Güney ve Orta Amerika'da %100 Yenilenebilir Enerji Tedariki için Hidro, Rüzgar ve Güneş Enerjisi

İçindekiler

1. Giriş ve Genel Bakış

Bu araştırma, 2030 yılına kadar Güney ve Orta Amerika genelinde %100 yenilenebilir enerji (YE) tedariki sağlamak için öncü nitelikte, saatlik çözünürlüklü bir enerji sistemi modelleme çalışması sunmaktadır. Bölge, halihazırda yüksek hidroelektrik penetrasyonu nedeniyle dünyanın en düşük karbon yoğunluklu elektrik karışımına sahip olsa da, su kaynaklarını tehdit eden iklim değişkenliğinden kaynaklanan önemli zorluklarla karşı karşıyadır. Çalışma, yüksek gerilimli doğru akım (YGDA) iletimi ve güçten-gaza (GtG) gibi destekleyici teknolojilerle desteklenen, hidroelektrik, rüzgar ve güneş fotovoltaik (FV) enerjisinin hakim olduğu bir sisteme geçişin teknik ve ekonomik fizibilitesini araştırmaktadır.

2. Metodoloji ve Senaryolar

2.1. Enerji Modeli ve Bölgesel Alt Bölümleme

Analiz, yıllık toplam sistem maliyetini en aza indirmek için doğrusal bir optimizasyon modeli kullanmaktadır. Coğrafi alan, enerji değişiminin simülasyonuna olanak tanıyan birbirine bağlı 15 alt bölgeye ayrılmıştır. Model, yenilenebilir kaynakların değişkenliğini yakalayan bir referans yılı için saatlik çözünürlüğe dayanmaktadır.

2.2. Tanımlanan Senaryolar

Altyapı ve sektör bağlantısının etkisini değerlendirmek için dört temel senaryo geliştirilmiştir:

• Senaryo 1 (Bölgesel): Sınırlı YGDA şebekesi, çoğunlukla büyük alt bölgeler içinde.
• Senaryo 2 (Ülkesel): Ülkeler içinde geliştirilmiş YGDA bağlantıları.
• Senaryo 3 (Alan Çapında): Tüm 15 alt bölge arasında tam YGDA şebeke entegrasyonu.
• Senaryo 4 (Entegre): Senaryo 3'ü temel alır, deniz suyu arıtımı (3.9 milyar m³) ve GtG yoluyla sentetik doğal gaz (SDG) üretimi (640 TWh_DA) için elektrik talebi ekler.

2.3. Su Arıtma ve Güçten-Gaz Entegrasyonu

Entegre senaryo, saf elektrik tedarikinin ötesine geçen kilit bir yeniliktir. Arıtma yoluyla su kıtlığını ele alır ve aksi takdirde kesintiye uğrayacak olan fazla yenilenebilir elektriği kullanarak, elektriklendirilmesi zor endüstriyel süreçler için karbon nötr bir yakıt (SDG) sağlar.

3. Temel Sonuçlar ve Bulgular

3.1. Enerji Karışımı ve Kapasite

Optimal karışımda güneş FV (~%50-60 üretim) hakimdir, ardından rüzgar enerjisi (~%20-30) ve hidroelektrik (~%10-20) gelir. Mevcut hidroelektrik kapasitesi sadece üretimde değil, daha da önemlisi, esneklik sağlamada çok önemli bir rol oynamaktadır.

3.2. Maliyet Analizi: DÜEM, DÜG, DÜS

Şebeke merkezileşmesi maliyetleri düşürür. DÜEM, merkezi olmayan (Bölgesel) senaryodaki 62 €/MWh'den tamamen merkezi (Alan Çapında) senaryodaki 56 €/MWh'e düşer. Entegre senaryo, belirtilen maliyetlerle SDG ve arıtılmış su üreterek sektör bağlantısının ekonomik potansiyelini göstermektedir.

3.3. Hidroelektriğin Sanal Depolama Olarak Rolü

Kritik bir bulgu, mevcut hidroelektrik barajlarının "sanal pil" olarak kullanılmasıdır. Hidroelektrik enerjisinin güneş ve rüzgar çıktısıyla stratejik olarak dağıtılmasıyla, ek elektrokimyasal depolama ihtiyacı büyük ölçüde azaltılır. Bu, batık altyapı maliyetlerinden yararlanarak şebeke stabilitesi için büyük faydalar sağlar.

3.4. Sistem Entegrasyonunun Faydaları

Arıtma ve GtG'nin entegre edilmesi, gerekli elektrik üretiminde %5'lik bir azalma ve toplam sistem maliyetinde %8'lik bir azalma sağlar. Bu, aksi takdirde kesintiye uğrayacak yenilenebilir enerjinin kullanılmasıyla, genel sistem kullanımını ve ekonomisini iyileştirerek başarılır.

4. Teknik Detaylar ve Matematiksel Formülasyon

Modelin özü bir maliyet minimizasyon problemidir. Amaç fonksiyonu toplam yıllık maliyeti $C_{toplam}$'ı en aza indirir:

$C_{toplam} = \sum_{t, r} (C_{serm} \cdot Serm_{r, tekn} + C_{işl} \cdot Üret_{t, r, tekn} + C_{ilet} \cdot İlet_{t, r1, r2})$

Aşağıdaki kısıtlamalara tabidir:

• Enerji Dengesi: Tüm saatler $t$, bölgeler $r$ için: $\sum_{tekn} Üret_{t,r,tekn} + \sum_{r2} İlet_{t, r2, r} = Talep_{t,r} + \sum_{r2} İlet_{t, r, r2} + Depo_{çık, t, r} - Depo_{gir, t, r}$.
• Kapasite Limitleri: $Üret_{t,r,tekn} \leq KF_{t,r,tekn} \cdot Serm_{r, tekn}$; burada $KF$ saatlik kapasite faktörüdür.
• Depolama Dinamiği: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{gir} \cdot Depo_{gir, t, r} - \frac{1}{\eta_{çık}} \cdot Depo_{çık, t, r}$
• Hidro Rezervuar Yönetimi: Su girişini, depolama limitlerini ve minimum çevresel akışları modelleyen kısıtlamalar.

GtG süreci, bir verimlilik $\eta_{GtG}$ (örn., SDG için ~%58) ile modellenir ve elektrik girişi $E_{gir}$'i gaz çıkışı $G_{çık}$'a bağlar: $G_{çık} = \eta_{GtG} \cdot E_{gir}$.

5. Deneysel Sonuçlar ve Grafik Açıklamaları

Grafik 1: Senaryoya Göre Kurulu Kapasite
Yığılmış çubuk grafik, dört senaryo boyunca güneş FV, rüzgar, hidro ve gaz türbinlerinin (bazı senaryolarda yedek için) GW cinsinden kapasitesini gösterecektir. "Entegre" senaryo, GtG'den eklenen talep nedeniyle en yüksek toplam kapasiteyi gösterir.

Grafik 2: Temsili Bir Alt Bölge için Saatlik Üretim Profili (örn., Brezilya Güneydoğu)
Bir haftalık süre için çoklu çizgi grafik, hidroelektrik üretiminin güneş FV'den gelen büyük günlük zirveleri ve rüzgardan gelen daha değişken çıktıyı dengelemesini gösterecektir. "Sanal pil" etkisi, hidro üretiminin güneşli/rüzgarlı dönemlerde düşmesi ve gece veya sakin dönemlerde artmasıyla görsel olarak nettir.

Grafik 3: Sistem Maliyet Dağılımı
Entegre Senaryo için bir pasta grafik, yıllık toplam maliyetin şu kalemlere atfedilen payını gösterir: Güneş FV SERMAYE & İŞLETME, Rüzgar SERMAYE & İŞLETME, YGDA Şebekesi, Güçten-Gaz Tesisleri ve Arıtma Tesisleri. Bu, geçişin sermaye yoğun doğasını vurgular.

6. Analitik Çerçeve: Senaryo Modelleme Örneği

Durum: Şebeke Genişletme ile Yerel Depolamanın Değerlendirilmesi
Şili'deki (yüksek güneş) bir kamu hizmeti şirketi, Arjantin'e (tamamlayıcı rüzgar/hidro) yeni bir YGDA hattına yatırım yapmayı mı yoksa büyük ölçekli bir pil çiftliği inşa etmeyi mi düşünüyor.

Çerçeve Uygulaması:
1. Düğümleri Tanımla: Şili (Düğüm A), Arjantin (Düğüm B).
2. Girdi Verileri: A için saatlik güneş KF, B için saatlik rüzgar/hidro KF, talep profilleri, YGDA hattı sermaye maliyeti ($/MW-km) ve piller ($/kWh).
3. Model Varyantlarını Çalıştır:
- Varyant 1 (İzole): Düğüm A talebini yerel olarak karşılamalı, geceleri karşılamak için önemli pil kapasitesi gerektirir.
- Varyant 2 (Bağlı): Düğüm A ve B belirli kapasitede bir YGDA hattı ile bağlanır. Gündüz A'dan gelen fazla güneş enerjisi B'ye gönderilebilir; gece ise B'den gelen hidro/rüzgar enerjisi A'yı besleyebilir.
4. Optimize Et ve Karşılaştır: Model her iki varyantın toplam maliyetini en aza indirir. Sonuç tipik olarak, iletim maliyetleriyle bile, A'da pahalı depolama ihtiyacının azalması ve B'deki mevcut esnek hidroelektriğin daha iyi kullanılması nedeniyle Varyant 2'nin daha ucuz olduğunu gösterir. Bu, çalışmanın iletimin değeri üzerine temel bulgusunu yansıtır.

7. Eleştirel Analiz ve Uzman Yorumu

Temel İçgörü: Bu çalışma sadece yeşil bir fantezi değil; Güney Amerika'nın mevcut hidro altyapısında hapsolmuş gizli finansal ve stratejik değeri ortaya çıkaran katı bir mühendislik planıdır. Gerçek atılım, hidro barajlarını sadece jeneratörler olarak değil, kıta ölçeğinde, sıfır marjinal maliyetli şebeke dengeleyicileri olarak yeniden çerçevelemektir—yeni depolama yatırımlarında yüz milyarlarca tasarruf sağlayabilecek bir "sanal pil". Bu, potansiyel bir iklim kırılganlığını (hidrolojik değişim) dayanıklılığın temel taşına dönüştürür.

Mantıksal Akış: Argüman ikna edici bir şekilde doğrusaldır: 1) Değişken yenilenebilirler (güneş/rüzgar) artık en ucuz kaynaklardır. 2) Kesintili olmaları ana problemdir. 3) Güney Amerika'nın benzersiz, önceden ödenmiş bir çözümü vardır—geniş hidroelektrik filosu—depolama-öncelikli işletim için dijital olarak yeniden optimize edilebilir. 4) Tamamlayıcı bölgeler arasına YGDA "bağları" eklemek (örn., rüzgarlı Patagonya'dan güneşli Kuzeydoğu Brezilya'ya) coğrafi bir pil etkisi yaratır, maliyetleri daha da düşürür. 5) Son olarak, fazla yenilenebilir elektronları molekül (gaz) ve su yapmak için kullanmak, bitişik milyar dolarlık endüstriyel ve kıtlık problemlerini ele alır, erdemli bir ekonomik döngü yaratır.

Güçlü ve Zayıf Yönler:
Güçlü Yönler: Saatlik modelleme son teknoloji ürünüdür ve güvenilir YE çalışmaları için tartışılmazdır. Sektör bağlantısı (GtG, arıtma) akademik bir alıştırmanın ötesine geçerek gerçek dünya politika ilgisine taşınır. Mevcut hidroelektrikten yararlanmak pragmatik düşüncenin ustaca bir hamlesidir.
Zayıf Yönler: Modelin zarafeti, acımasız politik ve düzenleyici engelleri örtbas eder. Kıtayı kapsayan YGDA şebekeleri inşa etmek, AB'nin mücadelelerine benzer egemenlik kabusları içerir. 2030 zaman çizelgesi, bu büyüklükteki proje finansmanı ve izin süreçleri için son derece iyimserdir. Ayrıca, giderek daha fazla tartışılan yeni mega altyapı için sosyal lisans olduğunu varsayar. 2015'e atıfta bulunulan maliyet tahminlerinin, 2022 sonrası enflasyon ve tedarik zinciri şokları sonrasında acilen güncellenmesi gerekmektedir.

Uygulanabilir İçgörüler:
1. Düzenleyiciler İçin: Elektrik piyasası tasarımlarını, esnekliği ve kapasiteyi (sadece enerjiyi değil) finansal olarak ödüllendirecek şekilde derhal reforme edin. Hidroelektrik operatörlerine, pillere benzer şekilde "dengeleme hizmetleri" için ödeme yapılmalıdır.
2. Yatırımcılar İçin: En büyük kısa vadeli fırsat yeni güneş çiftliklerinde değil—mevcut hidroelektriğin şebeke dengeleme gelirini maksimize etmek için dijitalleştirilmesi ve kontrol sistemlerindedir.
3. Hükümetler İçin: Pilot projeler olarak ikili "enerji köprüsü" anlaşmalarıyla (örn., Şili-Arjantin) başlayın. Entegre senaryonun kilit noktası olduğu için, GtG elektrolizör SERMAYE maliyetini düşürmeye odaklanan AR-GE'ye öncelik verin.
4. Kritik Yol: En önemli başarı faktörü iletimdir. Bu olmadan, sanal pil parçalanmış kalır. Avrupa'nın TEN-E'si örnek alınarak oluşturulacak bir Pan-Amerikan Şebeke Girişimi, en üst diplomatik öncelik olmalıdır.

8. Gelecek Uygulamalar ve Araştırma Yönleri

• Yeşil Hidrojen İhracatı: Modelin GtG bileşeni, Avrupa ve Asya'ya ihracat için büyük ölçekli yeşil hidrojen üretimini modellemek üzere genişletilebilir, böylece Güney Amerika'yı bir yenilenebilir enerji güç merkezine dönüştürebilir.
• İklim Dayanıklılık Modellemesi: Gelecekteki çalışmalar, sistemin hidrolojik döngülerdeki ve rüzgar modellerindeki öngörülen değişikliklere karşı stres testi yapabilmesi için daha ayrıntılı iklim modellerini entegre etmelidir.
• Dağıtılmış Enerji Kaynakları (DEK) Entegrasyonu: Çatı üstü güneş, sayaç arkası depolama ve elektrikli araç şarjının modele dahil edilmesi, merkezi şebeke planlaması üzerindeki etkilerini anlamak için.
• Gelişmiş Depolama Değerlemesi: Hidroelektriğin esnekliğinin sağladığı ekonomik değerin detaylı analizi, modernizasyon için yatırım çekmek üzere standart metrikler oluşturmak.
• Politika ve Piyasa Simülasyonu: Tekno-ekonomik modelin, düzenleyici çerçeveleri, yatırım davranışını ve sınır ötesi elektrik ticaret anlaşmalarını simüle etmek için temelli modellerle birleştirilmesi.

9. Referanslar

1. Dünya Bankası. (2016). Dünya Kalkınma Göstergeleri. GSYİH büyümesi (yıllık %).
2. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). (2014). Dünya Enerji Görünümü 2014.
3. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). (2015). Kilit Dünya Enerji İstatistikleri 2015.
4. ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA). (2015). Uluslararası Enerji İstatistikleri.
5. de Jong, P., vd. (2015). Brezilya'da hidroelektrik, iklim değişikliği ve belirsizlik. Yenilenebilir ve Sürdürülebilir Enerji İncelemeleri.
6. ONS (Brezilya Ulusal Şebeke Operatörü). (2015). Haftalık Operasyon Raporları.
7. EPE (Brezilya Enerji Araştırma Ofisi). (2015). Brezilya Enerji Dengesi 2015.
8. Bogdanov, D., & Breyer, C. (2016). %100 yenilenebilir enerji tedariki için Kuzey-Doğu Asya Süper Şebekesi: Elektrik, gaz ve ısı tedarik seçenekleri için enerji teknolojilerinin optimal karışımı. Enerji Dönüşümü ve Yönetimi. (Metodoloji bağlamı için).
9. Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA). (2020). Küresel Yenilenebilirler Görünümü: Enerji dönüşümü 2050. (Güncellenmiş maliyet ve potansiyel veriler için).
10. Jacobson, M.Z., vd. (2015). Dünyanın 139 ülkesi için %100 temiz ve yenilenebilir rüzgar, su ve güneş ışığı (WWS) tüm sektörler enerji yol haritaları. Joule. (Karşılaştırmalı %100 YE çalışma metodolojisi için).