Elektrik şebekeden bağımsız olarak nasıl depolanır?

Son 50 yılda, küresel elektrik tüketiminde sürekli bir artış yaşanmış ve 2021 yılında yaklaşık 25.300 terawatt-saatlik bir kullanım öngörülmüştür. Endüstri 4.0'a geçişle birlikte dünya genelinde enerji taleplerinde artış görülmektedir. Bu rakamlar, endüstriyel ve diğer ekonomik sektörlerin güç gereksinimleri hariç, her yıl artmaktadır. Bu endüstriyel değişim ve yüksek güç tüketimi, aşırı sera gazı emisyonları nedeniyle daha somut iklim değişikliği etkileriyle birleşmektedir. Şu anda, çoğu elektrik üretim tesisi ve santrali bu talepleri karşılamak için büyük ölçüde fosil yakıt kaynaklarına (petrol ve gaz) bağımlıdır. Bu iklim endişeleri, geleneksel yöntemlerle ek enerji üretimini engellemektedir. Bu nedenle, yenilenebilir kaynaklardan sürekli ve güvenilir bir enerji tedariki sağlamak için verimli ve güvenilir enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi giderek daha önemli hale gelmiştir.

Enerji sektörü, yenilenebilir enerjiye veya "yeşil" çözümlere yönelerek bu değişime yanıt verdi. Bu geçişe, örneğin rüzgar türbini kanatlarının daha verimli üretimi gibi gelişmiş üretim teknikleri yardımcı oldu. Ayrıca, araştırmacılar fotovoltaik hücrelerin verimliliğini artırarak kullanım alanı başına daha iyi enerji üretimi sağladı. 2021 yılında, güneş fotovoltaik (PV) kaynaklarından elektrik üretimi önemli ölçüde artarak rekor seviye olan 179 TWh'ye ulaştı ve 2020'ye kıyasla %22'lik bir büyüme gösterdi. Güneş PV teknolojisi artık küresel elektrik üretiminin %3,6'sını oluşturuyor ve hidroelektrik ve rüzgardan sonra üçüncü en büyük yenilenebilir enerji kaynağı konumunda.

Ancak bu atılımlar, yenilenebilir enerji sistemlerinin doğasında bulunan bazı dezavantajları, özellikle de erişilebilirliği, çözmüyor. Bu yöntemlerin çoğu, kömür ve petrol santralleri gibi talep üzerine enerji üretmiyor. Örneğin, güneş enerjisi çıktıları gün boyunca mevcut olsa da, güneş ışınım açılarına ve PV panellerinin konumuna bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Gece boyunca enerji üretemezken, kış mevsiminde ve çok bulutlu günlerde çıktısı önemli ölçüde azalır. Rüzgar enerjisi de rüzgar hızına bağlı dalgalanmalardan olumsuz etkilenir. Bu nedenle, düşük çıktı dönemlerinde enerji arzını sürdürmek için bu çözümlerin enerji depolama sistemleriyle birleştirilmesi gerekir.

Enerji depolama sistemleri nelerdir?

Enerji depolama sistemleri, daha sonra kullanılmak üzere enerji depolayabilir. Bazı durumlarda, depolanan enerji ile sağlanan enerji arasında bir enerji dönüşümü gerçekleşir. En yaygın örnek, lityum iyon piller veya kurşun asit piller gibi elektrik pilleridir. Bu piller, elektrotlar ve elektrolit arasındaki kimyasal reaksiyonlar yoluyla elektrik enerjisi sağlar.

Piller veya BESS (pil enerji depolama sistemi), günlük yaşam uygulamalarında kullanılan en yaygın enerji depolama yöntemini temsil eder. Barajda depolanan suyun potansiyel enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren hidroelektrik santralleri gibi başka depolama sistemleri de mevcuttur. Düşen su, elektrik enerjisi üreten bir türbinin çarkını döndürür. Bir diğer örnek ise sıkıştırılmış gazdır; gaz serbest kaldığında türbinin çarkını döndürerek güç üretir.

Pilleri diğer depolama yöntemlerinden ayıran şey, potansiyel çalışma alanlarıdır. Küçük cihazlardan otomobil güç kaynağına, ev uygulamalarından büyük güneş enerjisi çiftliklerine kadar, piller şebekeden bağımsız her türlü depolama uygulamasına sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir. Öte yandan, hidroelektrik ve basınçlı hava yöntemleri depolama için çok büyük ve karmaşık altyapılar gerektirir. Bu durum, haklı çıkarılabilmesi için çok büyük uygulamalar gerektiren çok yüksek maliyetlere yol açar.

Şebeke dışı depolama sistemleri için kullanım örnekleri.

Daha önce de belirtildiği gibi, şebeke dışı depolama sistemleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji yöntemlerinin kullanımını ve bunlara bağımlılığı kolaylaştırabilir. Bununla birlikte, bu tür sistemlerden büyük ölçüde faydalanabilecek başka uygulamalar da mevcuttur.

Şehir elektrik şebekeleri, her şehrin arz ve talebine göre doğru miktarda elektrik sağlamayı amaçlar. Gereken elektrik miktarı gün boyunca dalgalanabilir. Şebeke dışı depolama sistemleri, dalgalanmaları azaltmak ve yoğun talep dönemlerinde daha fazla istikrar sağlamak için kullanılmıştır. Farklı bir bakış açısıyla, şebeke dışı depolama sistemleri, ana elektrik şebekesinde veya planlı bakım dönemlerinde öngörülemeyen teknik arızaları telafi etmek için oldukça faydalı olabilir. Alternatif enerji kaynakları aramak zorunda kalmadan elektrik gereksinimlerini karşılayabilirler. Örneğin, Şubat 2023 başında meydana gelen ve yaklaşık 262.000 kişiyi elektriksiz bırakan Teksas buz fırtınası, zorlu hava koşulları nedeniyle onarımların gecikmesine neden olmuştur.

Elektrikli araçlar da bir diğer uygulama alanıdır. Araştırmacılar, pillerin ömrünü ve güç yoğunluğunu uzatmak için pil üretim ve şarj/deşarj stratejilerini optimize etmek için büyük çaba sarf ettiler. Lityum iyon piller bu küçük devrimin öncülerinden biri oldu ve yeni elektrikli otomobillerin yanı sıra elektrikli otobüslerde de yaygın olarak kullanıldı. Bu durumda daha iyi piller, doğru teknolojilerle daha uzun kilometre performansı sağlamanın yanı sıra şarj sürelerini de kısaltabilir.

İHA'lar ve mobil robotlar gibi diğer teknolojik gelişmeler de pil geliştirmelerinden büyük ölçüde faydalanmıştır. Bu araçların hareket ve kontrol stratejileri büyük ölçüde pil kapasitesine ve sağlanan güce bağlıdır.

BESS nedir?

BESS veya batarya enerji depolama sistemi, enerji depolamak için kullanılabilen bir enerji depolama sistemidir. Bu enerji, ana şebekeden veya rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından gelebilir. Farklı konfigürasyonlarda (seri/paralel) düzenlenmiş ve gereksinimlere göre boyutlandırılmış birden fazla bataryadan oluşur. DC gücünü kullanım için AC gücüne dönüştürmek üzere kullanılan bir invertöre bağlanırlar.pil yönetim sistemi (BMS)Pil durumunu ve şarj/deşarj işlemini izlemek için kullanılır.

Diğer enerji depolama sistemlerine kıyasla, yerleştirilmesi/bağlanması oldukça esnektir ve çok pahalı bir altyapı gerektirmezler, ancak yine de önemli bir maliyete sahiptirler ve kullanıma bağlı olarak daha düzenli bakım gerektirirler.

BESS boyutlandırma ve kullanım alışkanlıkları

Bir pil enerji depolama sistemi kurarken ele alınması gereken önemli bir nokta boyutlandırmadır. Kaç pil gerekiyor? Hangi konfigürasyonda? Bazı durumlarda, pil türü uzun vadede maliyet tasarrufu ve verimlilik açısından önemli bir rol oynayabilir.

Bu, uygulama küçük hanelerden büyük endüstriyel tesislere kadar değişebildiğinden, vaka bazında yapılır.

Özellikle kentsel alanlardaki küçük haneler için en yaygın yenilenebilir enerji kaynağı, fotovoltaik paneller kullanan güneş enerjisidir. Mühendis genellikle hanenin ortalama güç tüketimini dikkate alır ve belirli bir konum için yıl boyunca güneş ışınımını değerlendirir. Akü sayısı ve şebeke yapılandırması, yılın en düşük güneş enerjisi arzı sırasında hanenin taleplerini karşılayacak ve aküleri tamamen boşaltmayacak şekilde seçilir. Bu, ana şebekeden tamamen bağımsız bir çözüm varsaymaktadır.

Nispeten orta düzeyde bir şarj durumu tutmak veya pilleri tamamen boşaltmamak ilk başta mantıksız gelebilir. Sonuçta, tam potansiyelini kullanamıyorsak neden bir depolama sistemi kullanalım ki? Teoride mümkün, ancak yatırım getirisini en üst düzeye çıkaran strateji bu olmayabilir.

BESS'in temel dezavantajlarından biri, pillerin nispeten yüksek maliyetidir. Bu nedenle, pil ömrünü en üst düzeye çıkaracak bir kullanım alışkanlığı veya şarj/deşarj stratejisi seçmek çok önemlidir. Örneğin, kurşun asit piller, geri dönüşü olmayan hasara uğramadan %50 kapasitenin altına düşürülemez. Lityum iyon piller daha yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun çevrim ömrüne sahiptir. Daha geniş aralıklarda da deşarj edilebilirler, ancak bu, daha yüksek bir maliyetle sonuçlanır. Farklı kimyasallar arasında yüksek bir maliyet farkı vardır ve kurşun asit piller, aynı boyuttaki bir lityum iyon pilden yüzlerce ila binlerce dolar daha ucuz olabilir. Bu nedenle kurşun asit piller, 3. dünya ülkelerinde ve yoksul topluluklarda güneş enerjisi uygulamalarında en çok kullanılan pillerdir.

Pil performansı, kullanım ömrü boyunca yaşanan bozulmalardan büyük ölçüde etkilenir; ani bir arızayla sonuçlanan istikrarlı bir performansa sahip değildir. Bunun yerine, sağlanan kapasite kademeli olarak azalabilir. Pratikte, bir pilin kullanım ömrü, kapasitesi orijinal kapasitesinin %80'ine ulaştığında sona ermiş sayılır. Başka bir deyişle, %20 kapasite azalması yaşandığında. Pratikte bu, daha az miktarda enerji sağlanabileceği anlamına gelir. Bu durum, tamamen bağımsız sistemlerin kullanım sürelerini ve bir elektrikli aracın kat edebileceği kilometre miktarını etkileyebilir.

Dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta ise güvenliktir. Üretim ve teknolojideki gelişmeler sayesinde, yeni piller genel olarak kimyasal olarak daha kararlı hale gelmiştir. Ancak, bozulma ve kötü kullanım geçmişi nedeniyle hücreler termal kaçaklara maruz kalabilir ve bu da felaket sonuçlara yol açabilir ve bazı durumlarda tüketicilerin hayatını tehlikeye atabilir.

Bu nedenle şirketler, pil kullanımını kontrol etmek, aynı zamanda zamanında bakım sağlamak ve daha kötü sonuçları önlemek için pil sağlık durumunu izlemek amacıyla daha iyi pil izleme yazılımları (BMS) geliştirdiler.

Çözüm

Şebeke enerjisi depolama sistemleri, ana şebekeden bağımsız güç elde etmek için harika bir fırsat sunmanın yanı sıra, kesintiler ve yoğun yük dönemlerinde yedek bir güç kaynağı da sağlar. Bu sistemlerin geliştirilmesi, daha yeşil enerji kaynaklarına geçişi kolaylaştıracak ve böylece enerji üretiminin iklim değişikliği üzerindeki etkisini sınırlandırırken, tüketimdeki sürekli artışla birlikte enerji gereksinimlerini de karşılayacaktır.

Pil enerji depolama sistemleri, en yaygın kullanılan ve farklı günlük uygulamalar için yapılandırılması en kolay sistemlerdir. Yüksek esneklikleri, nispeten yüksek maliyetleriyle dengelenir ve bu da ilgili kullanım ömrünü mümkün olduğunca uzatmak için izleme stratejilerinin geliştirilmesine yol açar. Günümüzde, endüstri ve akademi, farklı koşullar altında pil bozulmasını araştırmak ve anlamak için büyük çaba sarf etmektedir.