Konu: Rüzgar Enerjisi Depolanabilir mi
14.12.12, 01:28 #1
Rüzgar Enerjisinin Depolanması
Dr. Gül KURT / Kocaeli Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Yenilenebilir enerji kaynaklarından en önemlisi olan rüzgâr enerjisinin değişkenliği güvenirliliğini azaltmakta ve şebekeye uyumunu güçleştirmektedir. Bu çalışmada, gelecekte artan kurulu güçleri ile enerji üretim sistemlerinin önemli bir bileşeni olacak olan rüzgâr enerjisinin, şebeke ile uyumunu sağlamak, ortaya çıkabilecek güç kalite problemlerini düzeltmek, üretilen rüzgâr gücü ile talep gücü arasındaki dengesizliği yumuşatmak amacıyla kullanılan farklı özelliklerdeki enerji depolama sistemleri incelenmiştir.
Fosil yakıtlara bağımlılığı ve elektrik üretim sektöründe sera gazı emisyonlarını azaltmak için rüzgâr enerjisi, temiz ve yenilenebilir enerji alternatifleri arasında en üst sırada yer alanıdır. Rüzgâr enerjisinin en büyük problemi talepten bağımsız olarak dalgalanmasıdır, dolayısı ile güvenilir değildir. Güç çıkışının düzensiz dalgalanması rüzgâr enerjisinde olduğu gibi aralıklı karakteristik gösteren enerji kaynaklarının önemli bir karakteristiğidir. Bu nedenle rüzgar güç sistemleri yerel şebeke için güç kalitesi, enerji planlama ve güç akış kontrolü bakımından zorluklar taşır.
Tablo 1: Enerji depolama tipleri ve geliştirilen enerji depolama teknolojileri.
Havanın hareketi ve pek çok meteorolojik hareket rüzgâr hızını değiştirir. Rüzgâr hızı iki farklı rejim ile sınıflandırılabilir. Atmosferik türbülanslarla oluşan ve saniyeler ile birkaç dakika arasında sürebilen mikro-meteorolojik dalgalanmalar ve gece-gündüz periyotları, büyük hava hareketleri, alçak basınç ve yüksek basınç geçişleri ile oluşan, on ile yüzlerce saat sürebilen makro-meteorolojik olaylar. Rüzgâr santrallerindeki güç çıkışı rüzgâr hızının değişimi nedeniyle dalgalıdır. Rüzgâr hızındaki kısa periyotlu değişimler; rüzgâr gücü, enerji sistemi ile entegre olduğunda ya da ada şeklinde işletildiğinde gerilim dalgalanması, frekans bozulması gibi güç kalite problemlerine yol açacaktır. Rüzgâr gücündeki uzun periyotlu değişkenlik ise; üretilen güç ile güç talebi arasında dengesizliğe yol açacak, üretilen güçteki tutarlılığı etkiyerek güç akışı ve enerji yönetiminde problemlere neden olacaktır. , . Rüzgâr santrali zayıf şebeke içerisinde konumlandırıldığında ya da rüzgâr gücünün toplam güç içerisindeki payı arttığında güç sisteminin kararlılığının belirgin bir şekilde bozulmasına neden olacaktır.
Enerji depolama; rüzgâr gücü üretimi ile ana şebeke arasında bir çeşit tampon gibi hareket edecektir. Enerji depolama sistemleri; rüzgâr santralinin sürekli, sabit ve kararlı çıkış gücü vermesini ve çıkışında olası dalgalanmaların yumuşatılmasını sağlayacaktır. Ayrıca, rüzgâr gücünün talep gücünden fazla olduğu dönemlerde üretilen enerjiyi talep seviyesi arttığı zaman kullanılmak üzere depolayacaktır. , 
Şekil 1: Tipik enerji depolama sistemlerinin güç çıkışı ve depolanan enerji miktarları. 
2. Rüzgâr enerjisinin depolanması
Enerji depolama sistemlerinin amacı; üretilen fakat kullanılamayan enerjiyi gerekli olduğunda kullanabilmek üzere biriktirmek ve depo etmektir. Enerji depolama sistemleri, talep tarafında gücün nerede, ne zaman ve ne kadar istendiği konusunda rahatlık getirir. 
Enerji depolama teknolojileri, tablo 1’de gösterildiği gibi mekanik, elektrokimyasal ve elektriğe dayalı teknolojilerdir. Enerjinin farklı formları ve dönüşümleri, enerji depolama karakteristiklerinin de farklı sonuçlar doğurmasını ve dolayısı ile farklı uygulama alanları bulmalarını sağlar. 
Depolama sistemleri güç ve enerji uygulamaları için uygun olan iki farklı grupta sınıflandırılabilir. Şekil 1’de de görüldüğü üzere; güç uygulamaları, kısa periyotlarda (saniye ve dakikalar mertebesinde) büyük güç, enerji uygulamaları ise, uzun periyotlarda (saatler ve günler) büyük miktarlarda enerji sağlarlar. Kullanılan teknoloji tercih edilirken depolama ünitesinden istenilenin güç uygulaması mı, yoksa enerji uygulaması için mi olduğu ve teknolojilerin karakteristikleri önemlidir. Her depolama teknolojisi her iki uygulamada kullanılamaz. Volan, ultra-kapasitör, süperiletken magnetik enerji depolama ve bataryalar çok büyük miktarlarda gücü kısa zamanda sağlayabilirler. Bu teknolojiler, uzun zaman periyodu boyunca deşarj istemeyen güç kalite uygulamalarında kullanım için tercih edilirler. Diğer taraftan sıkıştırılmış hava ile enerji depolama, pompalı hidroelektrik santraller ve flow bataryalar büyük miktarda enerjiyi uzun zaman için depolamakta uygun teknolojilerdir ve yük dengeleme gibi enerji uygulamaları için uygundurlar.  (Şekil 2) Depolama ünitesinin hızlı devreye giriş özelliği, rüzgâr santralinin güç çıkışındaki dalgalanmayı yumuşatmada ve üretilen güç ile bölgesel güç talebi arasındaki dengesizlik nedeniyle ortaya çıkabilecek bölgesel gerilim bozulmaları, arz-talep arasındaki dengesizlik nedeniyle oluşacak frekans bozulmaları gibi güç kalite problemlerini iyileştirmede önemlidir. Depolama ünitesinin uzun zaman devrede kalabilme özelliği ise, rüzgâr enerjisinin fazla olduğu zamanlarda depolanıp, pik talebin karşılanması gerektiği dönemlerde şebekeye sunulabilmesi için (enerji uygulaması) önemlidir. ,. Şekil 3’de enerji depolama teknolojilerinin kullanım amaçlarına göre sınıflandırılması yapılmıştır.
Şekil 2: Tipik enerji depolama sistemlerinin güç ve deşarj periyotları. 
Yapılan çalışmalar göstermiştir ki, küçük enerji kapasiteli depolama üniteleri rüzgâr gücündeki kısa süreli dalgalanmaları azaltacaktır. Rüzgâr gücünün her MW ‘ı için 3 kWh depolama kapasitesi, güçteki kısa süreli bozulmanın (4-7 saat) yüzde 10 azalmasını sağlayacaktır, bazı rüzgar koşullarında ise 1 kWh aynı etkiyi verecektir. Her MW için 5 kWh’lik kapasite ise yüzde 12-50 arasında azalmalara sebep olacaktır. Her MW için 25 kWh modern volan enerji depolama ünitesinin limitleri içerisindedir ve rüzgâr gücünün bozulmasını yüzde 50 azaltabilecektir. Bir rüzgâr türbininin güç çıkışındaki dönemsel dalgalanmanın önemli ölçüde yumuşatılabilmesi için büyük depolama kapasitelerine ihtiyaç duyulur. Yıllık yüzde 10 kadar bozulmanın azaltılabilmesi her MW rüzgar gücü için 2-3 MWh’lik enerji depolama kapasitesine ihtiyaç duyulur. Yüzde 30 azalma isteniyorsa, her MW için 10-15 MWh depolama kapasitesi talebe cevap verebilecektir. 
3. Rüzgâr enerjisinin depolanmasında kullanılan başlıca enerji depolama teknolojileri
Rüzgâr enerjisini depolamada kullanılan altı farklı sistem ele alınacaktır. Bu teknolojiler; pompalı depolamalı hidrolik santraller, sıkıştırılmış hava ile enerji depolama, bataryalar, flow bataryalar, ultra-kapasitörler, volan enerji depolama, süperiletken manyetik enerji depolamadır.
Şekil 3: Tipik enerji depolama sistemlerinin uygulama alanları 
3.1. Pompalı Depolamalı Hidrolik Santraller (PHES)
Bu teknoloji mevcut durumda yüksek güçlü uygulamalar için en çok kullanılan yöntemdir (10 GWh ya da 100 MW).
Şekil 4’ten de anlaşılacağı üzere, elektrik talebinin düşük olduğu zamanlarda, pompa-alternatör sistemi rüzgâr tribünlerinde üretilen elektriği kullanarak düşük seviyedeki suyu yüksek seviyedeki bir rezervuara gönderir. Elektrik talebi düşük olduğu zaman sistem pompa olarak çalışır. Talebin arttığı pik zamanlarda ise yüksek rezervuarda depolanan su, düşük seviyedeki rezervuara gönderilir ve türbinler çalıştırılır. Bu durumda sistem alternatör olarak çalışır ve elektrik üretir. Bu yöntemde elektrik enerjisi potansiyel enerji olarak depolanmaktadır. Sistemde depolama kapasitesi iki şeye bağlıdır; suyun düşme yüksekliği ve suyun hacmi. Bu sistemin yaşam süresi yaklaşık 50 senedir ve verimliliği sistemde kullanılan parçaların performansına bağlı olarak değişmekle birlikte yüzde 75 civarındadır. Ancak büyük hacimli rezervuarları inşa etmek için yeterli alanın bulunmaması ve doğal yaşama etkileri bu sistemin olumsuz yönleri olarak düşünülebilir.
3.2. Sıkıştırılmış Hava ile Enerji Depolama (CAES)
Standart bir gaz tribünlü güç ünitesi mevcut gücün yaklaşık olarak üçte ikisini tutuşturma havasını sıkıştırmak için kullanır. Bu süreci zamanlara ayırdığımızda; talebin arttığı pik saatler dışında kalanlar zamanlarda (depolama saatleri) elektrik gücü havayı sıkıştırmak için kullanılır. Talebin arttığı pik zamanlarda ise, aynı yakıt tüketimi için mevcut gücün tamamı elektrik enerjisi üretimi için kullanılır, güç üç katına çıkar. Bu da yanma çemberindeki havanın tribünleri beslemeden evvel genleştirilmesi suretiyle yapılır. Egzozdan geriye kalan artık ısı, havayı ısıtmak için kullanılır. Bahsedilen sistem aşağıdaki şekilde açıklanmıştır(Şekil 5).
Şekil 4: a)Pompanın rüzgar türbinleri ile beslendiği PHES şematik gösterimi. b)PHES kesit gösterimi.
Sıkıştırılmış hava enerji depolama işlemi 40-70 bar gibi yüksek basınçlarda ve ortam sıcaklığında yapılır. Bu da düşük hacim ve küçük depolama rezervuarı anlamına gelmektedir. Eski tuz madenleri, yer altı doğal gaz depolama mağaraları ve yerdeki yüksek kaliteli kaya yapıları sıkıştırılmış havayı depolamada kullanılacak en iyi seçeneklerdir. Bu şekilde Jeostatik basınçtan faydalanarak hava kütlesinin muhafazası kolaylaştırılmış olur.
Bu tip bir sistem için enerji yoğunluğu 12 kWh/m3 ve tahmin edilen verimlilikte yüzde 70 civarındadır. Verimliliği artırmak ve işletim maliyetlerini düşürmek için hava kaçakları minimum seviyede tutulmalıdır.
Bataryalar elektrik enerjisini elektrokimyasal enerjiye dönüştürerek depolayabilen ve istendiği anda da depoladığı enerjiyi elektrik enerjisi olarak verebilen depolama teknolojileridir. Bütün bataryalar elektrokimyasal hücrelerdir. İki elektrot (anot ve katot) ve elektrolit materyal içerir. Akım, elektrotlar ve elektrolit arasında kimyasal reaksiyon içeren oksidasyon ve redüksiyon işlemi ile başlar. Deşarj esnasında; anottan (birinci elektrot), iyonlar çözücünün içerisine serbest bırakılır ve katot üzerinde okside olur. Elektriksel şarjı sisteme doğru ters çevirerek bataryayı yeniden şarj eder. Hücre yeniden şarj olduğunda kimyasal reaksiyon ters çevrilir, batarya orijinal koşullara yeniden döner. 
Şekil 5: Tipik CAES teknolojisinin uygulaması 
Lityum-ion (Li-ion) bataryalar en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Sodyum sülfür (NaS), zebra batarya (Na-NiCl2), nikel kadmiyum (NiCd), nikel metal hydride (NiMeH) ve lead asit (Pb-acid) yüksek güç uygulamalarında ileri teknolojiyi temsil eder , , .
3.4. Flow Bataryalar
Flow bataryalar elektrik enerjisini kimyasal potansiyele çevirir. İki elektrolitli sistemlerdir. Enerji depolama amaçlı kullanılan kimyasal bileşenler, elektrolitli solüsyon içerisinde sıvı durumdadır (Şekil 8). İki farklı elekrolit bir iyon geçirgen zar ile bölünmüştür. Aktif olan hücrenin elektrotlarına bir gerilim uygulanması ile elektrolitler arasında elektrokimyasal iyon değiştirme reaksiyonu bir yönde başlar. Sürekli bir elektrolit akışı sağlanır. Her elektrolit ayrı olarak depolama tanklarında uzun bir zaman periyodu boyunca depolanabilir. 
Flow bataryalarda depolanan enerji, rüzgâr santralinden sabit güç çıkışı sağlamak ve elektrik talebinin pik olduğu esnada rüzgar santralinin gücünü arttırmak için kullanılabilir. Böylece, rüzgâr gücünün kullanışlılığı arttırılır. Önde gelen dört flow batarya dizaynı şunlardır: polysulphide bromide (PSB), vanadium redox (VRB), zinc bromide (ZnBr) ve cerium zinc (CeZn). Vanadium redox bataryalar rüzgâr gücü uygulamalarında en çok kullanılan flow bataryalardır. Vanadium redox bataryada kimyasal enerji, sülfürik asit elektrolit içerisindeki vanadiumun farklı iyonik formlarında depolanır. Elektrik potansiyelindeki farklılık elektrotlar arasında akıma neden olur. Flow bataryaların self-deşarjı, elektrolitlerin şarjlı durumda yalıtılmış şekilde depolanmalarıyla azaltılır. Verimliliği yüzde 75 civarındadır. Elektrolit tankların hacmi arttıkça depolama kapasitesi, reaktörlerin sayısı arttıkça maksimum güç artar. Büyük hacimli ve yüksek fiyatlıdır., .
Şekil 6: Tipik bataryanın şematik gösterimi 
Ultra-kapasitörler; enerjiyi elektrostatik olarak depolayan çift katmanlı kapasitörler olarak bilinir, süper kapasitörler olarak da isimlendirilirler. İki tepkimesiz gözenekli levha ya da kollektör elektrolit içerisinde asılıdır. Kollektör boyunca bir potansiyel uygulanır. Pozitif elektroda uygulanan potansiyel elektrolit içerisindeki iyonları kendine çekerken, negatif elektrot pozitif iyonları kendisine çeker. İki elektrot arasındaki separatör iki elektrot arasındaki hareketten oluşacak şarjı önler. Standart kapasitörlere göre daha fazla enerji depolama yeteneklerinin fazla olmasının nedeni, delikli karbon elektrotlar tarafından oluşturulan yüzeyin geniş olması ve dielektrik separatörler tarafından küçük şarj bölmelerinin oluşturulmasıdır. Ultra-kapasitörler, bataryalara göre yüksek güç yoğunluğuna sahiptirler ve enerjiyi daha hızlı serbest bırakabilirler. Verimleri yüzde 95’tir ve depolama kapasitesinde kayda değer bir kayıp olmadan işlemini yüz binlerce kez tekrarlayabilirler. Ancak self-deşarj her gün için yüzde 5-10’dur. Bu da depolanan enerjinin kısa sürede kullanılması gerektiği anlamına gelmektedir. Bu yüzden uzun süreli depolama için uygun değildir. Ayrıca halen çok büyük enerji depolamada yetersizdirler.
Eleman başına düşen çalışma gerilimi birkaç volt (2,5-3V) olduğu için, normal kondansatörlerde olanın tersine, güç sistemlerinde normal gerilim seviyesini yakalayabilmek için seri bağlantı yapılır , .
3.6. Volan enerji depolama
Volan teknolojisinde, sürtünme kayıplarını elimine etmek için bir vakumun içerisinde manyetik miller ile desteklenmiş dönen silindirler enerjiyi kinetik formda depolarlar. Volanlar (flywheel); dönme kinetik enerjisini motor/jeneratör şeklindeki bir tasarımla elektrik enerjisine çeviren veya tersi düşünüldüğünde elektrik enerjisini kinetik enerjiye dönüştüren yüksek devirli ( örneğin birkaç 10,000 veya 100,000 devir) düzenekler olup boyutlarına bağlı olarak kısa sürede yüksek yoğunluklu enerji depolayabilme kapasitesine sahiptirler.
Şekil 9: Tipik ultra-kapasitörün şematik gösterimi 
Elektrik güç sisteminde enerji depolayabilmek için yüksek kapasiteli volanlara ihtiyaç vardır. 200 tonluk bir volanın sürtünme kaybı 200kw olarak hesaplanmaktadır. Bu hipotezi ve anlık verimin yüzde 85 olduğunu düşünüldüğünde toplam verimin 5 saat sonra yüzde 78’e ve 1 gün sonra ise yüzde 45’e düştüğü görülür. Bu bilgiler ışığında, sistemin uzun süreli depolama için pek uygun olmadığı görülür. Volanlar yüksek uzun yaşam süreli, yüksek enerji yoğunluklu, yüksek güç çıkışlı, kısa erişim süreli, yüksek verimli ve çevre etkisi az olan bir ürün olarak düşünülebilir.  ,
Yandaki şekilde bir volan akümülatör sistemi görülmektedir.
3.7. Süperiletken manyetik enerji depolama sistemleri
Süperiletken manyetik enerji depolama sistemlerinde (SMES) elektrik enerjisi süperiletken bobinin manyetik alanının içerisinde depolanır. DC akımın direnci sıfıra yakın genellikle niobiyumtitan (NbTi) gibi süper iletken kablodan yapılmış bir sargının içine çok düşük bir sıcaklıkta (-270 K) indüklenmesi ile enerji depolama sağlanır.
Şekil 7: Farklı bataryalara ait güç ve enerji yoğunlukları 
Akım, şarj olurken artarken deşarj olurken azalır ve AC veya DC uygulamalar için dönüştürülmeye ihtiyaç duyar. Şekil 11’de görüldüğü üzere üç temel kısımdan oluşur: bobinin bulunduğu soğuk bileşenler, soğutma tankı, soğutma ünitesi ve şebeke bağlantısını sağlayan inverter.
Şekil 8: Tipik flow bataryanın şematik gösterimi 
AC şebekeden alınan iletim gerilimi birkaç yüz kV dan onlarca Volta düşürülür ve süperiletken bobini beslemek üzere DC akıma çevrilir. Kriyojenik olarak soğutulmuş süperiletken materyalden oluşturulan bobinden DC akımın akıtılması ile yaratılan manyetik alan içerisinde enerji depolanır. Manyetik alan içerisinde depolanan enerji bobinin endüktans değerine ve bobin boyunca akan akıma bağlıdır. Sistemden bobine güç akışı olduğu zaman, DC akım süperiletken bobini şarj edecek ve enerji bobin içerisinde depolanır. AC şebeke güç desteği isterse bobin deşarj olur ve ünite bir enerji kaynağı gibi davranır .
Bu depolama sisteminin bir avantajı yüksek verimliliktir, bir çevrim şarj-deşarj için yaklaşık yüzde 95 civarındadır. Dahası bu sistemler bataryaların tersine depoladıkları enerjinin tamamına yakınını deşarj edebilirler. Çok sayıda şarj-deşarj çevrimli ve sürekli operasyon gerektiren uygulamalar için faydalıdır. En hızlı yanıt verebilme özellikleri (100ms altında) bu sistemleri ağ dengesini sağlamak için ideal hale getirir. Sık şarj-deşarj olmaları kullanım ömrünü etkilemez. Bu sistemlerin en büyük dezavantajı soğutma sistemidir, kendi içinde problem olmamakla birlikte sistem maliyetini artır ve operasyonu karmaşık hale getirir.
Şekil 10: Volan enerji depolama ünitesinin kesit şeması 
Büyük depolama sistemleri (5.000–10.000 MWh) çok büyük elektromanyetik kuvvetler üreten yüzlerce metre çaplı sargılar gerektirir. Bu yüzden alt yapı maliyetini azaltabilmek için yer altına kurulmaları gerekir  .
Rüzgâr santralinin serbest bıraktığı güç tahmin edilemez. Rüzgâr enerji üretiminin tahmin edilenden yüksek ya da düşük olduğu zaman yerel şebeke içerisindeki konvansiyonel üretim kaynaklarından sağlanan sıcak yedeğin aktif hale getirilmesi ile fark giderilmek durumundadır. Enerji depolama üniteleri bunu sağlayabilir, böylece açık karşılanabilir. Diğer taraftan düşük talep periyodu ile (düşük enerji fiyatı) pik üretim periyodu rastlarsa yüksek talep periyodunda deşarj etmek üzere günlük pik üretimden enerji depolamak üzere depolama üniteleri kullanılabilir. Ayrıca rüzgâr gücü diğer santrallere göre daha fazla iletim kapasitesi ister. Ayrıca rüzgâr çiftlikleri genellikle yük merkezlerinden uzağa yerleştirilmiştir, bu da şebekeye ayrı bir stres getirir. Sınırlı iletim kapasitesi durumunda rüzgâr gücü kısıtlanır. Enerji depolama ünitesi kısıtlamayı azaltır, yetersiz iletim kapasitesi periyodunda fazla enerjiyi depolar, kapasite uygun olduğunda deşarj eder.
Şekil 11: SMES ünitesinin (a)kesit şeması ve (b)şebeke bağlantısı 
Görüldüğü üzere tek bir rüzgâr türbini ya da rüzgâr çiftliği formunda aralıklı çalışarak elektrik üreten rüzgâr enerji kaynaklarında, kaynağın değişkenliği ve elektrik şebekesine bağlantısının sağlanması enerji depolama ihtiyacını ortaya çıkarır. Depolama ünitesi rüzgâr enerjisini kendisi üretiyor gibi tutar ve düzenler. Sabit ve kararlı güç çıkışını, talebin üretim kapasitesini aşması durumunda kullanılmak üzere şebekeye sunar. Her bir depolama teknolojisi donanıma farklı özellikler kazandırmakta ve dolayısı ile farklı uygulama alanlarında kullanımına imkân vermektedir. Çalışmada PHES, CAES, flow batarya, batarya, dönen volan ve SMES olmak üzere altı enerji depolama teknolojisi incelenmiştir. Bu teknolojilerden PHES, CAES, batarya (NaS) ve volan enerji depolama teknolojileri ticari anlamda kullanılmaktadır. PHES en gelişmiş ve en çok tercih edilen teknolojidir. Ancak uygulamalar rüzgâr bölgesi ve su kaynağının doğal eğim farkının birlikte olduğu coğrafik bölgelerle sınırlıdır.
Son Mesaj: 14.12.12, 01:23
Rüzgâr Enerjisi - Rüzgâr Enerjisi Nedir? Rüzgâr Enerjisi Nasıl Elde Edilir?
Son Mesaj: 25.11.10, 00:43