YENİLENEBİLİR ENERJİDE DEPOLAMA SİSTEMLERİ

👤Musa Kocaman Siemens Gamesa Mikro Konumlandırma Mühendisi

Enerji depolama, günümüzde enerji sistemlerinde önemli bir unsur olarak kabul edilmektedir. Bilindiği üzere enerji sistemleri asla %100 verimle çalışamamaktadır; ısı vb. kayıplar meydana gelmektedir.

Yenilenebilir enerji kaynaklarında –özellikle güneş ve rüzgarda– karşılaşılan en büyük handikap, sürekli bir enerji akışına sahip olamamalarıdır. Depolama konsepti sayesinde bu handikapın önüne geçilip; yenilenebilir kaynakların sürekli olduğu durumda enerjinin depolanıp, bu kaynakların mevcut olmadığı durumda şebekeye aktarılarak yıllık enerji üretimini arttırabilmek mümkün kılınabilir. Ancak; yıllık enerji üretimini ortalama seviyeye kadar yükseltmek şu aşamada bir zorluk teşkil ediyor.
Konuyu Danimarka’nın rüzgar enerjisi üretimi sonuçları ile örneklemeye çalışalım. 2017 sonu itibari ile Danimarka’nın rüzgar enerjisi kurulu gücü 5.1 GW olup, ortalama güç çıkışı ise ise 1.5 GW’a karşılık gelmektedir. Yukarıdaki on günlük grafik incelendiğinde, enerji üretimi ortalamanın 230 saat altında olduğu ve sadece 10 saatlik gibi bir sürenin ortalama üzerinde olduğu görülüyor.

Şekil 1. Danimarka ’nın 10 günlük enerji üretimi 🔍 Enerji üretimini ortalama seviyeye getirmek için, 230 saatlik açığa denk gelen üretim ortalama 246 GWh’a denk geliyor. Bu da ortalama 1.5 GW kapasiteye sahip bir pompa depolamalı hidroelektrik sistemin 30 katı ve yaklaşık 37 milyar dolar’a mal oluyor. Yine de enerji depolama sistemlerinin maliyetleri hızla düşmekte ve teknoloji gittikçe gelişmektedir. Bu yüzden ileride enerji üretim değerlerinin ortalama üzerine çıkartmak bir hayal olarak görünmemelidir.

2. ENERJİ DEPOLAMA YÖNTEMLERİ
Enerji depolama sistemlerinde birçok yöntem mevcuttur ve bu yöntemler:
1)  Mekanik Sistemler
2)  Elektrokimyasal Sistemler (Piller)
3)  Termal Sistemler
4)  Hidrojen Depolama Sistemleri olarak dört ana başlıkta incelenebilir.

2.1 MEKANİK SİSTEMLER
2.1.1 Pompa Depolamalı Hidroelektrik Sistemler
Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin çalışma prensibi, iki farklı yükseklikte bulunan su rezervlerinden suyun pompalanarak enerji üretimi prensibine dayanır. Enerji ihtiyacının bulunmadığı durumlarda alt rezervdeki su üst rezerve pompa motorları ile depolanır (şarj).
Enerji talebinin artması durumunda ise üst rezervdeki su alt rezerve doğru hareket ettirilerek türbinler devreye alınır ve enerji üretimi meydana gelir (deşarj). Dünyada 165 GW kapasite ile en çok depolama yöntemi olan bu sistemin en büyük avantajlarından biri, 3 GW’a kadar büyük mertebelere sahip olmasıdır. Ayrıca ortalama 30 saniye içerisinde de devreye girebilmektedir.Şekil 2. Bir pompa depolamalı hidroelektrik sistemin çalışma prensibi 🔍 

Pompa depolamalı hidroelektrik sistemlerin dezavantajları; rezervlerin büyüklüğü sebebiyle coğrafik etkenler, on yıllara varan inşaat süresi, ilk yatırım maliyetinin yüksek olması (CAPEX) ve %70-%85 aralığında düşük verimde çalışmalarıdır.

Türkiye’de ise YEGM tarafından pompa depolamalı santral çalışmalarına ilk olarak 2015 yılında başlanmıştır. Bu çalışma sonucunda ilk aşamada 17 adet ilk etüt seviyesinde pompa depolamalı hidroelektrik sistemler raporu hazırlanmıştır. Türkiye için pompa depolamalı sistemler bakımından mevcut uygun durumlar incelendiğinde, 2014 yılında resmi olarak Gökçekaya Barajı ve Hidroelektrik Santrali’ne ait depolama çalışmalarına başlanmıştır.

2.1.2 Sıkıştırılmış Hava Depolamalı Sistemler
Sıkıştırılmış hava depolamalı sistemlerde temel amaç, havayı kompresörler yardımıyla sıkıştırıp depolamak ve sıkıştırılmış havayı ısıtıp gaz yanma türbininde enerji üretiminde kullanmaktır. İki tip depolama yöntemi mevcuttur:
a)  Büyük hava depolamalı sistemler için yeraltında depolanan sıkıştırılmış hava,
b)  Küçük hava depolamalı sistemler için depolar veya hava borularında depolanan sıkıştırılmış hava.

Dünyada şu anda 650 MW civarında bir kapasitesi mevcuttur. En büyük ünitesi 290 MW olup, daha büyük sistemler planlanmaktadır. Bu sistemlerin verimlerinin %65 - %75 civarında olması, dezavantaj olarak yorumlanabilir. Bir rüzgar enerjisi santrali ile çalışma prensibi aşağıdaki şekilde sergilenmiştir:
2.2 Elektrokimyasal Sistemler (Piller)
Şekil 3. Sıkıştırılmış hava depolamalı sisteminin çalışma prensibi 🔍 Dünyada birçok pil teknolojisi mevcut olmakla birlikte toplam pil depolama kapasitesi de giderek artmaktadır. Ayrıca pillerin maliyeti de giderek azalıyor ve ileride yenilenebilir enerji sistemlerine yüksek bir katkı yapacağı öngörülüyor. Avustralya’da Tesla tarafından dünyanın en büyük (100 MW) lityum-ion tipi pil depolama sistemi, 315 MW kurulu gücü olan Hornsdale rüzgar enerji santralinde devreye alındı. Bu santralde temel kullanım amacı, herhangi bir arıza sonrasında, yedek güç kaynakları devreye girene kadar şebekeyi dengelemektir. Bu depolama sistemi 10 dakika için 70 MW ya da 2 saat için 30 MW güç çıkışı sağlayabiliyor.

Bunun haricinde dünyada mevcut bazı pil depolama sistemleri aşağıdaki gibidir:
a)  36 MW kapasiteye sahip 153 MW Notrees (Texas) rüzgar santraline kurulan pil depolama sistemi,
b)  E.on tarafından kendi rüzgar santrallerine kurulan 10 MW kapasiteye sahip pil depolama sistemleri,
c)  228 MW Pen y Cymoedd rüzgar santraline (Galler) entegre edilen 22 MW kapasiteli pil depolama sistemi,
d)  Dünya’nın ilk yüzen rüzgar santrali olan Hywind Scotland Pilot Park projesi’ne (30 MW) akuple olarak da 1 MW Batwind projesi devreye girecektir.

Bazı pillerin dezavantajları, kendiliğinden deşarj olması ve şarj-deşarj döngüsünde kısıtlı kapasiteleri olmasıdır. Bunun haricinde, şebekeye çok kısa sürede cevap vermesi ve %90 - %95 civarındaki verimi de avantajlarından bazılarıdır. Pil depolama sistemleri yenilenebilir enerji kaynaklarında şebeke iyileştirme, frekans kontrolü ve gerilim kontrolünde yaygın olarak kullanılması hedeflenmektedir.Şekil 4. Hornsdale rüzgar enerji santraline kurulan pil depolama sistemi 🔍 

2.3 Termal Sistemler
Isıl enerjisi depolama sistemleri, atık ısı kaynaklarını ısıl enerjisi biçiminde depolamak için kullanılan yapılardan meydana gelir. Literatürde üç farklı termal enerji depolama yöntemleri mevcuttur: Materyalin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan duyulur ısı, maddenin faz değişimi sırasında çevreden aldığı veya verdiği gizli ısı ve maddenin kimyasal enerjiye dönüştürülerek depolanabilen termokimyasal enerji depolama sistemleridir.

Şekil 5. Bir hidrojen depolama sisteminin çalışma prensibi 🔍 Termal depolama sistemlerinin seçimi depolama sıcaklık aralığı, özel uygulama alanları ve depolama ortamı gibi faktörlere bağlıdır. Termal depolama genellikle düşük ve yüksek sıcaklık sistemleri olarak iki ana başlıkta sınıflandırılır. Düşük sıcaklıklı termal depolama sistemleri 200 °C’den düşük sıcaklık aralığında çalıştığı varsayılmaktadır. Bu türe ait depolama sistemleri çoğunlukla bina ısıtma ve soğutma uygulamalarında, güneş enerjili su tanklarında ve hava ısıtma sistemlerinde bulunur. Yüksek sıcaklıklı termal depolama sistemleri ise genellikle yenilenebilir enerji sistemlerinde ve atık ısıdan yararlanmak için kullanılır.

Dünyada erimiş tuz formunda yaklaşık 2.5 GW ve soğutulmuş su depolama sistemleri yaklaşık 250 MW kapasitededir.
Ortalama güçleri yaklaşık 10 MW’a kadar ve deşarj süreleri 4 saate kadar sürmektedir. Verimleri ise %80 – 90 aralığındadır.

2.4 Hidrojen Depolama Sistemleri
Hidrojen diğerlerine göre kütle başına en yüksek enerjiyi içeren yakıtların başında geliyor. Ancak, ortam sıcaklığında düşük yoğunluğu sebebiyle daha yüksek enerji yoğunluğuna ulaşmak için gelişmiş depolama teknolojilerinin geliştirilmesini gerektirmektedir.

Sıkıştırılmış, sıvılaştırılmış ve metal hidrid vb. hidrojen depolama yöntemleri mevcuttur. Hidrojen depolama sistemine ait akış şeması aşağıdaki şekilde belirtilmiştir:

3. MALİYET
Enerji depolama sistemlerinin maliyeti ticari olarak yayılma noktasında en önemli faktörlerin başında geliyor. Enerji depolama sistemleri yatırım ve işletme maliyetlerini içermektedir.Şekil 6. Depolama sistemlerine ait ortalama maliyet aralıkları 🔍 
İşletme maliyetleri işlem maliyeti, bakım, depolama alanı ve değişim gibi maddeleri kapsıyor.
Bazı sistemlerde bulunan yan bileşenler de toplam yatırım maliyetine eklenmektedir. Bunun sonucunda, bu sistemler kW başına $1000 – $1600 gibi yüksek yatırım maliyetlerine sahip olduğu için, yatırım yapmaya değecek kadar çok yoğun bir şekilde kullanılmaları gerekiyor. Aşağıdaki grafikte depolama sistemlerine ait grafik sergilenmiştir:

Grafikten de görüldüğü üzere, pompa depolamalı ve sıkıştırılmış hava depolamalı sistemlerin daha düşük yatırım maliyetine sahip olduğu görülüyor. Pillerin daha yüksek maliyetli olmasına rağmen, yüksek verimli olmaları sebebiyle ileride daha çok yaygınlaşması bekleniyor.

4. SONUÇLAR
Genel olarak incelendiğinde birçok farklı enerji depolama sistemleri ve her birinin ömrü, maliyeti, enerji yoğunluğu ve verimi gibi kendine has karakteristikleri mevcuttur. Yenilenebilir enerji sistemlerinde fazla üretilen enerjinin depolanması haricinde; şebekeye entegrasyon, frekans ve gerilim yönetimi ve güç kararlılığı gibi alanlarda da kullanımı yaygınlaşıyor. Herkes tarafından kabul edilen bir gerçek var ki, enerji depolama teknolojileri önümüzdeki yıllarda adından sıkça söz ettirecek ve gelişimini hızla sürdürmeye devam edecek.

Kaynakça
[1]  Barton, J.P. ve Infield, David G., (2004). “Energy Storage and Its Use with Intermittent Renewable Energy”, IEEE Transactions On Energy Conversion, 19(2): 441-448.
[2]  Aneke, M. ve Wang, M., (2016). “Energy Storage Technologies and Real Life Applications – A State of the Art Review”, Applied Energy, 179: 350-377.
[3]  Amrouche, S., Rekioua, D., Rekioua, T. ve Bacha, S., (2016). “Overview of Energy Storage in Renewable Energy Systems”, International Journal of Hydrogen Energy, 1- 14.
[4]  Amirante, R., Cassone, E., Distaso, E. ve Tamburrano, P., (2017). “Overview on Recent Developments in Energy Storage: Mechanical, Electrochemical and Hydrogen Technologies”, Energy Conversion and Management, 132: 372-387.
[5]  Milborrow, D., (2018). “Storage: Potential But No Miracle Cure”, Wind Power Monthly, 22-28.