Isı Pilleri, Metal Madenciliğine İhtiyaç Duymadan Hızla Olgunlaşıyor

Geniş Ölçekli Enerji Depolama Gerekiyor

There is a growing need for battery systems that are able to hold a lot of power for several hours or days. This is because solar and wind power are intermittent, fluctuating throughout the day and from day to day.

Bir diğer faktör, metalurji gibi endüstriyel süreçlerin enerji talebidir. Bu fabrikalar genellikle 1.000‑1500°C aralığında çok fazla ısı üretmek için 7/24 enerji gerektirir.

Elektrikli araçlarda kullanılan lityum‑iyon bataryaların ölçekli bir çözüm olması pek olası değildir. Bunlar çok pahalı, yeterince dayanıklı değil ve çok fazla hammadde tüketiyor.

Bu yüzden, hizmet ölçeğinde enerji depolama için birçok farklı alternatif batarya kimyası değerlendirildi. Bu seçeneklerin çoğunu, \”Enerji Depolamanın Geleceği – Hizmet Ölçeğinde Bataryalar Teknolojisi\” adlı makalemizde inceliyoruz, bunlar arasında lityum demir fosfat, sodyum‑iyon, redoks‑akış, demir‑hava, eriyik metal, nikel‑hidrojen, sodyum‑kükürt vb. yer alıyor.

Bu bataryaların tümü, bir şekilde elektriği enerji olarak depolar, genellikle bir metalin oksidasyonu ve indirgenmesi yoluyla.

Sorun, demir ya da alüminyum gibi çok yaygın metallerin bile hâlâ büyük miktarda madencilik gerektirmesidir. Peki enerjiyi başka bir biçimde depolasaydık?

Isıyı Depolama

There is a surprisingly large number of options for storing energy without using electricity as a means of storage. We looked at them in further detail in \”Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition\”. These options include:

• Sıkıştırılmış hava.
• Yerçekimi bataryaları (kayalar, pompalı hidroelektrik).
• Isı bataryaları.
• Dönel enerji depolayıcıları.
• Termal güneş enerjisi.

Bu seçeneklerin her biri, bataryalar ve batarya dışı çözümler, avantaj ve dezavantajlara sahiptir. İdeal enerji depolama çözümü birkaç özelliği karşılamalıdır:

• Metal ve nadir malzemelere ihtiyaç duyulmaması.
• Uzun süreli enerji depolama.
• Düşük maliyet.
• Mevcut site ya da kaynak sınırlaması olmadan kolayca ölçeklenebilir.
• Minimum kayıpla elektrik olarak kullanılabilir.

İlk 4/5 madde için ısı depolama uygun olur. Finlandiyalı şirket Polar Night Energy‘nin kum bataryaları gibi, yazın fazla enerjiyi kışa depolayabilir; bu, kuzeyin soğuk ve güneşsiz kışlarında yenilenebilir enerjiyle ısıtma sistemlerini çalıştırmak için şarttır. Ve sadece düşük kaliteli kum ve çerçeve ile borular için az miktarda metal kullanır.

Kaynak: Polar Night Energy

Benzer bir ısı bataryası, Rondo Energy tarafından tasarlanmıştır; 1500°C’ye kadar ısıtılabilen tuğlalar, çimento ya da çelik üretimi gibi endüstriyel süreçlerde kullanılabilir.

Bu ısı bataryaları, istenen ürünün öncelikle ısıtıldığı durumlarda iyi çalışır; ister apartmanlar için bölgesel ısıtma, ister endüstriyel ısı olsun.

Kaynak: Rondo Energy

Ancak, ısı bataryalarının şebekeye enerji sağlamak için uygun olmadığı düşünülüyordu; çünkü ısıyı tekrar elektriğe dönüştürme verimliliği genellikle %20‑30 civarındadır. Bu, “depolanmış” enerjinin %4/5’inin aslında kaybolduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, depolanan enerji, üretildiği zamankinden beş kat daha pahalı olur.

Güneş enerjisinin artık fosil yakıt enerjisiyle eşit seviyeye gelmiş olmasıyla bile, beş kat daha ucuz olmaktan hâlâ çok uzaktır. Ancak bu sorun, termofotovoltaik adı verilen bir teknolojideki yeniliklerle yalnızca geçici olabilir.

Termofotovoltaik Hücreler – Fotovoltaik, Ama Isı ile

Termofotovoltaik, geleneksel fotovoltaik gibi enerji üretme fikridir; ancak güneş ışığı yerine ısı — yani ısıtılmış malzemeler tarafından yayılan kızılötesi ışık — kullanılır.

Geleneksel bir fotovoltaik panelde, belirli bir eşik değerin altındaki ışık frekansları akım oluşturmak için yeterli enerjiye sahip değildir ve boşa gider. Bu durum tüm kızılötesi ışık için geçerlidir; çünkü kızılötesi elektromanyetik dalgalar enerjisi çok düşüktür.

Bu teknoloji yeni değildir, ancak her zaman çok düşük verimlilik seviyeleri nedeniyle geniş çapta benimsenememiştir. Bu durum, Michigan Üniversitesi araştırmacılarının yakın zamanda elde ettiği başarıyla değişti; sonuçlarını \”Yüksek Verimli Hava Köprülü Termofotovoltaik Hücreler\” başlıklı bilimsel bir yayında duyurdular.

Araştırmacılar, 1.500°C altındaki sıcaklıklarda %44’lük rekor bir verimlilik elde ettiklerini iddia ediyorlar; bu, önceki %37’lik sonuçların çok üzerindedir.

Araştırmacılar, \”çok uzak olmayan bir gelecekte\” %50’ye ulaşmanın bir yolunu bulduklarını düşünüyorlar.

Kaynak: Cell

Termofotovoltaik Hücreler Nasıl Çalışır?

İlk olarak, taş, kum, karbon, tuğla, seramik vb. olabilen depolama malzemesi, yenilenebilir kaynaklardan gelen fazla elektrikle ya da doğrudan güneş ısısıyla ısıtılmalıdır.

1435°C’de, yayacağı kızılötesi fotonların yaklaşık %20‑30’u, araştırma ekibinin termofotovoltaik hücrelerinde elektrik üretmek için yeterli enerjiye sahiptir.

Kaynak: Design Boom

Termofotovoltaik panelde kullanılan yarı iletkenle diğer kızılötesi frekanslar elektriğe dönüştürülemedi.

Peki, %44’e nasıl ulaştılar? Zeki \”hile\” yarı iletkenin hemen ötesine ince bir hava tabakası eklemek ve hava boşluğunun ötesine altın bir yansıtıcı yerleştirmekti.

Bu, doğru enerji seviyesine sahip fotonları hapseder ve elektrik üretmeye hazır hâle getirirdi. Diğerleri ise ısıtılmış malzemeye geri gönderilir, yeniden ısıtılır ve ardından doğru ışık frekansına sahip olarak termofotovoltaik hücreye bir kez daha yönlendirilebilirdi.

Temelde, hücreye ilk seferde yakalayamadığını geri dönüştürme imkanı tanır ve böylece toplam dönüşüm verimliliğini artırır.

Gelecek Isı Bataryaları

%44 ya da %50’lik bir verimlilik, pompalı hidroelektrik (%70‑85) ya da lityum‑iyon bataryalar (%85‑95) ile karşılaştırıldığında çok etkileyici görünmeyebilir.

Kaynak: EESI

Ancak bu, hizmet ölçeğinde enerji depolamanın büyük ölçekte yaygınlaştırılmasının teknoloji kadar ekonomiyle de ilgili olduğunu göz ardı eder.

Bataryaların geri dönüşüm ihtiyacı doğmadan önce yıllarca süren bir ömrü vardır. Ayrıca, bu ölçeğe dağıtmak için yeterli lityum ve daha da az bakır, nikel ya da kobalt bulunmamaktadır; özellikle bu metal üretiminin büyük bir kısmı zaten elektrikli araçlar için kullanılmaktadır.

Buna karşılık, ısı bataryaları on yıllar boyunca çok az bakım gerektirir ve hatta hiç bakım gerektirmez. Kayalık, kum ya da kil dışındaki neredeyse hiçbir malzemeye ihtiyaç duymazlar. Her yerde ve her boyutta, hatta gerçekten devasa ölçülerde, hidroelektrik gibi ekosistemlere neredeyse hiç etki etmeden inşa edilebilir.

Son olarak, enerji haftalarca ve aylarca depolanması gerektiğinde ısı, en verimli yöntemlerden biridir; çünkü neredeyse tüm batarya türleri zamanla güç sızdırırken, iyi izole edilmiş bir ısı depolama sistemi çok daha düşük bir sızıntı oranına sahiptir.

“Bu bir batarya türüdür, ancak çok pasif bir tür. Elektro‑kimyasal hücrelerde olduğu gibi lityum madenciliği yapmanız gerekmez, bu da elektrikli araç pazarıyla rekabet etmeniz gerekmeyeceği anlamına gelir.

Hidroelektrik enerji depolaması için pompalı suyun aksine, onu istediğiniz yere koyabilirsiniz ve yakında bir su kaynağına ihtiyacınız yoktur,”

Stephen Forrest, U-M’de Elektrik Mühendisliği Üniversite Profesörü

Dolayısıyla, ısı bataryası, yenilenebilir enerjinin kesintili doğasını dengelemek için mükemmel bir enerji depolama çözümü olabilir. Ayrıca, rüzgarlı ya da güneşli ayların fazla enerjisini ılıman iklimlerde kışa, tropikal iklimlerde ise yağışlı sezona depolayabilir.

Isı Depolama / Termofotovoltaik Şirketler

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow, II-VI Inc.’nin bir şubesidir ve (şu anda oldukça küçük) termofotovoltaik hücre üretim alanında sektör lideridir. 2022’de II-VI Inc., lazer üreticisi Coherent Inc.’ (COHR ) yi satın alarak şirket adını değiştirdi.

Şirket, lazer, optik ve fotoniklerde kullanılan indiyum fosfit, epitaksiyel wafer ve galyum arsenid gibi ileri malzemelerde uzmandır. Son on yılda bir dizi satın alma sayesinde büyük ölçüde büyümüştür.

Kaynak: Coherent

Şirketin termofotovoltaik faaliyetleri, toplam gelirinin sadece küçük bir kısmını oluşturur; optik fiber, lazer ve diğer ürünler gelirinin büyük kısmını oluşturur. Ancak bu, yenilik yeni pazarlar açtığında yeni teknolojiyi hızlıca endüstriyel ölçekte hayata geçirecek sermayeye sahip olduğu için yatırımcılar için iyi bir haber olabilir.

Kaynak: Coherent

Örneğin, fazla yenilenebilir enerjinin hizmet ölçeğinde depolanması için devasa bir pazar…

Michigan Üniversitesi \”patent koruması başvurusunda bulundu (…) ve teknolojiyi pazara sunmak için ortaklar arıyor\” olduğu için, Coherent gibi bir şirketin yeni termofotovoltaik hücreleri pazara getirecek şirket olması şaşırtıcı olmaz. Özellikle termofotovoltaik ve benzeri ileri malzemelerin endüstriyel üretimindeki mevcut uzmanlığı göz önüne alındığında.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Michigan Üniversitesi araştırmacılarının kullandığı termofotovoltaik hücreler InGaAsP (indiyum galyum arsenid fosfit) ile üretilmiştir.

“Bu nedenle, hava köprüsü mimarisini üçlüden dörtlülüğe grup III‑V absorbe edicilere (InGaAsP, InP alt tabakalarına uyumlu) çevirmeyi araştırıyoruz; bu, emiter sıcaklıkları hedef aralığında verimliliği artırabilir.”

Bu teknoloji hizmet ölçeğinde enerji depolamanın standart formatı haline gelirse, InGaAsP’ye ve büyük miktarlarda buna ihtiyaç duyacağız.

Bu senaryoda, 30 yıldır InGaAsP üretiminde lider konumda olan Japon konglomerası Sumitomo’ya yatırım yapmak mantıklı olur.

30 yıldan fazla bir süredir, Sumitomo Electric’in Yarı İletken Bölümü, galyum arsenid (GaAs) ve indiyum fosfit (InP) üretiminde dünyanın en büyük üreticisi olarak lider konumunu korumaktadır.

Sumitomo adı, III‑V malzemelerinde kaliteyle eş anlamlı hâle gelmiştir. Sumitomo Electric, küresel müşterilerine üstün kalite alt tabakalar sağlayarak daha yüksek verim ve tutarlı elektriksel özelliklere sahip cihazlar sunmasıyla bu itibarı kazanmıştır.

Sumitomo Bileşik Yarı İletken – Hakkımızda

Sumitomo Electric Industries ve bileşik yarı iletken departmanı, daha büyük Sumitomo konglomerası‘nın bir şubesidir; bu, dünya çapında en büyük sōgō shōsha (genel ticaret şirketlerinden) biridir.

InGaAsP’nin yanı sıra, Sumitomo Electric Industries’ın ana faaliyet alanı şunları üretmektir:

• Telekom ekipmanları (optik fiber, 5G)
• Otomotiv kablolaması ve yüksek güçlü kablolar
• Elektronik (esnek baskılı devreler, veri kabloları, filtrasyon membranları)
• Yüksek kaliteli malzemeler (karbür, kesme takımları, ön gerilimli çelik tel).

Kaynak: Sumitomo

Yüksek kaliteli malzemelerin büyük ölçekli üretimindeki uzmanlığı, InGaAsP üretimindeki liderliği ve sōgō shōsha / genel ticaret şirketi olmanın getirdiği iş bağlantıları, Sumitomo Electric Industries’ın termofotovoltaiklerin büyük ölçekte benimsenmesinin başlıca faydalanıcılarından biri olmasını sağlamalıdır.

Büyüme, hem telekom (dijitalleşme, yapay zeka) hem de EV’lerin ilgili ürünleri (kablolar, kablolama) için de iyi olacaktır; bu sektörler her ikisi de hızla büyümektedir.