ENERJİ DEPOLAMA EES 487 Yeni Enerji Kaynakları Dr. Mutlu BOZTEPE 26.12.2006
Enerji depolama ve dağıtım Enerjinin istendiği zaman ve istenilen yerde kullanılmaya hazır olması istenir. Enerjiyi istediğimiz bir yere taşımaya dağıtım (distribution) adı verilir. Enerjiyi istediğimiz zaman kullanabilmek için onu saklamaya depolama (storage) denir. Bu depolama çeşitli şekillerde olabilmektedir. Örneğin doğal ekolojide biyokütle hayvanlar ve parazitler için bir enerji deposudur. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 2
Dağıtılmış sistem Yenilenebilir enerji kaynakları, depolama ve dağıtım açısından fosil veya nükleer kaynaklardan farklı özellikler gösterir. Düşük enerji yoğunluğu ve kaynağın geniş bir sahada yayılmış olması nedeniyle merkezi olmayan, yani dağıtılmış kullanım (decentralized end-use) için daha uygundur. Yenilenebilir enerji kaynakları zaten dağılmış durumda bulunduğundan, iletim ve dağıtım gereksinimi en azdır. Bununla birlikte hidrolik enerji gibi yenilenebilir sistemlerde merkezi üretim uygundur. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 3
Enerji depolama Yenilenebilir enerji doğası gereği çevremizde sürekli olarak akarken, biz onun ancak bir kısmını değerlendirebilmekteyiz. Öte yandan, enerji girişi kontrolümüz dışındadır ve fosil vs. gibi yakıtların aksine sürekli sabit bir enerji girişi yoktur. Bu durum enerji arzı ve enerji talebi arasındaki dengeyi sağlamakta zorluk yaratmaktadır. Çünkü enerji ihtiyacı da sürekli (günlük, saatlik ve hatta saniyelik) değişmektedir. Buna ilave olarak yenilenebilir enerji girişi de değişkendir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 4
Güç [Watt] Fotovoltaik Enerji 1000 GELEN GÜNEŞ RADYASYONU (23 Ekim 2001) 750 500 250 0 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 24:00:00 Zaman [Saat] Kesikli ve değişken (Bulutlanma, gölgeleme). Süreksiz (Günün ~%50 sinde güneş yok). Kapalı günler (Yaklaşık ~3-5 gün). Kesintisiz enerji için depolama gerekli. Hammadde maliyeti sıfır ve rezerv sonsuz. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 5
Rüzgar hızı çok değişken 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9:07:12 11:31:12 13:55:12 16:19:12 18:43:12 21:07:12 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 6
Enerji depolama Hem enerji girişi değişken Hem de yük değişken! Bu durumda yapılabilecek iki seçenek vardır: Enerji ihtiyacımızı enerji girişine uydurmak Enerjiyi daha sonra kullanılmak üzere depolamak. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 7
Bir Depoda aranan özellikler Yüksek depolama kapasitesi Yüksek şarj/deşarj verimi Kendiliğinden boşalmanın ve kapasite kayıplarının az olması Uzun ömür Ucuzluk Enerji yoğun olması (kwh/kg veya kwh/litre). Yani enerjiyi en az hacimde ve ağırlıkta depolayabilmeli. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 8
Enerji depolama türleri Enerji çok değişik formlarda depolanabilmektedir. Biyolojik depolama Kimyasal depolama Isıl depolama Elektriksel depolama Potansiyel enerji Yerçekimi potansiyel enerjisi Kinetik enerji vs. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 9
Biyolojik depolama Bitkiler fotosentez yaparak büyürler ve gelişirler. Bu güneş enerjisinin bir depolanma şeklidir. Daha sonra bu bitkiler yakılarak depoladıkları enerji ısı enerjisi olarak açığa çıkarılabilir. Fosil yakıtlar da bir biyolojik depolama türüdür. Binlerce yıl boyunca oluşan kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar içten yanmalı motorlarda kullanılarak enerjisini açığa çıkartmaktadırlar. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 10
Kimyasal depolama Enerji kimyasal bileşiklerin oluşturduğu bağlarda depolanabilir ve exotermik reaksiyonlarla tekrar kazanılabilir. (NOT: ısı açığa çıkan reaksiyonlara exotermik denir) Bunun için bazen bir katalizör (Isı, enzim vs.) kullanmak gerekebilir. En çok kullanılan yöntemler şunlardır: Hidrojen Amonyak Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 11
Kimyasal Depolama (Hidrojen) (1/2) Hidrojen gazı elektroliz yoluyla sudan elde edilebilir. Gaz depolanabilir, taşınabilir ve yakılarak depoladığı enerji açığa çıkarılabilir. Yanma sonucu açığa çıkan egzoz sadece sudur ve çevre dostudur. Her bir mole (18g) H 2 O için 242 kj açığa çıkar. Günümüzde kullanılan hidrojenin büyük bölümü fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Elektroliz is yeni bir yöntemdir ve ~%60 verimi vardır. Elektroliz sırasında çıkan baloncuklar elektrotların iletkenliğini azaltarak kayıpları arttırmaktadırlar. Bu engellenerek verim %80 lere çıkarılabilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 12
Kimyasal Depolama (Hidrojen) (2/2) Hidrojenin depolanması basit değildir. Yanıcı ve patlayıcı bir gazdır. Sıvı halde depolamak için (donma noktası 20 K (-253 C) olduğundan) sürekli soğut tutmaya ihtiyaç vardır. Metal hidritler olarak depolanırsa hem ısıtarak kolayca enerji geri kazanılabilir hemde büyük hacimler depolanabilir. Bu işlem reversibildir. Bu şekilde mobil araçlara enerji deposu olarak kullanılabilir. Tek sorun kullanılacak metalin ağırlığı ve maliyetidir. Ayrıca yakıt hücresi ile havadan hidrojen ve oksijen elde edilebilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 13
Kimyasal depolama (Amonyak) Suyun aksine amonyak daha uygun sıcaklıklarda ayrışabilir. Bir ısı çevrimi (heat engine) ile birlikte bu yöntemle güneş enerjisinden sürekli olarak ısı elde etmek mümkün olabilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 14
Isıl depolama (1/2) A substantial fraction of world energy use is as low temperature heat. Bu ısıyı diğer kaynaklardan elde etmek termodinamik açıdan hiç avantajlı değildir. Binaların ısı kazancını arttırarak elde edilen enerji daha makbuldür. Elektrik Isıtma (taralı) Mevsimler arasında değişiklik gösterse de kışın kullanılan enerjinin yarısı 18 3 C sıcaklıkta ısı enerjisidir. Kaynak Twidel Britanya için en soğuk günlere göre enerji tüketimi Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 15
Isıl depolama (2/2) Yüksek enlemlerde güneşin ısıtması yaz aylarında kış aylarına göre çok fazladır. Ancak kışın ısıtmaya çok fazla ihtiyaç duyulur. Bu nedenle uzun süreli ısı depolama ihtiyacı gereklidir. Bu ise ısıl izolasyonlu su depoları ile çözülebilir. Kitabınızdaki Example 16.1 i inceleyiniz. Bu örnekte bir güneş evinin iç sıcaklığını 20 C de tutmak için sürekli 1kWh enerji girişi olması gerektiği belirtilmekte ve bunu ilk baştaki sıcaklığı 60 C olan suyun 40 C ye düşene kadar 100 gün boyunca vermesi üzerine bir hesaplama yapılmış ve 200m^2 bir alan için 50cm tank yüksekliği hesap edilmiştir. Bu değer gerçekleştirilebilir bir değerdir. Bu örnek su ile yapılmıştır. Isı depolama kapasitesi daha yüksek malzemelerle (Glauber s salt Na 2 SO 4.10H 2 O) iyileştirme mümkündür.
Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü) Elektrik enerjinin çok kaliteli bir formudur. Dolayısıyla onu verimli ve ucuz bir şekilde depolamak için çok fazla araştırma yapılmaktadır. Teoride bir çok elektrokimyasal reaksiyon tersinir (reversible) olmasına karşın içlerinden sadece bir kaçı pratik bir uygulamaya uygundur. Çünkü 1-100A arasındaki şarj/deşarj akımlarında yüzlerce kez çevrim (cycle) yapmaları beklenir. En çok kullanılan batarya tipi ise Plante nin 1860 ta keşfettiği kurşun-asit (lead-acid) bataryadır ve o günden beri sürekli geliştirilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 17
Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü) Primer bataryalar şarj edilemez. Şarj edilebilir olanlara sekonder bataryalar denir. Bataryanın çalışma prensibinin temelini oxidation ve reduction oluşturur. Bunların gerçekleştiği yerler anot ve katot olarak isimlendirilir. Oxidation da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu (valans state) artar ve extra elektron üretir. Reduction da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu azalır ve extra elektron kullanır. Buna kısaca redox reaksiyonun da denir. Redox reaksiyonunda kısaca elektron bir reaksiyondan diğerine transfer edilir. Her iki reaksiyonda fiziksel olarak birbirine yakındır. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 18
Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 19
Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü) 500-1000 cycle 30-40 Wh/kg 60-75 Wh/lt %70-92 şarj verimliliği Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 20
Bataryalar Starter aküler veya otomobil bataryaları PV uygulamaların ihtiyaç duyduğu derin boşalma işlevini yapamadıklarından uygun değildirler. RV veya marine bataryaları bir starter bataryasından daha iyi derin deşarj oldukları için başlangıç sistemlerde kullanılabilirler. Derin boşalma yapabilen Deep cycle bataryalar Pv sistemler için iyi bir seçimdir ve %80 oranında deşarj olabilirler. Örneğin Golf arabalarının bataryaları 3-5 yıl kullanılabilmektedir. Bazı büyük kapasiteli deep cycle bataryalar 7-10 yıl, endüstriyel chloride bataryalar ise 15-20 yıl dayanabilmektedirler. Kurşun bazlı olmayan Ni-Cd gibi bataryalar pahalı olmasına karşın, aşırı deşarj yapılmadan kullanılırsa uzun yıllar hizmet verebilmektedirler. Yeni tip fiber-ni-cd batarya %25 deşarj oranında oldukça uzun süre çalışabilmektedir. Yanlız Ni-Cd bataryaların şarj durumunu ölçmede, kurşun bazlı akülere göre zorluklar vardır. Batarya seçiminde, doğru bir deep-cycle tip ve çalışma koşullarına uygun olmasına dikkat edilmelidir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 21
Lityum iyon aküler Elektriksel depolama 3000 cyle 160 Wh/kg 270 Wh/lt %98 şarj verimliliği katot lithiated metal oxide (LiCoO 2, LiMO 2, vs) ve anot ise yüzey yapısında karbon grafit maddesinden oluşur. Elektrolit maddesi organik karbonat içinde çözülmüş lityum tuzlarından (ör: LiPF 6 ). Şarj sırasında katotdaki Lityum atomları iyonlaşır ve elektrolit içinden geçerek karbon anota ulaşır ve birleşir bu sırada elektronunu vererek dış devrede akım oluşturur. Bu süreç deşarjda tersine işler. Vanadium-Redox Battery VRB Hidrojen iyonları için geçirgen bir Polimer membran içeren hücre içerisinden geçirilen sıvılar birbirlerine H+ iyonu (proton) vererek devreden elektron akışını sağlar. Hücre gerilimleri 1.4-1.6 Volttur. Bu tip akülerin verimlilikleri %85 civarındadır. Enerji yoğunlukları 25-35 Wh/kg ve 20-35 Wh/lt. değerlerinde olup kurşun asit ve Lityum akülere göre düşük bir enerji yoğunluğu gösterir. Ancak derin deşarj konusunda tüm diğer Flow Battery tipleri gibi iyi performans gösterir. Binlerce kere %100 deşarj edilse bile enerji yoğunluğundan kaybetmez. Günümüzde büyük tipleri yenilenebilir enerji üretim tarlalarında (özellikle rüzgar), enterkonekte sisteme bağlanmadan önce elektrik enerjisi tamponlama işlevi için kullanılır. 10 kw dan düşük modeller UPS veya telekom uygulamaları için de geliştirilmiştir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 22
Elektriksel depolama Super capacitor Elektrik enerjisini iki yüzeyli elektrot ve elektrolit iyonları içinde depolar. Şarj yüzeyleri arasındaki ayrım birkaç angstrom civarında olur. Bu tür ürünlerdeki enerji depolama yoğunluğu elektrolitik kapasitörlerin binlerce katına çıkar. Elektrotlar genelde gözenekli karbon malzemeden yapılır. Kurşun asit akülerle karşılaştırıldığında, bu kapasitörler daha düşük enerji depolama yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen şarj/deşarj çevrim sayılarının kurşun aside göre binlerce kat daha fazla olması ve çok yüksek akımlarla şarj ve deşarj edilebilmeleri gibi avantajlara da sahiptirler. Küçük uygulamalar için birçok tipinin üretilmiş olması ile birlikte 20 kwh/m3 enerji depolama yoğunluğuna sahip tiplerinin tasarımı halen devam etmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 23
Relative Energy Density of Some Common Secondary Cell Chemistries Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 24
Elektriksel depolama (yakıt hücreleri) Yakıt hücreleri (fuel cells) kimyasal enerjiyi redox reaksiyonu ile elektriksel enerjiye çevirme metodudur. Bataryaların aksine burada yakıt sürekli olarak reaksiyona dışarıdan verilir. Yakıt hücreleri, doğalgaz ve metan gibi yakıtların haricinde, bir enerji üretim yöntemi değil, bir enerji depolama yöntemidir. 1839 yılında William Grove tarafından keşfedilmiştir. 1933 yılında Bacon iyi bir akım yoğunluğu ve voltaj değerleri alınabilecek şekilde geliştirmiştir. 1960 larda uzay uygulamalarında kullanılmıştır. Fosil yakıtlarla uyum, çalışma sıcaklığı, basınç,fiyat, boyut ve ısı yönetimi gibi konularda birçok teknoloji geliştirilmiştir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 25
Elektriksel depolama (yakıt hücreleri) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 26
Elektriksel depolama (yakıt hücreleri) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 27
Type 212 submarine with fuel cell propulsion of the German Navy in dry dock The world's first certified Fuel Cell Boat (HYDRA), in Leipzig/Germany Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 28
Toyota FCHV PEM FC fuel cell vehicle. Mercedes-Benz (Daimler AG) Citaro fuel cell bus on Aldwych, London. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 29
Mekanik depolama (Su) Hidro güç sistemleri potansiyel enerji depolarlar. E=mgh Qo: suyun akış hızıdır. H su yüksekliğidir. Hidroelektrik santrallerde su dam adı verilen setlerle tutulur. 100m yüksekliğindeki bir dam için enerji kapasitesi değerindedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 30
Mekanik depolama (Volan) Dönen bir cismin kinetik enerjisi I atalet momenti, w açısal hız. En basit durumda bir homojen disk için I=1/2. ma^2 dir. Bu diskin enerji yoğunluğu ise Enerji yoğunluğunu yüksek tutmak için mümkün olduğu kadar hızlı döndürülmelidir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 31
Mekanik depolama (Volan) A Flybrid Systems Kinetic Energy Recovery System built for use in Formula One Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 32
Mekanik depolama (Sıkışmış hava) Hava hızlı bir şekilde sıkıştırılabilir ve tekrar yavaşça genişletilebilir. Bu özellik hidrolik sistemlerdeki büyük basınç dalgalanmalarını düzeltebilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 33
Karşılaştırma Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 34
Karşılaştırma Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 35
Karşılaştırma Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 36
Enerji depolama yöntemleri Konvansiyonel yakıtlar Dizel yakıt Kömür Odun Kimyasal Isı Hidrojen Amonyak Su Buhar Elektrik Kapasite Elektromagnet (süper iletken) Bataryalar Yakıt hücreleri (fuel cell) Mekanik Su pompalama (pumped hydro) Volan (flywheel) Sıkıştırılmış hava (compressed air) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 37
Performanslar Enerji yoğ. MJ/kg. Çalışma sıcaklığı C Development time/y Dönüşüm Verim (%) Dizel yakıt 45 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 30 Kömür 29 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 30 Odun 15 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 60 Hidrojen gazı 140-253 -30 10 Elek. Kimy. 60 Amonyak 2.9 0 700 5 Isı kimy. 70 Su ısısı 0.2 20-100 Kullanılıyor Isı ısı 50-100 Buhar 2.2 100-300 Kullanılıyor Isı ısı 70 Kapasite 10-6 MJ/l - Çok zayıf Elektromagnet 10-3 MJ/l - Çok zayıf Kurşun asit 0.10 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Elek. elekt. 75 Yakıt hücresi - 150 10 Kimy. elek. 38 Su pompalama 0.001 Oda sıc. Kullanılıyor Elek elek 80 Volan 0.05 Oda sıc. Kullanılıyor Elek elek 80 Sıkışmış hava 0.2 2 20 100 Kullanılıyor Elek elek 50 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 38