Enerji Geçişi İçin Kimyasal Olmayan Pil Alternatifleri

Piller Doğru Bir Fikir mi?

Elektrifikasyon, sanayileşmiş ekonomilerde fosil yakıtların yerini almak için başvurulan önemli yöntemlerden biridir. Örnekler arasında içten yanmalı araçlardan elektrikli araçlara geçiş ve yakma yerine ısı pompalarıyla ısı üretimi bulunur. Bunu “Hareketliliğin Geleceği – Batarya Teknolojisi” yazımızda ele aldık.

Bu dönüşümün iklim açısından yararını elektrik üretiminin emisyonları da belirler. Yenilenebilir ve diğer sürdürülebilir kaynaklar katkı sağlayabilir. Düşük karbonlu nükleer enerji de bazı sürdürülebilirlik tanımlarına dahildir; diğer çevresel etkilerin değerlendirilmesinde görüşler farklılaşabilir.

Elektrik talebi gün ve mevsimler boyunca değişir; güneş ve rüzgâr üretimi de koşullara bağlıdır. Kısa ve bulutlu kış günleri güneş üretimini sınırlar, fakat soğuk tek başına panellerin verimini mutlaka düşürmez. Uzun süreli zayıf rüzgâr dönemleri de esneklik gerektirir. Depolama, şebeke bağlantıları, talep yönetimi ve kontrol edilebilir üretim birbirini tamamlayabilir.

Enerji depolama bu ihtiyaçların bir bölümünü dengeleyebilir. Seçeneklerden biri, daha düşük maliyet veya başka avantajlar hedefleyen yeni kimyalarla büyük şebeke bataryalarıdır. Bunları “Enerji Depolamanın Geleceği – Şebeke Bataryaları” yazısında ele aldık. Bir başka seçenek, kullanılana kadar saklanabilen yakıtlardır; örneğin sıvı hidrojen veya amonyak. Ayrıca “Diğer Hidrojen Yakıtı – Beş Yeşil Amonyak Hissesi” ve “Alg Biyoyakıtı: Bir Sonraki Enerji Devrimi mi?” yazılarına bakılabilir.

Farklı süreler için başka hangi depolama teknolojileri kullanılabilir? Burada elektrokimyasal bataryalara mekanik ve termal alternatifleri inceliyoruz. Sözü edilen bazı hibrit öneriler kimyasal tepkimeler de içerir. Her teknoloji günler, aylar veya yıllar süren depolamaya uygun değildir.

Basınçlı Hava

Basınçlı Havanın Avantajları

Havayı sıkıştırmak enerji gerektirir. Depolanan hava genleşip bir türbini döndürdüğünde bu enerjinin bir bölümü geri kazanılabilir.

Basınçlı hava depolaması kompresörler, borular, tanklar ve türbinler kullanır; bunlarda çelik gibi yaygın malzemeler önemli yer tutar. Bu yaklaşım bazı batarya hammaddelerine bağımlılığı azaltabilir, ancak her bileşenin kritik malzemelerden arınmış olduğu anlamına gelmez. Uygun yer altı boşlukları büyük hacim sağlayabilir; tükenmiş her gaz yatağı yeterince sızdırmaz veya elverişli değildir. Hava yaygın olarak bulunur, fakat işleme ve altyapı maliyetlidir.

Kaynak: Electricity Forum

Hava sıkıştırma, yerleşik tedarik zincirine sahip bilinen bir sanayi teknolojisidir. İyi tasarlanmış bir depoda bekleme kayıpları düşük olabilir. Bu, sıkıştırma, depolama ve elektrik üretiminin tamamını kapsayan çevrim kayıplarından farklıdır; toplam kayıp tasarıma bağlıdır.

Basınçlı Havanın Dezavantajları

Hava sıkıştırılırken ısınır, genleşirken soğur. Bu nedenle ısı yönetimi önemlidir. Sıkıştırma ısısının çevreye atılması geri kazanılabilir enerjiyi azaltır; ancak bazı sistemler bu ısıyı depolayarak genleşmede yeniden kullanır. Isının her koşulda tamamen kaybedilmesi gerekmez.

2023 tarihli yazı, daha az verimli tasarımlarda daha yüksek olmak üzere yaklaşık %30–40 çevrim kaybından söz ediyordu. Yaklaşık %70 verim örneği olarak 400 MWh kapasiteli Zhangjiakou tesisini gösteriyordu; tesis Çin Bilimler Akademisi tarafından geliştirilmişti. Bu değerler belirli sistem ve koşullara aittir, bütün tasarımlar için değişmez bir fiziksel sınır değildir.

Basınçlı hava, uygun saha ve altyapı bulunduğunda nispeten düşük maliyetli uzun süreli depolama sağlayabilir. Dönüşüm kayıpları yine de ekonomiyi etkiler. Sıkıştırma ısısının genleşmede veya yararlı ısı olarak değerlendirilmesi toplam enerji kullanımını iyileştirebilir; ayrı bir sanayi süreci tek seçenek değildir.

Yerçekimi Pilleri

Bir kütle yükseltildiğinde yerçekimi potansiyel enerjisi artar. Kütle kontrollü biçimde indirilirken bu enerjinin bir bölümü elektriğe dönüştürülebilir. Yerçekimi depolamasının temeli budur.

Pompalı Hidroelektrik Depolama

Yaklaşık 2020 döneminde pompalı hidroelektrik, dünya genelindeki kurulu şebeke depolama gücünün yaklaşık %90 veya daha fazlasını sağlayan baskın teknolojiydi. Yazı ABD Enerji Bakanlığının Global Energy Storage Database veritabanına atıf yapıyordu. Bu tarihsel bir paydır, güncel ölçüm değildir.

Geleneksel hidroelektrik, genellikle doğal su girişleriyle beslenen yüksek seviyedeki suyun potansiyel enerjisini kullanır. Pompalı depolama ise elektriği kullanarak suyu alt rezervuardan üst rezervuara taşır. Su daha sonra türbinden aşağı akarken harcanan enerjinin bir bölümü geri kazanılır.

Rezervuarlar depolama amacıyla özel olarak, nehirle sürekli bağlantısı olmayan kapalı çevrim halinde de yapılabilir. Ancak uygun yükseklik farkı, jeoloji ve su gerekir; yalnızca eğimli arazi yeterli değildir. Uygun sahalarda yer altı rezervuarı da kullanılabilir.

Kaynak: Energy.gov

Tüm çevrimin enerji kayıpları genellikle yaklaşık %20–30 düzeyindedir. Su aylarca tutulabilir, ancak buharlaşma ve sızıntı saha ile koşullara bağlıdır. İlk yatırım büyük olabilir; buna karşılık pompalı hidroelektrik tesisleri çoğunlukla uzun ömürlüdür.

Başka bir spekülatif öneri, düşük rakımda elektrolizi, hidrojenin yukarı taşınmasını, yeniden suya dönüştürülmesini ve su türbinden aşağı inerken elektrik üretimini birleştirir. Bu, kimyasal depolama da içeren hibrit bir sistemdir. Hidrojenin havadan hafif olması bütün taşıma ve dönüşüm çevrimini enerji gerektirmeyen bir işlem yapmaz.

Bu hibrit çevrimin toplam veriminin pompalı hidroelektrikten yüksek olduğu burada kanıtlanmıyor. Elektrolizörler, gaz ve su yönetimi, geri dönüşüm, kayıplar ve yatırım maliyeti birlikte değerlendirilmelidir.

Beton ve Kayalarla Enerji Depolama

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

Katı kütleler çekme vinçleri veya kaldırma vinçleri, kablolar ve elektrik motoru–jeneratörleriyle yükseltilip indirilebilir. Temel malzemeler yaygındır; ancak kontrol, güvenlik ve dayanıklılık özel mühendislik gerektirir.

Bazı tasarımlar yaklaşık %15 çevrim kaybı hedefler. Bu, bütün yerçekimi depolarında ölçülmüş evrensel bir performans değildir. Pompalı hidroelektrikle karşılaştırma yalnızca su türbülansını değil, pompa, türbin, motor, jeneratör, boru ve sürtünme kayıplarını da içermelidir.

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

Gravitricity, birkaç yüz metre derinliğindeki uygun eski maden kuyularında GraviStore ile ağırlık kaldırıp indirmeyi hedefler. Terk edilmiş her kuyu bu iş için güvenli veya kullanılabilir değildir.

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

Eski madenler potansiyel sahalar sağlar, fakat sayıları doğrudan kullanılabilir depolama kapasitesine eşit değildir. Gravitricity ile merkezi İsviçre’de bulunan ABB, kaldırma teknolojisi ve ticari gelişim için imzalanmış iş birliği anlaşmasını 11 Aralık 2023’te zaten duyurmuştu. ABB ayrıca geniş bir mevcut madencilik müşteri tabanına sahipti.

Kaynak: ABB

Depolanan yerçekimi enerjisi hem kütleye hem de yükseklik farkına bağlıdır. Onlarca veya yüzlerce metrelik hareketle büyük enerji miktarı için ağır kütleler, çok sayıda ünite veya büyük özel yapılar gerekir. Maden sayısı tek başına pratikte kullanılabilir kapasitenin hesabı değildir.

Bir başka öneri kıyı yakınındaki daha büyük deniz derinliklerini kullanır. Yüzer platform ağırlıkları binlerce metre boyunca yükseltip indirebilir. Bu fikir Deep Ocean Gravitational Energy Storage, yani DOGES olarak adlandırılır. 2023 tarihli yazı geliştirici olarak Fransız girişimi Sink Float Solutions şirketini anıyordu.

Kaynak: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions %80’e varan olası verim ve düşük maliyet öne sürüyordu. Bunlar önerilen sisteme ilişkin iddialardı; burada kanıtlanmış ticari tesis ekonomik sonuçları değildi.

Şirketin hesap örneği 4.000 ton kütleyi saatte 20 kilometre dikey hızla birleştiriyordu; teoride yaklaşık 200 MW mertebesinde güç elde edilir. Birden fazla çekme vinci paralel çalışabilir. Bu hesap mevcut bir açık deniz vincinin hem o yükü hem de o hızı aynı anda sağlayabildiğini kanıtlamaz. Toplam enerji için hareketin yükseklik farkı da bilinmelidir.

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

Kum/Isı Pilleri

Sanayide ve kışın bina ısıtmasında çok miktarda elektrik ısı üretmek için kullanılır. Kum bataryası enerjiyi elektrokimyasal tepkimeler yerine doğrudan ısı olarak saklar.

Yalıtılmış bir silo uygun kum veya başka ucuz bir katı malzemeyle doldurulur ve örneğin 400 °C’ye ısıtılır. Isıl kütle ve yalıtım büyük miktarda ısı depolamayı sağlar. Malzeme seçimi ile azami sıcaklık tasarıma bağlıdır.

Kaynak: Polar Night Energy

Sistem standart borular, hava üfleyicileri, elektrikli ısıtıcılar ve çelik kullanabilir. Dolgu için beton üretimi gibi başka uygulamalarda aranmayan uygun kum veya farklı ucuz katı malzemeler seçilebilir.

Finlandiyalı Polar Night Energy bu tür ısı depoları geliştiriyor. Bunlar merkezi üretilen ısıyı çok sayıda binaya dağıtan bölgesel ısıtma şebekelerine bağlanabilir. Böyle ağlar İskandinavya, Almanya, Doğu Avrupa’nın ve eski Sovyetler Birliği’nin bazı bölgelerinde bulunur. Isının yeniden elektriğe çevrilmesi ek donanım gerektirir ve ek kayıp yaratır.

İyi yalıtım ısıyı uzun süre koruyabilir, fakat kayıplar ve kullanılabilir mevsimsel kapasite boyut ile işletmeye bağlıdır. Finlandiya’nın bazı kuzey bölgelerinde yazın gündüz yaklaşık 20–24 saat sürebilir; bu bütün ülke için geçerli değildir ve her aydınlık saat tam güneş paneli gücü demek değildir. Yaz fazlasını ısı olarak depolamak kış ihtiyacının bir bölümünü karşılayabilir; ülkenin tamamını tek başına ısıtabildiği burada gösterilmiyor.

Gelecekteki uygulamalar seraları ısıtmak veya güneş ısı kolektörleriyle birlikte çalışmak üzere geliştirilebilir.

Şirket Rondo Energy de elektrikle yaklaşık 1.500 °C’ye kadar ısıtılan refrakter tuğlalarla ısı bataryaları geliştiriyor. Isı, çimento, metalurji, kimya veya madencilik süreçlerine sıcak hava ya da buhar olarak verilebilir. Yüksek ısı depolama verimi, elektriğe geri dönüşümün de aynı verime sahip olduğu anlamına gelmez.

Kaynak: Rondo Energy

2023 broşüründe Stiesdal, kırılmış kaya kullanan GridScale sistemini açıklıyordu. Sistem sıcak ve soğuk tanklarla ısı pompası ve türbin çevrimini birleştirir. Belirtilen 10 saat–10 gün aralığı farklı kurulumlar için tasarlanan depolama veya boşaltma süresidir; MWh ile ölçülen enerji kapasitesi değildir.

Ayrıca Holcim, INSA Lyon ve ENGIE ile özel bir çimento esaslı malzemeyi kullanan sistem geliştiriyordu. Isı, dehidrasyon ve hidrasyon yoluyla saklanıp açığa çıkarılır. Bu termokimyasal depolamadır ve tamamen kimyasal olmayan seçeneklerin istisnasıdır. Tekrarlanabilir çevrim, bakımsız sonsuz kullanım ömrünü veya kesin düşük maliyeti kanıtlamaz.

Amaç ısı şebekelerinde ve sanayide fazla ısıyı değerlendirmekti. Basınçlı hava depolamasıyla birleşim ayrı bir teknik değerlendirme gerektirir; burada çalışması kanıtlanmış bütünleşik bir tesis sunulmuyor.

Şirket açıklaması enerji alımını anlatırken “metreküp başına 300 kW” ifadesini kullanıyordu. Ancak kW enerjiyi değil gücü ölçer. Zaman temeli olmadan bu geçerli bir enerji yoğunluğu değildir ve malzemenin tonajından depolanan enerji hesaplanamaz. Kavram, 2022’de tanıtıldığında geliştirme aşamasındaydı.

Volanlar

Volanlar dönen bir kütlede kinetik enerji depolar. Bazı tasarımlar vakumda manyetik yataklarla dakikada 20.000–50.000 devirde, diğerleri çok daha yavaş çalışır. Motor–jeneratör kütleyi hızlandırarak enerji depolar, yavaşlatarak geri kazanır.

Başlıca avantaj milisaniyelik tepkidir. Volanlar özellikle büyük senkron jeneratörlerin sağladığı atalet azalırken şebeke frekansını ve dinamik kararlılığı destekleyebilir. Bu hızlı hizmet, saatler veya günler boyunca büyük enerji miktarı sağlamaktan farklıdır.

ElectraNet için Siemens Energy, Güney Avustralya’da ek volanlı senkron kompansatörler sağladı (ENR.SW ) (ENR.DE ). Bunlar atalet ve şebeke kararlılığı desteğidir; mevsimsel depolama gösterimi değildir.

Üretici Stornetic EnWheel için 20 yılı aşan beklenen mekanik ömür ve 100.000’den fazla şarj/deşarj çevrimi bildiriyor. Bu her parçanın değiştirilmeden onlarca yıl çalışacağını garanti etmez; güç elektroniğinin daha erken değiştirilmesi öngörülüyor.

Kaynak: Stornetic

Şirket S4 Energy volanları ve bataryaları hibrit sistemlerde birleştiriyordu. 2023 yazısında 60 MWh işletmede veya yapımda, 1.050 MWh ise planlanan proje olarak anılıyordu. Bunlar tek volanın kapasitesi değildir ve tamamı bitmiş tesis de değildir. Yazı ayrıca Rotterdam’da vinç yükleri indirilirken enerji geri kazanımını örnek veriyordu. KINEXT yaklaşık beş ton kütle ve dakikada yaklaşık 1.800 devre kadar hız kullanarak hızlı tepki ve çok sayıda çevrim sağlar. Bildirilen yaklaşık %92 verim dönüşüm çevrimine aittir; istenen uzunlukta depolama boyunca yalnızca %8 kayıp veya lityum iyon bataryalara karşı evrensel üstünlük anlamına gelmez.

Volanlar hızlı tepki, sık çevrim, enerji geri kazanımı ve şebeke hizmetleri için uygundur. Maliyete göre sınırlı enerji kapasitesi ve bekleme kayıpları, onları genellikle mevsimsel depolamadan çok kısa süreler için elverişli kılar.

Yoğunlaştırılmış Güneş Isıl Elektriği

Fotovoltaik paneller ışığı doğrudan elektriğe dönüştürür. Yoğunlaştırılmış güneş ısıl santralleri ise aynalarla bir alıcıyı ve ısı taşıyıcı ortamı ısıtır; ardından termal çevrim elektrik üretir. Uygun ısı deposu varsa üretim kapasite ve koşullara bağlı olarak gün batımından sonra saatlerce sürebilir.

Daha ucuz ve gelişmiş fotovoltaik paneller, yoğunlaştırılmış güneş ısıl teknolojisinin rekabetini zorlaştırdı. Depolama ve kontrol edilebilir üretim, değişken yenilenebilir kaynakları yoğun kullanan sistemlerde yine de değerli olabilir; ticari canlanma garanti değildir.

Kaynak: Energy.gov

Zorluklar arasında maliyet, ısı aktarımı ve güvenilirlik bulunur. Bazı organik ısı transfer yağlarının yüksek sıcaklıkta bozunması, alıcıların yalıtımını zayıflatabilen hidrojen üretir. Bu, her güneş ısıl santralinin kaçınılmaz atığı değildir. Erimiş tuzlar ise donma, korozyon ve sızıntı gibi başka sorunlarla karşılaşabilir.

Yaban hayatı da etkilenebilir. Özellikle kule alıcılarının yakınındaki yoğun güneş radyasyonu kuşları yaralayabilir veya öldürebilir. Risk saha ve tasarıma bağlıdır; her tesisin etkisi aynı değildir ve güneş radyasyonu yalnızca görünmez ışınlardan oluşmaz.

Gelecekteki tasarımlar maliyet, güvenilirlik ve çevresel performansı iyileştirebilir. Daha küçük boyut tek başına daha düşük ekolojik etkiyi garanti etmez; her uygulama ayrı değerlendirilmelidir.