ENERJİ DEPOLAMA · 2012-11-26 · ENERJİ DEPOLAMA EES 487 Yeni Enerji Kaynakları Dr. Mutlu BOZTEPE 26.12.2006

ENERJİ DEPOLAMA

EES 487 Yeni Enerji Kaynakları

Dr. Mutlu BOZTEPE

26.12.2006

Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 2

Enerji depolama ve dağıtım

• Enerjinin istendiği zaman ve istenilen yerde kullanılmaya

hazır olması istenir.

• Enerjiyi istediğimiz bir yere taşımaya dağıtım (distribution)

adı verilir.

• Enerjiyi istediğimiz zaman kullanabilmek için onu

saklamaya depolama (storage) denir.

• Bu depolama çeşitli şekillerde olabilmektedir.

• Örneğin doğal ekolojide biyokütle hayvanlar ve parazitler

için bir enerji deposudur.


Dağıtılmış sistem

• Yenilenebilir enerji kaynakları, depolama ve dağıtım açısından fosil veya nükleer kaynaklardan farklı özellikler gösterir.

• Düşük enerji yoğunluğu ve kaynağın geniş bir sahada yayılmış olması nedeniyle merkezi olmayan, yani dağıtılmış kullanım (decentralized end-use) için daha uygundur.

• Yenilenebilir enerji kaynakları zaten dağılmış durumda bulunduğundan, iletim ve dağıtım gereksinimi en azdır.

• Bununla birlikte hidrolik enerji gibi yenilenebilir sistemlerde merkezi üretim uygundur.


Enerji depolama

• Yenilenebilir enerji doğası gereği

çevremizde sürekli olarak

akarken, biz onun ancak bir

kısmını değerlendirebilmekteyiz.

• Öte yandan, enerji girişi

kontrolümüz dışındadır ve fosil vs.

gibi yakıtların aksine sürekli sabit

bir enerji girişi yoktur.

• Bu durum enerji arzı ve enerji

talebi arasındaki dengeyi

sağlamakta zorluk yaratmaktadır.

• Çünkü enerji ihtiyacı da sürekli

(günlük, saatlik ve hatta saniyelik)

değişmektedir. Buna ilave olarak

yenilenebilir enerji girişi de

değişkendir.


Fotovoltaik Enerji

Kesikli ve değişken (Bulutlanma, gölgeleme).

Süreksiz (Günün ~%50’sinde güneş yok).

Kapalı günler (Yaklaşık ~3-5 gün).

Kesintisiz enerji için depolama gerekli.

Hammadde maliyeti sıfır ve rezerv sonsuz.

GELEN GÜNEŞ RADYASYONU (23 Ekim 2001)

0

250

500

750

1000

0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 24:00:00

Zaman [Saat]

Gü

ç [W

att

]


Rüzgar hızı çok değişken

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

9:07:12 11:31:12 13:55:12 16:19:12 18:43:12 21:07:12


Enerji depolama

• Hem enerji girişi değişken

• Hem de yük değişken!

• Bu durumda yapılabilecek iki seçenek vardır:

– Enerji ihtiyacımızı enerji girişine uydurmak

– Enerjiyi daha sonra kullanılmak üzere depolamak.


Bir Depoda aranan özellikler

• Yüksek depolama kapasitesi

• Yüksek şarj/deşarj verimi

• Kendiliğinden boşalmanın ve kapasite kayıplarının az

olması

• Uzun ömür

• Ucuzluk

• Enerji yoğun olması (kWh/kg veya kWh/litre). Yani

enerjiyi en az hacimde ve ağırlıkta depolayabilmeli.


Enerji depolama türleri

• Enerji çok değişik formlarda depolanabilmektedir.

– Biyolojik depolama

– Kimyasal depolama

– Isıl depolama

– Elektriksel depolama

– Potansiyel enerji

– Yerçekimi potansiyel enerjisi

– Kinetik enerji

– vs.


Biyolojik depolama

• Bitkiler fotosentez yaparak büyürler ve gelişirler. Bu güneş

enerjisinin bir depolanma şeklidir.

• Daha sonra bu bitkiler yakılarak depoladıkları enerji ısı enerjisi

olarak açığa çıkarılabilir.

• Fosil yakıtlar da bir biyolojik depolama türüdür. Binlerce yıl boyunca

oluşan kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar içten yanmalı motorlarda

kullanılarak enerjisini açığa çıkartmaktadırlar.


Kimyasal depolama

• Enerji kimyasal bileşiklerin oluşturduğu bağlarda

depolanabilir ve exotermik reaksiyonlarla tekrar

kazanılabilir. (NOT: ısı açığa çıkan reaksiyonlara

exotermik denir) Bunun için bazen bir katalizör (Isı,

enzim vs.) kullanmak gerekebilir.

• En çok kullanılan yöntemler şunlardır:

– Hidrojen

– Amonyak


Kimyasal Depolama (Hidrojen) (1/2)

• Hidrojen gazı elektroliz yoluyla sudan elde edilebilir.

• Gaz depolanabilir, taşınabilir ve yakılarak depoladığı enerji açığa çıkarılabilir.

• Yanma sonucu açığa çıkan egzoz sadece sudur ve çevre dostudur.

• Her bir mole (18g) H2O için 242 kJ açığa çıkar.

• Günümüzde kullanılan hidrojenin büyük bölümü fosil yakıtlardan elde edilmektedir.

• Elektroliz is yeni bir yöntemdir ve ~%60 verimi vardır. Elektroliz sırasında çıkan baloncuklar elektrotların iletkenliğini azaltarak kayıpları arttırmaktadırlar. Bu engellenerek verim %80’lere çıkarılabilmektedir.


Kimyasal Depolama (Hidrojen) (2/2)

• Hidrojenin depolanması basit değildir.

• Yanıcı ve patlayıcı bir gazdır.

• Sıvı halde depolamak için (donma noktası 20°K (-253°C)

olduğundan) sürekli soğut tutmaya ihtiyaç vardır.

• Metal hidritler olarak depolanırsa hem ısıtarak kolayca

enerji geri kazanılabilir hemde büyük hacimler

depolanabilir. Bu işlem reversibildir. Bu şekilde mobil

araçlara enerji deposu olarak kullanılabilir. Tek sorun

kullanılacak metalin ağırlığı ve maliyetidir.

• Ayrıca yakıt hücresi ile havadan hidrojen ve oksijen elde

edilebilmektedir.


Kimyasal depolama (Amonyak)

• Suyun aksine amonyak daha uygun sıcaklıklarda

ayrışabilir.

• Bir ısı çevrimi (heat engine) ile birlikte bu yöntemle

güneş enerjisinden sürekli olarak ısı elde etmek mümkün

olabilmektedir.


Isıl depolama (1/2)

• A substantial fraction of world energy use is as low

temperature heat.

Kaynak Twidel

Isıtma (taralı)Elektrik

Britanya için en soğuk günlere göre enerji tüketimi

Mevsimler arasında

değişiklik gösterse

de kışın kullanılan

enerjinin yarısı

183°C sıcaklıkta

ısı enerjisidir.

Bu ısıyı diğer

kaynaklardan elde

etmek

termodinamik

açıdan hiç avantajlı

değildir.

Binaların ısı

kazancını arttırarak

elde edilen enerji

daha makbuldür.

Isıl depolama (2/2)

• Yüksek enlemlerde güneşin ısıtması yaz

aylarında kış aylarına göre çok fazladır. Ancak

kışın ısıtmaya çok fazla ihtiyaç duyulur. Bu

nedenle uzun süreli ısı depolama ihtiyacı

gereklidir. Bu ise ısıl izolasyonlu su depoları ile

çözülebilir.

• Kitabınızdaki Example 16.1’i inceleyiniz.

• Bu örnekte bir güneş evinin iç sıcaklığını

20°C’de tutmak için sürekli 1kWh enerji girişi

olması gerektiği belirtilmekte ve bunu ilk baştaki

sıcaklığı 60°C olan suyun 40°C’ye düşene kadar

100 gün boyunca vermesi üzerine bir hesaplama

yapılmış ve 200m^2 bir alan için 50cm tank

yüksekliği hesap edilmiştir. Bu değer

gerçekleştirilebilir bir değerdir.

• Bu örnek su ile yapılmıştır. Isı depolama

kapasitesi daha yüksek malzemelerle (Glauber’s

salt Na2SO4.10H2O) iyileştirme mümkündür.


Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü)

• Elektrik enerjinin çok kaliteli bir formudur. Dolayısıyla

onu verimli ve ucuz bir şekilde depolamak için çok fazla

araştırma yapılmaktadır.

• Teoride bir çok elektrokimyasal reaksiyon tersinir

(reversible) olmasına karşın içlerinden sadece bir kaçı

pratik bir uygulamaya uygundur. Çünkü 1-100A

arasındaki şarj/deşarj akımlarında yüzlerce kez çevrim

(cycle) yapmaları beklenir.

• En çok kullanılan batarya tipi ise Plante’nin 1860’ta

keşfettiği kurşun-asit (lead-acid) bataryadır ve o günden

beri sürekli geliştirilmektedir.


• Primer bataryalar şarj edilemez. Şarj edilebilir olanlara sekonder

bataryalar denir.

• Bataryanın çalışma prensibinin temelini oxidation ve reduction

oluşturur.

• Bunların gerçekleştiği yerler anot ve katot olarak isimlendirilir.

• Oxidation da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu (valans

state) artar ve extra elektron üretir.

• Reduction da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu azalır

ve extra elektron kullanır.

• Buna kısaca redox reaksiyonun da denir.

• Redox reaksiyonunda kısaca elektron bir reaksiyondan diğerine

transfer edilir.

• Her iki reaksiyonda fiziksel olarak birbirine yakındır.






500-1000 cycle

30-40 Wh/kg

60-75 Wh/lt

%70-92 şarj verimliliği


Bataryalar

• Starter aküler veya otomobil bataryaları PV uygulamaların ihtiyaç duyduğu derin boşalma işlevini yapamadıklarından uygun değildirler.

• RV veya “marine” bataryaları bir starter bataryasından daha iyi derin deşarj oldukları için başlangıç sistemlerde kullanılabilirler. Derin boşalma yapabilen Deep cycle bataryalar Pv sistemler için iyi bir seçimdir ve %80 oranında deşarj olabilirler. Örneğin Golf arabalarının bataryaları 3-5 yıl kullanılabilmektedir. Bazı büyük kapasiteli deep cycle bataryalar 7-10 yıl, endüstriyel chloride bataryalar ise 15-20 yıl dayanabilmektedirler.

• Kurşun bazlı olmayan Ni-Cd gibi bataryalar pahalı olmasına karşın, aşırı deşarj yapılmadan kullanılırsa uzun yıllar hizmet verebilmektedirler. Yeni tip fiber-Ni-Cd batarya %25 deşarj oranında oldukça uzun süre çalışabilmektedir. Yanlız Ni-Cd bataryaların şarj durumunu ölçmede, kurşun bazlı akülere göre zorluklar vardır. Batarya seçiminde, doğru bir deep-cycle tip ve çalışma koşullarına uygun olmasına dikkat edilmelidir.

Elektriksel depolama

• Lityum iyon aküler

– katot “lithiated metal oxide“ (LiCoO2, LiMO2, vs) ve anot ise yüzey yapısında

karbon grafit maddesinden oluşur. Elektrolit maddesi organik karbonat içinde

çözülmüş lityum tuzlarından (ör: LiPF6) . Şarj sırasında katotdaki Lityum atomları

iyonlaşır ve elektrolit içinden geçerek karbon anota ulaşır ve birleşir bu sırada

elektronunu vererek dış devrede akım oluşturur. Bu süreç deşarjda tersine işler.

• Vanadium-Redox Battery – VRB

– Hidrojen iyonları için geçirgen bir Polimer membran içeren hücre içerisinden

geçirilen sıvılar birbirlerine H+ iyonu (proton) vererek devreden elektron akışını

sağlar. Hücre gerilimleri 1.4-1.6 Volttur. Bu tip akülerin verimlilikleri %85

civarındadır. Enerji yoğunlukları 25-35 Wh/kg ve 20-35 Wh/lt. değerlerinde olup

kurşun asit ve Lityum akülere göre düşük bir enerji yoğunluğu gösterir. Ancak

“derin deşarj” konusunda tüm diğer “Flow Battery” tipleri gibi iyi performans

gösterir. Binlerce kere %100 deşarj edilse bile enerji yoğunluğundan

kaybetmez. Günümüzde büyük tipleri yenilenebilir enerji üretim tarlalarında

(özellikle rüzgar), enterkonekte sisteme bağlanmadan önce elektrik enerjisi

tamponlama işlevi için kullanılır. 10 kW’dan düşük modeller UPS veya telekom

uygulamaları için de geliştirilmiştir.


3000 cyle

160 Wh/kg

270 Wh/lt

%98 şarj verimliliği

Elektriksel depolama

• Super capacitor

– Elektrik enerjisini iki yüzeyli elektrot ve elektrolit iyonları içinde depolar.

Şarj yüzeyleri arasındaki ayrım birkaç angstrom civarında olur. Bu tür

ürünlerdeki enerji depolama yoğunluğu elektrolitik kapasitörlerin binlerce

katına çıkar. Elektrotlar genelde gözenekli karbon malzemeden yapılır.

– Kurşun asit akülerle karşılaştırıldığında, bu kapasitörler daha düşük

enerji depolama yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen şarj/deşarj

çevrim sayılarının kurşun aside göre binlerce kat daha fazla olması ve

çok yüksek akımlarla şarj ve deşarj edilebilmeleri gibi avantajlara da

sahiptirler.

– Küçük uygulamalar için birçok tipinin

üretilmiş olması ile birlikte 20 kWh/m3

enerji depolama yoğunluğuna sahip

tiplerinin tasarımı halen devam

etmektedir.



Relative Energy Density of Some Common Secondary

Cell Chemistries


Elektriksel depolama (yakıt hücreleri)

• Yakıt hücreleri (fuel cells) kimyasal enerjiyi redox reaksiyonu ile

elektriksel enerjiye çevirme metodudur.

• Bataryaların aksine burada yakıt sürekli olarak reaksiyona dışarıdan

verilir.

• Yakıt hücreleri, doğalgaz ve metan gibi yakıtların haricinde, bir enerji

üretim yöntemi değil, bir enerji depolama yöntemidir.

• 1839 yılında William Grove tarafından keşfedilmiştir.

• 1933 yılında Bacon iyi bir akım yoğunluğu ve voltaj değerleri

alınabilecek şekilde geliştirmiştir.

• 1960’larda uzay uygulamalarında kullanılmıştır.

• Fosil yakıtlarla uyum, çalışma sıcaklığı, basınç ,fiyat, boyut ve ısı

yönetimi gibi konularda birçok teknoloji geliştirilmiştir.






Type 212 submarine

with fuel cell propulsion

of the German Navy in

dry dock

The world's first certified

Fuel Cell Boat

(HYDRA), in

Leipzig/Germany

http://en.wikipedia.org/wiki/Type_212_submarine

http://en.wikipedia.org/wiki/German_Navy

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydra_%28ship%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Leipzig

http://en.wikipedia.org/wiki/Germany


Toyota FCHV PEM FC fuel

cell vehicle.

Mercedes-Benz (Daimler AG) Citaro

fuel cell bus on Aldwych, London.

http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_FCHV

http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_exchange_membrane_fuel_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Daimler_AG

http://en.wikipedia.org/wiki/Aldwych

http://en.wikipedia.org/wiki/London


Mekanik depolama (Su)

• Hidro güç sistemleri potansiyel enerji depolarlar.

• E=mgh

• Qo: suyun akış hızıdır. H su yüksekliğidir.

• Hidroelektrik santrallerde su dam adı verilen setlerle

tutulur. 100m yüksekliğindeki bir dam için enerji

kapasitesi değerindedir.


Mekanik depolama (Volan)

• Dönen bir cismin kinetik enerjisi

I atalet momenti, w açısal hız. En basit durumda bir

homojen disk için I=1/2. ma^2 dir. Bu diskin enerji

yoğunluğu ise

Enerji yoğunluğunu yüksek tutmak için mümkün olduğu

kadar hızlı döndürülmelidir.

Mekanik depolama (Volan)


A Flybrid Systems Kinetic

Energy Recovery System

built for use in Formula One


Mekanik depolama (Sıkışmış hava)

• Hava hızlı bir şekilde sıkıştırılabilir ve tekrar yavaşça genişletilebilir.

Bu özellik hidrolik sistemlerdeki büyük basınç dalgalanmalarını

düzeltebilmektedir.

Karşılaştırma


Karşılaştırma


Karşılaştırma



Enerji depolama yöntemleri

• Konvansiyonel yakıtlar

– Dizel yakıt

– Kömür

– Odun

• Kimyasal

– Hidrojen

– Amonyak

• Isı

– Su

– Buhar

• Elektrik

– Kapasite

– Elektromagnet (süper iletken)

– Bataryalar

• Yakıt hücreleri (fuel cell)

• Mekanik

– Su pompalama (pumped hydro)

– Volan (flywheel)

– Sıkıştırılmış hava (compressed air)


Performanslar

Enerji yoğ.

MJ/kg.

Çalışma sıcaklığı

°C

Development

time/y

Dönüşüm Verim (%)

Dizel yakıt 45 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 30

Kömür 29 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 30

Odun 15 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Kimy. iş 60

Hidrojen gazı 140 -253 … -30 10 Elek. Kimy. 60

Amonyak 2.9 0 … 700 5 Isı kimy. 70

Su ısısı 0.2 20-100 Kullanılıyor Isı ısı 50-100

Buhar 2.2 100-300 Kullanılıyor Isı ısı 70

Kapasite 10-6 MJ/l - Çok zayıf

Elektromagnet 10-3 MJ/l - Çok zayıf

Kurşun asit 0.10 Oda sıcaklığı Kullanılıyor Elek. elekt. 75

Yakıt hücresi - 150 10 Kimy. elek. 38

Su pompalama 0.001 Oda sıc. Kullanılıyor Elek elek 80

Volan 0.05 Oda sıc. Kullanılıyor Elek elek 80

Sıkışmış hava 0.2 … 2 20 … 100 Kullanılıyor Elek elek 50

Documents

ENERJİ DEPOLAMA · 2012-11-26 · ENERJİ DEPOLAMA EES 487 Yeni Enerji Kaynakları Dr. Mutlu BOZTEPE 26.12.2006