Ünite 8: Hibrit Elektrik Enerjisi Üretim Sistemleri

Hibrit Enerji Sistemleri

Hibrit enerji sistemleri, birden fazla enerji dönüşüm düzeneğinin enerji gereksinimini birlikte karşılamak için kullanılan ve farklı enerji kaynaklarının birleşiminden oluşan karma sistemlerdir. Hibrit sistemler , iki veya daha fazla enerji dönüştürme düzeneğinin birleşimi (örneğin; elektrik jeneratörleri veya depolama düzenekleri) veya aynı düzenek için iki ya da daha fazla yakıt (enerji kaynağı) kullanımı olarak tanımlanabilir.

Birden fazla yenilenebilir enerji kaynağı içeren hibrit enerji üretim sistemlerinde daha fazla eleman yer alacağı için sistemin yapısı ve denetimi karmaşık hale gelecektir. Hibrit enerji sisteminin diğer bir sorunu da ilk kurulum maliyetlerini en az değerde, güvenirliği en yüksek değerde tutacak boyutlandırmanın zorluğudur.

Hibrit Enerji Sistemleri Uygulamaları

Hibrit enerji (güç) sistemleri için çeşitli uygulamalar mevcuttur. Bu uygulamaların yaygın olanları,

a. Enterkonnekte şebekeden uzakta olan AC şebekeleri
b. Geleneksel yapıda bir programla dağıtılan üretim uygulamaları,
c. Tekil veya özel amaçlı elektrik yükü sağlayan sistemler başlıkları altında toplanabilir.

Dünya’da ve Türkiye’de meydana gelen yeni gelişmeler ve kanunlara yapılan eklemeler ile hibrit sistemlerden elde edilen elektrik enerjisini enterkonnekte şebekeye eklemek mümkün duruma gelmiştir. Bunu dağıtılan üretim olarak adlandırabiliriz.

Hibrit sistemlerin kullanılması ile yakıt kullanım miktarını azaltma depolama maliyetini de azaltacaktır.

Hibrit Enerji Sistemlerinin Özellikleri

Hibrit sistemlerin özellikleri ve bileşenleri büyük ölçüde uygulamaya bağlıdır. En önemli nokta sistemin tekil ya da merkezi bir hizmet programı şebekesine bağlı olup olmadığıdır.

Hibrit Sistemlere Bağlı Merkezi Elektrik Şebekesi

Hibrit bir sistem merkezi bir elektrik şebekesine bağlı ise, bir dağıtılan üretim uygulamasındaki gibi, tasarım belirli bir dereceye kadar sadeleştirilebilir ve bileşenlerin sayısı azaltılabilir. Bu durumda gerilim ve frekans şebeke sistemi tarafından ayarlanabilir ve hibrit sistem tarafından kontrol edilmesine gereksinim duyulmaz.

Tekil Elektrik Şebekeli Hibrit Sistemler

Tekil elektrik şebekeli hibrit sistemler, merkezi bir elektrik şebekesine (enterkonnekte şebekeye) bağlı hibrit sistemlerin çoğundan birçok yönden farklıdır. ilk olarak bu sistemler, kendi şebekeleri üzerinde herhangi bir zamanda gerekli enerjiyi sağlayabilmelidir. Sistem şebeke frekansını ayarlayabilmeli ve gerilimi kontrol ede bilmelidir.

Bileşenleri arasında yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı jeneratörler içeren tekil şebekeli hibrit sistemlerin temelde iki türü vardır. Bunlar düşük penetrasyon ve yüksek penetrasyon olarak bilinmektedir. Penetrasyon , tekil bir elektrik şebekesinde hizmet veren toplam elektrik yükü tarafından bölünen yenilenebilir jeneratörden alınan anlık güçtür.

Tekil veya Özel Amaçlı Hibrit Sistemler

Bazı hibrit sistemler etkin bir dağıtım şebekesi kullanmadan özel bir amaç için kullanılabilir. Bu özel amaçlar su pompalama, havalandırma, ısıtma, tuzdan arındırma ya da bazı makinaları içerebilir.

Hibrit Enerji Sistemleri Teknolojileri

Enerji Tüketen Düzenekler

Bu düzenekler; ışık veren cihazlar, ısıtıcılar, motorlar ve elektronik cihazlardır. Yük genellikle gün içinde ve yıl içinde önemli ölçüde değişebilir.

Döner Elektrik Makinaları

Döner elektrikli makina, bir hibrit enerji sistemi içinde bir çok yerde bulunabilir. Bu makinalar uygulamaya bağlı olarak motor veya jeneratörler gibi işlev görebilir.

Yenilenebilir Enerji Jeneratörleri

Hibrit enerji sistemlerinde yenilenebilir enerji jeneratörleri olarak genelde rüzgar ve güneş enerjisinden yararlanılır.

Rüzgâr Türbini

Hibrit enerji sistemlerinde kullanılan rüzgâr türbinlerinin amacı, rüzgâr enerjisini elektriğe dönüştürmektir.

Güneş Panelleri

Doğrudan güneş ışığından enerji elde etmek için kullanılan güneş panelleri, istenen gerilim değerinde elektrik üretmek için birbirine bağlanmış çok sayıda fotovoltaik hücreden oluşur. Güneş panelleri doğaları gereği doğru akım (DC) düzenekleridir. Alternatif akım (AC) elde etmek için güneş panelinin bir dönüştürücü ile kullanılması zorunluluğu vardır.

Hidro Türbinler

Hidroelektrik güç, küçüklerinde olduğu gibi büyük enerji şebekelerinde kullanılan en eski elektrik üretim türlerinden biridir. Hidroelektrik santraller öncelikli olarak sürekli bir su kaynağına ve eğim farkına ihtiyaç duyarlar.

Biyokütle Yakıtlı Jeneratörler

Biyokütle, yakıt olarak kullanılan herhangi bir organik maddedir. Enerji üretim amacına göre, en sık kullanılan biyokütle kaynakları ahşap ürünleri ve şekerkamışı endüstrisi atıklarıdır.

Yakıt Hücreleri

Yakıt hücreleri, sürekli bataryalar olarak düşünülebilir. Yakıt hücrelerinde esas tepkime hidrojen ile oksijen arasındadır. Tepkime, elektrolit ve elektrotların değişik bileşenlerinin ayrılmasını sağlayan diyafram yakınlarında gerçekleşir. Elektrotlar yakıt hücresi terminalleridir ve EİD231U-ELEKTRİK ENERJİSİ, ÜRETİMİ, İLETİMİ VE DAĞITIMI Ünite 8: Hibrit Elektrik Enerjisi Üretim Sistemleri 2 akımı harici devrelere taşırlar. Piller gibi, yakıt hücreleri de doğaları gereği DC cihazlardır. Yakıt hücrelerinin çıktıları dönüştürücü yoluyla alternatif akıma (AC) dönüştürülürlerse, yakıt hücreleri AC şebekesinde kullanılabilir. Yakıt hücreleri de hibrit enerji sistemlerinde kullanılabilirler. Üretim maliyetlerinin yakın gelecekte düşmesinin beklenmesi nedeniyle kullanım alanlarının yaygınlaşması beklenmektedir.

Bir hidrojen-oksijen yakıt hücresinde, hidrojen anodun yüzeyinde iyonlaşır ve hidrojen iyonları elektrolit içinden katoda doğru gider. Anot ve katot arasında potansiyel farkı vardır ve serbest elektronlar anota bağlı dış devreden (motor veya jeneratör gibi) geçerek katoda akar. Katot yüzeyindeki serbest elektronlar ve oksijen ile hidrojen iyonları ile birleşir. Birleşme sonucu su meydana gelir. Bu yüzden, yakıt hücreleri tersine çalışan bir elektroliz hücresi gibi çalışırlar.

Fosil Yakıtlı Jeneratörler

Fosil yakıtlı jeneratörler sıklıkla hibrit sistemlerde kullanılırlar. Aslında günümüzdeki tekil enerji sistemlerinin çoğu, itici güç olarak dahili içten yanmalı motorları kullanan fosil yakıt bazlı sistemlerdir.

Enerji Depolama

Enerji depolama, sıklıkla hibrit sistemlerde kullanılır. Enerji depolama temel olarak iki fonksiyona sahiptir. Hem elektrik yükü ile yenilenebilir enerji kaynağı arasındaki uyumsuzluğu düzeltmek hem de tüm sistemin kontrol ve işletimini kolaylaştırmak için kullanılabilirler. Dönüştürülebilir depolama uygulamalarından bataryalar, hibrit sistemlerde sıklıkla kullanılır. Pek çok batarya tipi geliştirilmiştir ama en sık kullanılan depolama bataryası türü “kurşun-asit” bataryadır.

Enerji (Güç) Dönüştürücüler

Genel olarak hibrit sistemlerin düzgün işlemesi için bir veya daha fazla enerji (güç) dönüştürücü sisteme dahil edilir. Bunlar hem elektromekanik hem de elektronik araçlardır. Hibrit enerji sistemlerinde kullanılan en az iki çeşit elektromekanik dönüştürücü vardır. Bunlar rotatif dönüştürücü ve eşzamanlı kondansatör içerir. Rotatif dönüştürücü , alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) veya tam tersi yönde dönüştüren elektromekanik bir cihazdır. Eşzamanlı kondansatör , elektrik şebekesine bağlanarak sistem gerilimini düzenleyen eşzamanlı makinadır. Düzelticiler , alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) dönüştüren düzeneklerdir. Çeviriciler (inverterler) , doğru akımı (DC) alternatif akıma (AC) çeviren düzeneklerdir.

Genellikle fotovoltaik hücreler olmak üzere, hibrit enerji sistemlerinde kullanılabilecek olan bir diğer cihaz da maksimum (en fazla) güç izleyicilerdir. Maksimum güç izleyiciler, bir DC transformatörü olarak da düşünülebilecek olan bir DC-DC dönüştürücüsüdür. Maksimum güç izleyicilerinin görevi, bağlı olduğu jeneratörün maksimum güç üretmesine izin verecek girdi gerilimini ayarlarken, özellikle kalan sistemin çıktı gerilimini istenen seviyede tutmaktır.

Yük Boşaltma

Yük boşaltma, tekil hibrit enerji sistemlerinde stabiliteyi sağlamak amacıyla enerji yok eden bir düzenektir. Yük boşaltmalar öncelikli olarak enerji dengelenmesinde kullanılır. Bu düzeneği aynı zamanda frekansı kontrol etmek için de kullanmak mümkündür.

Denetimsel Kontrol

Bir çok hibrit sistemde, tüm düzeneklerin sistemle uyumlu çalışmasını sağlamak için bir denetimsel kontrol bölümü bulunur. Kontrolün; sensörler, mantık ünitesi ve kontrol kumandaları olmak üzere üç temel parçası vardır. Bunlar dönüşüm hattı olarak isimlendirirler.

Sensörler tüm sisteme dağıtılmışlardır. Güç seviyesi, çalışma koşulları gibi konularda bilgi sağlarlar. Bilgi, sensörlerden toplanarak doğrudan mantık ünitesine yönlendirilir. Mantık ünitesi, bilgisayar veya mikro işlemci temelinde çalışır.

Enerji Yükleri

Bir hibrit sistemden sağlanan enerji, çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. Birinci sınıflama, sağlanan enerjinin ısı veya elektrik olup olmamasıdır. ikincil yükler ise yük yönetimi ile idare edilirler ve bunlar ileride ertelenebilir yükler ve seçimli yükler olarak bilinen türlere bölünürler.

Hibrit Enerji Sistemlerinde Tasarım

Hibrit enerji sistemlerinin tasarımı, uygulama türüne ve uygun kaynakların doğasına bağlıdır. ilk değerlendirme sistemin tekil mi yoksa şebekeye bağlı mı olacağı göz önüne alınarak yapılır. Diğer değerlendirmeler ise;

• Kullanılacak jeneratör sayısı ve tipi seçimi,
• Aşırı güç kaybı kontrolü,
• Depolama kullanımı,
• Frekans kontrolü,
• Gerilim kontrolü,
• Bileşenler arasındaki etkileşime yönelik olmalıdır.

Yükleme Eşleşmesi

Yükleme eşleşmesi, yenilenebilir enerji kaynağı ile yükün çakışması anlamına gelir. Yükleme eşleşmesi, ta- sarımın ayrıntılarını etkiler ve etkin olarak kullanılabilecek yenilenebilir enerji kaynağı ile üretilebilecek enerjinin de miktarı arasındaki oranı ortaya koyar.

Güneş-Rüzgâr Hibrit Enerji Üretim Sistemi Elemanları

Güneş-rüzgâr hibrit elektrik üretim sistemi fotovoltaik hücre, rüzgâr türbini, batarya ve bu birimlerin birlikte uyumlu çalışabilmelerini sağlayan elektronik dönüştürücü ve denetleyici devrelerden oluşur. Fotovoltaik hücreler güneş ışığını doğru akıma (DC) dönüştürürler ve yeterli ışık olduğu sürece üretim devam eder. Rüzgâr türbini hareket halindeki havanın kinetik enerjisini mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürür. Batarya enerjiyi kimyasal formda depolayan elektro-kimyasal elemanlardır. Yenilenebilir kaynaklarla birlikte en yaygın kullanılan batarya derin boşaltmaya izin veren kurşun-asit sabit tesis bataryalarıdır. Hibrit sistemde AC ile çalışan cihazlar kullanıldığında dönüştürücü (invertör) kullanılması gerekir. Dönüştürücü DC batarya veya jeneratör çıkışını 50 Hz AC gerilime dönüştürür.

Hibrit Araçlar

İçten yanmalı motorlarda fosil yakıtların kullanımı; düşük verimlilik, hava kirliliği, enerji güvenliği, petrolde dışa bağımlılık, kurşun zehirlenmesi ve depolama tanklarından olan sızıntılar gibi sorunlara neden olmaktadır. İçten yanmalı motorlara sahip araçlarda katalitik konvertörlerin geliştirilmesi ile araçlardan atmosfere bırakılan hava kirleticileri çok az miktarlara düşürülmüştür. Bu sorunları önlemek için birçok teknolojik ve bilimsel çalışma yapılmaktadır. Son yıllarda ise hibrit araçlar ve hidrojenle çalışan yakıt hücreleri üzerine olan çalışmalar hızlanmıştır. Hibrit araçlarda, otomatik kontrol sistemleri ve geliştirilmiş bataryaların kullanımı ile karbondioksit salımları ve küresel ısınma bir miktar azaltılabilecektir.

Hibrit Araçların Avantajları ve Dezavantajları

Hibrit sistemler diğer yakıt ekonomisi teknolojileri ile iyi bir sinerji içindedir. Hibrit araçlar yaygın olarak bulunabilen yakıtları kullanırlar. Böylece yakıt ve yeniden doldurmayı destekleyen yeni bir tasarım gerektirmezler. Hibrit araçlarda iç ortam daha sessizdir. Emisyon salınımı daha azdır. Hibrit araçlarda fren ömrü uzar çünkü elektrik motoru genellikle frenleme sırasında açığa çıkan enerjiyi kullanır.

Hibrit araçlarda yukarıda verilen olumlu özellikler yanında bazı sorunlar da vardır. Hibrit araçlarda maliyet ve boyutun azaltılması gerekmektedir. Hidrojeni araçta depolama da tam olarak çözülememiştir. Dayanıklılık da ispat edilmelidir.

Yakıt Hücreli Araçlar

Yakıt hücreleri yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Klasik teknolojilere göre daha yüksek verim ve önemli miktarda düşük salım üretirler, daha sessiz çalışırlar ve parçalı bir yapıdadırlar. Elektrikli araçlarda enerji kaynağı olarak sadece bataryaların kullanılması durumunda araç menzili depolanmış enerji miktarı ile sınırlıdır. Yakıt hücrelerinin kullanımı, elektrikli araçlarda menzil açısından klasik araçlar ile rekabet edebilir duruma getirecektir.

Elektrikli araçlarda yakıt hücrelerinin kullanılmasının sağlayacağı temel avantajlar;

• Normal ve kısmi yüklerde yüksek çalışma verimi,
• Doğrudan enerji dönüşümü,
• Düşük salım değerleri (CO, SO2, NOx),
• Düşük bakım maliyetleri,
• Düşük gürültü seviyesi, şeklinde sıralanabilir.

Yakıt hücreli bir araç, anot-membran ve katot’dan oluşan yakıt hücresi, elektronik motor, güç elektroniği, batarya ve hidrojen tankı ana elemanlarından oluşur.