Enerji Depolama Nedir? Enerji Depolama Yöntemleri Nelerdir?

Enerji, insanlığın ilk zamanlarından bu yana her zaman yiyecek,içecek ve barınma kadar önemli bir ihtiyaçtır. Günümüze ve yakın tarihimize baktığımız zaman gerçekleşen petrol ve doğal gaz gibi sadece belirli bölgelerde bulunan enerji kaynakları sebebiyle çok sayıda savaş ve yıkım gerçekleşmiştir. Yakın tarihten itibaren yaygınlaşan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı hem kaynak arama savaşını önleme hem de küresel ısınmanın zararlı etkilerinin azaltılması açısından büyük bir öneme sahiptir. Ancak özellikle güneş ve rüzgardan üretilen enerjinin bu kaynakların varlığına bağlı olmasından dolayı %100 yenilenebilir enerjiye geçişin gerçekleşmesi için enerji depolama sistemlerine olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Enerji depolama ise üstesinden gelinmesi gereken ciddi bir konudur. Öyle ki insanlık enerjiyi verimli bir şekilde uzun süre depolamanın ucuz ve uygulanabilir yolunu bulduğu takdirde dünyanın enerji sorunu da büyük ölçüde çözülmüş olacaktır.

Enerji depolamanın temel prensiplerini anlamanız için enerjiyi ve enerji çeşitlerini iyi bir şekilde irdelemeniz gerekmektedir. Bununla ilgili tüm ayrıntıları aşağıdaki bağlantılarla ulaşabilirsiniz. Bu yazıda enerji depolama ve teknolojileri üstünde durulacaktır.

• Termodinamiğin 1. Yasası ve Enerji Korunumu
• Enerji Nedir? Çeşitleri Nelerdir?

Enerji Depolama Nedir?

Bir enerji formunun başka bir enerji formunda veya aynı formda daha sonra tekrar kullanılmak üzere saklanmasına enerji depolama denir. Enerji depolama sistemleri, mekanik, termal, elektro kimyasal, elektromanyetik, kimyasal, fosil yakıtlarla ve biyolojik depolama sistemlerinin hepsidir. Günümüzde güç santrallerinde kullanılan depolama sistemleri genellikle, mekanik, termal ve elektro kimyasal sistemlerdir.

Enerji kaynaklarının kullanımı medeniyeti ve sanayileşmeyi geliştiren önemli bir faktördür.

Enerji kaynakları sanayi ve medeniyetin daha fazla ilerlemesini sağlar. Enerji sistemleri, enerji kaynaklarını faydalı enerji taşıyıcılarına (benzin, elektrik, termal enerji, hidrojen) dönüştürülmesine izin vererek şirketler ve ekonomiler için önemli bir rol oynar. Örneğin, elektrik enerjisi çeşitli enerji kaynakları (fosil yakıtlar, nükleer enerji, yenilenebilir enerji kaynakları) kullanılarak, enerji santralleri (nükleer santraller, fosil yakıtlı santraller, yenilenebilir enerji kaynaklı santraller) vasıtasıyla üretilir. Çoğu zaman ise bu enerji santralleri, enerji depolama sistemleri ile koordineli bir şekilde çalışır.

Enerji depolama sistemleri, enerji sistemlerinde performans, dayanıklılık, enerji verimliliği, çevre yönetimi ve ekonomiyi iyileştirir. Enerji depolama özellikle enerji talebi ile enerji arzı arasındaki periyotların desteklenmesi için kullanışlıdır. Bu sebepten dolayı depolama sistemleri sıklıkla kesikli enerji kaynaklarını depolanması için en temel sistem bileşeni haline gelmiştir. Güneş ve rüzgar enerjileri değişken sistemlerdir yani rüzgar eserse veya güneş varsa bu kaynaklardan elektrik üretimi gerçekleşir. Bu sebeple de güneş ve rüzgar gibi kaynaklara kesikli (intermittent) kaynaklar, güneş ve rüzgar enerji santrallerine de kesikli (intermittent) enerji santralleri denir.

Örneğin bir rüzgar enerji santralini ele alalım. Rüzgar santrali geceleri genellikle daha fazla enerji üretebilir. Fakat gece vakti şebekede enerji talebi olmadığı için üretilen bu enerji depolama sistemi yoksa boşa gider. Ancak bu santral geceleri ürettiği enerjiyi gündüz enerji talebinin en yüksek olduğu zaman tekrar kullanmak üzere depolayabilir. Bu sayede talebin ve satış fiyatının yüksek olduğu zamanlarda rüzgar üretimi yoksa bile santral şebekeye depolama sistemleri ile elektrik tedariği yaparak kazancını arttırabilir. Kısacası, talebin düşük olduğu zamanlarda üretilen enerji depolanarak, talebin yüksek olduğu gündüzleri şebekeye verilir.

Enerji Depolama Teknolojileri

Enerji depolama teknolojileri birçok alt başlık altında incelenir. Aşağıdaki tabloda size bu yöntemleri anlaşılır bir şekilde sıraladık.

Yukarıdaki tabloda sıraladığımız yöntemler içerisinden en çok bilinen ve kullanılan yöntem ve teknolojiler genellikle aşağıdaki başlıklarda açıkladğımız gibidir.

Batarya ile Enerji Depolama

Elektrik enerjisi, elektro kimyasal olarak 1800’lerde geliştirilen bataryalarda sabit bir formda depolanır. Bataryalar, yıllardır enerjinin depolanmasında kullanılan yaygın ve popüler teknolojilerdir. Günümüzde ise özellikle akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, elektrikli araçlar ve fotovoltaik solar enerji sektörünün gelişiminin hızla artmasıyla beraber batarya geliştirme çalışmaları da buna bağlı olarak hızlanmıştır. Bataryaların, kurşun asit, jel, sulu, lityum iyon ve sodyum sülfür gibi çeşitleri vardır. Bataryaların, ağır olması, ömrünün görece kısa olması ve maliyetinin fazla olması da en büyük dezavantajlarıdır.

Volan (Flywheel) ile Enerji Depolama (VED)

Volan ile enerji depolama sistemi, bir rotoru çok yüksek bir hıza ulaştırarak, sistem içerisindeki enerjiyi dairesel enerji olarak tutma prensibiyle çalışır. Sistemden enerji çekilmek istendiğinde volanın dönüş hızı termodinamiğin 1. yasası enerji korunumunun da bir sonucu olarak düşer ve sisteme enerji aktarımı ise doğal olarak volanın dönüş hızını arttırır.

Birçok volan ile depolama sistemi, sadece mekanik enerji depolamak için geliştirilmiş cihazlar dışında, elektriği volanı hızlandırıp yavaşlatmak için kullanır.

İleri düzey gelişmiş VES sistemleri, mıknatıslı yataklar ile ayrılmış ve vakum altında 20.000 ile 50.000 rpm hıza kadar ulaşabilen, yüksek mukavemetli karbon fiber kompozitlerden yapılmış rotorlara sahiptir. Bazı volan sistemleri dakikalar içinde hızlanabilir ve enerji kapasitesine diğer bazı depolama sistemlerine göre daha kısa sürede ulaşabilirler.

Sıkıştırılmış Hava ile Enerji Depolama (SHED)

Sıkıştırılmış Hava ile Enerji Depolama Sistemleri, enerji talebinin düşük olduğu zamanda santralden üretilen fazla elektrik enerjisi kullanılarak ortam havası bir kompresör ile yüksek basınçta sıkıştırılır ve yer altında bir bina büyüklüğünde bulunan doğal veya yapay oyuklarda geri kullanılmak üzere depolanır. Enerji talebinin maksimum ve üretiminde düşük olduğu durumlarda ise sıkıştırılmış hava gaz türbinlerinden geçirilerek elektrik üretimi sağlanır.

Hava sıkıştırıldığı zaman ısınır bu sistemlerde öenmli olan faktör ise havanın ısısının korunabilmesidir. Çünkü hava ne kadar sıcak ise enerjisi o kadar fazladır ve bu da sistem verimliliğini doğrudan etkiler. Havanın depolanma sürecindeki ısı kayıpları nedeniyle sistem verimliliği %45-%60 seviyelerindedir. Yapılan yeni çalışmalar ile havanın ısısının korunması için ısı akümülatörleri kullanılmaktadır. Yani hava sıkıştırıldığı zaman ısısı bu akümülatörlerden geçerek alınıp depolanır. Hava daha sonra tekrar bu akümülatörlerden geçerek kaybettiği ısıyı geri kazanarak gaz türbinleri ile elektrik üretir. Bu sistem de ise vermlilik %70-%80 arasındadır.

Pompalanmış Su ile Enerji Depolama

Pompalanmış su ile enerji depolama sistemleri, santralde üretilen fazla elektrik ile düşük seviyedeki bir rezevuardaki suyu daha yüksek seviyeye pompalayarak, elektrik enerjisini depolamış olur. Daha sonra ise enerji talebinin yükseldiği zamanlarda da yüksek seviyedeki su kapakları açılarak düşük seviyeye doğru olan hareketinden su türbinleri vasıtasıyla elektrik üretimi sağlanarak şebekeye tedarik edilir. Bu sistem enerji depolamada kullanılan en yaygın, güvenilir ve eski sistemlerden birisidir. Ancak, bu sistemlerin uygulanması tamamen arazi şartlarına bağlıdır.

Manyetik Enerji Depolama

Enerji manyetik olarak da depolanabilir. Örneğin, süper iletken teknolojisi maliyetli ve yeni bir teknolojisi olmasına rağmen her geçen kullanımı ve geliştirilmesi devam ediyor.

Hidrojen Enerji Depolama

Enerji, kimyasal olarak hidrojen enerjisi üretilerek de depolanabilir ve hidrojenin oksitlenmesiyle de geri elde edilir. Birçok teknolojide bu dönüşüm yöntemiyle depolama yapar. Ayrıca hidrojen, kriyojenik sıvı, gaz olarak silindirlerde veya atık gaz alanlarında ve metal hidrit olarak birçok formda depolanabilir.

Termal Enerji Depolama

Termal depolama birçok yöntem ile gerçekleştirilir. En bilindik yöntem ise güneş enerjisinin sıcak su içerisinde ısı olarak depolanmasıdır. Bu evimizden bile örnekleyebileceğimiz en basit termal depolama örneğidir. Bunun yanı sıra solar termal güç santrallerinde kullanılan bir termal kütle malzemesi olan eriyik tuz içerisinde ısı depolanır. Parafin gibi faz değiştiren malzemeler içerisinde de ısı depolanarak daha sonra tekrar kullanılabilir.

Enerji Depolamanın Avantajları

Depolama sistemleri, enerji üretim, iletim ve dağıtım sistemleri için çeşitli yönlerden birçok avantajı vardır. Genellikle enerji depolamanın avantajları şunlardır:

• Enerji üretim sistemlerinin işletim performansı, dayanıklılığını ve esnekliğini sağlar.
• Enerji arz ve talep periyotları arasındaki uyumsuzluğu düşürür.
• Depolama sistemleri güneş ve rüzgar gibi kesikli enerji kaynaklarının en büyük dezavantajı olan günün her saatinde elektrik üretememe sorununu azalttığından dolayı, bu kaynakların enerji üretimindeki payının artmasını sağlayarak, karbon ayakizinin düşürülmesine büyük katkı sağlar.
• Enerji üretim sistemlerine ekonomik açıdan çok büyük katkı sağlayarak, santrallerin başlangıç ve işletme maliyetlerinin düşürülmesine katkı sağlar.
• Bazı durumlarda depolama sistemleri atık enerjiyi geri sisteme kazandırdığından, enerji sisteminin verimini arttırır ve daha fazla yakıt kullanımının önüne geçebilir.
• Dağınık enerji üretiminde, talep çevrimlerinde değişikliklerin yol açtığı sistem emniyeti, ayarlanabilirlik ve dayanıklılık gibi sorunları azaltır.
• Enerjinin sürdürülebilirliğini arttırır.
• Enerji sistemlerinin verimini ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırdığından dolayı, iklim değişikliğinin zararlı etkilerini de azaltır.

Enerji Depolamanın Dezavantajları

Depolama sistemlerinin birçok avantajı olsa da, dezavantajları yüzünden günümüzde hala istenilen düzeyde yaygınlaşamıyor. Enerji depolamanın dezavantajları ise şunlardır:

• Verim kaybı. Enerjinin bir formdan başka bir forma dönüştürülüp depolanması verim kaybına yol açmaktadır. Örneğin, 100 birim elektriği sıkıştırılmış hava ile depoladığınız zaman, bu havayı geri elektrik üretimi için kullandığınız zaman 60 birim elektrik elde edersiniz.
• Yüksek ilk yatırım maliyeti. Depolama sistemlerinin enerji sistemlerine entegresi yüksek oranlarda yatırım maliyeti gerektirir. Her ne kadar depolama işletme maliyetlerini düşürse de, depolama sisteminin verimliliğine ve arazi şartlarına göre yüksek ilk maliyet santralin amortisman süresini uzatabilir.
• Arazi şartları ve konum. Yüksek güçlü enerji sistemlerine genellikle pompalanmış su ve sıkıştırılmış hava ile enerji depolaması entegre edilir. Bu depolama sistemleri de her yerde her araziye kurulamaz veya kurulsa bile yüksek bir maliyete yol açar.

Sonuç olarak enerji depolama sistemleri özellikle yenilenebilir enerjinin kullanımını yaygınlaştırmada ve dolayısıyla da küresel temiz enerjiye geçişte çok önemli bir rol oynamaktadır.