Elektrik Sisteminde Kısıt ve Kısıt Yönetimi

Daha önce de belirtildiği gibi, sistemin işletilmesi esnasında bir enerji nakil hattının taşıma kapasitesinin aşılacak olması durumunda o hat üzerinden daha fazla enerji akışı gerçekleştirmek çok risklidir. Diğer bir ifadeyle, söz konusu hat artık kısıtlı bir hattır ve sistemi dengelemek amacıyla yapılacak yük dağıtımında bu hususun göz önünde bulundurulması gerekir. Hattın taşıma kapasitesi ile ilgili olan bu kısıt, bir önceki bölümde açıklanmış olan nedenlerden kaynaklanmaktadır. Yani, hattın üzerindeki güç akışı hattın termal veya kararlılık limitlerini ihlal edecek seviyelere ulaşmış olabilir veya sistemdeki başka bir hattın veya üretim tesisinin devre dışı kalması durumunda ortaya çıkacak yük akışlarının hâlihazırda güvenli sınırlar dahilinde çalışmakta olan hattın fiziksel limitlerini ihlal etmesi, diğer bir ifadeyle hattın risk limitinin aşılması söz konusudur.

Belirtilen nedenlerden dolayı, elektrik enerjisinin taşınması için kullanılmakta olan iletim veya dağıtım şebekesindeki hatların taşıma kapasitelerine bağlı olarak kısıt yaşanabilir. Bilindiği üzere, bir elektrik üretim tesisinde üretilerek sisteme verilen elektrik enerjisinin sistem içerisinde ihtiyaç duyulan herhangi bir noktaya taşınması iletim şebekesi üzerinden gerçekleştirilmektedir. Diğer taraftan, sisteme elektrik enerjisi sağlayan ve ölçek ekonomileri nedeniyle düşük kurulu güçlerde kurulmaları avantajlı olmayan üretim tesislerinin büyük bir çoğunluğu sisteme iletim şebekesi üzerinden bağlıdır. Dolayısıyla, elektrik enerjisinin nakledilmesinde bir kısıtla karşılaşıldığından bahsedildiği durumlarda kastedilen, iletim şebekesindeki kısıtlardır.

Bu çerçevede kısıt, iletim sistemindeki güç akışının bir hattın veya teçhizatın (örneğin transformatörler) taşıma kapasitesi nedeniyle sınırlandırılması olarak tanımlanabilir. Bu tanıma istinaden, bir bölgede ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi miktarının o bölgedeki elektrik enerjisi üretim miktarı ile sistemin diğer noktalarından bölgeye aktarılabilecek elektrik enerjisi miktarının toplamından fazla olduğu (tüketim fazlalığı) veya bir bölgede gerçekleşmesi istenilen elektrik enerjisi üretim miktarının o bölgedeki elektrik enerjisi tüketim miktarı ile bölgeden sistemin diğer noktalarına aktarılabilecek elektrik enerjisi miktarının toplamından fazla olduğu durumlarda (üretim fazlalığı) sistemde kısıt vardır. Diğer bir ifadeyle, elektrik enerjisi açığı olan bir bölgeye sistemden aktarılabilecek miktarın açığı kapatamayacağı veya elektrik enerjisi fazlası olan bir bölgeden sistemin diğer noktalarına aktarılabilecek miktarın fazlalığın tamamını gideremeyeceği durumlarda sistemde kısıt yaşanması kaçınılmazdır.

Bir sistemde yaşanan kısıtlar geçici veya yapısal nedenlere dayalı olabilirler. Sistemde teknik arızalar, belirli piyasa koşulları veya bakım/revizyon amacıyla hizmet dışı olan hatlar nedeniyle geçici kısıtlar yaşanabilir. Bu tür kısıtlar, yapısal sorunlardan kaynaklananlara göre çok daha az ve kısa süreli görülürler. Yapısal nedenlerden kaynaklanan kısıtlar ise, şebekenin mevcut kapasitesi veya ihtiyaç duyulan bölgelerde yapılan yerel elektrik üretiminin yeterli gelmemesi ile ilgilidir ve düzenli aralıklarla uzun süreli olarak görülürler. Bu iki kısıt türünü birbirinden ayırmak çoğu zaman kolay değildir. Ancak, kısıtların hem yaşandığı anda giderilebilmesi hem de uzun süreli kalıcı çözümlerin getirilebilmesi için kısıtların gerekçelerini iyi analiz etmek ve uygulanacak kısıt yönetimi metodunu bu analizlerin sonucuna göre belirlemek gerekir (Kölmek, 2009).

Avrupa elektrik piyasasında artan nükleer ve kömür kaynaklı üretim kapasitesi ve dominant doğalgaz çevrim ve petrole dayalı termik santrallardan kaynaklı ülkeler

arasındaki üretim fiyatlarında kayda değer farklılıklar vardır. Bu fiyat farklılıkları, birbirine enterkonnekte olarak bağlanmış partnerler arasında sürekli artan güç alışverişlerine neden olmaktadır. Ayrıca sınır ötesi iletim kapasite sınırlamaları, daha verimli ticari alışverişlerin gerçekleşmesinin önünde en ciddi engellemeyi oluşturmaktadır (Genesi ve ark., 2008).

Sistemde bir kısıt yaşanması durumunda, oluşan sorunun giderilebilmesi için (eğer sorunun şebekede gerçekleştirilecek manevralar ile giderilmesi mümkün değilse) yapılacak olan kısıt yönetimi kapsamında temel olarak, enerji açığı olan bölgedeki üretim miktarı artırılır veya tüketim miktarı düşürülürken, enerji fazlası olan bölgede tüketim miktarı artırılır veya üretim miktarı düşürülür. Çözüm her ne kadar basit gibi görülse de, serbest elektrik piyasaları açısından durum daha karmaşıktır.

Rekabetçi bir elektrik piyasasında sistemde bir kısıtın ortaya çıkması; tüketimin gerçekleştiği noktaya talebi karşılayacak miktarda elektrik enerjisi ulaştırılmasının mümkün olmaması nedeniyle yerel üretimin devreye sokulması gerekeceğinden, talebin tamamının daha düşük maliyetli elektrik enerjisinden karşılanabilmesi söz konusu iken, yüksek maliyetli elektrik enerjisinin kullanılması ve böylelikle tüketicilere sunulan elektrik enerjisinin maliyetinin artması sonucunu doğurur. Bu durum, Şekil 3.9’da gösterilmekte olan basit örnek üzerinden daha somut bir şekilde açıklanabilir.

Şekil 3.9. İletim sisteminde kısıt

A bölgesinin elektrik ihtiyacı 50 MW, bu bölgeye elektrik sağlayan G1 üreticisinin üretim kapasitesi 100 MW, satış fiyatı ise 100 TL/MWh iken, B bölgesinin elektrik ihtiyacı 50 MW, bu bölgeye elektrik sağlayan G2 üreticisinin üretim kapasitesi

100 MW, satış fiyatı ise 200 TL/MWh olsun ve başlangıçta A-B arasında herhangi bir iletim kapasitesi limiti olmadığı varsayılsın. Bu durumda, bir saatlik tüketimi karşılayacak en düşük maliyetli üretimin mali analizine bakıldığında; G1’in tam kapasiteyle çalıştırılarak üretiminin 50 MWh’inin A bölgesinde, geri kalan 50 MW’ının ise B bölgesinde tüketileceği, G2’nin üretimine ihtiyaç duyulmayacağı ve üreticilere teklif fiyatları üzerinden ödeme yapıldığı varsayımı altında, elektrik enerjisinin toplam maliyetinin 100MWx100TL/MWh = 10.000 TL olacağı görülür.

Şimdi de, A ve B bölgeleri arasındaki iletim kapasitesinin 25 MW ile sınırlı olduğu düşünülsün. Bu durum için bir saatlik tüketimi karşılayacak en düşük maliyetli üretimin mali analizine bakıldığında; A bölgesinin ihtiyacının tamamının (50 MW), B bölgesinin ihtiyacının ise aradaki hattın kapasitesinin imkân tanıdığı kadarının (25 MW) G1 tarafından, geri kalan kısmının (25 MW) ise G2 tarafından karşılanacağı ve elektrik enerjisinin toplam maliyetinin (75MWx100TL/MWh)+(25MWx200TL/MWh) = 12.500 TL olacağı görülür.

Örnekte görüldüğü üzere, A ve B bölgeleri arasındaki hattın kapasitesi nedeniyle daha düşük maliyetli üreticinin (G1) üretimi, B bölgesine ihtiyaç duyulan miktarda ulaştırılamamış ve B bölgesindeki talebin karşılanmasında bir “kısıt” oluşmuştur. Oluşan kısıt, kısıt yönetimi yapılarak B bölgesinde üretim yapmakta olan yüksek maliyetli üreticinin (G2) üretiminin kullanılmasıyla aşılmıştır. Ancak, ortaya çıkan tutarlardan da anlaşılacağı üzere, tüketilen elektriğin maliyeti herhangi bir sınırlamanın olmadığı duruma göre % 25 daha fazla olmuştur. Bu fazlalık, oluşan kısıtın maliyetidir. Üreticilerin mali uzlaştırmasının marjinal fiyatlandırma prensibine dayalı olarak yapıldığı durumda ise, elektrik enerjisinin birim maliyeti 200 TL/MWh olacağından, yaşanan kısıtın maliyeti çok daha yüksek (2 katı) olacaktır.

A ve B olarak sadece iki bölgenin ele alındığı bu örnekte görülen kısıt maliyeti, şebeke büyüdükçe ve yaşanılan kısıtlar arttıkça daha da yükselmektedir. Örneğin, yaklaşık 164.000 MW kurulu güce sahip olan Pennsylvania-New Jersey-Maryland (PJM) Enterkonneksiyonu’nda sadece 2007 yılı içerisinde oluşan kısıtların maliyeti 1,845 milyar $’dır. Elektrik şebekesinin iletim kapasitesinin sınırlı olacağı dikkate alınarak kısıtların meydana gelmesinin doğal bir durum olduğu düşünülürse, iyi bir kısıt yönetimi yapmanın önemi daha iyi ortaya çıkmaktadır (Kölmek, 2009).

Elektrik piyasalarında iletim kısıtlılıklarının piyasa gücüne etkilerini He ve ark. (2004) incelemişlerdir. “Piyasa gücü”, ekonomideki rekabetçi seviyeden uzak kȃr getirici yönde fiyatları değiştirme yeteneğidir. Güç sistemlerinde iletim şebekesi,

rekabetçi elektrik piyasasını destekleyen altyapıyı sağlar, piyasa sınırlarının tanımlanmasında önemli rol oynar ve pratiğe geçecek ticaretin yapılmasını sağlar. Eğer sistemde kısıt varsa elektrik piyasası ayrışır, rekabet mekanizması sınırlanır. Piyasanın ayrışması lokal piyasa gücünü artırır ve güç sistemlerinde piyasa verimliliğini zayıflatır.

Bekaert ve ark. (2009), sınır ötesi transfer kapasitenin artırılması için uygulanan yöntemleri aşağıdaki gibi sıralamıştır.

a) Yeni havai hat tesisi (veya güçlendirme): Bu iki şekilde olur. Mevcut hat

sökülerek genellikle aynı güzergâha (veya başka güzergâha) yeni bir hat inşa edilir veya mevcut direkler (pilonlar) üzerine eğer direk tasarımları (mukavemet vs.) müsait ise taşıma kapasitesi daha yüksek yeni bir hat inşa edilir veya devre adedi artırılır. Fakat havai hatların çevresel etkileri (doğal yaşam alanları, bitki örtüsü, sit alanları vb.), kamulaştırma problemleri, birçok kurum/kuruluştan izin alma prosedürleri vb. olduğundan inşa süreleri uzun olup Avrupa’da ortalama 5-15 sene içerisinde inşa edilirler. Yatırım maliyetleri en ucuz olanıdır.

b) Yer altı kablo tesisi: Yer altı kablo tesisi, yatırım maliyetleri açısından

havai hatlara nazaran 150 kV’a kadar ortalama 3-7 kat, 380 kV gerilim seviyesinde ise 10-20 katı daha pahalıdır. Ayrıca yer altı kablolarının kapasitans etkisi daha yüksek olması özellikle uzun mesafelerde işletme problemlerine yol açar (gerilim yükselmesi vb.). ve kapasitif reaktif gücü kompanse etmek için trafo merkezlerinde endüktif reaktans (reaktör) tesis edilmesi gerekmektedir. Ancak yer altı kablolarında arızayı tespit etme ve giderme süresi havai hatlara nazaran daha uzundur.

c) Phase Shifting Transformers (PST): PST, mevcut hattın başına tesis edilen

elektromagnetik bir cihazdır. İletim sistemi operatörüne hattaki yük akışını kontrol etmesine imkân verir. PST’nin kullanılmasıyla kısıtlı hattaki yük akışı azaltılarak yük, yedek kapasitesi olan hatta kaydırılmaktadır. Yani kısıtlılık azaltılarak transfer kapasitesi artırılmaktadır. PST’ler iletim hatlarına nazaran pahalı değildir ve mevcut trafo merkezlerine yerleştirilebilir. Dezavantajı ise hatta seri bağlı elemanların varlığı nedeniyle hattın arıza yapma riskinin artmasıdır.

d) Yüksek Gerilim Doğru Akım (HVDC) hatları: İki terminal arasındaki yük

akışını tamamen kontrol etmesine izin verir. Hattın her iki tarafında AC-DC dönüştürücü (converter) vardır ve bu dönüştürücü istasyonlarının tesisi için

belirli bir alana ihtiyaç vardır. Her ne kadar doğru akım (DC) hat kayıpları alternatif akım (AC) hatta nazaran daha az da olsa AC-DC dönüştürücü istasyonları ilave kayıp meydana getirirler. HVDC sistemlerin avantajı ise birbirinden kilometrelerce uzak iki sistemin veya asenkron sistemlerin birbirine bağlanması, bölgeler arasındaki transfer kapasitelerinin ve şebekelerin stabilitelerinin artmasıdır. Denizaltı kabloları da HVDC teknolojisini kullanmaktadır.

4. ELEKTRİK PİYASALARINDA KISITLILIK YÖNETİMİ METOTLARI VE