Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

YEK’lerin Entegrasyonunda ve Uluslararası Enerji Bağlantılarında Akıllı Şebekeye Duyulacak İhtiyaç

Özet

Elektrik enerjisi, hayatımızda varlığı olmadan hiçbirşeyin anlam kazanmadığı enerji formudur. Teknolojinin sınır tanımadığı ve sürekli yükseliş içinde olduğu dünyamızda sürdürülebilir ve kaliteli enerjiye olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu ihtiyaç, dünyada büyük bir oranda fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Gelişen teknoloji ve artan enerji ihtiyacı sonucu fosil yakıtların tükeneceği bir gerçektir. Fosil yakıtlar tükenmeden, oluşturdukları karbon emisyonları yüzünden dünyanın yaşanamaz bir hale gelmesi de olasıdır. Bu nedenle, dünya var oldukça var olacak sürdürülebilir olarak tanımlanan enerji kaynaklarına olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle rüzgar ve güneş enerjisi ile ilgili dünyada önemli yatırımlar gerçekleştirilmektedir. Bu yatırımlar tasarlanırken planlanması gereken sadece üretim birimleri değil; bu enerjinin iletimi ve dağıtımı da olacaktır. Dünya çapında başlatılan projeler de enerjinin artık ülkesel yapıdan çok global yapıda iletim ve kullanıma sahip olacağını göstermektedir. Tüm yapının birbirine uyumlu olması ve yeni enerji kaynaklarının entegrasyonu konusunda esnek olması gerekir. Böyle bir yapıda oluşabilecek enerji kesintilerinin minimize edilebilmesi için şebekenin yeteri kadar hızlı ve doğru tepki verebilmesi gerekir. Bu nedenle; gerek iletim sistemi gerekse dağıtım sistemi, akıllı bir yapıya sahip olmalıdır. Gücün sürekliliğinin sağlanması, doğru analiz yöntemleri ile gelecekteki yapıya karar verilmesine ve uygun koordinasyonunun gerçekleştirilebilmesine bağlıdır.

1. Giriş

Enerji olmadan neleri çalıştıramayacağımızı bir düşünün. Bazı sorunlar, Amerika’da 2003 yılında yaşanan ve 50 milyon kişiyi etkileyen enerji kesintisinde tekrar canlandı. Enerji kaynaklarımız tükenince ne olacak? Mevcut sistemimizde ne var ki bu kadar büyük bir sorunla karşılaşıyoruz? Anlaşıldı ki sadece enerjiyi üretebiliyor olmak yetmiyor. Kaliteli olmalı. Bu kalite sadece mükemmel bir sinüs formunda olmasını değil aynı zamanda kesilmemesini de gerektiriyor. Sürdürülebilir olmalı. Tükenmekte olan kaynaklardan değil dünya var oldukça devam edecek kaynaklardan olmalıdır. Çevreye duyarlı olmalıdır. Dünyayı kirleten, yaşam kalitemizi olumsuzlaştıran, bozucu yapıda değil; doğal, doğaya uyumlu yapıda olmalı. Peki yenilenebilir, yani bir anlamda sürdürülebilir olan kaynağı kullanabilmek bu kadar kolay mı? Bir pervane ucuna kablo bağladığımızda herşey bitiyor mu? Rüzgar esmezse, güneş parlamazsa ne olacak? Mevcut üretimler oldukça iyiydi. Ne üreteceğimizi, nereye ne kadar güç ileteceğimizi biliyorduk. Buna göre tüm sistemimizi planlayıp ilgili koruma düzeneklerini kurabiliyorduk. Peki, değişken bir kaynağımız varsa ve bu kaynağı oldukça önemli bir oranda kullanacaksak nelere dikkat etmemiz gerekiyor? Hangi planlama yanlışlarına düşebiliriz? Bu kadar değişken bir yapıyı kontrol edebilmek için sistemimiz ne kadar esnek olmalı? Peki mevcut sistemimiz bu esnekliği sağlayabilecek mi?

2. Yenilebilir enerji kaynaklarının iletim ve dağıtım sistemlerine entegrasyonu

Yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji şebekelerine entegrasyonu, enerji üretiminde merkezi üretimden dağıtılmış üretime geçişin bir göstergesidir. Ülkemizde 2013 yılına kadar şebekeye bağlanması hedeflenen 12 GW’lık rüzgar gücü vardır. Ülkemizin 42 GW’lık kurulu gücü ve rüzgar gücüne ek güneş enerjisinin de sisteme entegre olacağı öngörüldüğünde, üretim yapısının, iletim ve dağıtım koridorlarının nasıl bir değişime uğrayacağı aşikardır. Bu noktada sorulması gereken sorular şunlar olmaktadır: Peki biz ve dünya bu değişime ne kadar hazırdır? Sürdürülebilir enerji için kaçınılmaz olan yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji sistemlerine enterasyonu konusunda neler yapılmaktadır? Sistemde oluşabilecek bir sorunda düzeltici tepki ne kadar hızlı verilmelidir?

Yenilenebilir enerji kaynaklarının şebekeye bağlanması ile ilgili birçok ülkenin kendine ait şebeke yönetmelikleri (Grid code) bulunmaktadır. Bu yönetmeliklerin ortak yanları olduğu gibi her ülkenin kendine özgü şebeke yapısı, gerilim seviyesi ve kontrol düzeneği bulunduğundan ayrı yönleri de bulunmaktadır. Bu düzenlemelerin hepsi, mevcut düzeni bozabilecek bir oluşumun engellenmesi içindir. Örneğin, bir yandan klasik üretimlerde frekans belirli sınırlar içinde tutulurken, diğer yandan bu frekansı ciddi biçimde etkileyecek alternatif üretimlerin de kontrol edilebiliyor olması gerekir. Aynı şekilde alternatif üretimlerin gerilim açısından da klasik generatörlerdeki uyartım kontrolü gibi, hızlı tepki vererek düzeltici önlem gerçekleştirebiliyor olması gerekir. Eğer bu alternatif üretimler belirli bir bölgede yoğunlaşıyor ise entegrasyon öncesi çalışmaların daha titizlikle incelenmesi gerekmektedir.

Ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji sistemimize entegrasyonu ile ilgili yönetmelik olarak şebeke yönetmeliğinin Ek-18 bölümünde yayınlanan “Rüzgar Enerjisine Dayalı Üretim Tesislerinin Şebeke Bağlantı Kriterleri” bulunmaktadır. Bu yönetmelikte rüzgar enerjsinin frekans kontrolüne katılımları istenmemekle birlikte aktif güç kontrolü ve frekans tepkisi tanımlanmıştır. Ayrıca arıza esnasında ve arıza sonrasında davranış biçimleri ve nasıl bir gerilim desteği sağlamaları gerektiği belirlenmiştir [1]. Aktif güç akışının faz kaydırıcı transformatör gibi yapılarla kontrol edilmediği iletim ve dağıtım hatlarında bu kadar değişkenliğe sahip olabilen büyük ölçekteki bir gücün mevcut iletim ve dağıtım sisteminden alınıp yük bölgelerine ulaştırılması esnasında, bazı problemler ile karşılaşılabilecektir. Bunların en başında değişebilen aktif güç akış yönlerine göre reaktif gücün, dolayısıyla bara gerilimlerinin kontrolü gelmektedir. Örneğin; tek yönlü kademe değiştiriciler, güç akışının değiştiği durumda yetersiz kalacaktır. Aktif güç açısından ise tek yönlü koruma koordinasyonu bozulacaktır. Bunların haricinde artan arıza akımları sonucu arıza yolunda oluşabilecek yanlış açmalar, sigorta-kesici kombinasyonlarında sigortayı koruyacak koordinasyonun bozulması, trafo bağlantı gruplarına göre adalaşan bir yenilenebilir üretim bölgesinde işletme toprağından yoksun bir çalışmada oluşabilecek arızalar ve bu arızalarda meydana gelecek gerilim yükselmeleri ve etkilenebilecek sistem elemanları diğer olumsuz durumlar olarak özetlenebilir [2]. Elbette bu olumsuz durumları düzeltici önlemler alınabilir. Mevcut iletim ve dağıtım yapısının, yedekli ve güvenilir olmasına rağmen böyle bir değişimi kaldırabilecek güçte olup olmadığı sorgulanmalıdır. Gelecekte, tüm tüketicilerin de birer üretici olabilecekleri düşünüldüğünde, “microgrid” olarak tanımlanan yapıya geçilebilmesi için de mevcut dağıtım sisteminin yeterli olamayacağı bilinmektedir. Bu yapıların rijit yapılardan çok; esnek, uyum sağlayan, hızlı yapılar olması gerektiği açıktır.

DESERTEC projesi

Yenilenebilir enerji entegrasyonu çalışmaları tüm dünyada hız kazanmıştır. Her ülkenin kendine ait çalışmalarının ve raporlarının bulunmasının yanında ülkeler arası ölçekte yenilenebilir enerji dizaynları da yapılmaktadır. Bunların en önemlilerinden biri, Türkiye’nin de dahil olduğu DESERTEC olarak bilinen projedir. Projenin tanıtım cümlesi oldukça çarpıcıdır. “İnsanoğlunun 1 yılda tükettiği enerjiyi çöller, 6 saat içerisinde almaktadır” [3]. Bu tür projeler açıkça göstermektedir ki gelecekteki enerji yapısında yenilenebilir enerji kaynaklarının katkısı oldukça yüksek olacaktır. Ayrıca adalaşan enerji yapıları yerine elektrik enerjisinin bulunabilirliğinin ve güvenirliliğinin artığı uluslararası enerji yapıları oluşturulacaktır. Ayrıca bu yapılar, ülkeler arası enerji pazarının oluşmasını da sağlayacaktır.

3. Uluslararası enerji bağlantıları

Dünya, artık tek bir enerji sistemine doğru gitmektedir. İletim sistemimiz için en güncel bağlantı, 2005 yılında imzaladığımız ve 2010 yılı başında da deneme çalışmalarına başlayacağımız eski adı ile UCTE, yeni adı ile ENTSO-E olan Avrupa Birliği İletim Sistem Operatörleri Birliği’dir [4]. ENTSO-E’nin bazı bağlantı şartları bulunmaktadır. Bu şartların temel amacı; entegre olunan sistemi ve entegre olunacak sistemi bu büyük sistemin herhangi bir noktasında meydana gelebilecek arızaların etkisinden korumaktır. Bu etkiler, güç alışverişinin yüksek olduğu durumlarda sistemlerin ayrılmasına; sistemler içinde generatörlerin devreden çıkmasına ve enerji kesintilerine neden olabilecek büyüklükte olabilmektedir.

İletim sistemindeki yapıların kontrol özellikleri, sistem kararlılığı üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Bu yapılar içinde generatörlerin hız (turbin) ve gerilim (ikaz) kontrolörleri birinci derece öneme sahiptir. Ülkemizde, Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği’nde 29 Haziran 2006 tarihli değişiklik ile detaylandırılan primer frekans kontrolü, 20 Şubat 2008 tarihli değişiklik ile UCTE’ye uygun biçime getirilmeye çalışılmıştır. Aynı değişiklikte generatörlerin uyartım kontrolörü yapıları da belirlenmiştir.

Yapılan bu çalışmalar, iletim sisteminin bozucu bir etki sonrasında daha hızlı ve daha etkin bir biçimde cevap verebilmesini sağlayabilecek ve Avrupa şebekesinde meydana gelebilecek karışıklıklarda sistemimizi daha iyi koruyabilecektir. Ancak; kararlılığı geliştiren bu önlemler, güç akışlarının değişebildiği ve arızalara farklı tepkilerin verilmesi gerektiği durumlarda tek başına yeterli olamamaktadır. Yön değiştiren güç akışlarına adapte olabilen farklı koruma selektiviteleri uygulayabilen ve oluşabilecek büyük çaplı enerji kesintilerini hissedip farklı anahtarlama davranışları sergileyebilen iletim sisteminin akıllı bir yapıda olması gerekir. Böylece, arızalar daha iyi lokalize edilip daha etkin kontrol ve korumanın gerçekleştirilmesi sağlayanarak, sistem düzenleyicileri üzerindeki yük azaltılmış olacaktır.

Amerika’da 2003 yılının Ağustos ayında yaşanan enerji kesintisi, 50 milyon kişinin enerjisiz kalmasına neden olmuştur. Birbirini takip eden zincirleme olaylar sonucu oluşan büyük çökme, 7 dakika gibi uzun bir sürede oluşmuştur [5]. Bu çökmenin nedenleri arasında akıllı bir yapıya sahip olunmaması ve birbirini takip eden olayların yeteri kadar iyi izlenememiş olması bulunmaktadır.

4. Akıllı şebekeler

Güç şebekesi açısından düşünüldüğüne sistemdeki tüm noktaların uyanık, tepkili, adaptif, maliyet açısından uygun, çevre ile dost, eş-zamanlı, esnek, kuvvetli ve her sistemle bağlanabilen bir yapıda olması akıllı yapıyı oluşturmaktadır [6]. Zaten dinamik yapıya sahip olan elektrik enerjisi, akıllı şebeke yolu ile canlanmakta; akıllanmakta ve yaşayan bir sistem haline gelmektedir. Akıllı şebeke, akım kontrolünü optimize eden ve alternatif enerji üretimini destekleyen enerji iletim ve dağıtım sistemlerinin dijital bir versiyon yükseltimi olarak kabul edilebilir. Akıllı şebekelerin faydaları, sadece işletme maliyetlerini düşürmekle sınırlı değildir. Ertelenen ya da değiştirilen yatırımlara uyumlu olabilme faydası da bulunmaktadır. Akıllı bir iletim sistemi problemli bölgeleri hızlı bir şekilde izole ederek geniş çaplı enerji kesintilerinin önüne geçmekle kalmaz, sistem çökmeleri sonrasında tekrar toparlanma sürecini düzenleyip otomatikleştirebilir ve hızlandırabilir.

Bu yapı, dağıtım sistemlerinde hızlı iletişime sahip röleler ve kullanıcıyı bilinçlendiren kayıp kaçak oranlarını belirleyebilen ve çift yönlü okuma yapabilen sayaçlar ile oldukça etkin bir konumdadır. Ayrıca, klasik sistemlerden farklı olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının katılımı ile değişen yük akışı yapılarına uyum sağlayabilen bir yapıdadır.

Tüm koruma koordinasyonu ve anahtarlama yapılarını değiştirebilecektir. Böyle bir değişimle klasik yapılar ile başa çıkmak neredeyse imkansızdır. Bunun yanında, bağımsız enerji bölgelerini ifade eden mikro şebeke filozofisi (Microgrid), gerçeğe dönüşmek için akıllı şebeke yapısına ihtiyaç duymaktadır. Mükemmel bir güç sistemi, tüketicilerini enerjisiz bırakmamalıdır. Yakıt açısından verimli ve doğa ile dost bir yapıda olmalıdır. Doğal afetlerde ayakta durmayı becerebilmeli ve terörist saldırılarda etkiyi minimize edici bir yapıya sahip olmalıdır. Böyle bir yapıya sahip olmanın maliyeti de minimize edilmiş olmalıdır. Gücün kalitesini iyileştirmek, daha fazla kaynağa sahip olma anlamına gelmemektedir. Güç iletim sisteminin ekonomikliği hesaplanırken yaşanan enerji kesintileri göz önünde bulundurulmalıdır. Geleceğin yapıları bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklı üretimlerin yoğunlaştığı dağıtılmış üretim yapısında depolama sistemlerine de sahip bir bütünü ifade edecektir. Akıllı bir şebekede kesici ve ayırıcıların otomatik koordinasyonu, oluşan bir arıza sonrası yüklere alternatif besleme yolları oluşturulabilir. Akıllı bir iletim sistemi için akıllı bir dağıtım altyapısının da olması, koordineli haberleşme ve koordineli anahtarlama açısından oldukça önem arzetmektedir.

4.1. Bileşenleri ve teknolojileri nelerdir?

Bir akıllı şebekenin bileşenleri ve teknolojileri, Amerika Enerji Departmanı’na göre (DOE) aşağıdaki yapılara sahip olmalıdır.

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. Üretimdeki en önemli maliyetlerden biri bu tepe yükleri karşılarken oluşur. Devreye girip çıkan ek santraller söz konusudur. Önceki test verileri, elektrik kullanımı ve bu kullanım bilgisinin kullanıcıya verilmesiyle tepe yüklerde yüzde 25 oranında tasarruf sağlandığını göstermiştir.

Akıllı sayaçlar: 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 yönlendirilmesine imkan verir.

Bütünleştirilmiş haberleşme: Veri toplama (SCADA-Supervisory Control and Data Acquisition), 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. Akıllı bir şebekede şebekenin sağlığı, kritik noktalar anlık olarak yansır. Hattın sıcaklığı, yüklenme seviyesi, rüzgar hızı, yerden uzaklığı (Yüklendikçe azalır.) izlenebilecektir. Otomatik okumayı, online enerji maliyetinin bilinmesini ve enerji hırsızlığını engeller. Şebekedeki kaçak oranları düşünüldüğünde böyle bir yapıya sahip olunmasının önemi daha iyi görülür. Çünkü üretimi, iletimi, tüketimi ve kayıpları bilen bir yapı kaçakları kolaylıkla hesaplayabilecektir.

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 üretimini tanımlamaktadır.

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 [7].

Akıllı şebekelerinen önemli özelliklerinden biri haberleşme yetenekleridir. Birçok haberleşme protokolü arasında günümüzde en öne çıkan protokol IEC 61850’dir ve smart grid yapısı ile ortak özellikler göstermektedir. IEC 61850 yapısında tanımlanan IED’ler (Intelligent Electronic Device) ile hızlı ve dijital haberleşme sağlanmaktadır. Tüm rölelerin bireysel adresleri mevcuttur. Bu adresler, bilgisayar sistemlerindeki gibi IP numaralarına sahiptir ve bu IP numaraları üzerinden bütün röleler izlenebilir. Haberleşme 100 Mbit hızındadır. IEC 61850 protokolü, şalt merkezinin tüm ihtiyaçlarına cevap verebilir. Tüm otomasyon fonksiyonlarını (Kontrol, koruma ve izleme) desteklemektedir. Geleceğe uyumluluğu kanıtlanmış ve genişleyebilir yapıya sahiptir ve cihaz uyumu garanti edilmektedir [8,9].

5. Ne kadar hazırız?

Aslında en kritik soru budur. Akıllı bir şebeke için trafolar, röleler gibi tüm sistem elemanlarının akıllı olması gerekmektedir. Koruma ve haberleşme teknolojisinin elektromekanik yapıdan dijital yapıya geçmesi gerekir. Ayrıca, yüksek bant seviyesine sahip yüksek hızlı iletişim gereksinimi vardır. Çünkü, tüm sistemin birbiri ile haberleşmesi gerekir. Bu kadar büyük sistem ve haberleşme ile başa çıkabilecek (Saniyede milyonlarca veri) bir bilgisayar gücü de gerekmektedir. Bu koşullar, günümüzde artık sağlanabilir durumdadır. Dijital röleler, fiber teknolojisi, kablosuz iletişim gibi teknolojik gelişmeler akıllı şebekeleri mümkün kılmaktadır.

Bu nedenle eski sistem elemanları revize edilirken ya da yeni sistem elemanları eklenirken bu yapılara uygun sistemlerin entegre edilmesi bu geçişi hızlandıracaktır. Yapılması gereken tek şey, bu noktadan sonra dizayn edilen yapıları, Amerika, Avrupa, Hindistan ve Çin’in yaptığı gibi akıllı şebeke teknolojisine uygun seçmektir. Dünya var oldukça kullanılabilecek tek sürdürülebilir yapı olarak gözüken yenilenebilir enerjiye ve büyük şebeke entegrasyonlarına duyulan ihtiyaç akıllı şebeke teknolojisini şart kılacaktır.

Kaynaklar

1. Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği “Ek-18. Rüzgar Enerjisine Dayalı Üretim Tesislerinin Şebeke Bağlantı Kriterleri”

2. Renewable Systems Interconnection Study – Advanced Grid Planning and Operations SANDIA REPORT

3. Red Paper, “An overview of the Desertec Concept”, Desertec Foundation, Berlin 2009.

4. UCTE

5. “Final Report on the August 14, 2003 Blackout”, U.S.-Canada Power System Outage Task Force

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

7. DOE Modern Grid Strategy, Engineering&Technical Services SCE in Engineering Insights 2008.

8. Koruma Tekniğinde Selektivite – Selim Çokuğraş, Serkan Özkardeş (Siemens)

9. IEC 61850 – Aytaç Özger / Suat Ocakçı (Siemens)