Son 50 yılda, küresel elektrik tüketiminde sürekli bir artış yaşanmış olup, 2021 yılında yaklaşık 25.300 terawatt-saatlik bir kullanım tahmin edilmektedir. Endüstri 4.0'a geçişle birlikte, dünya genelinde enerji talebinde de artış görülmektedir. Bu rakamlar, endüstriyel ve diğer ekonomik sektörlerin enerji ihtiyaçları hariç, her yıl artmaktadır. Bu endüstriyel dönüşüm ve yüksek enerji tüketimi, aşırı sera gazı emisyonları nedeniyle daha somut iklim değişikliği etkileriyle birleşmektedir. Şu anda, çoğu enerji üretim tesisi ve santrali, bu talepleri karşılamak için büyük ölçüde fosil yakıt kaynaklarına (petrol ve gaz) bağımlıdır. Bu iklim endişeleri, geleneksel yöntemlerle ek enerji üretimini engellemektedir. Bu nedenle, yenilenebilir kaynaklardan sürekli ve güvenilir bir enerji tedarikini sağlamak için verimli ve güvenilir enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi giderek daha önemli hale gelmiştir.
Enerji sektörü, yenilenebilir enerjiye veya "yeşil" çözümlere yönelerek bu duruma yanıt verdi. Bu geçiş, örneğin rüzgar türbini kanatlarının daha verimli üretilmesine yol açan gelişmiş üretim teknikleri sayesinde kolaylaştı. Ayrıca, araştırmacılar fotovoltaik hücrelerin verimliliğini artırarak kullanım alanı başına daha iyi enerji üretimi sağladılar. 2021 yılında, güneş fotovoltaik (PV) kaynaklarından elektrik üretimi önemli ölçüde artarak rekor seviye olan 179 TWh'ye ulaştı ve 2020 yılına kıyasla %22'lik bir büyüme gösterdi. Güneş PV teknolojisi şu anda küresel elektrik üretiminin %3,6'sını oluşturuyor ve hidroelektrik ve rüzgardan sonra üçüncü en büyük yenilenebilir enerji kaynağı konumunda.
Ancak bu atılımlar, yenilenebilir enerji sistemlerinin doğasında var olan bazı dezavantajları, özellikle de bulunabilirliği çözmemektedir. Bu yöntemlerin çoğu, kömür ve petrol santralleri gibi talep üzerine enerji üretmemektedir. Örneğin, güneş enerjisi çıktısı, güneş ışınımı açılarına ve fotovoltaik panellerin konumuna bağlı olarak gün boyunca değişkenlik göstermekte, ancak gece boyunca enerji üretememekte ve kış mevsiminde ve çok bulutlu günlerde çıktısı önemli ölçüde azalmaktadır. Rüzgar enerjisi de rüzgar hızına bağlı olarak dalgalanmalardan etkilenmektedir. Bu nedenle, düşük çıktı dönemlerinde enerji arzını sürdürmek için bu çözümlerin enerji depolama sistemleriyle birleştirilmesi gerekmektedir.
Enerji depolama sistemleri nelerdir?
Enerji depolama sistemleri, daha sonra kullanılmak üzere enerjiyi depolayabilir. Bazı durumlarda, depolanan enerji ile sağlanan enerji arasında bir enerji dönüşümü gerçekleşir. En yaygın örnek, lityum iyon piller veya kurşun asit piller gibi elektrikli pillerdir. Bunlar, 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. Aşağıya düşen su, elektrik enerjisi üreten bir türbinin volanını döndürür. Başka bir örnek ise sıkıştırılmış gazdır; gaz serbest bırakıldığında türbinin çarkını döndürerek güç üretir.
Pillerin diğer depolama yöntemlerinden farkı, potansiyel kullanım alanlarıdır. Küçük cihazlardan ve otomobil güç kaynağından ev uygulamalarına ve büyük güneş enerjisi santrallerine kadar, piller şebekeden bağımsız her türlü depolama uygulamasına sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir. Öte yandan, hidroelektrik ve basınçlı hava yöntemleri, depolama için çok büyük ve karmaşık altyapılar gerektirir. Bu da, haklı çıkarılabilmesi için çok büyük uygulamalar gerektiren çok yüksek maliyetlere yol açar.
Şebekeden bağımsız depolama sistemleri için kullanım örnekleri.
Daha önce de belirtildiği gibi, şebekeden bağımsız depolama sistemleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji yöntemlerinin kullanımını ve bunlara olan bağımlılığı kolaylaştırabilir. Bununla birlikte, bu tür sistemlerden büyük ölçüde fayda sağlayabilecek başka uygulamalar da mevcuttur.
Şehir elektrik şebekeleri, her şehrin arz ve talebine göre doğru miktarda elektrik sağlamayı amaçlar. İhtiyaç duyulan elektrik miktarı gün boyunca dalgalanabilir. Şebeke dışı depolama sistemleri, dalgalanmaları azaltmak ve en yüksek talep durumlarında daha fazla istikrar sağlamak için kullanılmıştır. Farklı bir bakış açısıyla, şebeke dışı depolama sistemleri, ana elektrik şebekesinde veya planlı bakım dönemlerinde meydana gelebilecek öngörülemeyen teknik arızaları telafi etmek için oldukça faydalı olabilir. Alternatif enerji kaynakları aramak zorunda kalmadan elektrik gereksinimlerini karşılayabilirler. Örneğin, Şubat 2023 başlarında Teksas'ta meydana gelen ve yaklaşık 262.000 kişiyi elektriksiz bırakan buz fırtınasını ve zorlu hava koşulları nedeniyle onarımların gecikmesini örnek gösterebiliriz.
Elektrikli araçlar da bir diğer uygulama alanıdır. Araştırmacılar, pillerin ömrünü ve güç yoğunluğunu artırmak için pil üretimini ve şarj/deşarj stratejilerini optimize etmek için büyük çaba sarf ettiler. Lityum iyon piller bu küçük devrimin ön saflarında yer aldı ve yeni elektrikli otomobillerde olduğu kadar elektrikli otobüslerde de yaygın olarak kullanıldı. Bu durumda daha iyi piller, doğru teknolojilerle daha uzun menzile ve daha kısa şarj sürelerine yol açabilir.
İnsansız hava araçları ve mobil robotlar gibi diğer teknolojik gelişmeler de pil gelişiminden büyük ölçüde faydalandı. Bu araçların hareket stratejileri ve kontrol stratejileri, pil kapasitesine ve sağladığı güce büyük ölçüde bağlıdır.
BESS nedir?
BESS veya batarya enerji depolama sistemi, enerjiyi depolamak için kullanılabilen bir enerji depolama sistemidir. Bu enerji, şebekeden veya rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından gelebilir. Farklı konfigürasyonlarda (seri/paralel) düzenlenmiş ve gereksinimlere göre boyutlandırılmış birden fazla bataryadan oluşur. Bunlar, doğru akım gücünü kullanım için alternatif akım gücüne dönüştürmek için kullanılan bir invertöre bağlanır. Batarya yönetim sistemi (BMS), batarya koşullarını ve şarj/deşarj işlemlerini izlemek için kullanılır.
Diğer enerji depolama sistemlerine kıyasla, yerleştirme/bağlantı açısından özellikle esnektirler ve oldukça pahalı bir altyapı gerektirmezler, ancak yine de önemli bir maliyete sahiptirler ve kullanıma bağlı olarak daha düzenli bakım gerektirirler.
BESS boyutlandırma ve kullanım alışkanlıkları
Bir batarya enerji depolama sistemi kurarken ele alınması gereken en önemli noktalardan biri boyutlandırmadır. Kaç bataryaya ihtiyaç var? Hangi konfigürasyonda? Bazı durumlarda, batarya türü uzun vadede maliyet tasarrufu ve verimlilik açısından çok önemli bir rol oynayabilir.
Bu işlem, küçük evlerden büyük sanayi tesislerine kadar çeşitli uygulamalar söz konusu olabileceğinden, her bir uygulama özelinde değerlendirilir.
Özellikle kentsel alanlarda küçük haneler için en yaygın yenilenebilir enerji kaynağı, fotovoltaik paneller kullanan güneş enerjisidir. Mühendis genel olarak hanenin ortalama güç tüketimini dikkate alır ve belirli konum için yıl boyunca güneş ışınımını değerlendirir. Pil sayısı ve şebeke konfigürasyonu, yılın en düşük güneş enerjisi arzı sırasında hanenin taleplerini karşılayacak ve pilleri tamamen tüketmeyecek şekilde seçilir. Bu, ana şebekeden tamamen bağımsız bir çözüm varsayımıyla yapılır.
Pillerin şarj seviyesini nispeten orta düzeyde tutmak veya tamamen boşaltmamak ilk başta sezgisel gelmeyebilir. Sonuçta, tam potansiyelini kullanamıyorsak neden bir depolama sistemi kullanalım ki? Teoride mümkün olsa da, yatırım getirisini en üst düzeye çıkaracak strateji olmayabilir.
BESS'in (Batarya Enerji Depolama Sistemleri) en büyük dezavantajlarından biri, bataryaların nispeten yüksek maliyetidir. Bu nedenle, batarya ömrünü en üst düzeye çıkaracak bir kullanım alışkanlığı veya şarj/deşarj stratejisi seçmek çok önemlidir. Örneğin, kurşun asit bataryalar, geri dönüşü olmayan hasara uğramadan %50 kapasitenin altına deşarj edilemez. Lityum iyon bataryalar daha yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun çevrim ömrüne sahiptir. Ayrıca daha geniş aralıklarda deşarj edilebilirler, ancak bu daha yüksek bir maliyetle gelir. Farklı kimyasal bileşimler arasında maliyet açısından büyük bir varyans vardır; kurşun asit bataryalar, aynı boyuttaki bir lityum iyon bataryadan yüzlerce ila binlerce dolar daha ucuz olabilir. Bu nedenle, kurşun asit bataryalar, üçüncü dünya ülkelerinde ve yoksul topluluklarda güneş enerjisi uygulamalarında en çok kullanılan batarya türüdür.
Pil performansı, kullanım ömrü boyunca bozulmadan büyük ölçüde etkilenir; ani bir arıza ile sona eren istikrarlı bir performansa sahip değildir. Bunun yerine, kapasite ve sağlanan enerji kademeli olarak azalabilir. Pratikte, bir pilin kullanım ömrünün, kapasitesi orijinal kapasitesinin %80'ine ulaştığında sona erdiği kabul edilir. Başka bir deyişle, %20'lik bir kapasite kaybı yaşandığında. Pratikte bu, daha az enerji sağlanabileceği anlamına gelir. Bu durum, tamamen bağımsız sistemler için kullanım sürelerini ve bir elektrikli aracın kat edebileceği mesafeyi etkileyebilir.
Dikkate alınması gereken bir diğer nokta da güvenliktir. Üretim ve teknolojideki gelişmelerle birlikte, son dönem piller genel olarak kimyasal olarak daha kararlı hale gelmiştir. Bununla birlikte, bozulma ve kötü kullanım geçmişi nedeniyle, piller aşırı ısınmaya girebilir ve bu da felaket sonuçlara yol açabilir ve bazı durumlarda tüketicilerin hayatını tehlikeye atabilir.
Bu nedenle şirketler, pil kullanımını kontrol etmekle kalmayıp aynı zamanda pilin sağlık durumunu da izleyerek zamanında bakım sağlamak ve daha ciddi sonuçlardan kaçınmak için daha iyi pil izleme yazılımları (BMS) geliştirmiştir.
Çözüm
Şebekeye bağlı enerji depolama sistemleri, ana şebekeden bağımsız enerji elde etme konusunda büyük bir fırsat sunmanın yanı sıra, arıza zamanlarında ve pik yük dönemlerinde yedek bir güç kaynağı da sağlar. Bu sistemlerin geliştirilmesi, daha yeşil enerji kaynaklarına geçişi kolaylaştıracak ve böylece enerji üretiminin iklim değişikliği üzerindeki etkisini sınırlarken, tüketimdeki sürekli artışla birlikte enerji gereksinimlerini karşılamaya devam edecektir.
Pil enerji depolama sistemleri, günlük hayattaki farklı uygulamalar için en yaygın kullanılan ve yapılandırılması en kolay sistemlerdir. Yüksek esneklikleri, nispeten yüksek maliyetleriyle dengelenmekte ve bu da ilgili kullanım ömrünü mümkün olduğunca uzatmak için izleme stratejilerinin geliştirilmesine yol açmaktadır. Şu anda, endüstri ve akademi, farklı koşullar altında pil bozulmasını araştırmak ve anlamak için büyük çaba sarf etmektedir.
