Pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin optimizasyonu
Optimization of pumped storage hydroelectric plants
Yazar: HASAN GÜRSAKAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ UYUMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Hidroelektrik santralleri = Hydroelectric power plants ; Kapasite arttırımı = Capacity increase ; Pompajlı depolama = Pumped storage ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Enerji, bir materyalde, bir maddede, bir hücrede bulunan iş yapabilme yeteneği ya da  ortaya iş çıkarabilme gücüdür. Bir insanda, bir makinede, yüksek bir yerden akan suda her an için belirli bir iş yapabilme gücü, dolayısıyla belirli miktarda enerji vardır. Bir cismin, bir maddenin durumu, konumu, moleküler yapısındaki depolama ile bir potansiyel enerjiye sahiptir. Bu potansiyel enerji bir hareket, bir ivmelenme, kimyasal bir tepkime veya fiziksel bir değişim ile harekete geçerek kinetik enerjiye dönüşür. Dolayısıyla, harekete geçen cisim kitlesiyle ve hızıyla sahip olduğu potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüş olur ve bu durum da bir iş yapmış olur. 
Günümüzde enerji, endüstri ve teknolojinin gelişimini ilerletebilmesi için vazgeçilemez araçlardan biri olarak ön plana çıkmakta olup, üretim faaliyetlerinin sürdürülebilmesi için ana unsurların başında gelmektedir. Aynı zamanda toplumların sosyal ve ekonomik olarak kalkınmalarının en önemli gerekliliklerinden biri olan enerjinin artan dünya nüfusuna yetecek şekilde, uygun koşullarda temin edilebilmesi büyük önem arz etmektedir. Evlerde, işyerlerinde, okullarda, fabrika ve sanayi tesislerinde ihtiyaç olan elektrik gücünü temin edebilmek için enerji kaynaklarının elektriğe dönüştürülmesi gerekmektedir. Petrol, doğalgaz, kömür gibi fosil kaynaklar ile rüzgar, güneş, su, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları çeşitli elektrik üretim santralleri sayesinde elektrik enerjisine çevrilerek, insanların günlük ihtiyaçları ve üretim sektöründe kullanılmaktadır. 
Gelişmekte olan ülkeler arasında bulunan ülkemiz için de gerek toplumsal refahın artırılması gerekse sanayi sektörünün üretim sürekliliği ve gelişimi için en önemli ihtiyaç haline gelen enerjinin, yerinde, zamanında ve güvenilir bir şekilde karşılanması gerekmektedir. Son dönemlerde ülkemizin yakaladığı yüksek büyüme oranları, enerji talebinin de hızla artmasını beraberinde getirmiştir. Önümüzdeki yıllarda da büyüme oranlarıyla birlikte enerji talebinin de artış eğiliminin devam edeceği hesaplanmaktadır. Artan enerji talebinin karşılanması için enerji sektörünün yeniden yapılanmasına yönelik olarak enerji mevzuatları 2000'li yılların başından itibaren yeniden ele alınarak çeşitli düzenleme yapılarak, enerji sektöründe liberalleşme adımları atılmıştır. Mevzuat değişiklikleri, yeni düzenlemeler ve oluşturulan yeni kurumlarla elektriğin yeterli, kaliteli, sürekli, düşük maliyetli ve çevreye uyumlu bir şekilde tüketicilerin kullanımına sunulması için, rekabet ortamında özel hukuk hükümlerine göre faaliyet gösterebilecek, mali açıdan güçlü, istikrarlı ve şeffaf bir elektrik enerjisi piyasasının oluşturulması ve bu piyasada bağımsız bir düzenleme ve denetimin sağlanması amaçlanmıştır. 
Geçen süre içerisinde, ülkemizde yapılan yeni düzenlemeler, enerji piyasasının liberalleştirilme çalışmaları, yapılan enerji yatırımlarına rağmen artan enerji ihtiyacını ülkenin kendi öz kaynakları ile karşılayamaz durumda olup, enerji açısında dışa bağımlılık devam etmektedir. Enerji kaynakları açısından dışa bağımlı olunması, ülkenin ekonomisini ve stratejik durumunu olumsuz yönde etkilemektedir. Enerji kaynaklarında dışa bağımlı ülkeler, ekonomisinin büyümesinde ve stratejik kararlar almak gibi en önemli konularda başka ülkelere bağımlı hale gelmektedir. Bu nedenlerden dolayı, ülke içerisinde başta yenilenebilir enerji kaynakları olmak üzere, tüm kaynaklarının en optimum şekilde enerjiye dönüştürülerek kullanımının sağlanması ve dışa bağımlılığın azaltılması temel hedef haline gelmesi gerekmektedir.  
Pompaj depolamalı hidroelektrik santraller (PDHES), pik talebin karşılanmasında rezervuarlı HES'lerin yetersiz kalması durumunda veya baz santrallerin ülkenin enerji sistem içinde dengelenebilmesi için devreye girerek enerji ihtiyacını karşılayan sistemlerdir. PDHES'ler bir çeşit elektrik depolama sistemleridir. Bu santraller, elektrik fiyatlarının düşük olduğu zamanlarda suyu yüksekteki doğal veya yapay bir üst hazneye pompa yardımıyla basarak depolar ve gün içinde veya ay içinde elektrik ihtiyaçlarının meydana geldiği ve dolayısıyla elektrik fiyatlarının yükseldiği zamanlar üst haznede biriktirilen suyu türbinler vasıtasıyla hidroelektrik enerjiye dönüştürür. 
Başta Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya olmak üzere dünyada yaklaşık 100.000 MW pompaj depolamalı hidroelektrik santral işletmede olmasına karşın, ülkemizde işletmede pompaj depolamalı santral bulunmamakla birlikte, bu tesislerin yapılması planlanması durumunda ne şekilde optimize edilmesi gerektiği yönünde yeterince çalışma da yapılmamıştır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından ilk etüt aşamasında 11 adet mevcut baraj üzerinde, 5 adet yeni yatırım olmak üzere toplamda 16 adet pompaj depolamalı hidroelektrik santral planlaması yapılmış olup, detaylı çalışmalar da henüz planlama aşamasında bulunmaktadır. Son dönemlerde devletin ilgili kurumlarında, PDHES'lerin yapımı konusunda bazı güncel mevzuat çalışmaları devam etmekle birlikte, henüz resmiyet kazanmış bir durum da söz konusu değildir.  
Gerçekleştirilen doktora tez çalışması kapsamında, pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin kapasitesinin net faydayı maksimize etmesiyle belirlenen kapasite optimizasyon modeli (KOPMOD) olarak adlandırılacak olup, deterministik bir yaklaşımla çalışılan bu matematik modelde yapı boyutları, kurulu güç ve net faydanın optimizasyonu ele alınacaktır. Bu çalışmayı yaparken öncelikle karar değişkenleri belirlenerek, bu parametrelerin kapasiteyi belirli aralıklar içinde seçerek modelde kullanılması amaç edinilmiştir. Kapasitenin çalışma aralıkları da dünyada tesis edilmiş PDHES'ler ile ülke şartları ve ihtiyaçları dikkate alınarak belirlenmiştir. Elektrik fiyatlarının gün içindeki değişimleri, uzun yıllar oluşan fiyatların analiz edilmesi ve elektrik fiyatlarına etki eden faktörler ele alınarak modellere işlenerek, modellerin oluşturulması sağlanmıştır. Elektrik fiyatlarının analizleri PDHES'lerin çalışma saatlerinin belirlenmesinde etkin rol oynamaktadır. 
Karar değişkenleri olarak tesisi kurulu güç kapasitesi, çalışma saati ve karlılık oranları, indirgeme oranı, iç verim oranı, tesis süreleri ve yapım birim fiyatları gibi ana unsurlar olarak belirlenmiştir. Net faydanın maksimize edilmesi üzerine kurulu olan sonuç kısmının en önemli sonuç parametreleri tesis yatırım bedeli, tesisin geliri ve giderleri, elektrik üretim ve tüketimleridir.  üretim ve güç, maliyetler, gelir ve gider, ekonomik analiz ana başlıkları altında değerlendirilmiştir. Üretim, tüketim ve kurulu güç ana başlığı altında hesaplanan değerler tersinir türbinlerin teknik değerleri ve karar değişkenlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. Maliyetler ise, kapasite değişiklikleri sonucu boyutları belirlenen tesislerin birim fiyatları ve piyasa fiyatları dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Gelir ve giderler ise, elektrik fiyatları ve işletme aşamasında oluşacak olan giderlerin piyasa koşullarında fiyatlandırılması ile belirlenmektedir. Maliyetler, gelir ve giderlerin belirlenmesi sonucu ekonomik analiz kapsamında hesaplanan net fayda hesaplaması sonucunda hangi seçimin en uygun olduğu model ile ortaya çıkmaktadır. KOPMOD ile oluşturulacak matematik modelde değişkenlerin değişimi ile net faydanın da değişimi izlenebilmektedir.
Çalışmalarda YEKDEM sistemi kapsamında devlet tarafından belirlenen elektrik satış fiyatları da ayrıca çalışmalarda dikkate alınmıştır. Karar değişkenleri, sonuç parametreleri, kapasite değişim aralığı, aralarındaki bağlantıları ve değerleme kriterleri belirlendikten sonra, PDHES için oluşturulan KOPMOD'un çalıştırılması ile net faydanın maksimize edildiği kapasite belirlenerek en uygun kurulu güç seçilmektedir. 
Modelin çalışma saati ve karlılık oranlarının belirlenmesi için KOPMOD öncesi göreceli karlılık analizi yaklaşımı (GÖKAY) modeli kullanılmaktadır. GÖKAY'da Türkiye'de geçmiş yıllarda gerçekleşmiş elektrik satış fiyatları modelin analiz edilecek verileri olarak ele alınmaktadır. PDHES için belirlenen bir iç verim oranı (İVO) esas alınarak gün içindeki en düşük elektrik satış fiyatları ve en yüksek elektrik fiyatları belirlenir. En düşük elektrik fiyatlarına iç verimden kaynaklanan kayıplar da bindirilerek en yüksek fiyatlar arasında PDHES'in elektrik üretim ile tüketiminden gün içinde kar elde ettiği saatlere ulaşılır. Seçilecek her bir iç verim oranı çalışma saatini ve karlılık oranlarını değiştirmektedir. GÖKAY modelinin sonuçları değerlendirildiğinde İVO değeri arttıkça çalışma saati artmasına karşılık, karlılık oranları azalmaktadır. Karlılık oranı ve çalışma saati birlikte ele alındığında ise, İVO değeri arttıkça normalize edilmiş karlılık oranının da arttığı görülmektedir. 
Sonuç olarak, PDHES'in ilk planlama aşamasında mevcut piyasa şartları, topoğrafyası, yatırımın ekonomik durumu ve piyasa elektrik fiyatları ile KOPMOD çalıştırılarak bulunan kapasitede PDHES'in yapımına karar verilebilmektedir. Kapasite belirlendikten sonra, tesisi yapılarının boyutları, maliyetleri, üretim ve tüketimleri ortaya çıkacağı için PDHES'in ekonomik olarak yapımına karar verilebilecektir.

Abstract:
Energy is the ability to perform the work or produce the work that is contained in a material, a substance, or a cell. In a person, in a machine, in water flowing from a high place, there is the power to do a certain amount of work at any moment, hence a certain amount of energy. The state and location of an object, a substance, has a potential energy with the storage in its molecular structure. This potential energy is transformed into kinetic energy by being acted upon by a movement, an acceleration, a chemical reaction or a physical change. Thus, with the mass and velocity of the moving object, its potential energy is transformed into kinetic energy, and this situation does a work. 
Today, energy stands out as one of the indispensable tools to advance the development of industry and technology, and it is one of the main elements for the continuation of production activities. At the same time, it is of great importance that energy, which is one of the most important requirements of the social and economic development of societies, can be provided under appropriate conditions in a way that is sufficient for the increasing world population. Energy sources need to be converted into electricity in order to provide the necessary electrical power in houses, workplaces, schools, factories and industrial facilities. Fossil resources such as oil, natural gas, coal and renewable energy sources such as wind, solar, water, geothermal are converted into electricity thanks to various electricity generation plants and used in the daily needs of people and in the production sector. 
For our country, which is among the developing countries, energy, which has become the most important need for both increasing social welfare and the production continuity and development of the industrial sector, needs to be met in a timely and reliable manner. The high growth rates achieved by our country recently have led to a rapid increase in energy demand. It is calculated that the increase in energy demand will continue with the growth rates in the coming years. In order to meet the increasing energy demand, energy legislation for the restructuring of the energy sector has been revisited since the early 2000s and various regulations have been made and liberalization steps have been taken in the energy sector. It is aimed to create a financially sound, stable and transparent electricity energy market that can operate in a competitive environment in accordance with the provisions of private law, and to provide an independent regulation and supervision in this market, so that consumers can make sufficient, good quality, continuous, low cost and environmentally friendly use of electricity with the legislative amendments, new regulations, and the new institutions created. 
In the past period, despite the new regulations made in our country, the liberalization of the energy market, and the energy investments made, the country has been unable to meet the increasing energy needs with its own equity resources, and foreign dependence in terms of energy continues. Being dependent on foreign sources in terms of energy resources adversely affects the economy and strategic situation of the country. Foreign-dependent countries in energy resources become dependent on other countries in the growth of their economy and in the most important issues such as making strategic decisions. For these reasons, it is necessary to ensure the use of all resources, especially renewable energy resources, in the country by converting them to energy in the optimum way and to become the main target to reduce foreign dependency.  
Pumped Storage Hydroelectric Plants (PSH) are systems that meet the energy needs in case of failure of reservoir HPPs in meeting peak demand or in order for base power plants to be balanced within the energy system of the country. PSHs are a kind of electrical storage systems. These plants store water by pumping it into a high natural or artificial upper chamber when electricity prices are low and convert the water accumulated in the upper chamber to hydroelectric energy through turbines when electricity needs occur during the day or month and thus electricity prices rise. 
Although pumped storage hydroelectric power plants with a capacity of approximately 100,000 MW are operating, primarily in the United States and Japan, there is no pumped storage plant in our country, there has not been enough work on how to optimize these facilities in case of planning to construct them. A total of 16 pumped storage hydroelectric plants have been planned by the General Directorate of Electrical Works Survey Administration on 11 existing dams and 5 new investments in the first survey phase, and detailed studies are still in the planning phase. Recently, some current legislation studies on the construction of PSHs have been ongoing in the relevant institutions of the state, but there is no official situation yet.  
Within the scope of the doctoral thesis, the capacity of pumped storage hydroelectric plants will be called as the capacity optimization model (KOPMOD), which is determined by maximizing the net benefit, and in this mathematical model, which is studied with a deterministic approach, the optimization of the structure dimensions, installed power and net benefit will be discussed. In doing this study, it was aimed to determine the decision variables first and to use these parameters in the model by selecting the capacity within certain intervals. The working ranges of the capacity are also determined by considering the conditions and needs of the country with PSHs established in the world. Changes in electricity prices during the day, analysis of prices that have occurred for many years, and the factors affecting electricity prices were discussed and models were processed and models were created. Analysis of electricity prices plays an active role in determining the working hours of PSHs. 
The main factors such as installed power capacity, working hours and profitability rates, reduction rate, internal rate of return, plant durations and construction unit prices have been determined as decision variables. The most important result parameters of the result part, which is based on maximizing the net benefit, are the facility investment cost, the income and expenses of the facility, electricity production and consumption.  Production and power, costs, income and expense are evaluated under the main headings of economic analysis. The values calculated under the main title of production, consumption and installed power vary depending on the technical values and decision variables of the reversible turbines. Costs are calculated by considering the unit prices and market prices of the facilities whose dimensions are determined as a result of capacity changes. Income and expenses are determined by pricing the electricity prices and the expenses that will occur during the operation phase under market conditions. As a result of the net benefit calculation calculated within the scope of economic analysis as a result of determining the costs, incomes and expenses, it is revealed with the model which choice is most appropriate. In the mathematical model to be created with KOPMOD, the change of variables and the change of net benefit can be monitored. 
The electricity sales prices determined by the state within the scope of YEKDEM system have also been taken into consideration in the studies. After determining the decision variables, result parameters, capacity change interval, connections between them and the evaluation criteria, the most appropriate installed power is selected by determining the capacity where the net benefit is maximized by running the KOPMOD created for PSHs. 
Relative profitability analysis approach (GÖKAY) model before KOPMOD is used to determine the working hours and profitability rates of the model. In GÖKAY, electricity sales prices realized in Turkey in the past years are considered as data to be analyzed in the model. Based on an internal rate of efficiency (IVO) set for Pumped-Storage Hydroelectric Power Plants (PSH), the lowest electricity sales prices and the highest electricity prices during the day are determined. The lowest electricity prices are also added to losses resulting from domestic efficiency, and among the highest prices, PSH profits from electricity generation and consumption are found for a day. Each internal yield rate to be selected changes the working hours and profitability rates. When the results of GÖKAY model are evaluated, as the IVO value increases, the working hours increase, but the profitability rates decrease. When the profitability rate and working hours are taken together, it is seen that the normalized profitability rate increases as the IVO value increases. 
In GÖKAY approach, hydraulic losses that may occur within the PSH system, leakage, evaporation, losses in the amount of water due to leakage, turbine, pump, generator and transformer efficiency losses are defined, and the internal rate of efficiency (IVO) is defined and this ratio is based in the studies when daily working hours are found and profitability analysis is carried out. The IVO value is selected between 70% and 95%, and the working hours and profitability rates for each value are determined. The most important factor that makes the approach empiric is the hourly electricity prices in Turkey for a total of 3,637 days and 87,288 hours between 2011 and 2021, taken from the data used from the Energy Exchange Istanbul (EXIST) records. Accordingly;
	The lowest-priced watches and the highest-priced watches were determined, adding losses from the value of the IVO to the prices. 
	By producing and consuming during the day, the working hours in which PSH made a profit were determined. 
	The highest and lowest electricity prices were determined during the working hours in which profits were obtained. 
	The average electricity price for 3,637 days and 87,288 hours between 2011 and 2021 was USD 58.81/MWH. 
	Since 2012-2020 is the full years with data, the average electricity price for 3,288 days and 57,312 hours between these years was USD 57.04/MWH. 
	By moving from the specified working hours, proportional values in electricity consumption were obtained by comparing the lowest prices during the working day with the average daily price.
	With reference to the specified working hours, proportional values in electricity generation were obtained by comparing the highest prices during the working day with the average daily price. 
	As a result of the studies, working hours, normalized head cost (NEDM), normalized head sale price (NEDSF), profitability ratio and normalized profitability rate (NKO) values were obtained according to IVO values. Accordingly, although the IVO value increases, the NEDM, NEDSF and profitability rate decreases, the working hours increase and the normalized profitability rate (NKO) increases accordingly. 
	Since all the data used in GÖKAY model established with an empiric approach is actually electrical data formed and there is no prediction or predictive approach, the analysis is a completely realistic approach. Therefore, the fact that the KOPMOD model will be used on the base indicates that the KOPMOD model will also work with realistic values. At the same time, GÖKAY analysis has been an analysis method that can be easily used by all stakeholders working in the energy sector and performing electrical analyses. 
Working hours and profitability rates obtained from GÖKAY model are automatically transferred to KOPMOD within the model and the model is ensured to work together. One of the most important variables for PSH is the differences between working hours and electricity prices. After these two variables are determined with GÖKAY, maximum net benefit and optimum capacity are reached according to the change of other decision variables in KOPMOD. KOPMOD is a model based on GÖKAY, an empiric approach, and operated with a deterministic logic. Instead of a stochastic approach, real-life values and events add to the logic of the model, ensuring realistic results of the model, as well as the emergence of a study that can be used directly in the sector. 
As a result, in the first planning phase of PSH, the construction of PSH can be decided by operating KOPMOD with the current market conditions, topography, economic status of the investment and market electricity prices. After the capacity is determined, it can be decided to construct PSH economically as the dimensions, costs, production and consumption of the facility structures will emerge.