Sürekli Gelişmekte olan Pil Teknolojileri
%100 yenilenebilir enerjiye giden yol hakkında yapılan tüm konuşmalar kaçınılmaz olarak üretilen enerjinin nasıl depolanacağı üzerine bir tartışmaya yol açıyor. Çünkü şebeke enerjisinin depolanması söz konusu olduğunda, henüz mevcut pil teknolojileri çok yetersiz.
Tamamen güneş ve rüzgar kaynaklarından güç alarak beslenen bir şebeke, mevcut enerji depolama teknolojileri ile süreklilik açısından ayakta tutulamaz zira güneş ve rüzgar kaynaklarından sürekli olarak enerji üretilemez ve talebi karşılamak için ayarlanamaz.
Yani, güneş enerjisi sadece bulutsuz günlerde, rüzgar enerjisi ise sadece rüzgarlı havalarda daha etkin ve istenilen düzeydedir. Üretilen enerjiye yoğun talebin olduğu saatlerde ise tüketicilere daha fazla elektrik enerjisi sağlamak için bu kaynaklardan takviye yapılamamaktadır süreklilik açısından.
Öyleyse, enerji şirketleri yenilenebilir kaynaklardan nasıl tutarlı bir elektrik akışı sağlayabilir?
Lityum İyon Piller, Yaygın Olmakla birlikte, Yeterli Kapasite Sağlayamaz Durumda
Lityum-iyon piller, kullanımı en yaygın olan pil tipidir, ancak kapasiteleri ve boyutları artıkça daha az kullanışlı hale gelmektedirler.
Tüketici elektroniği açısından, lityum iyon piller hızlı bir şekilde şarj edilebildikleri için yeterince iyi çalışırlar ve yüksek enerji yoğunluğu sunarlar, yani boyutlarına ve ağırlıklarına kıyasla çok daha fazla güç sağlarlar.
Elektrikli araçlara güç sağlamak açısından orta ölçekli uygulamalar için bile iyi iş çıkarırlar.
Ticari enerji çiftliklerden yeterli güneş ve rüzgar enerjisi depolamanın büyük pillerle dolu depolama sistemleri gerektirmesi ortaya iki sorun çıkarmaktadır:
1| Çevrim Kararlılığı, Uzun Vadeli Yatırımların Fizibilitesini Azaltır
Çevrim kararlılığı (PDF); “… kapasitesi nominal kapasitesinin belirli bir miktarına (tipik olarak yüzde 50 ila yüzde 80 arasına) düşene kadar şarj etme veya deşarj etme çevrimlerinin sayısı” ile tanımlanır.
Lityum iyon piller için ortalama 1.000 çevrim şarj-deşarj edilebilme sayısı, uzun vadeli yatırımların fizibilitesini olumsuz etkiliyor. Böyle kısa bir yaşam döngüsü, elektrotların fiziksel yapısındaki küçük değişikliklerden kaynaklanıyor. Lityum iyonlar, deşarj sırasında anoddan katoda aktarıldıkça, nikel oksit anot eşit olmayan bir şekilde aşınır ve şarj sırasında lityum iyonları katotun etrafında kristalleştirir. Zamanla, bu yapısal bozulma özellikle yüksek voltajlarda pilin performansını önemli ölçüde azaltır
.2| Termal Kaçak Sorunu
Nature’daki bir makaleye göre, “Isı üretim hızı, çevreye ısı yayılma oranını aştığında, pil hücresinin sıcaklığı yükselmeye başlar; bundan sonra, bir dizi zararlı olay termal kaçak olarak bilinen bir süreçte ortaya çıkar.”
Yazarlar, Lityum iyon pillerde, sürecin 90 ila 120 santigrat derece arasında başlayabildiğini ve ekzotermik reaksiyonların pozitif bir geri besleme döngüsüne yol açtığını iddia ediyor.
Tüketici elektroniğinde kullanılan küçük piller, bazı olaylar meydana gelmesine karşılık bunu önlemek için bir dizi güvenlik özelliğine sahiptir.
Daha büyük piller ve daha yüksek sıcaklıklar, büyük ölçekli güneş ve rüzgar enerjisi depolama sistemlerinde sorunlarının oluşmasını büyük ölçüde artırır. Bu sorunlara rağmen, büyük ölçekli şebeke depolaması için lityum iyon piller uygulanmaktadır. En büyük sistem Şubat 2017'de San Diego’da devreye alındı ve dört saat boyunca 20.000 kişi kapasitede güç sağlayabildi.
Tesla’nın lityum Powerwall ürünü, konutlara monte edilmek üzere tasarlanmıştır, ancak şarj etme maliyeti açısından ortalama gelire sahip bir ev sahibi için uygun olmayabilir ve güneş panelleri de gerektirir.
Yeni Tip Piller Umut Verici Alternatifler Olarak Ortaya Çıkıyor
Lityum iyon piller geliştirilmeye devam ediyor, fakat % 100 yenilenebilir enerji kaynaklarına geçeceksek eğer, daha da iyi bir seçeneğe ihtiyacımız olacak muhtemel.
Aşağıda lityum iyon pillere karşın en umut verici alternatiflerden bazılarını sunuyoruz:
Redoks Akışlı Piller
Grafenle Güçlendirilmiş Piller
Ekran Baskılı Piller
Selüloz ile Zenginleştirilmiş Piller
Redoks Akışlı Piller (RBFs)
Redoks akışlı pillerin (RFB’ler) geliştirilmesi 80'li yıllara dayanır ve bunların enerji talebini dengelemedeki yararlılıkları doğrulanmıştır. RFB’ler, lityum iyon pillere göre çok daha uzun bir şarj / deşarj döngüsü sunarlar ve yanmaz bir elektrolit kullanırlar ve bu da bir çok kişinin bunların lityum iyon pillerin yaşadığı sorunlara çözüm olabileceğine inanmasına neden olur.
ABD Enerji Bakanlığı, RFB’lerin “mükemmel elektrokimyasal tersinirlik özelliği nedeniyle uzun bir çevrim ömrü (> 5.000 devir)” sunduğu için önermekte ve “yangın tehlikesi yaratmaması ve yüksek derecede reaktif veya toksik madde içermemesi, güvenlik ve çevre sorunlarını en aza indirmektedir”.
RFB’ler, yüklü vanadyum atomlarını tutan iki ayrı tanktan oluşur ve bunlar, birden fazla durumda var olma (tek başlarına olmaları bir anlam ifade etmez) özellikleri nedeniyle kullanılırlar. Bunlar elektrotların uzağa pompalanması ile yük oluştururlar. Diğer avantajlar arasında oda sıcaklığında çalışmaları, yüksek verimlilik ve ölçeklenebilirlikleri sayılabilir.
Dezavantajı maliyetli olmalarıdır, çünkü vanadyumun büyük miktarlarda elde edilmesi öyle çok da kolay değildir ve çözeltilerin bunları içerebilmesi için özel polimerlere ihtiyacı vardır, ancak bunları daha uygun maliyetli hale getirmek için yeni yöntemler geliştirilmektedir.
Grafenle Güçlendirilmiş Piller
Grafenle güçlendirilmiş piller, umut vaat eden diğer bir alternatiftir. İlk olarak 2004 yılında izole edilen grafen, bir karbon atomunun kalınlığına sahipti ve bu da onu dünyanın en ince malzemesi haline getirdi. Aynı zamanda kimyasal olarak inerttir, son derece iyi bir iletken, esnek, hafif ve çelikten 200 kat daha güçlüdür.
Grafenin ilk izole edildiği Manchester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, “pilleri hafif, dayanıklı ve yenilenebilir nesilden yüksek kapasiteli enerji depolama için uygun hale getirebileceğini” düşünüyorlardı.
Daha önce keşfedilen bazı kullanımlar arasında, iletkenliği artırmak için şarj edilebilir pillerdeki anodun geliştirilmesi ve katotun arttırılması için şarj ve deşarjın yanı sıra kullanım ömrüne yardımcı olabilecek bir vanadyum oksit ve grafen hibritinin kullanılması da yer alır.
Bununla birlikte, en heyecan verici uygulamalar grafenle güçlendirilmiş süper kapasitörlerdir. Bir süperkapasitör, enerjiye kimyasal bir formdan ziyade bir elektrik alanında depolanması özelliği haricinde bir pile benzer.
Süperkapasitörleri iyileştirmek için grafen kullanmak, depolama kapasitesini artırabilir ve boyutlarını azaltabilir. Swinburne Mikro-Fotonik Merkezi araştırmacısı Dr. Han Lin, “Bu süreçte hiçbir iyon üretilmez veya öldürülmez. Şarj ve deşarj ile korunurlar ve sadece hareket ettirilirler.” dedi.
Graphene-info.com, “Grafin ile geliştirilmiş performans sayesinde süper kapasitörler ve piller arasındaki geleneksel ayrım çizgisini bulanıklaştırır.”
3D yazıcılardaki gelişmeler, araştırmacıların süper kapasitörler için grafen elektrotları ve “daha iyi enerji depolama, sensörler, nanoelektronik, kataliz ve ayırma işlemleri için” grafen aerojellerini yazdırabilmelerini sağladı.
Ekran Baskılı Piller
Daha ilginç gelecek vaat eden pil çözümlerinden biri de, toksik olmayan, sürdürülebilir ve uygun fiyatlı serigrafi ekran baskılı pillerdir.
Avustralyalı bir şirket olan Printing Energy, “katı hal pillerini neredeyse her şekle uyarlanabilen ince, esnek bir formatta basabiliyor.” Bunlar tıpkı gazeteler gibi bir rulo halinde basılır ve tipik olarak da 35 mm’lik bir film makarası gibi görünürler.
Potansiyel uygulamaları, “tek kullanımlık sağlık cihazlarına, sensörlere, nesnelerin interneti cihazlarına, akıllı kartlara, giyilebilir elektronik cihazlara ve kişisel aydınlatmaya güç vermek, ve enerji depolamayı yönetmeye yardımcı olmak için esnek güneş panelleri ile birlikte daha büyük ölçekli uygulamalara kadar uzanır.”
Büyük ölçekli güneş ve rüzgar depolaması için, pilleri güneş panellerine veya rüzgar türbinlerine monte etmek, böylece hem jeneratör hem de pil olmalarını sağlamaktır.
Selüloz ile Zenginleştirilmiş Piller
Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, enerji depolama sorunumuzu çözmek için doğayı incelediler. Bitkilerin yapıldığı selülozu bataryalara entegre etmeye karar verdiler. Bu bitki maddesini, elektrotlar arasında c-mat adı verilen bir nano layer oluşturmak için kullandılar. C-mat; kısa devreleri önler, akım sızıntısını azaltır ve yüksek sıcaklıklarda kapasite tutma oranını artırır.
Başlıca araştırmacılardan biri, “c-mat ayırıcısının yüksek sıcaklık kararlılığına sahip yeni nesil yüksek performanslı piller için kullanılması bekleniyor; örneğin elektrikli araçlar için büyük boyutlu piller ve şebeke ölçekli elektrik depolama sistemlerinde kullanılması öngörülüyor.” dedi.
Pillerdeki selülozun diğer birçok kullanımı araştırılmaya devam ediliyor.
Faz Değişim Malzemeleri Prensibi
Diğer Önemli Depolama Türleri
Termal Enerji Depolama (TED)
Pil depolama alanının ötesine bakıldığında, bir termal enerji depolama (TED) sistemi, ortamları ısıtarak veya soğutarak aşırı güneş enerjisini depolar, böylece enerji daha sonra kullanılabilir.
Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı, “TED, güneş ışığının olmadığı zamanlarda güneş ısısının elektrik üretimi için depolanabileceği konsantre güneş enerjisi santralleri ile birlikte elektrik depolaması için özellikle önemli hale geliyor.”
Üç tür TED sistemi vardır:
En yaygın olan hassas ısı depolama sistemi; kum, erimiş tuz, kaya veya su gibi maddeleri ısıtarak veya soğutarak termal enerjiyi depolar.
Termo-kimyasal depolama sistemi, “enerjiyi potansiyel olarak kimyasal depolayan geri dönüşümlü bir endotermik kimyasal reaksiyonu sürmek için” termal enerjiyi kullanır.
Gizli ısı depolama sistemi, katıdan sıvıya veya sıvıdan gaza geçtiklerinde muazzam miktarda enerji emen faz değişim malzemelerini kullanması dışında benzerdir. Faz değişimi sırasında, enerji depolama sıcaklık artmadan artabilir ve bu yöntemi oldukça verimli hale getirir. Aşağıdaki grafiğe bakabilirsiniz.
Pompaj Enerji Depolama (PED)
Bu yöntem, suyu yokuş yukarı pompalayarak; tanklarda veya rezervuarlarda depolamak için kullanılırlar. Gerektiğinde türbinleri çevirmek için de usu serbest bırakılır.
Ulusal Hidroenerji Birliği, “Şebekeden geçen elektrik miktarındaki değişikliklere neredeyse anında cevap verebilme yeteneğiyle pompalamalı depolama, ülkenin elektrik şebekesinin önemli bir bileşenidir.”
Bu yöntem, diğer yöntemlere kıyasla çok verimli olmamasına karşılık, dünya çapında birçok uygulama alanı buldu.
Kaliforniya Üniversitesi, San Diego’da fizik profesörü olan Tom Murphy, bu yöntemin matematiğini şu şekilde ortaya koydu: “Örneğin, tek bir AA pilde depolanan enerji miktarını elde etmek için, 100 kg (220 lb) suyu 10m (33 ft) yukarı kaldırmamız gerekir. Bir galon benzinde bulunan enerjiyle eşleşmek için, bir kilometre yüksekliğine (3,280 fit) 13 ton su (3500 galon) kaldırmamız gerekir.”
Bununla birlikte Murphy, “yerçekimine karşı potansiyel enerji depolamasının enerji yoğunluğunun ciddi dezavantajlı olmasına karşılık… bunun için hacim olarak telafi ediyoruz. Örneğin, barajların arkasındaki su gölleri önemli miktarda depolamayı temsil ediyor. ”
Yine de, şu anda olduğu gibi tüketici talebini karşılamak için yeterli su deposu oluşturmak, sadece bu yönteme güvenecek olsaydık, imkansız olmasa bile zor olurdu haliyle.
%100 Yenilenebilir Enerjiye Giden Yolun Haritaları
Joule dergisinde yakın zamanda yayınlanan bir makale, ABD de dahil olmak üzere 139 ülkenin 2050 yılına kadar enerjilerinin % 100'ünü rüzgar, su ve güneş enerjisinden üretmek için kat etmeleri gereken yolun haritalarını ortaya koydu.
Yazarlar, çizdikleri haritaların hava kirliliğinden üç ila beş milyon ölümden kaçınmak, küresel ısınma maliyetini yılda yaklaşık 28 trilyon dolar düşürmek ve dört milyar insanın yeterli bir elektrik kaynağını ile ihtiyaçlarını karşılamak gibi çeşitli önemli faydalarının olduğunu iddia ediyor.
139 yol haritasının tamamını oluşturmak için kullanılan metodolojiler, fosil yakıtların verimsizliği ve işletmelerin her zamanki gibi enerjisini madencilik, taşıma ve/veya rafine etmek için kullanılan önemli miktarda enerji nedeniyle talepte bir azalma olduğunu varsaydı. (ör. kömür, petrol, gaz, biyoyakıtlar, biyoenerji ve uranyum vs.)
Ancak, her zamanki gibi işin ötesinde politikaya dayalı ek tedbirlerin varsayımlarını da içeriyor bu yol haritaları.
Yenilenebilir enerji girişimleri tüm dünyada ilerlemeye devam ediyor. Bununla birlikte, binlerce insan tarafından kuşları öldüren açık deniz rüzgar türbinlerine ilişkin endişeler gibi riskler de hala söz konusu. Dünya genelinde 139 ülke için uygulanacak yol haritalarında yer alan sosyal ve politik meseleler göz önünde bulundurularak yenilenebilir bir enerji zaman çizelgesi söz konusu olmaya devam etmektedir.
2050 yılına kadar rüzgar, su ve güneş enerjisinden % 100 enerji hedefine ulaşmak nesiller boyu gezegenimize fayda sağlayabilir. Gerekli teknolojiler ve altyapı üzerinde çok çalışan çok sayıda parlak mucit, bilim adamı ve girişimciye sahip olduğumuz için de çok şanslıyız.
Geçişimizin arkasındaki güç, bir gün tamamen yenilenebilir enerjiyle çalışan temiz, uygulanabilir bir gezegende yaşayabileceğimize olan inancımızın gücüdür.
