Construction Of A Renewable Energy İnvestment Portfolio İn Turkey (2017-2023): A Multi-objective Linear Programing Model Proposal

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, 2018Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics, [DATE]Dünya enerji görünümüne bakıldığında önümüzdeki birkaç on yıl içerisinde dünya enerji piyasalarının ciddi bir dönüşüm geçireceği öngörülmektedir. Öncelikle CO2 emisyonunun azaltılması ve COP21'in getirdiği aksiyon planı ile birlikte özellikle yenilenebilir enerji üretim teknolojileri alanında yaşanan hızlı gelişmeler ülkelerin orta ve uzun vadede enerji üretim ve tüketim alışkanlıklarında etkili olacaktır. Bununla birlikte dünyada enerji tüketiminde elektrik enerjisinin payının 2040 yılında %40 oranına çıkması beklenmektedir. Elektrik enerjisinin bu gelişiminde öne çıkacak teknolojiler ve yenilikler; elektrikli araçlar, ısı pompaları, yeni elektronik cihazlar ve digital teknolojilerdir. Tüketim tarafında talep edilen bu elektrik enerjisinin karşılanması için ülkelerin elektrik enerjisinin üretim, iletim ve değıtım gibi alanlarında yeni yatırımlar yapması gerekmektedir. Özellikle CO2 salınımlarının engellenmesi ve daha ucuz elektrik enerjisine erişim için ülkelerin elektrik enerjisi üretim portföyü hayati önem taşımaktadır dolayısıyla araştırma ve geliştirme yatırımlarının ağırlıklı kısmı elektrik enerjisinin üretimi için yapılacaktır. Bu noktada bakıldığında bir ülkenin elektrik enerjisi üretiminde kaynak çeşitliliği ve kaynak planlaması gerek CO2 salınım hedeflerine ulaşmasında gerekse elektrik enerjisini makul fiyatlarla vatandaşlarına sağlaması noktasında önem arzmetkedir. Tabiki elektrik enerjisi dediğimiz zaman konuya sadece CO2 emisyonu ve ekonomik kaygılarla yaklaşmak yeterli olmayacaktır, bununla birlikte yapılan yatırımlarla yaratılan istihdam ve ülkelerin makroekonomik verilerinde yaratılan pozitif katkılar da önemli etkenlerdir. Bu çalışmada yukarıda özetlenen bilgiler çerçevesinde Türkiye'nin 2018-2023 yılları arasında yenilenebilir enerji yatırımlarının (güneş, rüzgar, jeotermal, biyogaz ve hidroelektrik) 4 farklı amaç (CO2 emisyonu, teşvikler ve elektrik fiyatları dâhil toplam yatırım miktarları, toplam istihdam miktarı ve toplan cari açığa pozitif katkı) gözetilerek nasıl kurgulanması gerektiği araştırılmıştır. Çok Amaçlı Programlama metodu kullanılarak R-Paket programında modelleme yapılmıştır. Bu metodda amaç fonksiyonlarının kullanıcı önceliği olmadan tekil hale getirilebilmesi için ise Dinkelbach'ın algoritması ve Güzel'in geliştirdiği yaklaşım kullanılmıştır. Ayrıca açıklanan mevcut hükümet politikalarıda bu çalışmanın sonuçlarına göre değerlendirilmiş ve tartışılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda görülmektedir ki kurulu güç dağılımında teknik, ekonomik, sosyal ve çevresel etkenler doğru şekilde değerlendirildiğinde en uygun yatırım planlaması doğru ve sağlıklı bir şekilde yapılabilmektedir. Ayrıca bu çalışmanın sonucunda, rüzgâr ve güneş enerjisi için büyük güçlerde kapasite tahsisi ve yerli ekipman üretim zorunluluğu, şebeke altyapısına yatırımı ve jeotermal-biyogaz santralleri için yeniden tasarlanmış teşvik mekanizmaları gibi bazı yeni politikaların uygulanması önerilmektedir.The World Energy Outlook shows that energy markets will substantially change within a few forthcoming decades. First, determined action plans according to COP21 and aim of CO2 emission reduction had a remarkable impact on country based policies. Secondly, swiftly changing technological developments, like high efficiency solar power panels and higher power output wind turbines, in the field of renewable energy is influential upon medium and long-term energy generation and consumption behaviors. Furthermore, share of electricity on global energy consumption is to be expected as high as 40 percent in 2040. Electrical vehicles, heat pumps, new electronical devices and digital improvements in all the industries will be the testimony of market modifications. In order to respond to the highly increasing electricity demand caused by technologies and population growth, new investments are to be planned in electricity production, transmission and distribution infastructure. Specifically, electricity generation mix becomes vital for both prevention of CO2 emissions and reduction of electricity power prices. Majority of the research and development investments are made in the field of electricity generation. Lots of developed countries are investing renewable sources and making effort the point of creating international brands. Hence, the prime source diversity and source planning of electricity generation are crucial for improving the wealth of citizen life. Approaches considering the CO2 emission and total cost of power generation, are necessary but not sufficient to evaluate and construct the product mix. On the other hand, employment and positive contribution on macro-economic values are important factors that have to be taken into consideration. In this study, multi objective lineer programing aproach has been used in order to solve multi-objective energy portfolio problem. In literature, multi objective aproach has been divided into four different processes; those are prioritiziation before, during,and after solution processes and non-prioritization process. When we evaluate mentioned portfolio problem, non-prioritization aproach has been choosen as a best fit approach. Because energy generation problems are substantially related to different micro and macro factors so that prioritiziation should not be a direct parameter on future portfolio. This study aims to constitute a new investment portfolio in renewable energies (solar, wind, geothermal, biogas and hydropower) in Turkey between 2018-2023 under 4 different goals. Therefore, a multi-objective programming model is proposed to optimize the goals of minimizing the CO2 emission, investment amount, while maximizing the total employment and positive contribution on current deficit. In order to avoid the user preference among the goals Dinkelbach's algorithm and Guzel's approach have been combined. When investment amount is calculated, net present value approach is used and lots of economic indicator related to sources like Capex (Capital Expences), Opex (Operational Expences), electricity prices and future prediction, fuel prices have been taken into consideration. The achievements have been discussed with comparison to the current policies. In order to implement selected algorithm and approach, R programming tool is used. GLPK multi-objective solver has been selected and implemented. 4 main objective functions, 74 constraints and 30 decision variables have been defined and created in a unique code. The study takes into account the crucial constraints like (i) renewable resources are foreseen to achieve 35% share in total electricity generation capacity of 2023. (ii) availablity of grid infastructure renewable capacity must be maximum 3.5GW at 2018 and increase 0.5GW each year up to 2023. (iii) total installed wind energy capacity must be minimum 20 GW at the end of 2023. Most of them were created and used in this model. The predicted portfolio shows that wind energy should be the largest new constructed renewable energy source for Turkey. It is expected to have almost 2.5GW additional capacity each year to meet the constraints. Besides, solar and hydropower are pointed as the two important sources for a beneficial portfolio plan. When we reach up to 2023, cumulative solar and hydropower installed capacity have been expected to be 7.3GW and 34GW respectively. The achieved results, have been compared with various national and international database and reports. Comparision tables have been shared in section 6. Obtained numbers of installed renewable capacity and generated energy from renewable sources generally coincide with published reports, however differences are observed for some distinct years . Especially IEA numbers and Turkey's targets do not match eachother, updating of IEA database and Turkey's target will abolish imcompability of value differences. Outputs of this study directs for the discussions on new policies like huge capacity allotment, although obligation for local production is positive. In Turkey, Renewable Energy Projects are widely implemented thanks to 1GW solar and 1GW wind power plant allowaences without licenses. With YEKA rules, local production of main equipment (pv panel for solar power plant and wind turbine for wind power plant) and use local products in construction of the power plants became compulsory for investors. Impact of these changes are also evaluated in the portfolio prediction realised in this thesis. As a result of this study we can recommend that the grid infrastructure can be improved and re-design support can be given for the biogas and geothermal energy use in power production. Different kind of inspiring incentives can be provided or new mechanizms can be put into practice. Furthermore, increasing the capacity factor for existing power plants can be an advantage of satisfying the target rate of renewable energy share before targeted time. It is also recommended that the regulator has to consider construction period of investments. It is known that the construction period for different sources of the same capacity is substantially different, so it should be taken as a parameter in the decision process. Finally, this study can be improved by using a non-linear multi objective programing model using real time learning. Further studies should also take into account the risk calculations and interaction of different sources.Yüksek LisansM.Sc