Emre Sami SÜZER  
Operasyonlar Direktörü  
Aktif Mühendislik

2010 senesinde mucize madde adı ile tanıtılarak Nobel Fizik ödülü kazanmış bir buluş, “Grafen”. BBC yazarı, David Shukman’ın tanımıyla “grafitten çıkarılan tek bir karbon atomu katmanından oluşan ve şaşırtıcı özelliklere sahip yeni bir maddeye verilen isim; elmastan daha güçlü, bakırdan daha iletken ve kauçuktan daha esnek”. [1]

Tek bir atom boyutunda olması ve muhteşem iletkenliği sayesinde her boyuttaki -şebeke bazlı enerji depolamadan, kişisel boyuttaki güç bankalarına kadar- enerji depolama uygulamalarında kullanılması kaçınılmaz olmuştur.

I. GİRİŞ

İnanılmaz özellikleri sayesinde, grafen birçok kurumun ilgisini çekmiş ve çok kısa bir zamanda sayısız kullanım alanı bulunmuştur. Grafen üzerinde çalışmaların 2004 yılında başladığı düşünüldüğünde, 2013 Şubat ayına dair 8,416 patent [2] başvurusunun olması ilginin boyutunu gözler önüne sermektedir.

Grafen ile Enerji Depolama

Şekil 1: Grafen üzerinde 2004 ile 2013 tarihleri arasında alınmış patent sayıları [2]

II. TANIM

Günümüzde enerji depolama ağırlıklı olarak Kurşun-Asit, Nikel-Kadmiyum ve Lityum İyon bataryalar ile yapılmaktadır. Önümüzdeki yıllar ise hem batarya hem de ultra kapasitör olarak grafen bazlı depolama çözümlerinin ağırlık kazanacağını göstermektedir.

Grafen, karbon kristalinin iki boyutlu bir formu, ya bir bal peteği (altıgen) kafes oluşturan bir tek karbon atomu tabakası ya da bu bal peteği yapısının birkaç bağlanmış katmanından oluşur. Grafen kelimesi, formu belirtmeden kullanıldığında (örn., İki tabakalı grafen, çok katmanlı grafen), genellikle tek katmanlı grafen anlamına gelir. Grafen, karbon grafitinin tüm grafit yapılarının ana formudur: grafit, nispeten zayıf bağlanmış grafen tabakalarından oluşan üç boyutlu bir kristaldir. [3]

Grafen ile Enerji Depolama

Şekil 2: MIT tarafından geliştirilmiş, çeliğin %5'i yoğunlukta ama 10 kat daha kuvvetli grafit sünger [4]

III. ENERJİ DEPOLAMA İHTİYACI

Enerji son yüzyılda üzerinde savaşların çıktığı, son derece değerli bir kaynaktır. Bugün ülkelerin gelişmişlik düzeyini belirleyen en önemli kriterlerden biri hane başına düşen elektrik enerjisinin kullanım miktarıdır.

Grafen ile Enerji Depolama

Şekil 3: Hane başına ortalama elektrik enerjisi tüketimi [kWh/hh] [5]

Enerji bu kadar önemli bir kaynak iken maalesef istenen her an üretim yapabilecek üretim santral tipleri genelde fosil yakıtlara bağlıdır. Günümüzde ağırlığı hızla artan ve gelecekteki en büyük kaynak olacak yenilenebilir enerji kaynaklarının büyük çoğunluğu ise hava şartlarına bağlı olarak, günlük ve aylık bazda değişim göstermektedir.

Maalesef enerji tüketim ihtiyacında ise, üretimdeki kadar büyük değişimler olmamaktadır. Oluşan sürekli talebi de karşılamanın yollarından biri enerji depolama çözümleridir.

Enerji depolama sistemlerinin bir diğer kullanım alanı ise, frenleme faaliyetlerinde oluşan rejeneratif enerjinin tekrar kullanıma sunulmak için depolanması ihtiyacıdır. Bu ihtiyaç elektrik araçların, özellikle trenlerin kullanımının yaygınlaşması ile önemini arttırmıştır.

IV. MEVCUT ENERJİ DEPOLAMA YÖNTEMLERİ

Enerji depolamanın, batarya, yakıt hücresi, volan üzerinde depolama, basınçlı hava saklama, manyetik saklama gibi birçok alternatif yöntemi mevcut olsa da ağırlıklı olarak bataryalar kullanılmaktadır.

Yüksek güç yoğunluğu avantajı sayesinde ise son yıllarda ultra kapasitör kullanımı sektöre girmiştir.

V. ULTRA KAPASİTÖRLERİ İLE PİL KARILAŞTIRMASI

Mevcut ultra kapasitörler (supercapacitor), çok yüksek güç yoğunluğuna rağmen, enerji yoğunluğu anlamında büyük bir dezavantaja sahiptir.

Grafen ile Enerji Depolama

Şekil 5: Enerji depolama yöntemlerinin güç/enerji bakımından karşılaştırması [6]

Şekil 5’de görülebileceği gibi aynı boyutlardaki batarya ile süper kapasitör karşılaştırıldığında, süper kapasitörler ihtiyaç olan gücü çok kısa bir zaman diliminde sağlayabilmektedir fakat çok daha kısa bir süre için.

VI. GRAFEN BAZLI ENERJİ DEPOLAMA

Grafen teknolojisi bu noktada yardımcı olacak ve aynı, hatta daha ufak boyutlarda, aynı enerjiyi sağlarken çok hızlı şarj ve deşarj olabilecektir.

Kapasitörlerde, kapasite arttırılması için yüzey alanına ihtiyaç vardır. Grafen çok hafif bir malzemedir ve tek bir atom kalınlığında olduğundan dolayı, birim hacimde sarılarak oluşturulabilecek yüzey alanı çok fazladır.

Ultrakapasitörlerin mevcut avantajlarına ek olarak Grafen’in yukarıda bahsedilen özellikleri sayesinde enerji depolama alanında aşağıdaki avantajlar sağlanabilecektir:

  • 20 yıl gibi çok uzun ömürlü depolama çözümleri
  • Mevcut bataryaların üstünde 1.000 ile 10.000 arası şarj/deşarj döngüsü avantajı
  • Bakım gerektirmeyen yapı
  • Elektrikli araçlarda dakikalar içerisinde şarj imkanı
  • Raylı sistemlerde ve otobüs gibi ağır elektrikli araçlarda rejeneratif enerjinin büyük ölçülerde depolanma imkanı

KAYNAKLAR

Paylaş: