ALTERNATİF ENERJİ TEKNOLOJİLERİNE GİRİŞ Dersin Öğretim Görevlisi: Ozan ERDİNÇ oerdinc@yildiz.edu.tr alternatifenerjiteknolojileri@gmail.com 1
Önceki bölümlerde bahsi geçen alternatif enerji kaynakları doğanın koşullarına son derece bağımlı durumdadır. Bu nedenle bu kaynaklar ile üretilen enerji, daha önce de bahsedildiği üzere sezonluk, günlük ve hatta anlık olarak bile büyük değişimler gösterebilmektedir. Bu durum da üretilen enerjinin genel enerji talebi ile tam olarak örtüşmemesine neden olabilmektedir. Yükün enerji ihtiyacının her durumda başarı ile karşılanabilmesi açısından enerji depolama üniteleri oldukça büyük öneme sahiptirler.
Bahsi geçen alternatif kaynaklardan üretilen fazla enerji farklı tür enerji depolama ünitelerine aktarılmakta, depolanan bu enerji ise ana kaynakların mevcut olmadığı ya da yetersiz olduğu durumlarda yük talebinin karşılanmasında kullanılmaktadır. Özellikle şebekeden bağımsız uygulamalar için enerji depolama ünitelerinin araştırılması ve incelenmesi oldukça büyük önem arz etmektedir. Bu şekildeki uygulamalarda enerji depolama ünitelerinin kullanımı ile birlikte oldukça büyük kurulum maliyetine sahip enerji iletim hatlarına olan gereksinim büyük oranda azaltılabilmektedir.
Enerji depolama teknolojileri, elektriksel ya da termal olabilir. Elektriksel enerji depolama sistemlerinde elektriksel bir giriş-çıkış söz konusu iken termal sistemlerde de benzer bir şekilde termal bir giriş-çıkış mevcuttur. Bahsi geçen elektriksel enerji depolama sistemleri elektrokimyasal sistemler (batarya, vb.), kinetik enerji depolama sistemleri (volan, vb.) ya da potansiyel enerji depolama sistemleri (pompalanmış su, sıkıştırılmış hava, vb. formunda) olabilirler. Termal enerji depolama sistemlerinde de benzer şekilde farklı teknolojilerin kullanımı uygulamalarda yer almıştır.
Bataryalar Batarya sistemleri elektrik enerjisini kimyasal formda depolamanın uygulanmış en eski yöntemlerinden biridir. Batarya sistemleri tekrar şarj edilemeyen primer bataryalar ve şarj edilebilir sekonder bataryalar olmak üzere iki sınıfa ayrılmaktadır. Bir batarya sistemi, her biri pozitif-negatif elektrotlardan meydana gelen bir ya da daha fazla elektrokimyasal hücrenin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. Deşarj durumunda, elektrotlardaki elektrokimyasal reaksiyonlar dış bir devre içerisinden elektron akışı oluşturmaktadır. Şarj durumunda ise elektrotlara gerilim uygulanması ile birlikte elektrokimyasal reaksiyonlar ters yönde gerçekleşmektedir
Bataryalar
Bataryalar Kurşun-asit bataryalar Nikel-kadmiyum bataryalar Nikel metal hidrit bataryalar Sodyum sülfür bataryalar Sodyum nikel klorit (ZEBRA) bataryalar Lityum-iyon bataryalar
Ultra-kapasitörler UK lar, temel olarak, elektrik enerjisinin 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 lar sahip oldukları yüksek gözenekli karbon yapı ve buna bağlı olarak yüksek yüzey alanı sayesinde sıradan kapasitörlerden çok daha yüksek kapasite değerlerine sahiptirler. Yeni geliştirilen UK çeşitlerinin yapısındaki yüzeysel elektrotlar, nano boyutlarda olup, yüzey alanını ve buna bağlı olarak kapasite değerini çok yüksek değerlere çıkarmaktadır.
Ultra-kapasitörler
Ultra-kapasitörler 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 enerjiyi 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.
Ultra-kapasitörler 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. Ayrıca bataryalar yüksek akım darbelerine ve hızlı şarj-deşarj durumuna maruz kaldıklarında ömürleri daha da azalmaktadır. Bunların da ötesinde belki de UK ların en önemli avantajlarından biri, çalışmasının sıcaklık değişimlerinden oldukça az etkilenmesidir. UK lar, bataryalar için en kötü çalışma şartlarından biri olan -40 C lik sıcaklıklarda bile başarıyla çalışabilmektedirler.
Ultra-kapasitörler Ticari olarak günümüzde üretilen UK lar, aynı boyut veya ağırlıktaki bir batarya ile kıyaslandığında oldukça fazla bir güç yoğunluğuna sahiptir. Ancak enerji yoğunlukları göz önüne alındığında, UK lar bataryalara göre dezavantajlıdır. Aynı boyut veya ağırlıktaki bir batarya ile karşılaştırıldığında UK nın depolayabildiği enerji miktarı, bataryanın depolayabildiği enerji miktarının ancak %5 i kadardır. UK ların düşük enerji yoğunluklarının arttırılmasını hedefleyen çalışmalar günümüzde yoğun bir şekilde devam etmektedir. UK ların yapısına farklı bileşenler ekleyerek enerji yoğunluğunu artırmak amacıyla gelişmiş laboratuarlarda detaylı çalışmalar yapılmaktadır.
Ultra-kapasitörler UK yapısına nanotüpler yerleştirildiğinde bir UK nın, aynı boyut veya ağırlıktaki bir bataryanın depolayabildiği enerji miktarının en az %25 ine, hatta belki de %50 sine varan oranlarda enerji depolayabilmesinin sağlanabileceği öngörülmektedir. Bu konuda yapılan çalışmalar için birçok ülke büyük miktarda araştırma fonları ayırmaktadır. 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.
Volanlar Volan, enerjiyi kinetik enerji formunda mekanik olarak depolayabilen ve bir eksende dönen bir kütledir. Volanlar NASA nın 1961 deki açıkladığı çalışma raporunun akabinde uzay uygulamalarında kullanılmıştır. Daha sonra birçok farklı uygulamada volan sistemlerinin uygulanabilirliği denenmiştir.
Volanlar Volanı mekanik olarak hareketlendirebilmek ve döndürebilmek için bir enerjiye gereksinim vardır. Elektriksel sistemlerde kullanıldığında bu enerji genellikle bir elektrik motoru ile sağlanmaktadır. Volan dönmeye başladığında dönme hızı ve ataletine bağlı olarak belirli bir miktar enerjiyi depo eden mekanik bir batarya olarak çalışmaktadır. Volan ne kadar hızlı dönüyorsa o kadar çok miktarda enerjiye sahip demektir. Depolanmış bu enerji istenildiğinde volan yavaşlatılarak ve bu sayede mevcut kinetik enerjinin istenilen kısmı generatör modunda çalışan bir elektrik motorunu tahrik etmekte kullanılarak elektrik enerjisine çevrilebilmektedir.
Volanlar Volan temelli enerji depolama sistemlerinin temel avantajları uzun bir çevrim ömrüne sahip olmaları ve yüksek şarj-deşarj hızlarına uygun bir yapı içermeleri olarak sıralanabilir. Volan sistemleri dakika mertebesinde bir sürede hızlanabilmekte ve şarj edilmesi için kimi zaman saatler gerektiren batarya sistemlerine kıyasla bu açıdan avantaj sağlayabilmektedir. Ayrıca yüksek enerji yoğunlukları da volan sistemlerinin avantajları arasındadır. Volan sistemlerinin nominal güçteki verimleri %90 civarındadır. Bunun yanı sıra volanlar çevre dostu materyaller içermektedirler, bu sayede de çevresel olumsuz etkileri azdır.
Volanlar 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 enerji verimliliğini büyük bir oranda azaltmaktadır. Bu nedenle volan sistemleri uzun süreli enerji depolanması için uygun değildirler, ancak güç sistemlerinde kısa süreli yedek güç ünitesi olarak yararlanılabilirler.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Hidrojen Enerjisi Depolama Sistemleri Alternatif enerji kaynaklarının dağıtık sistemlerde kullanıldığı uygulamalarda elektrik enerjisinin hidrojen formuna dönüştürülerek depolanması, günümüzde araştırmacılar için dikkat çekici bir alternatif haline gelmiştir. Bu tarz sistemlerde rüzgar, güneş, vb. ana alternatif enerji kaynaklarının ürettiği enerjinin yük talebinin haricinde kalan fazla kısmı bir elektrolizör ünitesi üzerinden hidrojen elde etmek için kullanılmaktadır.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Hidrojen Enerjisi Depolama Sistemleri Elde edilen hidrojen, farklı yapılardaki hidrojen tanklarında depolanabilmekte ve ihtiyaç olduğunda bir yakıt hücresi sistemi tarafından elektrik enerjisine çevrilerek yük talebinin karşılanması açısından kullanılabilmektedir. Böylelikle, bu tür hibrit alternatif enerji sistemlerinde kullanılan konvansiyonel batarya ünitelerinin hacim, maliyet ve çevresel koşullardan olumsuz etkilerinin önüne geçilebilmektedir.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Hidrojen Enerjisi Depolama Sistemleri Ancak hidrojen depolaması çözümünün günümüzde bazı önemli sorunları mevcuttur. Hidrojen depolama ile ilgili problemler, tercih edilen depolama yöntemine göre değişmektedir. Bilinen hidrojen depolama yöntemleri, yüksek basınçta sıkıştırma, sıvılaştırma, hidrokarbonlar, hidrürler ve karbon nano tüplerdir. Hidrojen depolama sistemleri, mevcut problemlerinin çözümü ile birlikte geleceğin en önemli enerji depolama yöntemlerinden biri olarak görülmektedir.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Pompalanmış Su Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması Pompalanmış su tabanlı enerji depolanması, farklı yüksekliklerde bulunan rezervlerdeki suyun hareket ettirilmesiyle elektrik enerjisinin depolanması ve üretilmesi temeline dayanmaktadır.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Pompalanmış Su Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması Elektrik talebinin az olduğu durumlardaki fazla enerji yüksekteki rezerve su pompalamakta kullanılmaktadır. Yüksek enerji talebinde ise su aşağı konumdaki rezerve doğru tekrar serbest bırakılmakta ve burada bulunan bir türbin vasıtasıyla elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu teknolojinin en önemli avantajı, gerekli olan sistemlerin farklı bir formda zaten kurulu olmasıdır. Bu teknoloji birkaç GWh lik yüksek güçlü uygulamalarda en sık kullanılan sistemdir. Pompalanan su tabanlı enerji depolama üniteleri kullanılan ekipmanların karakteristiklerine göre %65-80 civarında değişen bir verime sahiptir. Yani 3 kwh lik enerji sağlayabilecek bir suyun pompalanabilmesi için yaklaşık 4 kwh lik enerji verilmesi gereklidir. Bu teknolojinin en önemli dezavantajı, farklı su seviyeleri oluşturulabilecek geniş bir araziye ihtiyaç duyulmasıdır
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Sıkıştırılmış Hava Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Sıkıştırılmış Hava Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolaması birçok yüksek güçlü projede kullanılmış bir enerji 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 enerjisi talebinin az olduğu durumlarda elektrik enerjisinin havayı sıkıştırmak için kullanılması (enerji depolaması), elektrik enerjisi talebinin yüksek olduğu zamanlarda ise bu sıkıştırılmış havanın serbest bırakılması ile standart gaz türbinlerinin kullanıldığı durumlara göre aynı yakıt tüketimi ile 3 kat fazla enerji üretmek mümkün görülmektedir. Sıkıştırılmış hava depolaması yüksek basınçlarda (40-70 bar) elde edilmektedir. Bu durum depolama ünitesinin daha az hacim kaplamasını sağlamaktadır.
Diğer Elektriksel Enerji Depolama Yaklaşımları Sıkıştırılmış Hava Tabanlı Elektrik Enerjisi Depolaması Yeraltında yüksek kaliteli kayalardan oluşan büyük mağaralar, çok eski zamanlardan kalma tuz madenleri ve yer altı doğalgaz yatakları sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolaması için en iyi seçenek konumundadırlar. 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 verimi %70 civarlarındadır. Verimliliği arttırmak için özellikle bataryalardaki selfdeşarja benzer olarak hava kaçaklarını azaltıcı teknolojilerin geliştirilmesi de oldukça önem arz etmektedir.
Termal Enerji Depolama Sistemleri Bütün mevcut yenilenebilir enerji teknolojileri arasında güneşten sağlanan termal enerji, en fazla kaynak potansiyeli olan enerji çeşididir. Bu açıdan güneşten gelen enerjinin farklı formlarda kullanılabilir hale getirilmesi, dünya için sürdürülebilir bir enerji kaynağı elde edilebilmesi açısından son derece önemlidir. Bahsi geçen farklı formlar arasında güneşten gelen enerjinin termal olarak depolanması üzerinde sıklıkla çalışılan bir alandır. Termal enerji depolama ile ilgili etkin yöntemlerin temel araştırmaları 1973-74 enerji krizi akabinde oldukça yoğunlaşmıştır. Termal enerji depolama ünitelerine ilişkin zaman sabiti genellikle saat ya da gün, hatta haftalar veya aylar mertebesindedir ve bu nedenle termal enerji depolama sistemleri mevsimlik depolama kapasitesi sağlayabilmektedirler.
Termal Enerji Depolama Sistemleri Themis santrali şematiği
Termal Enerji Depolama Sistemleri Fransa da bulunan Themis Santrali nin şematiği gösterilmektedir. Bu santralde güneş ışınlarının termal enerjisi, güneş kolektörü kullanılarak toplanmakta ve bu enerji erimiş tuz kullanılarak depolanmaktadır. Sistem gerektiğinde depolanan termal enerjiyi elektrik enerjisi formunda şebekeye aktarmaktadır. Bu sistem ortalama bir gün ışığının 1 günlük enerjisi olan 40 MWh lik bir enerjiyi depolayabilecek yeterlikte olan 550 ton erimiş tuz kullanılarak oluşturulmuştur. Farklı ve daha verimli hal değiştirici materyallerin termal enerji depolama sistemlerinde kullanılması üzerine yapılan yoğun çalışmalar ile birlikte termal enerji sistemlerinin toplam enerji depolama üniteleri içerisindeki oranının uzun vadede önemli oranda artabileceği öngörülmektedir.
Genel Değerlendirme Günümüzde gerek çevresel, gerekse de sürdürülebilirlik ve ekonomik açılardan sıklıkla araştırılmakta olan hibrit alternatif enerji sistemlerinde uygun enerji 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 enerji depolama sistemleri mevcuttur.
Genel Değerlendirme Farklı enerji depolama yaklaşımlarının değerlendirmesi Enerji depolama ünitesi Başlıca Avantajı Başlıca Dezavantajı Potansiyel kullanım alanı Batarya En yaygınlaşmış elektrik enerjisi depolama teknolojisi Düşük çevrim ömrü Elektrikli taşıtlar, taşınabilir cihazlar, küçük güçlü yenilenebilir enerji sistemleri UK Volan Uzun çevrim ömrü Yüksek güç yoğunluğu Düşük enerji yoğunluğu Boştaki yüksek kayıplar Elektrikli taşıtlar Yenilenebilir enerji kaynaklarının şebeke entegrasyonu, bazı uzay ve elektrikli taşıt uygulamaları Pompalanmış su ve sıkıştırılmış hava yaklaşımları Oldukça büyük miktarlı depolama olanağı Gerekli arazi koşulları Çok büyük güçlü yenilenebilir enerji sistemleri Termal enerji Güneş enerjisi gibi büyük bir kaynak potansiyeli Depolama ve deşarj süresinin uzunluğu Büyük miktarlı enerji depolaması