Smart Grid DrHasanBasriCetinkaya

(1)

© Siemens 2009

AKILLI ŞEBEKE

TEKNOLOJİSİ

“SMART GRID”

Rüzgar ve Güneş Santrallarının

Şebeke Bağlantısı Teknik ve Ekonomik Sorunlar Paneli

ODTU / ANKARA

Dr. Hasan Basri ÇETİNKAYA

SIEMENS San. ve Tic. A.S. ENERGY Sector

Engineering&Coordination Power Technologies Int. Group

E E&C PTI

(2)

SUNUM İÇERİĞİ

AKILLI ŞEBEKE TEKNOLOJİSİ / SMART GRID TECHNOLOGY

1. Günümüz Şebekeleri ve Gelecek Öngörüleri

2. SMART GRID nedir? Nasıl ortaya çıktı?

3. SMART GRID Bileşenleri ve teknolojileri nelerdir? 4. SMART GRID Dengesi

5. SMART GRID “Blackout” etkinliği nasıldır? 6. SMART GRID Şebeke ihtiyaçları

7. SMART GRID Neden şimdi? 8. SMART GRID Geleceği

(3)

Günümüz Şebekeleri ve Gelecek Öngörüleri

Günümüzün güç sistemleri, 1883 yılında TESLA’nın yayınladığı dizayn esaslarına göre kurulmuştur. Zamanı için merkezi üretimler, talep kontrolü ve tek yönlü iletim sistemleri mantıklı olmasına karşın, günümüz ihtiyaçlarına göre artık demode olarak ifade edilmektedir.

Amerikan hükümetinin 2008 yılı uluslararası enerji bakışına göre,

dünyanın enerji tüketimi 2005’ten 2030 yılına kadar %50 artacaktır. Dolayısıyla geleceğin güç şebekeleri Tesla’nın düşünüğünden çok daha fazlasına sahip olmalıdır.

(4)

Mevcut şebekelerin, dikkatli bir mühendislik yapılarak komple

yenilenmeye ihtiyaç duyduğu bir çok kaynakta belirtilmektedir.

"Smart Grid" - Renovation Of Our Obsolete Power Grid

KEMA: 4 yıl içinde oluşması öngörülen

16 milyar $ teşvikin, 64 milyar $’lık akıllı şebeke ile ilgili projelere katalizör görevi göreceğini ve 150,000’i 2009 yılının

sonuna kadar olmak üzere 280,000 yeni iş imkanı oluşacağını öngörmektedir.

The U.S. Smart Grid Revolution - KEMA’s Perspectives for Job Creation &

(5)

SMART GRID

Nedir?

“Toward a Smart Grid”, S.Massoud, B. Wollenberg, IEEE power & energy magazine / october 2005

1980 – F15 - %90 sağ kanat problemi

1985-1998 / Washington Uni.–IFCS (Nasa&Boeing) Kendini iyileştirebilen, kararlı, güvenilir (N-k’da bile) NEURAL NETWORK TECHNOLOGY

EPRI (Electric Power Research Institute) MISSING WING

“Güç şebekesindeki tüm noktaların uyanık, tepkili, adaptif, maliyet açısından uygun, çevre ile dost, gerçek(eş)-zamanlı, esnek, kuvvetli ve her sistemle bağlanabilen bir yapıda olması

AKILLI yapıyı oluşturmaktadır”

(6)

SMART GRID

Nedir?

Neye ihtiyacı varsa onu alır.

Güç istenilen noktalardan aktarılabilir.

Diğer sistemler ile konuşabilir

Akıllı bir şebeke dinlenebilir.

(7)

SMART GRID konusunu aktive eden sorular

“Bugünkü kullandığımız iletim yapısı 125 yıl önce dizayn edildi. Güç eksikliklerini hissetmemek, karanlıkta kalmamak, güvenilirlik ve verimin arttırılması için şebeke “upgrade” edilmelidir. Şebeke

modern, güncel ve akıllı bir yapıda olmalıdır.

(Richard DeBlasio – NREL)

http://www.ieee.org “A smart grid for Intelligent Energy Use”

“Sürdürülebilir enerji kaynağı için yenilenebilir enerji kaçınılmaz, peki nasıl?”

(James Momoh-Howard University)

“Asıl sorulması gereken soru, sürdürülebilir enerji

amaçlarımıza ne kadar ulaşabildiğimizdir ve sürdürülebilir bir yapıya sahip olmamaya kimin gücünün yetebileceğidir. Sürdürülebilir enerji kaynağı için yenilenebilir enerji

kaçınılmazdır.”

(8)

SMART GRID konusunu aktive eden sorular

http://www.ieee.org

“A smart grid for Intelligent Energy Use”

“Hiçbir röle ya da sayaç güç üretimi ve iletimi yapamayacağından tüketim arttığında yapılması gereken yeni üretim birimleri ve yeni iletim sistemleri tasarlamaktır. Ayaklarımızın altında dünyanın en zengin bakır madenleri

bulunduğundan, enerjinin verimli kullanılabilmesi önem kazanmaktadır.”

(Roger N. Anderson - Columbia University)

“ Evet depolamaya ihtiyacımız var, evet dağıtılmış üretime ihtiyacımız var, ancak farklı yenilenebilir enerji türleri ile tek bir kaynağa bağlı olmadan.”

(Roger N. Anderson Columbia University)

(9)

SMART GRID konusunu aktive eden sorular

Yakın gelecekte yenilenebilir enerji kaynaklarının global kullanımı çok hızlı

gerçekleşmeyecektir ancak iletim ve dağıtım sistemlerinin bunlara hazır olması akıllı şebekeler yoluyla olacaktır. Mevcut şebekelerin akıllı hale getirilmesinin bir çok faydası bulunmaktadır.

http://www.ieee.org “A smart grid for Intelligent Energy Use”

“Amerika’da böyle bir yapıya sahip olunması

karbon emisyonlarını %25 oranında aşağı

çekecektir. CO2 açısından ise 160 milyon hektar ormanın daha temiz bir hava için çalışabilmesini sağlayacaktır. Bu yaklaşık 130 milyon aracın

yollardan çekilmesi ile eşdeğerdir. Akıllı bir şebeke, tek bir noktadan olmayan yolculuktur.”

(John McDonald – GE Energy)

http://ge.ecomagination.com/smartgrid/?c_id=Matter#/co2_emissions

“2030 yılında dünya enerji ihtiyacı %30

artacak. Sorulması gereken soru ise

mevcut karbon emisyonlarının arttırılmadan bu büyümenin nasıl karşılanabileceği”

(10)

SMART GRID Bileşenleri ve Teknolojileri

(DOE Modern Grid Strategy) Sayaç&Sensör

Akıllı Uygulamalar: Önceden belirlenmiş kullanıcı tercihlerine bağlı olarak gücün ne zaman tüketileceğini belirler. Bu da elektrik üretimi ve emisyonlar üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahip olan tepe (peak) yüklerini indirger.

Akıllı sayaçlar: Tüketici ve gücü sağlayan kuruluş arasında iki yönlü iletişimi sağlar ve ödeme verilerinin toplanmasını, güç

kesintilerinin belirlenmesini ve tamircilerinin hızlı bir şekilde doğru lokasyona

yönlendirilmesini sağlar.

Bütünleştirilmiş haberleşme: Veri toplama (SCADA), koruma ve kontrol konseptleri, bütünleştirilmiş bir sistemde kullanıcının akıllı elektronik cihazlar ile etkileşimini

sağlar.

Hissetme ve Ölçme: Şebekenin sağlıklı olduğunu ve bütünlüğünü koruduğunu

tanımlayacak verileri toplar. Otomatik okumayı, online enerji maliyetinin bilinmesini ve enerji hırsızlığını engeller. “Engineering Insights 2008”

(11)

SMART GRID Bileşenleri ve Teknolojileri

(DOE Modern Grid Strategy) Üretim&Dağıtım&Kontrol

Akıllı istasyonlar: Güç faktörü performansı, kesici, trafo ve akü durumunun izlenmesi, kritik ve kritik olmayan işlem kontrolünü sağlar.

Akıllı Dağıtım: Kendi kedini iyileştiren, dengeleyici ve optimize edici yapıdadır. Otomatik izleme ve analiz etme özelliği ile hava durumu ve enerjisiz kalma geçmişine bağlı olarak arızaları tahmin edebilecek yapıya sahip sistemlerdir.

Akıllı Üretim: Şebekenin birçok noktasından alınan geri beslemeler ile, enerji üretiminin optimize edilmesi, gerilimin, frekansın ve güç faktörünün otomatik olarak ayarlanabilmesi için öğrenme özelliğine sahip güç üretimi

İleri kontrol metotları: Şebekenin

durumunu analiz ederek tanımlayan ve tahmin eden cihazlar ve algoritmalar topluluğunu ifade etmektedir. Otomatik olarak düzeltici önlemler alarak enerji kesintilerini ve güç kalitesi

problemlerini engeller ya da etkilerini azaltır.

(12)

SMART GRID Dengesi

Elektrik şebekelerinin en büyük zorluğu anahtarı açtığınızda operatörlerin talep ettiğini gücü vermek zorunda olmalarıdır. Bu her an her dakika yaşanır. Akıllı bir sistem tüketiciye daha faydalı olmayacaksa görsel bir şovdan öteye geçemez. Akıllı şebeke kendini hızla iyileştirebilen, daha güvenilir ve daha esnek bir yapıya sahip olmalıdır. Güvenliği de unutulmamalıdır.

(James A. Kelly Engineering&Technical Services SCE in Engineering Insights 2008)

“The Electric Grid Of the Future UCtelevision”

Peki ya rüzgar esmezse ve güneş parlamazsa, o zaman fosil kaynaklı üretimler

tüketimi karşılamak zorundadır. Denge çok önemlidir. Hava çok sıcaksa fotovoltaikler yağmur ve rüzgarlı ise rüzgar türbinleri çalışacaktır. Önemli olan güç eğrisini

pürüzsüz bir şekle getirmektir. Akıllı şebekelerde bu dengeleme gerçek zamanlı dinamik olarak yapılabilir.

(13)

SMART GRID Dengesi

Wind Turbine Electrical System and Grid Interconnection,

Detlef SHULZ

Advanced Grid Planning Operations,

(14)

"Saving for a rainy day" – Matt Krogh – 02.02.2009

2003 yılının Ağustos ayında yaşanan enerji kesintisi, aşırı ısınma ve çökmelerinin

birbirini takip etmesi sonucu oluştu (+izleme +contingency problemi) Enterkonnekte lokal şebekelerin ayrılması 50 milyon kişinin

enerjisiz kalmasına neden oldu. Bu da yaklaşık 8.2 milyon dolar bedel oluşturdu.

(Anderson Ekonomik Grubu’na göre)

Akıllı şebeke aslında bir dijital şebeke sistemini oluşturuyor. Bu da şebeke güvenliğinin sorgulanmasına neden oluyor. Yenilenebilir enerji kaynakları arttıkça ve tüm enerji sisteminin verimli ve güvenilir kullanılabilmesi amacıyla akıllı şebekelere ait altyapının bilinmesi ve uygulanmaya başlaması gereklidir. Ancak bunlar yapılırken şebeke güvenliği de düşünülmelidir.

SMART GRID

(15)

SMART GRID

“Blackout” etkinliği nedir?

2003 yılına yaşanan enerji kesintisinde eğer Amerika’nın Cleveland bölgesi arızayı hemen açabilseydi, yaşananan enerji kesintisi 50 milyon kişiyi değil, 1-2 milyon kişiyi etkleyecekti. Ancak

bilinmelidir ki akıllı sistemlerde birçok iletişim sistemi olacağından, dış saldırılara da açık olacaktır.

(16)

SMART GRID - Şebeke İhtiyaçları

Yeni iletim hatları

Böyle bir yapı enerjisizliği engellerken, enerjisiz kalınmışsa tekrar toparlanmayı hızlandırır. Ayrıca hat açmalarını-kapamalarında daha iyi performans sağlanır.

Akıllı şebekeler ayrıca yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının ve dizaynının da optimize edilmesini sağlar. Burada bağlayıcı nokta enerjinin üretildiği ve

tüketildiği nokta ile, bunların arasındaki iletim hattının yeterliliğidir.

(17)

SMART GRID - Şebeke İhtiyaçları

Enerji Depolama

“Süperiletkenlik diğer önemli bir nokta. Süperiletkenliğe sahip olunması, enerjinin depolanabileceği anlamına gelmektedir.”

“The Electric Grid Of the Future – UCtelevision”

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu /hbase/solids/scond.html

Ayrıca yenilenebilir enerji kaynaklarının tüketim merkezlerine uzak olması, düzenli olmaması ve hava tahminin yeteri kadar doğru

yapılamaması nedeniyle, enerji depolama sistemlerinin de önemi giderek artmıştır. 2007 yılında 2,4 milyar $ olan enerji depolama pazarının 2012 yılında 600 milyar $ olması beklenmektedir.

"Saving for a rainy day" – Matt Krogh – 02.02.2009

“Evet depolamaya ihtiyacımız var, evet dağıtılmış üretime ihtiyacımız var, ancak farklı yenilenebilir enerji türleri ile tek bir kaynağa bağlı olmadan”.

(18)

SMART GRID - Şebeke İhtiyaçları

Koruma Koordinasyonu & Haberleşme

Yenilenebilir enerji kaynaklarının

ve akıllı sayaçların ilavesi ile değişebilecek diğer bir yapı da

mevcut güç akış yönleri. Dağıtılmış üretim sistem korumasında kaynak tarafını değiştirebileceğinden, koruma filozofisi ve koordinasyonunun detaylı incelenerek revize

edilmesi anlamına geliyor. Bu da koruma mühendislerinin kendini yeniden revize etmesini de

gerektiriyor. (Anjan Bose-Washington State University)

(19)

SMART GRID - Şebeke İhtiyaçları

Koruma Koordinasyonu & Haberleşme

(20)

SMART GRID - Şebeke İhtiyaçları

Koruma Koordinasyonu & Haberleşme

Birçok haberleşme protokolü arasında günümüzde en öne çıkan protokol IEC 61850’dir ve smart grid yapısı ile ortak özellikler göstermektedir. Tanımlanan IED’ler ile hızlı ve dijital haberleşme sağlanmaktadır.

Temelli OSB & Gaziantep OSB (SIEMENS)

Tüpraş, Park Teknik Çöllolar Maden

IEC 61850

Fiber optik / kablo haberleşme (mesafe), ethernet switch Unique röle adresleri (IP haberleşme-Gateway),

IED numaraları (röleler arası haberleşme-Scada sınırı) 100Mbit hızında

IP numarası ile web üzerinden istenilen röle izlenebilir. Aynı istasyon içinde GOOSE haberleşmesi (25 röle) RTU üzerinden 5-10 saniye

(21)

SMART GRID

Neden Şimdi?

“Neden şimdi diye sorarsanız, akıllı bir şebeke için trafolar, röleler gibi tüm sistem elemanlarının akıllı olması gerekirdi, elektromekanik yapıdan dijitale geçildi. Ayrıca yüksek band seviyesine sahip yüksek hızlı iletişim gerekiyordu, çünkü tüm sistemin birbiri ile haberleşmesi gerekiyordu. Bu günümüzde artık gerek fiber teknolojisi ile gerekse kablosuz iletişimle mümkün olmaktadır. Ayırca bu kadar büyük sistem ve haberleşme ile başa çıkabilecek (saniyede milyonlarca veri) bir bilgisayar gücü gerekiyordu.”

(22)

SMART GRID

Neden Şimdi?

“Hazır olunan diğer bir nokta ise senkronize fazör ölçümleri ve FACTS sistemlerinin uygulanabilirliği. Böylece oluşan problemler kullanıcılardan önce bilinebilecek ve enerji kesintilerini oluşturan yüklenmeler ve dalgalanmalar engellenebilecek.”

“The Electric Grid Of the Future – UCtelevision”

SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition

(23)

SMART GRID Geleceği

Akıllı sistemlere geçişe karar verildiğine hemen ertesi gün geçemeyiz. 20-30 yıllık bir süreç bile alabilir. Akıllı sistemler için yasal düzenlemeler, standart yapılar

belirlenmeli ve çerçevede tüm insanların olduğu bilinci verilmelidir. İnsanlar konu ile ilgili bilinçlendirilmelidir. Kısa, orta ve uzun vadeli planlar yapılmalıdır.

“Bridges to the future – part-1 –Smart Grid

Mevcut sistemi alıp atamazsınız, yapılması gereken, bundan sonra sisteme entegre edilecek yapıları akıllı sisteme uygun entegre etmek.

(Anjan Bose-Washington State University)

(24)

SMART GRID Geleceği

“Yapılan bir çalışmada, tam smart grid yapısı kullanıldığında Amerika’da kullanılan arabaların %85’i hiçbir ek santral kullanılmadan mevcut şebekeden şarj olabilir.

Bunun nedeni enerjinin kullanılmadığı gece saatlerinde arabaların şarjda olacağıdır. Bunlar soğuk birer görüş değil ve çok da uzakta değiller.”

(25)

SMART GRID

Uygulamaları (Avrupa)

Amerika’da birçok örneği bulunan akıllı şebeke bileşenlerinin Avrupa’da da bir çok uygulaması bulunmaktadır. Avrupa’nın güneş enerjisini güneyden, dalga enerjisini batıdan ve rüzgar enerjisini kuzeyden getirecek akıllı şebekesini nasıl kuracağını ifade eden

“European Technology Platform (ETP) Smart Grids”

raporu bulunmaktadır. Güncel bir yayına göre (Dispower, Distributed Generation with High Penetration of Renewable Energy Sources), Avrupa şebekesi yakın gelecekte dramatik bir değişikliğe gidecektir. KYOTO protokolüne göre Avrupa, yenilenilir enerji kaynaklarından sağladığı üretimi 2010 yılına kadar 2 katına çıkaracaktır. Bu yayına bağlı olarak bazı pilot projeler başlatılmıştır.

Settlement "Am Steinweg" in Stutensee, Germany (Dispower Report, Pg. 79)

San Agustin del Guadalix, Spain (Dispower Report, Pg. 80)

(26)

ALMANYA

“DENA” ÇALIŞMASI-I

Almanya hükümeti 2008/2012 yıllarında 859 846 milyon ton/yıl

YE 2004 %10

2010 %12.5

2020 %20 (%5 offshore %7.5 onshore, %7.5 other)

%10’den %20’ye 47.3 GW

Asıl amaç, ömrünü dolduran santraller yerine yenilenebilir enerji

Öncelikle zayıf noktalar

Şebeke yenilenmesi ve büyümesi; yeni YG hatların ilavesi

(2015-850km), aktif ve reaktif güç kontrolü. %5 büyüme planlanmasına rağmen sistemde dar boğazların oluşumu

2015’e kadar tüm sistemin kararlılık ve güvenilirlik kontrolü. Kritik

şebeke durumlarının belirlenmesi.

Planning of the Grid Integration of Wind Energy in Germany Onshore and Offshore up to the

(27)

ALMANYA

“DENA” ÇALIŞMASI -II

2020 %30 yenilenebilir enerji

2030 25.000MW offshore

Mevcut şebekenin gelişme yolları

Rüzgar çiftlikleri için güç çıkışı kontrol (phase shifters) sistemleri

Yeni depolama sistemleri ve mevcut depolama

sistemleri kontrol yönetimi

Yük kontrol yönetimi

Frekans yönetimi ve yeni oluşacak dar boğazların

(28)

SMART GRID

Uygulamaları (Asya)

Hindistan; Dünyadaki en zayıf şebekelerden birine sahip. Enerji Bakanlığı’na göre dünyadaki en büyük iletim ve dağıtım kayıplarına sahip. (%26, bazı bölgelerinde %62) Kaçaklar dahil edildiğinde ise %50 olduğu ifade ediliyor. Bu nedenle 2008 yılındaki “Smarts Grids India” konferansı ile çalışmalar başlatıldı.

Çin; Yeni üretimler ve yeni hatlar çok hızlı oluşturuluyor. Dolayısıyla akıllı ve gelişime musait bir şebekeye en fazla ihtiyacı olan ülkelerden biri. Çin, her hafta, Dallas veya San Diego’daki tüm ev uygulamalarını karşılayacak büyüklükte kömür santralleri kuruyor. Smart grid çalışmaları 2007 yılındaki MIT forumundan sonra başlatıldı.

(29)

(30)

Gelecekte nasıl bir dağıtım sistemi yapısı?

(31)

SONUÇ

1. Kendi şebekemizin dinamik analizlerinin alt yapısı oluşturularak, rüzgar ve güneş gibi

yenilenebilir enerji sistemlerinin yük akışı ve kısa devre katkısının yanında, dinamik yapıları da incelenmelidir.

2. Gelecekte artacak yenilenebilir enerji katkısı da düşünülerek, yön değiştirebilecek güç

akışları ve adalaşma konumları için koruma koordinasyonun alt yapısı hazırlanmalıdır.

3. İletişim protokolleri gelecekteki şebeke yapısına uygun seçilmelidir.

4. Uzaktan enerji izleme ve ölçme yapısı dizayn edilmeli, modern ve hızlı olmasına dikkat edilmelidir.

5. Şebekeye yenilenebilir enerji sistemlerinin katkısı, aktif ve reaktif güç kontrolü yapabilen

sistemler için şebekenin uygun noktaları ve farklı senaryolar incelenmelidir.

Her ülkeye ait farklı şebeke yapısı olduğundan, gerek akıllı sistemler gerek yenilenebilir

enerji kaynakları entegrasyonunda sistem analizleri devam ettirilerek en uygun koşullar

(32)

BAŞLICA KAYNAKLAR ve TEŞEKKÜR

1. Grid Connection Requirements for Wind Turbine Systems in Selected Countries –Comparison to TURKEY - Yrd.Doç.Dr. Bora ALBOYACI (Kocaeli Üniversitesi)

2. Rüzgar Santrallarının Ulusal Elektrik Şebekesi Entegrasyon Sorunları ve Maliyetleri Nevzat ŞAHİN (Cinergroup)

3. Koruma Tekniğinde Selektivite – Selim ÇOKUĞRAŞ, Serkan ÖZKARDEŞ (SIEMENS)

4. IEC 61850 - Aytaç ÖZGER / Suat OCAKÇI (SIEMENS)

5. Planning of the Grid Integration of Wind Energy in Germany Onshore and Offshore up to the Year 2020 - DENA Grid study

6. Renewable Systems Interconnection Study - Advanced Grid Planning and Operations

SANDIA REPORT

7. The U.S. Smart Grid Revolution KEMA’s Perspectives for Job Creation, 2009

8. Distributed Generation with High Penetration of Renewable Energy Resources, DISPOWER, Final Public Report

9. A Systems View of the Modern Grid / Advanced Control Methods, NETL, Office of Electricity Delivery and Energy Reliability

10. Final Report on the August 14, 2003 Blackout,

U.S.-Canada Power System Outage Task Force

(33)