Enerji Depolama Sistemleri ve Ekonomik Geleceği

Gelecekte enerji depolama teknolojilerinden hangileri daha avantajlı olacak? Başta lityum-iyon bataryalar, pompaj depolamalı hidroelektrik sistemler ve akış pilleri olmak üzere enerji depolama teknolojilerini ve geleceğini inceledik. Detaylar yazımızda.

A- A+

05.06.2020 tarihli yazı 9347 kez okunmuştur.

Yenilenebilir enerji kaynakları, hem ticari açıdan hem de çevreyle ilişkisi bakımından son yıllardaki gelişimiyle kendini ispatlamıştır ancak, yenilenebilir enerji kaynaklarının tamamlayıcısı konumunda olabilen enerjinin depolanması mevzusu, kendini o kadar kanıtlayamamış ve aynı oranda gelişim sağlayamamıştır.

Sayıları her geçen gün artan güneş ve rüzgâr santralleri, isteğe değil hava durumuna bağlı olarak elektrik üretir. Hava şartlarının kesintili üretime neden olması ve yenilenebilir enerji santrallerinin sayısının çokluğu, elektrik şebekelerine bağlantı aşamasında ciddi enerji yönetimi zorluklarına neden olmaktadır. Eğer yenilebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji depolanabilirse daha verimli ve etkin bir enerji yönetimi yapılabilir. Enerji depolanması santraller haricinde evlerinin çatılarında PV panellerle elektrik üretenler için de önemli bir yer tutmaktadır.

Lityum-İyon Bataryalar

İlk olarak 1990'ların başında Sony tarafından ticari olarak üretilen lityum-iyon piller, cep telefonları gibi küçük ölçekli tüketici ürünleri için kullanıldı. Artık, telefonlar, bilgisayarlar, UPS’ler ve elektrikli araçlar gibi birçok farklı alanda kullanılmaktadır. 2017 yılında, lityum-iyon pillerin birim enerji maliyeti, 10-15 yıllık bir ömür için hesaplandığında 209 $/kWh'ye düştü. Bloomberg New Energy Finance araştırmasına göre, 2025 yılına kadar lityum iyon pillerin 100 $/kWh'den daha düşük maliyetli olacağını öngörüyor.

Kısaca lityum-iyon pillerin nasıl çalıştığına bakalım. Lityum, suyla dahi tepkimeye girebilecek düzeyde elektron verme eğilimine sahip bir elementtir. Lityum-iyon pillerinde bulunan lityum atomları, şarjsız haldeyken pilin artı tarafında lityum oksit olarak kararlı halde bulunurlar. Pilin şarja takılmasıyla beraber, kararlı haldeki lityum oksitte bulunan lityum atomları, oksijen atomlarından ayrılır ve bir lityum iyonu ile bir elektron açığa çıkarır.

Elektronlar, pildeki bir bakır levha tarafından tutularak devre üzerinden pilin eksi tarafına ulaşır. Lityum iyonları ise pilin artı ve eksi bölgeleri arasında bulunan elektrolit bir tabakadan geçerek eksi tarafa ulaşır. Eksi tarafta lityum iyonları ve elektronlar toplandıkça pil şarj olmuş olur. Aynı işlemlerin tersinin gerçekleşmesiyle de pil deşarj olur.

Şekil 1: Şarj ve deşarj sırasında lityum iyonu ve elektronun hareketi

►İlginizi Çekebilir: Pil Teknolojisinin Geleceği Ne Olacak?

Lityum-iyon piller, günümüzde en yaygın olan pil depolama seçeneğidir ve dünya genelinde şebekeler için yapılan pil depolama pazarında %90’dan büyük bir paya sahiptir. Diğer pil seçenekleriyle karşılaştırıldığında, lityum iyon piller yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, dolayısıyla hafiftir. Son yıllarda güç kapasitesini artırmak için yapılan, silikon yerine grafit kullanılması gibi yeni yenilikler, lityum iyon pilleri daha da rekabetçi hale getiriyor.

Enerjisini yakınlarındaki bir rüzgar santralinden alan Güney Avustralya'daki Hornsdale Güç Rezervi, dünyanın en büyük lityum iyon pilidir. Tesla tarafından üretilen ve 30.000'den fazla haneye elektrik sağlayabilen bu batarya 100 MW'lık gücüyle beraber 129 MWh bir kapasiteye sahiptir. Bu devasa pilin enerji akışını takip etmek isteyenler hornsdale power sitesini ziyaret edebilir. Devasa kapasiteye sahip bu sistemin aslında çok da yer kaplamadığını gösteren bu resim, lityum-iyon pillerin yüksek güç ve enerji yoğunluğuna sahip olduğunun bir kanıtıdır.

Şekil 2: Güney Avustralya'daki Hornsdale Güç Rezervi

Güç ve Kapasite Etkisi

Bir bataryanın enerji kapasitesi ve gücü bulundurduğu lityum atomu miktarı ile doğu orantılıdır. Dolayısıyla kapasite ve gücü arttırdıkça, batarya boyutu da artmalıdır. Mühendislik dünyasında genellikle bir özelliği geliştirmek için istediğimiz bazı özelliklerden ödün vermemiz gerekir. Örneğin; daha fazla güç elde etmek için motor ağırlığının artmasını kabullenmek veya daha kaliteli ve yüksek ses için hoparlörümüzün taşınabilirliğini feda etmek gibi.

Lityum-iyon bataryalarda ise –diğer batarya türlerinde olduğu gibi- enerji kapasitesi ve gücü bulundurduğu lityum atomu miktarı ile doğu orantılıdır. Dolayısıyla kapasite ve gücü arttırdıkça, batarya boyutu da artmalıdır. Öte yandan, lityum-iyon pillerde güç ve kapasitenin paralellik göstermesi, Tesla otomobillerinin cazibesinin temel dayanağını oluşturur; aracın menzilini arttırmak için çoğaltılan hücre sayısı aynı zaman bataryanın gücünü de arttırdığından Tesla’nın benzersiz bir performansa erişmesine olanak vermiştir.

Peki, bu kapasite güç ilişkisinin şebekenin yapacağı enerji depolamasın ne gibi bir önemi var. Eğer bir dağıtım firması şebeke tarafında lityum-iyon batarya ile depolama yapmak isterse yüksek kapasitenin yanında ihtiyaç olmayan bir güç artışını da satın almak zorunda kalır. Öte yandan, bu yüksek güç elektrikli araçların şarjında aranılan bir özelliktir. Güç ve kapasite ilişkisini birbirinden ayırmak için bir başka elektrokimyasal enerji depolama türü olan ve hala gelişimi süren akış pilleri veya pompaj depolamalı hidroelektrik sistemler bir çözüm olabilir. Böylece şebeke tarafından yapılan enerji depolaması daha yüksek işlevsellik ve daha iyi enerji yönetimine sahip olabilir.

Akış Pilleri

Akış pilleri, lityum iyon pillerin bir alternatifidir. Lityum iyon pillerden daha az popüler olan bu piller, %5’lik bir Pazar payına sahip olsa da, daha uzun enerji depolama süreleri gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır. Akış pilleri, nispeten düşük enerji yoğunluklarına sahiptir ancak daha uzun ömürlüdür, bu da onları sürekli güç sağlamak için uygun hale getirir.

Akış pilleri, kabaca 2 bölümden oluşur; membran aracılığıyla reaksiyonun gerçekleştiği bölüm ve bu bölüme pompalanmak için bekleyen 2 farklı tanktaki kimyasallar. Bu farklı tasarım, tanktaki kimyasalların hacmiyle membran kesit alanıni birbirinden bağımsız kıldığı için faydalıdır çünkü böylece kapasiteyi artırabilirken gücü sabit tutabiliriz. Aşağıdaki şekilde bu bataryaların temel bir şeması gösterilmektedir.

Şekil 3: Akış pili çalışma şeması

Üretilen güç, membran kesit alanının bir fonksiyonudur. Membran boyunca meydana gelen saniyedeki reaksiyon sayısı çıkış gücünü belirler. Kapasite ise çıkış gücünü etkilemeksizin tankları büyüterek artırılabilir. Böylece güç ve kapasite lityum-iyon pillerin aksine ayrıştırılmış olur ve kapasiteyi arttırırken gereksiz güç kaynağı oluşturulmaz.

Şu anda Çin'in Dalian kentinde 200 MW güce ve 800 MWh kapasiteye sahip bir vanadyum akış pili inşa ediliyor. Yapımı tamamlandığında dünyanın en büyük pili olacak olan bu sistem aynı zamanda ilk büyük ölçekli(>100 MW) akış pili olma unvanını da taşıyacak.

Pompaj Depolamalı Hidroelektrik Sistemler

Pompaj depolamalı hidroelektrik sistemler, daha önceki enerji depolama seçeneklerinin aksine kimyasalları değil dünyanın her yerinde bulabileceğiniz bir şeyi kullanır; yer çekimini ve biraz da su. Enerjiyi depolamak için dünyamızın çekirdeğine daha yakında –daha basit tabirle alçakta- olan bir hazneden daha yüksekte bulunan hazneye su pompalanır. Böylece pompada kullanılan elektrik, potansiyel enerji olarak depolanmış olur.

Bu depolama seçeneğinde de kapasite ve güç birbirinden ayrılır çünkü kapasite yüksekte bulunan haznenin büyüklüğüyle alakalıyken; güç, hazneler arası rakım farkı ve suyun debisiyle alakalıdır. Pompaj depolamalı hidroelektrik ve sıkıştırılmış hava ile enerji depolama gibi sistemlerin cevap verme süreleri göreceli olarak fazladır(10 saniye üzeri) ve minimum kurulum kapasiteleri de yüksektir.

Dünyanın en büyük pompaj depolamalı hidroelektrik sistemi, ABD’nin Virginia eyaletinde bulunan, 24000 MWh kapasiteye ve 3000 MW maksimum çıkış gücüne sahip olan County Bath’dir

Enerji Depolama Maliyetlerinin Karşılaştırılması ve Geleceği

Farklı enerji üretim santralleri ve enerji depolama teknolojileri mali açıdan karşılaştırılırken seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) sıkça kullanılan bir yöntemi. LCOE, kısaca bir elektrik üretim santrali veya enerji depolama tesisinin birim enerji maliyeti olarak düşünülebilir. Temel olarak bir santralin, çalışma ömrünce tüm masraflarının, ömrü boyunca üreteceği enerjiye bölünmesiyle bulunur ancak söz konusu enerji depolamasıysa, depolama süresi de bir parametre haline gelir. Aşağıdaki grafikte; pompaj depolamalı hidroelektrik sistemler, sülfür akış pilleri, vanadyum redoks akış pilleri ve lityum-iyon pillerin enerji depolama süresine bağlı olarak seviyelendirilmiş enerji maliyeti karşılaştırılmıştır.

Şekil 4: Depolama süresine bağlı olarak seviyelendirilmiş enerji maliyeti grafiği

►İlginizi Çekebilir: İleri Enerji Depolama Teknolojileri

Grafikte görüldüğü üzere, lityum iyon bataryalar avantajını depolama süresi 4 saati geçince kaybediyor. Bu durum, yüksek yatırım maliyetine rağmen, yukarıda da bahsedildiği gibi, kapasite ve gücün birbirinden ayrı olmamasının bir sonucudur. Gücün, kapasiteyle beraber artması, tam şarj ve deşarj sürelerinin göreceli olarak azalmasını sağlar. Lityum-iyon pillerin yaşadığı bu dezavantaj, kısaca 4 saat ve üzerindeki depolamalarda yüksek güç avantajının ortadan kalkması, yüksek güce sahip olmanın anlamsızlaşmasına bağlıdır.

Lityum-iyon piller, elektrik araçların yaygınlaşması ve yoğun AR&GE yatırımları sayesinde, enerji birim fiyatı rakiplerine kıyasla daha hızlı bir şekilde azalacaktır. Halihazırda lityum-iyon piller, geçmişte yapılan tahminleri utandırmış ve beklenenden daha hızlı bir gelişim kaydetmiştir. Aşağıdaki grafikte lityum-iyon pillere ait seviyelendirilmiş enerji maliyetinin yıllar içinde, karşılaştırmalı olarak, ne kadar hızlı düştüğü görülmektedir.

Şekil 5: Son yıllarda batarya ile enerji depolama birim maliyetinin gelişimini gösteren grafik

Pompaj depolamalı hidroelektrik sistemlerin ve akış pilleri, lityum-iyon pillerin arkasındaki itici güçlere sahip değildir. Bu durum, 4 saatlik kırılma noktasının artmasına ve uzun depolama sürelerindeki birim enerji maliyeti farkının azalmasına neden olacaktır. Öte yandan, lityum-iyon pil maliyetleri, hammadde fiyatlarına bağlıdır. Dolayısıyla, ekonomik gelişimin belli bir noktadan sonra doyuma ulaşması beklenebilir.

Sonuç

Lityum-iyon piller başta olmak üzere pil teknolojileri üzerine yapılan yoğun yatırımlar, pompaj depolamalı hidroelektrik ve basınçlı hava enerji depolama gibi sistemlerin rekabet gücünü sınırlamaktadır. Şuan daha kısıtlı bir alanda en makul seçenek olan lityum-iyon piller 2030’a kadar, çoğu uygulamada -özellikle <4 saat depolama süresi ve yıllık <300 döngü için- en uygun maliyetli seçenek olması beklenmektedir. Aşağıdaki görselde de lityum-iyon pillerin gelecek yıllarda gerçekleşmesi beklenen ekonomik gelişimi gösterilmiştir.

Şekil 6: Depolama süresi ve yıllık döngüye bağlı olarak en uygun depolama teknolojisini gösteren grafik

Görselde mavi pompaj hidroelektrik sistemleri, yeşil sıkıştırılmış hava enerji depolama sistemlerini, mor vanadyum redoks akış pillerini, hardal sarısı volanları, gri hidrojenle depolamayı, kırmızı ise lityum-iyon pilleri temsil etmektedir. Daha uzun depolama süresi(>4 saat) ve döngü(>300) gereksinimi olan uygulamalarda, vanadyum redoks akış pilleri minimum LCOE olanağını sağlamasa da rekabetçi bir konuma sahip olacaktır. Benzer şekilde pompaj depolamalı hidroelektrik sistemler de belli ölçüde rekabetçiliğini koruyacaktır.

Yenilenebilir enerji kaynakları hava şartlarına bağlı olarak tam kapasitede çalışabildikleri için uzun süreli güneşli hava veya rüzgarlı bir dönemde tüm sistem genelinde talepten fazla arz oluşabilir. Bu durumda dönemsel elektrik depolamalarına ihtiyaç duyulabilir. 700 saatin üzerindeki depolama süreleri içinse gelecekte, hidrojen depolamanın en uygun maliyetli olması muhtemel görülmektedir. Öte yandan da 5.000 ve üzeri gibi oldukça fazla miktarda yıllık döngülere ihtiyaç duyulan uygulamalarda; lityum-iyon piller yerine volanlar ekonomik avantajını gelecekte de koruyacaktır.