Bölgesel enerji modellemesi ve alternatif çözüm yaklaşımlarının eniyilemesi
Regional energy modelling and optimization of alternative solution approaches
Yazar: UTKU KÖKER
Danışman: DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM KORUCA ; DOÇ. DR. EGEMEN SULUKAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Enerji modelleri = Energy models ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Parçacık sürü optimizasyonu = Particle swarm optimization

Özet:
Tüm dünyada mevcut kurulu enerji santralleri zamanla ömürlerini tamamlamakta, yeni teknolojilerin kullanılması zorunlu hale gelmekte ve enerji talep miktarlarına bağlı olarak yeni santrallerin kurulmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Karar vericiler yatırım kararını aldığında hangi teknolojiye ne kadar yatırım yapılacağı sorusu ortaya çıkmaktadır. Tüm enerji üretim teknolojilerinin farklı maliyet ve faydalı ömür bilgilerinin yanısıra çevresel etkiler ve onların dolaylı maliyetleri de bu kararın verilmesinde etkili olacaktır. Pigou'nun (Pigou,1920) 100 yıl önce işaret ettiği dışsal maliyetlerin hesaba katılması ile seçim oldukça karmaşık bir hale gelecektir. Ülkeler günümüzde sadece ulusal bazda değil artan bir ivmeyle, yerelde de enerji arz güvenliğini talep etmeye başlamıştır. Bu nedenle son yirmi yılda bölgesel seviyede kurulan enerji optimizasyon modellerinin sayısı artış göstermiştir. 

Bu çalışmanın amacı TR33 Bölgesinin 2016-2031 yılları arasında kendi kendine yeterli ve net enerji ihracatçısı kimliğini koruyarak çeşitli senaryo varsayımları altında optimum maliyetle hangi teknoloji bileşimi ile bu kimliğini sürdürebileceğini tespit etmektir. Bunun için TIMES platformu ve metasezgisel bir algoritmanın kullanılabilirliği araştırılmıştır.

Bugün dünyanın hemen her gelişmiş ülkesinde MARKAL/TIMES/VEDA modelleme platformları kullanılmaktadır. 

"Bölgesel bazda" kurulan bu tez çalışması, 2016-2031 yılları arasında Afyonkahisar, Uşak, Manisa ve Kütahya illeri enerji üretim ve tüketimlerini, çeşitli senaryo varsayımları altında incelemektedir. 

TIMES'ın RES mantığı dahilinde TR33 Bölgesi RES'i oluşturulmuş, enerji taşıyıcılardan enerji taleplerine giden bağ kurulmuştur. Bölgenin enerji ihtiyaçlarının tahminlemesinde en zorlayıcı senaryo olarak Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı'nın yüksek tahmin projeksyonu referans alınmıştır.
Çalışmada harici maliyetlerin dahil edilmediği ve CASES mantığı çerçevesinde dahil edildiği durumların her ikisi de göz önüne alınmış, ilave olarak özel bir harici maliyetlendirme şekli olan karbon vergisi de düşük, orta ve yüksek azim olarak üç farklı halde uygulanmıştır. Harici maliyetli olan ve olmayan Mevcut_DS, YKYYS, YDGYYS ve YFSYYS senaryoları oluşturulmuştur. Toplamda 11 farklı senaryo çalışılmış, teknik, çevresel ve finansal boyutlarıyla bu senaryolar değerlendirilmiştir. 

Metolodojinin uygulanması sırasında hem eniyileme yöntemi ile TIMES çözümleri gösterilmiş, hem de PSO algoritması ile metasezgisel çözümler elde edilmiştir. TR33 Bölgesi tek ve çok bölgeli modellemeye tabi tutulmuş, sonuçların çevresel ve finansal olarak aynı çıktığı gösterilmiştir. Teknik boyutta il kurulu kapasiteler toplamının bölgesel kapasite toplamına karşılık geldiği görülmüştür. 

Tek ve çok bölgeli modelleme neticesinde 11*2=22 TIMES modeli kurulmuştur. PSO ve QPSO algoritmaları ile mutlak 1000 iterasyon ve özel iterasyonlu olarak 44 metasezgisel model oluşturulmuştur. TIMES denklem sistemlerinin görünürlüğünün sağlanması maksadı ile açık kaynak kodlu OSEMOSYS ile tek ve çok bölgeli model kodlamaları yapılmış, 22 ayrı model (dat ve mod dosyaları sunularak) github a yüklenmiştir. Sonuçta metasezgisel algoritma (PSO-QPSO) ve enyileme (TIMES) sonuçlarının birbirini desteklediği gösterilmiştir.

Abstract:
All over the world, existing installed power plants are aging over time, the use of new technologies is becoming mandatory and there is a need to establish new power plants depending on the amount of energy demand. When decision makers make the decision in favour of investment, the question arises about which technology to invest in and how much. Various cost and useful life information of all energy generation technologies, as well as environmental impacts and their indirect costs will be effective in making this decision. Taking into account the external costs that Pigou pointed out about 100 years ago, the choice will only become quite complicated. Today, countries have started to demand self-sufficiency on energy supply safety not only on a national basis, but also at regional level with increasing momentum. Therefore, the number of energy optimization models established at the regional level has increased in the last two decades. 

The aim of this study is to determine with which technology combination the TR33 Region can maintain its self-sufficient and net energy exporter identity between 2016-2031 and maintain this identity at optimum cost under various scenario assumptions. For this purpose, the availability of the TIMES platform and a metaheuristic algorithm is investigated.

Today, MARKAL/TIMES/VEDA modeling platforms are used in almost every developed country in the world. 

This study, which was established on a "regional basis", examines the energy production and consumption of Afyonkarahisar, Uşak, Manisa and Kütahya provinces under various scenario assumptions between 2016 and 2031. 

Within the RES logic of TIMES, RES of TR33 Region is established and the link to energy demands from energy carriers is configured. The highest forecasting projection of the Ministry of Energy and Natural Resources, which is the most challenging scenario for estimating the energy needs of the region, is referenced. In the study, both cases in which external costs were not included and included (within the framework of CASES logic) were taken into account, and in addition, carbon tax, which is a special form of external costing, is applied in three different forms as low, medium and high perseverance. Mevcut_DS, YKYYS, YDGYYS and YFSYYS scenarios are created both solely and including external costs. A total of 11 different scenarios were studied and evaluated from technical, environmental and financial point of views

During the application of method, both TIMES solutions were shown with the optimization method and metaheuristic solutions were obtained with the PSO algorithm. The TR33 Region has been subjected to single and multi-regional modeling and the results have been shown to be environmentally and financially identical. From technical perspective, the equivalence of the sum of the installed capacities of both single and multi regional models is pointed out.   

As a result of single and multi-region modeling, 11*2=22 TIMES models were established. PSO and QPSO algorithms have resulted in 11*4=44 metaheuristic models with absolute 1000 iterations and custom iterations. Single and multi-regional model codings were prepared with OSEMOSYS to ensure visibility of TIMES equation systems, and 22 separate models (presenting dat and mod files) were installed on github.com. As a result, metaheuristic algorithm (PSO-QPSO) and optimization (TIMES) results have been shown as supporting each other.