Grid 2.0'a Dönüşümde Ufukta Neler Var?

Dağıtım Şebekesi 2.0'da Elektrik Dağıtım Şirketleri İçin Ufukta Beliren Sorunlar

Yeni Bir Dönem: Dağıtık Sistemler

Bu yeni sürecin ruhu, merkeziden yerel olana, analogdan dijitale ve büyük/ağır sistemlerden küçük/hafif sistemlere bir geçiş olacak. Gelişmiş ülkelerde elektrik altyapısının ekonomik ömrünün sona ermesi ve gelişmekte olan ülkelerde geleneksel merkezi yaklaşımın yüksek maliyetini karşılayamama nedeniyle daha hızlı ve ekonomik çözümlere duyulan ihtiyaç, yıkıcı bir dönüşümü zorunlu kılmaktadır. Şüphesiz, bu sürecin anahtarı, elektrik şebekesinin yapısından işletilmesine kadar tüm süreçleri değiştirecek olan “dağıtık” kelimesi olacaktır. Bu kelimeye bu makalede de oldukça sık rastlayacaksınız.

Yukarıdaki görsel, bizi bekleyen Şebeke 2.0 yapısını göstermektedir. Dağıtım şebekeleri, uzun süredir devam eden devasa ve merkezi yapısından, paydaşların daha dağıtık olduğu ve birbirleriyle sürekli iletişim halinde olduğu yeni bir şebeke yapısına doğru evriliyor.

Çoğumuzun ilkokul yıllarında okuduğu “Küçük Prens” kitabının yazarı Antoine de Saint Exupery, bu durum için harika bir söz söylemiştir: “Sizin sorumluluğunuz geleceği tahmin etmek değil, onu mümkün kılmaktır.”

Bu geleceği nasıl mümkün kılacağımızı ve planlayacağımızı konuşmamız ve tartışmamız gerekiyor. Ona doğru ilerliyoruz. Sonunda, suyun akışıyla yolunu bulacağından şüphe yok ama bunun maliyeti ne olacak ve ne kadar sürecek?

Bir yol ayrımındayız ve teknolojilerin benimsenmesi/uygulanması (ki toplum olarak bunda oldukça iyiyiz) üzerine odaklanıp iyi planlanmış bir rota izlememiz gerekiyor. Bu yüzden, bu genel dönüşümde bir engelleyici olma potansiyeli taşıyan dağıtım şebekelerinin dönüşümünü planlamaya başlamamız gerekiyor. İyi tanımlanmış ve planlanmış bir çerçeve içinde doğru ve en ekonomik mühendislik çözümlerini geliştirmeye başlamak için durumu hem ayrıntılı hem de kuşbakışı bir bakış açısıyla ele alarak önümüzdeki sorunları anlamamız gerekiyor. Dolayısıyla ana soru şudur: Özellikle yukarıda görselleştirilen dağıtım şebekesi yapısında elektrik dağıtım şirketleri için ufukta beliren sorunlar nelerdir?

Dağıtım Şebekeleri Değer Tekliflerini Kaybederek Daha Az Önemli Hale mi Gelecek?

Burada önemli bir hususun altını çizmemiz gerekiyor. Dağıtık ve esnek sistemlerin yaygınlaştığı doğru olsa da, üretilen elektrik enerjisinin dağıtımı için hala fiziksel bir altyapıya (yani dağıtım şebekesine) ihtiyacımız var. Asıl önemli nokta, bu dağıtım şebekesinin sınırlamaları, yetersizlikleri veya esnekliğinin, nihai sistemlerimizin ne kadar esnek olacağını belirleyecek olmasıdır.

Çok basit bir örnek olarak, aynı dağıtım trafosundan beslenen tüm çatı üstü PV sistemleri için şebekeye enerji ihraç etme durumunda ortaya çıkacak trafo/fider yükleme kapasitesi, gerilim yükselmesi veya reaktif güç akışı gibi teknik kısıtlamalar verilebilir.

Dağıtık Üretimin Etkisi “Ördek Eğrisi”

Teknolojik gelişmelerle artan verimlilik ve sürekli düşen ekipman maliyetleri nedeniyle en yaygın dağıtık üretim kaynağının güneş enerjisi olması bekleniyor. Bugün bile, enerji kaynakları arasında en düşük maliyetli olanın (ABD Enerji Bakanlığı Raporu) LCOE açısından güneş enerjisi olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle, dağıtık üretimin artan payıyla birlikte beklenen ilk sorunlar, çift yönlü enerji akışından kaynaklanan kısıtlamalar ve tek yönlü akış için tasarlanmış sistemlerdeki teknik kalite sorunlarıdır.

Genel olarak, enerjinin üretildiği yerde tüketilecek olması, sistem verimliliği açısından büyük bir iyileşme sağlayacaktır. Merkezi olarak üretilen enerjinin iletim ve dağıtımında genellikle yaşanan teknik kayıplar da günün belirli bir döneminde önemli ölçüde azalacaktır. Şimdi, önceki cümledeki anahtar ifade “günün belirli bir döneminde”dir.

Güneş enerjisinin güneşe doğrudan bağımlılığı ve dağıtık üretim sistemlerinin artan yaygınlığı nedeniyle belirli bir dönemde olması, üretim ve tüketim arasındaki farkı kapatıcı bir etki yaratmaktadır; bu da geleneksel yük grafiğinde, aşağıdaki şekilden de görülebileceği gibi, “ördek eğrisi” olarak adlandırdığımız bir değişime yol açmaktadır.Ördek Eğrisi

Aslında, bazı gelişmekte olan ekonomiler için durum daha da kötüdür; öyle ki buna “köpekbalığı eğrisi” denmektedir. Bu durum, düşük verimli cihazlar ve talep yönetimi politikalarının eksikliği nedeniyle talepte çok keskin bir artış yaşanmasından kaynaklanmaktadır, aşağıda açıklandığı gibi:

Gerilim Düzenleme Sorunu

Eğrideki bu şekildeki değişim, uç noktada tüketim için tasarlanmış şebekelerde gerilim düzenleme sorunlarını beraberinde getirmiştir. Dağıtım trafoları, güneş enerjisi üretiminin hiç olmadığı veya çok az olduğu, yüksek tüketimin olduğu pik saatlere göre ayarlanır. Ancak, gün ışığı saatlerinde, güneş enerjisi üretimi nedeniyle toplam talep azalacak (ve bazı yerlerde enerji dağıtım şebekelerine geri akmaya başlayacak) ve genel sistemde bir gerilim yükselmesi sorunu yaşanacaktır. Güneşli saatlerde yüksek gerilim ve akşam saatlerinde düşük gerilim, elektrik dağıtım şirketlerinin ele alması gereken başlıca zorluklardan biri olacaktır.

Öte yandan, hava durumundaki hızlı değişiklikler nedeniyle kesintili üretim ve üretim tesislerinin belirli bir coğrafi alanda yoğunlaşması, üretim tahminini önceden yüksek doğrulukla yapmayı zorlaştıracaktır. Tam da bu nedenle, yeni yatırımlar veya iyileştirmeler bu sorunun çözümünü dikkate alarak yapılırsa kaynaklar çok daha etkin kullanılacaktır.

Batarya Depolama Bir Çözüm Olabilir mi?

“Ördek Eğrisi”nin depolama teknolojileriyle iyileştirildiği ve hatta daha iyi hale getirildiği konusunda bazı tartışmalar olabilir. Evet, depolama kesinlikle değineceğimiz alanlardan biri ancak bu alanda çoğu ülkeden çok ileride olan Avustralya'ya aşağıdaki rapordan da görülebileceği gibi bakacak olursak bile: Enerji Depolama

Oradaki durumda görüyoruz ki, çatı üstü PV kurulumları 2 milyon adede yaklaşırken, dağıtık depolama yaklaşık 33 bin civarında. Dolayısıyla, depolamanın dağıtık üretim kurulum sayılarına yetişmesi için büyük bir gecikme var. Depolama sistemleri ile PV kurulumları arasındaki bu faz farkı, yukarıda bahsedilen yük profili ve gerilim regülasyonu sorunlarına neden olma olasılığı çok yüksek.

Dağıtık Çözümlerin Uygulanmasındaki Temel Zorluk: Kaynak

Dağıtık üretimin yaygınlaşmasının neden olduğu gerilim regülasyonu gibi sorunlar, elektrik dağıtım sisteminin güvenli ve güvenilir bir şekilde işletilmesi için ciddi bir sorun teşkil etmeye başladığında, uygulanacak çözümler de soruna paralel olarak dağıtık yapıda olmak zorunda kalacaktır. Bu noktada, Grid 2.0 adını verdiğimiz yapı kendini gösterecek ve sadece enerjinin değil, verinin de çok yönlü aktığı, mevcut varlıkların daha etkin kullanıldığı ve sorunların akıllı sistemler aracılığıyla minimize edildiği bir mimariyi bir araya getirecektir.

Burada vurgulanması gereken nokta, çözümlerin de dağıtık olacağıdır. Dağıtım şebekeleri gibi çok sayıda varlığın (trafolar, hatlar, tüketim noktaları) bulunduğu bir sistemde, dağıtık çözümler birçok noktada yeni veya ek yatırımlar anlamına gelir. Ve elbette bu, kısacası zaman, para ve kaynak gerektirir. Bunu önlemenin en ekonomik yolu, mevcut veya yeni tüm varlıkların daha etkin kullanılmasını sağlamak için BİT sistemlerini mümkün olan en üst düzeyde konuşlandırmaktır. Dağıtık PV ve depolama sistemlerini bu denkleme entegre etmek, dağıtım şebekeleri için iki temel soruna çözüm sağlayacaktır: dağıtık sistemlerin gerekliliği ve yetersiz kaynaklar.

Reaktif Güç Kontrolü

Teknik Kayıplar ve Reaktif Güç Kontrolü

Gerilim regülasyonunun yanı sıra bir diğer sorun da reaktif güç akışı ve bundan kaynaklanan teknik kayıplar olacak, bu da dolaylı olarak gerilim sorununa yol açacaktır. Aktif güç talebi düşük olduğunda bile, reaktif güce (klimalar, pompalar vb. için) talep olmaya devam edecek ve dağıtım şebekelerindeki reaktif güçten kaynaklanan teknik kayıplar, aktif güçten kaynaklanan teknik kayıplardan daha fazla olmaya başlayabilir. Reaktif güç akışı, özellikle uzun ve küçük çaplı hatlarla beslenen noktalarda verimliliğin önemli ölçüde düşmesine neden olur. Bunu aşmanın en iyi yolu, reaktif güç talebini aynı veya yakın bir konumda karşılamak olacaktır.

Reaktif güç kompanzasyonu zamanla konut binaları için de bir gereklilik haline gelmeye başlayabilir. Bu aynı zamanda son kullanıcılar için ek bir yatırım anlamına gelir. Bu noktada, mevcut varlıkları (özellikle PV sistemlerini) kullanabilmek, ek (ve muhtemelen gelecekte atıl kalacak) yatırımları önleyecektir. Çatı üstü PV sistemlerini bir reaktif güç kompanzasyon sistemi olarak kullanabilmek, hem reaktif güç akışından kaynaklanan teknik kayıplar hem de ek yatırım gereksinimi için bir çözüm olacaktır.

Bugün Ne Yapılması Gerekiyor?

Yukarıdaki tartışma noktalarını özetlemek gerekirse:

Geleneksel olarak tek yönlü güç akışı için tasarlanmış ve işletilmiş dağıtım şebekesi sistemleri, çok yönlü yük akışına sahip olacak ve bu durum gerilim regülasyonu, reaktif güç akışı ve ek teknik kayıpları beraberinde getirecek; bunlar sistemi çalışamaz hale getirebilecek ciddi sorunlardır.

Bu sorunları çözecek sistemler de dağıtık yapıda olmak zorunda kalacak ve önemli bir kaynak gereksinimi doğuracaktır. Tam da bu nedenle, mevcut varlıkları entegre bilgi teknolojileriyle işleterek daha etkin kullanan sistemlere yönelmemiz gerekiyor. Dağıtım şirketlerinin PV üretimi, batarya, EV şarj istasyonları (ki bunlar BT-OT entegrasyonuna oldukça hazır) üzerinde bir miktar kontrol sahibi olması ve bunları yönetmesi, ayrıca son kullanıcıları bu sistemler için yapacakları seçimlerde yönlendirerek maliyetli sistem büyütmelerini önlemesi çok önemlidir. Bu yüzden dağıtım şirketleri ve prosumer'ların sürekli etkileşim halinde olacak paydaşlar olacağını ve bu etkileşimi sağlamak için hemen adımlar atmaya başlayabileceklerini düşünüyoruz.

Alper Terciyanlı, Ph.D.

‍