Sıralı yenilenebilir HES'lerin optimum işletme ve üretim koşullarının belirlenmesi
Determination of the optimal operation and production conditions for cascade renewable hydroelectric power plants
Yazar: MUSTAFA CEM ÇELİK
Danışman: PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN ; YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ALPER ÖZPINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünya elektrik üretiminin %20'ye yakını hidrolik enerjiden sağlanmaktadır. Yüz yılı aşkın yaygın kullanımı, gelişmekte olan şehirlere içme suyu sağlaması ve sel tehlikesinden koruması nedeniyle, hidroelektrik enerji yenilenebilir enerji türleri içinde önemli kaynaktır. Türkiye'de elektrik enerjisi üretiminde, yerli ve temiz kaynak olarak hidroelektrik santrallerin tarihi bir yeri bulunmaktadır. Türkiye'nin hidroelektrik üretim kapasitesi 1990'lı yıllara kadar, diğer elektrik üretim kaynaklarına göre daha büyük bir paya sahipti. Günümüzde, elektrik ağırlıklı olarak fosil yakıtlardan üretilmektedir.  Bunun sonucu olarak; sera gazı salımı, enerji bağımlılığı ve dış ticaret açığı önemli ölçüde artmaktadır.  Bu durumun düzeltilmesinde, yenilenebilir öz kaynak olarak hidroelektrik enerji ilk seçenektir. Gelişmiş ülkeler büyük hidroelektrik potansiyele sahip havzalarını önemli oranda kullanmışlardır. Bu nedenle, küçük yenilenebilir hidroelektrik santrallerin önemi hızla artmaktadır. Bu santraller,  çevreyi daha az olumsuz etkiler ve ücra bölgelere elektrik üretimine olanak sağlar. 
Havza yönetimi, Türkiye'nin hidroelektrik potansiyelinin tam olarak değerlendirilmesi için giderek önem kazanmaktadır. Bir havzadaki uzun dönemli akarsu verilerinin incelenmesiyle en verimli hidroelektrik santral sistemi belirlenebilir. Sistemin; santralden sayısı ve konumları, toplam çalışma debisi,  türbin sayıları ve depolama açısından sıralamanın ne olacağı dikkatle belirlenmelidir. Bunun yanı sıra, halihazırda bir akarsuyun üzerinde bulunan hidroelektrik santraller için üretim planlaması oldukça karmaşık bir optimizasyon problemidir. Sistemin temel girdisi olan su debisi büyük oranda meteorolojik olaylara bağlıdır. Buna karşı işletme; talebi, üretimi, karlılığı ve çevresel etkenleri göz önünde bulundurmak zorundadır. 
Bu çalışmada, bir havzanın hidroelektrik potansiyelinin belirlenmesi ve sıralı küçük santrallerde üretim planlaması incelenmiştir. Hesaplama temelleri Dalaman Havzası ve üzerinde bulunan dört küçük yenilenebilir sıralı hidroelektrik santralden oluşan bir sistemin üretim verilerine dayanmaktadır. Enerji potansiyelinin belirlenmesi ve üretim planlama çalışmaları için, akarsu akım verilerinin uzun dönem kayıtlarına ihtiyaç duyulmuştur. Dalaman Havzasına ait Ekim 1963 – Eylül 2010 tarihleri arasındaki akım verileri kullanılarak, akım süreklilik eğrisi yöntemi ile havzanın enerji potansiyeli belirlenmiştir. 
Sıralı küçük hidroelektrik santral sisteminin çalışma koşullarını incelemek amacıyla bir matematik model ve buna bağlı bir yazılım oluşturulmuştur. Akarsudan gelen su debisi ve elektrik fiyatlarına bağlı olarak, yirmi dört saatlik üretim aralıklarında rezervuarların optimal kullanım koşulları incelenmiştir. Bilgisayar programı ile farklı akarsu debi değerleri için, mevcut ve olası üretim planlama alternatifleri değerlendirilmiştir. Belirlenen işletme koşullarına uygun genelleştirilmiş çözümler bulunmuştur. Buna ek olarak, elektrik üretim veriminin arttırılması ve ilk yatırım maliyetlerinin azaltılması için, çeşitli sıralama santral alternatifleri değerlendirilmiştir.

Abstract:
Nearly %20 of the World's electricity is supplied by hydroelectric power systems. Hydroelectric power is the most important resource among the other renewables since; it has been using widely more than a century, supplying water and flood prevention for developing cities.  In Turkey's electricity production, hydroelectric power plants have a historical place of as being a domestic and clean resource. Hydropower production capacity had the largest share among the other resources until 1990's in Turkey. Today, electricity has been supplied predominantly by fossil fuels. Consequently, greenhouse gas emissions, energy dependence and foreign trade deficit have been increasing significantly. As being the renewable own resource, hydropower is the first option to remedy this situation. Developed countries have utilized their great hydroelectric potential sites extensively. Thus, the importance of small renewable hydropower plants has been increasing vastly. Small renewable hydropower plants have limited environmental effect and make electricity production in the remote areas possible.     
River basin management is becoming important in order to fully utilize the hydropower potential of Turkey. The most efficient hydropower plant system can be determined by the evaluation of the long term river flow data. The number and location of plants, total flow rate, number of turbines and determination of the order of reservoirs with respect to storage capacity must be determined carefully. Furthermore, production planning for an already existing hydropower plant system is a highly complex optimization problem. Water flow is the main input of the system and it is highly related to meteorological phenomena. On the other hand, management has to consider; the demand, production, profit and environmental factors.
In this study, determination of the hydropower potential for a basin and production planning for a cascade small hydropower system have been analyzed. The computations are based on the production data of a cascade hydropower system with four small renewable hydropower plants on Dalaman Basin. Initially, the flow data of Dalaman Basin between October 1963 –September 2010 have been used and the energy potential has been determined by flow duration curve method 
In order to analyze the operation conditions of small cascade hydropower system, a mathematical model and a consequent computer program were developed. The optimal usage of reservoirs was analyzed due to the river flow rate and electricity prices in twenty four hours production intervals. Current and possible production planning alternatives were evaluated with the computer program. Generalized solutions consistent with the predefined management conditions were founded. Additionally, various plant alignment alternatives were considered in order to increase the electricity production efficiency and reduce the construction costs.