Talep cevabına katılım oranının elektrik dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkisinin incelenmesi

Elektrik hizmetinin üreticiden tüketiciye ulaşmasında önceleri üretim, iletim ve dağıtım sistemleri dikey bütünleşik yapıdaydılar. Bu yapılarda görülen çapraz sübvansiyonlar, tekelleşme, altyapı yatırımlarında yetersizlikler, teşebbüsler arası koordinasyon bozukluğu, uyumlu eylemde bulunma ve birlikte hakim durumda bulunma gibi nedenlerden ötürü piyasa rekabetini engelleyici gelişmeler yaşanmıştır. Üstelik verimsizlik nedeniyle hizmet kalitesinde de düşüşler görülmüştür. Bu nedenle 90'lı yılların sonuna doğru dünyada elektrik sektöründe serbestleşme süreçlerine girilmiş ve dikey bütünleşik yapıların yeniden yapılandırma yoluyla elektrik üretim, iletim, dağıtım, ticaret ve düzenleyici kurumları birbirinden ayrılarak çapraz sübvansiyonlar engellenmiş ve daha verimli çalışan bir sisteme geçilmiştir. Ayrıca elektrik enerjisini üreten, tüketen ve aracılık yapanlar arasında rekabetçi piyasalar oluşturulmuştur. Avrupa ülkelerindeki elektrik toptan satış piyasalarının yoğunlaşma endekslerinin yüksek olduğu görülmüştür. Bu ülkelerinin yarısından fazlasında, en büyük güçlü üretim santrallerinin piyasa paylarının yüzde ellinin üzerinde olması piyasada rekabet ortamının düşük olduğunu göstermektedir. İskandinav elektrik piyasasında düzenleyici kuruluş olan NordREG, piyasaları izlemek ve geliştirmekle sorumlu olup perakende piyasalarında rekabetin ölçümlenmesi ve karşılaştırılması amacıyla; tedarikçi sayısı, tedarikçi değiştirme oranı, fiyat marjı ve piyasa yoğunlaşma endeksi olmak üzere dört adet gösterge belirlemiştir. Tüketicilerin tedarikçisini değiştirebilme serbestliğini gösteren piyasa açıklık oranı ise rekabetin izlenmesi açısından bir diğer önemli göstergedir. Avrupa'da ve Türkiye'de teorik piyasa açıklığı yüksek olmasına karşın, serbest tüketici hakkını kullanan tüketicilerin toplam tüketimdeki oranı düşüktür. Bunun nedenleri ise tedarikçilerin yerleşik şirketler olmasından kaynaklanan avantajlar, tedarikçiler arası geçiş maliyetlerinin yüksekliği ve piyasa katılımcıları arasındaki rekabet kültürünün henüz tam anlamıyla gelişmemiş olmasıdır. Dolayısıyla perakende piyasadaki rekabetin bir süre daha bölgesel nitelikte olacağı söylenebilir. ABD Federal Enerji Düzenleme Kurumu (FERC) 2009 yılında yaptığı 10 yıllık talep cevabı katılım potansiyeli araştırmasıyla 2019 yılı için %20 oranında puant güç düşüşü potansiyeli öngörmüştür. Ancak bu artış teknolojili fiyatlandırma ile özellikle akıllı termostatlı HVAC sistemleri ve diğer ev aletlerinin fiyatlara otomatik cevap verdiği bir yapıda gerçekleşmektedir. Bu tez kapsamında dağıtım şebekesi ve tüketicisi tarafında öncelikli olarak HVAC sistemlerinin piyasa fiyat tabanlı talep katılımını incelemek için içerisindeki ev aletlerinin de olduğu toplam 320 adet birer ailenin yaşadığı evler olan bir elektrik şebekesi GridLAB-D programında analiz edilmiştir. Ev aletlerinin enerji tüketimi terminal gerilime, kullanıcıların sayısı, konfor seviyesi ve sosyal ve ekonomik verilere de bağlıdır. Örneğin, dış ortam sıcaklığı evin termal yalıtımına göre iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Ayrıca ortamdaki cihazlar, insanlar ve ev hayvanlarının yaydığı ısı da iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Bu sebeple GridLAB-D programı ile dairelerin enerji tüketimleri için çevresel etkenleri de içeren termal ısıl modelleri (ETP) kullanılmıştır. Piyasada ihale yöntemiyle alıcı ve satıcılar uzlaştırılmaktadır. HVAC cihazlarının piyasa fiyatına göre enerji tüketimini değiştirmesi ve piyasaya alış teklifi vermesi için GridLAB-D içindeki uygun kontrolör yapıları kullanılmıştır. İlk olarak sabit, üç zamanlı ve saatlik kullanım zamanlı tarifeler (Time of Use Pricing, TOU) kullanılarak kontrolör sahibi olmayan ev aletlerinin ve kontrolör sahibi olan HVAC sistemlerinin bu tarifelerdeki talep cevabı katılımları neticesinde evlerin günlük yüklenme eğrilerinde meydana gelen değişiklikler incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, piyasa fiyatının gün boyu değişmediği sabit tarifelerde beklendiği gibi kontrolörlerin tepkisiz kaldığı görülmüştür. Bu durumda HVAC ve diğer ev aletlerinin yüklenme profilleri yalnız sıcaklığa bağlı olarak oluşmaktadır. Diğer TOU tarifelerde ise fiyatın düşük olduğu dönemlerde HVAC sistemleri talep cevabı katılımıyla tüketimi arttırmıştır. Ancak fiyat değişiminin ani ve çok büyük olduğu durumlarda talep katılımının yüksek olması nedeniyle puant gücün de aşıldığı gözlenmiştir. Puant gücün aşılması elektrik şebekesi üzerinde arz güvenliği ve iletim sorunlarına yol açmaktadır. Literatürde TOU tarifelerdeki bu sorunun çözümüne yönelik pek çok çözüm sunulmuştur. Bunlardan biri olan piyasa mekanizmasına satış miktarı kısıtı koyulması bu tez kapsamında incelenmiştir. Analiz sonuçlarında piyasa satış kapasitesi kısıtı sayesinde TOU tarifelerdeki puant aşımı sorununun ortadan kalktığı görülmüştür. Ancak hava sıcaklığının HVAC kontrolörlerinin üst limitlerini aşması durumunda kontrolörler en yüksek fiyattan alış teklifi vermektedir. Bu nedenle piyasa fiyatları belli bir süre en yüksek seviyede kalmaktadır. Analizler sonucunda kapasite kısıt miktarı ile fiyatların en yüksek seviyede kalma süresinin ters orantılı olduğu görülmüştür. Sonuçta elektrik tüketicilerine ait fatura bedelleri yükselmiştir. Bu çalışmada elektrik dağıtım bölgelerindeki tüketicilerin talep cevabı katılımlarının dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu amaçla örnek sistem üzerindeki tüketicilerin farklı oranlarda talep cevabı katılımları ile analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçta talep cevabının etkisinin katılım oranının büyüklüğüne, kullanılan piyasa ve tarife yapılarına bağlı olarak elektrik şebekesinde eşzamanlılığın bozulmasına yol açtığı gözlenmiştir.