Son 50 yılda küresel elektrik tüketiminde sürekli bir artış yaşanmakta olup, 2021 yılında tahmini kullanım miktarı yaklaşık 25.300 terawatt-saattir. Endüstri 4.0'a geçişle birlikte dünya genelinde enerji taleplerinde de artış görülmektedir. Bu sayılar, endüstriyel ve diğer ekonomik sektörlerin güç gereksinimleri hariç, her yıl artmaktadır. Bu endüstriyel değişim ve yüksek güç tüketimi, aşırı sera gazı emisyonlarından kaynaklanan daha somut iklim değişikliği etkileriyle birleşiyor. Şu anda çoğu enerji üretim tesisi ve tesisi, bu tür talepleri karşılamak için büyük ölçüde fosil yakıt kaynaklarına (petrol ve gaz) güveniyor. Bu iklim kaygıları, geleneksel yöntemler kullanılarak ilave enerji üretimini yasaklamaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir kaynaklardan sürekli ve güvenilir enerji tedarikinin sağlanması için verimli ve güvenilir enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi giderek daha önemli hale gelmiştir.

Enerji sektörü yenilenebilir enerjiye veya “yeşil” çözümlere yönelerek yanıt verdi. Geçişe, örneğin rüzgar türbini kanatlarının daha verimli üretilmesine yol açan gelişmiş üretim teknikleri yardımcı oldu. Ayrıca araştırmacılar, fotovoltaik hücrelerin verimliliğini artırarak kullanım alanı başına daha iyi enerji üretimi sağlamayı başardılar. 2021 yılında, güneş fotovoltaik (PV) kaynaklarından elektrik üretimi önemli ölçüde artarak 179 TWh rekor seviyeye ulaştı ve 2020'ye kıyasla %22'lik bir büyümeyi temsil ediyor. Solar PV teknolojisi şu anda küresel elektrik üretiminin %3,6'sını oluşturuyor ve şu anda üçüncü en büyük yenilenebilir teknolojidir. Hidroelektrik ve rüzgardan sonra enerji kaynağıdır.

Ancak bu atılımlar, başta kullanılabilirlik olmak üzere yenilenebilir enerji sistemlerinin doğasında var olan bazı dezavantajlarını çözmüyor. Bu yöntemlerin çoğu, kömür ve petrol santralleri gibi talep üzerine enerji üretmemektedir. Güneş enerjisi çıkışları örneğin gün boyunca güneş ışınımı açılarına ve PV panel konumuna bağlı olarak değişiklik göstererek mevcuttur. Kış mevsiminde ve çok bulutlu günlerde üretimi önemli ölçüde azalırken, geceleri enerji üretemez. Rüzgar gücü, rüzgar hızına bağlı olarak dalgalanmalardan da zarar görmektedir. Bu nedenle, düşük üretim dönemlerinde enerji arzının sürdürülebilmesi için bu çözümlerin enerji depolama sistemleriyle birleştirilmesi gerekmektedir.

Enerji depolama sistemleri nelerdir?

Enerji depolama sistemleri enerjiyi daha sonra kullanılmak üzere depolayabilir. Bazı durumlarda, depolanan enerji ile sağlanan enerji arasında bir tür enerji dönüşümü olacaktır. En yaygın örnek, lityum iyon piller veya kurşun asit piller gibi elektrikli pillerdir. 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 santraller gibi başka depolama sistemleri de mevcuttur. Aşağıya düşen su, elektrik enerjisi üreten türbinin volanını çevirecektir. Başka bir örnek sıkıştırılmış gazdır; gaz serbest bırakıldığında türbinin çarkını çevirerek güç üretir.

Pilleri diğer depolama yöntemlerinden ayıran özellik, potansiyel çalışma alanlarıdır. Küçük cihazlardan otomobil güç kaynağına, ev uygulamalarından büyük güneş enerjisi çiftliklerine kadar piller, herhangi bir şebekeden bağımsız depolama uygulamasına sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir. Hidroelektrik ve basınçlı hava yöntemleri ise depolama için çok büyük ve karmaşık altyapılar gerektirmektedir. Bu, haklı gösterilebilmesi için çok büyük uygulamalar gerektiren çok yüksek maliyetlere yol açmaktadır.

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 güvenilmesini kolaylaştırabilir. Bununla birlikte, bu tür sistemlerden büyük ölçüde yararlanabilecek başka uygulamalar da vardır.

Şehir elektrik şebekeleri, her şehrin arz ve talebine göre doğru miktarda elektrik sağlamayı amaçlamaktadır. Gereken güç gün boyunca değişiklik gösterebilir. Talebin yoğun olduğu durumlarda dalgalanmaları azaltmak ve daha fazla istikrar sağlamak için şebekeden bağımsız depolama sistemleri kullanıldı. Farklı bir bakış açısıyla, şebeke dışı depolama sistemleri, ana güç şebekesinde veya planlı bakım periyotları sırasında öngörülemeyen teknik arızaların telafi edilmesinde oldukça faydalı olabilir. Alternatif enerji kaynakları aramaya gerek kalmadan güç ihtiyacını karşılayabilirler. Örneğin, Şubat 2023'ün başlarında yaklaşık 262.000 kişinin elektriksiz kalmasına neden olan Teksas buz fırtınası ve zorlu hava koşulları nedeniyle onarımların ertelenmesi örnek olarak verilebilir.

Elektrikli araçlar başka bir uygulamadır. Araştırmacılar, pillerin ömrünü ve güç yoğunluğunu uzatmak amacıyla pil üretimini ve şarj/deşarj stratejilerini optimize etmek için çok çaba harcadılar. Lityum-iyon piller bu küçük devrimin ön saflarında yer aldı ve yeni elektrikli otomobillerin yanı sıra elektrikli otobüslerde de yaygın olarak kullanıldı. Bu durumda daha iyi piller daha uzun bir kilometre performansına yol açabilir, ancak aynı zamanda doğru teknolojilerle şarj süreleri de kısaltılabilir.

İHA'lar ve mobil robotlar gibi diğer teknolojik gelişmeler, pil gelişiminden büyük ölçüde faydalandı. Orada hareket stratejileri ve kontrol stratejileri büyük ölçüde pil kapasitesine ve sağlanan güce bağlıdır.

BESS nedir?

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

Diğer enerji depolama sistemleriyle karşılaştırıldığında, yerleştirme/bağlanma konusunda özellikle esnektirler ve çok pahalı bir altyapı gerektirmezler, ancak yine de önemli bir maliyete sahiptirler ve kullanıma bağlı olarak daha düzenli bakım gerektirirler.

BESS boyutlandırma ve kullanım alışkanlıkları

Pil enerji depolama sistemi kurarken ele alınması gereken önemli bir nokta boyutlandırmadır. Kaç tane pile ihtiyaç var? Hangi konfigürasyonda? Bazı durumlarda pil türü, maliyet tasarrufu ve verimlilik açısından uzun vadede çok önemli bir rol oynayabilir.

Uygulamalar küçük evlerden büyük endüstriyel tesislere kadar değişebildiğinden bu durum duruma göre yapılır.

Özellikle kentsel alanlardaki küçük evler için en yaygın yenilenebilir enerji kaynağı, fotovoltaik panellerin kullanıldığı güneş enerjisidir. Mühendis genel olarak hane halkının ortalama güç tüketimini dikkate alır ve belirli bir konum için yıl boyunca güneş ışınımını değerlendirir. Pillerin sayısı ve şebeke konfigürasyonu, pilleri tamamen tüketmeden, yılın en düşük güneş enerjisi tedariki sırasında hane halkının taleplerini karşılayacak şekilde seçilmiştir. Bu, ana şebekeden tam güç bağımsızlığına sahip bir çözüm varsayılmaktadır.

Nispeten makul bir şarj durumunu korumak veya pilleri tamamen boşaltmamak, ilk başta sezgisel olarak karşılanabilecek bir şeydir. Sonuçta, potansiyelinin tamamını ortaya çıkaramayacaksak neden bir depolama sistemi kullanalım ki? Teorik olarak mümkündür ancak yatırım getirisini maksimuma çıkaran strateji olmayabilir.

BESS'in ana dezavantajlarından biri pillerin nispeten yüksek maliyetidir. Bu nedenle, pil ömrünü en üst düzeye çıkaracak bir kullanım alışkanlığı veya şarj/deşarj stratejisi seçmek önemlidir. Örneğin kurşun asitli aküler geri dönüşü olmayan hasarlara uğramadan %50 kapasitenin altına deşarj edilemez. Lityum-iyon piller daha yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun çevrim ömrüne sahiptir. Ayrıca daha geniş aralıklar kullanılarak boşaltılabilirler ancak bu, artan bir maliyete neden olur. Farklı kimyalar arasında maliyet açısından büyük farklılıklar vardır; kurşun asit piller, aynı boyuttaki lityum iyon pillerden yüzlerce ila binlerce dolar daha ucuz olabilir. Bu nedenle kurşun asitli piller 3. dünya ülkelerinde ve yoksul topluluklarda güneş enerjisi uygulamalarında en çok kullanılmaktadır.

Pil performansı kullanım ömrü boyunca bozulmalardan büyük ölçüde etkilenir, ani arızalarla sonuçlanan istikrarlı bir performansa sahip değildir. Bunun yerine kapasite ve sağlananlar giderek azalabilir. Uygulamada, kapasitesi orijinal kapasitesinin %80'ine ulaştığında pilin ömrünün tükendiği kabul edilir. Başka bir deyişle, %20'lik bir kapasite kaybı yaşandığında. Uygulamada bu, daha az miktarda enerjinin sağlanabileceği anlamına gelir. Bu, tamamen bağımsız sistemlerin kullanım sürelerini ve bir EV'nin kat edebileceği kilometre miktarını etkileyebilir.

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

Bu nedenle şirketler, akü kullanımını kontrol etmek için daha iyi akü izleme yazılımı (BMS) geliştirdiler, aynı zamanda zamanında bakım sağlamak ve ağır sonuçlardan kaçınmak için sağlık durumunu da izlediler.

Çözüm

Şebeke enerji depolama sistemleri, ana şebekeden güç bağımsızlığı elde etmek için harika bir fırsat sağlar, aynı zamanda kesintiler ve pik yük dönemleri sırasında yedek bir güç kaynağı da sağlar. Bu gelişme, daha yeşil enerji kaynaklarına geçişi kolaylaştıracak, böylece enerji üretiminin iklim değişikliği üzerindeki etkisini sınırlandırırken, aynı zamanda tüketimde sürekli bir artışla enerji gereksinimlerini karşılamaya devam edecektir.

Pil enerji depolama sistemleri, farklı günlük uygulamalar için en yaygın kullanılan ve yapılandırılması en kolay olanlardır. Yüksek esneklikleri nispeten yüksek maliyetlerle dengeleniyor ve bu da ilgili kullanım ömrünü mümkün olduğu kadar uzatmak için izleme stratejilerinin geliştirilmesine yol açıyor. Şu anda endüstri ve akademi, farklı koşullar altında pil bozulmasını araştırmak ve anlamak için büyük çaba harcıyor.