Enerji Geçişi İçin Kimyasal Olmayan Pil Alternatifleri

Piller Doğru Bir Fikir mi?

The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with heat pumps instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Sorun şu ki, bu değişimin gerçekten ‘yeşil’ olabilmesi için elektriğin yenilenebilir ya da sürdürülebilir kaynaklardan gelmesi gerekir – ki kime sorarsanız sorun, bu kaynaklar nükleer enerjiyi de içerebilir.

Her iki durumda da, gün içinde ve mevsimsel olarak elektrik talebindeki değişiklikler, çoğu zaman boşta kalan büyük bir yedek kapasite inşa etmenizi gerektirir. Bu, özellikle yenilenebilir enerji için geçerlidir; çünkü güneş, soğuk ve bulutlu kışlarda düşük performans gösterir ve rüzgar haftalarca esmeyebilir.

Bu nedenle uzun vadeli enerji depolamaya acil bir ihtiyaç vardır. Bir çözüm, daha düşük maliyetler veya diğer avantajlar sunan yeni kimyasal yapılar kullanan şebeke ölçeğinde piller olabilir. Bu konuyu detaylı olarak “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” adlı makalemizde inceledik. Başka bir seçenek ise, ihtiyacımız olduğunda depolanabilecek bir sıvı yakıt üretmektir; örneğin sıvı hidrojen ya da sıvı amonyak. Bu konuyu “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” ve “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?” makalelerimizde detaylandırdık.

Peki ya enerjiyi günler, haftalar, aylar hatta yıllar boyunca depolamanın doğru yolu piller değilse? Bu makalede, enerji depolamanın tüm kimyasal olmayan seçeneklerine bakacağız.

Basınçlı Hava

Basınçlı Havanın Avantajları

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

Bu tekniğin temel avantajı, sadece borular, pompalar ve tanklar gibi mekanik parçalar kullanmasıdır; bu parçalar sadece çelik gibi basit malzemeler gerektirir, nadir toprak, kobalt, lityum gibi nadir malzemelere ihtiyaç duymaz. Ayrıca, tükenmiş bir doğal gaz rezervine dayanarak çok düşük maliyetle devasa bir “tank” sağlayabilir. Ve tabii ki, hava her yerde tamamen ücretsiz ve mevcut bir kaynaktır.

Kaynak: Electricity Forum

Bir diğer avantaj, basınçlı havanın iyi anlaşılmış bir teknoloji olması ve çok iyi kurulmuş bir tedarik zincirine sahip olmasıdır; bu sayede gerektiğinde hızlı bir şekilde ölçeklendirilmesi mümkün olabilir. Ayrıca, çok az ya da hiç kayıp olmadan uzun süre enerji depolayabilen bir sistemdir.

Basınçlı Havanın Dezavantajları

Basınçlı havayı verimli hale getirmede temel sorun, herhangi bir gaz sıkıştırıldığında ortaya çıkan fiziksel bir fenomendir. Sıkıştırma sırasında ısı üretilir. Bu ısı, sıkıştırma sistemine zarar gelmesini önlemek için genellikle dağıtılmak zorundadır ve bu da enerji kaybına yol açar. Hava dekompresyon sırasında da soğur ve genellikle ısıtma sistemlerine ihtiyaç duyar.

Bu nedenle enerjinin %30‑40’ı kaybedilebilir. Daha az verimli tasarımlarda bu oran daha da yüksek olabilir. Şu ana kadar ölçekli en iyi verimlilik, Çin’de %30 kayıpla elde edilmiştir; 400 MWh Zhangjiakou tesisi Çin Bilim Akademisi tarafından tasarlanmıştır.

Dolayısıyla, basınçlı hava mevsimler arası düşük maliyetli uzun vadeli depolama için kabul edilebilir bir seçenek olsa da, kaçınılmaz %30+ enerji kaybı sistem ekonomisini olumsuz etkiler. Sıkıştırma sırasında üretilen ısı başka bir süreçte geri dönüştürülebilirse bu sistemler gerçekten verimli hâle gelebilir.

Yerçekimi Pilleri

Fizikte, yukarı hareket eden herhangi bir nesne daha yüksek bir “potansiyel enerji” seviyesine sahip olur. Bu enerji, nesne aşağı inmeye izin verildiğinde aşağı doğru hareketle ortaya çıkar. Bu gerçekte, enerjiyi depolamak için yerçekimini kullanma fikrini doğurmuştur.

Pompalı Hidroelektrik

Bu, bugün en yaygın olarak kullanılan şebeke ölçeğinde enerji depolama biçimidir ve 2020 yılında küresel şebeke enerji depolama kapasitesinin %90’ını oluşturmaktadır;  Department of Energy Global Energy Storage Database.

Hidroelektrik üretimi, yağıştan gelen suyun potansiyel enerjisini kullanır, suyu barajların arkasında depolar ve güç üretmek için serbest bırakır. Pompalı hidroelektrik ise elektriği kullanarak suyu hidroelektrik istasyonuna geri pompalamayı sağlar.

Depolama barajı sadece pompa depolama amacıyla inşa edilebilir ve büyük hidroelektrik barajların genellikle dağlık arazi gerektirmesine kıyasla sadece hafif eğimli bir araziye ihtiyaç duyar. Alternatif olarak, yer altı rezervuarı da kullanılabilir.

Kaynak: Energy.gov

Enerji kayıpları genellikle %20‑30 aralığındadır. Depolama, özellikle çok sıcak olmayan bölgelerde, sınırlı kayıpla birkaç ay sürebilir. Sermaye gereksinimi oldukça yüksek olabilir, ancak pompalı hidroelektrik tesisleri de son derece uzun ömürlüdür.

Sadece tartışılan ancak ölçekli olarak test edilmemiş ilginç bir fikir, düşük irtifadaki suyu elektrolizle hidrojene dönüştürmektir. Bu hidrojeni, havadan daha hafif olduğu için “enerji harcamadan” yukarı doğru borulandırılır. Daha sonra suya geri dönüştürülür (elektroliz sırasında harcanan enerjinin bir kısmını geri verir). Bu su, aşağı doğru inerken bir hidroelektrik türbini aracılığıyla tekrar güç üretir.

Potansiyel olarak pompalı hidroelektrikten çok daha iyi bir verimlilik sunsa da, gerekli elektrolizörlerin büyüklüğü sistemi hâlâ oldukça pahalı hâle getirebilir.

Beton/Rok Enerji Depolama

Su, yerçekimiyle enerji biriktirmek için depolanabilecek tek şey değildir. Kayalar, beton bloklar ve diğer ultra ağır nesneler de kullanılabilir.

Bu durumda, gereken teknoloji pompalı hidroelektrikten bile daha basittir; çünkü enerji depolama ve geri üretim çoğunlukla vinçler ve alternatörlere dayanır. Vinçler ve kayalar da nadir malzemeler değildir.

Bu sistemlerin büyük avantajı verimliliğidir. Pompalı hidroelektrikte kaybedilen enerjinin çoğu, suyun türbülansından kaynaklanır ve pompanın verimliliğini düşürür. Buna karşılık, vinçler ve kablolar %15’e kadar düşük kayıp (pompalı hidroelektrikten dörtte bir daha az kayıp) sağlayabilir.

Şu anda, Gravitricity  ve Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) bu kavramları savunmaktadır.

Gravitricity, terk edilmiş maden şaftlarını geri dönüştürerek, birkaç yüz metre derinliğinde önceden hazırlanmış ve kolay yönetilebilen kuyulara erişir ve enerji depolamak için GraviStore sistemini kullanır.

Energy Vault ise enerji talebine bağlı olarak blokların yukarı ve aşağı hareket ettiği özel yapılar inşa etmeyi hedeflemektedir.

Dünya çapında yüz binlerce maden sahasıyla, bu potansiyel birçok kişinin düşündüğünden çok daha büyük olabilir ve altyapının zaten mevcut olması bir avantajdır. Şirket, teknoloji geliştirmesini tamamlamak ve ABB’nin büyük maden müşteri havuzuna erişmek için İsveçli sanayi devi ABB ile bir ortaklık düşünmektedir.

Kaynak: ABB

Yerçekimiyle “katı enerji depolamanın” sınırlaması, sadece birkaç on ya da yüz metre derinlikte depolanan enerjinin çok büyük olmamasıdır. Bir seçenek, Gravitricity gibi yüz binlerce maden şaftı ya da Energy Vault gibi devasa özel “depolar” gibi yeterli miktarda depolamaktır.

Başka bir seçenek ise çok daha uzun bir derinliğe sahip olmaktır. Bunun için kıyıya yakın derin deniz yatakları bir seçenek olabilir. Yüzen bir platform bu alanda durabilir ve birkaç bin metre boyunca bir ağırlığı aşağıya ya da yukarıya kaldırabilir. Bu kavram Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES) olarak adlandırılır. Bu konsept üzerinde çalışan şirket, Fransız girişim Sink Float Solutions.

Kaynak: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions %80’e kadar verimlilik ve çok düşük maliyet iddia etmektedir.

“Şu anda, en büyük yük kapasitesine sahip açık deniz vinçleri 4000 tonluk kütleleri kaldırabilir; bu, dikey 20 km/s hızla 200 MW güce karşılık gelir. Aynı sahada birden fazla vinç paralel olarak kullanılabilir.”

Bu sistemlerin gerçek ekonomisi, dayanıklılıklarına büyük ölçüde bağlı olacaktır; mekanik parçaların deniz suyu korozyonu en büyük endişe kaynağıdır.

Kum/Isı Pilleri

Birçok elektrik, ya endüstriyel kullanım için ya da kışın ev ve daireleri ısıtmak için ısı üretmekte kullanılır. Kimyasal bir pil gibi elektriği depolamak yerine, bir kum pili doğrudan ısı depolamayı amaçlar.

Fikir, büyük bir siloj (tahıl siloları gibi) inşa etmek, içine kum doldurmak ve izolasyon eklemektir. Kum daha sonra 400°C’ye ısıtılır. Kum, düşük ısıl iletkenliği ve yüksek ısıl kütlesi sayesinde çok fazla enerji depolayabilir. Ayrıca çok dayanıklıdır; bu kadar yüksek sıcaklıklarda bile zarar görmez.

Kaynak: Polar Night Energy

Bu konsept, standart borular, hava pompaları, elektrik dirençleri, çelik ve beton gibi uygulamalarda kullanılamayan düşük kalite kum gibi çok basit bir teknolojiye dayanır.

Bu teknolojinin lideri, Finlandiyeli şirket Polar Night Energy‘dır. Bu konsept, mevcut “bölgesel ısıtma” sistemleri olan İskandinav ülkelerinde özellikle iyi çalışır; radyatörler için sıcak su, yüzlerce ya da binlerce daireye merkezi bir konumda üretilir. Bu durum özellikle İskandinavya, Almanya ve Doğu Avrupa ile eski SSCB ülkelerinde görülür.

Enerji kayıpları çok az olduğu için, enerji uzun ve güneşli yaz aylarında birikebilir (Finlandiya’da günde 20‑24 saat güneş ışığı olabilir). Bu şekilde fazla fotovoltaik üretim depolanarak kışın ülkeyi ısıtmak ve ısı ihtiyacından kaynaklanan mevsimsel güç talebi artışını azaltmak mümkün olur.

Bu konseptin daha ileri iterasyonlarının seraları ısıtmak ya da termal güneş sistemlerine dayanmak için kullanılabileceğini hayal edebiliriz.

Benzer bir “ısı pili” konsepti Rondo Energy tarafından da geliştirilmektedir. Bu tuğlalar 1500°C’ye kadar ısıtılabilir. Daha yüksek sıcaklık nedeniyle bu uygulama sadece bölgesel ısıtma için değil, çimento üretimi, metalurji, kimyasallar veya madencilik gibi endüstriyel uygulamalar için de kullanılabilir.

Kaynak: Rondo Energy

Bu arada,  Stiesdal şirketi ezilmiş kayalar kullanan bir ısı pili üzerinde çalışmaktadır. Şebeke depolama kapasitesinin 10 saat ile 10 gün arasında değişmesi beklenmektedir.

Son olarak, dev çimento üreticisi Holcim de kuru iken ısı depolayan ve suyla temas ettiğinde serbest bırakan bir çözüm geliştirmektedir. Döngü sonsuz kez tekrarlanabildiği için uzun vadede düşük maliyetli olması beklenir.

Bu, endüstriyel bir ortamda fazla ısıyı depolamak için tasarlanmıştır. Belki de sıkıştırılmış hava istasyonuna bir tamamlayıcı olarak kullanılabilir ve sıkıştırma sırasında havanın ısınmasından kaynaklanan kayıpları azaltabilir.

Yoğunluğu başına metreküp başına 300 kW enerji ile, birkaç bin ton nispeten ucuz ve bol bulunan çimento ile çok fazla güç depolanabilir. 2022’de ortaya çıkan bu konsept şu anda geliştirme aşamasındadır.

Uçlu Tekerlekler

Enerjiyi depolamanın bir başka yolu, mekanik hareket şeklinde tutmaktır. Uçlu tekerlekler, vakum içinde manyetik rulman üzerinde dönen bir mekanik tekerleği yüksek hızlarda (20.000‑50.000 devir/dakika) döndürerek enerji depolayan cihazlardır. Sistem, uçlu tekerleği hızlandırarak veya yavaşlatarak enerji depolayabilir veya geri verebilir.

Bu sistemlerin temel avantajı, milisaniyeler içinde çok hızlı tepki verebilmeleridir. Böylece sadece enerji depolamakla kalmaz, aynı zamanda elektrik şebekesinin frekansını stabilize etmeye de yardımcı olurlar; bu, kömür, gaz veya nükleer gibi büyük merkezi santraller olmadan daha zordur.

Şirketler, örneğin  Siemens Energy, Güney Avustralya’da uçlu tekerlekler kullanarak pilot projeler yürütmüşlerdir (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Diğer girişimler de bu konsept üzerinde çalışmaktadır; örneğin Stornetic, sistemin en az 20 yıl dayanması ve 100.000 şarj/deşarj döngüsü beklentisi vardır.

Kaynak: Stornetic

Başka bir şirket S4 Energy, 60 MWh işletmede ya da inşa aşamasında ve 1.050 MWh’lik bir boru hattına sahiptir. Uçlu tekerleğin reaktivitesi, güç talebinde ani artış olduğunda bazı operasyonları daha verimli hâle getirebilir;  örneğin Rotterdam limanındaki vinçlerde, bir yük indirilirken enerjiyi geri toplamak için bir uçlu tekerlek kullanılır. Şirketin KINEXT adlı uçlu tekerleği özellikle ağırdır (5 ton) ve nispeten yavaş hareket eder (“sadece” 1.800 devir/dakika), bu da onu çok uzun ömürlü, düşük işletme maliyetli ve bakımı kolay hâle getirir. Uçlu tekerlek, depolanan enerjisinin sadece %8’ini kaybeder; bu, lityum‑iyon pillere göre biraz daha iyidir.

Çok verimli ve reaktif olmasına rağmen, bir uçlu tekerleğin toplam depolanan enerjisi maliyetine göre diğer çözümlere göre daha düşüktür; bu nedenle büyük olasılıkla niş uygulamalarda ve şebeke frekans stabilitesi için sınırlı kalacaktır.

Termal Güneş Enerjisi

Fotovoltaik paneller, güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürür. Buna karşılık, bir termal güneş enerjisi santrali, güneşin ısısını toplar ve konsantre ederek elektrik üretir. Isı, bir miktar ataletle daha kolay depolanabildiği için, bu tür güneş istasyonları gün batımından saatler sonra bile, enerji tüketiminin en yüksek olduğu zamanlarda güç üretebilir.

Bu fikir, fotovoltaik panellerin verimliliğinin artmasıyla popülerliğini yitirmişti; ancak yenilenebilir enerjinin kesintiselliği daha büyük bir sorun haline geldikçe, bu konsept yeniden gündeme gelebilir.

Kaynak: Energy.gov

Vaat verici olmasına rağmen, bu konsept tarihsel olarak yüksek maliyetlerle mücadele etmiştir. Toplayıcıdan jeneratöre ısı taşıma zor olmuştur; tehlikeli ısı ve atık hidrojen üretilmiştir. Erimiş tuz kullanan başka bir tasarım ise sızıntı ve güvenilirlik sorunları yaşamıştır.

Ayrıca, görünmez ve çok yoğun güneş ışınları nedeniyle kuşların düzenli olarak yakılması gibi bir yaban hayatı sorunu da vardır.

Gelecekte, daha az kütleli ve dolayısıyla ekolojik olarak daha az yıkıcı tasarımlar, konsantre güneş enerjisini tekrar ön plana çıkarabilir.