Akıllı sayaç kullanımının Türkiye'de konutlarda elektrik tüketimi ve harcamaları üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of smart meters use on electricity consumption and expenditures in residences in Turkey
Yazar: HÜSEYİN KARAKAŞ
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı şebekeler = Intelligence networks

Özet:
Enerji yaşam kalitesini etkileyen, ülkelerin sosyo-ekonomik gelişmişlik düzeyi bakımından ilerlemesini sağlayan en önemli etkendir. Enerji üretiminde büyük pay sahibi olan fosil yakıtların rezervlerinin giderek azalması ve fosil yakıtların çevresel etkileri, ülkeleri, verimli, kaliteli, kesintisiz, yenilenebilir, çevre dostu, güvenilir ve ucuz enerji arayışlarına yöneltmiştir. Bu kapsamda dünyanın birçok ülkesinde, belirlenen gereksinimler doğrultusunda akıllı şebeke çalışmaları yapılmakta, bu çalışmaların büyük bölümünü ise uzaktan kesme/açma, uzaktan ve çift taraflı okuma, çok zamanlı okuma ve kayıt etme gibi özellikleriyle, enerji dağıtım şirketleri ile tüketiciler arasında sürekli ve anlık haberleşme olanağı sunan akıllı sayaçlar üzerinde yoğunlaştığı görülmektedir.
Bu çalışmada akıllı şebeke kavramı ve akıllı şebeke bileşenleri incelenmiş ve akıllı şebekelerin en önemli elemanlarından olan akıllı sayaçlar ve dünya genelindeki uygulamaları üzerinde durularak, akıllı sayaç kullanımının Türkiye'de konutlarda elektrik tüketimi ve elektrik harcamaları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda TEDAŞ'tan alınan 2015 yılı, dağıtım bölgeleri bazında konutlarda gerçekleşen toplam elektrik tüketimi miktarları ve abone sayıları verileri kullanılarak, dağıtım bölgeleri bazında konutlarda gerçekleşen aylık ortalama tüketim değerleri hesaplanmıştır. Gelecek adına da bir perspektif oluşturması amacıyla Kalkınma Bakanlığı tarafından 2011 yılında yayımlanan "İllerin ve Bölgelerin Sosyo-Ekonomik Gelişmişlik Sıralaması Araştırması"nda, sosyo-ekonomik gelişmişlik düzeyi bakımından ülkemizde birinci sırada yer alan İstanbul ilindeki bir konut için aylık ortalama elektrik enerjisi tüketim değeri hesaplanmış, 148 kWh olan bu değer referans kabul edilmiş ve bir konut için bu değere karşılık gelen standart yük profili oluşturulmuştur.
Standart yük profili içerisinde yer alan elektrikli cihazlardan, konut elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık %50'sini oluşturan buzdolabı, çamaşır makinesi ve bulaşık makinesi cihazlarına TSE Gebze Elektroteknik Laboratuvarı olanakları kullanılarak enerji performans testleri yapılmış ve enerji tüketim davranışları izlenmiştir. Bu doğrultuda beyaz eşya grubuna giren ve konut elektrik enerjisi tüketiminde büyük paya sahip olan bu cihazların enerji tüketimlerinin azaltılması ve daha verimli kullanılması adına değerlendirmeler yapılmıştır.
Çok zamanlı okuma yapabilen ve haberleşme donanımına sahip akıllı sayaç kullanımının konutlarda aylık elektrik harcamalarını ve puant zamanı tüketilen enerji miktarını azaltma üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, referans olarak kabul edilen aylık ortalama 148 kWh elektrik enerjisi tüketimine karşılık gelen standart yük profilinin gün içerisindeki dağılımını gösteren günlük yük eğrisini oluşturmak için EPİAŞ tarafından her dağıtım bölgesi için ayrı ayrı yayımlanan saatlik bazda çarpan değerleri kullanılarak, konutlarda gerçekleşen saatlik tüketilen ortalama tüketim değerleri hesaplanmış ve 2015 yılında konutlarda gerçekleşen bir günlük ortalama elektrik enerjisi tüketiminin dağılımını gösteren referans günlük yük eğrisi oluşturulmuştur. Buna göre 2015 yılı Türkiye elektrik enerjisi tüketiminde %24,76'lık paya sahip konutlarda, günlük tüketimin %48,72'si 06:00-17:00 gündüz (T1) zaman diliminde, %25,60'ı 17:00-22:00 puant (T2) zaman diliminde, %25,68'i 22:00-06:00 gece (T3) zaman diliminde gerçekleşmiştir. 
Bu değerlendirmeler üzerinden, dağıtım şirketlerinin özelleştirilmesinin ardından Türkiye elektrik piyasasının liberalleşme süreciyle birlikte, çok zamanlı tarife olanaklarından yararlanılması suretiyle yük yönetimine talep tarafının katılımıyla yük kaydırma yöntemi uygulanarak konut tüketicilerinin elektrik enerjisi taleplerini, enerjinin en pahalı olduğu T2 zaman diliminden, enerjinin en ucuz olduğu T3 zaman dilimine kaydırması durumunda aylık enerji harcamalarının ve konut kaynaklı puant yük talebinin azaltılması hedeflenerek standart yük profili içerisinde yer alan cihazlar, tüketicilere yük kaydırma konusunda esneklik sağlama durumlarına göre Kategori 1, Kategori 2 ve Kategori 3 olmak üzere 3 kategoriye ayrılmıştır. Yük kaydırma yöntemi uygulanarak, kategorilere göre cihazların kullanım zamanları ile ilgili yük dağılımı yapılmış ve günlük yük eğrisi oluşturulmuştur. Sonuç olarak, konutlarda referans yük eğrisine göre 12:00-22:00 arasında yoğunlaşan günlük ortalama elektrik enerjisi tüketiminin, tüketicilerin yaşam kaliteleri ve konforu azalmaksızın 22:00-06:00 arasına kaydırılarak, çok zamanlı tarifeden yararlanılması suretiyle aylık enerji harcamalarının %12,5 oranında azaltılabileceği, puant zamanı tüketilen enerjinin konut tüketimi içerisindeki payının da %25,60'dan %11,20 oranında azaltılarak %14,40 seviyelerine kadar düşebileceği değerlendirilmiştir. Bir konut için ortalama aylık 7,21 TL'ye karşılık gelen kazanç miktarı yıllık 86,52 TL olacak, 2015 yılı verilerine göre 32,3 milyon konut abonesi bulunan ülkemizde konut tüketicileri açısından toplamda 2,8 milyar TL'ye kadar tasarruf sağlanabileceği değerlendirilmiştir. Diğer taraftan bir konut için puant zamanı tüketilen enerji miktarı aylık olarak 16,5 kWh kadar azaltılabilecek, ülke geneli açısından ise puant zaman diliminde konut kaynaklı elektrik enerjisi tüketiminin günlük 17 GWh kadar azaltılabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Energy has the huge impact on our daily life and intimately affects the welfare of countries. Socio-economic development of the countries most often depends on their energy supply capabilities. The increasingly decreasing reserves of fossil fuels, which have a big share in energy production, and the environmental effects of fossil fuels have led the countries to search for quality, uninterrupted, renewable, environmentally friendly, reliable, cheap and most importantly efficient energy supplies. The present electric power delivery infrastructure was not designed to meet the needs of a restructured electricity marketplace, the increasing demands of a digital society, or the increased use of renewable power production. 
Smart grid plays more and more important role in the economic development, energy structure adjustment and coping with the climate changes, which can help energy saving and
emission reduction. The Smart Grid has greatly enhanced sensory and control capability configured to accommodate distributed resources as well as electric vehicles, direct consumer participation in energy management and efficient communicating appliances. As a result of this, with the development of technology and advent of the smart-grid technologies, developed countries began to carried out exhaustive research about smart grid so as to provide energy efficiency in particular for their electrical energy system. Majority of these researches are related with smart meters with the features of remote reading, two way communication and multi-time reading and recording of the electricity consumption and production. In addition to consumption measurements, smart meter functionality includes: voltage measurement and alarms that can be integrated with distribution automation projects to maximize conservation voltage reduction benefits, and interval data to support dynamic pricing and demand response programs. As a result, smart meters, which continuously and instantly enable communication between electricity producers and consumers is the focus of these research activities.
In this study, smart-grid concept and its components are examined and by bringing into focus smart meters, which is key element of smart grid system and by taking into consideration of worldwide applications.  To understand the smart meters utility, the effect of smart meters use in residences on power consumption and electricity expenditures in Turkey is investigated. To achieve that, the monthly average electricity consumption of residences is calculated based on the distribution regions by using the total electricity consumption dataset for 2015, which are taken from TEDAS. In order to create a perspective for the future of residential electricity consumption, monthly average electricity energy consumption was calculated for a residence in İstanbul which is the first place in Turkey in terms of socio-economic development level determined by a research named "Socio-Economic Development Ranking Survey of Provinces and Regions" published by the Ministry of Development in 2011. As a consequence of calculation of monthly average electricity consumption, 148 kWh was accepted as a reference and a standard load profile corresponding to this value was established for a residence.
Energy performance tests were performed and energy consumption behaviors were observed of the refrigerators, washing machines and dishwashers, which constitute approximately 50% of the electricity consumption of the residential electricity consumption, using the facilities of Turkish Standards Institution Gebze Electrotechnical Laboratory. According to test results energy consumption curves are depicted. Aftermath of test and observation, the devices which is within the white goods group and have a large share in the electricity consumption of the residence, were evaluated in order to reduce the energy consumption and use more efficiently.
In order to investigate the effect of smart meter, having capability of multi-time reading and communication featured, usage on reducing monthly electricity expenditures and peak energy consumption in the residences. Firstly, hourly consumed average electricity consumption in the residences were calculated by using the hourly basis multiplier values which separately published by EPİAŞ for each distribution region to generate the daily load curve showing the distribution of the standard load profile corresponding to the electricity consumption of 148 kWh per month. Then, a reference daily load curve showing the distribution of daily average electricity energy consumption in residential areas for 2015 was generated. Accordingly observed that, residences which share of 24.76% in the electricity consumption of Turkey in 2015, have daily consumption respectively 48.72% for time period of 06: 00-17: 00 day (T1), 25.60% for peak time period of 17:00-22:00 (T2) and 25.68% for time period of 22: 00-06: 00 night (T3). As it can be seen that most of energy is consumed in time period of T1 by residential consumers. But when evaluate the per hour consumption, peak time period T2 is the highest. It means that it is possible for residential consumers to shift their load from peak time period T2 to the night time period T3 and by shifting their load individual household will make financial savings.
These results indicate that, following the privatization of the distribution companies within the scope of liberalisation of the Turkish electricity market and utilizing multi-timed tariff facilities of the Turkish electricity market, load shifting method was applied to shift the electricity demand time of the consumers from the time period T2 where the energy is the most expensive to the time period T3 where the energy is the cheapest. By the help of the method, it is aimed to reduce monthly energy expenditures and residence-based peak load demands. To accomplish that the devices included in the standard load profile are divided into three categories as Category 1, Category 2 and Category 3 according to their flexibility in providing load shifting to consumers. Category 1 is the appliances that their working time can not be shiftable with determined working time, such as refrigerator that has to be powered in 24 hours. Category 2 is the appliances that their working time can be shiftable but not every time by taking into account consumers comfort. Category 3 is the appliances which led consumers to shift their load to any time of day without any lack of comfort, such as washing machines and dishwashers included in this category.  In accordance with the categories, the load distributions were made related to the usage times of the devices and especially the devices which are included in Category 3 shifted to the night time period T3. At the end the daily load curve was created by applying the load shift method.
As a result of the study suggested that, the daily average energy consumption, which is concentrated between 12:00- 22:00 according to the reference load curve of the residences, can be reduced by 12,5% of the monthly energy expenditure by shifting the consumption of consumers from time period 12:00- 22:00 to time period of 22:00- 06:00 without decreasing their living quality and comfort. Correspondingly, it was also estimated that the share of consumption of peak demand in residence could be reduced to 14.40% by decreasing from 25.60% to 11.20%. Thus, the average monthly saving for a residence will be TL 7.21, which yearly corresponds to TL 86.52. According to the data in 2015, there are 32.3 million residential electricity subscribers in Turkey; it means that savings up to 2.8 billion TL can be achieved only for residential consumers. Likewise, 16.5 kWh per month may reduce the amount of energy consumed at peak time for a residence. Correspondingly, consumption of residential electricity energy can be reduced by 17 GWh per day in peak time across the country.