ELEKTRİK DEPOLAMA

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

Mekaniksel Enerji Depolama
Mekaniksel elektrik depolamalı-pompa depolamalı hidroelektrik sistemler ve sıkıştırılmış hava depolamalı elektrik sistemleri, istenen büyüklükte saatlik, günlük, haftalık veya mevsimlik depolama yapabilmektedir. Bu sistemlerde yapılan MW büyüklüğündeki depolama ile şebekenin kısa dönem enerji ihtiyacı, şebeke stabilitesi sağlanabilir. Söz konusu depolanmış enerji, frekans kontrolü gibi amaçlar için de kullanılabilir.

Elektriksel Enerji Depolama
Elektriksel enerji depolama, mekaniksel elektrik depolama tekniklerine göre daha küçük güçte depolamaya sahiptir.

Lityum-İyon Bataryalar
Lityum-iyon bataryaların laptoplar ve cep telefonları gibi taşınabilir elektronik cihazlardaki kullanımı son derece yaygındır. Söz konusu bataryaların elektrikli taşıtlarda ve alternatif enerji kaynakları bazlı uygulamalarda kullanımının yakın gelecekte daha da hızlı bir şekilde artacağı beklenmektedir. Bu açıdan yıllık olarak milyarlarca lityum-iyon batarya ünitesi üretilmektedir (Nair et al. 2007).

Lityum-iyon bataryalar %100’e yakın bir enerji depolama verimliliğine ve diğer batarya teknolojilerine kıyasla en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Lityum-iyon bataryalar hafif bir yapıya, hücre başına yaklaşık 4 V’luk nispeten yüksek bir gerilim seviyesine ve 100-150 Wh/kg’lık bir enerji seviyesine sahiptir.

Ancak, bu teknolojinin dezavantajları yüksek ilk yatırım maliyeti ve hassas çalışma limitlerinden ötürü karmaşık şarj yönetim sistemidir (Scrosati et al. 2007). Lityum-iyon bataryaların hassas kimyasal yapılarını iyileştirmek ve özellikle elektrikli taşıt uygulamaları gibi dayanıklılığın ön planda olduğu yapılarda daha sık kullanılmasını sağlamak için araştırma çalışmaları günümüzde oldukça yoğun bir şekilde devam etmektedir.

Kurşun-Asit Bataryalar
Kurşun-asit bataryanın temelleri Carl Wilheim Siemens ve Wilhelm Josef Sinsteden’in 1852 ve 1854 yıllarındaki çalışmalarına dayanmaktadır (Baker et al. 2008). Pratikte kullanılabilecek kurşun-asit tabanlı ilk tekrar şarj edilebilir batarya ise Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından 1860 yılında geliştirilmiştir (Kurzweil et al. 2010). Bu bilgiler ışığında en eski ve teknoloji bakımından en olgun batarya çeşidi kurşun-asit bataryalardır. Düşük yatırım maliyeti, bütün tekrar şarj edilebilir bataryalar arasında en düşük self-deşarja sahip olması ve nispeten daha kolay bakımı gibi avantajları sayesinde birçok alandaki depolama sorununun çözülmesinde kurşun-asit bataryalar oldukça yüksek bir yoğunlukta kullanılmaktadır (Nair et al. 2007).

Bu teknolojinin dezavantajları ise sınırlı çevrim ömrü, nispeten düşük enerji yoğunluğu, düşük ve yüksek ortam sıcaklıklarında azalan performans, derin deşarja karşı hassasiyet ve çevresel olarak zararlı kurşun bileşenini ve asit elektroliti bünyesinde barındırmasıdır (Divya et al. 2007). Kurşun-asit bataryaların fiyatları ise 50-150 Euro/kWh arasında değişiklik göstermektedir. %72-78’lik verime sahip olan kurşun-asit bataryalar kullanılarak oluşturulan en büyük uygulama ABD’nin Kaliforniya eyaletindeki 10 MW, 40 MWh’lik tesistir. Her ne kadar yeni batarya teknolojileri üzerine birçok çalışma gerçekleştirilse de kurşun-asit bataryaların, sahip olduğu geniş kullanım alanını birçok uygulamada daha uzun bir süre koruyacağı öngörülmektedir.

Nikel-Kadmiyum Bataryalar
Nikel-kadmiyum bataryalar, kurşun-asit bataryalara kıyasla yüksek enerji yoğunlukları, uzun çevrim ömrü ve düşük bakım gereksinimleri sayesinde günlük uygulamalarda kullanışlı bir alternatif olmuştur (Nair et al. 2007). Yüksek çevrim ömrü, yüksek enerji yoğunlukları ve düşük bakım gereksinimleri ile kurşun-asit bataryalar ile yarışır konuma gelmişlerdir. Geçmiş yıllarda nikel-kadmiyum bataryalar taşınabilir cihazlarda ve bazı elektrikli taşıt uygulamalarında kullanım alanı bulmuşlardır. Ancak kadmiyum maddesinin çevresel etkileri ve buna bağlı olarak yeniden dönüşüm işleminin olumsuzlukları, nikel kadmiyum bataryaların bahsi geçen alanlardaki kullanımını oldukça azaltmıştır (Baker et al. 2008).

Nikel Metal Hidrit Bataryalar
Nikel metal hidrit bataryalar, geliştirilmiş performansları ve çevresel etki bakımından avantajları sayesinde kullanışlı bir batarya alternatifi olarak görülmektedir. Nikel metal hidrit bataryalar kadmiyum, kurşun veya cıva gibi zararlı maddeler içermediğinden kurşun-asit ve nikel-kadmiyum bataryalara kıyasla çevre dostu bir yapıya sahiptirler. Nikel metal hidrit bataryalar, nikel-kadmiyum bataryalara kıyasla %25-30 daha yüksek enerji yoğunluğu sağlamaktadırlar. Ancak lityum-iyon bataryalara kıyasla bu konuda dezavantajlıdırlar. Ayrıca self-deşarj konusundaki problemleri, nikel metal hidrit bataryaları uzun zamanlı enerji depolaması açısından oldukça dezavantajlı konuma getirmektedir. Ancak maliyet açısından lityum-iyon bataryalardan daha avantajlı konumdadırlar (Nair et al. 2007).

Sayılan avantajları ve dezavantajları ile birlikte nikel metal hidrit bataryaların gelecekte özellikle yenilenebilir enerji uygulamalarında daha sık kullanılacağı öngörülmektedir.

Ultra-Kapasitörler
Ultra-kapasitörlerin (UK) gelişim sürecinin başlangıcı kabul edilen elektro-kimyasal kapasitörler, 1957 yılında Becker tarafından yapılan patent başvurusu ile literatüre girmiştir. İlk UK prototipleri ise 1982 yılında “Pinnacle Araştırma Enstitüsü”nde askeri amaçlar için geliştirilmiştir (Burke . 2000). UK’lar temel olarak, elektrik enerjisinin depolandığı elektro-kimyasal çift katmanlı bir yapı üzerinde çok sayıdaki yüzeysel elektrotlardan ve bir ayırıcı yüzeyden oluşmaktadır. Ayırıcı yüzey elektrotlar arasında teması fiziksel olarak engellemekte, fakat iyon geçişine izin vermektedir. UK’nın yapısındaki yüzeysel elektrotlar nano boyutlarda olup yüzey alanını ve buna bağlı olarak kapasite değerini çok yüksek değerlere çıkarmaktadır (Kötz et al. 2000). UK’lar, birçok küçük sistemde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak UK’ların avantajları, özellikle elektrikli taşıt sistemleri gibi yapılar ele alındığında daha belirgin bir şekilde ortaya çıkmaktadır. UK’ların iç yapılarında kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmediğinden, taşıtlarda oldukça hızlı gerçekleşen frenleme durumunda ortaya çıkan enerjiyi verimli bir şekilde geri kazanmada, kimyasal yapıya sahip bataryalardan çok daha etkindirler. Bataryaların hızlı değişen yüklere yeterince hızlı cevap verememesi, UK’ların nispeten daha önemli bir konuma gelmesine yol açmaktadır.

Üstelik tekrar şarj edilebilen bataryalar, içerisindeki kimyasal reaksiyonların etkisiyle genellikle birkaç bin çevrimlik bir ömre sahipken, UK’lar bir milyon çevrime kadar varan çok yüksek bir ömre sahiptirler. UK’ların en önemli avantajlarından biri de çalışmasının sıcaklık değişimlerinden neredeyse hiç etkilenmemesidir. UK’lar, bataryalar için en kötü çalışma şartlarından biri olan -40°C’lik sıcaklıklarda bile başarıyla çalışabilmektedirler (Schindall. 2007).

Aynı boyut veya ağırlıktaki bir batarya ile karşılaştırıldığında UK’nın depolayabildiği enerji miktarı, bataryanın depolayabildiği enerji miktarının ancak %5’i kadardır. UK’ların düşük enerji yoğunluklarının artırılmasın hedefleyen çalışmalar günümüzde yoğun bir şekilde devam etmektedir. UK’ların yapısına farklı bileşenler ekleyerek enerji yoğunluğunu artırmak amacıyla detaylı çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle UK yapısındaki karbon yerine nanotüpler yerleştirildiğinde bir UK’nın, aynı boyut veya ağırlıktaki bir bataryanın depolayabildiği enerji miktarının en az %25’ine, hatta belki de %50’sine varan oranlarda enerji depolayabilmesinin sağlanabileceği öngörülmektedir.