ENERJİ TASARRUFU - Deneme Sınavı - 5

Özellikle son yıllarda Avrupa’da bu yönde çok ciddi adımlar atılmış ve elektrik alt yapıları bu kaynakların daha fazla kullanıldığı modeli dikkate alarak revize edilmiştir. Yapılan projeksiyonlarda 2030 yılına kadar Avrupa’da rüzgâr ve güneş santrallerinden elde edilen enerjinin, toplam ihtiyacın %50’den fazlasını karşılayacağı yönündedir.

Üretilen enerjinin depolanabilmesi için farklı teknolojiler ve teknikler kullanılmakta ve bunlar beş ana başlık altında özetlenmektedir. Bunlar; elektrokimyasal enerji depolama, mekanik enerji depolama, kimyasal depolama elektriksel depolama ve ısıl depolama şeklinde listelenebilir. Elektrokimyasal enerji depolama; içeriği ile kimyasal enerjiyi bir çeşit yükseltgenme indirgenme reaksiyonu sonucunda elektrik enerjisine dönüştürebilen yöntemdir. Günümüzde kullanılan bataryalar (standart ya da akış tipi) bu tip depolama yönteminin örnekleridir.

Fizik yasalarından bilindiği üzere enerji var ya da yok edilemez, ancak bir biçimden diğerine dönüştürülür. Belirtilen enerji depolama yöntemlerinde de yapılan tam olarak budur. Kimyasal enerji, mekanik enerji şarj ve deşarj durumlarına bağlı olarak ya elektrik enerjisine dönüştürülür ya da elektrik enerjisini kimyasal ve mekanik enerjilere dönüştürürler.

Bataryalar günümüzde en önemli enerji depolama araçlardır. Kullanılan mobil aracın ya da sabit aracın ihtiyacına bağlı olarak büyüklüğü ve üretilen gücü ayarlanabilen araçlar, birkaç W’dan yüzlerce kW’a kadar güç sağlayabilme özelliğine sahiptirler. Bataryalar çoğunlukla kimyasal yapılarına göre birbirlerinden ayrılırlar. Her bir kimyasal yapı kimyasal hücre olarak anılır ve temel olarak üç kısımdan oluşurlar; pozitif uç (katot), negatif uç (anot) ve elektrolit (solüsyon). Tekrar şarj edilebilir bataryalarda voltaj üretmek için gerçekleştirilen kimyasal reaksiyon ters çevrilerek enerji depolanması sağlanabilir.

Kurşun asit batarya dünya genelinde en yaygın kullanılan batarya tiplerindedir ve mobil ya da sabit birçok sistemde kullanılmaktadır. Temel bileşenleri elektrotlar, seperatörler ve elektrolitlerdir. Kurşun asit bataryaların sağladığı avantajlar aşağıdaki gibi sıralanabilir: • Kurşunun düşük maliyeti ve kolay elde edilebilirliği • Yüksek dayanım • Hücrelerde elde edilebilen yüksek potansiyel • Elektrokimyasal verimlilik • Çevrim ömrü. Bu bilgilere göre özellikleri sıralanan batarya kurşun asit bataryadır.

Nikel kadmiyum (Ni-Cd) bataryalar pozitif uçta nikel hidroksit ve negatif uçta metalik kadmiyum ve elektrolit olarak potasyum hidroksitten oluşmaktadırlar. Çok düşük sıcaklıklarda (-40 °C) çalışabilmesi, uzun ömürlü olması, kapalı ve bakıma ihtiyaç duymayan hücreleri ve yüksek kapasiteleri
(10 mAh – 20 Ah) ile bir dönem özellikle kurşun asit bataryalara karşı daha çok tercih edilmekteydi. Ancak kadmiyumun toksik özelliklerinin belirlenmesi bu batarya tipinden vazgeçilmesine neden olmuştur ve günümüzde yerini nikel metal hidrata (NiMH) bırakmıştır.

Geleneksel bataryalarda aktif kütleler elektrotlarda saklanıyordu, redokslarda ise solüsyonlarda bulunmaktaydı. Adından da anlaşılacağı üzere hibritlerde hem elektrotta hem de solüsyonda saklanmaktadır. En yaygın olarak kullanılan elementler ise çinko ve bromürdür.

Mekanik depolanma yöntemlerinden olan volanlar, bir hazne içerisinde dönen bir kütle, bu kütleyi hazne içerisinde tutan yataklar ve hem motor hem de jeneratör olarak kullanılabilen iletim cihazından
oluşmaktadır (Şekil 8.5). Enerji bu cihazlarda kinetik enerji olarak depolanmakta ve hazne
içerisinde motor tarafından tahrik edilen kütlenin dönmesi sayesinde saklanmaktadır. Önceki yöntemlerde de belirtildiği gibi depolama elektrik tüketiminin periyotta şebekedeki elektriğin motoru tahrik etmesi ve neticesinde rotorun dönmesi ile sağlanmaktadır ve bu dönüş sabit bir hızda gerçekleşir ve hız ne kadar yüksek ise depolanan enerjide o kadar yüksek olur.

Bu yöntemde üretiminin şebekeye fazla geldiği periyotta depolama işlemi gerçekleştirilir ve pik zaman tüketimi için gerekli olan enerji saklanır. Proses, şebekedeki fazla elektriğin suyun elektrolizi için kullanılması ve bunun neticesinde ayrışan hidrojen moleküllerinin depolanmasıdır. Elektrik üretebilmek için ayrışan bu hidrojen ve oksijen yakıt hücrelerinde elektrokimyasal reaksiyon ile birleşir, su oluşur, ısı açığa çıkar ve elektrik elde edilir. Hem ekonomik hem de uygulamada yaşanan sorunlardan dolayı oksijen ayrışma esnasında depolanmaz ve serbest bırakılır. Benzer biçimde su elde edilmesi esnasında da gene ihtiyaç duyulan oksijen havadan temin edilir. Proses şebekedeki fazla elektriğin suyun elektrolizi için kullanılması ile başlatılmasıdır.

Bu yeni tip kondansatörün beraberinde getirdiği avantajlar aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Yalıtkan malzemesinde herhangi bir kimyasal reaksiyon gerçekleşmez.
Şarj/deşarj çevriminde genel itibari ile indirgeme olmadığından, öngörülen çalışma ömrü 1 milyon çevrimden fazladır.
Çalışma sıcaklıkları geleneksel bataryalardan yüksektir.
Geniş yüzey alana sahiptirler bu da iç direnci ve kayıpları azaltır.
Sığaları (elektrik yükü depo etme yeteneği) çok yüksektir. (binlerce Farad mertebesinde)

Mekanik enerji depolama, elektrik enerjisinin mekanik sistemlerde kinetik ya da potansiyel olarak depolandığı yöntemdir.
Kimyasal depolama, kimyasal ifadesi hem elektrokimyasal da olduğu gibi kimyasal reaksiyon sonucu elektrik enerjisinin iki yönlü olarak dönüştürülmesini hem de bir ünite içerisinde kimyasal reaksiyon sonucu elektrik enerjisi üretiminde kullanılabilecek gazın depolanmasını tarif etmektedir.
Elektriksel depolama, elektrik enerjisinin sistemlerde elektro-statik ya da elektromanyetik olarak depolandığı durumları göstermektedir.
Isıl depolama, elektrik enerjisinin depolanmasından ziyade, ihtiyaç duyulduğu zaman, ısıtma ya da soğutma amaçlı olarak kullanılacak enerjinin depolanmasını tarif etmektedir.
Elektrokimyasal enerji depolama; içeriği ile kimyasal enerjiyi bir çeşit yükseltgenme indirgenme reaksiyonu sonucunda elektrik enerjisine dönüştürebilen yöntemdir. Günümüzde kullanılan bataryalar
(standart ya da akış tipi) bu tip depolama yönteminin örnekleridir.

Bataryalar elektrokimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren araçlardır.

Kurşun asit bataryaların sağladığı avantajlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Kurşunun düşük maliyeti ve kolay elde edilebilirliği
Yüksek dayanım
Hücrelerde elde edilebilen yüksek potansiyel
Elektrokimyasal verimlilik
Çevrim ömrü
Ancak bu bataryaların ömrü 6-15 yıl arasıdır.

Bu bataryaların en önemli avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Yüksek hücre potansiyeline sahiptirler (3.6-3.7 V –nominal olarak-)
Yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler.
Bu bataryalar yüksek verimlilikle çalışırlar.
(%95-98)
5000 tam çevrime kadar yüksek verimlilikle çalışabilme.

Eriyik halde bulunan elektrotlar için çalışma sıcaklığı 300-350 °C olmaktadır.

Volanların avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Mükemmel çevrim dengesine sahiptirler ve uzun ömürlüdürler.
Bakım ihtiyaçları azdır.
Güç yoğunlukları yüksektir.
Kompakt bir yapıya sahiptirler bu uygulama alanlarının genişlemesine yardımcı olmaktadır.
İhmal edilebilir çevresel etkileri vardır.

Sıvı metan 21 MJ/L, Metanol 16 MJ/L, Sıvı Hidrojen 8 MJ/L, Sıvı Amonyak 13 MJ/L, Li-iyon 2 MJ/L.

CO2 + 4H2  => CH4 + 2H2O

Gizli Isının Depolanması yöntemi sıklıkla faz değişimi ile ısı depolanması olarak da literatürde adlandırılmaktadır.

Su pompalama en yüksek kapasiteli yöntemdir (127 000 MW ile mevcut kurulu tesislerin neredeyse tamamına karşılık gelmektedir - %99). Bunu sıkıştırılmış hava (440 MW), NaS (316 MW) ve Li-iyon (≈70 MW), kurşun asit (≈35 MW), Ni-Cd bataryalar (≈27 MW) ve volan (25 MW) takip etmektedirler.