Pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin optimizasyonu

Abstract

Enerji, bir materyalde, bir maddede, bir hücrede bulunan iş yapabilme yeteneği ya da ortaya iş çıkarabilme gücüdür. Bir insanda, bir makinede, yüksek bir yerden akan suda her an için belirli bir iş yapabilme gücü, dolayısıyla belirli miktarda enerji vardır. Bir cismin, bir maddenin durumu, konumu, moleküler yapısındaki depolama ile bir potansiyel enerjiye sahiptir. Bu potansiyel enerji bir hareket, bir ivmelenme, kimyasal bir tepkime veya fiziksel bir değişim ile harekete geçerek kinetik enerjiye dönüşür. Dolayısıyla, harekete geçen cisim kitlesiyle ve hızıyla sahip olduğu potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüş olur ve bu durum da bir iş yapmış olur. Günümüzde enerji, endüstri ve teknolojinin gelişimini ilerletebilmesi için vazgeçilemez araçlardan biri olarak ön plana çıkmakta olup, üretim faaliyetlerinin sürdürülebilmesi için ana unsurların başında gelmektedir. Aynı zamanda toplumların sosyal ve ekonomik olarak kalkınmalarının en önemli gerekliliklerinden biri olan enerjinin artan dünya nüfusuna yetecek şekilde, uygun koşullarda temin edilebilmesi büyük önem arz etmektedir. Evlerde, işyerlerinde, okullarda, fabrika ve sanayi tesislerinde ihtiyaç olan elektrik gücünü temin edebilmek için enerji kaynaklarının elektriğe dönüştürülmesi gerekmektedir. Petrol, doğalgaz, kömür gibi fosil kaynaklar ile rüzgar, güneş, su, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları çeşitli elektrik üretim santralleri sayesinde elektrik enerjisine çevrilerek, insanların günlük ihtiyaçları ve üretim sektöründe kullanılmaktadır. Gelişmekte olan ülkeler arasında bulunan ülkemiz için de gerek toplumsal refahın artırılması gerekse sanayi sektörünün üretim sürekliliği ve gelişimi için en önemli ihtiyaç haline gelen enerjinin, yerinde, zamanında ve güvenilir bir şekilde karşılanması gerekmektedir. Son dönemlerde ülkemizin yakaladığı yüksek büyüme oranları, enerji talebinin de hızla artmasını beraberinde getirmiştir. Önümüzdeki yıllarda da büyüme oranlarıyla birlikte enerji talebinin de artış eğiliminin devam edeceği hesaplanmaktadır. Artan enerji talebinin karşılanması için enerji sektörünün yeniden yapılanmasına yönelik olarak enerji mevzuatları 2000'li yılların başından itibaren yeniden ele alınarak çeşitli düzenleme yapılarak, enerji sektöründe liberalleşme adımları atılmıştır. Mevzuat değişiklikleri, yeni düzenlemeler ve oluşturulan yeni kurumlarla elektriğin yeterli, kaliteli, sürekli, düşük maliyetli ve çevreye uyumlu bir şekilde tüketicilerin kullanımına sunulması için, rekabet ortamında özel hukuk hükümlerine göre faaliyet gösterebilecek, mali açıdan güçlü, istikrarlı ve şeffaf bir elektrik enerjisi piyasasının oluşturulması ve bu piyasada bağımsız bir düzenleme ve denetimin sağlanması amaçlanmıştır. Geçen süre içerisinde, ülkemizde yapılan yeni düzenlemeler, enerji piyasasının liberalleştirilme çalışmaları, yapılan enerji yatırımlarına rağmen artan enerji ihtiyacını ülkenin kendi öz kaynakları ile karşılayamaz durumda olup, enerji açısında dışa bağımlılık devam etmektedir. Enerji kaynakları açısından dışa bağımlı olunması, ülkenin ekonomisini ve stratejik durumunu olumsuz yönde etkilemektedir. Enerji kaynaklarında dışa bağımlı ülkeler, ekonomisinin büyümesinde ve stratejik kararlar almak gibi en önemli konularda başka ülkelere bağımlı hale gelmektedir. Bu nedenlerden dolayı, ülke içerisinde başta yenilenebilir enerji kaynakları olmak üzere, tüm kaynaklarının en optimum şekilde enerjiye dönüştürülerek kullanımının sağlanması ve dışa bağımlılığın azaltılması temel hedef haline gelmesi gerekmektedir. Pompaj depolamalı hidroelektrik santraller (PDHES), pik talebin karşılanmasında rezervuarlı HES'lerin yetersiz kalması durumunda veya baz santrallerin ülkenin enerji sistem içinde dengelenebilmesi için devreye girerek enerji ihtiyacını karşılayan sistemlerdir. PDHES'ler bir çeşit elektrik depolama sistemleridir. Bu santraller, elektrik fiyatlarının düşük olduğu zamanlarda suyu yüksekteki doğal veya yapay bir üst hazneye pompa yardımıyla basarak depolar ve gün içinde veya ay içinde elektrik ihtiyaçlarının meydana geldiği ve dolayısıyla elektrik fiyatlarının yükseldiği zamanlar üst haznede biriktirilen suyu türbinler vasıtasıyla hidroelektrik enerjiye dönüştürür. Başta Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya olmak üzere dünyada yaklaşık 100.000 MW pompaj depolamalı hidroelektrik santral işletmede olmasına karşın, ülkemizde işletmede pompaj depolamalı santral bulunmamakla birlikte, bu tesislerin yapılması planlanması durumunda ne şekilde optimize edilmesi gerektiği yönünde yeterince çalışma da yapılmamıştır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından ilk etüt aşamasında 11 adet mevcut baraj üzerinde, 5 adet yeni yatırım olmak üzere toplamda 16 adet pompaj depolamalı hidroelektrik santral planlaması yapılmış olup, detaylı çalışmalar da henüz planlama aşamasında bulunmaktadır. Son dönemlerde devletin ilgili kurumlarında, PDHES'lerin yapımı konusunda bazı güncel mevzuat çalışmaları devam etmekle birlikte, henüz resmiyet kazanmış bir durum da söz konusu değildir. Gerçekleştirilen doktora tez çalışması kapsamında, pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin kapasitesinin net faydayı maksimize etmesiyle belirlenen kapasite optimizasyon modeli (KOPMOD) olarak adlandırılacak olup, deterministik bir yaklaşımla çalışılan bu matematik modelde yapı boyutları, kurulu güç ve net faydanın optimizasyonu ele alınacaktır. Bu çalışmayı yaparken öncelikle karar değişkenleri belirlenerek, bu parametrelerin kapasiteyi belirli aralıklar içinde seçerek modelde kullanılması amaç edinilmiştir. Kapasitenin çalışma aralıkları da dünyada tesis edilmiş PDHES'ler ile ülke şartları ve ihtiyaçları dikkate alınarak belirlenmiştir. Elektrik fiyatlarının gün içindeki değişimleri, uzun yıllar oluşan fiyatların analiz edilmesi ve elektrik fiyatlarına etki eden faktörler ele alınarak modellere işlenerek, modellerin oluşturulması sağlanmıştır. Elektrik fiyatlarının analizleri PDHES'lerin çalışma saatlerinin belirlenmesinde etkin rol oynamaktadır. Karar değişkenleri olarak tesisi kurulu güç kapasitesi, çalışma saati ve karlılık oranları, indirgeme oranı, iç verim oranı, tesis süreleri ve yapım birim fiyatları gibi ana unsurlar olarak belirlenmiştir. Net faydanın maksimize edilmesi üzerine kurulu olan sonuç kısmının en önemli sonuç parametreleri tesis yatırım bedeli, tesisin geliri ve giderleri, elektrik üretim ve tüketimleridir. üretim ve güç, maliyetler, gelir ve gider, ekonomik analiz ana başlıkları altında değerlendirilmiştir. Üretim, tüketim ve kurulu güç ana başlığı altında hesaplanan değerler tersinir türbinlerin teknik değerleri ve karar değişkenlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. Maliyetler ise, kapasite değişiklikleri sonucu boyutları belirlenen tesislerin birim fiyatları ve piyasa fiyatları dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Gelir ve giderler ise, elektrik fiyatları ve işletme aşamasında oluşacak olan giderlerin piyasa koşullarında fiyatlandırılması ile belirlenmektedir. Maliyetler, gelir ve giderlerin belirlenmesi sonucu ekonomik analiz kapsamında hesaplanan net fayda hesaplaması sonucunda hangi seçimin en uygun olduğu model ile ortaya çıkmaktadır. KOPMOD ile oluşturulacak matematik modelde değişkenlerin değişimi ile net faydanın da değişimi izlenebilmektedir. Çalışmalarda YEKDEM sistemi kapsamında devlet tarafından belirlenen elektrik satış fiyatları da ayrıca çalışmalarda dikkate alınmıştır. Karar değişkenleri, sonuç parametreleri, kapasite değişim aralığı, aralarındaki bağlantıları ve değerleme kriterleri belirlendikten sonra, PDHES için oluşturulan KOPMOD'un çalıştırılması ile net faydanın maksimize edildiği kapasite belirlenerek en uygun kurulu güç seçilmektedir. Modelin çalışma saati ve karlılık oranlarının belirlenmesi için KOPMOD öncesi göreceli karlılık analizi yaklaşımı (GÖKAY) modeli kullanılmaktadır. GÖKAY'da Türkiye'de geçmiş yıllarda gerçekleşmiş elektrik satış fiyatları modelin analiz edilecek verileri olarak ele alınmaktadır. PDHES için belirlenen bir iç verim oranı (İVO) esas alınarak gün içindeki en düşük elektrik satış fiyatları ve en yüksek elektrik fiyatları belirlenir. En düşük elektrik fiyatlarına iç verimden kaynaklanan kayıplar da bindirilerek en yüksek fiyatlar arasında PDHES'in elektrik üretim ile tüketiminden gün içinde kar elde ettiği saatlere ulaşılır. Seçilecek her bir iç verim oranı çalışma saatini ve karlılık oranlarını değiştirmektedir. GÖKAY modelinin sonuçları değerlendirildiğinde İVO değeri arttıkça çalışma saati artmasına karşılık, karlılık oranları azalmaktadır. Karlılık oranı ve çalışma saati birlikte ele alındığında ise, İVO değeri arttıkça normalize edilmiş karlılık oranının da arttığı görülmektedir. Sonuç olarak, PDHES'in ilk planlama aşamasında mevcut piyasa şartları, topoğrafyası, yatırımın ekonomik durumu ve piyasa elektrik fiyatları ile KOPMOD çalıştırılarak bulunan kapasitede PDHES'in yapımına karar verilebilmektedir. Kapasite belirlendikten sonra, tesisi yapılarının boyutları, maliyetleri, üretim ve tüketimleri ortaya çıkacağı için PDHES'in ekonomik olarak yapımına karar verilebilecektir.