Afet bölgelerinde kurulan yerleşim birimlerinin enerji ihtiyacının şebekeden bağımsız hibrit sistemlerle karşılanmasının tekno-ekonomik analizi
Techno-economic analysis of energy demand of settlements established in post-disaster areas with off-grid hybrid systems
Yazar: ENDER YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MURAT ÇAKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Afet bölgelerinde enerji ihtiyacı afetin gerçekleştiği ilk andan itibaren başlamaktadır. Deprem, sel gibi doğal afetlerden sonra özellikle gece yapılan arama-kurtarma çalışmaları sırasında kullanılacak aydınlatma sistemlerinin ve afetten etkilenen kişiler ve afetin yaşandığı bölge ile iletişimi sağlayacak haberleşme cihazlarının sürekli kullanımda olması gerekmektedir. Ayrıca bölgede kullanılacak sağlık cihazlarının çalıştırılması ve su ihtiyacının karşılanması gibi acil konular da enerji ihtiyacını arttırmaktadır. Doğal afetlerden sonra bölgeye verilen elektrik, doğalgaz gibi yakıtları taşıyan hatlardan sızıntı ihtimaline karşı güvenlik nedeniyle kesilebilir. Afetin verdiği zarardan kaynaklı olarak ise elektrik kesintileri, elektrik hatlarında kablolardaki arızalardan kaynaklanacağı gibi, şehir içi şehirlerarası trafolarda hatta enerji üretim tesislerinde problem oluşabilecek problemlerden de kaynaklanabilir. Bununla beraber doğalgaz, petrol gibi nakil hatlarında problem oluşma ihtimali, ulaşım yollarındaki aksaklıklar, afet sonrası bölgelerde enerjinin yerinde üretilme ihtiyacını gündeme getirecektir. Ayrıca bu uygulama kurulacak bölgede kaçak bağlantıların oluşmasını ve bölgenin şebekeye yük getirmemesinin önüne geçeceği gibi ilerleyen zamanlarda bölgede kurulacak kalıcı konutlarda enerji üretim alt yapısını da sağlayacaktır.
Deprem, sel gibi doğal afetler, savaş, zorunlu göç gibi insan ve kıtlık gibi iklim kaynaklı afetlerden sonra insanlar bulundukları bölgeden ayrılmak zorunda kalarak afet bölgelerine yerleşmektedir. Bu bölgelere yerleşen insanların başta barınma, yiyecek ve su gibi önemli ihtiyaçları olmaktadır. Bunun yanında günlük hayatın devamı için önemli olan telefon, tablet ve dizüstü bilgisayarı gibi iletişim araçlarının da elektrik ihtiyacının karşılanması gerekmektedir. Bu ihtiyaçların ilk zamanlarda karşılanmasında portatif ve mobil güneş enerjisi sistemleri kullanılabilmektedir. İlerleyen zamanlarda artan güç ihtiyacı ile beraber daha büyük enerji sistemlerine ihtiyaç vardır. Afet bölgesindeki hanelerde, okul ve sağlık ocağı gibi tesislerde, suyun pompalanması gibi uygulamalarda PV-Bataryalardan oluşan bağımsız güneş enerjisi sistemleri enerji ihtiyacını karşılayabilir. Ayrıca PV-Batarya sistemleri ile bazı afet bölgelerinde insani yardım amaçlı yapılan uygulamalarda bölgenin çok büyük oranda enerjisini üretebilecek kapasitelere ulaşılmaktadır. PV panellerin yanında yoğunlaştırılmış güneş enerjisi özellikle suyun dezenfeksiyonu ve yemek pişirilmesi gibi uygulamalarda kullanılabilmektedir. Rüzgar enerjisi son senelerde gelişen teknolojiyle beraber afet bölgelerinde acil enerji ihtiyacını karşılamakta görev alabilmektedir. Biyogaz bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak afet bölgelerinde sanitasyon gibi atık yönetimi uygulamalarından elde edilebilmektedir. Elde edilen biyogaz yemek pişirme için ocaklarda, yüksek miktarda elde edilen biyogaz ise jeneratörlerde enerji kaynağı olarak faydalanılabilmektedir. Afet bölgelerinde bir diğer önemli konuda yemeğin pişirilmesidir, geleneksel yöntemler bırakılarak odun ve odun kömürünü daha verimli kullanan ocaklar, LPG ve etanol ocakları, biyogaz ve solar gibi yenilebilir ocaklar ve son zamanlarda enerji-etkin elektrikli ocaklar bu bölgelerde kullanılabilmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının afet bölgelerinde yaygın olarak kullanımını sağlayan en önemli unsur bataryalardır. Özellikle son senelerde düşük güçlerden yüksek güçlere kullanımı yaygınlaşan lityum-iyon bataryalar son dönemlerde öne çıkmaktadır. Dizel jeneratörler afet bölgelerinde enerji ihtiyacını karşılanmasında hala ilk akla gelen yöntemdir. Ancak yakıt masraflarındaki artış ve sürekli yakıt ihtiyacı, emisyon sorunu gibi nedenlerden dolayı afet sonrası alanlarda kullanılması azaltılmaya çalışılmaktadır.  Hibrit sistemler yenilenebilir ve dizel jeneratörlerin avantajlarını bir araya getirerek daha güvenilir, sürdürülebilir, emre amadeliği yüksek, uygun maliyetli sistemler olmaktadır.
26 Şubat 2023 günü Kahramanmaraş merkezli iki büyük depremde en büyük yıkımın yaşandığı yerlerin başında Hatay'ın Antakya ilçesi gelmektedir. Depremin özellikle ilk günlerinde başta arama kurtarma çalışmaları olmak üzere bölgede enerji sıkıntısı yaşanmıştır. Bu çalışmada, Antakya ilçesinde afet bölgesinde 72 hanelik bir komşuluk biriminin elektrik ihtiyacı HOMER programı kullanılarak depremin ilk günlerinden başlayarak kademeli olarak yenilenebilir ve hibrit sistemler ile karşılanması planlanmaktadır. Bu plan doğrultusunda enerji ihtiyacının karşılanması için gerçekleştirilecek bu kademeli olarak artış dünya bankası enerji sektörü destek programının hazırladığı SE4ALL (Sustainable energy for all- herkes için sürdürülebilir enerji) çoklu-kademe sistemi bölgeye uyarlanarak yapılacaktır. 
Afet bölgesinin ilk gününden başlayarak bir haftalık, on beş günlük, üç aylık, altı aylık sürelerde 5 kademe tanımlanmıştır. Kademe 1 depremin ilk gününde aydınlatma ve iletişim araçlarının şarjı için, Kademe 2 bir hafta 10 günlük süre içinde afet sonrası bölgede kurulan hanelerin solar ev sistemlerindeki (SHS) enerji ihtiyacını karşılamada, Kademe 3 hanelerdeki artan enerji, bölgede kurulan sokak aydınlatması, suyun bölgeye getirilmesi ve arıtılması ve sağlık tesisi gibi uygulamaları, Kademe 4, Kademe 3 ile beraber, hanelerde ev içi kullanım ekipmanlarının artmasıyla artan enerji ihtiyacı ve kurulan okulun enerji ihtiyacını, Kademe 5, Kademe 4 ve hanelerin yüksek güç gerektiren uygulamalarla beraber artan enerji ihtiyacından oluşmaktadır.
Kademe 1'de sadece PV paneller kullanılmış, burada ayrıca 4 kişilik hane halkı başına düşen PV panel gücü hesaplanmıştır. Kademe 2'de hanelerde PV-Batarya sistemi kullanılmıştır. Kademe 3'te PV-Rüzgar-Batarya kullanılarak rüzgar türbinlerinin acil kullanımlarda payı analiz edilmiştir. Kademe 3'te ayrıca afet bölgesinin yakınında bulunan asi nehrinden nehir tipi su türbini uygulamasıyla enerji elde etmesi planlanmış nehrin düzensiz akışı nedeniyle sadece kış aylarında bölgeye elektrik sağladığı görülmüş, diğer aylarda elektrik üretimi olmamıştır. Kademe 4'te birimde uygulanacak sanitasyon uygulaması ile biyogaz eldesi planlanmış elde edilen günlük miktar, birimin günlük yemek pişirmek için gereken miktarından oldukça düşük çıkmıştır. Kademe 4 ve Kademe 5'te artan yükle beraber PV-Dizel-Batarya planlanmış, HOMER programı da aynı şekilde bu kademelerde optimum sistem olarak önermiştir. Ayrıca sistemde yükler artarken sistemi oluşturan teknolojilerin sürekli artış gösterilmesine dikkat edilmiş böylece en uzun ömürlü olacak Kademe 5 sistemine birbirinin üstüne eklenerek kademelerde herhangi bir fire verilmeden ulaşılması planlanmıştır. Kademe 4 ve Kademe 5 için tamamen yenilenebilir enerji seçenekleri de değerlendirilmiş ancak bu seçenekler optimum çözüme göre pahalı çıkmıştır.
Kademe 5 üzerinde yapılan duyarlılık analizinde yüzde 2-70 enflasyon, yüzde 8-50 faiz oranı arasında sistemin 5-10-20 yıllık analiz yapılmıs yüksek enflasyon bölgelerinde PV- Batarya sistemleri optimum sistem olarak gösterilirken düşük enflasyon yüksek faiz bölgelerinde PV-Dizel-Batarya sistemleri ön plana çıkmaktadır. 
Ayrıca Türkiye genelinde maksimum-minumum güneş ve rüzgar değerleri göz önüne alınarak yapılan duyarlılık analizinde aynı birim Türkiye'nin farklı bölgelerinde kurulsaydı ne olurdu seçeneği üzerinde durulmuştur. Rüzgar ortalama hızının, düşük güneş enerjisi yoğunluğu olan bölgelerde, uzun vadede, 2,7 m/s, yüksek güneş enerjisinin bulunduğu bölgelerde 2,9, kısa vadede ise 2,85 ile 3,05 m/s'nin üstündeki yerlerde PV-Rüzgar-Dizel-Batarya seçeneği optimum seçenek olarak belirlenmiş, bu hız sınırlarının altına ise en uygun seçenek PV-Dizel-Batarya olarak belirlenmiştir.

Abstract:
The need for energy in post-disaster areas starts from the first moment of the disaster. After natural disasters such as earthquakes and floods, lighting systems to be used during search and rescue operations, especially at night, and communication devices that will ensure communication with the people affected by the disaster and the region where the disaster occurred should be available at all times. In addition, urgent issues such as the operation of health devices to be used in the region and meeting the need for water also increase the need for energy. After natural disasters, the electricity supplied to the region may be cut off for security reasons in case of leakage from fuels such as natural gas. As a result of the damage caused by the disaster, power outages may be caused by malfunctions in power lines and cables, as well as problems in intercity transformers and even in power generation facilities. In addition, the possibility of problems in transmission lines such as natural gas and oil, disruptions in transportation routes will bring up the need for on-site production of energy in post-disaster regions. Furthermore, this application will prevent the formation of illegal connections in the region to be established and prevent the region from bringing load to the grid, and will also provide the energy production infrastructure of the permanent structure to be established in the region in the future. 
After natural disasters such as earthquakes and floods, human disasters such as war and forced migration, and climatic disasters such as drought, people are forced to leave their regions and settle in post-disaster areas. People who have to live in these regions have important needs such as shelter, food and water. In addition, the electricity needs of communication tools such as phones, tablets and laptops, which are important for the continuation of daily life, must also be met. Portable and mobile solar energy systems can be used to meet these needs in the early days. In the future, larger energy systems are needed with increasing power needs. Stand-alone solar energy systems consisting of PV-Batteries can meet the energy need in households, in facilities such as schools and health centers, in applications such as pumping water in the disaster area. Moreover, with PV-Battery systems, capacities that can produce a very large amount of energy of the region can be reached in humanitarian aid applications in some disaster areas. In addition to PV panels, concentrated solar energy can be used especially in applications such as water disinfection and cooking. Wind energy can be used to meet emergency energy needs in disaster areas with the technology developed in recent years. Biogas as a renewable energy source can be obtained from waste management applications such as sanitation in disaster areas. The biogas obtained can be used in biogas stoves for cooking while biogas obtained in large quantities can be used as an energy source in generators. Another important issue in disaster areas is cooking. Traditional methods can be abandoned in these areas in exchange for stoves that use wood and charcoal more efficiently, LPG and ethanol stoves, renewable stoves such as biogas and solar, and more recently energy-efficient electric stoves. 
The most important element that enables the widespread use of renewable energy sources in post-disaster areas is batteries. Especially in recent years, lithium-ion batteries, which have been widely used from low power to high power, have become significant in recent periods. Diesel generators are still the first method that comes to mind to meet the energy needs in post-disaster areas. However, their use in post-disaster areas has been tried to be reduced due to reasons such as the increase in fuel costs and the need for continuous fuel and emission problems. Hybrid systems combine the advantages of renewable and diesel generators and become more reliable, sustainable, available and cost-effective systems.
On February 26, 2023, Antakya district of Hatay was one of the most devastated places in two major earthquakes centered in Kahramanmaraş. Especially in the first days of the earthquake, there was an energy shortage in the region, especially in search and rescue operations. It is planned to meet the electricity needs of a neighborhood of 72 households in the post-disaster zone in Antakya district by using the HOMER program, starting from the first days of the earthquake, gradually with renewable and hybrid systems. In line with this plan, this gradual increase to meet the energy need will be carried out by adapting the SE4ALL (Sustainable energy for all) multi-stage system prepared by the World Bank Energy Sector Support Program to the region. 
Starting from the first day of the disaster zone as a Tier 1, 5 tiers were defined for one week, fifteen days, three months and six months. Tier 1 is for lighting and charging of communication tools on the first day of the earthquake, Tier 2 is for meeting the energy needs of the Solar home systems (SHS) of the households established in the region after the disaster within a period of one week and 10 days, Tier 3 consists of the increased energy in households and applications such as street lighting, supply and purification of water and health facilities established in the region, Tier 4, consists of the increased energy needs of households with the increase in domestic use equipment and the energy needs of the established school, Tier 5 consists of the increased energy needs of Tier 4 and households with applications that require high power.
In Tier 1, only PV panels were used in the step, where the PV panel power per household of 4 people was also calculated. In Tier 2, solar home systems (SHS) were used in households and PV-Battery system was used to power the system. In Tier 3, the share of wind turbines in emergency uses was analyzed using PV-Wind-Battery. In Tier 3, it was also planned to obtain energy from the Asi River, which is located near the post-disaster area, with a run of river type water turbine application, but due to the irregular flow of the river, it was seen that it provided electricity to the region only in winter months, and there was no electricity production in other months. In Tier 4, it was planned to obtain biogas with the sanitation practice to be implemented in the neighborhood unit, but the daily amount obtained was considerably lower than the amount required for daily cooking in the neighborhood unit. In Tier 4 and Tier 5, PV-Diesel-Battery was planned with increasing load, and the HOMER program also recommended it as the optimum system in these tiers. In addition, while the loads increase in the system, it has been paid attention to the continuous increase of the technologies that make up the system, so that the longest-lasting Tier 5' system is planned to be reached without any waste in the stages by adding one on top of the other. Tier 4 and Tier 5 renewable energy options were also evaluated, but these options were expensive compared to the optimum solution.
In the sensitivity analysis performed on Tier 5, a 5-10-20 year analysis of the system between 2-70 percent inflation and 8-50 percent interest rate was performed. PV-battery systems are shown as the optimum system in high inflation regions, while PV-diesel-battery systems come to the front in low inflation high interest regions. 
In addition, in the sensitivity analysis made by considering the maximum-minimum solar and wind values throughout Turkey, the option of what would happen if the same unit was installed in different regions of Turkey was emphasized. The PV-Wind-Diesel-Battery option was determined as the optimum option in places where the average wind speed is above 2.7 m/s in the long term in regions with low solar energy density, 2.9 in regions with high solar energy density, and 2.85 to 3.05 m/s in the short term, respectively, and below these speed limits, the most suitable option was determined as PV-Diesel-Battery.