Renewable energy integration in micro combined heat and power systems: Equipment sizing and feasibility analysis
Yenilenebilir enerji entegrasyonu mikro kombine ısı ve güç sistemlerinde: Ekipman boyutlandırma ve imkânlılık analizi
- Tez No: 1022669
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KEMAL SARICA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Enerji, Industrial and Industrial Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Birleşik ısı güç üretimi, Doğrusal modelleme, Ekonomik analiz, Elektrik üretimi, Isı depolama, Isı sistemleri, Kapasite kestirimi, Karbon emisyonu, Matematiksel modelleme, Linear modelling, Economic analysis, Electricity generation, Heat storage, Heat systems, Capacity estimation, Carbon emission, Mathematical modelling
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Artan enerji fiyatları, mevsimsel talep değişkenliği ve daha yüksek verim ile daha düşük emisyon gereksinimleri nedeniyle konut enerji sistemleri giderek daha karmaşık hale gelmektedir. Güncel yaklaşımlar, konutları pasif tüketiciler olarak ele almak yerine, birden fazla enerji taşıyıcısını ve teknolojiyi birlikte yöneten entegre enerji hub'ları olarak modellemektedir. Bu tez çalışmasında, İstanbul'da yer alan bir konut için tekno-ekonomik bir optimizasyon çerçevesi geliştirilmiştir. Sistem; elektrik, mekân ısıtması ve kullanım sıcak suyu taleplerini mikro kojenerasyon (micro-CHP) ünitesi, Batarya Enerji Depolama Sistemi (BESS), Isıl Enerji Depolama Sistemi (TES), elektrikli ısıtıcı ve referans durumda geleneksel gazlı boiler/kombi ile karşılayacak şekilde tasarlanmıştır. Sistem ekipmanlarının boyutlandırılması ve saatlik işletme kararları, 8.784 saatlik tam yıl ufku için Karışık Tamsayılı Doğrusal Programlama (MILP) modeli ile eş zamanlı olarak optimize edilmiştir. Modelin amacı, tüm enerji taleplerini gerçekçi teknik ve işletme kısıtları altında karşılayarak Toplam Yıllık Maliyeti (TAC) minimize etmektir. Bu kapsamda CHP kısmi yük sınırları, batarya şarj/deşarj verimleri, TES bekleme kayıpları, ısıl depolama durum denklemleri, sıfır dışa aktarım politikası ve kullanım sıcak suyu sunumuna ilişkin depolama tankı kısıtları dikkate alınmıştır. Referans senaryoda gazlı boiler, piyasa gerçekliğini daha iyi temsil etmek amacıyla sabit ve gerçekçi bir kapasite ile modellenmiş, ayrıca diğer ekipmanlardan farklı bir finansal ömür varsayımı kullanılmıştır. Modelde, İstanbul için ERA5 iklim verilerinden türetilen dış hava sıcaklıkları, saatlik elektrik tarifeleri ve aylık doğal gaz fiyatları kullanılmıştır. Mekân ısıtma talebi bina ısı kaybı yaklaşımıyla hesaplanırken, kullanım sıcak suyu talebi saatlik kullanım profilleri ve mevsimsel değişim dikkate alınarak oluşturulmuştur. Referans durumun yanı sıra, elektrik ve doğal gaz fiyat şoklarını ve karbon fiyatlandırmasını içeren çoklu stres testi senaryoları da analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, mikro kojenerasyon ve depolama teknolojilerinin koordineli işletiminin geleneksel referans çözüme kıyasla hem ekonomik hem de çevresel performansı iyileştirdiğini göstermektedir. Optimize edilen sistem, baz koşullarda yıllık maliyet ve emisyonları azaltmakta; senaryo analizleri ise olumsuz fiyat ve karbon baskıları altında batarya ve TES kapasitelerinin nasıl uyum sağladığını ortaya koymaktadır. Geliştirilen çerçeve, zamanla değişen piyasa ve iklim koşulları altında konut tipi çoklu enerji sistemlerinin planlanması için şeffaf ve uygulanabilir bir karar destek aracı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Residential energy systems are becoming increasingly complex due to rising energy prices, seasonal demand variability, and the need for higher efficiency and lower emissions. Rather than treating houses as passive consumers, contemporary approaches model them as integrated energy hubs that coordinate multiple energy carriers and technologies. In this thesis, a techno-economic optimization framework is developed for a residential energy hub located in Istanbul, Türkiye. The system is designed to supply electricity, space heating, and domestic hot water by coordinating a micro-Combined Heat and Power (micro-CHP) unit, Battery Energy Storage System (BESS), Thermal Energy Storage (TES), electric heater, and, in the reference case, a conventional gas boiler. A Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model is formulated to jointly optimize equipment sizing and hourly operation over a full-year horizon with 8,784 hourly time steps. The objective is to minimize the Total Annualized Cost (TAC) while satisfying all energy demands under realistic technical and operational constraints. These constraints include CHP part-load limits, battery charging and discharging efficiencies, TES standing losses, thermal storage state dynamics, zero-export operation, and domestic hot water delivery limitations associated with the storage tank. In the reference scenario, the gas boiler is represented with a fixed market-realistic capacity and a separate financial lifetime in order to better reflect replacement economics. The model incorporates hourly electricity tariffs, monthly natural gas prices, and outdoor temperature data derived from ERA5 climate records for Istanbul. Space heating demand is calculated using a building heat-loss formulation, while domestic hot water demand is generated from hourly consumption profiles with seasonal variation. In addition to the reference configuration, multiple stress-test scenarios are evaluated, including electricity and gas price shocks as well as carbon pricing cases. The results show that coordinated operation of micro-CHP and storage technologies improves both economic and environmental performance compared to the conventional reference case. The optimized system reduces annual cost and emissions under baseline conditions, while scenario analysis demonstrates how battery and TES capacities adapt under adverse pricing and carbon constraints. The developed framework provides a transparent and practically applicable decision-support tool for residential multi-energy system planning under time-varying market and climatic conditions.
Benzer Tezler
- Enerji depolama üniteli trijenerasyon mikro şebeke sisteminde çizelgeleme optimizasyonu: Hastane uygulaması
Scheduling optimization in the trigeneration microgrid system with energy storage unit: Hospital application
ANIL DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÖZGÜR KAYALICA
DOÇ. DR. AYŞE AYLİN BAYAR
- Mikroşebekelerin merkezi adaptif koruma yöntemiyle korunması
Protection of microgrids with central adaptive protection method
SENA ŞAHKULUBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA
- Makine öğrenmesi kullanılarak mikroşebekelerde talep tarafı yönetimine termal enerji depolamasının dahil edilmesi
Thermal energy storage integration into demand side management in microgrids by using machine learning
KARIM BIO GASSI
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BAYSAL
- Akıllı şebekelerde sanal güç santraline entegre edilen raylı sistemlerin yapay zekâ temelli enerji optimizasyonu ve santrale etkisi
Artificial intelligence based energy optimization of rail systems integrated into virtual power plants in smart grids and its impact on the plant
RAMAZAN GÜNGÜNEŞ
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTUĞRUL ÇAM
- Modeling and simulation of microgrid control
Mikro şebeke kontrolünün modellenmesi ve simülasyonu
HESHAM AHMED ALMGARBJ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZİYODULLA YUSUPOV