Atık su arıtma tesislerinin ünitelerinin esneklikpotansiyeline dayalı tüketim optimizasyonu
Consumption optimization according to the flexibilitypotential of the units of wastewater treatment plants
Yazar: YUSUF ERTUĞRUL TOPCU
Danışman: PROF. DR. YUSUF İLKER TOPCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
İklim değişikliği günümüzün en büyük sorunlarından biri haline gelmiştir. Bu sorunla
mücadele edebilmek için sürdürülebilir sistemlere ihtiyaç olduğu açıktır. Bunu
sağlayabilmek için dağıtılmış enerji santrallerine odaklanmak gerekmektedir. giderek
artış gösteren bu santrallerin kontrolü çok önemlidir. Daha ufak birimlerden oluşan
bu santraller gün içerisinde şebekede dalgalanmalara sebep olabilEcek büyüklüğe
erişmişlerdir.
Gelişmiş ülkelerde dağıtılmış enerji sistemlerinin oranı her yıl artış göstermektedir.
Bu değişim, dünya da olduğu gibi ülkemizde de üretilen enerjinin her geçen gün
daha fazla alternatif tedarikçi ile yapılmasından gözlemlenebilir.
Bu dağıtılmış enerji tedarikçilerinin sayısındaki artış, denge problemlerinin ortaya
çıkmasına dolayısıyla frekans sapmalarına veya şebeke kararlılığının bozulmasına
sebep olabilir.
Güneş ve rüzgar enerjisinin eldesi hava şartlarına bağlıdır ve hem rüzgarın hem de
güneşin depolanmaları mümkün değildir. Bu sebeple gün içerisinde güneş enerjisinin
sisteme dahil edilmesi veya rüzgarlı saatlerde rüzgar enerjisinin artması ile
piyasadaki arz artış göstermektedir.
Dağıtılmış enerji kaynaklarının aksine merkezi enerji kaynaklarından gün içerisinde
enerji eldesi dalgalanmalardan bağımsız olmakla birlikte, büyüklükleri sebebiyle
esneklikleri oldukça düşük sistemlerdir. Bu sebeple esneklik sağlayabilecek ve
dalgalanmayacak sistemler, şebekenin dengelenmesi için kritik öneme sahiptir.
İyi bilinmektedir ki, su ve enerji yakından birbirine bağlıdır. Bununla birlikte ilgili
olmalarına rağmen yönetimleri genellikle ayrı olarak ele alınır. Bu açıdan ele
alındığında su üretimi için enerji gerekliyken, suyun kendisinden enerji üretmek de
mümkündür. Bu iki ana kaynak şehirlerin sosyo-ekonomik gelişimleri için, iç içe
geçmiş su enerji çevrimini ifade eder.
Atık su arıtımının enerji kaynağı olarak görülmesinin tarihi eskiye dayanır, özellikle
atık su içerisindeki organik içeriklerin anaerobik sindirim ile metan (CH) gazına
dönüştürülüp biyo-yakıt olarak kullanılmasına uzanır.
Besin geri kazanımı için veya iklim değişikliği ile mücadelede ilgilenilen fosil
yakıtların azaltılması hususunda da önemli yeri vardır. Artan enerji maliyetleri, bu
sebeple daha verimli ve sürdürülebilir kaynaklara olan ihtiyacın artması atık su
arıtımının sahip olduğu potansiyeli daha da önemli bir hale getirmektedir.
İklim değişikliği, tüm bunlara sebep olurken aynı zamanda atık suyun karakterini de
etkilemektedir. Değişen iklim koşulları ile birlikte, sıcaklık, yağış, deniz seviyesinde
ki artış gibi doğrudan etkiler, atık suyun karakterini değiştirmektedir.
Atık suyun karakteri, arıtmada ve bunun sonucu olarak tesisin enerji talebinde temel
bir rol oynar; yüksek kirletici yükleri veya yüksek akış hızları, sırasıyla biyolojik
fazın ve pompalamanın enerji ihtiyacını arttırırken, aynı zamanda metan gazı çıkışını
dolayısıyla üretilebilecek enerjiyi dolayısıyla da verimi etkiler.
Atık su arıtma tesisleri gibi daha ufak ve esnek enerji tedarikçilerinin gün
içerisindeki bu değişikliğe adapte olmaları, hem şebeke hem de tesisler için oldukça
önemlidir. Bu durumda Atık su arıtma tesislerinin enerji tüketiminin, şebeke durumu,
mevcut akış ve mevcut depolanmış gaz durumuna göre esnekliğinin belirlenmesi ve
modellenmesi gerekmektedir.
Modellemenin yapılabilmesi için oluşturulacak senaryolar ve kısıtların belirlenmesi
adına standartlarda belirtilen teknik kısıtlamalar ve literatürde yer alan çalışmalardan
derlenen bilgiler kullanılmıştır.
Bu araştırmanın odak noktası, ünitelerin esnekliğini incelemek ve esneklik sağlamak
için değerlendirmeler yapmak amacıyla bir pilot atık su arıtma tesisini modelleyerek
AAT'lerinin enerjisel esneklik potansiyeli ile ilgili olarak, ünitelerin başlama
zamanını, yeniden başlama zamanını ve belirli üniteler için kapanma sürelerinin
sınırlarını ve arıtılmış su kalitesini garanti etmek için kontrol parametrelerini
belirlemek ve bu çerçevede kısıtları belirlemektir. Kısıtlar, standartların belirlediği
kuralların haricinde, işletmeye maliyet yaratacak durumlardan kaçınmak için gerekli
tüm düzenlemeleri içerecek şekilde oluşturuldu.
Belirlenen mevcut tüketim verileri ve literatürden elde edilen esneklik potansiyelleri
ile birlikte senaryolar belirlendi. Bu senaryolar belirlenirken her bir ünitenin esneklik
değeri uygulanabilirliği gibi ölçütler değerlendirmeye alındı, ölçütlerle yapılan
değerlendirme sonucu üniteler arasındaki sıralama TOPSIS methodu baz alınarak
oluşturuldu.
Bu sıralama ışığında esnekliğe en fazla katkı sağlayacak, enerji tüketimi toplam
tüketimi doğrudan etkileyecek ya da üretime katkı sağlayan üniteler en üst sıralarda
yer alırken, etkisi düşük üniteler senaryolara dahil edilmedi.
Literatür ve standartlardan gelen kısıtlar, belirlenen senaryolarla birlikte atık su
arıtma tesisinin modellemesi yapıldı. Matematiksel modelleme MATLAB programı
üzerinde oluşturuldu.
Algoritmanın temeli, açgözlü algoritmaya dayanmaktadır. Bu algoritma mevcut
adımdaki durumu gözeterek en iyiye karar verme üzerine geliştirilmiş tüm
algoritmaların genel adıdır.
Oluşturulan algoritmanın çalıştırılması ile elde edilen bulgular gösterdi ki, esneklik
sahibi ünitelerin optimizasyonu sayesinde atık su arıtma tesislerinin tükettiği enerji
%16 oranında düşürülebilmektedir.
Çalışmada yapılan optimizasyon sonucu üretim değerlerinde düşüş gözlemlense de
tüketimin düşüşünün daha fazla olması sebebiyle, tesisin optimizasyonu halinde net
kazanç miktarı 3.640.696 kWh ile yıllık tüketimin %14'üne denk gelmektedir.

Abstract:
Climate change has become one of the biggest challenges in 21st century. It is clear
that sustainable systems are needed to tackle this problem. In order to achieve this, it
is necessary to focus on increasing number of decentralized power plants and control
of these power plants is very important.
The power plants, which consist of smaller units, have reached the size that may
cause fluctuations in the network during the day. The percentages of these power
plants are increasing every year. This change can be observed by the fact that the
energy produced with more and more alternative suppliers in the developed countries
as well as our country.
The increase in the number of these decentralized energy suppliers can lead to
equilibrium problems. This may cause frequency deviations or impair grid stability.
This fluctuating can damage electrical grid system.
The production of solar and wind energy is dependent on weather conditions and it is
not possible to store neither wind and sun. For this reason, supply of solar energy
increases with the addition of solar energy to the system during the day or with the
increase of wind energy during windy hours.
Unlike decentralized energy sources, central energy plants are independent of
fluctuations during the day, however they are very low in flexibility due to their size.
For this reason, systems that can provide flexibility and will not fluctuate are critical
for grid stability.
It is well known that water and energy are closely interconnected. However, their
management is often handled separately. In this respect, it is possible to produce
energy from water itself, while energy is required for water production. These two
main sources refer to the intertwined water energy cycle for the socio-economic
development of cities.
The history of wastewater treatment as an energy source goes back to the past,
especially when the organic contents in the wastewater are converted to methane
(CH) by anaerobic digestion and used as biofuels.
Wastewater treatment also plays an important role in nutrient recovery or in reducing
fossil fuels of interest in combating climate change.
Increasing energy costs and therefore increasing the need for more efficient and
sustainable resources make the potential of waste water treatment even more
important.
While climate change causes all of this, it also affects the character of waste water.
With changing climate conditions, direct effects such as temperature, precipitation
and increase in sea level change the character of wastewater.
The character of wastewater plays a fundamental role in the treatment and
consequently in the plant's energy demand; high pollutant loads or high flow rates,
respectively, increase the energy demand of the biological phase and pumping, while
at the same time affecting the output of methane gas and thus the efficiency of the
gas that can be produced.
Small and flexible energy suppliers such as wastewater treatment plants adapt to this
change during the day is very important for both the grid and the plants.
In this case, it is necessary to determine and model the energy consumption of
wastewater treatment plants according to grid status, current flow and current stored
gas status.
In order to determine the scenarios and constraints to be used for modeling, the
technical limitations specified in the standards and the information compiled from
the studies in the literature were used.
The focus of this research was to model the pilot wastewater treatment plant to
examine the flexibility of the units and to make assessments to ensure flexibility,
with regard to the energetic flexibility potential of WWTPs, to ensure that the units
start time, restart time and limits of shutdown times and water quality for specific
units to determine the control parameters and constraints within this framework.
Constraints were created to include all the necessary arrangements to avoid costly
situations except for the rules set by the standards.
The scenarios were determined with the available consumption data and flexibility
potentials obtained from the literature. While determining these scenarios, criteria
such as the flexibility value applicability of each unit were taken into consideration,
and the ranking between the units was established based on the TOPSIS method.
In order to this ranking, the units that will contribute the most to the flexibility,
energy consumption will directly affect the total consumption or the units that
contribute to production are at the top, while the units with low impact are not
included in the scenarios.
Modeling of the wastewater treatment plant was carried out with the constraints from
the literature and standards and the scenarios determined.
Mathematical modeling was created on MATLAB program. The basis of the
algorithm is based on the greedy algorithm.This algorithm is the general name of all
algorithms developed for the best decision making considering the situation in the
current step.
The results obtained by running the algorithm showed that the optimization of the
flexible units can reduce the energy consumed by wastewater treatment plants by
16%.
Even though a decrease in production values is observed as a result of the
optimization made in the study, in case of optimization of the plant, net profit amount
is 3,640,696 kWh which corresponds to 14% of annual consumption.