Enerji depolama

Enerji depolama işlemi bir cihaz veya depolama ortamı içerisinde enerjinin kimyasal, elektriksel veya ısıl gibi farklı formlarda saklanmasıdır.^[1] Isıl enerji depolama enerjinin sürekliliğini sağlamak amacıyla sıcak su temininde, soğutma sistemlerinde ve güç üretim tesislerinde kullanılmaktadır. Isıl enerji depolama yöntemleri üçe ayrılmaktadır; termokimyasal, duyulur ısı ve gizli ısı. Duyulur ısıl enerji depolama, depolama ortamının sıcaklığının değiştirilmesiyle sağlanmaktadır. Duyulur ısıl enerji depolamaya verilebilecek en basit örnek bir tank içerisinde ısınan sıcak suyun gece kullanılmasıdır.^[1] Tank içerisinde depolanacak toplam ısı enerjisi aşağıdaki eşitlik yardımıyla hesaplanabilir,^[1]

${\displaystyle Q=mc(T_{s}-T_{i})}$

burada ${\displaystyle m}$ depolama ortamının kütlesi (kg), ${\displaystyle c}$ sıkıştırılmaz depolama ortamına ait özgül ısı (J/kgK), ${\displaystyle T_{s}}$ ve ${\displaystyle T_{i}}$ ise sırasıyla depolama ortamının başlangıç ve son sıcaklıklarını belirtmektedir.^[2]

Gizli ısıl enerji depolama uygulamalarında ise depolama ortamında sıcaklık ve faz değişimi işlemleri bir arada meydana gelmektedir. Faz değişimi katı-katı, katı-sıvı ve sıvı-gaz olarak üç şekilde gerçekleştirilebilir.^[3] Uygulama kolaylığı ve hacim - basınç değişiminin düşük olmasından dolayı katı-sıvı (sıvı-katı) faz değişimi ısıl sistemlerde tercih edilmektedir.^[1] Gizli ısıl enerji depolama sistemlerin kullanılan malzemeler faz değişim malzemeleri (FDM) olarak adlandırılmaktadır.^[4] Gizli ısıl enerji depolama ortamında meydana gelen toplam enerji değişimi aşağıdaki şekilde tanımlanabilir^[1]

${\displaystyle Q=mc_{k}[T_{s}-T_{e}]+mL+mc_{l}[T_{e}-T_{i}]}$

burada ${\displaystyle c_{k}}$ ve ${\displaystyle c_{l}}$ katı ve sıvı fazın özgül ısı değerleridir (J/kgK). ${\displaystyle T_{e}}$ faz değişim malzemesinin erime veya donma sıcaklığı, ${\displaystyle L}$ ise faz değişim malzemesinin gizli ısısıdır (veya faz değişim entalpisi) (J/kg). Su için faz değişim gizli ısısı 333400 J/kg'dır.^[4]

Elektrik enerjisi depolama işleminde kondansatörler plakaları arasındaki yalıtkanın dielektrik katsayısına bağlı olarak değeri değişen elektrik yükünü depo edebilir ve bu özelliği ile küçük bir pile benzetilebilir. Kondansatöre bir DC kaynak bağlandığı zaman, kısa sürede yükü depolar ve dolar. Bu şekilde devreden ayrılan bir kondansatör yüklüdür ve plakaları arasında bir gerilim değeri okunur. İçindeki yükü ise kendisine bağlanan direnç değerine göre belli bir sürede boşaltır. Piller kimyasal maddelerden üretildiğinden yük üretimi yapar ve daha uzun süre dayanırlar. Kondansatörler ise devreye bağlandığı zaman kısa süre içinde yüklerini tüketirler, çünkü içlerindeki yük pile göre hem azdır hem de yeni yük üretimi yapamaz. Kondansatöre kısa devre yapıldığında bu yükün kıvılcım çıkartacak derecede hızlı aktığı görülür. Hem enerjiyi depolama hem de yükü aniden devreye sokma özelliklerinden dolayı, kaynağın devre dışı kalacağı durumlarda ve ani yük akışına ihtiyaç olan alanlarda kondansatörler kullanılabilir.

Fotoğraf makinesi flaşlarının çalışması için enerji depolayan araçlar kondansatörlerdir. Flaş, fotoğraf çekimi için ışığın yetersiz olduğu mekanlarda ortamın aydınlatılması için kullanılır. Fotoğrafın çekilmesi için mekanın sürekli aydınlık olması gerekmemekte, tam çekim anında sağlanan yüksek aydınlık düzeyi çekim için yeterli olmaktadır. Bu sebeple flaşa bağlanmış olan kondansatör çekim anında devreye sokulur ve depolanmış yüksek enerji bir anda boşaltılır, böylece anlık olarak yüksek aydınlık elde edilmiş olur. Kondansatörde depolanan elektrik enerjisinin çoğu ışık enerjisine bir kısmı da ısı enerjisine dönüşür, ancak flaş patladıktan sonra elle temasla flaşın ne kadar ısındığına bakılıp, depolanan enerjinin ne kadar büyük olduğu anlaşılabilir. Flaşın anlık olarak biriktirilen tüm enerjiyi harcaması kondansatör sayesinde olmaktadır. Kondansatörün aniden boşalması flaş ışığının parlak olmasını sağlar. Bundan dolayı flaşlar uzun süreli yanıp, lamba olarak kullanılamazlar, çünkü sadece bir anlık parlamaları için bile ihtiyaçları olan enerji yeterince yüksektir, dolayısıyla lamba olarak kullanılmaları çok daha yüksek enerji gerektireceğinden imkânsızdır.^[5]

Kondansatörler, elektronik alet herhangi bir sebeple kaynaktan ayrılırsa aletin bir süre daha işlev görmesini sağlamakta da kullanılır. Bunlara örnek olarak hoparlörler verilebilir. Dinlenilen sesin önemli olabileceği düşüncesiyle hoparlörlerde bulunan kondansatörler, kaynak gerilimi kesildiği zaman birkaç saniyeliğine de olsa höparlörün çalışmasını ve ses kaybı olmamasını sağlarlar. Hoparlörün çalıştığı süre boyunca depolanan kondansatör, kaynağın kesintiye uğramasının ardından depoladığı yükü hoparlöre verir ve böylece ses bir süreliğine kesilmez. Fişten çekilen hoparlörden hala ses gelmesinin nedeni budur. Ayrıca sesin birden değil de azalarak kesilmesi de yine kondansatörün karakteristiğine uygundur. Çünkü kondansatörün önünde bir yük varken deşarj olma grafiği doğal logaritmik şekildedir ve gittikçe sönen bir eğriye sahiptir. Bu kullanım şekli daha da genişletilebilir, farklı farklı kullanım alanları bulunabilir. Hoparlör sadece akılda daha iyi canlanabilmesi için bir örnektir.

Bazı elektronik aletler ise hafızalarını korumak için kondansatörleri kullanırlar. Kondansatör, kendisini besleyen kaynak tükendiği zaman hafızasındaki bilgiyi kaybeden elektronik aletler için geçici de olsa çözüm oluşturur. Dijital kol saatleri, bazı bilgisayar parçaları, cep telefonları bu tür aletlere örnek olarak verilebilir. Dijital saatler ve cep telefonlarında bulunan kondansatör, aletlerin pilleri tükendiği zaman devreye girerler ve özellikle saat bilgisinin ve bazı önemli bilgilerin kaybolmaması için yüklerini harcarlar. Ancak bu tabii ki yeni pil tedarik edilene ya da kaynak yeniden bağlanana kadar belli bir sürede geçerlidir. Çünkü kondansatör belli bir süre sonra yeniden depolanmadığından boşalacaktır. Bazı cep telefonlarının pillerinin birkaç saniyeliğine çıkarılıp geri takıldığında açılışta saati hatırlaması, daha uzun süreli pilsiz bırakmada ise açılışta saati yeniden sormasının sebebi de budur. Çünkü kondansatör o hafızayı sadece birkaç saniyeliğine tutacak şekilde tasarlanmıştır.

Kondansatör ani yük boşalmaları yapabildiğinden laboratuvar ortamında deney ve yapay yıldırım oluşturma amacıyla da kullanılır. Bir yapay yıldırımda aktarılan yük miktarı ve oluşan gerilim o kadar büyüktür ki, bu yükü depolamak için metrelerce uzunlukta büyük kondansatör blokları ve bu kondansatörleri doldurmak için dakikalar gerekmektedir. Depolanan enerji bir anda kısa devre edilir ve bir noktaya hedeflendirilir, böylece yapay bir yıldırım oluşturulabilir.

Aşağıdaki liste, çeşitli enerji depolama türlerini içerir:

Enerji, pompalı depolama yöntemlerini kullanarak veya katı maddeyi daha yüksek konumlara taşıyarak (yerçekimi pilleri) daha yüksek bir rakıma pompalanan suda depolanabilir. Diğer ticari mekanik yöntemler arasında elektrik enerjisini iç enerjiye veya kinetik enerjiye dönüştüren ve ardından elektrik talebi zirve yaptığında tekrar geri dönen hava sıkıştırmak ve volanlar bulunmaktadır.

Rezervuarlı Hidroelektrik baraj, talebin yoğun olduğu zamanlarda elektrik sağlamak için çalıştırılabilir. Su talebin düşük olduğu dönemlerde rezervuarda depolanır ve yüksek talep olduğunda serbest bırakılır. Net etki pompalı depolamaya benzer, ancak pompalama kaybı yoktur.

Hidroelektrik baraj diğer üretim birimlerinden doğrudan enerji depolamazken diğer kaynaklardan fazla elektrik geldiği dönemlerde çıktıyı düşürerek eşdeğer davranır. Bu modda barajlar enerji depolamanın en verimli biçimlerinden biridir, çünkü yalnızca üretiminin zamanlaması değişir. Hidroelektrik türbinlerin birkaç dakikalık bir başlatma süresi vardır.^[6]

Dünya'da Pompalı hidroelektrik enerji depolama (PSH) mevcut en büyük kapasiteli aktif şebeke enerji depolama biçimidir ve Mart 2012 itibarıyla Elektrik Enerjisi Araştırma Enstitüsü (EPRI) raporlarına göre PSH dünya'daki toplu depolama kapasitesinin % 99'undan fazlasını oluşturur ve yaklaşık 127,000 MW 'ı temsil eder.^[7] PSH enerji verimliliği uygulamada 70% ile 80%,^{[7][8][9][10]} arasındadır ve 87% ye kadar çıktığı iddia edilir.^[11]

Az elektrik talebinin olduğu zamanlarda fazla üretim kapasitesi, suyu daha düşük bir kaynaktan daha yüksek bir rezervuara pompalamak için kullanılır. Talep arttığında su türbin aracılığıyla daha düşük bir rezervuara (veya su yoluna veya su kütlesine) geri salınır ve elektrik üretir. Tersinir türbin-jeneratör tertibatları hem pompa hem de türbin (genellikle bir Francis türbini tasarımı) olarak işlev görür. Neredeyse tüm tesisler iki su kütlesi arasındaki yükseklik farkını kullanır. Saf pompalı depolama tesisleri suyu rezervuarlar arasında aktarırken "geri pompalama" yaklaşımı, pompalı depolama ve doğal akım akışını kullanan geleneksel hidroelektrik santrallarının bir bileşimidir.

Basınçlı hava enerji depolama (CAES), daha sonraki elektrik üretimi için havayı sıkıştırmak için fazla enerjiyi kullanır.^[12] Küçük ölçekli sistemler, maden lokomotiflerinin itici gücü gibi uygulamalarda uzun süredir kullanılmaktadır. Basınçlı hava, tuz kubbesi gibi bir yeraltı rezervuarında depolanır.

Basınçlı hava enerji depolama (CAES) tesisleri, üretim dalgalanması ve yük arasındaki boşluğu doldurabilir. CAES depolaması, talebi karşılamak için etkin bir şekilde hazır enerji sağlayarak tüketicilerin enerji ihtiyaçlarını karşılar. Rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları çeşitlilik gösterir. Bu nedenle, çok az güç sağladıkları zamanlarda enerji talebini karşılamak için diğer enerji türleriyle desteklenmeleri gerekir. Basınçlı hava enerji depolama tesisleri, aşırı enerji üretimi zamanlarında yenilenebilir enerji kaynaklarının fazla enerji çıktısını alabilir. Depolanan bu enerji, daha sonra elektrik talebinin arttığı veya enerji kaynağı kullanılabilirliğinin azaldığı bir zamanda kullanılabilir.^[13]Hava 'yı Sıkıştırma ısı yaratır; sıkıştırmadan sonra hava daha sıcaktır. Genleşme ısı gerektirir. Fazladan ısı eklenmezse hava genleşmeden sonra çok daha soğuk olur. Sıkıştırmada oluşan ısı depolanabilir ve genişlerken kullanılabilirse verimlilik önemli ölçüde artar.^[14] Bir CAES sistemi ısıyla üç şekilde işlev görür: Hava deposu adyabatik, diyabatik veya izotermal olabilir. Diğer bir yaklaşım araçlara güç sağlamak için basınçlı hava kullanır.^[15]

Volan enerji depolama (FES), bir rotoru (volan) çok yüksek bir hıza hızlandırarak enerjiyi dönme enerjisine döndürerek çalışır. Enerji eklendiğinde volanın dönüş hızı artar ve enerji çıkarıldığında, enerjinin korunumu nedeniyle hız düşer.

Çoğu FES sistemi volanı hızlandırmak ve yavaşlatmak için elektrik kullanır ancak doğrudan mekanik enerji kullanan cihazlar değerlendirilmektedir.^[16]

FES sistemleri, yüksek mukavemetli karbon-fiber kompozitlerden yapılmış, manyetik yatak larla askıya alınmış ve vakum muhafazasında 20,000 ila 50,000 (devir/dak) arasında değişen hızlarda dönen rotorları vardır.^[17] Bu tür volanlar birkaç dakika içinde maksimum hıza ("şarj") ulaşabilir. Volan sistemi bir elektrik motoru / jeneratör kombinasyonuna bağlıdır.

FES sistemleri, (çok az bakım gerektiren veya hiç bakım gerektirmeyen^[17] ve yüksek spesifik enerji (100-130 W·h/kg veya 360-500 kJ/kg),^[18][19] volanların çevrim ömürleri 10⁵ 'den fazla 10⁷' ye kadardır),^[18] güç yoğunluğu olan nispeten on yıllarca süren uzun ömürlere sahiptir.