Enerji Depolama Sistemleri

Enerji depolama sistemleri

Enerji depolama sistemleri

Günümüzde bütün modern enerji sistemleri arz güvenilirliği, sistem stablitesi, enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması, enerji verimliliği, iletim-dağıtım sorunlarının ve maliyetlerinin en aza indirilmesi gibi, birçok sebeplerle enerjinin depolanmasını zorunlu kılar.

Piyasalarda sistem işletmecilerinin büyük ölçekte yenilenebilir enerji üretimini sisteme entegre edebilmeleri için enerjinin depolanmasına ihtiyaç duymaktadır. Teknik değerlendirmeler ve fizibilite çalışmaları enerji depolamanın sadece teknik bir gereklilik değil aynı zamanda fiyat kontrolü sağladığını da göstermektedir.

Yararlı iş yapabilme yeteneğine enerji denir. Bu enerji çeşitleri şunlardır :

• Mekanik enerji
• Isı enerjisi,
• Kimyasal enerji,
• Nükleer enerji,
• Yerçekimi enerjisi,
• Elektrik enerjisi.

Mekanik Enerji:

Faydalı iş yapabilen hareket enerjisine mekanik enerji denir. Hareket enerjisi (kinetik enerji) bir iş yaptığında mekanik enerji olarak ortaya çıkar. Elektrik santrallerinde türbine çarpan suyun mekanik enerjiye dönüştüğü gibi pense ile kablo keserken, tornavida ile vida sıkarken vb. durumlarda da mekanik enerji üretilmiş olur. Elde edilen mekanik enerji ile her hangi bir iş yapılabileceği gibi elektrik enerjisi de üretilmektedir.

Isı Enerjisi: 

Yenilenemeyen enerji kaynakları arasında olan doğalgaz, petrol, kömür, linyit gibi yakıtların yakılması sonucu ısı enerjisi ortaya çıkar. Elde edilen ısı enerjisi ilk önce türbinler vasıtasıyla mekanik enerjiye, sonra da jeneratörler vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Evlerimizde, mutfak ve banyoda sıcak su elde etmek, kışın ısınmak, yemek pişirmek için ısı enerjisinden sık olarak yararlanılmaktadır.

Kimyasal Enerji:

Kimyasal tepkime sonucu  ortaya çıkan enerjiye kimyasal enerji denir. Günlük hayatımızda kullanılan pil ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır.

Pil ve aküler de elektrik enerjisinin depolanması kimyasal yöntemler ile yapılmaktadır. Kimyasal enerji; mekanik, ısı ve ışık enerjisine dönüştürülür.

Nükleer Enerji:

Plütonyum ,Uranyum gibi ağır atomların bölünmesi veya, hidrojen, helyum, lityum gibi hafif çekirdeklerin birleşmesi ile ortaya çıkmaktadır. Günümüzde birçok ülke, nükleer enerjiden elektrik enerjisi elde etmek amacı ile yararlanmaktadır.

Yerçekimi Enerjisi:

Yerçekimi sonucunda faydalı iş yapılmasını sağlayan enerjiye yerçekimi enerjisi denir. Örnek olarak akmakta olan bir nehir barajdan yerçekimi kuvveti ile aşağı düşerken türbin kanatlarına çarparak, türbini dönmesine neden olmakta ve elektrik enerjisinin meydana gelmesini sağlamaktadır.

Elektrik Enerjisi:

Cisimlerin atom yapısındaki elektronların hareket etmesi ile meydana gelen kuvvete elektrik enerjisi denir. Elektrik enerjisi maddeye ait bir özelliktir. Gözle görülmez ama etkisi ile hissedilir. Elektrik enerjisi geceleri aydınlatma için ve ayrıca televizyon, çamaşır makinesi gibi ev cihazları çalıştırmak için sık olarak kullanılmaktadır.

Enerji kullanıldığı zaman, bir çeşit enerjiden diğer bir çeşit dönüşmektedir. Örnek olarak, barajlarda düşmekte olan suyun yerçekimi enerjisi, türbini döndürdüğünde mekanik enerjiye dönüşür. Bu mekanik enerji, dönen türbinin ucunda bulunan jeneratörde elektrik enerjisine dönüşür. Elektrik enerjisi daha sonra evlerimizde kullanılırken farklı enerji çeşitlerine dönüşmektedir.

Gıdalar kimyasal enerji içerir. İnsan vücudu bu enerjiyi ısı ve mekanik enerjiye dönüştürür. Harcanmayan enerjinin bir kısmını ise depolar.

Günümüzde enerji ihtiyacı, fosil yakıtların tüketilmesi ile karşılanmaktadır. Dünya fosil enerji kaynakları (petrol, kömür,doğal gaz) ne yazık ki tükenme tehlikesi ile karşı karşıyadır.

Bundan dolayı, günümüzde bütün dünyada yapılan araştırmalar yenilenebilir enerji kaynakları konusuna ağırlık vermişlerdir. Yenilenebilir enerji kaynaklarına bir örnek verirsek; güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve hidrolik enerji, dalga ve gel-git hareketleri ile biyomas gösterilebilir.

Biyomas dışındaki bütün yenilenebilir enerji kaynaklarından, katı, sıvı veya gaz yakıt üretilmek şeklinde değil, mekanik, ısı veya elektrik enerjisi üretimi şeklinde faydalanılmaktadır.  Isı ve elektrik depolama, katı, sıvı ve gaz yakıtların depolanması gibi basit yöntemlerle gerçekleştirilememektedir. Bu enerjilerin depolanması için daha karmaşık ve pahalı sistemlerin kullanılması gerekmektedir.

Geçmiş yıllarda enerji depolanması, sıvı yakıtlar basit tanklarda; katı yakıtlar büyük stok alanlar da; doğal gazın ise yeraltında depolanmasıyla gerçekleştirilmekteydi. Termal ve elektrik depolama yöntemleri daha karmaşık ve pahalı olduğu için geliştirilmesine ise gereken önem verilmemiştir

Enerji Depolamanın Önemi

Toplumların enerji tüketimleri  zamana bağlı olarak değişmektedir. Bu tüketimler bazen çok yüksek, bazen de düşük seviyelerdedir. Binalarda, endüstriyel süreçlerde ve ulaşım sistemlerindeki enerji ihtiyaçları, kullanıma göre, gün boyunca, haftadan haftaya veya mevsimsel olarak devamlı bir değişim içerisindedir. Değişen enerji arz ve talebi arasındaki farklar enerjinin depolanmasını gerekli ve önemli hale getirmektedir.

Enerjinin depolanması, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki zaman veya oran dengesizliğini giderdiğinden var olan enerji kaynaklarının daha etkin bir şekilde kullanılması mümkün olmaktadır. Örnek olarak ; elektrik enerjisi tüketiminin düşük seviyelerde olduğu gecenin geç saatleri ve hafta sonları gibi zaman dilimlerinde üretilen fazla elektrik enerjisi depolanarak, ihtiyacın fazla olduğu hallerde tüketilebilir hale dönüştürülebilmektedir.

Bunu yanı sıra, alternatif enerji kaynakları arasında olan güneş, rüzgar, dalga, gel-git gibi kontrol edilemeyen kesikli enerji kaynaklarından üretilen ısı ve elektrik enerjileri depolanarak devamlı birer enerji kaynağına dönüştürülebilmektedir.

Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerde, özellikle güneş ışığının olmadığı zamanlarda, gün boyunca depolanmış ısı veya elektrik enerjisi kullanılarak enerji ihtiyacı karışlanabilmektedir. Netice olarak; enerji depolanması, üretim ve tüketim arasındaki farkı dengelediği gibi, enerji tasarrufu açısından da çok önemli bir rol oynar. Birincil enerji kaynaklarının korunmasını sağlamakla birlikte, enerji israfını da önleyerek, sistemlerin daha ekonomik çalışmasını sağlar. Düzenli bir enerji akışı sağlayarak enerji üretim sistemlerinin verimliliğini artırarak, güvenirliliğini sağlamaktadır.

Enerji Depolama Teknolojileri

Isı Enerjisinin Depolanması

Isı enerji depolama sistemleri iki gruba ayrılır;

• Düşük sıcaklık ısı depolama sistemleri
• Orta ve yüksek sıcaklık ısı depolama sistemleri

Düşük Sıcaklık Isı Depolama Sistemleri

Düşük sıcaklıktaki ısı, yalıtılmış katılar veya sıvılar içinde doğrudan depolanması mümkündür. Bu şekilde depolanan ısı, sadece ısı enerjisi olarak etkin bir şekilde yeniden kullanılabilmektedir. Düşük sıcaklıkta depolanmış ısı, mekanik veya elektrik enerjisi gibi, diğer enerji şekillerine dönüştürülerek kullanılmak istendiği zaman, termodinamik sınırlamalar sebebiyle, verim çok düşüktür. Buna rağmen, depolanmış ısının, bir ortamı ısıtmak için kullanımı çok etkin bir uygulamadır.

• Duyulur ısının depolanması (depolama ortamının ısı kapasitesini esas alır),
• Gizli ısının depolanması (depolama ortamındaki faz değişim enerjisini esas alır).

Su, kaya ve çeşitli hidratlı tuzlar önerilen en uygun ısı depolama ortamlarıdır. 100°C’m altındaki sıcaklıklarda, ucuz olduğu için, su tercih edilen bir ısı depolama ortamıdır. Kum veya toprak gibi malzemeler de ısı depolama ortamı olarak kullanılmaktadır.

Bir ısı deposunun tasarımı aşağıdaki özellikleri sağlayacak şekilde gerçekleştirilmelidir.

• Uygun bir yüzey malzemesi kullanılarak ısının depo içine ve dışına hızlı transferi sağlanmalıdır,
• Isı kayıp hızı, gerekli depolama süresine oranla, çok düşük olmalı ve çevreye olan ısı kaybı azaltılmalıdır. Depolama tankından ısı kaybı, tankın yüzey alanına ; toplam depolama kapasitesi ise tankın hacmine bağlıdır. Yüzey alanı, tank boyutlarının karesi; hacmi ise boyutların küpü ile orantılı olduğu için, büyük depolar küçüklere kıyasla daha az yalıtım gerektirmektedir.
• Isı deposunun toplam boyutu çok önemli bir parametredir; bu sebeple, ısı enerjisinin uzun süreli ve büyük miktarlarda depolanabilmesi için.

Son yıllarda çalışmalar çok büyük yeraltı depolarının kullanım ihtimali üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu tip depolar, tek bir ev için kullanılan küçük ölçekli depolardan çok daha az yalıtım gerektirmektedir.

Duyulur Isı Depolama Sistemleri

Bütün maddelerin sıcaklıkları, bir faz değişimi yoksa, ısı depoladıkça artar ve maddeler soğurken bu ısıyı çevreye yayarlar. Buna duyulur ısının depolanması denir. Çünkü depolama ortamında ölçülebilir bir sıcaklık artışı gözlenir. Bu tür ısı depolama sistemlerinin toplam kapasitesi; depolama ortamının yoğunluğu, ısı kapasitesi ve depolanacak ısı enerjisinin miktarı ile orantılıdır. Bundan dolayı, ucuz olmasının yanı sıra, ısı kapasitesi de yüksek olan (4180 J/kg°C) su ideal bir depolama ortamıdır. Ancak, erime ve kaynama noktaları dikkate alındığı zaman, su 5°C ile 95°C sıcaklıkları arasında ısı depolamak amacı ile kullanılabilir.

Güneş enerjisinin depolanmasında küçük su tankları yaygın olarak kullanılmaktadır. Cam yünü, evlerin ısıtılması amacıyla kullanılan depolama tanklarında yaygın olarak kullanılan bir izolasyon malzemesidir.

Bu tip depolama sistemlerinin izolasyonu, güneş ışığının yeterli olmadığı aylar dikkate alınarak, birkaç ay için gerekli enerjinin sağlanması esasına yönelik yapılmalıdır.

Büyük ölçekli sıcak su depolama sistemlerinde, birleşik ısı ve güç santralleri yardımıyla büyük yerleşim bölgelerinin tamamına enerji sağlamak amacı için ısı depolanır. Bu amaca yönelik olarak önerilen uygulamalar, ısının yüzey göllerinde ve sıcak su olarak yeraltında depolanmasıdır. Yüzey göllerinde ısının depolanması, kimyasal ve termal kirlenmeye sebep olduğundan, ısının yeraltında depolanması daha uygundur. Yeraltında ısı depolama sistemlerindeki en önemli parametre, yüzey ve depo arasında transfer edilecek suyun miktarının tespit edilmesidir. Bu miktar, katmanın kalınlığına, geçirgenliğine ve basınç farkına bağlı olarak da değişmektedir.

Gizli Isı Depolama Sistemleri

Faz değiştiren maddeler, herhangi bir sıcaklık değişimine sebep olmayan, birim kütle başına belirli miktardaki ısıyı alır veya verirler. Bu ısı çeşidine gizli ısı denir. Bu maddeler, sınırlı bir sıcaklık aralığında, duyulur ısı depolama sistemine kıyasla daha büyük bir ısı kapasitesine sahiptir ve sabit sıcaklıkta ısı sağlarlar.

Faz değiştiren bir maddeye ısı eklendiği  veya alındığı zaman faz değişimi; erime, donma, buharlaşma, yoğunlaşma, kafes yapısının değişmesi ve kristal-bağlı su içeriğinin değişmesi şekillerinde gerçekleşir. Faz değişimi sırasındaki toplam enerji değişimi, entalpideki değişim olarak verilir. Gizli ısı depolama sistemlerinde depolama ortamı olarak kullanılan ve faz değişikliğine uğrayan maddelerin değeri, yüksek ısı kapasitelerinden etkili bir şekilde faydalanılması ile ölçülür.

Orta ve Yüksek Sıcaklık Isı Depolama Sistemleri

Birçok endüstriyel süreçlerde, 100°C’dan başlayıp 2400°C’a kadar varan sıcaklıklardaki ısı enerjisi tüketilmektedir. Isı depolama sistemleri bu süreçlerde tampon görevi yapmakta ve enerji sarfiyatını azaltmaktadır. Yüksek sıcaklıkta depolanmış olan ısı enerjisi, ısı makinaları için de önemli bir enerji kaynağıdır. Endüstriyel fırınlar ve ekmek fabrikalarındaki fırınlar, elektriğin fazla kullanılmadığı zamanlarda (gecenin geç saatlerinde) ısıtılarak yüksek sıcaklıkta ısı depolanabilmektedir. Seramikler veya refrakter malzemeler, ergimiş tuzlar, termal depolama yağları ve sıvı haldeki metaller yüksek sıcaklık ısı depolama ortamı olarak kullanılan başlıca maddelerdir.

Oldukça yüksek sıcaklıklarda (1000°C’ın üzerinde) ısı depolanması, depolama ortamı olarak kullanılan malzemelerde, aşınma ve termal şok gibi problemlere sebep olabilmektedir. Yüksek sıcaklık depolaması uygulamalarında, sıcak hava, ısıyı transfer eden akışkan olarak yaygın bir şekil kullanılmaktadır.