Termal Enerji Depolama

Yenilenebilir enerjiye olan bağımlılığın artırılmasına yönelik ihtiyaç, iklim değişikliğiyle mücadelemizde düzenli olarak gündeme geliyor. En son COP28 anlaşması bunu açıkça ortaya koydu ve 2030’a kadar yenilenebilir enerji kapasitesinin üçe katlanmasını ve enerji verimliliği iyileştirmelerinin ikiye katlanmasını talep etti. Gerekli zaman diliminde net sıfır hedeflerine ulaşmak için cesur ama gerekli bir hedef.

Genellikle göz ardı edilen bir konu, yenilenebilir enerji arzının öngörülemezliğinin nasıl en iyi şekilde yönetileceğidir. Ve tartışıldığında, genellikle şebeke dağıtımı ve ulusal güç kaynakları gibi üst düzey konulara odaklanır. Ancak elektrik şebekesi iletim ve dağıtım ağlarının genişlemesinin yürürlüğe girmesi 15 yılı bulabilir. İklim değişikliğinin etkilerini sınırlamak için acil eylem ihtiyacı ile, merkezi enerji üretiminin ötesine geçerek yerel ısı üretimine bakma acil bir ihtiyaç vardır.

Rüzgar ve güneş kaynaklarından arzın zirve ve dip noktaları ve ısının elektrifikasyonuyla birlikte talebin önemli ölçüde artması, enerji ve ısı sektörleri arasında yeni sinerji fırsatları aramanın mantıklı olduğu anlamına geliyor.

Termal enerji depolama (TES) ve uzun süreli enerji depolamanın (LDES) diğer biçimleri, gelişen durumun potansiyelini en üst düzeye çıkarmak için iki umut verici yoldur.

Daha sürdürülebilir bir geleceğe doğru yolculuğumuza devam ederken TES yöntemlerini benimseme ihtiyacı açıktır. Ve bu talebi karşılamak için teknolojiler geliştikçe, bu seçeneklerin sermaye maliyetleri, verimlilik ve enerji çıktısı gibi faktörlerin ötesinde çevremiz üzerinde daha geniş etkileri olabileceğini göz önünde bulundurmaya değer. Burada iki alternatifi inceliyor ve bu sorunlardan bazılarını ele alıyoruz.

Isı için enerji depolamanın en yaygın biçimleri, faz değişim malzemeleri (PCM’ler) kullanılarak duyusal ve gizli ısı depolama yoluyla termal depolama ve termokimyasal depolamadır. Elektrokimyasal depolama seçenekleri iki kategoriye ayrılır; kapasitörler ve piller. Kapasitörler pillere kıyasla daha yüksek verimlilik ve artan ömür sunarken, birim başına birim kütleye göre çok daha az şarj taşır.

Piller ayrıca, yenilenebilir teknoloji sistemleriyle entegrasyon dahil olmak üzere enerji depolama sistemlerindeki kullanımları hakkında çok sayıda araştırmanın konusu olmuştur. Lityum Demir Fosfat piller (LIPB), örneğin rüzgar çiftliklerinde rüzgar esmediğinde kullanılmak üzere enerji depolamak gibi kullanımlarını değerlendiren birkaç çalışmanın konusu olmuştur. Birden fazla pil kullanıldığında verimlilikleri dramatik olarak artar ve tam şarj ve deşarj döngülerine olanak tanır. Diğer makaleler verimliliklerini artırmaya odaklanmış, örneğin ısı pedleri kullanarak çalışma sıcaklıklarını kontrol etmiş veya yaşam döngüsü değerlendirmeleri (LCA) yoluyla çevre üzerindeki etkilerini incelemiştir.

Spirax Sarco olarak, Chromalox’taki meslektaşlarımızla birlikte, TES’in yenilikçi bir biçimini geliştirdik: SteamBattery. Bu, bir daldırma elektrikli ısıtıcı tarafından üretilen ısıyı, iyi yalıtılmış bir kapta yüksek basınçlı sıcak su olarak depolar.

SteamBattery’den buhar gerektiğinde, kabın boşluk (gaz) alanından alınır ve doğrudan buhar olarak veya bir ısı eşanjörü aracılığıyla “ıslak” bir ısıtma sistemiyle bağlantılı olarak dolaylı olarak kullanılır. Yoğunlaşan buhar kabın geri gönderilir. Buhar kullanıldıkça, basınç SteamBattery tamamen deşarj olana kadar düşer. Daldırma elektrikli ısıtıcı tarafından yeniden şarj edilir; bu, doğrudan yenilenebilir kaynaklardan veya düşük maliyetli yenilenebilir enerji mevcut olduğunda şebekeden elektrik kullanabilir. Hem buhar deşarj edebilir hem de aynı anda şarj edilebilir, bu da nasıl kullanıldığına esneklik sağlar ve tampon depolama olarak çalışır. 8 saat içinde tamamen şarj olabilir ve gece boyunca bunu yapabilir.

LIPB’ler hakkındaki mevcut literatürü modelimizle ve SteamBattery için mevcut çalışmaları birlikte kullanarak, bu iki enerji depolama çözümünün çevresel etkisini karşılaştırmayı amaçladık. LIPB çalışmaları tarafından belirlenen sınırlar nedeniyle bazı sınırlamalar vardı; özellikle nakliyelerini veya kullanım ömrü sonunda bertaraf edilmelerini dikkate almayan beşikten kapıya yaklaşım.

Sistem sınırı belirlendikten sonra, bir dizi karşılaştırmalı çevresel etki değerlendirilebilir. LIPB çalışması ile SteamBattery çalışması arasında kullanılan modellerdeki farklılıklar nedeniyle, LIPB çalışmasındaki 18 taneden 10’unun doğrudan karşılaştırma sunduğunu tespit ettik.

Bunlar iklim değişikliği etkisiyle en alakalı olanlardır ve kilogram karbondioksit eşdeğeri cinsinden ölçülür. Sonuçlar, SteamBattery’nin ömrü boyunca depolanan her 1000 kWh enerji için 8,58 kg emisyon salacağını, buna karşılık LIPB’nin ömrü boyunca 16,10/1000 kWh emisyon saldığını göstermektedir. Etkili olarak, SteamBattery’nin kullanışlı ömrü boyunca LIPB’nin CO2 emisyonlarının yarısına sahiptir.

Ekotoksisite ve denizel ve tatlısu ortamlarında ötrofikasyonu, ayrıca karasal ortamlarda asitleşme ve ekotoksisiteyi kapsayan altı çevresel etki kategorisini inceledik. Hem tatlısu hem de denizel ortamlar için, SteamBattery’nin LIPB’ye kıyasla %95 daha az etkili olduğu tespit edildi. Bu durum büyük ölçüde LIPB için gerekli katot plaka üretim sürecinden kaynaklandı.

Karasal etkilere bakıldığında, farklı bir tablo ortaya çıkıyor. SteamBattery’nin kükürt dioksit üretimi LIPB’den %83 daha azdı. Ancak, diklorobenzen eşdeğeri LIPB’den daha yüksekti. Her iki ürünün farklı çevresel kategorilerdeki etki yüklerini dikkate alan daha yakın bir inceleme, bunun ciddi bir kusur yerine potansiyel iyileştirme alanı olduğu sonucuna vardı.

Değerlendirme ayrıca SteamBattery’nin fosil yakıtlar ve su gibi doğal kaynaklar üzerindeki azaltılmış etkisini vurguladı. Özellikle, en yüksek çevresel yükler çoğunlukla LIPB ile ilişkiliydi, özellikle denizel ve tatlısu ekotoksisitesinde, buna karşılık SteamBattery’nin en önemli etkisi karasal ekotoksisitede önemli ölçüde daha düşüktü.

Sürdürülebilir buhar sistemlerine olan ihtiyaç arttıkça, yalnızca fosil yakıtlardan kaçınmaktan daha fazlasını düşünmek için açık bir zorunluluk vardır. Gezegenin direnci ve geleceği, çevresel hususların üst sıralarda yer aldığı bir dizi başka faktöre bağlıdır. Bu ilk çalışma, nihai kararlar verilmeden önce potansiyel seçeneklerin daha kapsamlı bir şekilde araştırılması gerektiğini göstermektedir.

Kaynak:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).