Giriş

Gelişen teknoloji ve artan nüfus ile birlikte enerjiye duyulan ihtiyaç artarken enerji kaynakları azalmaktadır. Enerjinin elde edilmesinin yanında enerjinin verimli bir şekilde kullanılması da o derece önemlidir.

Enerjinin gerektiği zaman ve yerde kullanılmasının istenmesi eğilimi enerjiyi saklama ve depolama sürecini başlatmıştır. Enerjinin depolanması farklı biçimlerde yapılabilmektedir. Örneğin; doğada biyokütle, hayvanlar ve parazitler için bir enerji deposudur.

Enerji Depolama, Önemi, Amacı, Faydaları ve Yöntemleri

Enerji; yararlı iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanabilir. Enerjinin çeşitli türleri vardır. Biyolojik, Mekanik, Isı, Kimyasal, Nükleer, Yerçekimi ve Elektrik enerjisi en önemlileridir. Günümüzde kullanılan enerji büyük oranda kömür, doğalgaz ve petrol gibi fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıtların fiyatlarındaki değişim ve fosil yakıtların bazı ülkelerin tekelinde bulunması sorunsallarından dolayı çoğu ülke yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına ve enerji tasarrufuna yönelmiştir. Enerji tasarrufunun bir şeklide enerjinin depolanmasıdır. Dolayısıyla enerji depolama, bir çeşit enerji tasarrufu yöntemi olarak değerlendirilmektedir.

Ülkemizde enerji kaynaklarının kısıtlı olmasından dolayı, mevcut kullanılan kaynaklardan daha etkin bir biçimde yararlanılması önem arz etmektedir.

Enerji depolama amaç; enerjiyi kullandığımız alanlarda meydana gelen atık enerjiyi depolarken aynı zamanda yenilenebilir enerji kaynaklarında da enerji depolayarak enerjinin üretildiği ile gerekli olacak zamanlarda oluşacak farkı en aza indirgemektir. Böylelikle hem enerji sistemlerinin verimleri attırılabilir hem de enerji tasarrufu sağlanabilir. Dolayısıyla eşdeğer olarak da fosil yakıtların kullanımı azalacaktır. Fosil yakıtların kullanımının azalması ile de, çevreye salınan sera gazı miktarında azalma olacak ve küresel ısınmaya karşı da önlem almada destek sağlanacaktır.

Enerji Depolama Yöntemleri:

Enerji ihtiyaçlarımızın sürekli karşılanabilmesi için enerjinin belli bir süre için belirli bir miktarda depolanması gereklidir. Enerji, bol olduğu zamanlarda olmadığı ya da ihtiyacın tam olarak karşılanamadığı dönemlerde kullanılmak üzere saklanır. Yediğimiz gıdalar, otomobilimizin deposuna koyduğumuz benzin, cep telefonumuzdaki akü, batarya ve saat piller, depolanan enerjiye ve enerji depolayan araçlara örnek gösterilebilir.

Enerjinin korunumu yasası, enerjinin yoktan var edilemeyeceğini, var olan enerjinin de yok edilemeyeceğini ifade eder. Fakat enerji bir türden başka bir türe dönüşebilmektedir. Enerjinin bu dönüşüm özelliği de depolanmasına ya da saklanmasına olanak sağlar. Diğer bir ifadeyle, enerjinin dönüşüm özelliği olmasaydı, enerjiyi depolamak mümkün olamazdı.

Enerji depolama, evrenin yaşı kadar eski bir işlemdir. Evrenin oluşmasını sağlayan enerji, aslında güneş gibi yıldızlarda milyarlarca yıldır depo edilmektedir. İnsanoğlu bu enerjiden güneşle ısıtmada olduğu gibi direkt olarak, ürünlerin (tahıl, sebze ve meyve vb.) büyümesindeki gibi veya güneş pillerindeki elektriğe dönüşüm olayındaki gibi dolaylı olarak yararlanmaktadır.

Günümüzde kullandığımız enerji depolama sistemleri, geniş anlamda mekanik, elektrik, kimyasal, biyolojik ısıl ve nükleer enerji gibi sınıflara ayrılmaktadır.

Enerjinin var olmasının yanında, istenildiği zaman ve istenilen yerde kullanılmaya hazır olması da gereklidir. Enerjiyi istediğimiz zaman kullanabilmek için depolanmasının yanında kullanım yerine kolayca taşınması da gerekir. Enerjiyi istediğimiz yere taşımaya enerjinin dağıtımı denir.

Enerjinin depolaması ve dağıtımı,

Enerji kaynakları açısından farklılık göstermektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları, düşük enerji yoğunluğu ve kaynağının geniş bir sahada yayılmış olması nedeniyle merkezi olmayan kullanıma (dağınık kullanıma) daha uygundur. Dolayısıyla, güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının dağınık durumda bulunmasından, iletime ve dağıtıma gereksinimi azdır. Enerji yoğunluğu; birim kütle veya hacme düşen enerji miktarıdır. Birimi, J/kg veya J/m3’tür. Merkezi elektrik üretimine örnek olarak yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrolik enerji gösterilebilir.

Enerji değişimine karşılık yenilenebilir enerji girişi de sürekli değişmektedir. Bu durumda, enerji ihtiyacımızı karşılamak için yapılabilecek iki seçenek bulunmaktadır. Enerji ihtiyacımızı enerji girişine göre ayarlamak ve enerjiyi daha sonra kullanmak üzere depolamak.

Enerji Depolamanın Kısa Tarihçesi :

İnsanoğlunun enerjiyi depolayarak kullanması çok eskilere dayanır. Mancınıkla fırlatılan taş gülleler, yayla fırlatılan oklardan başlayarak, MÖ. 100 yılında Eski Yugoslavya ve Arnavutluk’ta ki su enerjisine bağlı olarak çalışan su değirmenleri ve 19. yy. sonlarına doğru elektriğin ve rafine edilmiş petrol ürünlerinin kullanılmasına kadar ilerler.

Elektrik enerjisinin depolanmasına getirilen ilk çözüm, bir elektrokimyasal depolama aracı olan bataryalardır. Kimyasal yakıtlar ise, hem elektrik üretiminde hem de enerji naklinde enerji depolamanın en bilinen şeklidir. Kimyasal yakıtların ortak özelliği, yanma sonucu ortaya çıkan ısının, önce bir ısı makinesiyle mekanik enerjiye daha sonra bu enerjinin türbin-jeneratör sistemiyle elektrik enerjisine dönüşmesidir. Günümüzde sıvı hidrokarbon yakıtlar taşımacılıkta yaygın olarak kullanıldığından enerji depolamanın en kullanılır şeklidir.

Isı Enerjisini Depolama (IED) Sistemler i, bir grup üretici tarafından, enerjinin en yoğun kullanıldığı saatlerde artan enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla 1980’li yıllarda ayrıntılı olarak araştırılmış olup hâlen dünyada birkaç büyük firma IED sistemlerinin üretimini sürdürmektedir.

Soğutma amaçlı ısı enerjisinin depolanmasında en sık başvurulan yöntem de buzun depolanmasıdır.

Kimyasal yakıtlar, hem elektrik üretiminde hem de enerji naklinde enerji depolamanın en bilinen seklidir. Yaygın kullanılan kimyasal yakıtlar benzin, dizel, doğal gaz, hidrojen, sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) gibi bir proses sonucu elde edilen yakıtlardır.

Yakıt hücreleri adı verilen elektrokimyasal cihazlar, bataryalarla yaklaşık aynı tarihlerde icat edilmiştir. Bununla beraber çeşitli nedenlerden dolayı yakıt hücreleri uzay çalışmalarının başladığı 20. yüzyılın ortalarına kadar pek fazla gelişme gösterememiştir.

Günümüzde, sıvı hidrokarbon yakıtlar (benzin, mazot, fuel-oil), taşımacılıkta yaygın olarak kullanıldığından enerji depolamanın en kullanılır seklidir. Bununla beraber bu yakıtlar kara, deniz ve hava taşıtlarında kullanıldığı zaman sera gazı üretir. Etanol ve biyodizel gibi sıvı yakıtlar, sera gazı yayılımına karsı önerilen sıvı yakıtlardır.

Son yıllarda, kimyasal olmayan bir kaç enerji depolama yöntemi, büyük güç uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilmiştir.

Biyolojik Enerji Depolama

Protein, yağ ve karbonhidratlar enerji kaynağıdır. Bunlara genel olarak biyokütle denilmektedir. Güneş enerjisinin canlı dünyadaki ilk kullanılışı, yeşil bitkilerin klorofili aracılığıyla kimyasal enerjiye dönüşmesidir.

Fotosentez

Kendi besinlerinin sentezleyemeyen canlılara tüketici (heterotrof), besin üreten canlılara da üretici (ototrof) denir. Yeşil bitkiler, kökleri ile topraktan su ve suda çözünmüş madensel maddeler, yaprakları le de havadan karbondioksit (CO2) alır. Aldıkları bu maddeleri yeşil yapraklarında bulunan klorofil ve güneş ışığı yardımıyla organik besin maddelerine dönüştürürler. Bu olaya fotosentez (karbon özümlemesi) denir. Fotosentez, ışık enerjisi ile su ve karbondioksitin birleşerek besin oluşturmasını, bir bakıma güneş enerjisinin depolanmasını açıklar. Böylelikle güneş enerjisinin bitkilerce kullanımı fotosentez ile olur.

Fotosentezin Enerji Depolamadaki Önemi

Fotosentez olayı ile bitkilerde depolanan ener, kimyasal enerjidir ve bu enerji bütün canlıların da enerji kaynağıdır. Bu nedenle hayatın devamlılığı yeşil bitkilere bağlıdır. Çünkü dünyada oksijen ve besin üreten bitkiler le bunları tüketen diğer canlılar arasında karşılıklı madde ve enerji alışverişi olan bir düzen bulunmaktadır. Ekolojik sistem adı verilen bu sistemin devam ettirilmesi doğanın ve çevrenin korunmasına bağlıdır. Tüketiciler yaşamlarını sürdürebilmek için yeşil bitkilerin yapmış oldukları besin maddelerine ihtiyaç duyarlar.

Elektrik-Elektrokimyasal Enerji Depolama

Elektrik enerjisi, üretildiği anda tüketilmesi gereken diğer bir deyişle başka bir enerji türüne dönüştürülmesi gereken bir enerjidir. Bu enerjinin depolanması çeşitli şekillerde yapılabilmektedir.

Kimyasal enerji depolama

Kimyasal enerji depolamada; enerji depolanması kimyasal bileşiklerin oluşturduğu bağlarda olur ve bu enerji ekzotermik tepkimelerle tekrar kazanılabilir. Enerjinin tekrar kazanılması için çoğu zaman ısı, enzim vb. bir katalizör kullanmak gerekir. Ekzotermik; ısı açığa çıkaran tepkimelere verilen addır. Tepkimeye uygun bir ortam mekanik, ısı, elektrik, ışık vb. biçimdeki enerjiyi soğurabilir ya da üretebilir. Piller ve akümülatörler kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürken, bir elektroliz tepkimesinde ise elektrik enerjisi harcanır.

Elektrik Enerjisi Depolama

Elektrik enerjisi, kondansatörler ve süper iletkenler gibi malzemelerde depolanabilir ama elektrik enerjisinin kondansatörler, ultra ya da süper kondansatörler ve süper iletkenlerde depolanması diğer depolama yöntemlerine göre kolay değildir.

Kondansatörler:Elektriklenmiş iki cismin birbirini çekmesi ya da itmesi, bir elektrik enerjisinin varlığını gösterir. Bu olay, Elektrik Alanı ve Elektrik Potansiyeli kavramlarının tanımlanmasını sağlar. Elektrik enerjisini depolama aracı olarak kullanılan kondansatör, birbirinden belli bir mesafe ile ayrılmış zıt yüklü iki plakadan oluşur. Kondansatörler enerjisini, plakaları arasındaki elektrik alanda depolar ve plakaları arasına bir potansiyel fark uygulanarak yüklenir. Kondansatörler, bataryalara göre düşük enerji kapasitesi ve enerji yoğunluğuna sahiptir. Fakat kondansatörlerin şarj/deşarj işlemleri, plakaların yüzeyinde gerçekleştiğinden daha dolayı yüksek hızda çalışır ve kısa sürede çok büyük enerji sağlayabilir.

Kondansatörlerin, depolama sığasını artırmak için geniş alanlı plakalar önerilebilir. Fakat plakaların yüzey alanlarını büyütmek yerine plakalar arasına dielektrik adını verdiğimiz yalıtkan bir malzeme yerleştirmek ve bu maddenin kalınlığını ayarlayarak kondansatörün sığasını artırmak daha çok tercih edilen bir yöntemdir. Kondansatörde kimyasal tepkime oluşmaz. Bu yüzden kondansatörler özel bir devreye ihtiyaç göstermez ve yüksek gerilim sağlamak için kullanılır.

Ultra kondansatörler/süper kondansatörler, günümüzde yeni bir enerji depolama olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ultra kondansatörler birkaç milisaniyeden birkaç dakikaya kadar yüksek güç deşarjı gerektiren tüm uygulamalar için uygundur. Sıcaklıktan etkilenmeleri çok düşüktür. Uzun işletim ömürleri, esnek gerilim düzeyi, yüksek akım gücü en önemli üstünlükleridir.

Manyetik Enerji Depolama

Mıknatısların birbirini çekmesi ya da itmesi olayı bize, ortamda bir manyetik enerjinin varlığını gösterir. Akımlarla manyetik alanın üretilmesi ya da manyetik alanların ve akımların karşılıklı etkisi; elektrik enerjisi ve manyetik enerji arasında sıkı bir bağlantı olduğunu ifade eder.

Elektrokimyasal Enerji Depolama

Elektrokimyasal Enerji Depolama yönteminde elektrik enerjisi, pillerde olduğu gibi uygun kimyasal tepkimeler yardımıyla depolanır. Elektrik enerjisini kimyasal enerji şeklinde depo eden bataryalar iki grupta toplanır.

• Akümülatör

• Yakıt Pilleri

Akümülatör, defalarca doldurulabilme özelliğine sahiptir. Bu bataryalar, elektrik yükleri üzerine iş yapmak için kimyasal tepkimeyi kullanır. Akümülatörün elektrik biriktirme yeteneğine sığa denir.

Yakıt pilleri, pile benzeyen doğru akım güç kaynaklarıdır. Pilden farkı, kullanıldığı sürece kimyasal bir yakıtla beslenmesi gerekir. Yakıt pillerinde kimyasal enerji doğrudan elektrik enerjisine dönüşmektedir. Yakıt pilleri kullandıkları elektrolitlere ve çalışma koşullarına göre sınıflandırılır.

• Alkali yakıt pilleri

• Proton dönüşüm zarlı (PEM) yakıt pilleri

• Fosforik asitli yakıt pilleri

• Erimiş karbonatlı yakıt pilleri

• Katı oksit yakıt pilleri

• Yenilenen yakıt pilleri

Mekanik Enerji Depolama

Bir cismin, mekanik enerjisini depolayarak yapılan uygulamalara mekanik enerji depolama denir. Mekanik enerji depolamaya sıkıştırılmış hava, yay, hidroelektrik baraj veya su depoları, dönen volan vb. örnek olarak gösterilebilir.

Yay

Enerji, yayın kurulması ile depolanabilir Yay serbest bırakıldığında, yayda depolanan potansiyel enerji bir dinamo yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Bu işlem, sadece düşük kapasite ve güç uygulamaları için uygundur.

Pompa

Büyük miktarda elektrik enerjisini depolayacak akümülatör bataryaları üretmek ve bunların bakımını yapmak neredeyse imkânsızdır. Çözüm olarak, suyun pompalanarak depo edilmesi sunulmaktadır. Sudaki bu enerji suyun ilk yüksekliğine dönmesine izin verilip bu arada türbin jeneratörünün döndürülmesiyle geri alınabilmektedir. Hidroelektrik pompalı depolama yöntemi, diğerlerine göre daha basit olup büyük enerji taleplerini karşılamak ve büyük miktarda elektrik üretmek için kullanılır. Pompa ile enerji depolama sistemlerinin avantaj ve dezavantajları;

Avantajları:

• 2000 MW’ın üzerinde büyük enerji kapasitesi

• Enerji yoğunluğu =.001 MJ/kg

Dezavantajları:

• Yapıldığı yerin coğrafi özelliklerine bağımlılık

• İlk kuruluş maliyetinin büyük oluşu

• Toprak erozyonu, barajların mille dolması ve toprak kayması gibi olaylardan etkilenmesi

Basınçlı (Sıkıştırılmış) Hava

Basınçlı Hava Enerji Depolama (BHED) yönteminde amaç depolama ortamı olarak basınçlı havayı kullanmaktadır. Depolama havzasında biriken basınçlı hava, elektrik üretimi için enerjiye ihtiyaç duyulduğu dönemlerde bir türbinden geçirilip, serbest bırakılarak elektrik tekrar elde edilir. Basınçlı havayla enerji depolama adyabatik, diadyabatik ve izotermal olarak yapılabilir.

Volan

Volan, kinetik enerji depolamasında yüzyıllardır bilinen en eski enerji depolama sistemlerinden biridir. Enerji depolanması yüksek devir sayısı ile dönen rotorun oluşturduğu atalet ile sağlanmaktadır. Mekanik sistemlerde fazla enerjiyi üzerine alır, yük miktarı arttığı zamanlarda bu enerjiyi yüke aktararak yükün dengelenmesini sağlar. Doğrusal hareketin dönme hareketine çevrildiği sistemlerde kullanılması uygundur. Volanla enerji depolamanın avantajı:

• Diğer enerji sistemleriyle karşılaştırıldığında çok küçük yapıdadır.

• Volanlar, hareket ettirici ve frenleyici amaçlı kullanılabilir

• Volanlar, hafiftir ve yüksek enerji depolama kapasitesine sahip olduğu için tercih nedenidir.

• Çevre dostu bir teknolojidir.

• Volanlar, uzun ekonomik ömürlere sahiplerdir.

Dezavantajı:

• Enerji depolama ve yükleme çevrim sayısı sınırlı olduğundan ekonomik değildir.

Isı Enerjisini Depolama

Bir maddenin sıcaklığının artması, erimesi, buharlaşmasının yanında endotermik tepkimelerle de enerji depolanabilir. Deniz, göl ve okyanuslardaki suyun ısınması ve buharlaşması ile karaların ısınması ısı enerjisini depolamaya örnek olarak verilebilir. Isı enerjisini depolamada temelde üç yöntem vardır. Duyulur, gizli ve termokimyasal ısı depolamaları. Bu yöntemler birim hacimde depolayabildikleri enerji bakımından birbirlerinden ayrılır. Isı enerjisi depolama sistemlerinin temelinde; depolama sistemine enerji sağlanması, bu enerjinin depolanması ve depolanan enerjinin ihtiyaç duyulan zamanlarda kullanılması prensibi yatmaktadır.

Duyulur Isı

Duyulur ısı depolama, malzemenin sıcaklığındaki değişim kullanılarak gerçekleştirilen depolamadır. Depolanabilecek ısının miktarı; malzemenin ısı kapasitesine, sıcaklıktaki değişim miktarına ve depolama malzemesinin kütlesine bağlıdır.

Gizli Isı Depolama

Gizli ısı; maddenin faz değişimi sırasında aldığı ya da saldığı ısı olarak tanımlanır. Faz değişimi gösteren malzemelere Faz Değiştiren Maddeler denir. Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi, duyulur ısı için duyulan depo hacmine göre daha küçüktür. Faz değiştiren maddeler sabit bir sıcaklık aralığında enerji depolama olanağı sağlamaktadır. Erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılabilir.

Faz değiştiren Maddelerin Sınıflandırılması

Genellikle 0-120 0C sıcaklık aralığında faz değişimi gösteren FDM’ler daha fazla uygulama alanı bulmaktadır. FDM’ler iki grupta incelenebilir: Tuz hidratlar ve parafinler. Tuz hidratların en önemli özellikleri; erime gizli ısılarının yüksek olması, erime-donma sonucunda çok az hacim değişimi göstermesi ve organik FDM’lere göre ısıl iletkenliklerinin yüksek olmasıdır. Parafinin üstünleri ise; maliyetinin düşük ve bol miktarda olması, korozif ve toksik olmaması, erime sıcaklık aralığının genişliği, erime gizli ısısının yüksekliği, hızlı faz değiştirmesi, yoğunluğunun büyük olması ve kendiliğinden kristalleşebilmesidir.