Enerji Depolama

Elektrokimyasal enerji depolama; içeriği ile kimyasal enerjiyi bir çeşit yükseltgenme indirgenme reaksiyonu sonucunda elektrik enerjisine dönüştürebilen yöntemdir. Günümüzde kullanılan bataryalar (standart ya da akış tipi) bu tip depolama yönteminin örnekleridir.

Isıl depolama, elektrik enerjisinin depolanmasından ziyade, ihtiyaç duyulduğu zaman, ısıtma ya da soğutma amaçlı olarak kullanılacak enerjinin depolanmasını tarif etmektedir.

Enerjinin depolanması için günümüzde farklı yöntemler kullanılmaktadır. En bilinen enerji depolama yöntemi, daha doğrusu en bilindik depolanmış enerji, fosil yakıtların (petrol ya da maden yatakları) yataklarıdır ve kaynağın bir rezerv içerisinde bulunması ve ihtiyaca bağlı olarak kullanıma sunulabilmesi, onu depolama çeşidi olarak tanımlaya yeterli olmaktadır. Elbette ki bu, günümüzde üretilen enerjinin depolanması için kullanılabilecek bir yol değildir. Bu bölümde ise günümüzün vazgeçilmez enerji çeşidi olan elektrik enerjisinin depolanması için kullanılan farklı yöntemler kısaca tarif edilmeye çalışılacaktır.

Kurşun asit bataryaların sağladığı avantajlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
• Kurşunun düşük maliyeti ve kolay elde edilebilirliği
• Yüksek dayanım
• Hücrelerde elde edilebilen yüksek potansiyel
• Elektrokimyasal verimlilik
• Çevrim ömrü

Bu bataryaların en önemli avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
• Yüksek hücre potansiyeline sahiptirler (3.6- 3.7 V –nominal olarak-)
• Yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler
• Bu bataryalar yüksek verimlilikle çalışırlar (%95-98)
• 5000 tam çevrime kadar yüksek verimlilikle çalışabilme

Nikel kadmiyum (Ni-Cd) bataryalar pozitif uçta nikel hidroksit ve negatif uçta metalik kadmiyum ve elektrolit olarak potasyum hidroksitten oluşmaktadırlar. Çok düşük sıcaklıklarda (-40 °C) çalışabilmesi, uzun ömürlü olması, kapalı ve bakıma ihtiyaç duymayan hücreleri ve yüksek kapasiteleri (10 mAh – 20 Ah) ile bir dönem özellikle Li+
Elektrot (-) Cu Elektrot (+) A1 LİMO (+) Seperatör Grafit (-) kurşun asit bataryalara karşı daha çok tercih edilmekteydi. Ancak kadmiyumun toksik özelliklerinin belirlenmesi bu batarya tipinden vazgeçilmesine neden olmuştur ve günümüzde yerini nikel metal hidrata (NiMH) bırakmıştır.

Bu tip bataryaların en önemli handikabı ise elektrotların eriyik halde tutulmalarının gerekli olmasıdır. Bunun için çalışma sıcaklığı belirtildiği gibi 300-350 °C aralığında olmalıdır ve bunu çoğunlukla depoladığı enerjinin bir kısmını kullanarak sağlayabilmektedir bu da sistemin performans kaybına neden olmaktadır.

Günümüzde farklı tip redoks akış bataryaları kullanılmaktadır. Bunlar demir kromuyum ve vanadyum tipleridir.

Bu kapsamda kullanılabilen enerji depolama yöntemleri volanlar,  pompa ile su depolama, sıkıştırılmış hava depolamadır. Elektrik enerjisinin depolanmasında kullanılan bu yöntemler, genel olarak elektrik enerjisinin az tüketildiği zamanlarda (gece) bu enerjiden faydalanılmasını amaçlamakta ve mekanik olarak depolamakta, tüketimin arttığı zamanlarda ise bu depolanan enerjinin serbest bırakılarak ya da mekanik enerjiden elektriğe dönüştürülmesi sağlanarak pik zaman tüketimine destek olunması hedeflenmektedir.

Yüzey Rezervuar Tipi Pompa ile Su Depolama
Bu enerji depolama yönteminde suyun depolandığı rezervuar genel olarak doğal ya da yapay göletlerden oluşmaktadır. Bunlara ilave olarak günümüzde herhangi bir rezervuara kullanılmadan suyun döküldüğü akarsu ya da nehirden de baraj göletlerine geri pompalama yapılabilmektedir. Bu tiplere açık döngülü depolama adı verilir. Yukarıda da belirtildiği gibi suyun doğal ya da yapay göletlere döküldüğü ve baraj
göletine buradan suyun pompalandığı durumlar ise kapalı çevrim olarak anılmaktadır.

Hava sıkıştırma yöntemin en önemli avantajı: eğer coğrafik koşullar uygun ise çok büyük miktarlarda depolamaya izin verebilmektedirler. Dezavantajı ise: coğrafik sınırlar ve düşük verimdir.

Mekanik depolanma yöntemlerinden olan volanlar, bir hazne içerisinde dönen bir kütle, bu kütleyi hazne içerisinde tutan yataklar ve hem motor hem de jeneratör olarak kullanılabilen iletim cihazından oluşmaktadır. Enerji bu cihazlarda kinetik enerji olarak depolanmakta ve hazne içerisinde motor tarafından tahrik edilen kütlenin dönmesi sayesinde saklanmaktadır

Volanların avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
• Mükemmel çevrim dengesine sahiptirler ve uzun ömürlüdürler.
• Bakım ihtiyaçları azdır.
• Güç yoğunlukları yüksektir.
• Kompakt bir yapıya sahiptirler bu uygulama alanlarının genişlemesine yardımcı olmaktadır.
• İhmal edilebilir çevresel etkileri vardır.

Enerji depolayabilmenin en önemli yollarından birisi de kimyasal depolamadır. Bu kavram literatürde hem enerjinin kimyasal olarak depolanabilmesini (elektrokimyasal, bataryalarda olduğu gibi) hem de kimyasal reaksiyon sonucu daha sonra elektrik üretiminde kullanılacak olan gazların elde edilmesi ve depolanması sürecini tarif etmektedir.

Bu yeni tip kondansatörün beraberinde getirdiği avantajlar aşağıdaki gibi özetlenebilir:
• Yalıtkan malzemesinde herhangi bir kimyasal reaksiyon gerçekleşmez.
• Şarj/deşarj çevriminde genel itibari ile indirgeme olmadığından, öngörülen çalışma
ömrü 1 milyon çevrimden fazladır.
• Çalışma sıcaklıkları geleneksel bataryalardan yüksektir.
• Geniş yüzey alana sahiptirler bu da iç direnci ve kayıpları azaltır.
• Sığaları (elektrik yükü depo etme yeteneği) çok yüksektir. (binlerce Farad mertebesinde)

Bu depolama sisteminin güçlü yönleri ise:

• Çok kısa sürede reaksiyon verebilmesi ve kısa periyotlarda yüksek güç sağlayabilirler.
• Soğutma esnasındaki kayıplar ihmal edilecek olunursa %95 mertebesinde verime sahiptirler.
• Hareket eden parça olmamasına rağmen sistemin bütününün güvenilirliği kriyojenik soğutuculara bağlıdır. Soğutucu doğru çalıştığı müddetçe sistem düzgün olarak çalışabilecektir.

Enerji depolama yöntemleri arasında son olarak bu bölümde bahsedilecek yöntem ısıl depolamadır. Bundan önce belirtilen depolama yöntemlerinden farklı olarak elektrik enerjisine dönüştürülecek enerjinin depolanmasından daha ziyade ihtiyaç duyulduğu
zaman, ısıtması ya da soğutma amaçlı olarak kullanılacak enerjinin depolanması hedeflenmektedir. Bu amaçla kullanılan ısıl depolama yöntemleri genel olarak üç gruba ayrılırlar: Duyulur ısının depolanması, gizli ısının depolanması ve kimyasal ısı depolama.

Gizli Isının Depolanması
Bu depolama yöntemi sıklıkla faz değişimi ile ısı depolanması olarak da literatürde adlandırılmaktadır. Depolama esnasında kullanılan malzemenin fazının değişmesi bu gibi isimlendirilmelerin nedenidir, öte yandan gizli ısı olarak anılmasının sebebi de gene ısıl özelliklerinden ötürüdür. Maddeler faz değiştirirken ısı almaya devam ederler ama sıcaklıkları da aynı kalır, bu nedenle de bahsedilen ısı geçişi gizli ısı olarak bilinir.

Yapılan araştırmalar sonucunda depolama yöntemleri deşarj olma süreleri açısından üç ana gruba ayrılmaktadırlar. Bunlar; kısa, orta ve uzun deşarj zamanlarıdır.

Li-iyon bataryalar ise günümüzde en aşina olduğumuz batarya tipidir. Mobil cihazların genelinde (akıllı telefon, tablet, bilgisayar, kamera), kablosuz güç cihazlarında (zımpara, matkap vs.) ve ulaşım araçlarında (elektrikli otomobil, elektrikli motosiklet ve hibrit arabaların hemen hemen tamamında Li-iyon tercih edilmektedir ) en çok tercih edilen yöntemdir.