Elektrik Enerjisi Depolama Sistemleri – II

Elektrik Depolama Sistemleri

Bir önceki yazımızda, elektrik depolama sistemleri arasından, kullandıkları depolama teknolojilerine göre kimyasal/elektromekanik ve elektromanyetik sistemleri incelemiştik. Kaldığımız yerden devam edelim:

3. Mekanik Depolama Sistemleri

3.1. Pompaj Depolamalı Hidroelektrik Sistemi (Pumped Electric Storage)

En eski elektrik enerjisi depolama sistemidir. Su, bir rezervuardan daha yüksekteki başka bir rezervuara pompalanır. Enerji gerektiğinde yüksek irtifada depolanan su bir türbin üzerinden serbest bırakılır ve bağlı jeneratörden elektrik elde edilir. Yüz yılı aşkın süredir kullanılan bir yöntemdir. Pelton, Kaplan ya da Francis türbinleri verimleri ve tersine pompalayabilme özellikleri nedeniyle tercih edilir. Aynı türbin ve hat hem su pompalamada hem de elektrik üretiminde jeneratör olarak kullanılabilirler.

Sistemin büyüklüğü; güç kapasitesi, rezervuar yüksekliği ve hacmine göre değişir. Amerika, Avrupa, Çin, Japonya ve Avusturalya’da yaygın şekilde kullanılmaktadır. Çevre sorunlarını minimize etmek için eski yer altı maden ve tuz ocaklarını su depolama amacıyla alternatif depolama olarak da kullanıldığı (ABD, Finlandiya, Avusturalya vb.) uygulamalar ve ayrıca deniz suyunun rezerv olarak kullanıldığı (Fransa, Japonya, Güney Amerika gibi) uygulamalar da vardır.

Elektrik tesislerinde ve şebekede güç düşüşü olduğu durumlarda veya kesikli enerji üretimindeki sakıncaları gidermek, enerji arzı dengesizliğini ve sunu açığını kapatmak için rezervuarda depolanan su ters akışla türbin ve jeneratöre gönderilerek anında tekrar elektrik üretilir.

Avantajları: Kurulum kullanım ve işletme yönünden eski ve olgun bir teknolojidir, çok düşük kendiliğinden kayıp, düşük enerji altyapı maliyetleri, başlama ve durdurma esnekliği vardır. Ayrıca büyük miktarlarda (gigawatt büyülüklerinde) enerji stoklayabilmesi, hızlı devreye girebilme özelliği, 75 yıla kadar kullanım ömrü olabilmesi ve enerji depolamada ucuz bir yol alması diğer avantajlarıdır.

Dezavantajları: Potansiyel kaynak azlığı, özel bir coğrafya ve su kaynağı gerekliliği, veriminin yaklaşık %70-80’lerde olması ve çevresel etkileri dezavantajları olarak sıralanabilir.

3.2. Volanlı Elektrik Depolama (Flywheel Energy Storage)

Volan sistemi, şarj enerjisini kinetik enerji olarak, rotor malzemesinin yüksek iç gerilim ve kesme dayanımı ve özel dizayn yapısının sağladığı atalet ile depolar. Volan malzemesi karbon fiber, kompozit veya çelik olabilir. Şarj anında devir sayısı 100.000 d/d’ye kadar yükselir. Dönme kayıplarını minimize etmek için rotor vakum ortamında döner. Yüksek dönme devirleri ve kayıpları azaltmak için dönme, manyetik yataklarda olur. Rotor bir motor jeneratöre bağlıdır. Deşarj elektriği bu jeneratörde üretilir. Depolama kapasitesi motorun malzemesi ve büyüklüğü ile değişir. Depolanan enerji tekrar kullanıcı veya şebekeye verdiğinde devir sayısı azalır. Pik talep karşılama, enerji kesintisi desteği, frekans regülasyonu, yenilenebilir kaynak desteği gibi çok yönlü elektrik depolama amaçlı kullanılmaktadır. Ayrıca ulaşım sektöründe yakıt ekonomisi amacıyla da kullanılmaktadır.

Avantajları: Yüksek kullanım süresi (yirmi yıldan fazla), yıllara göre oldukça az kapasite düşüşü, çok az bakım ihtiyacı, karbon emisyonu yapmaması, yüksek şarj-deşarj hızları ile ani talepleri destekleyebilme özellikleri avantajlarıdır.

Dezavantajları: Pahalı bir teknoloji olması, düşük depolama kapasitesi ve kendi kendine deşarj olabilme özelliğinin yüksek olması (saatte %20 civarında), rulmanlı yatakların bakım gerektirmesi, manyetik yatakların ise enerjisinin olması denilebilir. Beklenmedik dinamik yükler veya dış şoklar sorunlara yol açabilir.

4. Termik Depolama Sistemleri

4.1. Basınçlı Hava Depolama Sistemleri (CAES)

Basınçlı hava enerji depolama sisteminde (CAES), sıkışmış havadaki potansiyel enerjiyi, yerin altında inşa edilen büyük tanklarda (çoğunlukla yerin 500-800 m derinliğindeki yer altı eski tuzlu kayalar, maden ocakları ve büyük mağaralarda) depolayarak kullanır. Eski doğal gaz ve su havzalarının depo olarak kullanımı değerlendirilme aşamasındadır.

Yenilenebilir kaynaklardan (rüzgâr, güneş vb.) elde edilen fazla elektrik veya şebekeye verilmeyen enerji, bir kompresörü çalıştırarak havayı yeraltı deposunda depolar. Rezervuar depodaki basınç 100 bara kadar çıkar. Depolanan enerjiden elektrik üretileceği zaman rezervuarda depolanan hava serbest bırakılır. Serbest bırakılan basınçlı hava verimi artırmak amacıyla reküperatörde ısıtılır ve doğal gaz katılarak bir gaz yanmalı türbine gönderilerek yakılır. Türbinde elde edilen döngü ile bir jeneratörde elektrik üretilir ve şebekeye verilir.

Montaj maliyetleri yaklaşık 50 USD/kWh’dir. Eğer bir doğal veya oluşmuş rezerevuar var ise bu 40 USD/kWh’a düşebilir. Doğal rezervuar olarak maden veya yeraltı tuz ocakları tercih edilir. Almanya’nın kuzeyinde bulunan The Huntorf plant, 1978 yılında 290 mW kapasiteli tesis ilk ticari ünitedir.

Bu sistemin olumsuzlukları nispi olarak düşük deşarj değeri ve zayıf döngü verimi ile hizmet maliyetlerinin yüksek olmasıdır.

4.2. İleri Adyabatik Basınçlı Hava Depolama (AA-CAES)

Adyabatik depolama da basınçlı hava depolama benzeridir; ancak yalnızca hava depolanmaz, aynı zamanda basınçlı hava oluşumu sırasına ortaya çıkan ısı da ayrı bir depolama tankında depolanır. Kompresör çıkışında basınçlı hava sıcaklığı 6000C’ye kadar çıkmaktadır. Bu yüksek ısı bir tankta toplanacak ve depolanan ısı, hava tekrar hava türbinine gönderilirken bir reküperatör tekrar ısıtılacaktır, böylece doğal gaz kullanımı gereksiz hale gelecektir.

Bu sayede verim %70’lere kadar ulaşacaktır. Sistem henüz ticari olarak kullanım aşamasında değildir. Çünkü bu sistemin uygulanabilmesi, bu sıcaklıktaki havanın hemen absorbe edilip depolanabilmesi, bu sıcaklıkta kullanılabilecek borular ve tesisat elemanları ile ileri türbo makinalar gerektirmektedir.

Elektrik Depolama Sistemlerinin Karşılaştırılması

• Enerji Yoğunluğu: Tek bir sistemin ünitesindeki ağırlık (kW/kg) başında depolanabilen enerji miktarı olarak ifade edilmektedir. Örneğin Lityum bataryalar 150-250 kW/kg ile Na-S bataryalara göre 1,5-2 kez, redox bataryalara göre iki kat, kurşun bataryalara göre ise beş kat daha fazla enerji depolayabilmektedir.

• Şarj ve Deşarj Verimliliği: Batarya verimliğinin değerlenmesinde kullanılan performans ölçümlerinden birisidir. Enerji depolama sistemine aktarılan gücün tamamı deşarj edilemez (elektronik sistem, ısıtma ve soğutma, pompalar vb.) ve enerji kayıpları olur. Verimde ise bu kayıplar dikkate alınır. Bu ölçüm, enerji depolama teknolojilerinin mali verimliliğinin anahtarıdır. Enerji depolama seçenekleri arasında, basınçlı hava enerji depolama (CAES) raporlanan en düşük verimliliğe (%40-%45), Li-ion ise en yüksek (%87-%95) verimliğe sahiptir. Fotovoltaiklere bağlı depolama verimliliği %75’ten aşağı ise mali yönden verimsiz olacaktır.

• Kullanım Ömrü: Enerji depolama cihazlarının bir diğer önemli performans elemanı da kullanım ömrüdür. Bu faktör ekonomiklik verimliliğe ve yatırım ömrüne bakıldığında önemli etkiye sahiptir. Enerji depolamanın mali yönden verimliliği çalışma ömrüne doğrudan bağlıdır. EDS-ESS’nin ömrü şarj ve deşarj döngüsü, deşarj derinliği ve çevresel koşullar gibi faktörlere bağlıdır. Konut ve ticari uygulamalar için günlük bir ya da iki döngü ömrü -ya da toplamda 7.300-22.000 döngü- fotovoltaik şebeke elektriğine yönelik gece depolaması için yeterli olacaktır. Bu sistemlerde dizayn edilen enerji depolama sistemi, dalgalanmaları karşılayabilmek için bir seferdeki şarj gücünden %10 daha büyük dizayn edilir.

• Çevresel Etki: Dikkate alınması gereken bir diğer husus çevresel etkidir. Sistemin çevre dostu olarak kullanılabilmesi ya da cihazların çevreye zarar vermeden geri dönüşebilmesi gerekmektedir.

Sonuç

Birbirinden çok farklı elektrik depolama tipleri bulunmasına rağmen hiç birisi özellikleri itibariyle tüm ihtiyaçları karşılayacak özelliklerde değildir. Bazı uygulamaların ticari olarak olgunlaşmaya ihtiyaçları vardır. Teknolojilerin depolama kapasite büyüklükleri, çevresel etkileri, bakım ve geri besleme özellikleri birbirlerinden farklılıklar göstermektedir. Seçim yapılırken, depolamanın niçin yapılacağı, amaca uygun depolama biçimleri ve depolama türünün tüm özellikleri dikkatle analiz edilmelidir. Tabii ki denenmiş, benzer uygulama sonuçlarının da dikkatlice sorgulanması çok önemlidir.

Teknolojik olarak özellikle batarya ve diğer depolama teknoloji ve uygulamalarında sürekli büyüme ve teknolojik gelişmeler yaşanıyor. Ülkemizin bu teknolojilere uzak kalmaması, kamu ve özel araştırma geliştirme çabalarının desteklenmesi hayatidir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın, 1 Nisan 2020’den itibaren uygulanmak üzere yayınladığı Elektrik Üretim ve Elektrik Depolama Tesisleri Kabul Yönetmeliği’nin amacı, “Elektrik depolama tesislerinin kabul işlemlerinin ilgili mevzuat ve standartlara uygun olarak yapılması, can, mal ve saha emniyeti sağlanarak söz konusu tesislerin iletim veya dağıtım şebekelerine uyumlu olarak bağlanması ile kabul işlemleri yetkisine ilişkin usul ve esasların belirlenmesi” olarak tanımlandı. Tabii ki bu yönetmelik bir aşamadır ancak dünyadaki konuyla ilgili olan gelişmeler dikkate alındığında ciddi yetersizlikler söz konusudur. Özellikle elektrikli araç teknolojileri ve kullanımındaki hızlı gelişmeler ve yenilenebilir enerji alanındaki zorunlu gelişme öngörüleri, depolamayı ve teknolojik kural ve standartları belirlemeyi zorunlu bir araç haline getirmektedir.

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

Serinin ilk yazısını Nisan 2020 Bülten’de bulabilirsiniz.

Yazar: Sedat Gündem – Makina Mühendisi
MMO İstanbul Şubesi Enerji Komisyonu Üyesi