Elektrik şebekeden bağımsız olarak nasıl depolanır?

Son 50 yılda, küresel elektrik tüketiminde sürekli bir artış yaşandı ve 2021 yılında yaklaşık 25.300 terawatt-saatlik bir kullanım tahmin ediliyor. Endüstri 4.0'a geçişle birlikte, dünya çapında enerji taleplerinde bir artış yaşanıyor. Bu sayılar, endüstriyel ve diğer ekonomik sektörlerin güç gereksinimleri hariç, her yıl artıyor. Bu endüstriyel değişim ve yüksek güç tüketimi, aşırı sera gazı emisyonları nedeniyle daha somut iklim değişikliği etkileriyle birleşiyor. Şu anda, çoğu elektrik üretim tesisi ve tesisi, bu tür talepleri karşılamak için büyük ölçüde fosil yakıt kaynaklarına (petrol ve gaz) güveniyor. Bu iklim endişeleri, geleneksel yöntemler kullanılarak ek enerji üretimi yapılmasını yasaklıyor. Bu nedenle, yenilenebilir kaynaklardan sürekli ve güvenilir bir enerji tedarikini sağlamak için verimli ve güvenilir enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi giderek daha önemli hale geldi.

Enerji sektörü yenilenebilir enerjiye veya "yeşil" çözümlere doğru kayarak yanıt verdi. Geçiş, örneğin rüzgar türbini kanatlarının daha verimli üretimine yol açan gelişmiş üretim teknikleriyle desteklendi. Ayrıca araştırmacılar, fotovoltaik hücrelerin verimliliğini artırarak kullanım alanı başına daha iyi enerji üretimine yol açabildiler. 2021'de güneş fotovoltaik (PV) kaynaklarından elektrik üretimi önemli ölçüde artarak rekor seviye olan 179 TWh'ye ulaştı ve 2020'ye kıyasla %22'lik bir büyümeyi temsil etti. Güneş PV teknolojisi artık küresel elektrik üretiminin %3,6'sını oluşturuyor ve şu anda hidroelektrik ve rüzgardan sonra üçüncü en büyük yenilenebilir enerji kaynağı.

Ancak bu atılımlar, yenilenebilir enerji sistemlerinin içsel dezavantajlarından bazılarını, özellikle de kullanılabilirliği çözmez. Bu yöntemlerin çoğu, kömür ve petrol santralleri gibi talep üzerine enerji üretmez. Örneğin, güneş enerjisi çıktıları, güneş ışınım açılarına ve PV panel konumlandırmasına bağlı olarak gün boyunca mevcuttur. Gece boyunca hiçbir enerji üretemezken, kış mevsiminde ve çok bulutlu günlerde çıktısı önemli ölçüde azalır. Rüzgar enerjisi de rüzgar hızına bağlı dalgalanmalardan muzdariptir. Bu nedenle, düşük çıktı dönemlerinde enerji tedarikini sürdürmek için bu çözümlerin enerji depolama sistemleriyle birleştirilmesi gerekir.

Enerji depolama sistemleri nelerdir?

Enerji depolama sistemleri, daha sonraki bir aşamada kullanılmak üzere enerji depolayabilir. Bazı durumlarda, depolanan enerji ile sağlanan enerji arasında bir enerji dönüşümü biçimi olacaktır. En yaygın örnek, lityum iyon piller veya kurşun asit piller gibi elektrik pilleridir. Elektrotlar ve elektrolit arasındaki kimyasal reaksiyonlar yoluyla elektrik enerjisi sağlarlar.

Piller veya BESS (pil enerji depolama sistemi), günlük yaşam uygulamalarında kullanılan en yaygın enerji depolama yöntemini temsil eder. Barajda depolanan suyun potansiyel enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren hidroelektrik santralleri gibi başka depolama sistemleri de mevcuttur. Aşağı düşen su, elektrik enerjisi üreten bir türbinin volanını döndürecektir. Başka bir örnek ise sıkıştırılmış gazdır, gaz serbest bırakıldığında güç üreten türbinin çarkını döndürecektir.

Pilleri diğer depolama yöntemlerinden ayıran şey, potansiyel çalışma alanlarıdır. Küçük cihazlardan ve otomobil güç kaynağından ev uygulamalarına ve büyük güneş çiftliklerine kadar, piller herhangi bir şebeke dışı depolama uygulamasına sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir. Öte yandan, hidroelektrik ve basınçlı hava yöntemleri depolama için çok büyük ve karmaşık altyapılar gerektirir. Bu, haklı çıkarılabilmesi için çok büyük uygulamalar gerektiren çok yüksek maliyetlere yol açar.

Şebeke dışı depolama sistemleri için kullanım örnekleri.

Daha önce belirtildiği gibi, şebekeden bağımsız depolama sistemleri güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji yöntemlerinin kullanımını ve bunlara bağımlılığı kolaylaştırabilir. Bununla birlikte, bu tür sistemlerden büyük ölçüde faydalanabilecek başka uygulamalar da vardır

Şehir elektrik şebekeleri, her şehrin arz ve talebine göre doğru miktarda elektrik sağlamayı amaçlar. Gereken elektrik gün boyunca dalgalanabilir. Şebeke dışı depolama sistemleri, dalgalanmaları azaltmak ve yoğun talep durumlarında daha fazla istikrar sağlamak için kullanılmıştır. Farklı bir bakış açısından, şebeke dışı depolama sistemleri, ana elektrik şebekesinde veya planlı bakım dönemlerinde öngörülemeyen herhangi bir teknik arızayı telafi etmek için oldukça faydalı olabilir. Alternatif enerji kaynakları aramak zorunda kalmadan elektrik gereksinimlerini karşılayabilirler. Örneğin, Şubat 2023'ün başlarında yaklaşık 262.000 kişiyi elektriksiz bırakan ve zorlu hava koşulları nedeniyle onarımların ertelenmesine neden olan Teksas buz fırtınası buna örnek olarak verilebilir.

Elektrikli araçlar başka bir uygulamadır. Araştırmacılar, pillerin ömrünü ve güç yoğunluğunu uzatmak için pil üretimini ve şarj/deşarj stratejilerini optimize etmek için çok çaba sarf ettiler. Lityum iyon piller bu küçük devrimin ön saflarında yer aldı ve yeni elektrikli arabalarda ve ayrıca elektrikli otobüslerde yaygın olarak kullanıldı. Bu durumda daha iyi piller, doğru teknolojilerle daha fazla kilometreye ve ayrıca daha az şarj süresine yol açabilir.

İHA'lar ve mobil robotlar gibi diğer teknolojik gelişmeler pil geliştirmeden büyük ölçüde faydalanmıştır. Hareket stratejileri ve kontrol stratejileri büyük ölçüde pil kapasitesine ve sağlanan güce dayanmaktadır.

BESS nedir?

BESS veya pil enerji depolama sistemi, enerji depolamak için kullanılabilen bir enerji depolama sistemidir. Bu enerji ana şebekeden veya rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından gelebilir. Farklı konfigürasyonlarda (seri/paralel) düzenlenmiş ve gereksinimlere göre boyutlandırılmış birden fazla pilden oluşur. DC gücünü kullanım için AC gücüne dönüştürmek için kullanılan bir invertöre bağlanırlar.pil yönetim sistemi (BMS)Pil durumunu ve şarj/deşarj işlemini izlemek için kullanılır.

Diğer enerji depolama sistemlerine kıyasla, yerleştirilmesi/bağlanması oldukça esnektir ve çok pahalı bir altyapı gerektirmez, ancak yine de önemli bir maliyete sahiptir ve kullanıma bağlı olarak daha düzenli bakım gerektirir.

BESS boyutlandırma ve kullanım alışkanlıkları

Bir pil enerji depolama sistemi kurarken ele alınması gereken önemli bir nokta boyutlandırmadır. Kaç pil gerekiyor? Hangi yapılandırmada? Bazı durumlarda, pil türü uzun vadede maliyet tasarrufu ve verimlilik açısından önemli bir rol oynayabilir

Bu, küçük hanelerden büyük endüstriyel tesislere kadar çeşitlilik gösterebildiğinden, vaka bazında yapılır.

Özellikle kentsel alanlardaki küçük haneler için en yaygın yenilenebilir enerji kaynağı, fotovoltaik paneller kullanan güneş enerjisidir. Mühendis genellikle hanenin ortalama güç tüketimini dikkate alır ve belirli konum için yıl boyunca güneş ışınımını değerlendirir. Pillerin sayısı ve şebeke yapılandırması, yılın en düşük güneş enerjisi tedariki sırasında hane taleplerini karşılayacak şekilde seçilirken piller tamamen boşaltılmaz. Bu, ana şebekeden tamamen güç bağımsızlığına sahip bir çözüm varsaymaktadır.

Nispeten orta düzeyde bir şarj durumu tutmak veya pilleri tamamen boşaltmamak ilk başta mantık dışı gelebilir. Sonuçta, tam potansiyelini çıkaramıyorsak neden bir depolama sistemi kullanalım ki? Teoride mümkün, ancak yatırım getirisini en üst düzeye çıkaran strateji bu olmayabilir.

BESS'in başlıca dezavantajlarından biri pillerin nispeten yüksek maliyetidir. Bu nedenle, pil ömrünü en üst düzeye çıkaran bir kullanım alışkanlığı veya şarj/deşarj stratejisi seçmek esastır. Örneğin, kurşun asit piller geri dönüşü olmayan hasara uğramadan %50 kapasitenin altına deşarj edilemez. Lityum iyon piller daha yüksek enerji yoğunluğuna, uzun çevrim ömrüne sahiptir. Ayrıca daha geniş aralıklar kullanılarak deşarj edilebilirler, ancak bunun bedeli artan fiyattır. Farklı kimyasallar arasında maliyette yüksek bir fark vardır, kurşun asit piller aynı boyuttaki bir lityum iyon pilden yüzlerce ila binlerce dolar daha ucuz olabilir. Bu nedenle kurşun asit piller, 3. dünya ülkelerinde ve yoksul topluluklarda güneş uygulamalarında en çok kullanılan pillerdir.

Pil performansı, kullanım ömrü boyunca bozulmadan büyük ölçüde etkilenir, ani bir arızayla sona eren istikrarlı bir performansa sahip değildir. Bunun yerine, kapasite ve sağlanan güç kademeli olarak azalabilir. Pratikte, bir pilin kullanım ömrünün, kapasitesi orijinal kapasitesinin %80'ine ulaştığında sona erdiği kabul edilir. Başka bir deyişle, %20 kapasite azalması yaşadığında. Pratikte, bu daha az miktarda enerji sağlanabileceği anlamına gelir. Bu, tamamen bağımsız sistemler için kullanım sürelerini ve bir EV'nin kat edebileceği kilometre miktarını etkileyebilir.

Dikkate alınması gereken bir diğer nokta ise güvenliktir. Üretim ve teknolojideki ilerlemelerle birlikte, son piller genel olarak kimyasal olarak daha kararlı hale gelmiştir. Ancak bozulma ve kötüye kullanım geçmişi nedeniyle hücreler termal kaçaklara girebilir ve bu da felaket sonuçlara yol açabilir ve bazı durumlarda tüketicilerin hayatını tehlikeye atabilir.

Bu nedenle şirketler, pil kullanımını kontrol etmenin yanı sıra zamanında bakım sağlamak ve daha kötü sonuçları önlemek için pil sağlık durumunu da izlemek amacıyla daha iyi pil izleme yazılımları (BMS) geliştirdiler.

Çözüm

Şebeke-enerji depolama sistemleri, ana şebekeden güç bağımsızlığı elde etmek için harika bir fırsat sunarken aynı zamanda kesintiler ve pik yük dönemlerinde yedek bir güç kaynağı da sağlar. Bu geliştirmeler, daha yeşil enerji kaynaklarına geçişi kolaylaştıracak ve böylece enerji üretiminin iklim değişikliği üzerindeki etkisini sınırlandırırken tüketimdeki sürekli büyümeyle enerji gereksinimlerini karşılayacaktır.

Pil enerji depolama sistemleri, en yaygın kullanılan ve farklı günlük uygulamalar için yapılandırılması en kolay olanlardır. Yüksek esneklikleri, nispeten yüksek bir maliyetle dengelenir ve bu da ilgili kullanım ömrünü mümkün olduğunca uzatmak için izleme stratejilerinin geliştirilmesine yol açar. Şu anda, endüstri ve akademi, farklı koşullar altında pil bozulmasını araştırmak ve anlamak için çok çaba sarf ediyor.