Elektrik Enerjisi Depolama Sistemleri - I

Üretimde gittikçe artan elektrik talebinin yanı sıra, elektrikli araç talep ve teknolojilerindeki gelişmeler de enerji depolamasının örgün ve yaygın güvenli sunumunun önemini artırıyor. Depolama olanakları ayrıca, elektriğin uzun erimde ucuz iken üret depola ve sonra kâr ederek sat gibi ilave ticari meta özelliği de kazandırıyor. Bu nedenlerle depolama ve buna yönelik yatırımların oluşması gereklilik haline geldi. Sanayisi gelişmiş ülkeler konuya stratejik bakıyor ve yenilikçi uygulamalar ortaya koyarak depolama sistemlerini sayısal ve teknolojik olarak geliştiriyorlar.

IRENA tarafından, 2017’de 4,67 terawatt/saat olan elektrikli depolama kapasitesinin, yenilenebilir enerji üretiminin iki katına çıkması ile 2030 yılında 11,9-15,7 TW’ye çıkacağı öngörülüyor. Yine 2017’de hidrolik kaynaklı elektrik depolama kapasitesi, toplam depolama kapasitesinin %96’sı iken 2030’a gelindiğinde diğer elektrik depolama türlerinin gelişimi ile bu oranın %45’ler düzeyine gerileyeceği düşünülüyor. Başka bir ifade ile rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilen elektriğin depolanması, bu tesislerde olmazsa olmazlardan biri olacak. Depolamanın, konutlarda da şebekeden elektriksel bağımsızlığı ve kendine yeterliliği sağlayacak olan teknolojik gelişme ve fiyat düşüşleri ile önem kazanacağı ve konut tipi depolamanın toplam depolamada önemli bir yere geleceği öngörülüyor.

Elektrik Depolama Sistemleri

Elektrik depolama sistemleri, kullandıkları depolama teknolojilerine göre kimyasal/elektromekanik, mekanik, elektromanyetik ya da termik düzenekler olarak sınıflandırılabilirler.

1. Kimyasal ve Elektromekanik Elektrik Depolama Sistemleri (Chemical and Electromechanical Electric Storage)

1.1. Bataryalar

Bataryalar kimyasal reaksiyonla elektrik üreten sistemlerdir. Temel olarak iki farklı kimyasaldan oluşan batarya hücresi, biri negatif yüklü katota ve diğer pozitif yüklü anota bağlıdır. Bir cihaza bağlandığında negatif elektrot elektronları cihazın üzerinden pozitif kutba yani anota doğru akar. Katot ve anot elektrolit denilen kimyasal ortam ile çevrilidir. Bugün yaygın batarya kimyasalları kurşun, nikel, sodyum ve lityum elektrokimyasına dayalıdır. Gelişen teknolojiyle birlikte ortaya çıkan akışkan bataryalar ise vanadyum, krom ve demir elektrokimyasını yaygın olarak kullanır. Her elektrik depolama bataryası kapasite, enerji ve güç çıkışı, şarj /deşarj seviyesi, verim ve kullanım ömrü olarak kendine özgü özelliklere sahiptir. Bu farklılıklar nedeniyle yönergeler, kullanım şekilleri, montaj ve muhafaza koşulları ile çalıştırma bakım ve atık yönetim şekilleri de farklıdır. Yenilenebilir kaynaktan yüklenen enerjiyi kullanmak için yalnızca şarj edilebilen bataryalar kullanılır.

1.1.1 Kurşun Asit Bataryalar

1859 yılında Fransız fizikçi Gaston Plante tarafından icat edildi. En eski ve en olgun batarya teknolojisidir. Batarya kurşun (Pb) katot ve kurşun dioksit (PbO2) anot ve sülfürik asit (H2 SO4) elektrolitten oluşur. Şu anda dünyada en yaygın kullanılan batarya türüdür.

En çok kulanılanı, araçlardaki starter akülerdir. Araçların başlatma, ışıklandırma ve ateşleme fonksiyonlarını yerine getirir.

Derin döngülü (deep cycle) traksiyoner aküler ise yüksek demeraj akımı gerektiren forklift, vinç, hareketli araçlarda kullanılır. İnce plakalardan oluşan hücreler daha fazla yüzey oluşturması nedeniyle kalın kapasiteleri, kalın plakalılardan daha fazladır. Bu nedenle bu bataryalar, yüksek başlangıç akımı gerektiren motorlu araçlarda kullanılırlar.

Kalın plakalı sabit istasyoner bataryalar güç kesilmesinin tolere edilemeyeceği yerlerde kullanılır. Diğer teknolojilere göre eski ve kendini kanıtlamış olduğu için yoğun enerji tüketilen mekânlarda, stad by back up gücün gerektirdiği şalt tesislerinde (switch gear), türbin motorları, veri merkezleri ve güvenilir yedek yükün kritik olduğu yerlerde yedek kaynak olarak kullanılır.

ABD’de kalsiyumu diğer alaşımlarla kullanmak havalandırmalı kurşun-asit batarya hücrelerinde kullanmak çok yaygındır. Avrupa ve dünyanın diğer bölümlerinde kurşun-selenyum düşük antimon hücreler stand by uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Bununla beraber kurşun selenyum, düşük antimon batarya son yıllarda Kuzey Amerika’da yaygın olarak kullanılıyor.

Supap ayarlı kurşun asit bataryaların (VRLA valve regulated lead acid ) iç yapı ve teknolojileri farklıdır ve plakalarda yapılı kalsiyum alaşımı kullanır. Yapıları gereği havalandırılmalarına gerek yoktur. Bakım gerektirmeyen bataryalar olarak da bilinir. Bu bataryalar iyi performans gerektiren taşınabilir elektrik aletlerde, şebeke güç ve enerji uygulamalarında kullanılır.

Absorbent glass mat (AGM) bataryalar da yaygın olarak kullanılan batarya tiplerinden biridir. Doymuş (absorbe edilmiş boron silikat,AGM) elektrolit jel, sıvı yerine kullanılır ve yoğun kurşun içeriği nedeniyle pahalı bataryalardır. Daha fazla depolama kabiliyetine sahiptir.

Tüp plakalı ve jelli elektrolit içeren sağlam, yüksek döngü ve kullanım ömrüne sahip bataryalar da vardır. Ancak plakalı tipler gibi yüksek akım veremezler. Büyük fabrikalar, tırlar, maden makinaları gibi uzun ömür ve yüksek stoklama kapasitesi gerektiren yerlerde tercih edilirler.

Kurşun karbon elektrotlu bataryaların ise düşük şarj voltajı, kısa zamanda şarj, plakalarda az korozyon yüksek döngü sayısı gibi avantajları vardır.

Kurşun asit bataryalar, iyi bilinen bir teknoloji olduğu ve düşük fiyatta olmalarına rağmen ağır ve düşük enerji kapasitesindedirler. Ancak değişen tiplere göre yüksek döngü sayısı ve uzun performansa sahiptir ve azımsanmayacak sayıda uygulamalarda kullanılırlar.

1.1.2 Nikel Kadmiyum Bataryalar (NiCd)

Şarj edilebilir pil olarak bilinir, Elektrot olarak nikel oksit hidroksit ve metalik kadmiyum kullanılır. Çıkış voltajı 1,2 V cıvarındadır. Deşarj sonuna kadar tatminkâr bir döngü özelliği ve düşük sıcaklıkta yüksek performans verir. Kurşun asit bataryalara göre daha pahalıdır. Kendi kendine deşarj özelliği yüksektir ancak çevresel atık özelliği nedeniyle düşük oranda tercih edilir. 1990’lardan sonra yerini nikel metal hibrit ve li-ion bataryalara bırakmıştır ve medikal ekipmanlarda kullanımı yasaklanmıştır.

1.1.3 Nikel Metal Hibrit Bataryalar (NiMH)

Şarj edilebilir bataryalardır. Ni MH hücreler NiOH pozitif elektrot olarak kullanılmaktadır NiCd’ye göre iki kere daha fazla kapasiteye sahiptir. Yük taşıma kapasitesi ise 80 wH/kg ile Li-İon bataryanı %’50’si kadardır. Tüketici elektroniği, plug-in ve hibrit araçlarda teknolojik olgunluğu ve Li-İona göre avantajlı fiyatı nedeniyle tercih edilebiliyor. Ancak son zamanlarda Li-İon bataryaların fiyatları düşmekte ve performansları artmaktadır.

1.1.4 Lityum İyon Bataryalar (Li-ion)

İlk ticari Li-ion şarj edilebilir batarya 1991 yılında üretildi. Li-ion bataryalarda, deşarj sırasında lityum iyonlar negatif elektrottan pozitif elektroda doğru hareket ederler, şarj esnasında ise tersidir. Yüksek enerji yoğunluğu, önemsiz oranda kendi kendine deşarj özelliği nedeniyle portatif cihazlarda kullanılmaktadır. Son zamanlarda uzay araçlarında, şarj edilen araçlarda, askeri araçlarda da kullanılmaya başlanmıştır. Değişik türde kimyasal özelliği olan Li-ion bataryalar, farklı uygulamalarda maliyet ve güvenlik özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir.

Li-kobalt oksit bataryalar, elde taşınan cihazlarda enerji yoğunluğu ve düşük ağırlığı nedeniyle tercih edilmektedir. Lityum-demir fosfat (LiFePO4), lityum manganez oksit (LiMn2O4) ve lityum nikel manganes kobalt oksit (LiNiMnCO2) bataryalar ise düşük enerji yoğunluğu fakat yüksek çalışma ömrü sunarlar. Bu sebeple elektrikli aletler ile medikal aletlerde kullanılırlar.

Yeni gelişen Li-sülfür bataryalar ise ağırlıkça en yüksek performansı vermekteler. Bu bataryaların teknolojisi sürekli gelişmekte, yüksek verim ve çalışma ömrü vaat etmektedirler.

Son dönemde oldukça popüler hale gelen ABD’li bir teknoloji şirketi, ABD Nevada’da 510 bin m2’lik alanda kendi elektrikli araçlarının şarjı için depolama amaçlı Li-İon batarya hücreli elektrik depolama tesislerini kuruyor.

Li-ion bataryalar yanıcı jel özelliği nedeniyle aşırı şarj nedeniyle güvenlik zaafı yaratabilirler. Kaldı ki birkaç yılda bazı dizüstü bilgisayarlar, telefon ve tabletlerde bu sorunlar yaşandı, Bu nedenle test standartları çok yüksektir. Nikel ve kobalt fiyatlarındaki artışlar bu batarya fiyatları için ayrıca bir diğer endişe kaynağı olmaktadır.

1.1.5 Akışkan Bataryalar

Bu bataryalarda, çoklu elektrokimyasal hücreler, ion dönüşüm membranları ya da gözenekli ayırıcılar ile ayrışmış ve seri olarak birbirlerine bağlanmıştır. Bu seri bağlantılar üst üste konulmuş yığınlar şeklinde akışkan batarya stoklama sistemine dönüşmüştür. Üst üste konulmuş konfigürasyon hücrenin gücünü belirler. Elektrolit kimyasal tanklarda kontrol edilir ve karışım yığın içine membran aralıklarına pompalanır, İon değişimi ve bunu takiben elektrik akımı membranlar arasında oluşur.

Akışkan bataryaların birkaç tipi vardır, bunlar; demir-krom (Fe-Cr), demir-vanadyum (Fe-V), çinko-bromide (Zn-Br2), çinko-kloride (Zn-Cl2) ve hibrit akış sistemleridir.

Elektrolit sıvı temelli solüsyon gibidir, Hücre voltajı 1 ila 1,8 V arasındadır. Böylelikle suyun hidrolize olması engellenmiş olur. Akışkan batarya sistemleri yüksek enerji yoğunluğu potansiyeline sahiptirler. Gelişme aşamasında olan bir teknolojidir.

Bu bataryalarda güç ve enerji akışı ayrıdır. Bu nedenle özellikle şebeke uygulamaları için tercih edilebilmekte fakat tam uygulama için özel, düşük maliyetli modellerin gelişmesi beklenmektedir. Akışkan bataryalar yakıt hücreli bataryalarla akışkanın elektrotlar arasında akması nedeniyle benzeşir.

Bu bataryaların geleneksel bataryalara göre birçok teknik avantajı vardır. Örneğin elektrolit yanıcı değildir ve kendi içinde güvenli ve uzun döngü özelliğine sahiptir. Döngü ömrü deşarj miktarından bağımsızdır. Enerji tank hacminden ve elektrolitten elde edilirken; güç, batarya yığınında elde edilir. Batarya yığın maliyetleri nedeniyle özel enerji uygulamaları dışında fiyat avantajı yoktur. Hızlı cevap verebilme özellikleri ve operasyonel esneklikleri ölçülü şebeke uygulamalarına uygundur.

1.1.6 Sodyum Sülfür Bataryalar (NaS)

Sodyum sülfür (NaS) batarya, sıvı tuz sodyum (Na) ve sülfürden (S) yapılmıştır. Maliyetinin düşük olması, yüksek şarj/deşarj (%89-%92) verimine ve yüksek kullanım döngüsüne sahip olması en önemli avantajlarıdır. Buna karşın çalışma sıcaklığının 300°C ile 350°C arasında olması ve sodyum sülfürün yüksek korozif özelliği dezavantajlarıdır. İstasyoner uygulamalara uygun olarak değerlendirilir. Batarya hücre boyutlarının artması ile daha da ekonomik olmaktadır. Şebeke uzun şarj zamanı gerektirmesi, gerektiğinde ağın güç kalitesini geliştirmesi ve uygun maliyeti nedeniyle dağıtım ağı servisleri ve yenilenebilir enerji entegrasyonlarında kullanılır.

1.1.7 Sodyum Nikel Kolorid Bataryalar (NaNiCl2)

Sodyum nikel klloride (Na Ni Cl2) yüksek sıcaklık bataryalarıdır. Çalışma sıcaklığı NaS bataryalarına benzer şekilde 270°C ila 350°C arasındadır. Şarj işlemi sırasında tuz (NaCl) ve nikel, nikel kloride dönüşür (NaCl2), deşarj sırasında ise tersi olur. Tipik uygulama alanları şebeke destek servisleri ve yenilenebilir enerji entegrasyonlarıdır.

1.1.8 Elektrikli Çift Katmanlı (Double Layer EDLC) Ultra Kapasitörler

EDLC (Electric Double Layer Capasitör) “ultra kapasitör” ya da “süper kapasitör” olarak bilinir. Elektrik şarjını, yüksek yüzey bölgeli karbon elektrot ve sıvı elektrolit arasına stoklar. EDLC tarafından yüklenerek stoklanan enerji miktarı geleneksel kapasitörlerle karşılaştırıldığında (yük düzeyli bölgede gözenekli karbon kullanıldığından) çok fazladır. Ultra kapasitörler bataryalara göre yüksek güce sahiptir (10-20 kW/kg) ve çok uzun ömürlüdür, Çok düşük spesifik ve volumetrik enerji yoğunluğu vardır (<8Wh/kg). Ultrakapasitörler -400°C ile+650°C arasındaki çalışma sıcaklığı ile Li-İon bataryalara karşı belirgin bir şekilde daha az hassasiyet gösterirler. DC ömrü 650°C’ye yükselen çalışma sıcaklığı ile 1.500 saattir. Güç dalgalarını emmek için süper kapasitörlerin yardımıyla bu iletim hatları tam kapasitesine daha yakın çalışabilir, Bu nedenle iletim ve dağıtım hatlarındaki voltaj seviyelerinde olduğu kadar iletim altı uygulamaları için de uygundur.

Ultrakapasitörler, milisaniyeler mertebesindeki hızlarda cevap verebilmektedirler, Yüksek enerji verimi (>95%), yüksek güç yoğunluğu, uzun takvim ömrü ve yüksek döndü sayısına sahiptirler. Büyüyen ekonomik ölçekler ve üretimdeki ilerlemeler sayesinde EDLC’lerin, bu sistemlerde dağıtım yapacak şebeke enerji depolama sistemlerinin maliyetini dramatik şekilde düşürmektedir.

Kullanıcı verileri, şebeke servisleri ve gelişen batarya ömrüyle olan uyuma göre ultra kapasitörler, son dönemlerde küresel sistemlerde hızla var olmaya başladılar. Bu yayılma son zamanlarda demiryollarında, otomotiv uygulamalarında, back-up güç yenilenebilir rüzgâr enerji sistemlerinde ve UPS sistemlerinde artmaya başladı. Tek başına uygulanacak bir sistem olduğu kadar -düşük maliyetli yüksek enerji yoğunluğu olan teknolojiler, akışkan bataryalar, yüksek enerjili Li-ion bataryalar gibi kaynaklarla birlikte- hibrit bir şekilde ikincil bir kaynak olarak da kullanılabilir.

Çevre dostu bir teknoloji olması ve bataryalarda olduğu gibi toksin ve ağır metal üretmemesi en büyük avantajlarıdır. Ayrıca bakım masrafları ve bekleme kayıpları (%0,2) düşüktür. Soğutmaya gerek duymazlar. Buna karşın, yeni ve gelişen bir teknolojidir ve daha fazla tecrübe ve ömür verilerine ihtiyaç vardır.

2. Elektromanyetik Depolama Sistemleri Manyetik Süper İletkenler

Manyetik süper iletkenler üç önemli parça ile tasarlanmıştır: Bobin, güç dönüştürme sistemi (PCS) ve soğutma sistemi. Fikrin temeli, enerjinin süper iletkenden yapılan elektromanyetik alanda depolamasına dayanır. Çok düşük sıcaklılarda bazı malzemeler tüm elektrik direncini kaybeder ve böylelikle süper iletken olurlar. Bu sistemle depolanan enerjide neredeyse hiç kayıp (pratikte %90-95) olmaz. Bununla beraber ilgili süper iletkenler -2.530°C’nin altında çalıştığı için (niobium-titanium -2.530°C ve niobium-tin -2550°C) sistem soğutma sıcaklığının bu derece altında olması beklenir. Bu soğutma işlemi sıvılaştırılmış helyum ile yapılır. İşlem çok pahalıdır ve stand by (bekleme) konumunda verimliliği düşürür.

Yeni daha yüksek sıcaklıklı süper iletkenler 1986’dan beri gelişme halindedir. Bu malzemeler, sıvı nitrojende soğutularak süper iletken durumuna getirilir ve maliyeti 10-20 kat daha azdır (-1630°C’de çalışır). Düşük sıcaklıkta süper iletken olma işlemi bu malzemeleri çok kırılgan, zor kullanılır ve pahalı yapar. Güç iletme sistemi, süper iletken manyetik sistem bobini ile güç sistemi arasında bir geçiş bölgesindedir. Tersine olarak alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) çevirir çünkü bobin yalnızca doğru akımı depolayabilir ve serbest bırakabilir.

Sistemin artıları; hızlı cevap verebilme ve pik yükleri karşılayabilme, kısmi ve tam deşarj yapabilme ile çevreye bir zararının olmamasıdır. Dezavantajları ise soğuma sistemi ile sistem sıcaklığının sürekli takip edilmek zorunda olması ve üretimi ile bakımı pahalı olmasıdır.

Bu sistemin geleceğini saptamak zordur çünkü sistemin geleceği daha çok süper iletken konusundaki yeni gelişmelere bağlıdır. Böyle bir malzemenin aynı nitelikleri oda sıcaklığında kazanması, enerji stoklanması ve iletimini kolay ve ucuz yapacaktır. Bununla beraber böyle bir malzemenin olabilirliği kesin değildir. Şu anda bu sistemlerin durumu volanlı sistemlerle benzeşmektedir. Yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerin takibi zor ve pahalı olması nedeniyle, kısa ve orta vadede düşük sıcaklıkta süper iletken olabilecek malzemelerin üretilmesi umuluyor. Şu anda 10 kWh’ye kadar olanların mikro sistemlerinde, süper iletkenli depolama sistemleri depolama alternatifi olarak kullanılıyor. Başkaca teknik gelişmeler ve yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerin kullanımındaki başarılı çalışmalar rotayı değiştirecek ve manyetik süper iletken depolama sistemlerini daha ekonomik hale getirerek enerji stoklamanın geleceği için önemli bir seçenek yapacaktır.

Kaynaklar

1. Handbook of Battery Enery Storage System Asian Development Bank 2018,

2. IEE Battery Storage System, IRENA

3. Electric Storage and Renevables,

4. Enerji Depolama Yöntemleri Mehmet&Şerife Kozak

Makalenin devamı, Mayıs 2020 Bülten’de yer alacaktır.

Sedat Gündem – Makina Mühendisi
MMO İstanbul Şubesi Enerji Komisyonu Üyesi