LĠSANSÜSTÜ EĞĠTĠM ENSTĠTÜSÜ MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ
ANABĠLĠM DALI
MMB619 Isı Depolama Yöntemleri
Dr. Muhammet ÖZDOĞAN
2. Enerji Depolama Yöntemleri
İÇERİK
2.1 Giriş
2.2 Mekanik Enerji Depolama
2.3 Kimyasal Enerji Depolama
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
2.5 Nükleer Enerji Depolama
2.6 Yerçekimi Enerji Depolama
2.7 Isı Enerjisi Depolama
2.1 GİRİŞ
o Enerji depolamada en önemli amaçlardan biri, enerjinin istendiği zaman ve istenilen yerde bulunması sağlamaktır.
o Enerji depolama yöntemleri ile, atık enerji depolanabildiği gibi bir yandan da belirli periyotlarla enerji sağlayan yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji de depolanabilir.
o Günümüz de enerji kaynaklarının tükeniyor olmasından dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi ve depolanması büyük önem teşkil etmektedir.
o Enerji birçok değişik formlarda depolanabilir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.1 Giriş
Enerji depolama yöntemleri aĢağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
Mekanik enerji depolama
Kimyasal enerji depolama
Elektrik enerjisi depolama
Isı enerjisi depolama
Nükleer enerji depolama
Yerçekimi enerjisi depolama
2.2 MEKANİK ENERJİ DEPOLAMA
Mekanik enerji , mekanik bir sistemin bileşenlerinde yer alan potansiyel ve kinetik enerjinin toplamına denir.
Enerjinin mekanik olarak depolandığı yöntemler üç gruba ayrılabilir:
2.2.1 Pompa Depolamalı Hidroelektrik Sistemler 2.2.2 Sıkıştırılmış Hava Tabanlı Enerji Depolama 2.2.3 Volanlar
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
2.2.1 Pompa Depolamalı Hidroelektrik Sistemler
o Pompa depolamalı hidroelektrikli sistemlerin ana çalışma prensibi farklı yüksekliklerde bulunan suyun potansiyel ve kinetik enerjilerinden yararlanmaktır.
o Pompa depolamalı hidroelektrikli sistemlerde dikey şekilde konumlandırılmış iki adet su rezervi vardır. ġekil 2.1’ de verilmiştir.
o Alt rezervde bulunan su elektrik ihtiyacı az olduğu durumlarda pompa yardımıyla üst rezerve gönderilir ve böylelikle suyun potansiyel enerjisi artmış olur.
o Enerji ihtiyacı fazla olursa da su üst rezervden alt rezerve doğru hareketlendirilip kinetik enerjisi artırılır ve bu sırada elektrik enerjisi üretilir.
o Bu yöntem, suyun potansiyel enerjinin barajlarda depolandığı ve kapasitenin yüksek olduğu hidroelektrik santrallerinde kullanılmamaktadır.
o Bu yöntem suyun akış kanallarıyla yönlendirilerek kinetik enerjisinin arttırıldığı HES’lerde ve yenilenebilir enerji santralleri gibi düşük kapasiteli sistemlerde kullanılmaktadır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
ġekil 2.1.a: Pompa depolamalı hidroelektrik sistem
ġekil 2.1.b: Pompa depolamalı hidroelektrik sistem
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
ġekil 2.1.c: Pompa depolamalı hidroelektrik sistem
o Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin en büyük avantajı, GW büyüklüğünde enerji depolamasıdır.
o Dezavantajı da, coğrafi olarak uygun yerlerin az olması , kurulum süresinin ve maliyetinin yüksek olmasıdır.
o Yüksek maliyetini minimuma düşürebilmenin yolu ise depolama haznesini maksimuma çıkarmaktır.
o Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin öncülüğünü Japonya yapmaktadır.
o Nehirlerin üzerine birçok irili ufaklı bu sistemden inşa etmişlerdir.
o Ancak günümüz de nehirlerin yakınlarında uygun yer bulamamalarından kaynaklı yeri yerler arayışlarına girmişlerdir. Günümüz de artık deniz kenarlarına yerler yaparak deniz suyundan faydalanmaya başlamışlardır.
Japonya’ da deniz kenarına yapılan pompa depolamalı hidroelektrik sistemini aşağıda ġekil 2.2‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
ġekil 2.2: Japonya PHES
o Dünya da şuan birçok ülkede 1x105 MW üstü pompa depolamalı hidroelektrik sistemleri vardır. Bu ülkelerin çoğunda zengin fosil kaynaklar olmasına rağmen hala pompa depolamalı hidroelektrik sistemi inşa etmeye devam etmektedirler.
o Günümüzdeki pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin ürettiği elektrik dünya da üretilen elektriğin sadece %3‘ lük kısma denk gelmektedir.
o Kullanılan malzemeler doğru seçilirse bu oran artabilecektir.
o Türkiye‘ de ise pompa depolamalı hidroelektrik sistemi yapımı ilk olarak 2005 yılında Elektrik ĠĢleri Etüt Ġdaresi Genel Müdürlüğü tarafından yapılmıştır.
o Şuan da Türkiye‘ de 16 adet pompa depolamalı hidroelektrik sistem mevcuttur bunlar Tablo 2.1’ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
Tablo 2.1: Türkiye’deki Pompa depolamalı hidroelektrikli sistem
2.2.2 SıkıĢtırılmıĢ Hava Tabanlı Enerji Depolama
o Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama birçok yüksek güçlü projede kullanılan bir enerji depolama tekniğidir.
o Bu yöntem dalgalanmalı ve sürekli olmayan enerji kaynaklarının esnek enerji depolama sisteminde verimli çalışmasını sağlayacak bir teknolojidir.
o Gaz türbininin kullanıldığı bir güç santralinde gücün 2/3‘ lük kısmında yanma havasını sıkıĢtırmak için kullanılır.
o Elektrik enerjisi talebinin az olduğu periyorta elektrik enerjisinin havayı sıkıştırmak için kullanılmakta, elektrik enerjisi talebinin fazla olduğu periyotta ise sıkıştırılan hava gaz türbininde kullanılmaktadır.
o Bu sayede gaz türbininde gazı sıkıştırmak için da az miktarda elektrik enerji tüketilmede, gaz türbininde üretilen net elektrik enerjisi miktarı artırılmaktadır.
o Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama örneği ġekil 2.3 ‘ te verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
ġekil 2.3.a: Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama
ġekil 2.3.b: Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
o Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama tekniği yüksek basınçlarda (40-70 bar) kullanılır. Bu yüzden depolama ünitesinin kapladığı hacim azalmaktadır.
o Hava tabanlı enerji depolama sistemleri için en uygun yerler; yeraltında ki büyük mağaralar, eski zamanlardan kalan tuz madenleri ve son olarak yeraltı doğal gaz yataklarıdır.
o ġekil 2.3’ te görüldüğü gibi yerin alt katlarında bulunan bu yerlere havanın gönderilmesi ve tekrardan geri çıkartılması borular yardımıyla yapılmaktadır.
o Boru masraflarının çok olması nedeniyle yeni arayışlara gidilerek farklı bir yol bulunmuştur. Hava yerin hemen altında yüksek basınçlı borular içerisin de sıkıştırılarak boru ve kurulum maliyetlerinden kaçınılmış olur.
o Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama sisteminin enerji yoğunlu 12 kWh/m3 verimi ise %70‘ e yakındır.
o Verimi % 70‘ den yukarılara çıkarmak için bataryalarda ki self-deşarja benzeyen yöntemle hava kaçaklarını azaltmaya çalışılmaktadır.
o Sıkıştırılmış hava tabanlı enerji depolama sistemi ilk olarak 1978 yılında Almanya’nın Bremen kentinde kurulmuştur.
2.2.3 Volanlar
o Kinetik enerjinin bir volanın kütlesinde depolanması çok eskiden beri bilinen bir yöntemdir.
o Volanlar kinetik enerjiyi, mekanik enerji formunda depolayan ve tek eksende dönen bir kütledir.
o Volanlar darbeli çalışan yüklerde fazla enerjiyi kendi üzerine alır yük talebi arttığı zamanlarda bu yüke kendi enerjisini verir ve yük dengesi sağlanmış olur.
o Volanlar kontrollü güç sağlamak amacıyla uzay, ulaşım , telekomünikasyon ve nükleer araştırma endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
o Nasa’ nın 1961 senesinde volanları uzay çalışmalarında kullanmaya başlamıştır. O seneden sonra volan kullanımı artmıştır.
o Volanları döndürebilmek ve mekanik olarak hareket ettirebilmek için enerjiye gereksinim duyulur.
o Volanlar mekanik batarya olarak adlandırılır. Bunun sebebi , volan dönerken dönme hızı ve ataletiyle bağlantılı olarak bir miktar enerji depolar.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
ġekil 2.4.a: Volanını şematik gösterimi
ġekil 2.4.b: Volanını şematik gösterimi
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.2 Mekanik Enerji Depolama
Volanla Enerji Depolama Örneği
o Volanların bir avantajı da saatlerce şarj gerektiren bataryaların yanı sıra dakikalar içinde hızlanıp şarj olabilmektedir.
o Bu tip enerji depolaması yapılırken genel olarak volanlar uzun süreli çevirme ömrüne sahip olmaktadır ve yüksek şarj deşarj özelliği vardır.
o Genel anlamda volan satışı yapılırken volan ömrü olarak 20 yıl olarak belirlenir.
o Verim olarak %90 civarında çalışmaktadırlar. Volanlar hızlı tepki verme süresine sahiptir.
o Anlık tepkiler verebildiği için şebeke frekansının ayarlanmalarında da kullanılır.
o Enerji kayıpları çok fazladır ve volanlar çok maliyetlidir. Saatte % 20 enerji kayıpları vardır.
o Kısa süreli depolama için uygundur.
o En yaygın olarak kullanılan sistem yüksek hızlı volanlardır. Yüksek hızlı volanı ġekil 1.5‘ de verilmiştir.
2.3 KİMYASAL ENERJİ DEPOLAMA
o Kimyasal enerji, kimyasal tepkime olduktan sonra açığa çıkan enerjiye denir.
o Pil ve aküler günlük hayatımız da kimyasal enerjiyi, elektrik enerjisine çevirir. Kimyasal enerjiyi aynı zamanda mekanik, ışık ve ısı enerjisine de dönüşümü yapılabilir. Kimyasal enerjiyi bileşiklerinin oluşturduğu bağlarda depolayabilir ve ekzotermik tepkimelerle tekrar kazanabiliriz.
o Bu işlemleri yapabilmek için katalizör kullanma ihtiyacı olur.
Kimyasal enerji depolarken en çok kullanılan 2 yöntem vardır:
2.3.1 Hidrojenle Kimyasal Enerji Depolama 2.3.2 Amonyakla Kimyasal Enerji Depolama
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.3 Kimyasal Enerji Depolama
2.3.1 Hidrojenle Kimyasal Enerji Depolama
Hidrojen üretmenin seçenekleri fazla ve çeşitlidir. Güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından üretebildiği gibi fosil yakıtlardan, biyolojik proseslerle ve suyun elektrolizi ile üretimi mümkündür.
Uçaklarda ve taşıma araçlarında yakıt enerjisi olarak kullanıldı, fakat depolanması zor olduğundan ama istenilen verimi elde edilememiştir.
En yaygın olarak hidrojen gazı elde edebilmek için elektroliz yöntemi kullanılmaktadır. Hidrojenin elektroliz ile elde edilmesini ġekil 2.6’ da verilmiştir.
Diğer bilinen yanmaların aksine hidrojenin yanması işleminde dışarıya sadece su açığa çıkar bu yüzden bu yanma işlemi çevre dostudur.
Son zamanlarda hidrojen gazı yakıt pillerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.3 Kimyasal Enerji Depolama
ġekil 2.6.a: Hidrojenin elektrolizi
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.3 Kimyasal Enerji Depolama
2.3.2 Amonyakla Kimyasal Enerji Depolama
o Fosil yakıtlardan üretilen amonyağın karbon salınımını minimuma indirmek için elektrik kullanılarak bu işlemi yapmak gerekir.
o Karbonsuz ve temiz bir yakıt olan amonyak gelecekte bu yakıtın üretimini yapan devletlere büyük kazançlar getirecektir.
o Amonyak suyun aksine daha uygun sıcaklıklarda ayrışır.
o Amonyak ile güneş enerjisinden sürekli ısı elde etmek mümkündür.
o Orta basınçlı amonyak üretimini ġekil 2.7’ de verilmiştir.
ġekil 2.7.a: Amonyak üretimi
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.3 Kimyasal Enerji Depolama
ġekil 2.7.b: Amonyak üretimi
Amonyak depolama
2.4 ELEKTRİK ENERJİSİ DEPOLAMA
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
o Elektrik enerjisi maddenin kendisine ait bir özelliktir. Atom yapısında hareket eden elektronların oluĢturduğu kuvvete elektrik enerjisi kuvveti denir.
o Görülemeyecek kadar küçük olan elektronların varlığını temas ederek hissedebiliriz.
o Elektrik enerjisinin günümüz de kullanımı iyice artmıştır. Kullanmakta olduğumuz klima, televizyon, buzdolabı, aydınlanmak için kullandığımız lambalar gibi birçok hayatımızı kolaylaştıran aletlerde elektrik enerjisinin kullanımını görürüz.
o Elektrik enerjisinin dönüşümü mümkündür. Örnek verecek olursak barajlarda suyu aşağıya düşürerek suyun potansiyel ve yer çekimi enerjisini , yerdeki türbini çevirerek mekanik enerjiye döndürmüş oluruz.
Türbinin dönmesi sonucu oluşan mekanik enerjiyi jeneratörler de elektrik enerjisine döndürmüş oluruz.
o Su barajlarıda elektrik enerjisi üretimini ġekil 1.8’ de verilmiştir. Üretilen elektrik enerjisi daha sonra evlerimize hatlar yardımıyla gönderilerek farklı işler için kullanılmaktadır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
o Gittikçe artan elektrik talebi, yeni teknoloji olan elektrikli araç teknolojisi ve başka teknolojik gelişmelerden dolayı elektriği güvenli ve bol sunabilmek büyük önem taşımaktadır.
o Elektriği depolamak enerji arz güvenliğini sağlamaktadır. Ayrıca ucuz iken depolanan elektrik enerjisi elektriğin pahalı olduğu zamanda kullanılabilmektedir.
o Elektriğin depolanması,, elektrik enerjisinin mobil olarak kullanılmasına olanak tanımaktadır.
ġekil 2.8: Su ile barajlarda elektrik üretimi
Elektrik enerjisi depolama yöntemi:
2.4.1 Bataryalar
2.4.1.1 Kurşun Asit Bataryalar
2.4.1.2 Sodyum Nikel Kolorid Bataryalar 2.4.1.3 Nikel Kadmiyum Bataryalar
2.4.1.4 Nikel Metal Hidrit Bataryalar 2.4.1.5 Sodyum Sülfür Bataryalar 2.4.1.6 Lityum İyon Bataryalar 2.4.1.7 Akışkan Bataryalar 2.4.2 Ultra Kapasitörler
2.4.3 Yakıt Hücreleri
2.4.4 Süperiletken Manyetik Enerji Depolama
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
2.4.1 Bataryalar
o Bataryalar elektrik enerjisini depolamanın en eski yöntemlerinden biridir.
o Bataryalar kimyasal reaksiyonlar sonucu elektrik üreten bir sistemdir.
o Genel anlamda bataryalar iki kısımdan oluşur. Bunlardan biri negatif yük olan katota diğeri ise pozitif yük olan anota bağlıdır.
o Bataryalar bir cihaza bağlandığında negatiften pozitife doğru akmaya başlar.
Bu pozitif ve negatif yükler elektrolit denilen ortamla çevrilidir.
o Bataryalar da en sık olarak nikel, lityum, kurĢun ve sodyum çeşitlerinden oluşur.
o Yeni teknoloji ürünü olan bataryalar ise demir, vanadyum ve krom elektrokimyası özelliği kullanılır.
o Bataryalar üretim özelliği ve kullanım yöntemlerine göre birbirlerinden farklılık gösterirler. Bunun sebebi; batarya üretilirken enerji ve güç çıkışı, kapasite, kullanım ömrü ve verimden kaynaklıdır.
2.4.1.1 Kurşun Asit Bataryalar
o Kurşun asit bataryaların yapısında kurĢun(Pb) katot, kurĢun dioksit(PbO2) anot ve sülfürik asit(H2SO4) elektrolit vardır.
o Günümüze kadar dünyada en yaygın olarak kullanılan batarya olmuştur.
o Kurşun asit bataryaların en çok kullanım yeri olarak araçlardaki starter akülerdir. Araçlarda ışıklandırma, ateşleme ve başlatma işlerini yerine getirmeye yarar. %72 ile %78 verim aralığında çalışan bu bataryaların verimini artırmaya yönelik çalışmalar devam etmektedir.
o Teknoloji artmasına rağmen değerini yitirmeyen kurşun asit bataryalar çalışma alanının genişliğinden dolayı tercih edilmeye devam etmiştir.
o Kurşun asit bataryalar 2 voltluk çıkış gerilimine sahiptir ve bu yüzden yüksek gerilim seviyesine sahip değildir.
o ġekil 2.9‘ da kurşun asit akünün yapısını verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.9.a: Kurşun asit akü yapısı
ġekil 2.9.b: Kurşun asit akü yapısı
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
KurĢun asit akünün çalıĢma yapısı
KurĢun asit bataryaların avantajları:
Düşük yatırım maliyeti,
Bakımının kolay olması
Şarj edilebilir bataryalar arasında self-deşarja sahip olmasıdır.
KurĢun asit bataryaların dezavantajları:
Ortam sıcaklığı artınca azalan performansı,
Kısıtlı çevrim ömrü,
Düşük enerji yoğunluğu,
Batarya deşarj olurken hassasiyet,
İçindeki kurşun ve asit bileşeninin çevreye verdiği zarardır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
2.4.1.2 Sodyum Nikel Kolorid Bataryalar
o Sodyum nikel kolorid bataryaların yüksek enerji yoğunluğu sayesinde büyük bataryaların kullanıldığı sistemler için avantaj sağlamıştır.
o Çalışma aralığı olarak 270 °C ile 350 °C sıcaklıklarına çıkabilmektedir.
o Yapısında sodyum ve nikel kolorid elektrotlar vardır.
o Sodyum nikel kolorid bataryaların bir başka avantajı ise yüksek hücre gerilimi ve yüksek Ģarj deĢarj olayına daha dayanıklı olmalarıdır.
o Bu bataryaları araçlara kullanabilmek için birçok çalışma devam etmektedir.
2.4.1.3 Nikel Kadmiyum Bataryalar
o Şarj edilebilir pil olarak anılır.
o Yapısında elektrot olarak metal kadmiyum ve nikel oksit hidroksit vardır.
o 1.2 V düzeylerinde çıkış voltajına sahiptir.
o Çalışma verimi olarak %75 verimle çalışmaktadır.
o Kurşun asit bataryalara göre uzun çevrim ömrü, düĢük bakım gereksinimi ve yüksek enerji yoğunluğu sayesinde gündelik hayatımız da çok fazla yer tutmuştur.
o Deşarj olurken tatmin edici döngü özelliği ve yüksek performans gösterirken bile düşük sıcaklıklarda çalışabilme gibi avantajları vardır.
o Dezavantajları ise kurşun asit bataryalara kıyasla daha pahalıdırlar ve çevreye verdiği zarar çok fazladır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
o Eskiden nikel kadmiyum bataryalar bazı elektrikli taşıtlarda ve taşınılabilir cihazlarda kullanırken, şimdi ise kullanımı azalmıştır.
o Çünkü çevreye verdiği zarardan dolayı kullanılmamaktadır.
o 1990 senesinden sonra yerini nikel metal hibrit ve lityum iyon bataryalara vermiştir ve aynı zamanda medikal aparatlarda da kullanılmışı yasak edilmiştir.
o Nikel kadmiyum pili ġekil 2.10‘ da verilmiştir.
ġekil 2.10: Nikel kadmiyum pil
ġekil 2.10: Nikel kadmiyum pil
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
2.4.1.4 Nikel Metal Hidrit Bataryalar o Şarj edilebilen bataryadır.
o Nikel metal hidrit hücreler, nikel hidroksit pozitif elektrotlarını kullanır.
o Artırılmış performansı ve çevreye az zarar vermesinden kaynaklı kullanışlı bir batarya özelliğine sahiptir.
o Yapılarında cıva, kurşun ve kadmiyum gibi zararlı maddeler olmadığından dolayı kurşun asit ve nikel kadmiyum bataryalara göre çevreye daha az zarar vermektedir.
o Enerji yoğunluğu olarak nikel kadmiyum bataryalara göre %25 ile %30 oranında daha yoğundur.
o Yapısındaki bileşimler göz önüne alındığında daha yüksek verimle çalışması mümkündür ama daha yüksek verime çıkmanın bazı yan etkileri de beraberinden getirdiği için gerek duyulmaz.
o Lityum iyon pillerle de enerji yoğunluğu kıyaslamak gerekirse bu konuda geride kalmaktadır. Bu yüzden lityum iyon pillerin gölgesinde kalmıştır.
o Lityum iyon bataryalara göre maliyet olarak daha ucuzdur.
o Nikel metal hidrit bataryaların dezavantajlarını söylemek gerekirse de, self deĢarj özelliğindeki problemlerden dolayı tercih edilmemektedir. Bir başka şekilde, uzun süreli depolama yapmaya izin vermemesidir.
o Nikel metal hidrit bataryaların avantaj ve dezavantajlarına bakıldığında ileride yenilenebilir enerji uygulamalarında daha fazla yer alacağı görülmektedir.
ġekil 2.11‘ de nikel metal hidrit bir bataryayı verilmiştir.
ġekil 2.11: Nikel metal hidrit batarya
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.11.b : Toyota nikel metal hidrit batarya
2.4.1.5 Sodyum Sülfür Bataryalar
o Sodyum sülfür bataryalar, sıvı tuz sodyum ve sülfürle beraber yapılmıştır.
o İşleme sıcaklığı olarak 300 °C de işlenmektedir. 300 °C gibi sıcaklıklara çıkabildiği için yüksek sıcaklıklarda da problem çıkarmadan çalışmaktadır.
o O kadar verimli çalışabilme özelliği vardır ki verimi % 100 kabul edilir.
o Sodyum sülfür bataryaların çalışabilmesi için bazen ekstradan ısı kaynağı lazımdır.
o Sodyum sülfür bataryanın bir dezavantajı ise yüksek maliyetli olmasıdır.
o Sodyum sülfür bataryaların geçmişi 30 yılı aşmaktadır. Sodyum sülfür bataryayı piyasaya 2002 yılında Japon NGK firması sunmuştur.
o Sodyum sülfür bataryaların yapısını ġekil 2.12‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.12: Sodyum sülfür batarya
2.4.1.6 Lityum İyon Bataryalar
o Birçok alanda kullanılan lityum iyon bataryalar ilk olarak 1991 yılında Sony tarafından üretilmiştir. ġarj edilebilir batarya olarak da anılmaktadır.
o Bu bataryalar deĢarj olurken lityum iyonları negatiften pozitif elektrota doğru geçer. ġarj olurken ise tam ters durum mevcuttur.
o Lityum iyon bataryalar gündelik hayatımız da kullandığımız taşınabilir teknolojik cihazlarda, mp3 çalarlarda, cep telefonlarında ve laptoplarda sıkça kullanılmaktadır.
o İleri de alternatif enerji kaynaklı uygulamalarda bu teknolojinin daha fazla kullanılması beklenmektedir.
o Lityum iyon bataryalar diğer bataryalara kıyasla %100’e yakın verimlilikle ve daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir.
o Lityum iyon bataryaların avantajlarını söylemek gerekirse, hafiftir, 4 V gibi yüksek gerilim seviyesi ve 150 Wh/kg düzeylerinde enerji seviyeleri vardır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
o Lityum iyon bataryaların dezavantajı ise yüksek ilk yatırım maliyeti ve çalışma limitlerinde ki hassasiyetten kaynaklı değişik şarj yapılarıdır.
o Diğer bataryalara göre şarjda uzun kaldığı zaman batarya yapısında hasarlar oluşur.
o Lityum iyon bataryaların hassas bir yapısı vardır. Bu bataryaların hassas kimyasal yapısını güçlendirmek için çalışmalar yapılmaktadır.
o Dayanıklılığın çok gerektiği elektrikli taşıt çalışmalarında bu konuyu geliştirmek için çalışmalar yapılmaktadır.
o Genel olarak bu çalışmalar da bataryanın elektrolit yapısında kullanılması için yeni materyal geliĢtirilmesi ve üretim fiyatını düĢürülmeye çalışılmaktadır.
o Yapılan bu çalışmalarla beraber gelecekte en çok kullanılan bataryanın lityum iyon batarya olması hedeflenmiştir.
o Lityum iyon bataryanın yapısını ġekil 2.13’ de verilmiştir. Elektrolit yapıları düzensizdir.
ġekil 2.13: Lityum iyon batarya yapısı
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
Lityum iyon bataryanın çalıĢma yapısı
2.4.1.7 Akışkan Bataryalar
o Bu bataryalar, çoklu elektrokimyasal hücrelere ve seri olarak birbirine bağlı iyon dönüĢümüne bağlanmıştır.
o Bu konfigürasyon hücrenin gücünü belirlemede kullanılır. Elektrolitlerin kontrolü kimyasal tanklar yardımıyla olur.
o Bu bataryaların çıkış hücre voltajı 1,8 V ‘a kadardır.
o Akışkan bataryaların yüksek enerji potansiyelleri vardır.
o Ayrıca güç ve enerji akışı ayrı yapılmaktadır. Güç ve enerji akışının ayrı yapılmasından kaynaklı şebeke uygulamalarında sıkça kullanılmaktadır.
o Akışkan bataryaların maliyetinin fazla olmasından kaynaklı bu maliyeti azaltmak için gerekli çalışmalar hala devam etmektedir.
o Akışkan bataryaların en çok kullanılan türü demir vanadyum bataryalardır.
o Demir vanadyum bataryalarda harici elektrolit tankları genel olarak istenilen ebatlarda boyutlama yapılır. Bu elektrolit tanklarında iki adet çözünür redoks çifti vardır.
o Demir vanadyum bataryasıın çalışma yapısı ġekil 2.14‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.14: Demir vanadyum batarya yapısı
ġekil 2.14: Demir vanadyum batarya yapısı
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
2.4.2 Ultra Kapasitörler
o UK‘ lar enerjiyi pozitif ve negatif olarak ayırarak depo ederler.
o UK‘ ların temel yapısı elektro kimyasal çift katmanlı yapıda, yapının üzeri yüzeysel elektrottan ve bu yüzeyi ayırıcı bir yüzey daha vardır. Ayırıcı yüzeyin amacı yüzey elektrotlarında meydana gelen fiziksel deformasyonları önlemektir. Ayırıcı yüzey aynı zamanda iyon geçişlerine de izin vermektedir.
o UK yüksek kapasiteye sahiptir. Bunun sebebi yüzeysel elektrotlarının nano boyutlarda olmasıdır.
o UK’ lar genel olarak küçük sistemlerde kullanılıyor olsa da, UK’ lar elektrikli taşıtlarda da kullanıldığında büyük avantajlar sağlamaktadır.
o Elektrikli araçlarda frenleme yapılınca geri kazanılan elektrik mantığının bulunmasında çok faydalı olmuştur.
o Kimyasal reaksiyona girmemesinden dolayı araç fren yaptığında çok hızlı bir şekilde açığa çıkan enerjiyi depolar.
o Bataryalar aynı reaksiyonu aynı hızda yapamamasından kaynaklı elektrikli araç teknolojisinde bataryalara göre daha çok tercih edilme sebebi olmuştur.
o Bataryalar tekrar şarj edilirken iç yapısında kimyasal reaksiyonlar gelir ve batarya çevrim ömrü binler seviyesinde kalır ama UK’ ların çevrim ömrü olarak milyonlar seviyesinde çevrim yapabilir.
o UK’ ları bataryalardaki gibi sıcaklıkla ilgili hiçbir etken etkilemez.
o UK’ lar bataryaların çalışamadığı -40 °C gibi soğukta bile başarılı bir şekilde performans gösterir.
o UK’ ların enerji yoğunluğu artırmak için günümüzde çalışmalar yapılmaktadır.
o Bu amaçla UK’ nın yapısına farklı bileşenler eklenmektedir.
o Yapısında ki karbon yerine nanotüp koyma tekniği kullanılmaktadır. Kullanılan nanotüp UK‘ nın enerji depolama miktarını %25 ile %50 arasında artırmaktadır.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
o UK ‘ lar yüksek enerji depolama özelliği sayesinde bataryalardan fazla tercih edilmeye başlamıştır.
o UK’ lar ile birlikte çok büyük kapasiteler çok küçük boyutlarda depolanmaya başlanmıştır. Bir UK şeklini ġekil 2.15‘ de verilmiştir.
o UK ile batarya farklarını Tablo 2.3‘ de verilmiştir.
ġekil 2.15: UK yapısı
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
Tablo 2.3: UK ile batarya farkları
2.4.3 Yakıt Hücreleri
o Yakıt pilleri, herhangi bir yanma prosesi olmaksızın yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal dönüştürücülerdir.
o Özgül iç enerjileri bataryalardan daha fazladır.
o Özgül güç değeri ise bataryalardan daha düşüktür.
o Yakıt hücrelerinin dezavantajı ise pahalı olmasıdır ve ani yük değişimlerine uyum sağlayamamaktadır.
o Bu yüzden diğer elektrik enerjisi depolama sistemlerine göre yüksek güç kapasitesi olarak daha geri seviyededirler.
o Yakıt hücresi çalışma prensibini ġekil 2.16‘ da verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.16: Yakıt hücresi çalışma prensibi
2.4.4 Süperiletken Manyetik Enerji Depolama
o Süperiletken manyetik enerji depolama(SMES) sisteminin yapısında bobin içerisindeki akan akım ile oluşan manyetik akım alanda enerji depolanır.
o SMES iç yapısında, süperiletken bobin, soğutma sistemi ve enerji depolama sistemi vardır.
o Verim olarak %97 seviyelerinde çalışır.
o Kısa tepki verme süreleri, aktif ve reaktif güç ayrı ayrı kullanılabilir ve uzun ömürlüdür.
o Çok fazla avantajı olduğu için tercih edilen bir depolama sistemidir.
o Bunlar elektrik şebekelerinde pik değerlerinin karşılanması, frekans kontrolü, sistem kararlılığı gibi önemli yerlerde kullanılır.
o Süperiletken manyetik enerji depolama sistemini ġekil 2.17 ‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.17:SMES
ġekil 2.17:SMES
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.4 Elektrik Enerjisi Depolama
ġekil 2.17:SMES
2.5 NÜKLEER ENERJİ DEPOLAMA
o 1879 yılında uranyumun keşfi ile başlayıp 1934 yılında atomun kontrollü şekilde parçalanması ile nükleer enerji kullanımı başlamıştır.
o Ağır atomların bölünmesi veya hafif çekirdeklerin birleşmesi sonucu nükleer enerji açığa çıkar.
o Nükleer enerji günümüz de iyice yaygınlaşmıştır. Birçok ülke artık nükleer enerjiyi ticaret amacıyla kullanmaktadır.
o Nükleer enerji üretimin de kullanılan yakıtların içinde uzun ömürlü izotoplar vardır.
o Kullanılmış nükleer enerji iki yolla tekrardan geri kazanılabilir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.5 Nükleer Enerji Depolama
o Tekrar kazanımın ilk yolu kullanılmış nükleer yakıt yeniden işlenerek içindeki yanabilecek uranyum ve pluyonyum geri alınır ve yüksek aktiviteli olduğu için camlaştırılarak depolanır.
o İkinci yol ise işlemsiz bir şekilde geri depolanmasıdır.
o Depolama kararı verilmiş nükleer yakıtlar sızdırmayan ve aşınmalara karşı güçlü olan çelik kaplarda korunup yer üstünde veya yer altında muhafaza edilmelidir.
o Bu nükleer yakıtların zararlı olmasından kaynaklı bir sızıntı durumunda çevreye büyük zararlar verebilir. Bunu önlemek için yer altı depo sistemi daha yaygın ve daha gelecek vadeden bir depolama yöntemi olmuştur.
o Yerin yaklaşık 600 ile 1000 metre altında sulardan uzak ve deprem riski az olan yerlerde depolanmalıdır.
o Camlaştırılmış yüksek seviyeli atık depolama sistemini ġekil 2.27‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.5 Nükleer Enerji Depolama
ġekil 1.27: Camlaştırılmış yüksek seviyeli atık depolama sistemi
2.6 YERÇEKİMİ ENERJİ DEPOLAMA
o Günümüzde yerçekimi enerjisi ile enerji depolamaya büyük yatırım yapan şirketler vardır. Bunların başında Gravitricity şirket gelmektedir.
o Bu şirket enerji depolamak için 1,5 kilometre uzunluğunda kuyular kazıp bu kuyuların içinde 500 ile 5000 ton aralığında yükler aşağı yukarı indirip kaldırarak enerji depolamaktadır.
o Sistem verimlilik olarak %80 ile %90 verim ile çalışacağı düşünülüyor.
o Gravitricity projesini ġekil 2.28‘ de verilmiştir.
2. Enerji Depolama Yöntemleri
2.6 Yerçekimi Enerji Depolama
ġekil 2.28: Gravitricity projesi
2.7 ISI ENERJİSİ DEPOLAMA
Isı depolama yöntemleri detaylı olarak önümüzdeki haftalarda detaylı
olarak anlatılacaktır.
Ders sona ermiştir. Bir sonraki derste görüşmek dileğiyle…
Dr. Muhammet ÖZDOĞAN
2. Enerji Depolama Yöntemleri
