Batarya enerji depolama sistemlerinin teknolojik performanslarının ve doğal gaz kombine çevrim santrallarına entegrasyonunun değerlendirilmesi
Evaluation of the technological performances of battery energy storage systems and their integration into natural gas combined cycle power plants
Yazar: MERVE BULUT
Danışman: DOÇ. DR. EVRENCAN ÖZCAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Ülkelerin küresel rekabet gücünü artıran sürdürülebilir enerji politikaları yenilenebilir kaynaklı enerji üretiminin şebekedeki paylarının da artmasını sağlamıştır. Ancak bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarının kesikli çalışma rejimi göstermesinden dolayı şebekedeki arz-talep dengeleme faaliyetlerinde konvansiyonel santralların görevini ağırlaştırmıştır. Dolayısıyla, konvansiyonel santralların rekabet yeteneğinin geliştirilmesi, diğer bir deyişle bu santrallara operasyonel esneklik kazandırılması ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Bu noktada yüksek termik verim ve güç ile işletme kolaylığı ve düşük çevresel emisyon avantajları sunan doğal gaz kombine çevrim santralları (DGKÇS) dikkat çekmektedir. Bununla birlikte, enerji arz-talep arasındaki zaman ve oran dengesizliğini gideren enerji depolama sistemleri (EDS) santral esnekliğini artırabilecek etkili çözümlerdir. Ancak bu çözümler hem santraldaki operasyonel kararlara hem de düşük atalet gösteren piyasaların kararlı hale geçmesine yönelik esnek çözümler olmalıdır. Batarya enerji depolama sistemleri (BEDS) ise, hızla gelişmekte olan bu endüstriye çevresel, verimli ve modüler anlamda ivme kazandırabilen, güç sistemlerinin farklı düzeylerine entegre edilebilir formlarının bulunduğu elektrokimyasal enerji depolama çözümleri olarak tanımlanmaktadır. Bu kapsamda, BEDS'in DGKÇS'ye entegrasyonu ile operasyonel esnekliğinin artırılması literatürde ilk kez bu tez kapsamında ele alınmıştır. Bununla birlikte, farklı kimyasal tiplere sahip BEDS'in ortak teknik özelliklere sahip olmaları, bu teknolojiler için performans değerlendirmesi yapılabilmesine olanak sağlamaktadır.  
Buradan hareketle, bu tez kapsamında ilk olarak entegrasyon için seçilen alternatif BEDS'in ortak teknolojik performans değerlendirmesi yapılmıştır. İkinci aşamada ise, santral entegrasyonu için bulanık bir ortamda karar vericiye yön bulmasını sağlayacak metodolojik bir bütün önerilmiştir. Her iki uygulamanın da şebeke paydaşlarınca değerlendirilen yüksek belirsizlik ve karmaşıklık içeren bir karar problemi olması ve karar vericilerin dilsel değerlendirmelerini ve deneyimlerini dikkate alan bulanık küme teorisi (BKT)'nin problem tipine uygunluğu dikkate alınarak uygulamanın birinci aşamasında, Pisagor Bulanık Analitik Hiyerarşi Prosesi (PBAHP) ve Pisagor Bulanık TOPSIS (PBTOPSIS)'ten oluşan kombine çok kriterli karar verme modeli BEDS'in teknolojik performans değerlendirmesi için önerilmiştir. Önerilen bulanık temelli metodolojinin sonuçlarını analiz etmek ve geçerliliğini doğrulamak açısından PBAHP ile hesaplanan kriter ağırlıkları sırasıyla BTOPSIS ve BCOPRAS yöntemleri ile de karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Ayrıca, önerilen modelin geçerliliğini ve sağlamlığını ölçmek ve olası koşullar altında sıralamanın stabilitesini gözlemlemek için duyarlılık analizi yapılmıştır. Sonuçlar göstermektedir ki, batarya performansında en önemli kriterler sırasıyla ekonomik ömür, deşarj süresi/enerji oranı ve yaşam döngüsü parametreleridir. Gelecek projeksiyonlarında hızla gelişmekte olan lityum-iyon bataryalar ilk sırada yer alırken, olgunlaşmış teknoloji olarak görülen kurşun-asit bataryaların da ikinci sırada yer aldığı uygulamanın diğer bir sonucudur. 
Tezin ikinci aşaması olan entegrasyonun değerlendirilmesinde ilk olarak, santral için operasyonel amaçların önceliklendirilmesi gerçekleştirilmiştir.  Bu aşamada, PBAHP ve PBTOPSIS yöntemlerinin kombinasyonu kullanılmıştır.  Ardından, bu tezin ana amacı olan söz konusu öncelikli amaçlar altında sürdürülebilir bir projeksiyon oluşturulabilmesi için farklı koşullardaki BEDS'in sıralaması fazına geçilmiştir. Bu kapsamda, gelişmekte olan BEDS'in sıralaması için COPRAS yöntemi kullanılmıştır. Bu aşamanın sonucunda ise, lityum-iyon bataryaların ekonomik getiri ve teknolojik yeterlilikleri göz önüne alındığında, büyük ölçekli santrallarda etkili ikame teknoloji alternatifi olabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Sustainable energy policies, which increase the global competitiveness of countries, have increased the share of renewable energy generation in the grid. However, this circumstance has aggravated the role of conventional power plants in supply-demand balancing activities owing to the intermittent operation regimes of renewable energy sources.  Therefore, the need to improve the competitiveness of conventional power plants, in other words, to provide operational flexibility to these power plants has emerged. At this point, natural gas combined cycle power plants (NGCCPs), which offer high thermal efficiency and power, ease of operation and low environmental emission advantages, draw attention. On the other hand, energy storage technologies (ESTs) that eliminate the time and ratio imbalance between energy supply and demand are effective solutions that can be increase plant flexibility. However, these solutions should be flexible solutions for both operational decisions in the power plant and stabilization of low inertia markets. Battery energy storage systems (BESSs) are defined as electrochemical energy storage solutions that can accelerate this rapidly developing industry in an environmental, efficient, and modular sense, and have forms that can be integrated into different levels of power systems. In this context, this study is the first in the literature to focus on the integration of BESSs in the power plants and increasing the operational flexibility. In addition, although BESSs have different operating regimes, common technological features made it possible for these systems to be comparable with each other.
In this thesis, a joint technological performance evaluation of alternative BESSs selected for integration was first made. In the second stage, a methodology that will enable the decision maker to find direction in a fuzzy environment is proposed for the integration. In the first phase of the application, Pythagorean Fuzzy Analytical Hierarchy Process (PFAHP) and Pythagorean Fuzzy TOPSIS (PFTOPSIS), a combined multi-criteria decision-making model has been proposed for the technological performance evaluation of BESSs, considering that both applications are a decision problem with high uncertainty and complexity evaluated by the grid stakeholders and the suitability of the fuzzy set theory (FST), which takes into account the linguistic evaluations and experiences of decision makers, to the problem type. To analyze the results of the proposed fuzzy-based methodology and verify its validity, the criteria weights calculated with PFAHP are presented comparatively with the Fuzzy TOPSIS and Fuzzy COPRAS methods, respectively. In addition, sensitivity analysis was conducted to measure the validity and robustness of the model and to observe the stability of the ranking under possible conditions. The results show that the most important criteria in battery performance are lifetime calendric, energy rating/discharge time and life cycle criteria, respectively. Another conclusion of the case study is that while the rapidly developing lithium-ion battery takes the first place in future projections, it takes the second place in lead-acid batteries, which are seen as mature technology.
In the evaluation of integration, which is the second stage of the thesis, the prioritization of operational objectives for the power plant has been realized firstly. At this phase, the combination of PFAHP and PFTOPSIS methods was used. Then, in order to create a sustainable projection under these priority purposes, which is the main purpose of this thesis, the ranking phase of BESSs in different conditions has been started. In this context, the COPRAS method was used to rank the developing battery storage technologies. The results of the proposed methodology show that lithium-ion batteries given their economic return and technological capabilities can be an effective substitution technology alternative in NGCCPPs.