Akıllı Şebekelerde Enerji Depolama Çözümleri

Akıllı Şebekelerde Enerji Depolama Çözümleri

Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:https://www.researchgate.net/publication/271766363
AkıllıŞebekelerdeEnerjiDepolamaÇözümleri
ConferencePaper·January2015
DOI:10.13140/RG.2.1.3868.7843
READS
407
4authors,including:
Ismailmuratkoç
KorayErhan
KocaeliUniversity
KocaeliUniversity
3PUBLICATIONS0CITATIONS
9PUBLICATIONS0CITATIONS
SEEPROFILE
Allin-textreferencesunderlinedinbluearelinkedtopublicationsonResearchGate,
lettingyouaccessandreadthemimmediately.
SEEPROFILE
Availablefrom:Ismailmuratkoç
Retrievedon:09August2016
Smart Grids Workshop, 22-23 January 2015, Istanbul Gelisim University, Istanbul/Turkey
Second Author et al.
Akıllı Şebekelerde Enerji Depolama Çözümleri
Engin Özdemir*, İsmail Murat Koç**, Koray Erhan***, Ahmet Aktaş***
* Enerji Sistemleri Mühendisliği, Teknoloji Fakültesi, Prof. Dr., KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
**Enerji Sistemleri Mühendisliği, Teknoloji Fakültesi, Yüksek Lisans Öğrencisi, KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
*** Enerji Sistemleri Mühendisliği, Teknoloji Fakültesi, Doktora Öğrencisi, KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
([email protected], [email protected], [email protected], [email protected],)
Received: xx.xx.xxxx Accepted:xx.xx.xxxx
Özet- Yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimi Türkiye ve dünyada hızla gelişim göstermektedir. Bununla beraber
yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekli dalgalı ve kesintili güç karakteristiği elektrik şebekemiz açısından birtakım sorunlar
oluşturmaktadır. Bu sorunların aşılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanma oranının yükseltilmesi amacıyla
enerji depolama uygulamaları gündeme gelmektedir. Bu çalışmada rüzgar ve güneş kaynaklı yenilenebilir enerji kaynaklarında
performans artışı amacıyla kullanılan enerji depolama yöntemleri ve amaçlarına göre sınıflandırılmış farklı enerji depolama
uygulamaları konu alınmaktadır.
Keywords; Akıllı Şebekeler, Dağıtık Enerji Kaynakları, Enerji Depolama, Yenilenebilir Enerji.
1. Giriş
Küresel ısınmanın etkilerinin şiddetle hissedilmeye
başlanması ve karbon temelli enerji kaynaklarının
rezervlerinin azalması tüm dünyada “enerji verimliliği” ve
“temiz-yenilenebilir
enerji”
kavramlarını
gündeme
getirmiştir. Bu kaygılar ile birlikte özellikle rüzgar ve güneş
kaynaklı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı hızla
yaygınlaşmaktadır. Aynı zamanda teknolojnin sürekli
gelişimi, enerji talebinin sürekli artış eğiliminde olması
“enerji verimliliği”, “enerji güvenilirliği-sürekliliği” gibi
kavramları gündeme getirmiştir.
Özetlenen bu gelişmelerden de görüldüğü gibi enerjinin
mümkün olduğunca yüksek oranda temiz ve yenilenebilir
kaynaklardan karşılanması, bu enerjinin iletimi, dağıtımı ve
tüketimi sırasında verimliliğin yükseltilmesi ve tüketicilere
kaliteli, sürekli enerji sağlanabilmesi şartları elektrik güç
sistemleri açısından değerlendirildiğinde; enerjinin büyük
güçlü, merkezi üretim birimleri yerine; görece daha küçük
güçlü, tüketim merkezlerine yakın, yenilenebilir enerji
kaynaklarını kullanan, çok sayıda, dağıtık üretim
birimlerinden enerji sağlanan, yüksek izleme ve kontrol
işlevlerine sahip, kendiliğinden karar verme yeteneğine sahip
ve üretim, tüketim birimleri arasında dengeli işletme
sağlayabilen yeni bir konsept olarak “akıllı şebekeler”
kavramı ortaya konmuştur. Aşağıda akıllı şebeke
bileşenlerini gösteren örnek bir şema sunulmaktadır [1-3]
Temiz Enerji
Üretimi
İletim Hattı Direği
Santral
Akıllı şebeke sistemi
yönetim merkezi
İletim Hattı Haberleşmesi
İletim hattı
Akıllı
şebeke ağı
Akıllı
Sayaç
Güneş Paneli
İletim Hattı Direği
İletim Hattı Direği
Mikrodalga
Batarya
Grubu
Ağ geçidi Elektrikli
su ısıtıcı
Buzdolabı
Zig/Bee IEEE
802.15.4
Elektrikli Araç
Temiz Enerji
Üretimi
Santral
İletim Hattı Direği
Şekil 1. Akıllı şebeke bileşenlerini gösteren örnek şema [3]
2. Dağıtık Üretim Sistemlerinde Enerji Depolama
İhtiyacı
Öncelikle, elektrik şebekesinden uzakta kurulan tesisler
için şebekeden bağımsız sistem tasarımlarında enerji üretimi;
çeşitli alternatif dağıtık kaynaklardan ve birkaç farklı enerji
üretim birimini içeren hibrit sistemlerden sağlanabilir. Böyle
Smart Grids Workshop, 22-23 January 2015, Istanbul Gelisim University, Istanbul/Turkey
Second Author et al.
bir durumda enerji sürekliliğinin garanti edilmesi için enerji
depolama birimi sistemin vazgeçilmez bir bileşeni
olmaktadır. Ayrıca böyle bir tesis kurulurken şebekeden
enerji sağlanması durumunda iletim hatları tesis edilmesi
sebebiyle ortaya çıkacak yüksek maliyetler de ortadan
kalkmış olur.
Dağıtık üretim birimlerinin en yaygın kullanılanları
olarak rüzgar ve güneş kaynaklı yenilenebilir enerji
santralleri oldukça kesintili ve dalgalı bir güç karakteristiğine
sahiptir. Aşağıda örnek bir FV sistemin bir günlük güç
değişimi gösterilmektedir.
Aşağıdaki tabloda bu sınıflandırmaya uygun olarak farklı
amaçlarda enerji depolama uygulamalarına örnekler
verilmektedir.
Tablo 1. Güç sistemlerinde enerji depolama uygulamalarının
amaçlarına göre sınıflandırılması ve teknik özellikleri.
GÜÇ
YÜK
FV çıkış güç profili
(kW)
cevap süresi (devreye girme) ms düzeyinde olması
beklenirken uzun servis süresine gerek duyulmayabilir
(genelde 1 saatten kısa), birkaç dk civarı servis süreleri
ihtiyaca göre kabul edilebilmektedir.
4.8
Güç kalitesi,
güvenilirlik
Yük takibi,
KGK (UPS)
Gerilim
desteği,
transient
regülasyonu
*YEK’lerden
faydalanma,
sevkedilebilirlik
3.6
ŞEBEKE
2.4
1.2
0
0
4
8
12
16
20
24 (saat)
Şekil 2. Örnek bir fotovoltaik sistem için bir günlük güç
değişim grafiği.
Bu şekilde değişen bir güç profiline sahip çok sayıda
dağıtık üretim birimlerinin şebekede yaygınlaşması ile güç
kalitesi problemleri ortaya çıkmaktadır. Arz ve talep gücün
dengelenemediği ve şekildeki gibi bir salınım gösterdiği
durumda gerilim ve frekans salınımlarına sebep
olabilmektedir.
Enerji depolama uygulamaları bu gibi sürekli değişken
güç profiline sahip enerji kaynaklarının çıkış gücünün
düzgünleştirilmesi (smoothing) için ve gerilim frekans
regülasyonu sağlanması için kullanılabilmektedir[4-7].
3. Enerji Depolama Uygulamalarının Amacına göre
Sınıflandırılması
Saniyeler
Dakikalar
YEK: Yenilenebilir enerji kaynakları,
KGK:Kesintisiz güç kaynağı,
UPS:Uninterrupted power supply
Güç sistemlerinde uygulanan çeşitli enerji depolama
teknolojileri depolama uygulamalarının çeşitliliği ve
uygulama alanlarının genişliğini göz önüne almak üzere
maddeler halinde sıralanmaktadır, [4-8]





Enerji depolama uygulamaları iki temel ihtiyaca cevap
verecek şekilde sınıflandırılır;

Enerji temelli uygulamalar:
Birkaç saatlik servis (deşarj) süresi gerektiren, uzun
süreli enerji ihtiyacına cevap verebilecek ve ihtiyaç anında
cevap süresi (devreye girmesi) çok hassas yükler dışında 1dk
civarında olması kabul edilebilen depolama uygulamalarıdır.
2.
Güç temelli uygulamalar:
Yük talebinin karşılanmasından ziyade, güç kalitesi
düzeltilmesine yönelik kullanılan depolama uygulamalarıdır.
Şebeke frekans kararlılığının sağlanması, ani güç değişimleri
ve gerilim değişimlerinin bastırılması gibi amaçlarla
kullanılan depolama uygulamalarıdır. Bu uygulamalarda
Saatler
4. Çeşitli Enerji Depolama Teknolojilerinin Güç ve
Enerji Yoğunluğuna Göre İncelenmesi
Kimyasal, mekanik ve elektriksel olarak farklı enerji
depolama teknolojileri mevcuttur. Bunların içinden ihtiyaca
en uygun özellikteki teknoloji, maliyet-performans oranı
dikkate alınarak seçilmektedir.
1.
ENERJİ
Tepe talep
traşlama, yük
kaydırma
(load shaving,
shifting)
Şebekede
yoğunluk/yığılma
giderilmesi,
Arakazanç
(Arbitraj)



Pompalamalı hidroelektrik ile depolama
Sıkıştırılmış hava ile depolama
Hidrojen temelli enerji depolama
Geleneksel Bataryalar
 Kurşun-asit (Pb-Acid) bataryalar
 Nikel kadmiyum (NiCad) bataryalar
Gelişmiş Bataryalar
 Lithium Ion (Li-ion) bataryalar
 Sodyum Sülfür (NaS)
 Zebra (NaNiCl) bataryalar
Akışlı (Flow) Bataryalar
 Vanadyum Redoks Bataryalar (VRB)
 Çinko Brom Bataryalar (ZnBr)
Uçan teker/ Volan (Flywheel) enerji depolama
Süper iletkenli magnetik enerji depolama
(SMES)
Süperkapasitör/ Ultrakapasitör
Aşağıda verilen grafikte farklı enerji depolama
teknolojilerinin güç ve enerji yoğunluğuna göre
sınıflandırılmaları grafik üzerinde gösterilmektedir.
Smart Grids Workshop, 22-23 January 2015, Istanbul Gelisim University, Istanbul/Turkey
Second Author et al.
107 Ultra
Kapasitörler
106
Elektrokimyasal
Kapasitörler
103
-Petrol
-Dizel
jeneratörler
102
Bataryalar
1
10-2
10-1
1
10
102
Yakıt
hücreleri
Maksimum
enerji üretimi
Sistem Talebi/ kW
104
Orta seviye
Temel yük
enerji üretimi enerji üretimi
Güç Yoğunluğu (W/ kg)
105
Depolama ile birlikte
üretim profili
Enerji yoğunluğu (Wh / kg)
Şekil 3. Farklı tür enerji depolama teknolojilerinin enerji/güç
yoğunluğu
özelliklerine
göre
grafik
üzerinde
sınıflandırılması [4].
5. Enerji Depolama Uygulamalarının Akıllı Şebeke
İşlevleri (Talep Tarafı Yönetimi)
Güç sisteminde enerji talebi yıl içerisinde mevsim
koşullarına bağlı olarak ve gün içerisinde de çeşitli sebeplerle
sürekli bir dalgalanma göstermektedir. Belli aralıklarda güç
talebi tepe değerlere ulaşırken, bazı aralıklarda çok daha
düşük değerlerde seyretmektedir. Geleneksel güç sisteminde
talepteki bu değişime enerji santrallerinin üretim değerleri
kontrol edilerek cevap verilmektedir veya talebin yüksek
olduğu dönemler için yüksek fiyatlı tarife uygulanarak, enerji
talebini bu aralıkta engelleyip farklı zamanlara kaydırılması
zorlanmaktadır.
Akıllı şebeke uygulamaları ile talep değerindeki bu
değişimler istatistiksel verilere dayanan tahminler ile
önceden belirlenebilirken, anlık izleme sistemleri ile de takip
edilebilmektedir. Bu imkanlarla beraber çeşitli kontrol
algoritmaları ile işletilen enerji depolama birimlerinin
sisteme dahil edilmesi ile çok daha aktif bir güç (talep)
yönetimi gerçekleştirilebilmektedir. Bu güç yönetimi
uygulamaları
“talep
tarafı
yönetimi”
olarak
adlandırılmaktadır.
Aşağıdaki grafikte enerji depolama sistemi ile işletilen
bir güç sisteminin bir günlük talep güç grafiği verilmektedir.
Talep güç değerinin üretim kapasitesinin çok altında olduğu
saatlerde üretim birimleri talep gücün üzerinde çalıştırılması
ile fazla enerji depolama birimlerinde depolanabilir daha
sonra tepe talep değerlerine ulaşılan zaman aralıklarında bu
talep daha önce depolanmış enerjiden karşılanabilmektedir.
Böylece üretim birimlerinin belirli aralıklarda aşırı
yüklenerek
çalıştırılması,
kapasitelerinin
zorlanması
engellenerek verimli işletme, üretim birimlerinin işletme
ömürlerinin uzatılması ve iletim dağıtım kayıplarının
azaltılmasına katkı sağlanmaktadır. Aynı zamanda eğer çok
zamanlı tarife sistemi uygulanan bir ücretlendirme yapısı söz
konusu ise bu uygulama ile tarifenin ucuz olduğu aralıkta
depolama yapılmış, tarifenin pahalı olduğu aralıkta ise talep
gücün bir kısmı şebekeden çekilirken bir kısmı da depolama
biriminden karşılanarak ekonomik tasarruf sağlanmış
olmaktadır. Bu uygulama ara kazanç (arbitraj) olarak
adlandırılmaktadır [4-8]
Depolama sisteminden
sağlanan enerji
Temel yük enerji
santrallerinden
depolanan enerji
Üretim ve talebi dengeleyerek
gerilim ve frekansın korunması
için kullanılan depolama
Temel yük enerji
santrallerinden
depolanan enerji
Depolama olmadan
üretim profili
0
103
Santralin maksimum (puant) güçte
çalışması ile karşılanan, her gün
sadece birkaç saat süreyle talep
edilen maksimum güç
Depolama olmadan
üretim profili
06:00
12:00
18:00
Günün zaman dilimi
00:00
Şekil 4. Yük kaydırma prensibi ile işletilen depolama
uygulamasının güç sistemine etkisini gösteren günlük
elektriksel güç-zaman grafiği [4].
6. Hibrit enerji depolama sistemi geliştirilmesi projesi
Bataryalar en uygun maliyetli enerji depolama
teknolojileridir. Bununla beraber bataryaların enerji tamponu
(buffer) olarak kullanıldığı sistemlerde ani değişen güç
talebine karşı batarya ömründe ciddi oranda azalmalar
görülmektedir. Özellikle ada modunda çalışan mikro
şebekeler veya şebekeden bağımsız sistemler için bu konu
büyük önem arzeder.
Tek tip bir enerji depolama cihazı kullanılarak YEK
kullanan mikroşebekede gerek ada modu işletmede talepüretim dengesinin sağlanması, gerekse şebekeye bağlı
işletmede yenilenebilir kaynakların dalgalılığının şebekeye
olumsuz etkilerinin bastırılması işlevleri etkin bir şekilde
gerçekleştirilemez. FV gibi kesintili yapıdaki YEK’ler;
talebin karşılanabilmesi için yüksek enerji yoğunluklu
depolama gerektirirken, güçteki ani dalgalanmalar ise yüksek
güç yoğunluklu depolama gerektirmektedir. Bir UK’da enerji
depolanması; bataryadaki gibi bir elektrokimyasal süreç
yerine statik yüklenme anlamına gelir. Bu nedenle UK
bataryaya göre daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir ve şarj
deşarj süreleri çok düşüktür. O halde daha iyi güç ve enerji
performansı için bu iki depolama cihazını birleştirmek
avantajlı olmaktadır. Batarya ve UK, akım veya gücün uygun
şekilde ikisi arasında paylaşılması ile aynı anda şarj veya
deşarj olabilirler. Böylece batarya ve UK’nın birlikte
kullanılması ile oluşturulan hibrit enerji depolama sistemi;
yüksek enerji ve yüksek güç yoğunluğu ihtiyacını bir arada
karşılayabilen ve dağıtık üretim, mikroşebeke gibi konuların
gelişiminde oldukça gelecek vadeden bir seçenektir[7-12].
TÜBİTAK desteği ile geliştirilen projenin amacı UK ve
kurşun asit bataryalardan oluşan hibrit enerji depolama
sisteminin FV güneş enerjisi sistemine entegre edilerek
sistem performansının arttırılması ve bir akıllı enerji
yönetimi uygulaması ile sistemin farklı koşullarda her zaman
optimum işletme performansı sağlaması amaçlanmaktadır.
Proje kapsamında fakülte çatısına kurulan 5,1kWp FV
sistem Fronius Symo 4,5 eviricisi ile şebekeye paralel
çalıştırılmakta ve üretim durumu sürekli uzaktan
izlenebilmektedir. Aşağıda Resim 1’de FV sistem ve evirici
resimlerine, Resim 2’de üretimin uzaktan izlenmesini
sağlayan yazılımın ekran görüntüsüne yer verilmiştir. İzleme
sisteminden günlük, aylık, yıllık üretim değerleri
görülebilmekte ve kayıt edilmektedir.
Smart Grids Workshop, 22-23 January 2015, Istanbul Gelisim University, Istanbul/Turkey
Second Author et al.
ar&ge çalışmaları önem kazanmaktadır. Bu konularda
güvenilir teknolojik gelişimin sağlanması ile “dağıtık üretim
birimleri ve akıllı şebekelere” geçiş sürecinde önemli bir
aşama kaydedilmiş olacaktır.
Destek
Resim 1. 5,1kWp FV sistem ve evirici görüntüleri.
Bu çalışma, “Fotovoltaik kaynaktan beslenen 3-fazlı 4telli akıllı mikro şebeke yapısının batarya ve
ultrakapasitörden oluşan hibrit enerji depolama sistemi ile
geliştirilmesi” isimli ve 113E143 no’lu TUBİTAK projesi
tarafından desteklenmektedir.
Kaynaklar
[1] Kethani A., Marwali M., “Smart Power Grids”, Springer,
2011. (Book)
[2] A.B.M. Shawkat Ali, “SMART GRIDS Opportunities,
Developments and Trends”, Springer 2013. (Book)
Resim 2. FV sistemin üretiminin uzaktan izlenmesi arayüzü
gürüntüsü.
Deneysel çalışmalar sırasında FV paneller kontrol
panosunda Fronius eviriciden ayrılarak deney düzeneğine
bağlanabilmektedir. Ayrıca hava şartlarının deneyler için
elverişsiz olması halinde kullanılmak üzere Chroma FV
panel simülatörü de çalışmalar açısından büyük fayda
sağlamaktadır. Aşağıda geliştirilen sistemin genel şeması
gösterilmektedir.
[3] Ribeiro PF, Johnson BK, Crow ML, Arsoy A, Liu Y.,
“Energy storage systems for advanced power
applications”,
Proceedings
of
the
IEEE
2001;89(12):1744–56.
[4] Whittingham, M. S., History, “Evolution, and Future
Status of Energy Storage”, Proceedings of the IEEE,
Issue Special Centennial, Vol. 100, pp 1518-1534, 2012.
[5] Çalıker A., KOÇ İ.M., Özdemir E., “Yenilenebilir Enerji
Kaynağından Beslenen Elektrik Güç Sistemleri İçin
Hibrit Enerji Depolama Teknolojileri”, 20. Uluslararası
Enerji ve Çevre Fuarı ve Konferansı, 2014.
[6] Divya KC, Østergaard J. “Battery energy storage
technology for power systems: an overview.” Electric
Power Systems Research 2009;79(4):511–20.
[7] Pengwei Du, Ning Lu, “Energy Storage for Smart Grids,
Planning and Optimization for Renewable and Variable
Energy Resources (VERs)”, Elsevier 2015
[8] Manz D., Piwko R., Miller N., “The Role of Energy
Storage in the Grid”, IEEE Power&Energy Magazine,
July/August 2012, 1540-7977/12/$31.00, 2012 IEEE.
Şekil 5. Fotovoltaik kaynaktan beslenen akıllı mikro şebeke
yapısının UK ve bataryadan oluşan hibrit enerji depolama
sistemi şematik gösterimi
7. Sonuç
Lisanssız üretim yönetmeliği kapsamında yenilenebilir
enerji üretim santralleri Türkiye’de de dünyada olduğu gibi
hızlı bir gelişim içerisindedir. Bu kapsamda küçük güçlü çatı
tipi FV sitem uygulamaları ve şebekeden bağımsız sistemler
hızla yaygınlaşmakta bunlara bağlı olarak enerji depolama
sistemlerine yönelik talepler giderek artmaktadır. Ayrıca
yukarıda belirtilen özellikleri ile şebeke ölçeğinde enerji
depolama uygulamaları da giderek önem kazanmaktadır.
Bu gelişim sürerken enerji depolama sistemlerinin daha
etkin ve ekonomik işletilebilmesi adına “batarya yönetim
sistemleri” ve “akıllı enerji yönetim sistemleri” konularında
[9] ZHANG Y., Jiang Z.H., Yu X.W., Control Strategies for
Battery/Supercapacitor Hybrid Energy Storage Systems,
IEEE Energy 2030 Conference, (2008), pp: 273-278.
[10]
TANG X.S., Qi Z.P., “Economic Analysis of
EDLC/Battery Hybrid Energy Storage, 11th International
Conference on Electrical Machines and Systems”, (2008),
pp: 2729-2733.
[11]
ZHOU H., Bhattacharya T., Tran D., Siew T.S.T.,
Khambadkone A.M., “Composite Energy Storage System
Involving Battery and Ultracapacitor With Dynamic
Energy Management in Microgrid Applications”, IEEE
Transactions on Power Electronics,26,3, 923-930, (2011).
[12]
Erhan K., Aktaş A., Özdemir E., “Analysis of a
Hybrid Energy Storage Sytem Composed from Battery
and Ultracapacitor”, 7th International Ege Energy
Symposium & Exhibition, 2014.