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 husus, özellikle şebekeden bağımsız uygulamalarda üretilen enerjinin genel enerji talebi ile tam olarak örtüşmemesine neden olabilmektedir. 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 [46]. Açıkça görüldüğü üzere şebekeden bağımsız uygulamalar için, tüketicilerin enerji ihtiyacının her durumda başarı ile karşılanabilmesi açısından enerji depolama üniteleri oldukça büyük öneme sahiptirler [47].
Bahsi geçen enerji depolama üniteleri, 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. 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 [48]. Termal enerji depolama sistemlerinde de benzer şekilde farklı teknolojilerin kullanımı uygulamalarda yer almıştır.
Batarya sistemleri elektrik enerjisini 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. Burada günümüzde ticari olarak mevcut olan batarya çeşitleri kurşun-asit, lityum-iyon, nikel-kadmiyum, nikel metal hidrit, sodyum-sülfür ve sodyum- nikel klorit (ZEBRA) bataryalar olarak sıralanabilir.
Bahsi geçen batarya çeşitleri arasında öncü olarak kurşun-asit ve lityum-iyon batarya teknolojileri belirtilebilir. Kurşun-asit bataryalar, Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından 1860 yılında geliştirilen pratikte kullanılabilecek ilk prototipten beri yüzyılı aşkın bir süredir elektrik güç sistemlerinde yoğun bir şekilde kullanılmaktadırlar [48]. Kurşun-asit
25
bataryalar elektrik enerjisinin 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 [49,50]. Bu teknolojinin dezavantajları ise sınırlı çevrim ömrü, nispeten düşük enerji yoğunluğu, düşük ve yüksek ortam sıcaklıklarında azalan performans, derin deşarja karşı hassasiyet ve çevresel olarak zararlı kurşun bileşenini ve asit elektroliti bünyesinde barındırmasıdır [51,52].
Günümüzde özellikle taşıt uygulamalarında kullanılmak üzere araştırılan önemli bir kurşun-asit tabanlı batarya teknolojisi ise, jel akü olarak da bilinen valf-kontrollü kurşun asit (valve-regulated lead acid-VRLA) bataryalardır. Bu batarya teknolojisinin özellikle yüksek şarj-deşarj ömrü ve yüksek verim gibi avantajları mevcuttur [53,54]. Ancak VRLA bataryaların özellikle sürekli olarak kısmi şarjlılık durumunda tutulması durumunda yapısında meydana gelen bozulmalar, bu sistemlerin geliştirilmesi gereken yönlerini ortaya koymaktadır [55]. 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.
Lityum-iyon bataryaların kullanımı ise Sony tarafından 1991 yılında ticari olarak üretimi gerçekleştirildiğinden beri kısa sürede birçok farklı alanda yaygınlaşmıştır [51]. Lityum- iyon bataryaların laptoplar, MP3 çalarlar ve cep telefonları gibi taşınabilir elektronik cihazlardaki kullanımı son derece yaygın olmasının yanı sıra elektrikli taşıtlarda ve alternatif enerji kaynakları bazlı uygulamalarda bu teknolojinin kullanımının yakın gelecekte daha da hızlı bir şekilde artacağı beklenmektedir. Bu açıdan yıllık olarak milyarlarca lityum-iyon batarya ünitesi üretilmektedir [51,56].
Lityum-iyon bataryalar diğer batarya teknolojilerine kıyasla yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler [51]. Lityum-iyon bataryalar hafif bir yapıya, hücre başına yaklaşık 4 V’luk nispeten yüksek bir gerilim seviyesine ve 100 Wh/kg ile 150 Wh/kg arasında değişen bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Ancak bu teknolojinin dezavantajları yüksek ilk yatırım maliyeti ve hassas çalışma limitlerinden ötürü karmaşık şarj yönetim sistemidir [56].
26
Bunun yanı sıra, aşırı şarj gibi durumlar lityum-iyon bataryaların yapısında oldukça kalıcı hasarlara yol açabilmektedir. Ayrıca güvenlik, 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 engeller 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. Lityum-silikon (Li-Si), lityum-tin (Li-Sn), vb. materyaller lityum-iyon bataryaların negatif elektrotunda kullanılmak üzere sıklıkla araştırılmaktadırlar. Bu açıdan geleceğin teknolojisi olarak görülen önemli bir yaklaşım da negatif elektrot olarak karbon nanotüpler kullanılmasıdır. Bu yaklaşım vasıtası ile özellikle hacim ve ağırlık açısından önemli avantajların elde edilebileceği öngörülmektedir [57]. Ayrıca lityum-iyon bataryaların yapısındaki grafit ve lityum kobalt oksit materyallerinin daha yüksek kapasiteli ve daha düşük maliyetli alternatifleri ile değiştirilmesi de üzerinde çalışılan bir husustur.
Alternatif enerji kaynaklarının dağıtık sistemlerde kullanıldığı uygulamalarda elektrik enerjisinin hidrojen formuna dönüştürülerek depolanması da, günümüzde araştırmacılar için dikkat çekici bir alternatif haline gelmiştir. Bu tarz sistemlerde rüzgâr, güneş, vb. ana alternatif enerji kaynaklarının ürettiği enerjinin 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 YH 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 etki açılarından olumsuz sonuçlarının önüne geçilebilmektedir. Ancak hidrojen depolaması çözümünün günümüzde bazı önemli sorunları mevcuttur. Hidrojen depolama ile ilgili problemler, tercih edilen depolama yöntemine göre değişmektedir. Hidrojen depolama sistemleri, mevcut problemlerinin
27
çözümü ile birlikte geleceğin en önemli enerji depolama yöntemlerinden biri olarak görülmektedir.