Economic and environmental analysis of the usage of solar, wind and hydroelectric energy systems in wastewater treatment plants in Türkiye
Türkiye'deki atıksu arıtma tesislerinde güneş, rüzgar ve hidroelektrik enerji sistemlerinin kullanılmasının ekonomik ve çevresel açıdan incelenmesi
- Tez No: 839905
- Danışmanlar: PROF. DR. MERİH AYDINALP KÖKSAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Su ve enerji talebinin küresel çapta artması, kaynakların sınırlı oluşu ve iklim krizinin neden olduğu sorunlar su ve enerji tedarik sistemleri üzerinde büyük bir baskıya neden olmaktadır. Dolayısıyla sürdürülebilir enerji ve temiz su temini dünya çapında en kritik konular arasında yer almaktadır. Suyun enerji üretimi için birincil madde oluşu, su arıtımı için ise enerjiye ihtiyaç duyulması, su ve enerji arasında karşılıklı bir ilişki olduğunu göstermektedir. Atık su arıtma tesisleri (AAT), birçok ülkede birincil enerji tüketicisidir. Türkiye'deki AAT'lerin yaklaşık %14'ü yüksek enerji tüketiminden kaynaklanan ekonomik nedenlerle işletilememektedir. Özellikle bu durum birim enerji ihtiyacının daha fazla olmasından kaynaklı küçük şehir belediyelerinde görülmektedir. Daha önceki çalışmalara bakıldığında, büyük ölçekli atıksu arıtma tesisleri için yenilenebilir enerji entegrasyonunun hem çevresel hem de ekonomik olarak uygulanabilir olduğu görülmektedir. Fakat Türkiye'deki birincil sorun, küçük kapasiteli AAT'lerin çoğunun yüksek elektrik talebi nedeniyle işletilmemesidir. Literatürde, yenilenebilir enerji kaynaklarının belirli bir kapasiteye sahip AAT'lere entegre edilmesi konusunda birçok çalışma olmasına rağmen, Türkiye'de bulunan nispeten küçük kapasiteli AAT'ler için yenilenebilir kaynak türlerini içeren bir çalışma bulunmamaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir kaynak entegrasyonuna sahip atıksu arıtma tesislerinin kapasitesi için bir eşik değer belirlemek, bu çalışmanın birincil amacıdır. Python ile Parçacık Sürü Optimizasyonu kullanılarak bir matematiksel model oluşturulmuştur. Çalışma, Türkiye'de 1.000.000 m3'ten daha az atık suyu arıtan 79 AAT'yi değerlendirmiş ve bunlardan dokuzunun yenilenebilir enerji entegrasyonu için uygun olduğunu, yedi yıl veya daha kısa bir geri ödeme süresine sahip olduğunu ve elektrik talebinin en az %50'sini karşılama potansiyeline sahip olduğunu belirlemiştir. Güneş enerjisine ek olarak rüzgar ve hidro da dahil olmak üzere yenilenebilir enerji entegrasyonunun, 5.5 ila 8.6 yıl arasında değişen geri ödeme süreleri ile farklı kapasitelerdeki AAT'ler için uygun olduğunu ve bu AAT'lerin maliyet ve emisyon azaltımları için önemli bir potansiyele sahip olduğunu işaret etmektedir. Oluşturulan optimizasyon modelinde iki farklı senaryo yer almaktadır. Senaryo 1, AAT'nin elektrik tüketimini karşılayacak kadar elektrik üretmeye ve bunu minimum maliyetle optimize etmeye dayanmaktadır. Batarya sistemlerinin karmaşıklığı nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektriğin doğrudan ulusal şebekeye satılacağı varsayılmaktadır. Bu nedenle, Senaryo 1'de üretim, tüketilen miktarla sınırlıdır. Senaryo 2'de ise, mevcut maksimum fotovoltaik alanı kullanılarak ve şebekeye satılarak ihtiyaç duyulandan daha fazla elektrik üretilebilir. Bu durumda, Senaryo 2'de elektrik üretimi için herhangi bir sınırlama yoktur ve bölgedeki mevcut tüm potansiyel, elektrik üretimi için kullanılmaktadır. Çalışma sonucu, düşük kapasiteli AAT'lere yenilenebilir enerji entegrasyonu için eşik kapasitenin Senaryo 1'de 380,633 m3/yıl ve Senaryo 2'de 100,611 m3/yıl olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma, ortalama maliyet azaltımının Senaryo 1'de yıllık 22,300$ ve Senaryo 2'de yıllık 29,300$ olduğunu ortaya koymaktadır. AAT'ler, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektrik ile, Senaryo 1'de %56 ve Senaryo 2'de %74 emisyon azaltımına katkıda bulunabilmektedir. Türkiye'de bir konutun yıllık ortalama elektrik tüketiminin yaklaşık 4.000 kWh olduğu varsayıldığında, yenilenebilir enerji kaynaklarının 79 AAT'ye entegre edilmesi, yaklaşık 2,000 konutun yıllık elektrik tüketimine bağlı emisyonuna denk gelmektedir.
Özet (Çeviri)
The increasing global demand for water and energy, the limited availability of resources, and the problems caused by the climate crisis are putting significant pressure on water and energy supply systems. Therefore, sustainable energy and clean water supply are among the most critical issues worldwide. The fact that water is the primary material for energy production and energy is needed for water treatment demonstrates a mutual relationship between water and energy. Wastewater treatment plants (WWTPs) are the primary energy consumers in many countries. Approximately 14% of WWTPs in Türkiye cannot be operated due to economic reasons resulting from high energy consumption. This issue is particularly observed in small city municipalities with higher unit energy requirements. Previous studies have shown that renewable energy integration is environmentally and economically feasible for large-scale wastewater treatment plants. However, the primary issue in Türkiye is that many small-capacity WWTPs are not operated due to high electricity demand. Although there are many studies in the literature on integrating renewable energy sources into WWTPs with a certain capacity, there is no study for relatively small-capacity WWTPs in Türkiye that includes renewable energy source types. Therefore, the main aim of this study is to determine a threshold value for the capacity of wastewater treatment plants with feasible renewable energy integration using Particle Swarm Optimization in Python. The study evaluated 79 WWTPs in Türkiye that treat less than 1,000,000 m3 of wastewater and identified nine as viable for renewable energy integration, with a payback period of seven years or less and the potential to meet at least 50% of the electricity demand. The study also indicated that renewable energy integration, including solar, wind, and hydro, is feasible for WWTPs with different capacities, with payback periods ranging from 5.5 to 8.6 years. WWTPs have significant potential for cost and emission reductions. The optimization model developed includes two different scenarios. Scenario 1 is based on generating enough electricity from renewable energy sources to meet the WWTP's electricity consumption and optimize it with minimum cost. Due to the complexity of battery systems, electricity generated from renewable energy sources is assumed to be directly sold to the national grid. Therefore, in Scenario 1, the generation is limited to the amount consumed. In Scenario 2, conversely, more electricity can be generated than needed by using the maximum available photovoltaic area and selling it to the grid. In this case, there is no limitation on electricity generation in Scenario 2, and all the available potential in the area is used for electricity generation. The result of the study indicates that the threshold capacity for renewable energy integration in low-capacity WWTPs is 380,633 m3/year in Scenario 1 and 100,611 m3/year in Scenario 2. This study revealed that the average cost reduction is 22,300 $/y in Scenario 1 and 29,300 $/y in Scenario 2. WWTPs can contribute to a 56% emission reduction in Scenario 1 and 74% in Scenario 2, thanks to the electricity generated from renewable energy sources. Assuming a household's average annual electricity consumption is approximately 4,000 kWh, integrating renewable energy sources in the 79 WWTPs would result in emissions equivalent to the annual electricity consumption of approximately 2,000 households.
Benzer Tezler
- Mesken elektrik aboneleri için enerji yönetimi sistemi kullanımı
Utilization of energy management systems for residential electricity consumers
HÜSNÜ ALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
- Kojenerasyon ve güneş enerjisinin bütünleştirildiği hibrit sistemin ekonomik ve emisyon analizi
Economic and emission analysis of hybrid cogeneration system integrated with solar energy
MERYEM İPEK ÖZKOCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Şebekeye bağlı yenilenebilir enerji sistemi tasarımı, optimizasyonu, tekno-ekonomik ve çevresel etki analizi
A grid-connected renewable energy system design, optimisation, techno-economic and environmental impact analysis
MUSTAFA GARİP
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiEge ÜniversitesiGüneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİH SONER ÇELİKTAŞ
DOÇ. DR. EGEMEN SULUKAN
- Faz değişimli süreçlerde eksergo ekolojik analizin sayısal olarak incelenmesi
Numerical study of exergo environmental analysis at phase change processes
BURAK TEVFİK DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY KINCAY
- Ayçiçek yağının doğrudan alternatif yakıt olarak değerlendirilmesi
Direct use of sunflower oil as a fuel alternative
GÜRKAN KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU