enerji depolama

Transkript

enerji depolama

ENERJİ DEPOLAMA
EES 487 Yeni Enerji Kaynakları
Dr. Mutlu BOZTEPE
26.12.2006
Enerji depolama ve dağıtım
• Enerjinin istendiği zaman ve istenilen yerde kullanılmaya
hazır olması istenir.
• Enerjiyi istediğimiz bir yere taşımaya dağıtım (distribution)
adı verilir.
• Enerjiyi istediğimiz zaman kullanabilmek için onu
saklamaya depolama (storage) denir.
• Bu depolama çeşitli şekillerde olabilmektedir.
• Örneğin doğal ekolojide biyokütle hayvanlar ve parazitler
için bir enerji deposudur.
Eylül 2005
2
Dağıtılmış sistem
•
•
•
•
Yenilenebilir enerji kaynakları,
depolama ve dağıtım açısından fosil
veya nükleer kaynaklardan farklı
özellikler gösterir.
Düşük enerji yoğunluğu ve
kaynağın geniş bir sahada yayılmış
olması nedeniyle merkezi olmayan,
yani dağıtılmış kullanım
(decentralized end-use) için daha
uygundur.
Yenilenebilir enerji kaynakları zaten
dağılmış durumda bulunduğundan,
iletim ve dağıtım gereksinimi en
azdır.
Bununla birlikte hidrolik enerji gibi
yenilenebilir sistemlerde merkezi
üretim uygundur.
Eylül 2005
3
Enerji depolama
•
•
•
•
Yenilenebilir enerji doğası gereği
çevremizde sürekli olarak
akarken, biz onun ancak bir
kısmını değerlendirebilmekteyiz.
Öte yandan, enerji girişi
kontrolümüz dışındadır ve fosil vs.
gibi yakıtların aksine sürekli sabit
bir enerji girişi yoktur.
Bu durum enerji arzı ve enerji
talebi arasındaki dengeyi
sağlamakta zorluk yaratmaktadır.
Çünkü enerji ihtiyacı da sürekli
(günlük, saatlik ve hatta saniyelik)
değişmektedir. Buna ilave olarak
yenilenebilir enerji girişi de
değişkendir.
Eylül 2005
4
Fotovoltaik Enerji
GELEN GÜNEŞ RADYASYONU (23 Ekim 2001)
1000
Güç [Watt]
750
500
250
0
0:00:00
2:00:00
4:00:00
6:00:00
8:00:00
10:00:00
12:00:00
14:00:00
16:00:00
18:00:00
20:00:00
22:00:00
24:00:00
Zaman [Saat]





Eylül 2005
Kesikli ve değişken (Bulutlanma, gölgeleme).
Süreksiz (Günün ~%50’sinde güneş yok).
Kapalı günler (Yaklaşık ~3-5 gün).
Kesintisiz enerji için depolama gerekli.
Hammadde maliyeti sıfır ve rezerv sonsuz.
5
Rüzgar hızı çok değişken
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
9:07:12
Eylül 2005
11:31:12
13:55:12
16:19:12
18:43:12
21:07:12
6
Enerji depolama
• Hem enerji girişi değişken
• Hem de yük değişken!
• Bu durumda yapılabilecek iki seçenek vardır:
– Enerji ihtiyacımızı enerji girişine uydurmak
– Enerjiyi daha sonra kullanılmak üzere depolamak.
Eylül 2005
7
Bir Depoda aranan özellikler
• Yüksek depolama kapasitesi
• Yüksek şarj/deşarj verimi
• Kendiliğinden boşalmanın ve kapasite kayıplarının az
olması
• Uzun ömür
• Ucuzluk
• Enerji yoğun olması (kWh/kg veya kWh/litre). Yani
enerjiyi en az hacimde ve ağırlıkta depolayabilmeli.
Eylül 2005
8
Enerji depolama türleri
• Enerji çok değişik formlarda depolanabilmektedir.
–
–
–
–
–
–
–
–
Biyolojik depolama
Kimyasal depolama
Isıl depolama
Elektriksel depolama
Potansiyel enerji
Yerçekimi potansiyel enerjisi
Kinetik enerji
vs.
Eylül 2005
9
Biyolojik depolama
• Bitkiler fotosentez yaparak büyürler ve gelişirler. Bu güneş
enerjisinin bir depolanma şeklidir.
• Daha sonra bu bitkiler yakılarak depoladıkları enerji ısı enerjisi
olarak açığa çıkarılabilir.
• Fosil yakıtlar da bir biyolojik depolama türüdür. Binlerce yıl boyunca
oluşan kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar içten yanmalı motorlarda
kullanılarak enerjisini açığa çıkartmaktadırlar.
Eylül 2005
10
Kimyasal depolama
• Enerji kimyasal bileşiklerin oluşturduğu bağlarda
depolanabilir ve exotermik reaksiyonlarla tekrar
kazanılabilir. (NOT: ısı açığa çıkan reaksiyonlara
exotermik denir) Bunun için bazen bir katalizör (Isı,
enzim vs.) kullanmak gerekebilir.
• En çok kullanılan yöntemler şunlardır:
– Hidrojen
– Amonyak
Eylül 2005
11
Kimyasal Depolama (Hidrojen) (1/2)
• Hidrojen gazı elektroliz yoluyla sudan elde edilebilir.
• Gaz depolanabilir, taşınabilir ve yakılarak depoladığı
enerji açığa çıkarılabilir.
• Yanma sonucu açığa çıkan egzoz sadece sudur ve
çevre dostudur.
• Her bir mole (18g) H2O için 242 kJ açığa çıkar.
• Günümüzde kullanılan hidrojenin büyük bölümü fosil
yakıtlardan elde edilmektedir.
• Elektroliz is yeni bir yöntemdir ve ~%60 verimi vardır.
Elektroliz sırasında çıkan baloncuklar elektrotların
iletkenliğini azaltarak kayıpları arttırmaktadırlar. Bu
engellenerek verim %80’lere çıkarılabilmektedir.
Eylül 2005
12
Kimyasal Depolama (Hidrojen) (2/2)
• Hidrojenin depolanması basit değildir.
• Yanıcı ve patlayıcı bir gazdır.
• Sıvı halde depolamak için (donma noktası 20°K (-253°C)
olduğundan) sürekli soğut tutmaya ihtiyaç vardır.
• Metal hidritler olarak depolanırsa hem ısıtarak kolayca
enerji geri kazanılabilir hemde büyük hacimler
depolanabilir. Bu işlem reversibildir. Bu şekilde mobil
araçlara enerji deposu olarak kullanılabilir. Tek sorun
kullanılacak metalin ağırlığı ve maliyetidir.
• Ayrıca yakıt hücresi ile havadan hidrojen ve oksijen elde
edilebilmektedir.
Eylül 2005
13
Kimyasal depolama (Amonyak)
• Suyun aksine amonyak daha uygun sıcaklıklarda
ayrışabilir.
• Bir ısı çevrimi (heat engine) ile birlikte bu yöntemle
güneş enerjisinden sürekli olarak ısı elde etmek mümkün
olabilmektedir.
Eylül 2005
14
Isıl depolama (1/2)
• A substantial fraction of world energy use is as low
temperature heat.
Elektrik
Bu ısıyı diğer
kaynaklardan elde
etmek
termodinamik
açıdan hiç avantajlı
değildir.
Binaların ısı
kazancını arttırarak
elde edilen enerji
daha makbuldür.
Kaynak Twidel
Eylül 2005
Isıtma (taralı)
Mevsimler arasında
değişiklik gösterse
de kışın kullanılan
enerjinin yarısı
183°C sıcaklıkta
ısı enerjisidir.
Britanya için en soğuk günlere göre enerji tüketimi
15
Isıl depolama (2/2)
•
•
•
•
Yüksek enlemlerde güneşin ısıtması yaz
aylarında kış aylarına göre çok fazladır. Ancak
kışın ısıtmaya çok fazla ihtiyaç duyulur. Bu
nedenle uzun süreli ısı depolama ihtiyacı
gereklidir. Bu ise ısıl izolasyonlu su depoları ile
çözülebilir.
Kitabınızdaki Example 16.1’i inceleyiniz.
Bu örnekte bir güneş evinin iç sıcaklığını
20°C’de tutmak için sürekli 1kWh enerji girişi
olması gerektiği belirtilmekte ve bunu ilk baştaki
sıcaklığı 60°C olan suyun 40°C’ye düşene kadar
100 gün boyunca vermesi üzerine bir hesaplama
yapılmış ve 200m^2 bir alan için 50cm tank
yüksekliği hesap edilmiştir. Bu değer
gerçekleştirilebilir bir değerdir.
Bu örnek su ile yapılmıştır. Isı depolama
kapasitesi daha yüksek malzemelerle (Glauber’s
salt Na2SO4.10H2O) iyileştirme mümkündür.
Elektriksel depolama (Kurşun-Asit akü)
• Elektrik enerjinin çok kaliteli bir formudur. Dolayısıyla
onu verimli ve ucuz bir şekilde depolamak için çok fazla
araştırma yapılmaktadır.
• Teoride bir çok elektrokimyasal reaksiyon tersinir
(reversible) olmasına karşın içlerinden sadece bir kaçı
pratik bir uygulamaya uygundur. Çünkü 1-100A
arasındaki şarj/deşarj akımlarında yüzlerce kez çevrim
(cycle) yapmaları beklenir.
• En çok kullanılan batarya tipi ise Plante’nin 1860’ta
keşfettiği kurşun-asit (lead-acid) bataryadır ve o günden
beri sürekli geliştirilmektedir.
Eylül 2005
17
• Primer bataryalar şarj edilemez. Şarj edilebilir olanlara sekonder
bataryalar denir.
• Bataryanın çalışma prensibinin temelini oxidation ve reduction
oluşturur.
• Bunların gerçekleştiği yerler anot ve katot olarak isimlendirilir.
• Oxidation da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu (valans
state) artar ve extra elektron üretir.
• Reduction da reaksiyonda olan malzemenin valans durumu azalır
ve extra elektron kullanır.
• Buna kısaca redox reaksiyonun da denir.
• Redox reaksiyonunda kısaca elektron bir reaksiyondan diğerine
transfer edilir.
• Her iki reaksiyonda fiziksel olarak birbirine yakındır.
Eylül 2005
18
Eylül 2005
19
500-1000 cycle
30-40 Wh/kg
60-75 Wh/lt
%70-92 şarj verimliliği
Eylül 2005
20
Bataryalar
• Starter aküler veya otomobil bataryaları PV uygulamaların ihtiyaç
duyduğu derin boşalma işlevini yapamadıklarından uygun
değildirler.
• RV veya “marine” bataryaları bir starter bataryasından daha iyi derin
deşarj oldukları için başlangıç sistemlerde kullanılabilirler. Derin
boşalma yapabilen Deep cycle bataryalar Pv sistemler için iyi bir
seçimdir ve %80 oranında deşarj olabilirler. Örneğin Golf
arabalarının bataryaları 3-5 yıl kullanılabilmektedir. Bazı büyük
kapasiteli deep cycle bataryalar 7-10 yıl, endüstriyel chloride
bataryalar ise 15-20 yıl dayanabilmektedirler.
• Kurşun bazlı olmayan Ni-Cd gibi bataryalar pahalı olmasına karşın,
aşırı deşarj yapılmadan kullanılırsa uzun yıllar hizmet
verebilmektedirler. Yeni tip fiber-Ni-Cd batarya %25 deşarj oranında
oldukça uzun süre çalışabilmektedir. Yanlız Ni-Cd bataryaların şarj
durumunu ölçmede, kurşun bazlı akülere göre zorluklar vardır.
Batarya seçiminde, doğru bir deep-cycle tip ve çalışma koşullarına
uygun olmasına dikkat edilmelidir.
Eylül 2005
21
•
•
3000 cyle
160 Wh/kg
270 Wh/lt
Lityum iyon aküler
%98 şarj verimliliği
– katot “lithiated metal oxide“ (LiCoO2, LiMO2, vs) ve anot ise yüzey yapısında
karbon grafit maddesinden oluşur. Elektrolit maddesi organik karbonat içinde
çözülmüş lityum tuzlarından (ör: LiPF6) . Şarj sırasında katotdaki Lityum atomları
iyonlaşır ve elektrolit içinden geçerek karbon anota ulaşır ve birleşir bu sırada
elektronunu vererek dış devrede akım oluşturur. Bu süreç deşarjda tersine işler.
Vanadium-Redox Battery – VRB
– Hidrojen iyonları için geçirgen bir Polimer membran içeren hücre içerisinden
geçirilen sıvılar birbirlerine H+ iyonu (proton) vererek devreden elektron akışını
sağlar. Hücre gerilimleri 1.4-1.6 Volttur. Bu tip akülerin verimlilikleri %85
civarındadır. Enerji yoğunlukları 25-35 Wh/kg ve 20-35 Wh/lt. değerlerinde olup
kurşun asit ve Lityum akülere göre düşük bir enerji yoğunluğu gösterir. Ancak
“derin deşarj” konusunda tüm diğer “Flow Battery” tipleri gibi iyi performans
gösterir. Binlerce kere %100 deşarj edilse bile enerji yoğunluğundan
kaybetmez. Günümüzde büyük tipleri yenilenebilir enerji üretim tarlalarında
(özellikle rüzgar), enterkonekte sisteme bağlanmadan önce elektrik enerjisi
tamponlama işlevi için kullanılır. 10 kW’dan düşük modeller UPS veya telekom
uygulamaları için de geliştirilmiştir.
Eylül 2005
22
• Super capacitor
– Elektrik enerjisini iki yüzeyli elektrot ve elektrolit iyonları içinde depolar.
Şarj yüzeyleri arasındaki ayrım birkaç angstrom civarında olur. Bu tür
ürünlerdeki enerji depolama yoğunluğu elektrolitik kapasitörlerin binlerce
katına çıkar. Elektrotlar genelde gözenekli karbon malzemeden yapılır.
– Kurşun asit akülerle karşılaştırıldığında, bu kapasitörler daha düşük
enerji depolama yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen şarj/deşarj
çevrim sayılarının kurşun aside göre binlerce kat daha fazla olması ve
çok yüksek akımlarla şarj ve deşarj edilebilmeleri gibi avantajlara da
sahiptirler.
– Küçük uygulamalar için birçok tipinin
üretilmiş olması ile birlikte 20 kWh/m3
enerji depolama yoğunluğuna sahip
tiplerinin tasarımı halen devam
etmektedir.
Eylül 2005
23
Relative Energy Density of Some Common Secondary
Cell Chemistries
Eylül 2005
24
Elektriksel depolama (yakıt hücreleri)
• Yakıt hücreleri (fuel cells) kimyasal enerjiyi redox reaksiyonu ile
elektriksel enerjiye çevirme metodudur.
• Bataryaların aksine burada yakıt sürekli olarak reaksiyona dışarıdan
verilir.
• Yakıt hücreleri, doğalgaz ve metan gibi yakıtların haricinde, bir enerji
üretim yöntemi değil, bir enerji depolama yöntemidir.
• 1839 yılında William Grove tarafından keşfedilmiştir.
• 1933 yılında Bacon iyi bir akım yoğunluğu ve voltaj değerleri
alınabilecek şekilde geliştirmiştir.
• 1960’larda uzay uygulamalarında kullanılmıştır.
• Fosil yakıtlarla uyum, çalışma sıcaklığı, basınç ,fiyat, boyut ve ısı
yönetimi gibi konularda birçok teknoloji geliştirilmiştir.
Eylül 2005
25
Eylül 2005
26
Eylül 2005
27
Type 212 submarine
with fuel cell propulsion
of the German Navy in
dry dock
The world's first certified
Fuel Cell Boat
(HYDRA), in
Leipzig/Germany
Eylül 2005
28
Toyota FCHV PEM FC fuel
cell vehicle.
Mercedes-Benz (Daimler AG) Citaro
fuel cell bus on Aldwych, London.
Eylül 2005
29
Mekanik depolama (Su)
•
•
•
•
Hidro güç sistemleri potansiyel enerji depolarlar.
E=mgh 
Qo: suyun akış hızıdır. H su yüksekliğidir.
Hidroelektrik santrallerde su dam adı verilen setlerle
tutulur. 100m yüksekliğindeki bir dam için enerji
kapasitesi
değerindedir.
Eylül 2005
30
Mekanik depolama (Volan)
• Dönen bir cismin kinetik enerjisi
I atalet momenti, w açısal hız. En basit durumda bir
homojen disk için I=1/2. ma^2 dir. Bu diskin enerji
yoğunluğu ise
Enerji yoğunluğunu yüksek tutmak için mümkün olduğu
kadar hızlı döndürülmelidir.
Eylül 2005
31
Mekanik depolama (Volan)
A Flybrid Systems Kinetic
Energy Recovery System
built for use in Formula One
Eylül 2005
32
Mekanik depolama (Sıkışmış hava)
• Hava hızlı bir şekilde sıkıştırılabilir ve tekrar yavaşça genişletilebilir.
Bu özellik hidrolik sistemlerdeki büyük basınç dalgalanmalarını
düzeltebilmektedir.
Eylül 2005
33
Karşılaştırma
Eylül 2005
34
Karşılaştırma
Eylül 2005
35
Karşılaştırma
Eylül 2005
36
Enerji depolama yöntemleri
•
Konvansiyonel yakıtlar
– Dizel yakıt
– Kömür
– Odun
•
Yakıt hücreleri (fuel cell)
•
Mekanik
– Su pompalama (pumped hydro)
– Volan (flywheel)
– Sıkıştırılmış hava (compressed air)
Kimyasal
– Hidrojen
– Amonyak
•
•
Isı
– Su
– Buhar
•
Elektrik
– Kapasite
– Elektromagnet (süper iletken)
– Bataryalar
Eylül 2005
37
Performanslar
Enerji yoğ.
MJ/kg.
Çalışma sıcaklığı
°C
Development
time/y
Dönüşüm
Verim (%)
Dizel yakıt
45
Oda sıcaklığı
Kullanılıyor
Kimy.  iş
30
Kömür
29
Oda sıcaklığı
Kullanılıyor
Kimy.  iş
30
Odun
15
Oda sıcaklığı
Kullanılıyor
Kimy.  iş
60
Hidrojen gazı
140
-253 … -30
10
Elek.  Kimy.
60
Amonyak
2.9
0 … 700
5
Isı  kimy.
70
Su ısısı
0.2
20-100
Kullanılıyor
Isı  ısı
50-100
Buhar
2.2
100-300
Kullanılıyor
Isı  ısı
70
Kapasite
10-6 MJ/l
-
Çok zayıf
Elektromagnet
10-3 MJ/l
-
Çok zayıf
Kurşun asit
0.10
Oda sıcaklığı
Kullanılıyor
Elek.  elekt.
75
Yakıt hücresi
-
150
10
Kimy.  elek.
38
Su pompalama
0.001
Oda sıc.
Kullanılıyor
Elek  elek
80
Volan
0.05
Oda sıc.
Kullanılıyor
Elek  elek
80
Sıkışmış hava
0.2 … 2
20 … 100
Kullanılıyor
Elek  elek
50
Eylül 2005
38

enerji depolama

Transkript

Benzer belgeler

Case Study 51 Fokker Services TR

Win95/98/ME/NT/2000: TweakUI

Tüm Süreç - AVESKON Mühendislik

My Magazine 12

T.C. ÜMRANİYE KAYMAKAMLIĞI Özel Eyüboğlu Çamlıca İlköğretim

CaseStudy 055 Galderma TR

Daha detaylı bilgi icin tıklayınız