Rüzgâr santrali bileşenlerinin analitik ağ süreci kullanarak yeni bir yaklaşımla çok ölçütlü seçimi
Multi criteria selection of wind power plant components with a new approach using analytical network process
Yazar: FİKRİ BARIŞ UZUNLAR
Danışman: PROF. DR. ÖNDER GÜLER ; PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Elektrik enerjisinin çoğunlukla fosil kaynaklardan sağlandığı günümüzde, kaynaklar hem zamanla tükenmekte hem de çevremize olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Bu nedenle yenilenebilir enerjiye bir yönelim olmuş ve son yıllarda yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle rüzgâr enerjisinde büyük teknolojik gelişmeler yaşanmıştır. Bu gelişmeler sonucunda büyük güçlerdeki rüzgâr türbinleri ile santral kurulumları gerçekleşmiştir. Rüzgâr türbin teknolojileri geliştikçe ve yenilenebilir enerjideki talep dünya genelinde arttıkça, santral yardımcı sistemlerinin de buna paralel olarak gelişmesi gerekmektedir. Aksi durumda, mevcut altyapılar artan talebi yakın zaman içerisinde karşılayamayacak ve yeni santral kurulumlarının önünde engel olacaktır. Oluşabilecek olası olumsuzlukların önüne geçilebilmesi amacıyla, rüzgâr santrallerinin enerji üretimine etkisi olan parametrelerin teknik ve ekonomik açıdan tarafsız ve sistematik olarak incelenmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu zorunluluk aynı zamanda ülkemizin enerji stratejisi adına rüzgâr enerjisinin toplam üretim içerisindeki payının azami ölçüde yükseltilmesi hedefini de doğrudan etkilemektedir.
Rüzgârın değişken ve tahmini zor yapıda bir yenilenebilir enerji kaynağı olması, yatırımların planlanmasını da zorlaştırmaktadır. Ayrıca rüzgârın bu karmaşık yapısı, rüzgâr enerjisi santrallerinin kurulumunda hem yatırımcılara hem de türbin üreticilerine zorlayıcı kısıtlamalar getirmektedir. Bu nedenle, rüzgâr enerji santrallerinin ilgili yönetmelikler ile uyumlu olup olmadığının kontrolü amacıyla öncelikle teknik uygunluk analizleri gerçekleştirilmektedir. Analiz sonuçlarının uyumsuz olması durumunda sadece türbinin değil, santral yardımcı sistemlerinin de uyumlu hale gelebilmesi için gerekli düzeltici önlemlerin alınması gerekmektedir. Yalnızca türbindeki maksimum üretime odaklanıp santral yardımcı sistemlerindeki olası iyileştirmeleri gözardı etmek, o bölgedeki gerçek rüzgâr potansiyelinin verimli kullanılmasına büyük bir engel oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasını motive eden en önemli unsurlardan biri de, bu engelin ortadan kaldırılması için gerekli olan çok ölçütlü yatırım kararlarının tarafsız ve sistematik olarak alınabilmesidir. 
Rüzgâr enerjisi  yatırımları sırasında yapılan teknik ve ekonomik analizlerin hatalı olması enerji maliyetlerinin de hatalı belirlenmesine sebep olur. Bu durum enerji üretim ve yatırım maliyetlerini, yatırımın geri dönüşüm oranını ve dolayısıyla da yatırımcıyı etkilediğinden, bu belirsizliklerin en aza indirilmesi gerekmektedir. Karar vericilerin çok farklı çeşitteki rüzgâr türbinleri arasından doğru karar almakta zorlandıkları durumlarda, yaptıkları seçimin bir rüzgâr projesinin genel değerlendirmesindeki etkisi çok yüksek ve önemlidir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında bir rüzgâr santralinin geliştirilmesi ve yatırımı sırasında uygun türbinlerin seçilmesi için analitik ağ süreci (AAS) ve fayda maliyet analizi (FMA) içeren bir yöntem önerilmektedir. Çeşitli rüzgâr türbini tiplerinin performansının değerlendirilmesi için, rüzgâr türbini seçiminde kullanılan faktörlerin değerlendirme önceliğini belirleyen ve türbinlerin performansını ana maliyet ve doğal parametrelere göre sıralayan bir örnek çalışma yapılmıştır. Yöntem çıktılarının parametre değerlerindeki değişimlere karşı kararlılığını analiz etmek için duyarlılık analizi (DA) yapılmıştır. Farklı türbinlerin FMA'sı iç kârlılık oranı (İKO) ve net bugünkü değer (NBD) açısından değerlendirilmiştir. Her bir parametrenin önemi seçilen türbin teknolojisine bağlı olarak büyük ölçüde değiştiğinden, farklı koşullar altında türbin performansını incelemek için çeşitli teknik ve ekonomik girdi parametrelerinin senaryoları oldukça önemlidir. Bu parametrelerdeki küçük değişikliklerin bile karar vermede ciddi bir değişime neden olabileceğini vurgulamak amacıyla, tek tip ölçütle değil ölçütlerin çoklu birleşimi tercih edilerek ve birbirlerine olan etkileri gözlemlenerek analizler gerçekleştirilmiştir.
Bu tez kapsamında, literatürde bulunan çok ölçütlü karar verme (ÇÖKV) yöntemleri incelenmiş ve yatırımcı tercihlerine göre önceliklendirilen rüzgâr santrali yatırım parametrelerinin birbirlerine olan yakın etkilerini gözlemleyebilmek için AAS yöntemi seçilmiştir. AAS ile FMA birlikte kullanılarak mevcut yöntemlere alternatif olabilecek yeni bir karar verme yöntemi önerilmiştir. Ayrıca önerilen karar verme yöntemi ile mevcut bir santralde ölçülmüş rüzgâr şiddeti verileri kullanılarak, rüzgâr enerji santrali modelinde kullanılabilecek alternatif türbinlerin karşılaştırmaları yapılmıştır. Önerilen karar verme yönteminin doğruluğu, farklı tip rüzgâr türbinlerinin aynı saha koşullarında kullanılması durumunda oluşan enerji üretim maliyetlerinin hesaplanması ile ortaya konmuştur. Bunlara ek olarak sahadaki rüzgâr şiddeti ölçülmüş, bu veriler analiz edilmiş ve fayda maliyet analizi yöntemine göre 5 farklı rüzgâr türbin tipi kullanılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Rüzgâr enerji santrali yatırım planlaması sırasında, bir rüzgâr türbininin seçilmesi için önerilen yeni bir yaklaşımın doğruluğu ve kullanılabilirliği tezdeki amaçlardan biridir. Bu anlamda öncelikle, Weibull dağılımı kullanılarak rüzgâr enerji santrallerinde sıkça kullanılan ve anma güçleri 3000 kW ile 3300 kW arasında değişen 5 farklı rüzgâr türbini ile enerji üretim miktarları WindPRO programının desteğiyle belirlenmeye çalışılmıştır. Yapılan örnek çalışmada, analitik ağ süreci ile belirlenen yatırım parametrelerinin enerji üretim maliyetine etkisi incelenmiştir. Daha sonra ise bu 5 farklı rüzgâr türbin tiplerinin, belirlenen parametrelere olan duyarlılık analizleri gerçekleştirilerek çıkarılan sonuçlar özetlenmiştir.
Teknik analizin ilk bölümünde, dişli kutulu ve dişli kutusuz asenkron jeneratörlü türbin seçenekleriyle donatılmış bir santralin öncelikle rüzgâr analizleri yapılarak yıllık enerji üretim hesaplamaları yapılmıştır. Sonrasında ise şebeke uyumu, santral yardımcı sistemlerinin elektrik bileşenleri bakımından farklı şebeke bağlantı donanımları ile incelenmiştir. Rüzgâr santralinin kararlı durum koşulları, reaktif güç kapasitesi, yük akışı ve kısa devre analizi hesaplanarak değerlendirilmiştir. Dinamik durum koşulları ise, rüzgâr parkının arıza durumunda şebekede kalma yeteneği, sistem gerilim ve frekans testleri ile değerlendirilmiştir. Teknik analizin son bölümünde ise, rüzgâr santralleri için kullanılan farklı şebeke bağlantılarının ve türbin jeneratörlerinin, güç sistemine ve santralde üretilen enerjinin kalitesine olan etkileri yapılan kayıp ve harmonik analizler ile incelenmiştir. Teknik analizlerin tamamlanmasıyla, elde edilen sonuçlar baz alınarak ekonomik analizlere geçilmiştir. Öncelikle farklı tip rüzgâr türbini jeneratörlerinin fayda maliyet analizi, iç kârlılık oranı ve net bugünkü değer ile değerlendirilmiştir. Sonrasında maksimum rüzgâr enerjisi elde etmek üzere tesis parametrelerinin ekonomik etkilerini gözlemlemek için enerji maliyet hesabı yapılmıştır. Belirli bir modele dayanan maliyet hesaplamaları yapılarak finansal analizler tamamlanmış ve tezin ekonomik bölümü sonuçlandırılmıştır. Fayda maliyet analizi çıktılarının, çok ölçütlü karar verme yöntemlerinden biri olan analitik ağ süreci ile birlikte kullanılarak yapılan bir vaka analizinde, rüzgâr santrali bileşenlerinin yeni bir yaklaşımla çok ölçütlü seçimi önerilmiştir. Duyarlılık analizlerinin yapıldığı bölümde, rüzgâr santrali yatırım kararlarında yaygın olarak kullanılan farklı parametrelerin değişimi tartışılmıştır. İlk yatırım maliyeti, ortalama rüzgâr hızı ve indirim oranı gibi önemli yatırım parametrelerini değiştirerek farklı türbin tiplerine sahip bir rüzgâr santralinin fayda maliyet duyarlılığı analiz edilmiştir.
Sistemin güvenilirliğinin ve emre amadeliğinin seçim ölçütlerinde kilit nokta olduğu ve bir rüzgâr çiftliğinin gerçek potansiyelinin verimli bir şekilde kullanılması için, şebeke uyum sınırları içinde santral yardımcı sistemleri elektrik parametrelerinin sınırlara yakın olarak seçilmesi gerekliliği vurgulanmıştır. Sonuçlar, bir yatırımın fizibilitesini daha iyi anlamak için, santral yardımcı sistemlerini de içeren tüm sistemin karşılaştırmalı analizinin çok önemli olduğunu göstermektedir. Rüzgâr santrali yapısındaki çeşitli tasarım değerlendirmelerinin çoğu, farklı üreticilerin belirli bir saha optimizasyonu için en uygun ürün çözümünün seçilmesi ile kullanılmıştır ve bu çalışmanın hassasiyeti, finansal hesaplamalardaki fayda maliyet ve duyarlılık analizi sırasında kullanılan maliyet modelinin doğruluğuna dayanmaktadır.

Abstract:
Today, where electrical energy is mostly supplied from fossil sources, resources are both depleted over time and have negative effects on our environment. Therefore, there has been a tendency towards renewable energy and in recent years, technological developments have been experienced to a great extent from renewable energy sources, especially wind energy. As a result of these developments, wind power plant installations with large sizes were realized. As wind turbine technologies are developed and the demand for renewable energy increases worldwide, the balance of plant needs to develop in parallel. Otherwise, existing infrastructures will not be able to meet the increasing demand in the near future and will prevent new plant installations. In order to prevent potential negative effects, it has become a necessity to systematically examine the technical and economical parameters of the wind farms that affect power generation. This obligation also directly affects the target of increasing the share of wind energy in total production within the energy strategy of our country to the maximum extent.
The fact that wind is a variable and difficult to predict renewable energy resource, it makes the planning of this investment difficult as well. Moreover, this complex structure of the wind imposes compelling restrictions on both the investors and the turbine manufacturers on the installation of wind power plants. Therefore, technical compliance analysis is carried out primarily to check the compliance of wind power plants with relevant regulations. If the results of the analysis are incompatible, corrective measures should be taken to ensure that not only the turbine, but also the balance of the plant is compatible. Focusing only on maximum energy production of the turbine and ignoring possible improvements in the balance of plant is a major obstacle to the efficient use of real wind potential in that region, one of the most important factors motivating this thesis is the systematic implementation of multi-criteria investment decisions taking necessary to eliminate this obstacle.
Because of the inaccurate feasibility analysis for economical and technical potential of the wind energy, costs may also be determined incorrectly. These uncertainties affect investment costs thus energy production costs and the risk of return on investment so they should be minimized for the investors. Wind turbine selection is very crucial in the overall effectiveness of a wind project where the stakeholders are challenging for evaluation among very different wind turbines. Consequently, this study proposes a method, which incorporates the analytical network process, and cost-benefit analysis to choose appropriate turbines during the development and investment of a wind plant. A case study is implemented for performance evaluation of various wind turbine types, determining the evaluation priority of factors for wind turbine selection and ranking the performance of turbines with respect to key cost and natural parameters. Sensitivity analysis is carried out to analyze the stability of method outputs to changes in parameter values. Cost-benefit analysis of different turbines is evaluated in terms of net present value and internal rate of return. Several scenarios of technical and economical input parameters are vital in order to examine turbine performance under different conditions since the importance of each parameter varies considerably depending on chosen turbine technology. It is aimed to highlight that even minor changes in these parameters may cause a serious variation on decision making with no uniform criteria but a combination of indices is most preferable.
Within the scope of this thesis, the existing methods of multi-criteria decision-making are examined and in order to observe the close effects of wind farm investment parameters which are prioritized according to investor preferences, analytical network process is used together with cost-benefit analysis and a new decision-making method which is an alternative to existing methods is proposed. In addition, the proposed decision making method was used to compare the wind turbines that can be used in the wind power plant model using the wind data measured in an existing power plant. The accuracy of the proposed decision-making method is demonstrated by calculating the energy generation costs when different types of wind turbines are used in the same field conditions. In addition, the wind profile in the field was measured, these data were analyzed and the results were compared by using 5 different wind turbine types according to cost-benefit analysis method. One of the aims of this thesis is to analyze the usability and success of the proposed method in wind power plant modeling and the selection of a wind turbine. In this context, firstly it is tried to determine the energy production by using Weibull distribution with 5 different wind turbines ranging from 3000 kW to 3300 kW, which are practically used in wind farms. The effect of investment parameters determined by the analytical network process on energy production cost was examined in the case study. Then, SA of these parameters to the wind turbine types that can be used in a wind farm to are examined and the results are summarized. 
In the first part of the technical analysis, annual energy production calculations of a wind power plant equipped with asynchronous geared and direct drive type turbines are performed initially. Then, grid code compliance is examined with different grid connection equipment in terms of the electrical balance of the wind power plant. Firstly, steady-state analysis is evaluated by doing reactive power capability, load flow and short circuit analysis of the wind farm. Secondly, the dynamic analysis of wind farm is evaluated by checking fault ride-through capability, system voltage and frequency tests. In the last part of the technical analysis, the effects of different grid connections and turbine generators used for the power system of wind farms and the energy quality of the plant are analyzed with the loss and harmonic analysis. After the completion of the technical analysis, economic analysis is started based on the results obtained. First of all, cost-benefit analysis of the different types of wind turbine generators is evaluated by the internal rate of return and net present value. And then, the Levelized Cost of Electricity is calculated to observe the economic effect of plant parameters in order to obtain maximum wind energy. Financial analysis is completed after making calculations based on a specific cost model and the economic part of the thesis is concluded. In a case study that is using the cost-benefit analysis outputs together with the analytical network process, which is one of the multi-criteria decision-making methods, a new approach for selection of wind power plant components is proposed. In the section where sensitivity analysis is made, a variety of different parameters that are commonly used in wind plant investment decisions are discussed. Cost-benefit sensitivity of a wind plant with different turbine types by changing key investment parameters like discount rate, wind speed and capital expenditures have been studied.
It is aimed to emphasize that reliability and availability of system are key points in selection criteria and in order to use real wind potential of a farm efficiently, the electrical balance of the plant parameters within given limits of grid code should be chosen close to boundaries. Results show that an overall comparative analysis of system including the balance of plant elements is crucial to better understand the feasibility of investment. Most of the various design considerations in wind plant configuration have been used by choosing appropriate product solutions of different manufacturer's for given plant optimization and the accuracy of this work is based on the fidelity of cost model used during cost-benefit and sensitivity analysis of financial calculations.