Elektrik enerjisi bir yandan üretim, araçlar, mobil sistemler, sadece belirli zamanlarda enerji verebilen yenilenebilir enerji kaynaklarında, diğer yandan ani güç ihtiyaçlarına cevap verebilmek amacıyla depolanmaya ihtiyaç duymaktadır. Ülkemizde giderek artan nüfus ve sanayileşmeden dolayı ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi ile üretilen elektrik enerjisi arasındaki farkın büyümesi, hızla kirlenen dünyada çevreye zarar vermeyen yenilenebilir enerjinin önemini giderek arttırmaktadır. Yenilenebilir enerji ile birlikte elektrik enerjisi depolama yöntemleri de giderek önem arz etmektedir. Bu yöntemler başlıca ultra kapasitörler, süper kapsitörler, süper iletken manyetik enerji depolama, yakıt hücreleri, bataryalardır.

Elektrik Enerjisinin Depolanması

2.1. Ultrakapasitörler/Süperkapasitörler

Kondansatörler iki tane iletken plaka ile bunları ayıran ve dielektrik olarak adlandırılan yalıtkanlardan oluşmaktadır. Enerjiyi pozitif ve negatif elektrostatik yüklerin ayrışmasıyla depo eder. Dielektrik malzeme iki levha arasında ark oluşmasını önleyerek daha fazla şarj yapılmasına yardım eder.

Klasik kapasitörlerin güç yoğunlukları çok yüksek(yaklaşık olarak 1012 W/m³), fakat enerji yoğunlukları çok düşüktür(yaklaşık olarak 5 Wh/m³) [1]. Geleneksel bataryalara gore çok hızlı şarj olurlar ve onbinlerce kez yüksek verimli şekilde şarj/deşarj olabilirler[2]. Süperkapasitörler (Ultrakapasitör diye de adlandırılır) ise klasik kapasitörlerin geliştirilmiş olanlarıdır. Bu kondansatörlerin güç yoğunlukları 106 W/m³ ve enerji yoğunlukları 104 Wh/m³ değerlerindedir. Enerji yoğunlukları az fakat deşarj süreleri hızlı ve çevrim ömrü daha fazladır[1]. Su sebeple eğer yüksek kapasite ihtiyacı varsa boyutların fazlaca büyümesi gerekir[2]. Bu da yüksek kapasitelerde kullanımını olumsuz yönde etkilemektedir. Diğer yandan deşarj sürelerinin hızlı olması anlık güç ihtiyaçlarının karşılanabilmesi için önemli bir avantajdır. Süperiletkenin iç yapısı Resim 1’deki gibidir.

2.2. Süper iletken Manyetik Enerji Depolama

Bu sistemlerde depolama şekli en basit anlatımla, süper iletken bobin içerisindeki akan akım ile oluşan manyetik alan içerisinde enerjinin depolanmasıdır.

Süper iletken manyetik enerji depolama (SMES) sisteminin temel olarak içinde şu bileşenler vardır; süperiletken bobin (cryostat), enerji dönüşüm sistemi (bobin içi ve dışına enerji transferi için) ve soğutma sistemidir. SMES’nin avantajları, çok yüksek verimlilik (yaklaşık %97–98), çok kısa sürede isteklere cevap verme (20–30 ms), aktif ve reaktif gücün bağımsız kullanılabilmesi, uzun ömürlü olmaları diye sıralanabilir. Yukarı da bahsedilen özellikleri ile birçok alanda kullanılan depolama tekniğidir. Özellikle elektrik şebeke sisteminde pik yüklerin karşılanması, frekans kontrolü, sistem kararlılığı ve yük akışı kontrolü gibi önemli noktalar için kullanılabilecek özellikleri ile diğer depolama tekniklerinden ayrılan yegâne depolama birimi denilebilir [1].

2.3. Yakıt Hücreleri

Yakıt hücreleri bataryalar gibi yakıt ve yakıcılarını bünyelerinde barındırmazlar. Bunun yerine bu iki kimyasalı depo edildikleri harici bir kaynaktan sürekli olarak alırlar[1]. Yakıt hücreleri kaynak akışı sağlanabildiği sürece sürekli olarak çalıştırılabilirler[2]. Oysa bataryalar yakıt ve yakıcılarını kendi içyapılarında bulundururlar. Mesela, kursun – asit pillerinin yakıtı (kursun) anotta bulundurulurken, yakıcı maddesi (kursun dioksit) katotta bulundurulur, depo edilir. Yakıt hücresi özgül enerji değeri açısından bataryalardan daha yüksek bir değeri sağlayabilirken özgül güç bakımından daha kötü bir değere sahiptir. Bunun da ötesinde, yakıt hücreleri oldukça pahalıdırlar (1500 $/KW, 1999 fiyatlarıyla) ve yük değişimlerine hızla adapte olamamaktadırlar. Bu sebeplerden burada tartışılan diğer teknolojilerle karşılaştırıldıklarında yüksek güç kapasitesine sahip değildirler[1].

Nötr Topraklama Direnci

2.4. Bataryalar

2.4.1. Lityum-İyon Bataryalar

Günümüzde bu çeşit piller elektronik cihazların yaklaşık hepsinde kullanılmaktadır[1]. Katot olarak LiCoO2 ce LiMO2 gibi lityum metal oksit malzeme, anot olarak grafitli karbon malzeme kullanılır[2]. Lityum iyon pil, yüksek enerji depolama kapasiteleri, düşük iç direnç ve %90’ın üzerinde verimliliğe sahip olmalarından dolayı kullanımları yaygındır. Teknik olarak uygun sıcaklık ve maksimum kapasitelerine dikkat edilerek çalıştırılmalılar aksi halde lityum iyon pillerin verimleri azalır. Yüksek verimleri ve enerji yoğunlukları ile lityum iyon piller enerji kalitesinin önemli olduğu yerlerde, dağıtım sistemlerinde ve otomotiv alanlarında kullanım için çok uygundur. Lityum iyon pillerinin birçok avantajı vardır. Bunlar; uzun süreli kullanım ömrü, yüksek enerji yoğunluğu, küçük taşınabilir olmaları, bakım gerektirmemesi, geniş sıcaklık aralığında çalışabilme diye sıralanabilir. Dezavantajları ise yüksek kurulum maliyeti ve kapasiteden fazla şarj olma tehlikesi denilebilir [1].

2.4.2. Kurşun Asit Bataryalar

Kurşun asit pilleri en eski ve olgun teknolojiye sahiptir. Temel formda, negative elektrotta kurşun içerir, pozitif elektrotta kurşun dioksit ve elektrik yalıtım tabakası bulunur. Deşarj için sulandırılmış sülfürik asit sülfat iyonları sağlar.

Güç kalitesi için düşük maliyetli depolama uygulamalarında genellikle kurşun asit piller kullanılır. Uygulamaları sınırlıdır çünkü kısa bir kulanım ömrü vardır. Kurşun asit piller otomobillerde, motosikletlerde, botlarda ve çeşitli diğer endüstrilerde, çalışma, aydınlatma ve ateşleme amacı ile kullanılır. Avantajları ise düşük maliyeti, yüksek güç yoğunluğu, düşük ve yüksek sıcaklıklarda yüksek performans, servis ağının yüksek olması ile bakımının kolay olmasıdır. Dezavantajları ise kısa süreli kullanım ömrü, enerji saklama süresinin az olması (kendi kendine deşarj olması) ve deşarj olurken depolama yapmadaki zayıflığı diye sıralanabilir [1].

2.4.3. Nikel-Kadmiyum Bataryalar

Nikel kadmiyum pilleri kullanım olarak çok yaygın değildir ve yaklaşık olarak verimlilikleri %75’tir. Nikel kadmiyum pilleri (NiCd) kadmiyum adı verilen malzeme ile kaplıdır. Kadmiyum zehirli ağır bir metaldir ve son 30 yıla bakıldığında dünya üzerindeki kadmiyumun 2/3’ü NiCd pilleri yapımında kullanılmıştır. Kasım 2003’te Avrupa Komisyonun yeni pil direktifleri ile NiCd pillerinin %75 oranında geri kazanımı amaçlanmıştır. Ancak NiCd’dan şarj edilebilir pil yapılmasının yasaklanmak istenmesine rağmen hala kullanılmaya devam edilmektedir ve gelecek yıllarda da kullanılmaya devam edileceği öngörülmektedir. Nikel-kadmiyum pillerinin devamlı şarjda tutulup kısa süreler için kullanılması çalışma verimini azaltır. Eğer devamlı kullanılıp tam deşarj ve ardından şarj edilmiyorsa belirli aralıklarla tam olarak deşarj edilmesi gerekir, aksi halde hücrelerdeki plakalar üzerinde kristalleşme oluşur (buna aynı zamanda hafıza etkisi de denir) ve bunun sonucu olarak zamanla pilin verimi düşmeye başlar. NiCd pilleri hala çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Örneğin acil aydınlatmalar, telekomünikasyon sistemi, güneş enerji istasyonları, uzay araçları vs. diye sıralanabilir [1].

2.4.4. Nikel–Metal Hidrit Bataryalar

Nikel metal hidrit (NiMH) pillerin yüksek enerji yoğunluğu ve içlerinde çevreyi kirletmeyen bileşim ve metaller bulunması en önemli özelliğidir. Günümüz nikel metal hidrit pili normal bir nikel-kadmiyum pille karşılaştırıldığında %40 daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir. Aslında bileşimleri göz önüne alındığında daha da yüksek verim elde edilebilir ama bu kazanç ne yazık ki bazı yan etkileri de ortaya çıkardığı için tercih edilmemektedir. Hala bu piller yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ancak diğer pil teknolojileri ( lityum iyon gibi ) çıkmasıyla birlikte aynı piyasada yer almaları kendi önünde bir engel oluşturabilir.

NiMH pillerin avantajlarına bakılacak olursa: Nikel-kadmiyum pillerden % 30–40 daha fazla kapasite ve bunun yanında bu değerlerin çok daha üstünde bir enerji yoğunluğuna erişilegilineceği de öngörülmektedir. Hafıza etkisine nikel-kadmiyum pillerden daha az eğilimlidir ve daha az sayıda periyodik deşarj-şarj döngüsü gerektirir. Çevre dostu – çok hafif zehirli madde içerir; geri dönüşümü kolay ve etkendir, kullanım alanları çok geniştir [1].

2.4.5. Sodyum-Sülfür Bataryalar

Sodyum sülfür bataryanın pozitif elektrodunda sıvı sülfür, negatif elektrodunda ise sıvı sodyum bulunur. Çevrim ömrü yaklaşık olarak 2500’dür. Tipik enerji yoğunluğu 150-240 W/kg, güç yoğunluğu ise 150-230 W/kg aralığında olup verimliliği %75-90 civarındadır [2]. Kendi kendilerine deşarj olmazlar. Genellikle ucuz uygulamalarda kullanılırlar [3].

Sonuç

Birçok enerji depolama sistemi geliştirilmiş olmasına rağmen hiç biri bütün uygulamaların ihtiyaç duyduğu özelliklere tam olarak sahip değildir. Kullanılacak bir uygulamada hangi depolama teknolojisinin seçileceği teknolojilerin sahip olduğu ortak anahtar özelliklerin karsılaştırılması ile belirlenebilir. Uygulamadaki sistem sayısının azlığı ve bazı teknolojilerin ticari olarak olgunlaşmamış olmaları nedeniyle birtakım ön kabullerde bulunmak gerekmektedir.

Depolama teknolojileri birbirlerinden teknik olarak özgül enerji, özgül güç değerleri, enerji kapasitesi ve maksimum depolama süresi bakımlarından farklılık gösterirler. Ekonomik açıdan ise isletme ve kurulum maliyetleri büyük değişiklikler arz eder. Yeni bir seçim yapılacağı zaman her bir enerji depolama sisteminin ilgili uygulamaya uygunluğu dikkatli bir şekilde analiz edilmelidir.

Referanslar

Cemil Aktaş – AR-GE Mühendisi – Aktif Mühendislik