Fırat Üniversitesi-Elazığ HİBRİT ALTERNATİF ENERJİ SİSTEMLERİNDE KULLANILAN ENERJİ DEPOLAMA ÜNİTELERİ ÖZET Her geçen gün artan çevresel kaygılar ve konvansiyonel fosil yakıtların hızla tükenmesi, temiz ve yenilenebilir alternatif kaynakları üzerine yapılan çalışmalara büyük bir ivme kazandırmıştır. Ancak meteorolojik ve iklimsel koşullara bağımlılık hususu, yenilenebilir kaynakları ile üretilen gücün yük talebinin değişimi ile uyum sağlayamaması olasılığını ortaya çıkartmaktadır. Bu açıdan bahsi geçen kaynakların değişken yapılarından kaynaklanan sorunlar, bu kaynakların hibrit olarak kullanılması ile birlikte çözülebilmektedir. Bahsi geçen hibrit sistemlerde uygulamanın türüne göre özellikle uygun depolama ünitesinin seçimi büyük önem arz etmektedir. Bu açıdan, bu çalışmada hibrit yenilenebilir ve alternatif sistemlerinde kullanılan farklı depolama yaklaşımları irdelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Elektriksel Enerji Depolama, Hibrit Alternatif Enerji Sistemleri, Termal Enerji Depolama, Yenilenebilir Enerji Kaynakları 1. GİRİŞ Günümüzde dünyadaki ihtiyacının büyük bir bölümü kömür, doğal gaz ve petrol gibi konvansiyonel kaynakları kullanılarak karşılanmaktadır. Bunun yanı sıra dünyadaki ihtiyacı her geçen gün artış göstermekte, bu durum da konvansiyonel yakıt ihtiyacını giderek arttırmaktadır. Öte yandan bahsi geçen konvansiyonel yakıtların rezervleri dünya üzerinde sınırlıdır ve artan ihtiyacına bağlı olarak giderek tükenmektedir. Bu durum da gelecekteki üretim/tüketim dengesinin sağlanmasını tehlikeye düşürmektedir. Bütün bunların yanı sıra konvansiyonel yakıtların kullanılması, sera gazı salınımının önemli oranda artmasına ve buna bağlı olarak küresel ısınma gibi bütün dünyayı etkileyebilecek önemli sonuçların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu açıdan günümüzde başta güneş ve rüzgar tabanlı sistemler olmak üzere alternatif ve yenilenebilir sistemleri, çevre dostu ve sürdürülebilir bir işletim sağladıklarından dolayı gelecek açısından önemli olarak değerlendirilen kaynakları konumundadırlar [1]. Ancak bahsi geçen alternatif kaynaklarının birçoğu doğa koşullarına son derece bağımlı durumdadır. Bu nedenle bu kaynaklar ile üretilen sezonluk, günlük ve hatta anlık olarak bile büyük değişimler gösterebilmektedir. Bu durum da üretilen nin genel talebi ile tam olarak örtüşmemesine neden olabilmektedir. Bu açıdan, yükün ihtiyacının her durumda başarı ile karşılanabilmesi için depolama üniteleri oldukça büyük öneme sahiptirler. Bahsi geçen alternatif kaynaklardan üretilen fazla farklı tür depolanma ünitelerine aktarılmakta, depolanan bu ise ana kaynakların mevcut olmadığı ya da yetersiz olduğu durumlarda yük talebinin karşılanmasında kullanılmaktadır. Özellikle şebekeden bağımsız uygulamalar Ozan Erdinç, Mehmet Uzunoğlu, Bülent Vural Elektrik Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi {oerdinc, uzunoglu, bvural}@yildiz.edu.tr 116 için depolama ünitelerinin araştırılması ve incelenmesi oldukça büyük önem arz etmektedir [2]. Enerji depolama teknolojileri elektriksel ya da termal olabilmektedir. Elektriksel depolama sistemleri elektrokimyasal sistemler (batarya, vb.), kinetik depolama sistemleri (volan, vb.) ya da potansiyel depolama sistemleri (pompalanmış su, sıkıştırılmış hava, vb.) formunda olabilirler [3]. Termal depolama sistemlerinde de benzer şekilde farklı teknolojilerin kullanımı uygulamalarda yer almıştır. Bu çalışmada bahsi geçen elektriksel ve termal depolama sistemlerinin ayrıntılı incelemesi gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmanın düzeni şu şekildedir: 2. kısımda hibrit alternatif sistemlerinde elektriksel depolaması amacı ile kullanılan yaklaşımlar ele alınmıştır.. 3. kısımda ise termal depolama yaklaşımları açıklanırken, 4. kısımda çalışmanın sonuçları özetlenmektedir. 2. ELEKTRİKSEL ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ 2.1. Batarya Batarya sistemleri, elektrik sini kimyasal formda depolamanın uygulanmış en eski yöntemlerinden biridir. Bataryalar kameralar, cep telefonları, laptoplar vb. elektronik cihazlardan taşıt sistemlerine kadar birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Farklı uygulamalardaki ihtiyaçları karşılamak açısından birçok farklı batarya çeşitleri geliştirilmiş durumdadır: 2.1.1. Kurşun-Asit Bataryalar Kurşun-asit bataryanın temelleri Carl Wilheim Siemens ve Wilhelm Josef Sinsteden in 1852 ve 1854 yıllarındaki çalışmalarına dayanmaktadır [3]. Pratikte kullanılabilecek kurşun-asit tabanlı ilk tekrar şarj edilebilir batarya ise Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından 1860 yılında geliştirilmiştir [4]. Bu zamandan beri kurşun-asit bataryalar elektrik güç sistemlerinde yoğun bir şekilde kullanılmaktadırlar [3]. Kurşun-asit bataryalar elektrik sinin depolanması hususunda en eski ve en olgunlaşmış teknolojidir. Düşük yatırım maliyeti, bütün tekrar şarj edilebilir bataryalar arasında en düşük self-deşarja sahip olması ve nispeten daha kolay bakımı gibi avantajları sayesinde birçok alandaki depolama sorununun çözülmesinde kurşun-asit bataryalar oldukça yüksek bir yoğunlukta kullanılmaktadırlar [5]. Bu teknolojinin dezavantajları ise sınırlı çevrim ömrü, nispeten düşük yoğunluğu, düşük ve yüksek ortam sıcaklıklarında azalan performans, derin deşarja karşı hassasiyet ve çevresel olarak zararlı kurşun bileşenini ve asit elektroliti bünyesinde barındırmasıdır [3,5]. Bunun yanı sıra her bir kurşun-asit batarya hücresi yaklaşık 2 V luk bir çıkış gerilimine sahiptir [4]. Bu durum da hücre başına daha yüksek gerilim seviyesine sahip olan lityum-iyon bataryalara
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 kıyasla dezavantaj yaratmakta, aynı gerilim seviyesine sahip olmak için lityum-iyon bataryalara göre daha çok sayıda kurşun-asit batarya hücresinin kullanımını gerektirmektedir. Kurşun-asit bataryaların fiyatları ise 50-150 Euro/kWh arasında değişiklik göstermektedir. %72-78 lik verime sahip olan kurşun-asit bataryalar kullanılarak oluşturulan en büyük uygulama ABD nin Kaliforniya eyaletindeki 10 MW, 40 MWh lik tesistir [6]. Her ne kadar yeni batarya teknolojileri üzerine birçok çalışma gerçekleştirilse de kurşun-asit bataryaların, sahip olduğu geniş kullanım alanını birçok uygulamada daha uzun bir süre koruyacağı öngörülmektedir. 2.1.2. Nikel-Kadmiyum Bataryalar Nikel-kadmiyum bataryalar kurşun-asit bataryalara kıyasla yüksek yoğunlukları, uzun çevrim ömrü ve düşük bakım gereksinimleri sayesinde günlük uygulamalarda kullanışlı bir alternatif olmuştur [3,5]. Yüksek çevrim ömrü, yüksek yoğunlukları ve düşük bakım gereksinimleri ile kurşun-asit bataryalar ile yarışır konuma gelmişlerdir. Geçmiş yıllarda nikel-kadmiyum bataryalar taşınabilir cihazlarda ve bazı elektrikli taşıt uygulamalarında kullanım alanı bulmuşlardır. Ancak kadmiyum maddesinin çevresel etkileri ve buna bağlı olarak yeniden dönüşüm işleminin olumsuzlukları nikel kadmiyum bataryaların bahsi geçen alanlardaki kullanımını oldukça azaltmıştır [3]. 2.1.3. Nikel Metal Hidrit Bataryalar Nikel metal hidrit bataryalar, geliştirilmiş performansları ve çevresel etki bakımından avantajları sayesinde kullanışlı bir batarya alternatifi olarak görülmektedir. Nikel metal hidrit bataryalar kadmiyum, kurşun veya cıva gibi zararlı maddeler içermediğinden ötürü kurşun-asit ve nikel-kadmiyum bataryalara kıyasla çevre dostu bir yapıya sahiptirler. Nikel metal hidrit bataryalar, nikel-kadmiyum bataryalara kıyasla %25-30 daha yüksek yoğunluğu sağlamaktadırlar. Ancak lityum-iyon bataryalara kıyasla bu konuda dezavantajlıdırlar. Ayrıca self-deşarj konusundaki problemleri, nikel metal hidrit bataryaları uzun zamanlı depolaması açısından oldukça dezavantajlı konuma getirmektedir. Ancak maliyet açısından lityum-iyon bataryalardan daha avantajlı konumdadırlar [5]. Sayılan avantajları ve dezavantajları ile birlikte nikel metal hidrit bataryaların gelecekte özellikle yenilenebilir uygulamalarında daha sık kullanılacağı öngörülmektedir. 2.1.4. Sodyum-Sülfür Bataryalar Sodyum-sülfür bataryalar sıvı sülfürden oluşan bir negatif elektrot ve sıvı sodyumdan oluşan bir pozitif elektrot kullanılarak oluşturulmuşlardır [3]. Sodyum-sülfür bataryalar 300 o C lik bir sıcaklıkta işletilmektedirler. Bu teknoloji özellikle yüksek sıcaklıklarda sorunsuzca çalışabilme gibi önemli bir avantaj sağlamaktadır. Sodyum-sülfür bataryaların şarj-deşarj verimliliği neredeyse %100 kabul edilmektedir. Ancak sodyum-sülfür bataryaların çalışma sıcaklığı gerekirse dışarıdan harici bir ısıtma işlemi ile yüksek seviyelerde korunmalıdır [3]. Bunun yanı sıra sodyum-sülfür bataryaların oldukça yüksek maliyeti de önemli bir dezavantajdır [6]. Sodyum-sülfür batarya teknolojisi 30 yıldan fazla bir süredir araştırılmaktadır. Japon NGK firması 2002 yılında bu teknolojiyi ticari olarak dünya pazarına taşımıştır. Sodyumsülfür batarya teknolojisinin kullanımı özellikle Japonya da yaygın konumdadır, ancak Kuzey Amerika da da bu teknolojinin kullanımı artış göstermektedir. Japonya da bir Hitachi otomotiv tesisinde kurulu olan 8 MW, 58 MWh lik sistem bu teknolojiye ait dünya üzerindeki en büyük kurulum kapasitesidir [3]. Sodyum-sülfür teknolojisi üzerindeki geliştirme çalışmaları çeşitli araştırma gruplarının günümüzde ilgi alanı kapsamındadır. 2.1.5. Sodyum-Nikel Klorit (ZEBRA) Bataryalar Sodyum-nikel klorit (ZEBRA) bataryaların prensibi Güney Afrika da ortaya çıkartılmıştır ve bu konudaki ilk patent 1978 de alınmıştır [7]. ZEBRA bataryaların yüksek yoğunlukları, bataryaların kullanıldığı sistemlerde batarya kullanımının yarattığı en büyük sorun olan büyük hacim kaplama hususunda kullanılabilir bir alternatif yaratmıştır. ZEBRA batarya teknolojisi de yüksek sıcaklıkta çalışabilen bir başka sistemdir. ZEBRA bataryalar sodyum ve nikel klorit elektrotlar içermektedir. Sodyum-sülfür tabanlı bataryalara kıyasla ZEBRA bataryalar yüksek hücre gerilimi ve aşırı şarj-deşarja daha yüksek dayanıklılık gibi avantajlara sahiptir. Bu teknoloji özellikle taşıt uygulamalarında kullanılmak üzere sıklıkla araştırılmaktadır [3]. 2.1.6. Lityum-İyon Bataryalar Sony tarafından 1991 yılında ticari olarak üretimi gerçekleştirildiğinden beri lityum-iyon bataryaların kullanımı kısa sürede birçok farklı alanda yaygınlaşmıştır. Lityum-iyon bataryaların laptoplar, MP3 çalarlar ve cep telefonları gibi taşınabilir elektronik cihazlardaki kullanımının son derece yaygın olmasının yanı sıra elektrikli taşıtlarda ve alternatif kaynakları bazlı uygulamalarda bu teknolojinin kullanımının yakın gelecekte daha da hızlı bir şekilde artacağı beklenmektedir. Bu açıdan yıllık olarak milyarlarca lityumiyon batarya ünitesi üretilmektedir [5,8]. Lityum-iyon bataryalar %100 e yakın bir depolama verimliliğine ve diğer batarya teknolojilerine kıyasla en yüksek yoğunluğuna sahiptir. Lityum-iyon bataryalar hafif bir yapıya, hücre başına yaklaşık 4 V luk nispeten yüksek bir gerilim seviyesine ve 100-150 Wh/kg lık bir seviyesine sahiptir. Ancak bu teknolojinin dezavantajları yüksek ilk yatırım maliyeti ve hassas çalışma limitlerinden ötürü karmaşık şarj yönetim sistemidir [5,8]. Lityumbataryaların maliyeti 360-1000 Euro/kWh arasında değişmektedir [6]. Bunun yanı sıra, lityum-iyon bataryalardaki elektrolit yapıları termodinamik olarak düzensiz bir yapıdadır. Aşırı şarj gibi durumlar lityum-iyon bataryaların yapısında oldukça kalıcı hasarlara yol açabilmektedir [8]. Ayrıca düşük çevrim ömrü, performansın sıcaklıktan oldukça fazla etkilenmesi ve iç yapısında kullanılan materyalin bulunmasının nispeten zor olması lityum-iyon bataryaların günümüzde daha da sık kullanılmasının önündeki önemli bir engel konumundadır. Lityum-iyon bataryaların hassas kimyasal yapılarını iyileştirmek ve özellikle elektrikli taşıt uygulamaları gibi dayanıklılığın ön planda olduğu yapılarda daha sık kullanım sağlamak açısından araştırma çalışmaları günümüzde oldukça yoğun bir şekilde devam etmektedir. Bu çalışmalar özellikle lityum-iyon bataryaların elektrot yapısında kullanılmak üzere alternatif materyallerin geliştirilmesi ve maliyet azaltımı üzerine yoğunlaşmış durumdadır [5,8]. Lityum-silikon (Li- Si), lityum-tin (Li-Sn), vb. materyaller lityum tabanlı bataryaların yapısında kullanılmak üzere sıklıkla 117
Fırat Üniversitesi-Elazığ araştırılmaktadırlar. Ayrıca lityum-iyon bataryaların yapısındaki grafit ve lityum kobalt oksit materyallerinin daha yüksek kapasiteli ve daha düşük maliyetli alternatifleri ile değiştirilmesi sıklıkla üzerinde durulan bir husustur [8]. Yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları ile birlikte lityum-iyon batarya sistemlerinin gelecekte de öncül batarya çeşitlerinden biri olacağı öngörülmektedir. 2.2. Ultra-kapasitörler Ultra-kapasitörlerin (UK) gelişim sürecinin başlangıcı kabul edilen elektro-kimsayal kapasitörler, 1957 yılında Becker tarafından yapılan patent başvurusu ile literatüre girmiştir. İlk UK prototipleri ise 1982 yılında Pinnacle Araştırma Enstitüsü nde askeri amaçlar için geliştirilmiştir [9]. UK lar temel olarak, elektrik sinin depolandığı elektro-kimyasal çift katmanlı bir yapı üzerinde çok sayıdaki yüzeysel elektrotlardan ve bir ayırıcı yüzeyden oluşmaktadırlar. Ayırıcı yüzey elektrotlar arasında teması fiziksel olarak engellemekte, fakat iyon geçişine izin vermektedir. UK nın yapısındaki yüzeysel elektrotlar nano boyutlarda olup yüzey alanını ve buna bağlı olarak kapasite değerini çok yüksek değerlere çıkarmaktadır [10]. UK lar, birçok küçük sistemde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak UK ların avantajları, özellikle elektrikli taşıt sistemleri gibi yapılar ele alındığında daha belirgin bir şekilde ortaya çıkmaktadır. UK ların iç yapılarında kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmediğinden, taşıtlarda oldukça hızlı gerçekleşen frenleme durumunda ortaya çıkan yi verimli bir şekilde geri kazanmada, kimyasal yapıya sahip bataryalardan çok daha etkindirler. Bataryaların hızlı değişen yüklere yeterince hızlı cevap verememesi, UK ların nispeten daha önemli bir konuma gelmesine yol açmaktadır. Üstelik tekrar şarj edilebilen bataryalar, içerisindeki kimyasal reaksiyonların etkisiyle genellikle birkaç bin çevrimlik bir ömre sahipken, UK lar bir milyon çevrime kadar varan çok yüksek bir ömre sahiptirler. UK ların en önemli avantajlarından biri de çalışmasının sıcaklık değişimlerinden neredeyse hiç etkilenmemesidir. UK lar, bataryalar için en kötü çalışma şartlarından biri olan -40 C lik sıcaklıklarda bile başarıyla çalışabilmektedirler [11]. Ticari olarak günümüzde üretilen UK lar, aynı boyut veya ağırlıktaki bir batarya ile kıyaslandığında oldukça fazla bir güç yoğunluğuna sahiptir. Ancak yoğunlukları göz önüne alındığında, UK lar bataryalara göre dezavantajlıdır. Aynı boyut veya ağırlıktaki bir batarya ile karşılaştırıldığında UK nın depolayabildiği miktarı, bataryanın depolayabildiği miktarının ancak %5 i kadardır. UK ların düşük yoğunluklarının arttırılmasını hedefleyen çalışmalar günümüzde yoğun bir şekilde devam etmektedir. UK ların yapısına farklı bileşenler ekleyerek yoğunluğunu artırmak amacıyla detaylı çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle UK yapısındaki karbon yerine nanotüpler yerleştirildiğinde bir UK nın, aynı boyut veya ağırlıktaki bir bataryanın depolayabildiği miktarının en az %25 ine, hatta belki de %50 sine varan oranlarda depolayabilmesinin sağlanabileceği öngörülmektedir [11]. Sahip olduğu yüksek kapasite değeri ile birlikte UK lar birçok açıdan konvansiyonel kapasitörlerden daha avantajlı konuma gelmiş, birçok kullanım alanında da bataryaların yerini almaya başlamıştır. 2.3. Volan Volan, yi kinetik formunda mekanik olarak depolayabilen ve bir eksende dönen bir kütledir [1]. Volanlar NASA nın 1961 deki açıkladığı çalışma raporunun akabinde uzay uygulamalarında kullanılmıştır [12]. Daha sonra birçok farklı uygulamada volan sistemlerinin uygulanabilirliği denenmiştir. Volanı mekanik olarak hareketlendirebilmek ve döndürebilmek için bir ye gereksinim vardır. Volan dönmeye başladığında dönme hızı ve ataletine bağlı olarak belirli bir miktar yi depo eden mekanik bir batarya olarak çalışmaktadır [1]. Volan ne kadar hızlı dönüyorsa o kadar çok miktarda ye sahip demektir. Depolanmış bu istenildiğinde volan yavaşlatılarak ve bu sayede mevcut kinetik nin istenilen kısmı generatör modunda çalışan bir elektrik motorunu tahrik etmekte kullanılarak elektrik sine çevrilebilmektedir [1]. Şekil 1: Bir volan sisteminin şematik görünümü Şekil 1 de temel bileşenleri görülen volan sistemleri düşük hızlı (6000 rpm den küçük) veya yüksek hızlı (50000 rpm e kadar) olarak üretilebilmektedir. Düşük hızlı volan sistemleri 5 Wh/kg civarında bir yoğunluğu elde edilmektedir. Yüksek hızlı volan sistemleri ile ise 100 Wh/kg lık bir yoğunluğuna ulaşılabilmektedir. Ayrıca volan sistemleri dakika mertebesinde bir sürede hızlanabilmekte ve şarj edilmesi için kimi zaman saatler gerektiren batarya sistemlerine kıyasla bu açıdan avantaj yaratabilmektedir. Volan temelli depolama sistemlerinin temel avantajları uzun bir çevrim ömrüne sahip olmaları ve yüksek şarj-deşarj hızlarına uygun bir yapı içermeleri olarak sıralanabilir. Volanların çevrim ömürleri 10 5 ten 10 7 çevrime kadar olan uzun ve geniş bir aralıkta değişmektedir [12]. Ancak mekanik olarak volan sisteminin ömrü 20 yıl olarak kabul edilmektedir [1]. Ayrıca yukarıda da belirtildiği gibi 100 Wh/kg a varan yüksek güç yoğunlukları da volan sistemlerinin avantajları arasındadır. Volan sistemlerinin nominal güçteki verimleri %90 civarındadır. Volanların hızlı cevap verme yetenekleri şebeke frekansının dengelenmesinde volanların kullanılmasını da mümkün kılmaktadır. Düzensiz bir güç çıkışına sahip olan yenilenebilir kaynaklarının yaygınlaşması ile birlikte bu husus daha da önemli hale gelecektir [12]. Volan sistemlerinin en önemli dezavantajları ise yüksek fiyatları ve boştaki kayıplarının oldukça yüksek olmasıdır. Volanların saat başına boştaki kayıpları %20 seviyelerine ulaşabilmektedir. Bu durum çevrim sürekli olmadığında, yani volan sistemi boşta bırakıldığında verimliliğini büyük bir oranda azaltmaktadır. Bu nedenle volan sistemleri uzun süreli depolanması için uygun değildirler. Ancak, volanlardan güç sistemlerinde kısa süreli yedek güç ünitesi olarak yararlanılabilmektedir [1]. 118
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 2.4. Diğer Elektriksel Enerji Depolama Üniteleri 2.4.1. Hidrojen Enerjisi Depolama Üniteleri Alternatif kaynaklarının dağıtık sistemlerde kullanıldığı uygulamalarda elektrik sinin hidrojen formuna dönüştürülerek depolanması günümüzde araştırmacılar için dikkat çekici bir alternatif haline gelmiştir. Bu tarz sistemlerde rüzgar, güneş, vb. ana alternatif kaynaklarının ürettiği nin yük talebinin haricinde kalan fazla kısmı bir elektrolizör ünitesi üzerinden hidrojen elde etmek için kullanılmaktadır. Elde edilen hidrojen, farklı yapılardaki hidrojen tanklarında depolanabilmekte ve ihtiyaç olduğunda bir yakıt hücresi sistemi tarafından elektrik sine çevrilerek yük talebinin karşılanması açısından kullanılabilmektedir. Ancak hidrojen depolaması çözümünün günümüzde bazı önemli sorunları mevcuttur. Hidrojen depolaması ile ilgili problemler, tercih edilen depolama yöntemine göre değişmektedir. Bilinen hidrojen depolama yöntemleri, yüksek basınçta sıkıştırma, sıvılaştırma, hidrokarbonlar, hidrürler ve karbon nano tüplerdir. Hidrojen depolamada en çok bilinen yöntem, hidrojenin yüksek basınçta sıkıştırılarak, çelik, alüminyum bazlı veya karbon kompozit tüplerde depolanmasıdır [13]. Çelik ve alüminyum bazlı tüplerde depolanan hidrojenin depo ağırlığına oranı %2-5 iken karbon kompozit tüplerde bu oran %11,3 e kadar yükselmektedir. Hidrojen depolamada diğer bir yöntem olan sıvılaştırmada, hidrojen gazı düşük sıcaklıklarda ve sıkıştırma yöntemine kıyasla daha düşük basınçlarda sıvılaştırılarak depolanmaktadır [13]. Bu yöntemde depolanan hidrojenin, depolama tankının ağırlığına oranı yaklaşık %26 dır. Ancak, sıvılaştırma büyük miktarlarda hidrojen depolamak için oldukça pahalı bir yöntemdir. Bu yöntemle depolanacak hidrojen miktarı için gereken, aynı hidrojen miktarından elde edilecek nin %28 i civarındadır. Hidrojenin metallerde, alaşımlarda ve ara metallerde hidrür olarak depolanabilmesi de büyük bir avantaj sunmaktadır. Ancak, bu yöntemde tüp ağırlığı önemli bir sorun oluşturmaktadır. Günümüzde ticari olarak kullanılan metal hidrür tüplerde depolanan hidrojenin oranı %4,5 civarındadır. Bununla birlikte tekralanan doldurma-boşaltma sayısına bağlı olarak bu oran giderek azalmaktadır. Bu nedenle, ağırlığının %10,5 oranında hidrojen depolamaya olanak sağlayan sodyum bor hidrür ile ilgi çalışmalar daha öne çıkmıştır. Sodyum bor hidrür ile hidrojen depolamanın en önemli avantajı, depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve bunun katalizör (rutenyum, platin, nikel, kobalt veya metal oksit karışımlar) yardımı ile kontrol edilebilmesidir. Bu teknoloji ile oluşturulan ve depolanan yakıtın patlama riski yoktur. Böylece hidrojenin yüksek basınçta depolanmasında meydana gelebilecek patlama riskinin beraberinde getirdiği güvenlik problemi de ortadan kaldırılmış olur. Ayrıca bu teknoloji ile birlikte birim hacimde hidrojen depolama verimliliği artmakta ve böylece ihtiyaç duyulan hidrojen depolama sisteminin boyutları azaltılmaktadır. Bu durum, taşıt sistemleri gibi bazı uygulamalarda hidrojen depolama sisteminin kapladığı yerden dolayı ortaya çıkan problemi de önemli bir ölçüde azaltmaktadır [13]. Sodyum bor hidrür kullanımındaki en önemli dezavantaj ise hidrojen ayrışımında ortaya çıkan metaboratı tekrar sodyum bor hidrüre dönüştürmek için yüksek gereksinimidir. Nano teknolojik gelişmelere paralel olarak hidrojen depolamada üzerinde çalışılan diğer bir yöntem ise karbon nano tüplerdir. Karbonun gözenekli küçük partiküller haline getirilebilmesi karbon nano tüp yöntemi ile hidrojen depolamayı elverişli duruma getirmektedir [14]. Bu sayede %68 e varan ağırlık oranlarında hidrojen depolanabilmektedir. Karbon nano tüp yönteminin günümüzdeki en önemli dezavantajı ise maliyetlerinin çok yüksek olmasıdır. Hidrojen depolama sistemleri, sayılan mevcut problemlerinin çözümü ile birlikte geleceğin en önemli depolama yöntemlerinden biri olarak görülmektedir. 2.4.2. Pompalanmış Su Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması Pompalanmış su tabanlı depolaması, farklı yüksekliklerde bulunan rezervlerdeki suyun hareket ettirilmesiyle elektrik sinin depolanması ve üretilmesi temeline dayanmaktadır. Elektrik talebinin az olduğu durumlardaki fazla yüksekteki rezerve su pompalamakta kullanılmaktadır (Şekil 2). Yüksek talebinde ise su, aşağı konumdaki rezerve doğru tekrar serbest bırakılmakta ve burada bulunan bir türbin vasıtasıyla elektrik si üretilmektedir [1,2]. Şekil 2: Tipik bir pompalanmış su tabanlı depolama ünitesinin şematiği Bu teknolojinin en önemli avantajı, gerekli olan sistemlerin farklı bir formda zaten kurulu olmasıdır. Bu teknoloji birkaç GW lık yüksek güçlü uygulamalarda en sık kullanılan sistemdir [2]. Pompalanan su tabanlı depolama üniteleri kullanılan ekipmanların karakteristiklerine göre %65-80 civarında değişen bir verime sahiptir. Yani 3 kwh lik sağlayabilecek bir suyun pompalanabilmesi için yaklaşık 4 kwh lik verilmesi gereklidir. Depolama kapasitesi, suyun pompalandığı üst kademenin yüksekliği ve suyun hacmi olmak üzere iki parametreye bağlıdır. 100 metreden aşağı bırakılan 1 ton su ile 0.272 kwh lik üretilebilmektedir. Bu teknolojinin en önemli dezavantajı, farklı su seviyeleri oluşturulabilecek geniş bir araziye ihtiyaç duyulmasıdır [2]. 2.4.3. Sıkıştırılmış Hava Tabanlı Enerji Depolaması Sıkıştırılmış hava tabanlı depolaması birçok yüksek güçlü projede kullanılmış bir depolama teknolojisidir. Standart bir gaz türbininin kullanıldığı bir güç santrali mevcut gücünün yaklaşık 2/3 lük bir kısmını yanma havasını sıkıştırmak için harcamaktadır. Bu nedenle işlemleri zaman olarak ayrıştırarak elektrik si talebinin az olduğu 119
Fırat Üniversitesi-Elazığ durumlarda elektrik sinin havayı sıkıştırmak için kullanılması ( depolaması), elektrik si talebinin yüksek olduğu zamanlarda ise bu sıkıştırılmış havanın serbest bırakılması ile standart gaz türbinlerinin kullanıldığı durumlara göre aynı yakıt tüketimi ile 3 kat fazla üretmek mümkün görülmektedir. Bu işleme ait şematik diyagram Şekil 3 te gösterilmektedir [2]. Şekil 3: Sıkıştırılmış hava tabanlı depolaması yönteminin şematik gösterimi Sıkıştırılmış hava depolaması yüksek basınçlarda (40-70 bar) elde edilmektedir. Bu durum depolama ünitesinin daha az hacim kaplamasını sağlamaktadır. Yeraltında yüksek kaliteli kayalardan oluşan büyük mağaralar, çok eski zamanlardan kalma tuz madenleri ve yer altı doğalgaz yatakları sıkıştırılmış hava tabanlı depolaması için en iyi seçenek konumundadırlar. Şekil 3 te görüldüğü gibi yerin alt katmanlarında bulunan bu tabakalara havanın gönderilmesi ve tekrar yer yüzeyine çıkartılması taşıyıcı boru sistemleri ile gerçekleştirilmektedir. Ancak son zamanlarda yerin çok altındaki bu jeolojik yapılara gerek kalmadan havanın yerin hemen altında yüksek basınçlı borular içerisinde sıkıştırılmış olarak depolanması ve bu sayede kurulum ve işletim giderlerinin azaltılması üzerine yapılan çalışmalar da oldukça artış göstermiş durumdadır. Sıkıştırılmış hava tabanlı olarak oluşturulmuş bir sistemin yoğunluğu 12 kwh/m 3 ve verimi ise %70 civarlarındadır. Verimliliği arttırmak için özellikle bataryalardaki self-deşarja benzer olarak hava kaçaklarını azaltıcı teknolojilerin geliştirilmesi de oldukça önem arz etmektedir [2]. Sıkıştırılmış hava tabanlı depolama ünitesi içeren ilk santrali Almanya nın Bremen kenti yakınlarında 1978 yılının Kasım ayından beri işletimdedir. 1991 yılında ise Amerika nın Alabama eyaletinde kullanılan bir santralde 226 saatlik bir süre boyunca 100 MW lık bir güç değeri elde edilmiştir. Bu santralde dış ortamdaki hava, yerin 700 m altında 2.555.000 m 3 lük bir mağarada 40 ve 70 bar arası bir basınçta sıkıştırılmış ve depolanmıştır. Yaz aylarında sistem hafta içi günlük yaklaşık 10 saat boyunca üretmiştir. Depo olarak kullanılan mağara ise hafta içi gece saatlerinde kısmen, hafta sonlarında ise tamamen tekrar hava ile doldurulmuştur. Sistem senede yaklaşık 1770 saat işletimde kalmaktadır [2]. 3. TERMAL ENERJİ DEPOLAMA ÜNİTELERİ Bütün mevcut yenilenebilir teknolojileri arasında güneşten sağlanan, en fazla kaynak potansiyeli olan çeşididir. Bu açıdan güneşten gelen nin farklı formlarda kullanılabilir hale getirilmesi, dünya için sürdürülebilir bir kaynağı elde edilebilmesi açısından son derece önemlidir. Bahsi geçen farklı formlar arasında güneşten gelen nin termal olarak depolanması, üzerinde sıklıkla çalışılan bir alandır. Termal depolama üniteleri, hissedilir sıcaklık ya da erime sıcaklığının kullanılmasına bağlı olarak iki türe sahiptir. Erime sıcaklığı tabanlı termal depolama üniteleri, bir materyalin sabit sıcaklıkta katı-sıvı hal geçişinden faydalanmaktadır. Depolama anında madde katı halden sıvı hale geçmekte ve bu halde depo edilmektedir. Tam tersi durumda sisteme verildiğinde ise sıvı halden katı hale geçirilmektedir. Depolama sistemi ile dış ortam arasındaki ısı transferi bir ısı transferi akışkanı aracılığı ile sağlanmaktadır. Enerji belirli bir sıcaklıkta depolanmakta ve bu sıcaklık arttıkça konsantrasyon da artmaktadır. Bu nedenle erime sıcaklığı yüksek olan materyaller bu depolama biçiminde tercih edilmektedir. Bu hususta yüksek erime sıcaklığı, yeterli derecedeki ısıl iletkenliği ve oldukça düşük buhar basıncı ile sodyum hidroksit iyi bir depolama sıvısı olarak görülmektedir. 120 ve 360 o C lik sıcaklıklar arasında bu materyal 1332 MJ/m 3 lük bir termal depolama kapasitesine sahiptir [2]. Hissedilir sıcaklık tabanlı termal depolama üniteleri ise depolama işlemi esnasında sıcaklığı değişmeyen sodyum, erimiş tuz, vb. gibi bir dökme materyalin ısıtılması ile faaliyet göstermektedir. Bu ısı daha sonra su buharı oluşturulmasında ve akabinde bir motor-generatör sisteminin tahrik edilmesinde kullanılabilmektedir [2]. Termal nin doğrudan sıcak ya da soğuk su formunda depolanması da farklı kapasitelerde denenmiş oldukça bilinen bir yöntemdir. Özellikle bütünleşik güç ve ısıl sistemlerinde, güç üretiminde oluşan ısının mevcut su rezervinin ısıtılmasında ve bu sayede sıcak su elde edilmesinde kullanılması sıklıkla uygulanmış bir yaklaşımdır. Yine benzer şekilde ortaya çıkan ısının gerekli mekanik ekipmanlar ile birlikte soğutma si elde edilmesinde kullanılması da mümkündür. Bu sayede iklimlendirme aletlerinin tüketimi önemli oranda azaltılabilmektedir [3]. Şekil 4: Termal nin kullanıldığı Themis Santrali nin şematiği Şekil 4 te Fransa da bulunan Themis Santrali nin şematiği gösterilmektedir. Bu santralde güneş ışınlarının termal si güneş kolektörü kullanılarak toplanmakta ve bu erimiş tuz kullanılarak depolanmaktadır. Sistem gerektiğinde depolanan termal yi elektrik si formunda şebekeye aktarmaktadır. Bu sistem ortalama bir gün ışığının 1 günlük si olan 40000 kwh lik bir yi depolayabilecek yeterlikte olan 550 ton erimiş tuz kullanılarak oluşturulmuştur [2]. 120
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Termal depolama ünitelerine ilişkin zaman sabiti genellikle saat ya da gün, hatta haftalar veya aylar mertebesindedir ve bu nedenle termal depolama sistemleri mevsimlik depolama kapasitesi sağlayabilmektedirler [3]. Farklı ve daha verimli hal değiştirici materyallerin termal depolama sistemlerinde kullanılması üzerine yapılan yoğun çalışmalar ile birlikte termal sistemlerinin toplam depolama üniteleri içerisindeki oranının uzun vadede önemli oranda artabileceği öngörülmektedir. Bu bölüme kadar sayılan depolama yaklaşımlarının özet bir irdelemesi Tablo 1 de yer almaktadır. Enerji depolama ünitesi Batarya UK Volan Pompalanmış su ve sıkıştırılmış hava yaklaşımları Termal Tablo 1: Farklı depolama yaklaşımlarının değerlendirmesi Başlıca Avantajı En yaygınlaşmış elektrik si depolama teknolojisi Uzun çevrim ömrü Yüksek güç yoğunluğu Oldukça büyük miktarlı depolama olanağı Güneş si gibi büyük bir kaynak potansiyeli Başlıca Dezavantajı Düşük çevrim ömrü Düşük yoğunluğu Boştaki yüksek kayıplar Gerekli arazi koşulları Depolama ve deşarj süresinin uzunluğu 4. SONUÇLAR Potansiyel kullanım alanı Elektrikli taşıtlar, taşınabilir cihazlar, küçük güçlü yenilenebilir sistemleri Elektrikli taşıtlar Yenilenebilir kaynaklarının şebeke entegrasyonu, bazı uzay ve elektrikli taşıt uygulamaları Çok büyük güçlü yenilenebilir sistemleri Büyük miktarlı depolaması Günümüzde gerek çevresel, gerekse de sürdürülebilirlik ve ekonomik açılardan sıklıkla araştırılmakta olan hibrit alternatif sistemlerinde uygun depolama ünitesi seçimi, hibrit sistem performansı ve yük talebinin her an güvenli bir şekilde karşılanması açısından büyük önem arz etmektedir. Günümüzde farklı türlerde hem elektriksel, hem de termal depolama sistemleri mevcuttur. Mevcut uygulamalarda sıklıkla kullanılan batarya tabanlı elektriksel depolaması yaklaşımının gelecekte de birçok uygulama açısından öncü bir konumda yer alacağı öngörülmektedir. Bazı uygulamalar için UK ve volan gibi ünitelerin yanı sıra hidrojen si ve su pompalaması ile sıkıştırılmış hava tabanlı yaklaşımlar da kullanışlı görülmektedir. Termal depolaması da özellikle güneş si açısından zengin bölgelerde uygulanabilir bir çözümdür. Yoğun araştırma ve geliştirme çalışmaları ile birlikte bahsi geçen yaklaşımların verim ve performansları gelecekte daha da üst bir seviyeye ulaşacaktır. Teşekkür: Bu çalışmanın belli kısımları, Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü (BAPK) tarafından 2011-04-02-DOP01 no lu proje kapsamında desteklenmektedir. 5. KAYNAKLAR [1] Hadjipaschalis, I., Poullikkas, A. and Efthimiou, V., Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6-7):1513 1522, 2009. [2] Ibrahim, H., Ilinca, A. and Perron, J., Energy storage systems Characteristics and Comparisons, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(5):1221 1250, 2008. [3] Baker, J., New technology and possible advances in energy storage, Energy Policy, 36(12):4368 4373, 2008. [4] Kurzweil, P., Gaston Planté and his invention of the lead acid battery The genesis of the first practical rechargeable battery, J. Power Sources, 195(14):4424 4434, 2010. [5] Nair, N. K. C. and Garimella, N., Battery energy storage systems: Assessment for small-scale renewable energy integration, Energy and Buildings, 42(11):2124-2130, 2010. [6] Divya, K. C. and Østergaard J., Battery energy storage technology for power systems An overview, Electric Power Systems Research, 79(4):511 520, 2009. [7] Dustmann, C. H., Advances in ZEBRA batteries, J. Power Sources, 127(1-2):85 92, 2004. [8] Scrosati, B. and Garche J., Lithium batteries: Status, prospects and future, J. Power Sources, 195(9):2419 2430, 2010. [9] Burke A., Ultracapacitor: why, how and where is the technology, J. Power Sources, 91(1):37-50, 2000. [10] Kötz, R. and Carlen M., Principles and applications of electrochemical capacitors, Electrochimica Acta, 45(15-16):2483-2498, 2000. [11] Schindall, J., The charge of the ultracapacitors- Nanotechnology takes energy storage beyond batteries, IEEE Spectrum, Nov., 38-42, 2007. [12] Liu, H. and Jiang, J., Flywheel energy storage An upswing technology for energy sustainability, Energy and Buildings, 39(5):599 604, 2007. [13] Barbir, F., PEM Fuel Cells: Theory and Practice, Elsevier Academic Press, California, USA, 2005. [14] Darkrim, F. L., Malbrunot, P. and Tartaglia, G. P., Review of hydrogen storage by adsorption in carbon nanotubes, Int. J. Hydrogen Energy, 27(2):193-202, 2002. 121