Rüzgar ve Güneş Enerjisi Santrallerinde Enerji Depolaması ve Yöntemleri

Kategori : ELEKTRİK ENERJİSİ, ENERJİ GÜNDEMİ, GÜNEŞ ENERJİSİ, RÜZGAR ENERJİSİ & RES - Tarih : 10 Mart 2019

Küresel dünyamızda yenilenebilir enerji kaynaklarının başında yer alan rüzgar ve güneş enerjisi, sürekli bir enerji kaynağı olmayıp günümüzde artık enerji kadar enerjinin sürekliliği de önemlidir. Hava şartlarına ve günün saatlerine göre üretimde değişiklik meydana gelmektedir. Tüketim ise üretimden tamamen bağımsız olup günün farklı saatlerine göre artmakta veya azalmaktadır.

Yazımızda enerji üretiminin tüketimden fazla olduğu zamanlara yönelik enerji depolama tekniklerini inceleyeceğiz.

Elektriğin Depolanması Neden Gereklidir ?

Ülkemizde olduğu gibi elektrik ihtiyacının büyük bir bölümünün ithal kaynaklardan ve yük takip etme özelliği olmayan fosil yakıtla çalışan santrallerden sağlanıyor olması ayrıca rüzgar ve güneş gibi kesintili enerji kaynaklarının kullanıma girmekte olmasıyla sistem güvenliği için ciddi bir tehdit meydana getirmektedir.

Elektrik Depolanabilir mi ?

Ancak ihtiyacın az, fiyatın düşük ve enerjinin fazla olduğu saatlerde elektrik kullanılarak hava, su veya kimyasal formda depolanabilmekte ve ihtiyacın olduğu saatlerde en fazla birkaç dakika içerisinde elektriğe dönüştürülerek kullanıma alınmaktadır. Hidrolik, biokütle ve konvansiyonel yakıtlar elektrik üretmeden önce depolanabilirken rüzgar, güneş ve dalga enerjisi elektrik formuna çevrildikten yani elektrik üretildikten sonra depolanması gerekmektedir.

Yani rüzgar ve güneş gibi kesintili enerji kaynaklarında arz ve talebi eşleştirmek veya aynı ana denk getirmek bugünün teknolojisiyle mümkün değildir. Bu nedenle var oldukları anda ihtiyaç olmasa bile elektriğe dönüştürerek üretilen elektriği başka formlarda depolamak suretiyle ihtiyacın olduğu anlarda kullanılabilme olanağı yaratılmış olmaktadır. Aynı zamanda fosil yakıtlı elektrik santrallerin sistemdeki fazla olan enerjisi aynı yöntemlerle depolanarak kaynakların daha verimli kullanımı sağlanmaktadır.

Enerji Depolama Yöntemleri

Enerji depolama sistemlerinde birçok yöntem mevcuttur ve bu yöntemler:

1- Mekanik Sistemler

2- Elektriksel Enerji Depolamalı Sistemler

3- Termal Sistemler

4- Hidrojen Depolama Sistemleri

olarak dört ana başlıkta incelenmektedir.

1.) Mekanik Sistemler

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).

Şekil 1. Bir pompa depolamalı hidroelektrik sistemin çalışma prensibi

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.

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.

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:

Şekil 2. Sıkıştırılmış hava depolamalı sisteminin çalışma prensibi

2.) Elektriksel Enerji Depolamalı Sistemler

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.Lityum-İyon bataryalar, Kurşun-Asit bataryalar, nikel-kadmiyum bataryalar, nikel-metal hidrit bataryalar ve Ultra-Kapasitörler elektriksel enerji depolamalı sistemlerden bazılarıdır.

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:

1- 36 MW kapasiteye sahip 153 MW Notrees (Texas) rüzgar santraline kurulan pil depolama sistemi,

2- E.on tarafından kendi rüzgar santrallerine kurulan 10 MW kapasiteye sahip pil depolama sistemleri,

3- 228 MW Pen y Cymoedd rüzgar santraline (Galler) entegre edilen 22 MW kapasiteli pil depolama sistemi,

4- 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.

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.

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.

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: