Modelling of future hydropower generation using WEAP: A case study in Ceyhan Basin
Gelecekteki hidroelektrik enerji üretiminin WEAP ile modellenmesi: Ceyhan Havzası'nda bir vaka çalışması
- Tez No: 856930
- Danışmanlar: PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Gelecekte elektrik talebinin artması beklenirken, iklim değişikliği hidroelektrik enerjiye büyük ölçüde bağımlı olan ülkeler için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Bu durumda, iklim değişikliğinin etkilerine karşı kırılgan bir ülke ve hidroelektrik payı çok yüksek olan Türkiye, önemli risklerle karşı karşıyadır. Türkiye'de iklim değişikliğinin etkilerine karşı en hassas bölgelerden biri de Ceyhan Havzası'dır. Ülkenin güneydoğusunda, Fırat ve Seyhan havzalarına komşu olan Ceyhan Havzası, çok sayıda hidroelektrik santraline ev sahipliği yapmaktadır. Aynı zamanda verimli topraklara sahip olmasından dolayı tarımsal faaliyetler yoğun bir şekilde yapılmaktadır. Bu bağlamda havzada sürdürülebilir su yönetimini sağlamak için, iklim değişikliği projeksiyonlarının yağış düzenlerini, sıcaklık değişimlerini, su akışlarını ve hidroelektrik üretimini nasıl etkilediğine dair daha detaylı araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır Bu çalışmanın amacı, iklim değişikliğinin Ceyhan Havzasında bulunan Menzelet Barajı'nın hidroelektrik üretimi üzerindeki etkisini hem yakın gelecek (2030-2050) hem de uzak gelecek (2051-2070) için öngörerek iklim değişikliğine uyum çalışmalarına katkı sağlamaktır. İlk olarak, Ceyhan Havzası'nın hidrolojik dinamiklerini karakterize etmek için Su Değerlendirme ve Planlama (WEAP) aracı kullanılarak bir hidroloji modeli geliştirilmiştir. Model oluştururken, referans dönem olarak 1971-2000 yılları arası seçilmiş ve bu zaman aralığındaki tarihsel veriler kullanılmıştır. Daha sonra akım gözlem istasyonlarının veri sürekliliği ve kalitesi göz önünde bulundurularak çalışma bölgesi içerisinde seçilen istasyonlar dökülme noktası olarak kullanılmış ve çalışma alanı 5 ayrı alt havzaya bölünmüştür. Ardından, çalışma bölgesindeki barajlar ve su talep miktarları (tarımsal sulama ve sanayi su kullanımı) gibi yapay bileşenler Ceyhan Master Plan'dan derlenerek modele girilmiş ve bölgenin su şebeke modeli oluşturulmuştur. Sonrasında, çalışma alanındaki iklim gözlem istasyonlarına ait veriler Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilerek modele girilmiş ve akarsu akışına ilişkin zaman serisi verileri üretilmiştir. Kurulan WEAP modelinin kalibrasyonunu sağlamak amacıyla seçilmiş olan akım gözlem istasyonlarının bulunduğu noktalarda modelden hesaplanan ve istasyonlarda gözlemlenen debi istatistiksel olarak karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sürecinde yüzde hata (PBIAS), Nash-Sutcliffe etkinliği (NSE) ve belirlilik katsayısı (R2) gibi istatistiksel performans parametreleri hesaplanarak modelin istatistiksel geçerliliği test edilmiştir. İstatistiksel geçerlilik sağlanana kadar hidrolojik parametrelerden olan ürün katsayısı (kc), toprak su kapasitesi ve akış direnç faktörü gibi değerler üzerinde oynamalar yapılarak, modelden elde edilen debinin gerçek debiye yakınsaması sağlanmıştır. Daha sonra sisteme barajlar ve su talebi gibi yapay bileşenler eklenmiştir. Bu aşamada Menzelet Barajı'nın membaında kalan alandaki aylık su tüketimleri (tarımsal sulama ve sanayi su kullanımı) oluşturulan hidroloji modeline işlenmiştir. Eş zamanlı olarak, MPI-ESM-MR küresel döngü modeline RegCM4.3.4 bölgesel iklim modeli ile dinamik ölçek küçültme uygulanmış versiyonunun RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları altında oluşturulmuş iklim veri setleri Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilmiştir. Modelin doğruluğunu arttırmak amacıyla bu zaman serilerine delta değişim sapma düzeltmesi uygulanmış ve hata düzeltmesi yapılmış parametreler WEAP modeline entegre edilerek gelecek senaryoları (RCP4.5 ve RCP8.5) oluşturulmuştur. Modelde 1971-2000 yılları arası referans periyodu olarak belirlenmişken; 2030-2050 arası yakın gelecek ve 2051-2070 arası da uzak gelecek olarak belirlenmiştir. Modelde gelecek senaryolarını oluştururken, MPI-ESM-MR küresel döngü modeline RegCM4.3.4 bölgesel iklim modeli ile dinamik ölçek küçültme uygulanmış versiyonunun RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları altında oluşturulmuş iklim veri setleri Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilmiştir. Modelin doğruluğunu arttırmak amacıyla bu zaman serilerine delta değişim sapma düzeltmesi uygulanmış ve hata düzeltmesi yapılmış parametreler WEAP modeline entegre edilerek gelecek senaryoları (RCP4.5 ve RCP8.5) oluşturulmuştur. Modelde 1971-2000 yılları arası referans periyodu olarak belirlenmişken; 2030-2050 arası yakın gelecek ve 2051-2070 arası da uzak gelecek olarak belirlenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmanın neticesinde, RCP4.5 senaryosuna göre referans dönemde Menzelet memba (MMe)alt havzasında yıllık ortalama 10.14oC olan yıllık ortalama sıcaklıkta yakın gelecek döneminde 0.74oC, uzak gelecekte 1.18oC artış olacaktır. RCP8.5 senaryosuna göre ise sırasıyla 0.70oC ve 2.03oC artış olacağı öngörülmüştür. Diğer taraftan, MMe alt havzasında yıllık toplam yağış miktarı değerlendirildiğinde, RCP 4.5 senaryosuna göre yakın gelecek döneminde %9, uzak gelecek döneminde %10.5 azalma öngörülürken RCP8.5 senaryosuna göre ise bu değerler sırasıyla %7.2 ve %23.6 olarak hesaplanmıştır. Yağıştaki azalmayla paralel olarak MMe alt-havzasında yıllık ortalama debinin azalması beklenmektedir. RCP4.5 senaryosu altında yakın gelecek ve uzak gelecek dönemlerinde sırasıyla %19.6 ve %17 azalma öngörülmektedir. Benzer şekilde, RCP8.5 senaryosu altında, yakın gelecek ve uzak gelecek dönemlerinde sırasıyla %15.8 ve %36 azalma beklenmektedir. Son olarak, MMe alt havzasında bulunan Menzelet Hidroelektrik Santrali'nin projeksiyon dönemleri içerisindeki ortalama enerji üretim miktarı hesaplanmıştır. Uzun yıllar yıllık ortalama enerji üretimi, referans dönem ortalaması ile karşılaştırıldığında, RCP4.5 senaryosuna göre yakın gelecekte %32.1 ve uzak gelecekte %26.1 azalma öngörülmüştür. Benzer şekilde, RCP8.5 senaryosuna göre ise yakın gelecekte %35.9 ve uzak gelecekte %44.9'luk bir azalma öngörülmektedir. Enerji üretimindeki aylık değişime bakıldığında yaz ve sonbaharda Menzelet Barajındaki enerji üretimi diğer aylara göre daha çok düşecektir. Su kaynaklarının daha etkin bir şekilde yönetilmesi açısından, hidrolojik modellerin kullanımı ve iklim değişikliğinin etkilerini hesaba katan su kaynakları yönetim stratejilerinin oluşturulması büyük önem taşımaktadır. Bu stratejiler, suyun ekonomik, çevresel ve sosyal açıdan sürdürülebilir bir şekilde kullanılmasını sağlayabilir ve su kaynaklarının gelecek nesillere aktarılmasını garanti altına alabilir. Enerji tesislerinin uygun bir şekilde planlanması da hayati öneme sahiptir. İklim değişikliğinin etkileri göz önünde bulundurularak, enerji tesislerinin iklim değişikliğine dayanıklı hale getirilmesi gerekmektedir. Elde edilen sonuçlar, çalışma bölgesinde ciddi bir su sıkıntısı yaşanacağını göstermektedir. Bölge tarım, sanayi enerji sektörleri açısından önemli bir konumda olduğu için etkin su planlamasının sağlanması bölgedeki su kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi ve enerji arz güvenliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu yüzden, su kaynaklarının korunması, su verimliliğinin artırılması, su tasarrufu önlemlerinin uygulanması ve risk azaltma stratejilerinin geliştirilmesi gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Electricity demand is expected to increase globally in the future. Unfortunately, climate change is a threat to countries that are heavily dependent on hydroelectric energy. Turkey, recognized as vulnerable to the potential impacts of climate change, encounters greater risk. Within Turkey, Ceyhan Basin is one of the regions that is most vulnerable to the effects of climate change. It currently hosts several numbers of reservoirs and is important for agricultural activity due to its fertile lands. Therefore, much research on how projected climate change impacts precipitation patterns, temperature variations, water flows as well as hydropower generation within the basin is necessary for future water and energy planning. The objective of this study is to assess the impact of climate change on the hydropower generation at Menzelet Dam, both in the near and far future periods. Initially, a hydrology model was developed utilizing the Water Evaluation and Planning (WEAP) tool to characterize the hydrological dynamics of the Ceyhan Basin. Subsequently, station measurement data specific to the region were integrated into the model, to produce time series data for streamflow. The model's statistical performance was assessed by comparing the simulated flow data with the observed flow time series recorded at the measurement station within the same measurement intervals. Then, artificial components, such as dams and water demand, were introduced to the model. Simultaneously, dynamically downscaled climate datasets corresponding to RCP4.5 and RCP8.5 scenarios of the MPI-ESM-MR global climate model were obtained from the Turkish State Meteorological Service (MGM). To enhance precision, a delta-change bias correction was applied to these time series, and the adjusted parameters were incorporated into WEAP for the projection of future scenarios. The results of the study indicate that the Menzelet and upstream sub-basin will experience a temperature increase and reduction in rainfall that will reduce water resources in the area. The projections showed that under the two scenarios, the Menzelet Dam basin would be warmer overall, however precipitation would slightly increase in near future (NF, 2030-2050) and then decrease in far future (FF, 2051-2070). There is a declining trend in streamflow observed in both periods. Hydropower sectors will be negatively affected as stream flows are expected to decrease in the future. The average energy generation of Menzelet hydroelectric dam is 375.3 GWh/year in the reference period (1971-2000) calculated by WEAP and is expected to decrease by 32.1% and 35.9% in the NF and by 26.1% and 44.9% in the FF, respectively, under the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. According to both scenarios, hydropower generation decreased more in the FF than in the NF. These results will help the energy sector to develop strategies to maximize benefits and cope with the impacts of climate change in the near and long-term future.
Benzer Tezler
- Tersakan havzası'nda rezervuar hacimlerinin tahmininde fiziksel tabanlı modeller ve yapay zekâ modellerinin performanslarının değerlendirilmesi
Evaluation of the performance of physically based models and artificial intelligence models for estimating reservoir volumes in the Tersakan basin
GÜLHAN ÖZDOĞAN SARIKOÇ
Doktora
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiErciyes ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ DADAŞER ÇELİK
- Elektrikli araç şarj istasyonlarının alçak gerilim dağıtım şebekesine bağlantısı ve etkilerinin incelenmesi
Examination of the connection and impacts of electric vehicle charging station on the low voltage distribution network
EZGİ SOLAK ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
- Küresel iklim değişikliği sürecinde güneş enerjisi potansiyelinin belirlenmesi: Ankara, Antalya ve İstanbul örneği
Determination of solar energy potential in the globalclimate change process: The case of Ankara, Antalya andİstanbul
ATAGÜN UNAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖZTOPAL
- Akıllı şebekelerde depolama sistemlerine sahip rüzgar enerji santrallerinde üretim tahmini ve sisteme katılım miktarının belirlenmesi
Prediction and penetration of wind energy with storage system analysis
BETÜL AKYÜREK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
- Essays on infrastructure design and planning for clean energy systems
Başlık çevirisi yok
AYŞE SELİN KOCAMAN
