Yenilenebilir enerji planlaması için bütünleşik çok amaçlı bir karar modeli önerisi
An integrated multi-objective decision model for renewable energy planning
Yazar: BEYZANUR ÇAYIR ERVURAL
Danışman: PROF. DR. RAMAZAN EVREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Çok amaçlı karar verme = Multiobjective decision making ; Çok kriterli karar verme = Multi criteria decision making

Özet:
Hızla artan enerji ihtiyacının, sınırlı rezervleri bulunan fosil kaynaklı yakıtlarla karşılanması her geçen gün güçleşmekte ve enerjide sürdürülebilirliği engellemektedir. Fosil kaynakların kısıtlı doğası, maliyetli yapısı, dışa bağımlılığı artırması ve sera gazı etkisi gibi birtakım dezavantajları yüzünden yenilenebilir enerji kaynaklarına olan farkındalık artmıştır. Sürdürülebilir bir enerji planlaması için yenilenebilir enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Yenilenebilir enerji kaynakları yerli kaynak olmaları, enerjide arz güvenliğini sağlamaları,  çevresel kaygıları azaltmaları ve Kyoto Protokolü gibi uluslararası anlaşmalara uyum sağlanması bakımından ülkelerin enerji politikalarında büyük bir öneme sahiptir. 
Uluslararası Enerji Ajansı'na (IEA – "International Energy Agency") göre 2020 yılında dünyada tüketilen enerjinin dörtte biri yenilebilir enerji kaynaklarından sağlanacaktır. Artan enerji ihtiyacının uzun vadeli enerji politikaları gereği yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanması planlanmaktadır. Türkiye'de elektrik tüketimi nüfus, sanayileşme ve gelir seviyesine bağlı olarak sürekli artış göstermektedir. Yapılan tahminlere göre, Türkiye elektrik enerjisi tüketimi on beş yıldan daha kısa bir süre içinde yaklaşık iki kat artacağı öngörülmektedir. Bu yüzden, alternatif enerji politikalarının geliştirilmesine, doğru ve güvenilir talep tahmin çalışmalarının yapılmasına ve uzun vadeli yatırım planlarının oluşturulmasına ihtiyaç vardır.
Türkiye yenilenebilir enerji potansiyeli yüksek olan bir ülkedir, elverişli iklim koşulları sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yatırım yapılmasını kolaylaştırmaktadır. Yerli ve çeşitli türde mevcut olan yenilenebilir enerji kaynak potansiyelinin etkin biçimde değerlendirilmesi Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı'nın yayınladığı enerji stratejileri arasındadır ve mevcut enerji planlaması bu doğrultuda gerçekleşmektedir. 
Enerji planlama, enerjinin üretilmesi, iletilmesi, dağıtılması gibi çeşitli süreçleri kapsayan farklı paydaşların amaçlarını aynı anda iyileştirmeye çalışan karmaşık bir yapıya sahiptir. Böyle karmaşık ve çok boyutlu enerji problemleriyle başa çıkmak güçtür. Enerji planlamasında, enerji sektöründeki politika yapıcılar (karar vericiler, yöneticiler) etkin bir enerji arz zinciri mekanizması oluştururken tüm faydaları ve kayıpları dengelemelidir. Çok amaçlı karar verme yaklaşımları, çelişen amaçlar arasında denge kurulmasına olanak tanır. Bu çalışmada, çok amaçlı karar verme yaklaşımları kullanılarak bir yenilenebilir enerji yatırım planlama modeli önerilmektedir. Önerilen bütünleşik çok amaçlı karar verme modeli uzun vadeli sürdürülebilir enerji hedefleri doğrultusunda toplam elektrik üretim maliyeti, elektrik üretim-tüketim bölgeleri arasındaki mesafe, yenilenebilir enerji kaynak potansiyeli, sosyal-çevresel etki faktörü ve kaçınılan karbon emisyonu gibi çelişen birçok amacı iyileştirmeye çalışmaktadır. Çalışmada mevcut yenilebilir enerji kaynak potansiyelinden maksimum seviyede yararlanılması ve atıl kaynakların değerlendirilerek ülke ekonomisine kazandırılması beklenmektedir. Geliştirilen model, yenilenebilir enerji kaynaklarını teknik, ekonomik, sosyal ve çevresel perspektiften değerlendirerek yirmi bir elektrik dağıtım bölgesine sahip Türkiye örneği üzerinde bir kaynak optimizasyonu oluşturmaktadır. Literatürde enerji planlama çalışmalarının çoğunda fosil enerji kaynaklarının veya fosil ve yenilenebilir enerji kaynaklarının birlikte değerlendirildiği gözlenmektedir. Yalnız yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik çalışmalar son yıllarda artış gösterse de sınırlı sayıdadır ve çalışmaların çoğunlukla Türkiye dışındaki ülkeler için ele alındığı görülmektedir. Dolayısıyla sunulan çalışmalarda enerji planlama modelleri o ülkenin kendi karakteristik özelliklerine, yerel kaynaklarına, bölge halkının istihdam oranına ve yenilenebilir enerjiye gösterdikleri reaksiyona (sosyal kabul faktörü) göre değişiklik göstermektedir. Türkiye gibi gelişmekte olan ülkelerde enerji piyasası yeni şekillendiğinden enerji verilerine ulaşmak kolay değildir. Enerjiyle ilgili farklı kaynaklardan toplanan verilerin sistematik bir yaklaşımla değerlendirilip analiz edilmesi çalışmanın bir diğer katkısı olarak sunulabilir.
Çalışmada öncelikle, Türkiye enerji sektörü değerlendirilerek alternatif enerji stratejileri oluşturulmuştur. Buna göre yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji arzı içindeki payının arttırılması önemli bir strateji olarak ortaya çıkmıştır.  Ardından Türkiye'nin 2023 yılında (kısa dönem), 2030 yılında (orta dönem) ve 2050 yılında (uzun dönem) ortaya çıkacak elektrik ihtiyacı geleneksel yaklaşımlar, yapay zeka yöntemleri ve hibrid yaklaşımlarla tahmin edilmiştir. Tahmin doğruluğu bakımından yöntemler karşılaştırıldığında probleme özgü geliştirilen hibrid Holt-Winters-Genetik algoritma yöntemi ve başarılı bir makine öğrenme yöntemi olan destek vektör regresyonu ile yapılan tahminlerin daha iyi sonuç verdiği gözlenmiştir. Buna göre elde edilen bölge talep bilgileri geliştirilen matematiksel modelde kullanılmıştır.
Bu çalışmada yer alan kriterlerin belirlenmesi ve alternatiflerin değerlendirilmesi enerji sektörünün önde gelen kurum ve kuruluş yetkilileriyle yapılan görüşmeler neticesinde belirlenmiştir. Daha sonra sosyal-çevresel etki faktörü kararsız bulanık TOPSIS yöntemi ile değerlendirilmiştir. Bulanık küme yaklaşımı kesin olmayan ve kısıtlı veri kümesinde, dilsel terimlerle değerlendirmede başarılı sonuçlar sağladığı için tercih edilmiştir. Ele alınan çok amaçlı modelde belirlenen amaçların önem derecesi modelin çözümünde önemli bir etkiye sahiptir. Amaçların önem dereceleri Analitik Hiyerarşi Süreci yöntemiyle hesaplanmıştır. Geliştirilen çok amaçlı karma tam sayılı doğrusal programlama modeli uzlaşık programlama yöntemi kullanılarak GAMS'in CPLEX çözücüsü ile çözülmüştür. Model tutarlılığı ve sonuçların sağlamlığı (gürbüzlüğü) duyarlılık analizi ve senaryo analizleri ile test edilmiş ve modelin başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir.
Mevcut çalışmalar incelediğinde, talep tahmini, bulanık yaklaşımlar ve çok kriterli/çok amaçlı karar verme yaklaşımlarını bütünleşik bir yapı ile birleştiren, ülke düzeyinde sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için geliştirilmiş bir yenilenebilir enerji yatırım planlama modeline rastlanmamıştır. Önerilen çok amaçlı karar verme yaklaşımında, ülkenin mevcut gereksinimleri dikkate alınarak bir yenilenebilir enerji kaynak optimizasyonu sağlanmaktadır. Çalışmanın bilimsel yöntemlere dayanan çok aşamalı deterministik yapısı sayesinde, bu alanda çalışacak araştırmacılara ve politika yapıcılara yol göstermesi beklenmektedir.

Abstract:
It is difficult to meet the increased energy demand with fossil-based fuels, due to their limited reserves. Awareness of environmental issues, depleting fossil fuel resources, the precarious nature of dependency on fossil fuel/oil imports laid the foundation for the recent interest in the exploitation of renewable energy sources. Renewable energy is deemed to be clean, sustainable, cost-effective, reliable and environmental friendly, and hence can be relied on for the long-term. The most important feature of renewable energy sources is their environmental suitability. Therefore they are needed for sustainable energy planning. Renewable energy sources play an important role in countries' energy policies in terms of ensuring energy security, energy independence, and achieving environmental concerns according to international agreements such as the Kyoto Protocol.
According to the International Energy Agency (IEA), one quarter of the world's energy consumption will be supplied from renewable energy sources in 2020. Increased energy needs are planned to be provided from renewable energy sources in accordance with long-term energy investments and energy policies. The energy consumption of Turkey shows a continuous increase in parallel with the growth of population, industrialization, and urbanization. More specifically, according to electricity demand projections Turkey's electricity consumption will increase by nearly two times in less than 15 years. Therefore, it is strategically important that energy demand projections should be implemented accurately and optimally. In order to respond to such a large increase in demand, it is necessary to understand demand, to make accurate demand projections and to establish investment plans accordingly. Turkey is known as a country blessed with great potential for renewable energy with its suitable climate and geological position. These advantages not only facilitate but also incentivize Turkish authorities for investment in sustainable and renewable energy sources. Hence, effective utilization of various potential renewable energy sources is among the strategies published by the Turkish Republic of Ministry of Energy and Natural Resources (MENR). 
Energy planning is a complex managerial practice involving various interrelated processes, such as energy generation, delivery, and distribution, while striving to meet the goals of different stakeholders. It is difficult to deal with such complex and multidimensional energy problems. In energy planning, all benefits and losses should be balanced while policy makers and decision makers/managers in the energy sector create an efficient energy supply chain mechanism. Multi-objective decision making approaches can provide effective results by simultaneously satisfying multiple and often conflicting objectives.
In this study, a renewable energy investment planning model is proposed using an integrated multi-objective decision making approach. The proposed optimization model attempts to improve multiple conflicting objectives such as total electricity production cost, the distance between electricity production and consumption regions, renewable energy potential, socio-environmental impact factor and the avoided of carbon emissions with a consideration of long-term sustainable energy goals. In this study, it is expected that the existing renewable energy resource potential is utilized at a maximum level and the idle sources are evaluated and brought into the national economy. The developed model evaluates the energy resources within the technical, economic, social and environmental perspectives, which created a resource optimization model with the application of the case on Turkey that has 21 electricity distribution regions.
The majority of energy planning studies in the literature investigate fossil energy sources, or fossil and renewable energy sources together in a comparative fashion. The number of studies focusing solely on renewable energy sources and their collective advantages is still limited, despite the recent increase in the interest and related research in this area. The limited number of studies in renewable energy planning focused on individual regions and/or countries other than Turkey. As energy planning models are developed to reflect the characteristics of a particular region/country, they can vary considerably depending on the diversity of local sources, policies and the views of local communities on renewable energy plants (social acceptance factor). The study aims to enrich the field with a comprehensive analysis of Turkey's renewable energy strategy. In fact, it is very difficult to access all of the unique characteristics that exist at granular levels in developing countries, such as Turkey. The collective use of multiple data/information sources was an added enabler of this study.
In the first part, Turkey's energy sector was evaluated and then the alternative energy strategies were created. According to results, increasing the share of renewable energy sources in energy supply was emerging as an important strategy. Then, Turkey's electricity needs emerging in 2023 (short term), in 2030 (medium term) and in 2050 (long-term), was forecasted using traditional approaches, artificial intelligence methods, and hybrid approaches. When methods were compared in terms of prediction accuracy, it was observed that the hybrid Holt-Winters-Genetic algorithm method developed using with MATLAB software, and the support vector regression, which was a successful machine learning method, performed better. The demand information obtained from this method was used as the electrical demand of regions in the developed mathematical model. 
In this study, evaluations were carried out via interviews with the authorities from the leading institutions and organizations in the energy sector. Then, the socio-environmental impact factor was calculated using the Hesitant Fuzzy TOPSIS method. The fuzzy sets approach has been chosen because it provides successful results in making the evaluation with the linguistic term within an indefinite and restricted set of data. The accurate determination of the weights of the objectives (i.e., importance levels) in the multi-objective decision making model directly affects the solution and all of the subsequent derivations. Due to such sensitiveness and serious impacts of the weights of the determined objectives on the model, the weights were determined/calculated using the Analytical Hierarchy Process method. The developed multi-objective mixed integer linear programming model was solved by the CPLEX solver of GAMS software using the compromise programming method. The model consistency was tested with sensitivity analysis and scenario analyses, and the model was observed to yield successful results. 
According to the extant literature, there is no such comprehensive renewable energy investment planning model at a country level that has been developed according to a multi-stage hybridized methodology (which integrates demand forecasting, fuzzy sets theory and multi-criteria/objective decision-making approaches) to achieve sustainability goals. The proposed multi-objective decision model offers decision makers a deterministic and integrated tool based on scientific methods to assist in making strategic decisions on matters associated with the planning of energy resources in Turkey.