Meeting the Electrical and Thermal Load Demands of a 40-Household Community Using Off-Grid Hybrid Energy Systems: Technical and Economic Analysis

Abstract

In this study, technical and economic analyses of various off-grid hybrid energy systems were investigated to meet the electric and thermal load demands of a group of 160 people within 40 household. HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewable) program has been utilized to meet the average 320 kWh/day electricity and 142.47 kWh/day thermal load requirements and to find the unit price of the energy generated by different hybrid energy systems. In the first study, the Gördes region of Manisa, which has parameters close to the average solar radiation and wind speed values of Turkey, was selected. In the future stages, various parameters (diesel price, generator working load, generator waste heat usage, wind turbine tower height, and etc.) were modified and sensitivity analyses were made to figure the most appropriate system in different regions of TURKEY. At the end of all these studies, it was determined that the unit price of the energy varies by region and lies between $0.151/kWh-$0.198/kWh. The cases for grid extension and meeting the thermal energy needs by direct electricity were also examined. This study is a good example of the energy systems utilizing renewable energy and shows that we as an entire country have a great potential in this field and is thought to encourage other researchers to work in this world saving field.

Keywords

• Hybrid Energy Systems
• Renewable Energy
• Energy Cost
• HOMER

Şebekeden Bağımsız Hibrit Enerji Sistemleri Kullanılarak 40 Hanelik Bir Topluluğun Elektrik ve Termal Yük İhtiyacının Karşılanması: Teknik ve Ekonomik Analizleri

Öz

Bu çalışmada 40 haneli 160 kişiden oluşan bir topluluğun şebekeden bağımsız bir şekilde elektrik ve termal yük ihtiyacını karşılamak için çeşitli hibrit enerji sistemlerinin teknik ve ekonomik analizleri yapılmıştır. Ortalama 320 kWh/gün elektrik ve 142,47 kWh/gün termal yük ihtiyaçlarının karşılanması ve bu amaç için kurulacak enerji sistemlerinin üreteceği enerjinin birim fiyatının gerçeğe yakın bulunabilmesi için HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewable) programı kullanılmıştır. Yapılan araştırmada ilk olarak Türkiye’nin ortalama güneş radyasyonu ve rüzgâr hızı değerlerine yakın parametrelere sahip Manisa’nın Gördes bölgesi seçilmiştir. İleriki aşamalarda ise tüm Türkiye coğrafyasına hitap edebilmesi ve en uygun sistemin belirlenebilmesi için çeşitli parametreler (dizel fiyatı, jeneratör çalışma yükü, jeneratör atık ısı kullanımı, rüzgâr türbini kule yüksekliği, vb...) değiştirilerek hassasiyet analizleri yapılmıştır. Tüm bu çalışmalar sonunda şebeken bağımsız şekilde tasarlanarak sistemlerden elde edilebilecek enerjinin birim maliyet fiyatının bölgeye göre değişiklik gösterdiği ve $0,151/kWh-$0,198/kWh arasında değiştiği tespit edilmiştir. Şebekeden bağımsız sistem haricinde enerji nakil hatlarının uzatılması durumunda ilgili topluluğun enerji ihtiyacının karşılanması ve termal yük ihtiyacının elektrik enerjisiyle sağlanması gibi durumlar da incelenmiştir. Bu çalışma yenilenebilir enerji alanında kurulabilecek enerji sistemlerine iyi bir örnek teşkil edip özellikle ülke olarak bu alanda büyük bir potansiyele sahip olduğumuzu göstermekte ve diğer araştırmacıların da bu alanda çalışma yapmalarını teşvik edici özellikte olduğu düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Hibrit Enerji Sistemleri
• Yenilenebilir Enerji
• Enerji Maliyeti
• HOMER

References

1. Yılmaz, M. (2012). Türkiye’nin Enerji Potansiyeli Ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Açısından Önemi. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 4(2), 33-54.
2. Engin, M. (2010). Bornova İçin Güneş-Rüzgâr Hibrid Enerji Üretim Sistemi Tasarımı. Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, 2(13), 11-20.
3. Türkdoğan, S., Dilber, S., & Çam, B. (2018). Hibrit Enerji Sistemlerinin Şebekeden Bağımsız Bir Çiftlik Evinde Uygulanabilirliğinin Ekonomik Ve Teknik Açıdan İncelenmesi. Sinop Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 3(2), 52-65.
4. Google Earth. (2020). Overview – Google Earth. [Online] Available At: Https://Earth.Google.Com/ [Accessed 11 Feb. 2020].
5. Sayfa, A. And Bilgiler, F. (2020). Türkiye'de Hane Başına Düşen Ortalama Elektrik Tüketimi Ne Kadar ?. [Online] Gazelektrik. Available At: Https://Gazelektrik.Com/Faydali-Bilgiler/Elektrik-Tuketimi [Accessed 11 Feb. 2020].
6. Passivhaus-Vauban.De. (2020). Pasifev Nedir?. [Online] Available At: Https://Www.Passivhaus-Vauban.De/Passivhaus.Tr.Html [Accessed 11 Feb. 2020].
7. Eser, C., Öner, F., Başoğlu, O., Bilir, L., Özcan, N. Y., & Özcan, H. G. Urla-İzmir’de Bulunan Müstakil Bir Ev İçin Bütünleşik Hibrit Sistem Analizi.
8. Nasa, Surface Meteorology And Solar Energy, Https://Eosweb.Larc.Nasa.Gov/Cgi-Bin/Sse/Grid.Cgi?&Num=210131&Lat=40&Submit=Gnder&Hgt=100&Veg=17&Sitelev=600&Email=[e-mail]&P=Grid_İd&Step=2&Lon=29, (26.12.2019).

9. Türkdoğan, S., Dilber, S., & Çam, B. (2018). Hibrit Enerji Sistemlerinin Şebekeden Bağımsız Bir Çiftlik Evinde Uygulanabilirliğinin Ekonomik Ve Teknik Açıdan İncelenmesi. Sinop Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 3(2), 52-65.
10. Fu, R., Feldman, D. J., & Margolis, R. M. (2018). Us Solar Photovoltaic System Cost Benchmark: Q1 2018 (No. Nrel/Tp-6a20-72399). National Renewable Energy Lab.(Nrel), Golden, Co (United States).
11. Erkoç, R. (2019). Güneş Enerji Santrallerinin Modellenmesi, Ekonomik Analizi Ve Değerlendirme: Almanya Ve Türkiye Uygulamaları (Master's Thesis, Fen Bilimleri Enstitüsü).
12. Curry, C. (2017). Lithium-İon Battery Costs And Market. Bloomberg New Energy Finance, 5.
13. Yılmaz, U., Demirören, A., & Zeynelgil, H. L. (2010). Gökçeada’da Yenilenebilir Enerji Kaynakları İle Elektrik Enerjisi Üretim Potansiyelinin Araştırılması. Politeknik Dergisi, 13(3), 215-223.
14. Energy, E. (2014). Guide To Pv Watts Derate Factors For Enphase Systems When Using Pv System Design Tools. An Enphase Energy Technical Report.
15. Ozdemir, M. B., & Ozkaya, M. G. (2015). Energy And Exergy Analyses Of The Vertical Type Ground-Sourced Heat Pump For Ankara Conditions. Journal Of Polytechnıc-Polıteknık Dergısı, 18(4), 269-280.
16. Mgm.Gov.Tr. (2020). Türkiye Rüzgâr Atlası - Meteoroloji Genel Müdürlüğü. [Online] Available At: Https://Www.Mgm.Gov.Tr/Genel/Ruzgar-Atlasi.Aspx [Accessed 27 Dec. 2019].
17. Mgm.Gov.Tr. (2020). Radyasyon Mevsimler - Meteoroloji Genel Müdürlüğü. [Online] Available At: Https://Www.Mgm.Gov.Tr/Kurumici/Radyasyon_İller.Aspx [Accessed 27 Dec. 2019].
18. Dulkadiroğlu, H. (2018). Türkiye’de Elektrik Üretiminin Sera Gazı Emisyonları Açısından İncelenmesi. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7(1), 67-74.