Yenilenebilir Enerjinin Elektrik Depolama Sistemleri ile Kullanımı Elektrik Enerjisi Gereksinimi

Transkript

1 Yenilenebilir Enerjinin Elektrik Depolama Sistemleri ile Kullanımı Renewable energy usage with electricity storage system Enver Şat; Öğretim Görevlisi, Kocaeli Üniversitesi Ahmet ERKOÇ ; Elektronik Yüksek Müh enversat@hotmail.com Elektrik Enerjisi Gereksinimi Günümüzde elektrik enerjisi ihtiyacı günden güne artmaktadır. Bu enerji önemli Ölçüde hidroelektrik, fosil yakıt(kömür, petrol,gaz) ve nükleer elektrik santrallerinden elde edilmektedir. Bu üretim metotlarının hepsi çevre kirliliği oluşturmakta ve ekosistemi olumsuz yönde etkilemektedir. Günümüz endüstrisinde ve yaşamında elektrik enerjisi her şeyin temelini oluşturmaktadır. Elektrik enerjisinin kalitesi de gittikçe önem kazanmaktadır. Elektrik enerjisinin kesintisiz olması, gerilim ve frekans dalgalanmalarının belirli sınırlar içinde kalması, güç faktörünün 1 değerine yakın ve harmoniklerin minimum düzeyde olması gerekmektedir. Gerilim dalgalanmaları ve bozulmaları da en düşük seviyelerde olmalıdır. Güç kalitesi üretim, dağıtım şirketleri kadar son kullanıcıyı da ilgilendirmektedir. Enerjinin verimli bir şekilde üretilmesi, iletilmesi ve çalıştırdığı cihazlara zarar vermemesi güç kalitesiyle doğrudan ilişkilidir. Elektrik talebinin günün değişik zamanlarında farklılık göstermesi(en yüksek taleple en düşük talep arasında yaklaşık 2 kat fark olması) üretim için yapılması gereken yatırımı önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu sebepten talebi dengelemeyi teşvik etmek için talebin düşük olduğu zaman dilimlerinde düşük fiyatlandırma talebin yüksek olduğu zaman dilimlerinde ise yüksek birim fiyattan fiyatlandırma yapılmaktadır. Elektrik sisteminin kararlı ve sağlam bir yapıda olması için talebin üzerinde bir üretim kapasitesi sağlanarak dağıtım sistemi üzerinden son kullanıcıya ulaştırılmalıdır. Kısa ve uzun süreli yedek üretime hazır tutulmalı ve ileriki yıllardaki talebi karşılayacak yatırımlar üretim metoduna göre 10 yıllar veya yıllar önce planlanarak sürdürülmelidir. Daha fazla elektrik enerjisi üretimi / kullanımı mevcut üretim metotları ile daha fazla çevre kirliliği, sera gazı salınımının artması, doğal kaynakların daha fazla tüketimi anlamına gelmektedir. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Uluslararası Şebekeye Entegrasyonu Modeli Amaç: Rüzgâr enerjisinin şebeke gücü içerisindeki payını artırmak. Yenilenebilir enerji kaynaklarıyla üretilen kesintili enerjinin depolanarak şebekeye verilebilir kalitede elektrik enerjisine çevrilmesi Diğer yenilenebilir ve yeni enerji kaynaklarıyla birlikte kullanımını geliştirmek. Fosil yakıtların ve nükleer enerjinin şebeke içerisindeki payını giderek azaltmak ve minimize etmek. Bütün dünyayı bu şebekeye katarak 24 saat güneş enerjisinden yararlanmayı hedeflemek. Enerji kardeşliği ile dünya barışına ve yaşam standartlarının yükselmesine katkı sunmak. Yenilenebilir enerji santrallerinin kombine çalışmasıyla elektrik üretimi hedeflenmektedir. Bu model, yerel ölçekte veya küresel ölçekte kullanılabilir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjinin değişik yöntemlerle depolanarak, güç elektroniği sistemleriyle özellikle en fazla ihtiyaç duyulan zaman dilimlerinde şebekeyi beslemesi planlanmaktadır. 1

2 Bir elektrik şebekesi binlerce üreteç ve milyonlarca tüketenlerden oluşur. Bütün elektrik santralleri birer üreteçtir. Evlerin çatılarına yerleştirilen güneş pillerinden, büyük güçlü santrallere kadar hepsi (elektrik şebekesine bağlı ise) birer üreteçtirler. Toplam elektrik üretimini bu büyük-küçük binlerce, milyonlarca üretecin bileşkesi oluşturmaktadır. Diğer yandan, bütün tüketenler de elektrik şebekesine bağlıdırlar. Büyük güçlü fabrikalardan, küçük bir kulübedeki aydınlatma lambasına kadar hepsi birer tüketicidir. Elektrik şebekesinin en büyük özelliği; tüketicilere verilen elektrik enerjisinin geriliminin ve frekansının sabit değerde olmasıdır. Gerilimde ve frekansta dalgalanmalar olursa; tüketici sistemler istenilen düzeyde performans gösteremez, kalite sorunu ortaya çıkar. O nedenle, bir elektrik şebekesinde gerilimin ve frekansın sabit olması sağlanmaya çalışılır. Elektrik şebekesinde gerilimin ve frekansın sabit kalması için, üretilen toplam elektrik gücü ile, tüketilen toplam elektrik gücünün birbirine eşitlenmesi gerekmektedir. Bu eşitliğin sağlanması için başlıca önlemler şunlardır. 1- Tüketim tahminlerine göre şebekeyi besleyen bazı santraller zaman zaman devreye girer ve çıkar. Bunlara puant yük santralleri de denmektedir. 2- Enerjinin yenilenebilir enerji kaynakları vasıtasıyla uygun olan zamanlarda üretilerek depolanması ve talebin yüksek olduğu zamanlarda şebekeye verilmesi. Böylece istenilen kararlılık ve kalitedeki enerjinin temini. 3- Modelimizin diğer özelliği ise, küresel bir elektrik ağının oluşturulmasıyla, hem rüzgâr enerjisinin küresel potansiyelinden yararlanılacak, hem de güneş enerjisinin küresel gücünden yararlanılacaktır. Çünkü dünyamızın güneşin etrafında dönesi sırasında bir tarafı sürekli güneş görmektedir. Karanlık kadar da aydınlık olduğu için, 24 saat ve 365 gün sürekli güneş enerjisinden yararlanılabilecektir. Bu modelin küresel ölçekte uygulanması dünyamızın yenilenebilir enerji kaynaklarının çok daha verimli ve etkin bir şekilde değerlendirilmesini sağlayacaktır. Yerel ölçekte tutulması ise, güneş enerjisinin günün belli saatlerinde olmaması 2

3 nedeniyle maliyetleri bir miktar artırmaktadır. Ama her iki durumda da (küresel veya yerel) şimdiki şebeke uygulamalarına göre çok daha verimli ve kaliteli bir sonuç elde edilecektir. Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin Elektrik Enerjisi Depolama Sistemleriyle Kullanımı Yaşanabilir bir dünya, sürdürülebilir bir gelişme için yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve toplam enerji kullanımının içindeki payın artması hayati bir önem kazanmıştır. Yenilebilir enerji hem çevreye zarar vermeyecek hem de mevcut kaynakların tüketilmesine yol açmayacaktır. Rüzgar, güneş, dalga enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanarak doğrudan doğruya kullanılabilir ve kararlı bir enerji üretmek mümkün değildir. Güneş genellikle gün ortasın en yüksek seviyede enerji vermekte ve mevsimsel olarak da değişiklik göstermektedir. Ruzgar ve dalga enerjisi içinde daha çok mevsimsel değişimler söz konusudur. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik üretiminde kullanılabilmesi için elektrik enerjisini depolayabilen ve güç elektroniği sistemleri ile istenilen enerji kalitesine getirebilen sistemlere ihtiyaç vardır. Elektrik enerjisinin depolanması genellikle bir başka enerji şekline çevrilmesiyle gerçekleştirilir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektrik enerjisi çeşitli düzeneklerle(sistemlerle) kimyasal, kinetik,pnömatik(havalı),gravitasyonel(yer çekimi)enerjisine çevrilerek istenildiğinde yeniden elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu çevirme işleminin verimi kullanılan sisteme göre değişir. Örneğin bir volan (flywheel) sistemi ile elektrik enerjisinin kinetik enerjiye çevrilmesi, sonra yeniden elektrik enerjisine çevrilmesinde verim %90-95 ler ulaşabilir. Havanın elektrik enerjisini kullanarak sıkıştırılıp istendiğinde genişletilerek yeniden elektrik enerjisine çevrilmesindeki verim % 75 civarındadır.[1] Suyun yenilenebilir enerji kaynağı kullanılarak baraja göle pompalanması ve hidrolik enerji üretimine katkı sağlaması diğer bir enerji depolama sistemidir. Bu sistem ve havanın sıkıştırılarak tabi jeolojik formasyonlarda sağlanması (CAES) günümüzde ekonomik olarak kullanılan yöntemlerdir. Geleceğin ruzgar ve güneş enerjisi güç sistemleri uzun süreler(bir iki günden bir haftaya kadar değişebilir sürelerde) şebekeye bağlanmadan ürettikleri enerjiyi depolayabilecek özellikte olacaktır. Elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştşrşlmesinde ve uzun süreler kayıksız olarak saklanmasında en önemli yöntemlerden biri elektroliz ile sudan hidrojen üretmektir. Üretilen hidrojen elektrik enerjisine talep olduğunda hava veya oksijenle birleştirilerek yakılmak suretiyle veya yakıt hücreleri vasıtasıyla elektrik enerjisine çevrilecektir. Üretilen hidrojenin lokal olarak depolanmasında kullanılan yüksek basınca dayanıklı kazanlar maliyet açısından diğer depolama yöntemlerine göre ucuz ve kullanışlıdır. Örneğin 250 litrelik bir yüksek basınçlı kazan yaklaşık kwh lik bir enerji temini için yeterli olmaktadır. Ulaşım araçlarında hidrojenin kullanımı gittikçe yaygınlaşarak sera gazı etkilerinin azaltılmasında önemli rol oynayacaktır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının bu yöntemlerle diğer enerji tüketim alanlarında da kullanımı mümkün olmaktadır. İnsan yapımı enerji depolama sistemlerinin en yaygın bataryalardır. Bataryalar elektro kimyasal yöntemle enerji depolayan ; %70-80 verimde kullanılabilen cihazlardır. Yenilenebilir enerji kaynağı için yapılan yatırım enerji depolama ve çevirme sistemi yatırımı ve tüm sistemin verimi ekonomik olmalıdır. Enerji depolama sistemleri yükü takip etmeli, gerilim ve frekansı dengelemeli, yükün tepe değerlerini karşılamalı,güç kalitesini iyileştirmeli ilave yatırım ihtiyaçlarını erteleyebilmeli ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla uyumlu çalışabilmelidir. Şekil- 1 Elektrik ve dağıtımında değişik enerji depolama uygulamalarının güç ve deşarj zamanı ihtiyaçlarını göstermektedir. [2] Bataryaların yılda toplam 15 milyar $ lık bir Pazar hacminde olduğu tahmin edilmektedir. Bunun 5 milyar $ ı endüstriyel bataryalardır. Kesintisiz güç kaynakları, güç kalitesi uygulamaları yedekleme konularında kullanılmaktadır. Güç sistemlerinde enerji depolanması amacıyla tasarlanan bataryaların üretimi Kuzey Amerika, Avrupa ve Asya da yapılmaktadır. Kapasite yıllık 300 MW civarındadır ve yıllık üretimleri planlanmıştır. Dünyada yalnız bataryalar değil aynı zamanda volan süper iletken gibi enerji depolama sistemlerinede büyük bir ilgi vardır. Şekil-1 3

4 Şekil-2 de Enerji Depolama Teknoloji karşılaştırması görülüyor.[2] Her enerji depolama teknolojisi yapısından gelen bazı üstünlük veya zayıflığa göre bazı uygulamalarda pratik veya ekonomik olurken bazılarında olmayabiliyor. İçi doluyuvarlak en üstün durumu belirtirken, içi boş yuvarlak uygulaması mümkün veya ekonomik olmayan durumu göstemektedir. Şekil- 2 Şekil-3 de büyük ölçekli enerji depolama sistemleri derecelendirmesi görülüyor.[2]. Üç ana fonksiyonel gruba ayrılabilir: 4

5 a) Güç Kalitesi:Depolanan enerji saniyeler mertebesinde veya daha az süre yüke uygulanarak güç kalitesinin devamlılığı sağlanır. b) Köprüleme Gücü:Depolanan enerji servisinin devamlılığını sağlamak amacıyla bir enerji kaynağından diğerine anahtarlama yapılıncaya kadar saniyeler veya dakikalar süresince uygulanır. c) Enerji Yönetimi:Depolama ortamı üretim veya tüketimi süresince elektrik enerjisi şebekeden ayrılır.enerji fiyatı düşükken sistemin şarj edilmesi enerji fiyatının yüksek olduğu zamanda bu enerjinin kullanılmasını kapsar.bu tüketicinin saatler boyunca şebekeden bağımsız çalışmasını sağlar.bazı depolama teknolojileri bütün uygulamalarda kullanılabilmesine rağmen,çoğu üç ana fonksiyonu sağlayacak uygulamalarda ekonomik değildir. Şekil- 3 Şekil-4 de depolama teknolojilerinin boyut ve ağırlık olarak karşılaştıran bir çizim görülüyor.bu kriter bazı uygulamalarda önem kazanır.metal-air batarya en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir.zinc-air (Çinko-Hava) tipi gibi elektriksel olarak şarj edilebilenler küçük şarj/deşarj ömrüne sahiptir ve bu teknoloji geliştirme aşamasındadır. Şekil-4 5

6 NAS (sodyum-sülfür) Bataryalar NAS ta enerji erimiş halindeki sülfür pozitif(+)elektrot ve erimiş halindeki sodyum negatif(-) elektrotu oluşturur.katı Alüminyum oksit seramik aktif metaryelleri birbirinden ayırır.elektrotlar arasında 2 V luk bir gerilim üretilir ve verimi %89 civarındadır. Şekil-5 te NAS batarya hücre yapısı görülmektedir. Şekil-5 Şekil-6 da Japonya da ruzgar santralı uygulamasında kullanılan NAS batarya gurupları görülmektedir. 6

7 NAS batarya teknolojisi uygulamaları Japonya da 190 ayrı sahada toplam 270 MW lık bir enerjinin depolanması şeklinde uygulanmıştır. Günlük 6 saatlik bir peryodda oluşan tepe talep enerji değerini karşılamak( düzgünleştirmek) için kullanılmaktadır. Avrupa ülkelerinde ve Amerika Birleşik Devletlerinde değişik projelerde kullanılmaktadır. Yıllık üretim kaoasitesi 90 MW tır yılı için 150 MW lık bir üretim planlanmıştır. Şekil-6 NAS batarya teknolojisi ile 200 MW lık bir gücü 6 saat boyunca depolanarak şebekeye 1,2 MWh lik bir enerjiyi verilebilir. Teknolojinin geliştirilerek üretiminin yapılması Japon NGK INSULATORS LTD. tarafından yapılmaktadır. Şekil-7 de diğer enerji depolama sistemleri ile NAS ı karşılaştıran bir diyagram görülüyor. Şekil-8 de ise değişik batarya tiplerinin karşılaştırıldığı bir tablo yer almaktadır. (Şekil-7 ve 8 NGK INSULATORS LTD. in web sayfasından alınmıştır.) Şekil-7 7

8 Şekil-8 Şekil-9 8

9 Referanslar: [1]: Gene Berry; Lawrance Livermore National Laboratory, Intermitten Renewables in the Context of Stabilizing Athmospheric CO2, From workshop proceedings, The Solution: Technologies and Policies for a Low-Carbon Future. The Pew Center on Global Climate Change and the National Commission on Energy Policy. Present and Future Electricity Storage for Intermittent Renewables [2]: ESA (ELECTRICITY STORAGE ASSOCIATION) [3]: NGK INSULATORS,LTD. NAS DIVISION Ahmet ERKOÇ Özgeçmiş: Elektrik- Elektronik mühendisliği lisans öğrenimini Yıldız Teknik Üniversitesinde, Yüksek lisansını İTÜ de tamamladı. İşletme yüksek lisansını(mis) Marmara Üniversitesinde yaptı. Telekomünikasyon sektöründe uzun bir süre mühendis ve yönetici olarak çalıştı. Yıldız, Boğaziçi, Anadolu ve Kocaeli üniversitelerinde dersler ve seminerler verdi. İletim Sistemleri Güvenilirlik Değerlendirmesi, Bir şirketin Ürün ve Projeler Bazında İncelenmesi, Toplam Kalite Yönetimi Yaklaşımı ile İş Süreçlerinin İncelenmesi konularında tez ve değişik konularda makaleleri bulunmaktadır. Halen PCS Elektronik Mühendislik Dan. Ltd. şirketinde genel koordinatörlük yapmakta ve Kocaeli Üniversitesi nde Güç Elektroniği, Güç Kaynakları, Sayısal Tasarım, Sistem Analiz Tasarım gibi konularında ders vermektedir. Enver Şat Özgeçmiş: Elektrik Öğretmeniliği mezunu. Öğretim Görevlisi, Kocaeli Üniversitesi. Türkiye Rüzgar Enerji Birliği Kurucu Üyesi. Eurosolar Türkiye Yönetim Kurulu Sayman Üyesi. Enerjinin Etkin Kullanımı ve enerji Yönetimi Derslerini vermekte. Değişik dergi ve gazetelerde enerji ve enerji politikalarıyla iligili çok sayıda yazısı yayınlanmıştır. 20 yıldır Enerji- Ekoloji-Ekonomi Optimizasyonu konularında Prof. Dr. Tanay Sıdkı Uyar ile etkileşim içerisinde. TÜBİTAK-MAM da 4,5 yıl, Milli Eğitim Bakanlığı nda 7 yıl, Kocaeli Üniversitesi nde 9,5 (Devam ediyor) yıllık iş deneyimi bulunmaktadır. 9