RÜZGAR VE GÜNEŞ ENERJİ SANTRALLERİNDE ENERJİ DEPOLAMA YÖNTEMLERİ

Hava şartlarına ve günün saatlerine göre üretimde değişiklik meydana gelmektedir. Tüketim ise üretimden tamamen bağımsız olup günün farklı saatlerine göre artmakta veya azalmaktadır. Bu çalışmada enerji üretiminin tüketimden fazla olduğu zamanlarda depolama teknikleri incelenecektir.

1. Giriş
Rüzgar ve güneş enerjisinin elektrik ihtiyacından bağımsız olarak üretilmesi, sorun oluşturmaktadır (Boztepe, 2006). Bundan dolayı üretimin tüketimi karşılama oranı çok düşüktür. Rüzgar enerjisinin üretimindeki düzensizlik, atmosferik değişimler sonucunda oluşan ve saniyeler ile birkaç dakika arasında süren ve kararsız üretim yapısı oluşturan mikro-meteorolojik dalgalanmalardır. Bunlar, gece gündüz zaman aralıkları, hava değişim olayları, yüksek ve alçak basınçtan dolayı meydana gelen atmosferik olaylardır.

Şekil 1’de bir rüzgar santralinin bulunduğu yerde 09:00 ile 21:00 arasındaki 12 saatlik rüzgar hızı verilmiştir. Şekilden anlaşılacağı gibi rüzgarın hızı sabit olmayıp sürekli dalgalanmalar bulunmaktadır. Rüzgar santralinin elektrik enerjisi üretimi, bu dalgalanmalardan doğrudan etkilenecektir.

Güneş enerjisi üretimindeki düzensizlik ise güneşlenme zamanıyla doğrudan orantılıdır. Mevsimler, gece, gündüz ve bulutlanma ile doğrudan orantılı olarak üretim değişmektedir.

Şekil 2’de bir güneş santralinin bir günlük zaman-üretim grafiği verilmiştir. Bu grafikten anlaşılacağı gibi güneş santralinin temel özelliği sadece gündüz üretim yapabilmesidir. Gece üretim mümkün değildir. Gündüz yapılan üretimde de güneş ışınlarının geliş acısı ve etkisine göre üretim de dalgalanmalar olmaktadır. En etkili üretim, güneşin en dik ve etkisinin en çok olduğu 12:00 ile 14:00 arasında olmakla birlikte bu zaman aralığında dahi dalgalanmalar içermektedir.

2. Enerji Depolama Yöntemleri

Birçok enerji depolama yöntemi bulunmaktadır. Ancak bunların bazıları, her enerjiyi depolayamamaktadır. Rüzgar ve güneş enerjisi sistemlerinde depolama olarak kullanılacak yöntemler 2 ana başlık altında incelenebilir.

2.1. 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.

2.1.1. Pompa Depolamalı Hidroelektrik Sistemler

Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin ana çalışma mantığı, farklı yükseklikte bulunan suyun potansiyel ve kinetik enerjisinden faydalanmaya dayanır. Alt rezervde bulunan su, elektrik talebinin az olduğu durumlarda pompalar ile üst rezervdeki su haznesine taşınarak potansiyel enerji yükseltilmiş olur (Şekil 3). Yüksek enerji talebinde ise su üst rezervden aşağıdaki rezerve doğru hareket ettirilerek suyun kinetik enerjisinden önce mekanik sonra elektrik enerjisi elde edilir (Hadjipaschalis et al. 2009).

Bu sistemin en büyük avantajı, GW büyüklüğünde depolama yapılabilmesidir. Sistemin dezavantajı ise veriminin kullanılan malzemenin karakteristiğine göre değişmekle birlikte %65-80 arasında olmasıdır. Yani, depolanan 10 kW enerji karşılığında 6-8 kW elektrik üretilebilmektedir (İbrahim et al. 2008).

Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin öncülerinden olan Japonya’da nehirler üzerine birçok irili, ufaklı sistem inşa edilmiştir. Ancak ülke, çevre koruma örgütlerinin raporları ve uygun yer bulunamaması nedeniyle son dönemde deniz suyundan faydalanarak pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin yapına yönelmiştir (Şekil 2).

Dünya üzerinde Japonya başta olmak üzere birçok ülkede 100.000 MW’ın üzerinde pompa depolamalı hidroelektrik sistem mevcuttur. Bu ülkelerin birçoğu zengin fosil kaynaklara sahip olmakla birlikte pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerine yenilerini eklemeyi planlamaktadır (Tutuş, 2007).

Günümüzde var olan 100.000 MW üstü pompa depolamalı hidroelektrik sistemler, dünya elektrik üretim kapasitesinin %3’üne karşılık gelmekle birlikte sistemde kullanılan malzemelerin uygun seçilmesi halinde verim daha fazla artacak uygun motor ve bölümlendirmeler ile titreşimler azaltılarak sistemin kullanım yılı artırılmış olacaktır (Linden et al. 2002).

2.1.2. Sıkıştırılmış Hava Depolamalı Elektrik Sistemleri
Sıkıştırılmış hava depolamalı elektrik sistemlerinde hava, pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerinde olduğu gibi elektrik ucuz ve fazla olduğu zamanlarda pompalarla geçirgensiz mağaralara veya eski tuz madenlerine gönderilerek buralarda sıkıştırılır. Daha sonra ihtiyaç olduğunda tersine bir işlem yapılarak enerji üretilir (Schainker, 1990).

Standart bir gaz türbininin kullanıldığı bir güç santrali, mevcut günün yaklaşık 2/3’lük kısmını yanma havasını sıkıştırmak için harcamaktadır. Bu nedenle işlemleri zaman olarak ayrıştırarak elektrik enerji talebinin az olduğu durumlarda elektrik enerjisinin havayı sıkıştırmak için kullanılması (enerji depolaması), elektrik enerjisi talebinin yüksek olduğu zamanlardan ise bu sıkıştırılmış havanın serbest bırakılması ile standart gaz türbinlerinin kullanıldığı durumlara göre aynı yakıt tüketimi ile 3 kat daha fazla enerji üretmek mümkündür. Bu işleme ait şematik diyagram Şekil 3’te gösterilmektedir (Hadjipaschalis et al. 2009).

Sıkıştırılmış hava depolaması, 40 veya 70 bar gibi yüksek basınçlarında elde edilmektedir. Bu durum, depolama ünitesinin daha az hacim kaplamasını sağlamaktadır. Yeraltında mağara veya tuz madenlerine hava depolamak yerine yerin hemen altında yüksek basınçlı borular içresinde sıkıştırılmış olarak hava depolamak ve bu sayede kurulum ve işletim giderlerinin azaltılması üzerine yapılan çalışmalar son dönemde oldukça artış göstermiş durumdadır. Sıkıştırılmış hava depolamalı olarak oluşturulmuş bir sistemin enerji yoğunluğu yaklaşık 12kWh/m³ ve verimi %70 civarındadır. Verimliliği artırmak için özellikle bataryalardaki self-deşarja benzer olarak hava kaçaklarını azaltıcı önlemlerin alınması gerekmektedir (Hadjipaschalis et al. 2009).

Dünyada ilk olarak 1978 yılında Almanya’da çözünmüş tuz mağaraları kullanarak 290 MW kurulu güçte sıkıştırılmış hava depolamalı elektrik sistemi inşa edilmiştir. 1991 yılında Alabama’da 110 MW kurulu güçte santral kurulmuştur. Amerika ve Avrupa’da birçok proje geliştirilmiştir. Önümüzdeki dönemde hızla yaygınlaşacak olan bir teknolojidir. Amerika ‘da mevcut bir mağara kullanılarak 220 MW sıkıştırılmış hava depolamalı elektrik sistemleri ve 100 MW rüzgar santrali ve kömür santralinin fazla enerjisinin kullanıldığı hibrid bir proje 2011 yılında işletmeyi girmiş bulunmaktadır. Özellikle rüzgar ve fosil yakıtlı santrallerle hibrid çalışacak benzer bir çok proje geliştirilmektedir. Yatırım maliyetleri pompa depolamalı hidroelektrik sistemlere göre düşük ama işletme bakım giderleri daha fazla ömürleri daha kısadır (Hadjipaschalis et al. 2009).

2.1.3. Volan
Volan, enerjiyi kinetik enerji formunda mekanik olarak depolayabilen ve bir eksende dönen kütledir (Hadjipaschalis et al. 2009). Volanlar, NASA’nın 1961’de açıkladığı çalışma raporunun ardından uzay uygulamalarında kullanılmıştır (Liu et al. 2007).

Volanı mekanik olarak hareketlendirebilmek ve döndürebilmek için bir enerjiye gereksinim vardır. Volan dönmeye başladığında dönme hızı ve ataletine bağlı olarak belirli bir miktar enerjiyi depo eden “mekanik bir batarya” olarak çalışmaktadır. Volan, ne kadar hızlı dönüyorsa o kadar çok miktarda enerjiye sahip demektir. Depolanmış bu enerji, istendiğinde volan yavaşlatılarak ve bu sayede mevcut kinetik enerjinin istenilen kısmı generatör modunda çalışan bir elektrik motorunu tahrik etmekte kullanılarak elektrik enerjisine çevrilebilmektedir.

Volan temelli enerji depolama sistemlerinin temel avantajları uzun bir çevrim ömrüne sahip olmaları ve yüksek şarj-deşarj hızlarına uygun bir yapı içermeleri olarak sıralanabilir. Volanların çevrim ömürleri 105’ten 107 çevrime kadar olan uzun ve geniş bir aralıkta değişmektedir (Liu et al. 2007). Ancak mekanik olarak volan sisteminin ömrü 20 yıl olarak kabul edilmektedir. Ayrıca yukarıda da belirtildiği gibi 100 Wh/kg’a varan yüksek güç yoğunlukları da volan sistemlerinin avantajları arasındadır. Volan sistemlerinin nominal güçteki verimleri %90 civarındadır. Volanların hızlı cevap verme yetenekleri, şebeke frekansının dengelenmesinde bu cihazların kullanılmasını da mümkün kılmaktadır. Düzensiz bir güç çıkışına sahip olan yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşması ile birlikte bu husus daha da önemli hale gelecektir (Liu et al. 2007). Volan sistemlerinin en önemli dezavantajları ise yüksek fiyatları ve boştaki kayıplarının oldukça yüksek olmasıdır. Volanların saat başına boştaki kayıpları %20 seviyelerine ulaşabilmektedir. Bu durum, çevrim sürekli olmadığında, yani volan sistemi boşta bırakıldığında enerji verimliliğini büyük bir oranda azaltmaktadır. Bu nedenle volan sistemleri uzun süreli enerji depolanması için uygun değildir. Ancak, volanlardan güç sistemlerinde kısa süreli yedek güç ünitesi olarak yararlanılabilmektedir (Hadjipaschalis et al. 2009).

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

2.2.1 Lityum-İyon Bataryalar
Lityum-iyon bataryaların laptoplar, MP3 çalarlar 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 bataryaların maliyeti 360-1000 Euro/kWh arasında değişmektedir (Divya et al. 2007).Lityum bataryaların en büyük dezavantajlarından birisi ise kurulum maliyeti ve kapasitesinden fazla şarj olma tehlikesidir (Hammerschlag 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. Bu çalışmalar, özellikle lityum-iyon bataryaların elektrot yapısında kullanılmak üzere alternatif materyallerin geliştirilmesi ve maliyet azaltımı üzerine yoğunlaşmış durumdadır (Divya et al. 2007). Ayrıca lityum-iyon bataryaların yapısındaki grafit ve lityum kobalt oksit materyallerinin daha yüksek kapasiteli ve daha düşük maliyetli alternatifleri ile değiştirilmesi, sıklıkla üzerinde durulan bir husustur.

2.2.2 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.

2.2.3 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).

2.2.4 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.

2.2.5 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 (Schindall. 2007).

3.Sonuç

Rüzgar ve güneş enerji sistemlerinde enerji üretiminin tüketimle arasında hiçbir orantı olmadığından bir depolama sistemi kullanmak zorundayız. Bu depolama sistemi seçerken yukarıdaki tablodan faydalanarak bizim sistemimiz için en uygunu seçmek kalıyor. Enerji depolamakta elektrik enerjisi başka bir enerji formuna çevirip ihtiyaç olduğunda tekrar elektrik enerjisine döndürdüğümüz zaman bir kayıp olacak bunu minimumda tutmak zorundayız. En önemlisi de bizim depolayacağımız enerji kapasitesine göre seçim yapmalıyız. Eğer düşük bir enerji depolayacaksak batarya veya büyük bir güç depolayacaksak pompa depolamalı hidroelektrik sistemleri kullanmak en iyi tercih olacaktır.

Kaynaklar

• Hadjipaschalis, I., Poullikkas, A. and Efthimiou, V., 2009. Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6-7), 1512-1522.
• İbrahim, H., Ilinca, A. and Perron, J., 2008. Energy storage systems-Characterstics and Comparisons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(5), 11221-1250.
• Liu, H., Jiang, J., 2007. Flywheel energy storage-Anusswing technology for energy sustainsbility. REnergy and Building, 39(5), 599-604.
• Nair, N. K. C. And Garimella, N., 2010. Battery energy storage system: Assessment for small-scale renewable energy integration. Energy and Building, 42(11), 2124-2130
• Scrosati, B. And Garche J., 2010. FLitium batteries: Status, prospects and future. J Power Sources, 195(9), 2419-2430 .
• Divya, K. C. And Qstergaard J., 2009. Battery energy stroge tecnologoy for power systems-An overview. Electric Power Systems Research, 79(4), 511-520.
• Baker J., 2008. New technology and possible advences in energy storage. Energy Policy, 36(12), 4368-4373.
• Kurzweil, P. 2009. Gaston Plante and his invention ofthe lead-acid battery- The genesis of ther first practical rechargeable battery J. Power Sources , 195(14), 4424-4434 .
• Burke, A., 2000. Ultracapacitor: why, how and where is the tecnology J. Power Sources , 91(1), 37-50.
• Kötzh, R. And Carlen M., 2000. Principles and applications of electrochemical capacitor Electrochimica Acta , 45(15-16), 2483-2498 .
• Dustmann, C. H., 2004. Advances in ZEBRA batteries: Status, J. Power Sources , 127(1-2), 85-92.
• Barbir, F. 2005. PEM Fuel Cells: Theory and Practice, Elsevier Academic Pres, Californa, USA.
• Schindall, J., 2007. The charge of the ulracapacitors Nanotechnology takes ebergy storage beyond betteries. IEEE Spectrum , Nov, 38-42 .
• Hammerschlag, R., Schaber C.P., 2007. Chapter 15 Energy Storage Technologies, Energy Conversion, Toylor & Francis Group, LLC
• Ayla Tutuº, 2007. Pompa Depolamalı Hidroelektrik Santraller. 10. Enerji Kongresi.
• Linden, D., Reddy, T. B., 2002. Handbook of Batteries, Capter 30. M. Fetcenko, McGraw-Hill, New York, USA
• Schainker, R. B. 1990. CAESscope 13(2). Electr. Power Res. Inst., FPalo Alto, CA

İnternet Kaynakları
Boztepe M., 2006 Enerji Depolama http://electronics.ege.edu.tr/boztepe/cgibin12.02.2014