Bugünün ve geleceğin enerji sistemleri

Enerji sistemleri hem dijitalleşme hem de iklim koruma politikası etkisinde yönlendirilen muazzam bir değişim altında. Kısaca 4D olarak nitelenen geleceğin enerji sisteminin dekarbonize edilmesi (karbondan arındırılması), dijitalleştirilmesi, dağıtılması ve dolayısıyla demokratikleştirilmesi hedefleniyor. Bu yazıda, iklim değişikliğinin etkilerinin en aza indirilmesi için, sera gazı emisyonlarının yaklaşık %75’ine yol açan enerji sektörünün kontrol altına alınması, hızlı bir şekilde artan yenilenebilir enerji sistemleri ve araçlarda elektrifikasyonun şebekeler üzerinde getirdiği yük konularına değinerek akıllı şebekeler konusuna giriş yapacağız.

Alanının uzmanları tarafından sıkça dillendirilen enerji krizleri, iklim değişikliğiyle mücadele çabalarını geri plana atmamalı, aksine, daha temiz ve daha güvenli bir enerji sistemine doğru tarihi bir dönüm noktası olabileceği konusunda bir umut vermelidir.

Enerji üretiminde aslan payına sahip olan fosil yakıtlar artan CO₂ veya sera gazı emisyonunun yanı sıra çevre kirliliğinin de temel nedenlerinden. Uluslararası Enerji Ajansı’nın (IEA) Key World Energy Statistics 2021 Raporu’na göre, 2019 yılındaki 33.622 Mt CO₂ emisyonunun tamamına yakını fosil yakıtlar kaynaklı (Şekil-1).

Şekil-1: Dünya Toplam Enerji Arzının Kaynaklara Göre Dağılımı (2019) ve Yakıt Türüne Göre CO₂ Emisyonu Paylarının Dağılımı (2019)

Teknik sistemleri değiştirmenin çok ötesine geçen dönüşüm süreci, sürdürülebilir enerji geçişi olarak biliniyor. Bunun, fosil yakıtlardan geleneksel elektrik üretiminin yenilenebilir kaynaklardan üretimle değiştirilmesi gereken elektrik sistemi üzerinde de önemli etkileri vardır.

Yenilenebilir enerji kapasitesi ve elektrifikasyonda artışın neden olduğu sorunlar

Rüzgar türbinleri ve PV gibi yenilenebilir enerji üretim tesisleri daha küçük olduğundan ve birçok yere kurulabildiğinden, elektrik üretiminin karbondan arındırılması, elektrik sisteminin daha merkezi olmayan bir yapıya sahip olmasına neden oluyor. Üretim odaklı sistem kontrolü bu ortamda yetersiz kalıyor ve dolayısıyla talep tarafında daha fazla esnekliğe ihtiyacımız var. Bu esneklik, manuel süreçler veya davranış değişiklikleri ile değil; cihazları kontrol etmek, gerçek tüketimi ölçmek veya şebekeyi izlemek için yeni teknoloji ile mümkün görünüyor.

Enerji endüstrisi, elektriği ekonomik, ekolojik ve güvenilir bir şekilde sağlamanın zorluğuyla karşı karşıya. Bu nedenle, arz güvenliği (sosyal boyut), karşılanabilirlik (ekonomik boyut) ve çevresel etki (ekolojik boyut) şeklindeki enerji politikası üçlemesinden de bahsedebiliyoruz.

Ekonomi ve toplum için temel bir meta olan elektrik, hayatta kalmak için hayati önem taşıdığından, her üç boyut da önemli. Ancak, hedefler birbirine bağlı olduğu için ekonomik önceliklere ilişkin şu sorun ortaya çıkıyor: Örneğin, sistem arızası riskini azaltmak için üretim ve iletim fazlası gerekiyor. Bununla birlikte, yüksek düzeyde arz güvenliği, daha yüksek maliyetlere yol açarken karlılığı olumsuz etkiliyor. Ekolojik boyutun ekonomik verimliliğe etkisini saymıyoruz bile.

Elektrik, çeşitli açılardan özel bir ekonomik metadır. Homojen bir maldır yani elektrik fiziksel olarak ayırt edilemez. Elektrik sistemi ise son derece heterojendir. Enerji üretimi ve tüketimi sürekli olarak dengelenmelidir. Elektrik nakliyesi ve dağıtımı, yüksek sabit yatırım maliyetleri ile ihmal edilebilir marjinal nakliye maliyetlerinin birleşiminden dolayı doğal tekeldir. Elektrik kolayca veya kayıpsız depolanamaz.

Elektrik şebekesi açısından bakıldığında, gereksinimler farklı nüfus yoğunlukları için farklılık gösterir. Kırsal bölgeler tipik olarak düşük nüfus yoğunluğuna sahiptir. Bu, binaları birbirine bağlamak için uzun hatların gerekli olduğu anlamına gelir. Araziye bağlı olarak, örneğin dağların veya su kütlelerinin aşılması gerektiğinde şebeke bağlantısı karmaşık olabilir. Kentsel alanlarda ise yerleşim yoğunluğu daha fazladır. Metrekare başına düşen bina ve cihaz sayısı arttıkça, şebekenin kapasitesi tarafından karşılanması gereken enerji talebi de artmaktadır. Tabii ki, ekonomik gelişme düzeyi ve bina türleri de önemlidir; endüstriyel veya ticari alanların yerleşim alanlarına göre daha fazla enerji talebi vardır. Bu, özellikle artan merkezi olmayan üretim kapasitesinin arka planına karşı, elektrik şebekesi için heterojen gereksinimlere neden olur. Örneğin, izole çözümler seyrek nüfuslu bölgeler için cazip hale gelirken, yoğun nüfuslu bölgelerde akıllı üretim ve tüketim koordinasyonu daha uygun bir seçenek olabilir.

Burada nüfus yoğunluğu iyi bir göstergedir. Nüfus yoğunluğu ne kadar düşükse, talep o kadar az olur, yani üretimde artan ademi merkeziyetçilikle, akıllı şebekeler, yani şebeke kontrol önlemleri olasılığı, daha yoğun nüfuslu alanlarda daha uygundur.

Yenilenebilir enerji sistemlerine geçişin itici güçleri, engelleri ve zorlukları

Yenilenebilir enerji maliyetlerindeki hızlı düşüş ve Paris Anlaşması’ndaki karbondioksit emisyonlarını azaltma hedefiyle birlikte enerji arzının yüzünü yenilenebilir enerjiye daha çok döndüğü aşikardır.

Pek çok ülke, ekonomilerini karbondan arındırmak için, yani fosil yakıtları yenilenebilir enerjilerle değiştirmek gibi önlemleri tartışıyor veya önlemler alıyor. Bu, yalnızca elektrik üretiminin yerine konvansiyonel enerji santrallerinin geçmesi gerektiğine değil; aynı zamanda ulaşım veya sanayi gibi diğer sektörlerin de petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan elektriğe dönüştürülmesi gerektiği anlamına da geliyor. Sonuçta elektrik için genel talep artıyor ve bu da yenilenebilir enerji üretim tesislerinin artmasını, iletim şebekelerinin genişletilmesini zorunlu kılıyor.

Fosil yakıt fiyatlarındaki oynaklık karşısında yenilenebilir enerji kaynakları direnci artırarak, fosil yakıt tüketimini azaltmaya ve nihayetinde kademeli olarak ortadan kaldırmaya yönelik çabanın hayati bir ayağını temsil ediyor. 2021 ve 2022’deki yüksek kömür ve gaz fiyatları, fosil yakıtların rekabet gücünü daha da baltalayarak güneş ve rüzgarı daha da çekici hale getirdi.

Şebeke ölçeğinde fotovoltaik (PV) santrallerin küresel ağırlıklı ortalama seviyelendirilmiş elektrik maliyeti (LCOE), 2010 ile 2021 arasında 0,417 USD/kWh’ten %88 düşerek 0,048 USD/kWh oldu. Bu da onu diğer geleneksel enerji üretim teknolojileriyle rekabet edebilir hale getiriyor.

Maliyet düşüşüne de neden olan solar PV’deki teknolojik gelişmeler göz önüne alındığında, kurulu kapasitede bir artış beklenmektedir. Öyle ki Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA) tarafından yürütülen bir çalışmaya (2020) göre, PV kapasitesi 2050 yılına kadar 8.500 GW’a kadar çıkabilir.

2010 ile 2021 arasında, onshore rüzgarının küresel ağırlıklı ortalama LCOE’si 0,102 USD/kWh’ten %68 düşerek 0,033 USD/kWh oldu.

Yenilenebilir enerji kaynaklarındaki 2010-2021 LCOE değişimi Şekil-2’de görülebilir.

Şekil-2: Yeni devreye alınan, şebeke ölçeğinde yenilenebilir enerji üretim teknolojilerinden küresel ağırlıklı ortalama seviyelendirilmiş enerji maliyeti(LCOE), 2010-2021 (IRENA, Renewable Energy Generation Costs in 2021)

Solar PV için gözlemlenen durum, son yıllarda kurulu kapasite, maliyet ve verimlilik açısından iyi bir gelişme göstermiş olan rüzgar türbinleri için de geçerlidir. 2000’de 16 GW olan dünya çapındaki rüzgar enerjisi kurulu güç kapasitesi, 2019’da 622 GW’a yükseldi.

Rüzgar enerjisinde kurulu güçteki büyük artışın teknolojik gelişmeyle ilgisi vardır. 1990’da ABD’deki ortalama türbin 0,218 MW gücünde iken; 2005 yılında 1,5 MW’a kadar çıkmış ve 2019 yılında 2,56 MW’a yükselmiştir. 2016 yılında en büyük türbin artık 6 MW kapasiteye sahiptir. Rüzgar türbinlerinin verimlilik artışlarına göre, türbin fiyatlarında ve proje maliyetinde de önemli bir düşüş vardır.

Bu değişim, artan malzeme ve ekipman maliyetlerine, tedarik sıkıntılarına rağmen gerçekleştiği için ayrıca kıymetlidir.

Peki bu gelişmenin akıllı şebeke geliştirmeleriyle nasıl bir ilişkisi var? Yenilenebilir kapasitedeki artış, tarihsel olarak kurulmuş olandan farklı bir elektrik şebekesini gerektirir. Geçmişte büyük elektrik santrallerinde kömür veya uranyum gibi fosil birincil enerji kaynaklarının buhar türbinleri yardımıyla dönüştürülmesiyle elektrik üretiliyordu. Bu büyük enerji santralleri tipik olarak tüketim merkezlerinin yakınına inşa edildi ve nehirlerdeki nehir tipi enerji santralleri, pompajlı depolama santralleri ve gazla çalışan enerji santralleri tarafından desteklendi.

Enerjinin ekstra yüksek (380 kV/220 kV) ve yüksek voltajlı (110 kV) elektrik hatları ile taşınması ve orta gerilim (10/20 kV) ve alçak gerilim şebekeleri (400 V) aracılığıyla tüketicilere dağıtılması gerekir. Bu nedenle ekstra yüksek ve yüksek gerilim şebekelerine iletim şebekeleri, orta ve alçak gerilim şebekelerine ise dağıtım şebekeleri adı verilir.

Avrupa’daki iletim şebekesi düzeyinde, kritik bileşen arızalansa bile arz güvenliğinin hala garanti edildiği n–1 kriterini izleyen yedekli sistem yerleşimleri görüyoruz. Orta gerilim şebekesinde hem yedekli hem de yedeksiz sistem düzenlerini gözlemleriz, oysa alçak gerilim seviyesinde, tipik olarak yedeksiz bir düzen uygulanır.

Geçmişten farklı olarak, dağıtım şebekeleri saf enerji yutakları değil, artık yeni teknik çözümler gerektiren üretim de burada gerçekleşiyor. Orijinal şebeke yapıları buna hazırlıklı değil, çünkü yük akışı tersine dönebilir, örneğin dağıtım şebekesinden gelen elektrik daha yüksek voltaj seviyelerine akabilir. Bu, özellikle çok sayıda kurulu PV ve az sayıda tüketici bulunan dağıtım şebekelerinde gözlemlenebilir.

Şebekeyi alçak gerilim ve orta gerilim seviyesinde kontrol etmek gerekli hale gelir. Bu nedenle sensörler ve kontrol edilebilir şebeke bileşenleri kurularak dağıtım şebekesini akıllı şebeke dediğimiz hale getirir. Akıllı bir alçak gerilim şebekesi ile arz ve talebi doğrudan bu seviyede yönetmek mümkün hale gelir. Aynı zamanda dağıtım şebekesini teknik kısıtlamalar dahilinde dengelemek gerekir.

Akıllı şebekeler

Dağıtım şebekesi kendi başına akıllı değildir. Dağıtım şebekeleri, düşük voltajlı elektrik kaynağı seviyesinde son tüketicilerin elektrik şebekesine elektrik bağlantısını sağlar. Alçak gerilim şebekesi, orta gerilim şebekesine bağlanır. Aktarma noktasında, yerel şebeke istasyonlarında, elektrik orta gerilimden alçak gerilime dönüştürülür ve daha sonra nihai tüketicilerin şebeke bağlantı noktalarına dağıtılır.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik üretimi uygun koşullara bağlı olduğundan, tüketim tarafının güç kaynağına tepki vermesi ve örneğin aşırı güç üretimi olduğunda arabaların şarj edilmesi durumunda yüksek derecede kullanım mümkündür. Bu, hem üretim tesislerinin ve tüketicilerin hem de dağıtım şebekesinin durumunu ölçen ve kontrol teknolojisi ile müdahale eden akıllı bir enerji yönetim sistemi gerektiriyordu. Bu nedenle kontrol teknolojisi, şebeke durumunun izlenmesinden ve hem tüketim hem de üretim tarafında tesislerin kontrolünden kaynaklanan karmaşıklığın üstesinden gelmelidir. Burada amaç, teknik şebeke koşullarını sürdürmek ve yük ve üretim tepe noktalarıyla verimli bir şekilde başa çıkmaktır.

Bunun için ön koşul, şebeke durumu bilgisinin kaydedilebilmesi ve işlenebilmesidir. Buna üretim tesislerinin ve özellikle tüketicilerin durum verileri de dahildir. Akıllı sayaçlar, yani elektrik tüketimini dakikasına kadar kaydeden elektrik sayaçları, tüketimi kesin zamanlarda ölçmek için kullanılır. Üretim ve tüketimin zamana dayalı ölçümü, yalnızca kontrol için gereken şeffaflığı sağlamakla kalmaz, aynı zamanda dinamik tarifeler, arıza izleme veya cihazların açılıp kapanması gibi diğer işlevler için de olanak sağlar. Bilgi ve iletişim teknolojisi, üretim ve tüketim cihazlarının akıllı ve otomatik etkileşimini sağlar. Böylece, dağıtım ağı akıllı bir şebekeye dönüşüyor.

Bununla birlikte, literatürde ilk olarak 2000’li yıllarda ortaya çıkan ve 2004 yılından itibaren daha yaygın hale gelen akıllı şebeke kavramı üzerinde anlaşmaya varılmış genel bir tanım yoktur. ABD’nin tanımı (smartgrid.gov), internet ile benzerliğe açıkça işaret edip onun elektrik şebekesine uygulanmasının altını çizerken; Çin’in tanımı (Brunekreeft, 2015) açıkça daha yüksek voltaj seviyeli şebekeleri içerdiği için diğerlerinden farklıdır. Akıllı şebeke tanımlarının ortak yönü, farklı teknolojilerin birleşimi olarak ortaya çıkmasıdır. Tipik olarak, akıllı şebekeye yönelik hedefler şu şekilde sıralanabilir:

Arz güvenilirliğini ve güvenliğini sağlamak;
Ekonomik olarak verimli şebeke izleme ve kontrolünü, şebeke işletimini ve varlıkların işletimini optimize etmek;
Tüketicilerin şebeke yönetimine katkıda bulunmalarını sağlamak;
Şebekenin fiziksel kapasitesini ve esnekliğini geliştirmek;
Talep tarafı yönetimini ve talep yanıtını etkinleştirmek;
Yenilenebilir enerji üretiminin şebekeye entegrasyonunu kolaylaştırmak;
İletişim, algılama ve ölçmeyi entegre etmek;
Saldırılara direnmek;
Piyasa ve hizmetlere açık erişimi etkinleştirmek.

Bu hedeflere ulaşmak için, çeşitli teknik sistemler arasında birlikte çalışabilirliği sağlayan uygun bir teknik mimari gereklidir. Buna göre, akıllı şebeke ile sadece teknik zorluklar (örneğin, dağıtım şebekesinde elektriğin verimli kullanılması, gerilim bandı ihlallerinin önlenmesi, yük akışının tersine çevrilmesinin kontrolü, şebeke frekansındaki dalgalanmalar) çözülemez, aynı zamanda yeni iş modelleri ve hizmetler iletişim ve bilgi katmanı aracılığıyla ortaya çıkar. Örneğin, elektrikli araçların akıllı şarj edilmesi, dağıtım şebekelerinin kapasitesinin rahatlamasına veya yenilenebilir şekilde üretilen elektriğin daha iyi kullanılmasına yol açabilir.

Sonuç ve değerlendirme

Akıllı şebeke alanında son yıllarda büyük ilerleme kaydedilmesine rağmen, enerji sisteminin geçişi henüz bitmedi. Akıllı şebeke, yaygın uygulama için teknik ihtiyacın artmasına rağmen, dağıtım şebekelerinde henüz standart değildir. Paris İklim Anlaşması’nın ardından, ülkelerin çoğu sıfır veya düşük karbonlu bir güç kaynağı hedefliyor. Bu, yenilenebilir enerji santrallerinin payının artmaya devam edeceği anlamına geliyor. Aynı zamanda, ulaşım sektörü de daha fazla elektrikli araca geçiş yapıyor, bu da dünya çapında şarj istasyonlarının sayısının artacağı anlamına geliyor.

Elektrik tedarik sisteminin akıllı şebeke teknolojilerinin faydalarından yararlanmaya doğru geçişi, yönlendirilmiş yatırımlar, sosyal kabul ve yasal değişiklik gerektirir. Akıllı şebekelerin gelişiminde piyasa belirsizliği, düzenleyici bir çerçevenin olmaması, düşük kamu bilinci ve katılımı, endüstride yenilikçilik eksikliği, altyapı eksikliği, teknoloji olgunlaşmamışlığı, gerekli teknik beceri ve bilgi eksikliği, şebekenin büyük ölçekli yenilenebilir üretimle entegrasyonu, gelişmiş çift yönlü iletişim sistemlerine duyulan ihtiyaç, açık standartların olmaması, siber güvenlik ve veri gizliliği sorunları gibi çok sayıda önemli ve genellikle birbiriyle ilişkili engel mevcuttur.

Yenilenebilir ve dağıtık enerji kaynaklarının artan kullanımı ile konvansiyonel elektrik üretiminin aşamalı olarak kaldırılmasıyla birleştiğinde, dekarbonizasyon açısından olumlu etkilere sahiptir, ancak arz güvenliğini olumsuz etkiler. Enerji sisteminin bu büyük dönüşümünün altında yatan zorluklarla başa çıkmak için akıllı şebekeler geliştirilmelidir.

Enerji arzının, talebinin ve depolanmasının hem zamansal hem de mekansal olarak artan bir kısmı dağıtılmış kaynaklara ve aktörlere bırakıldığından, görevleri enerji sisteminin genel performansı ve güvenilirliğinden sorumlu olmayan aktörlere bırakmak o kadar tehlikelidir. Öte yandan, sistem operatörlerinin tüm sistemi ayrıntılı olarak izlemelerine izin verilmeden tüm sistemi tüm ayrıntılarıyla yönetebilmeleri beklenemez, bu da gizlilik sorunlarını gündeme getirir. Genel olarak, daha ciddi ve dolayısıyla daha uzun süreli elektrik sistemi kesintileri durumunda yıkıcı sonuçlara yol açabilecek yüksek bir kesinti potansiyeli vardır.

Düzenleyici bir bakış açısıyla ana zorluk, uygulamaların piyasaya ve önceden tanımlanmış bir yenilik ve geliştirme yolunu izlemek için dağıtım sistemi işletmecileri gibi düzenlenmiş kuruluşların ellerine ne kadar bırakılması gerektiğine karar vermektir.

Akıllı enerji sistemleri, bilgi teknolojileri ve makine öğrenmesi tarafından kolaylaştırılan enerji sistemi entegrasyonu, çok sektörlü düzenleyici organları gerektirmektedir. Bunların faaliyetleri gözden kaçırması, yeterli düzenleyici çerçeveler tanımlaması (sistemle uyumlu olmayan davranışlar için cezalar dahil) ve rotayı verimlilik ve sistem dayanıklılığına yönlendirmesi gerekir.