in renewable energy systems. There are uncertainties and imbalances due to the intermittent generation of renewable energy systems. Elimination of uncertainties arising from intermittent generation leads to challenges in energy management, energy supply security, and ensuring energy quality. Therefore, renewable energy systems cannot be a complete substitute for conventional energy generation systems. Energy storage systems are claimed as the solution to these problems. Considering the benefits of energy storage systems that can work in integration with most power systems, energy storage systems are developing technologically and continues to become widespread with decreasing costs. In order to ensure sustainable energy management and energy supply security, decentralization, decarbonization, and democratization trends have emerged in power systems worldwide. Thus, the number of microgrid applications is enhancing, by the integration of energy storage, renewable and conventional energy systems. As distributed energy sources, the micro-grid system can work in an integrated manner with systems that allow load control such as solar panels, wind turbines, combined heat and power plants, small natural gas-fueled generators, diesel generators, electric vehicles, air conditioning systems, and energy storage systems. Therefore, the electricity, heating, and cooling load demands requested by the end-user can be controlled independently from the main network. Thanks to the microgrids where energy storage systems are integrated, energy security is ensured against power outages, environment-friendly energy production is carried out, economic benefits are provided with fuel savings, infrastructure cost savings, and ancillary energy services. Many energy storage systems can be used according to the characteristics of the desired power systems in microgrids, but there is no energy storage system where all the services in power systems are met. There are situations where each energy storage system is advantageous and disadvantageous in terms of technical performance, economic framework and environmental impacts compared to each other. For this reason, the energy storage systems to be selected in the power systems that are planned to be installed must meet the needs and necessary constraints of the application. Electric vehicles are considered as an alternative in transportation due to the depletion of fossil fuels and to prevent climate changes caused by global warming. In the sustainable development scenarios, it is estimated that by 2030, the market share of electric vehicles will be 30 percent and the vehicle stock will be 250 million units. Lithium-ion batteries, whose costs are gradually decreasing, are known as one of the most important factors in the growth of the electric vehicle market. Lithium-ion batteries are the most commonly used battery systems in electric vehicles, thanks to their high energy density, low self-discharge, and low maintenance costs. On the other hand, according to researches, the lifetime of Lithium-ion batteries is between 8-15 years depending on the characteristics of the electric vehicle and the driver. Lithium-ion batteries are terminated when it reaches 80 percent of its capacity. Disposing of batteries removed from electric vehicles creates a great economic loss. In addition, since battery systems contain materials with fewer substitutes, recycling costs are quite high. For this reason, it is recommended to be used as a stationary storage system in the second life cycle to maximize the economic value of batteries that have completed their useful life in electric vehicles. This thesis aims to provide a solution to energy supply security against power outages and energy quality problems in hospitals. In addition, to design a trigeneration micro-grid system for the safety of critical electric, heating, and cooling loads demanded by the hospital. Storage systems consisting of thermal energy and second-life lithium-ion batteries are integrated into the micro-grid system. Photovoltaic panels, microturbines, and gas boilers are used as energy generation systems. Absorption chiller and electric chiller systems are integrated to provide cooling loads. On the other hand, the electricity, heat, and cooling energy demands of the hospital are met by directing the energy between power and heat control units and other systems components. A scheduling optimization model is developed for the designed trigeneration hospital micro-grid system to operate most economically and to meet critical energy loads, constantly. With the scheduling optimization, the control of the energy loads received and directed from the system components will be provided. With the proposed scheduling optimization model, it is aimed to ensure the energy security of the hospital against power outage and energy quality problems, as well as to design an economic and environment-friendly system by achieving energy savings and by integrating renewable energy and storage systems. Hourly electricity consumption and temperature data for one year are used for scheduling optimization of the hospital. To solve the optimization problem, it is coded in Excell Solver using mixed-integer linear programming. With the research, the critical energy load demands of the operating room, resuscitation unit, and intensive care units, which have the highest uninterrupted energy demand among hospital units, are included in the model. A hospital with 197 beds, 4 operating rooms, 2 resuscitation units, and 13 intensive care units is chosen for the implementation of the model. Based on the floor plans and temperature data of the hospital, energy need for space cooling and heating calculation is made and the hourly heating and cooling load demands in a year are determined. With the created model, the objective function consisting of natural gas, battery wear, operation and maintenance, grid electricity, and social costs arising from carbon emissions is optimized. In the model output, the annual total energy cost, the number of discharges of the battery storage system, and the amount of carbon emission savings are calculated for 8670 hours equivalent to one year. The economic value of the saved carbon emissions is determined within the framework of researches. Additionally, according to the research, the investment cost for the trigeneration system is determined, and using the amount of energy cost savings obtained as the annual net cash flow the payback period is calculated. As a result of the thesis study, it is stated that the hospital continuously meets the critical energy loads thanks to the battery and thermal energy storage systems against power outages. On the other hand, considering the high electricity price drawn from main the grid, the battery system is discharged and resulted in high electricity cost savings. In addition, the heat energy output from the microturbine is re-evaluated with the heat recovery device. The heat energy directed from the gas boiler and microturbine is stored in the thermal storage system and the critical heating and cooling load demands are met by discharging the storage system in necessary situations. Thus, a high amount of carbon emission saving is achieved. With these results, the importance of energy storage trigeneration micro-grid is demonstrated in providing energy safety and saving in facilities in the public, service, and industry sectors too. The use of lithium-ion batteries, which maintain their 80 percent capacity, as a stationary storage system against high recycling costs, an important saving item is achieved. Thus, due to the increase in the number of electric vehicles in the near future, the number of power applications in which batteries in the second life cycle are used as a stationary storage system will increase and benefits our country's economy. In future studies, starting from the first establishment of the hospital, the selection of the energy source, system sizing, and optimization of the design can be carried out according to the characteristics of the area to be installed. Life cycle cost analysis can be done with the formation of a waste battery market in the future; Investment feasibility studies can be conducted in which system sizing optimization and energy arbitrage services are included in the model. With the formation of the carbon taxation system and carbon market in our country and adding it to the optimization model, the economic value of the obtained savings will be more up-to-date.