OPTIMIZING RENEWABLE ENERGY INTEGRATION: A CASE STUDY OF STANDALONE PV-BATTERY SYSTEMS IN IZTECH CAMPUS

Year 2024, Issue: 715, 268 - 306, 16.07.2024

Beste Ramazan , Emin Açıkkalp , Başar Çağlar

Abstract

In this research paper the feasibility of renewable-powered, self-sufficient university campuses was explored by conducting a technoeconomic analysis of standalone PV-Battery systems for the buildings of Izmir Institute of Technology (IZTECH) in Izmir, Turkey. Given the high energy demand and dependence on fossil-based grids by universities, integrating renewables becomes important for minimizing carbon footprints. In this study the campus's solar potential was focused and the techno-economic feasibility of grid-independent operations provided by PV-battery systems was evaluated. Four scenarios were investigated: (i) maximum PV installation for each building (MPVB), (ii) maximum PV installation for the entire campus (MPVC), (iii) necessary PV installation for self-sufficiency of each building (NPVB), and (iv) necessary PV installation for self-sufficiency of the whole campus (NPVC). The first two scenarios considered the maximum achievable rooftop PV installation while the latter two included additional PV installation to cover all electricity needs. For all scenarios both lead-acid and Li-ion batteries were considered. Mathematical models were developed using PVSol and TRNSYS software, and technoeconomic analysis was conducted using Levelized Cost of Energy (LCOE) and Net Present Value (NPV) methods. It was found that the NPVC scenario with lead-acid batteries is the most favorable, as it minimizes battery utilization by enabling more PV installation and facilitating energy transfer between buildings. Additionally, the research showed that off-grid PV-battery systems are economically less feasible compared to on-grid counterparts, primarily due to the high cost of batteries.

Keywords

University Campus, off-grid system, solar energy, photovoltaic panel, battery

YENİLENEBİLİR ENERJİ ENTEGRASYONUNUN OPTİMİZE EDİLMESİ: İYTE YERLEŞKESİNDEKİ BAĞIMSIZ PV-PİL SİSTEMLERİNE İLİŞKİN BİR ÖRNEK OLAY İNCELEMESİ

Abstract

Bu araştırma makalesinde, İzmir, Türkiye'deki İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü'nün (İYTE) binaları için bağımsız PV-Pil sistemlerinin teknoekonomik analizi yapılarak yenilenebilir enerjiyle çalışan, kendi kendine yeten üniversite kampüslerinin fizibilitesi araştırılmıştır. Yüksek enerji talebi ve üniversitelerin fosil bazlı şebekelere bağımlılığı göz önüne alındığında, yenilenebilir enerji kaynaklarının entegre edilmesi, karbon ayak izinin en aza indirilmesi açısından önem kazanmaktadır. Bu çalışmada kampüsün güneş enerjisi potansiyeline odaklanılmış ve PV-batarya sistemleri tarafından sağlanan şebekeden bağımsız operasyonların tekno-ekonomik fizibilitesi değerlendirilmiştir. Dört senaryo incelenmiştir: (i) her bina için maksimum PV kurulumu (MPVB), (ii) tüm kampüs için maksimum PV kurulumu (MPVC), (iii) her binanın kendi kendine yeterliliği için gerekli PV kurulumu (NPVB) ve (iv) tüm kampüsün kendi kendine yeterliliği (NPVC) için gerekli PV kurulumu. İlk iki senaryo, elde edilebilecek maksimum çatı üstü PV kurulumunu dikkate alırken, son iki senaryo, tüm elektrik ihtiyaçlarını karşılamak için ilave PV kurulumunu içeriyordu. Tüm senaryolar için hem kurşun-asit hem de Li-iyon piller dikkate alındı. PVSol ve TRNSYS yazılımları kullanılarak matematiksel modeller geliştirilmiş, Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti (LCOE) ve Net Bugünkü Değer (NPV) yöntemleri kullanılarak teknoekonomik analiz yapılmıştır. Kurşun-asit akülü NPVC senaryosunun, daha fazla PV kurulumuna olanak sağlayarak ve binalar arasında enerji transferini kolaylaştırarak akü kullanımını en aza indirdiği için en uygun senaryo olduğu bulunmuştur. Ek olarak araştırma, şebekeden bağımsız PV akü sistemlerinin, öncelikle akülerin yüksek maliyeti nedeniyle, şebekeye bağlı muadillerine kıyasla ekonomik olarak daha az uygulanabilir olduğunu göstermiştir.

Keywords

Üniversite Kampüsü, şebekeden bağımsız sistem, güneş enerjisi, fotovoltaik panel, pil

References

• Acakpovi, A., Adjei, P., Nwulu, N., & Asabere, N. Y. (2020). Optimal Hybrid Renewable Energy System: A Comparative Study of Wind/Hydrogen/Fuel-Cell and Wind/Battery Storage. Journal Electrical Computer Engineering, 64, 249-57. http://doi: 10.1155/2020/1756503.
• Altun, A. F. (2021). Şebekeden Bağımsız, Güneş ve Rüzgar Kaynaklı, Batarya ve Hidrojen Depolamalı Hibrit Enerji Sistemlerinin Dinamik Modellemesi, Enerji, Ekserji ve Seviyelendirilmiş Maliyet Analizi. (Master Thesis). Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
• Atılgan, F. (2019). Balıkesir İlindeki PV Sistemlerinin Analizi. (Master Thesis). Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı. Balıkesir.
• Aykut, E., & Terzi, K. (2020). Techno-Economic and Environmental Analysis Off-Grid Connected Hybrid Wind/Photovoltaic/Biomass System for Marmara University Goztepe Campus. International Journal of Green Energy, 15, 1036-1043. https://doi.org/10.1080/15435075.2020.1821691.
• Bilgili, M. E., & Dağtekin, M. (2019). Supplying the Electricity for the Broiler Poultry Houses from Photovoltaic Solar Panels in the Adana Conditions. Çukurova II.Uluslararası Multidisipliner Çalışmalar Kongresi, 793-805, Adana.
• Chedid, R., Sawwas, A., & Fares, D. (2020). Optimal Design of a University Campus Micro-Grid Operating under Unreliable Grid Considering PV and Battery Storage. Energy 200, 117510. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117510.
• Dursun, B. (2012). Determination of the optimum hybrid renewable power generating systems for Kavakli campus of Kirklareli University, Turkey. Renewable and Sustainable Energy Review, Elsevier, 6183-6190. http://doi.org/10.1016/j.rser.2012.07.017.
• Europe Solar Store. (2023). Huawei Inverters https://www.europe-solarstore.com/instantsearchplus/result/?q=huawei%2050%20ktl.
• Fernando, W., Gupta, N., Özveren, S. C., & Linn, H. H. (2018). Design of Optimum Configuration of a Hybrid Power System for Abertay University Campus. IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2018.8317454.
• Günerhan, S. A., & Günerhan, H. (2016). Türkiye için Sürdürülebilir Üniversite Modeli. 57(682), 54-62.
• Girgin, M. H. (2011). Bir Fotovoltaik Güneş Enerjisi Santralinin Fizibilitesi Karaman Bölgesinde 5 MW’lık Güneş Enerjisi Santrali için Enerji Üretim Değerlendirmesi ve Ekonomik Analizi. (Master Thesis), İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü, Istanbul.
• Gokcol, C., & Dursun, B. (2013). A Comprehensive Economical and Environmental Analysis of the Renewable Power Generating Systems for Kırklareli University, Turkey. Energy and Buildings, 64, 249-57. https://doi: 10.1016/j.enbuild.2013.05.005.
• İçöz, D. (2022). Design and Techno-economic Analysis of a Smart Solar GreenHouse. (Master Thesis). Izmir Institute of Technology Faculty of Engineering, Izmir.
• John, D. A., & Beckham, W. A. (1991). Solar Enginnering of Thermal Processes. New York: John Wiley& Sons, Inc.
• Klein, S. A., Beckman, W. A., Mitchell, J. W., Duffie, J. A., Duffie, N. A., Freeman, Mitchell, J. C., Braun, J. E. Keelialafreniere, K. L. (2018). TRNSYS 18 a Transient System Simulation Program, Volume 4, Mathematical Reference.
• Khan, K. S., Ullah, Z., Khan, B., Sami, İ., Ali, S., & Mehmood, C. A. (2017). Assessment of Hybrid Off-Grid Wind Photovoltaic System: A Case Study of University Campus. International Conference on Energy Conversation Effienciency Proceedings, 16-21. https://doi: 10.1109/ECE.2017.8248822.
• MG Solar Shop (2023). Huawei Battery Storage. https://www.mg-solar-shop.com/pv-battery-systems/storages-solar-batteries/huawei-battery-storage/.
• NREL. (2023). 2023 Electricity ATB Technologies and Data Overview. https://atb.nrel.gov/electricity/2023/index.
• Oymen, G. (2020). Yenilenebilir Enerjinin Sürdürülebilirlik Üzerindeki Rolü. İstanbul Ticaret Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 1069-1087. https://doi: 10.46928/iticusbe.769022.
• Ozcan, H. (2009, Ocak). Bir Hibrid Enerji Sistemin Modellenmesi ve Analizi. İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Mühendisliği, 2, 1-8.
• Park, C. S. (2016). Contemporary Engineering Economics. Harlow, UK: Pearson. Park, E., & Kwon, J. (2016). Solutions for Optimizing Renewable Power Generation Systems at Kyung-Hee University’s Global Campus, South Korea. Renewable and Sustainable Energy Review, 58:439-449. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.245.
• Prakash, C. (2020). What are the site related and most sensitive parameters to optimiza a large-scale PV installation at Stavanger airport? (Master Thesis). University of Scavenger Faculty of Science and Technology, Scavenger.
• PVSOL (2023). https://help.valentin-software.com/pvsol/en/calculation/
• Saray, E. (2019). Yenilenebilir Enerji Üretim ve Yatırım Maliyetleri Karşılaştırması: Ege Bölgesi Örneği. Pamukkale Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü İşletme Anabilim Dalı. Denizli.
• Sava, G. N., Ionescu, G., Necula, H., Scripcariu, M., Duong, M. Q., Leva, S., & Mussetta, M. (2017). Efficiency Analysis of a Hybrid Power System for a Campus in Romania. IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 1st IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe, EEEIC. https://doi.org/10.1109/EEEIC.2017.7977527.
• Sevilgen, G. (2008). Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sürdürülebilirlik Endeksi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 479-492.
• Sunlight RES OpzV (2023). (n.d.). Retrieved from https://www.the-sunlight-group.com/en/global/products/res-opzv/.
• TEİAŞ. (2020). 2020 Yılı Elektrik Üretim-Tüketim Raporu-TEİAŞ. https://www.teias.gov.tr/turkiye-elektrik-uretim-iletim-istatistikleri.
• TMMOB. (2020). Enerji Politikaları; Yerli, Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları.https://www.emo.org.tr/ekler/98024cb5e21d749_ek.pdf.
• World Energy Council. (2016). E-storage: Shifting from cost to value, wind and solar applications. https://www.worldenergy.org/publications/entry/e-storage-shifting-from-cost-to-value-2016.
• Yıldız, M. (2017, March). Hybrid Energy Capacity of Turkey for Small and Micro Scale Energy Production. Izmir Institute of Technology Faculty of Engineering, Izmir.