Elektrikli otobüsle toplu taşıma filolarında dinamik fiyat ve karbon emisyonlarına göre şarj yönetimi
Dynamic price and carbon emissions considered charging management in electric bus public transport fleets
Yazar: İREMNUR DEMİR
Danışman: PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Ulaşım sektöründe en büyük paylardan biri toplu taşımaya aittir ve en çok tercih edilen toplu taşıma araçlarında biri de belediye otobüsleridir. Çevre ile ilgili kaygıların ve karbon emisyonlarını azaltmaya yönelik önlemlerin artması ve içten yanmalı motorlara sahip araçların yakıt maliyetlerinin de artmasıyla elektrikli otobüslere olan talep günden güne belirgin bir şekilde artış göstermektedir. Türkiye pazarında kullanılan, farklı marka ve model birçok elektrikli otobüs yer almaktadır. Batarya kapasiteleri, km başına enerji tüketimleri, dolu kapasite ile gidilebilecek menzilleri ve şarj güçleri birbirinden farklı olan, bunun yanında belediye otobüsü olarak kullanılabilecek elektrikli otobüsler bu tez çalışmasında kullanılmıştır. Elektrikli otobüslerin şarj güçleri, günlük katettikleri mesafe ve günlük enerji tüketim maliyetleri, sıradan binek araçlara göre çok daha fazladır. Ayrıca ilk seferlerine çıktıktan sonra, gün boyunca yoğun bir sefer programı içindeki kısıtlı zamanlar içerisinde kısmen şarj edilebilmeleri mümkündür. Değişken elektrik birim fiyatları ve ülke genelinde devreye giren santrallere göre üretilen elektriğin zaman göre değişen karbon emisyonu miktarları (gCO2/kWh) göz önüne alınarak otobüs filolarının şarj süreleri koordine edilebilir ve bu sayede şarj maliyetleri ve karbon emisyonu azaltılabilir.
İstanbul'da toplu taşıma hizmeti sağlayan kuruluş, İstanbul Elektrik Tramvay ve Tünel İşletmeleri (İETT)'dir. Çalışmada İETT'ye ait bir belediye otobüsü hattı seçilmiştir. Bu otobüs hattı, başlangıç noktası Kadıköy, varış noktası Sabiha Gökçen Havaalanı olan E-10 hattıdır.  Seçilen hatta ait hareket saatleri, sefer süreleri, hat uzunluğu ve sefer sayısı bilgileri kullanılmış ve bu hatta çalışan tüm otobüslerin elektrikli otobüs olduğu, bu otobüslerin sadece başlangıç ve bitiş duraklarında şarj edilebilme imkanı olduğu varsayılmıştır. Filolardaki elektrikli otobüslerin günlük hareket saatlerinden faydalanılarak, otobüslerin şarj istasyonlarında bekleme ve şarj olma süreleri modellenmiştir. Bekleme süreleri, otobüslerin günlük seferlerinde herhangi bir aksama oluşturmayacak şekilde hesaplanmaktadır. Şarj olma süreleri, otobüs hatlarında kullanılan farklı marka ve modellerdeki batarya kapasitelerine, dolu batarya ile gidilebilecek menzillerine ve şarj güçlerine göre değişkenlik göstermektedir. %100 batarya doluluk seviyesi (SoC) ile seferlerine başlayan otobüslerin, ilk seferlerinden itibaren varış noktasına ulaşana kadar bataryalarındaki enerji azalmaktadır. Otobüsler iki sefer arasında, başlangıç ve bitiş duraklarındaki şarj noktalarında kısmen şarj edilmektedir. Kısmen şarj etme durumunda otobüslerin günlük seferleri tamamlanana kadar batarya doluluk seviyeleri %20'nin altında inmeyecek şekilde yönetilmektedir.
Temel durumda şarj noktalarında gün boyunca değişmeyen, belirli bir şarj olma süresinde otobüslerin enerji tüketimi, maliyet ve emisyon değerleri hesaplanmıştır. Sonrasında, şarj sürelerinin gün boyunca dinamik olarak yönetildiği senaryolar incelenmiş ve temel senaryoyla karşılaştırılmıştır. Şarj süreleri yönetilirken, karar verilmesini sağlayan etkenler, saatlik dinamik elektrik birim fiyatı ve saatlik birim enerji tüketimi başına CO2 emisyonu miktarları olmaktadır. Fiyat bilgisi, son tüketiciye yansıyan perakende saatlik elektrik birim fiyatı verisi ile yönetilmektedir. Şarj yönetimi sayesinde elektrik tüketim maliyetlerinde %18'lere varan bir azalış olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Şarj yönetiminde baz alınan bir diğer etken ise saatlik dinamik birim enerji tüketimi başına CO2 emisyonu miktarları olmaktadır. CO2 emisyon değeri, ülke genelinde devreye alınan santrallerin türleri ve kullandıkları kaynaklara göre, saatlik enerji üretimi sonucu doğaya salınan CO2 emisyon miktarı değerleri ile modelde kullanılmıştır. Bu sayede, sabit sürelerde şarj edilmeye kıyasla, karbon emisyonlarında %16'lara varan bir azalış olacağı sonucuna ulaşılmıştır.
Tezin ilk bölümü olan giriş bölümünde teze ait genel bilgiler verilmiş olup, literatür çalışmaları detaylı olarak incelenmiş, karşılaştırılmış ve tezin yazılma amacı ortaya konmuştur.

Abstract:
Public transport has one of the largest share in the transportation sector  and the most preferred means of public transport is municipal buses. As environmental concerns increase, the related climate actionsput in place and fuel costs of vehicles with internal combustion engines rise, the demand for electric buses is increasing significantly day by day. There are many electric buses with different brands and model  in the Turkish market. Electric buses with different battery capacities, energy consumption per km, mileage with full battery and charging powers, as well as those that can be used for public transportare used in this thesis.
Unlike the internal combustion engines that emit carbon dioxide and cause the greenhouse effect, electric vehicles are more environment-friendly with lower carbon emissions throughout their lifecycle. This can reduce air pollution and improve air quality incities. Even though electric vehicles are known to reduce environmental pollution because they do not emit exhaust emissions to the environment, the way electricity is generated to charge electric vehicles is important.  If the electricity required for charging electric vehicles is generated using renewable energy sources such as solar, wind, geothermal, hydraulic or biomass, they can be called more environment-friendly. 
IETT is the organization that provides public transportation services in Istanbul. A municipal bus line belonging to IETT was selected for the study. This bus line is the E-10 line with a starting point of Kadikoy and a destination of Sabiha Gokcen Airport. This route choice was preferred because it is one of the most frequent trips throughout a day, and the trip distance is convenient considering the mileage capabilities of the commonly preferred electric buses.  We used the information on the time schedule, trip distance and number of trips of the selected line and assumed that all buses operating on this line are electric buses, with charging availability only in the starting or the final destinations.
Considering the increases in gasoline prices, it is inevitable that electric vehicles will be preferred over vehicles with internal combustion engines. Paying for electricity to charge electric vehicles will be a more cost-effective choice in the long run compared to vehicles that consume fossil fuels.
When electric buses, which have a significant share in the Turkish and world markets, are investigated, there are many buses with different brands and models. In this study, in order to compare different brands and models of buses with high utilization rates in the market, bus models belonging to 3 brands with different battery capacities, energy consumption, range and charging power were selected. These buses are Temsa Avenue, Ikarus and Karsan E-Atak. The purpose of selecting electric buses with different power and battery capacities is to validate the effectiveness and robustness of the developed charing management method in different cases. Depending on the number of daily trips on the selected line, the waiting time between two trips also varies.
After the buses travel from the departure point to the destination, they have time to charge until the next departure time. At this point, the buses can be charged with fast charging. Using the time tables of the electric buses in the fleets, the waiting and charging times of the buses at the charging stations are simulated in MATLAB. Charging times vary according to the battery capacities of different brands and models used in bus lines, the range that can be traveled with a full battery and their charging power.
When electric buses are charged with any fixed charging time between each journey throughout a day, a certain amount of energy consumption, cost and emission outputs are encountered.  In order to reduce the values of these outputs, charging times are managed. 
One of the decision-making factors in managing charging times is the hourly dynamic price data. Price information is managed with retail hourly price data reflected to the end consumer. This price data is the hourly price data of the US. It is aimed to reduce total energy consumption and consequently total cost and total emissions by dynamizing the fixed charging times on bus basis according to the price. Buses were charged more when the hourly price was below the daily average price and less when the hourly price was above the average price. Based on the hourly prices of the buses to be charged, the number of minutes of charging per hour was calculated. In this way, it was concluded that there would be a significant reduction in total daily energy, cost and emission compared to charging at fixed times.
Another factor taken as a basis for charging management is the hourly dynamic CO2 emission amounts. The CO2 emission value is used in the model with the CO2 emission amount values emitted to nature as a result of hourly energy production. Emission data consists of data from France. Based on the hourly emission  of the buses to be charged, it is calculated how many minutes each charging session take place for each hour each hour . In this way, it is concluded that there will be a significant reduction in total daily energy, cost and emission emissions compared to charging at fixed times.
Buses that start their journeys with 100% battery state of charge (SoC) have a decreasing SoC from their first journey until they reach their destination. Buses are charged for limited time windows, partially at charging points between the two trips. In the case of gradual recharging, the SoC of the buses is managed in such a way that their SoC decreases to a minimum of 20% until their daily trips are completed. 
If the energy gained during the charging time between the two trips is equal to or more than the energy consumed between the start and destination points, the day will be completed without the needing allocation of additional buses. However, charging more than needed will lead to high energy consumption, high costs and high emissions. For this reason, the charging time of the buses should be calculated in advance in order to end the day at a desired level.
As a result of the new charging times calculated based on dynamic price and dynamic emission emissions, savings were obtained in total daily energy, price and emission outputs for 1 day, When the study is calculated for different dates and/or different countries, the savings rates will change. Therefore, the study can be extended to obtain new results by testing different scenarios.
The bus line subject to the thesis operates throughout the day.  When similar scenarios are tested with a bus line that makes fewer trips during the day, the battery capacity of the same brand buses will be too high. For this reason, the related study can be carried out for different lines with bus models with lower charging powers and battery capacities.