MAK 486 ENERJİ Depolama Chapter-4

ENERJİ Depolama Bir enerji depolama, sisteminde, birim zamanda, depolama sistemine giren, kullanılması halinde sistemden çıkan enerji ile kayıplara bağlı olarak, termodinamiğin birinci kanununa göre, şu şekilde ifade edilir: Bu bir çevrimdir ve dE/dt=0

ENERJİ Depolama Enerji depolama sistemerinde birim zamanda enerji değişimi; birim zamanda depolama sistemine giren ve çıkan enerji ve kayıplara bağlı olarak, şeklinde yazılır ve bir çevrimdir. Çevrim sonunda,

ENERJİ Depolama Birim zamanda birim kütle m başına enerji yoğunluğu (es) aşağıdaki şekillerde yazılır: Enerji depolama verimi ise; şeklinde belirtilir.

Mekanik Depolama Pompalı Hidroelektrik Depolama (PHES) Sıkıştırılmış Hava ile Depolama (CAES) Flywheel Depolama (FES)

Mekanik Depolama PHES, potansiyel enerji depolama sistemidir. Elektrik sistemlerinde, en ekonomik enerji depolama sistemidir. Elektriğin, en az kullanıldığı ve ucuz olduğu zamanlarda, örneğin geceleri ve haftasonları gibi, ve depo edilen enerji ihtiyacı için kullanılır.

Mekanik Depolama PHES sisteminin verimi aşağıdaki şekilde verilmektedir; Bu verim, % 75-80 civarındadır. 2013 yılında, dünya (ABD, Japonya, Fransa, İtalya ve Rusya) kapasitesi 127 GW civarındadır.

Örnek Problem:

Örnek Problem: Pompalama su debisi Vp=90 m3/s Pompalama zamanı tp=8.5 h Pompa verimi ηp=0.83 Elektrik üretim modu Vg=135 m3/s Elektrik üretme zamanı tg=6.5 h Toplam güç üretim verimi ηg=0.92

Örnek Problem: Günlük elektrik enerjisi üretimi Pompalama gücü:

Örnek Problem: Günlük pompalama enerji ihtiyacı: PHES sisteminin verimi: enerji üretimi/enerji girişi 2013 yılında dünya PHES kapasitesi 127 GW olmuştur; % 37 AB, % 25 Japonya, ve % 21 ABD. Dünyada böyle büyüklükte 6 adet PHES sistemi vardır.

Isıl Enerji Depolama Sensible heat storage (SHS), depolama ortamının sıcaklığı yükseltilerek, faz değişimi olmadan yapılan depolamadır. Latent heat storage (LHS). Thermochemical- kimyasal enerji depolama.

Isıl Enerji Depolama SHS sistemlerde, depolama ortamının sıcaklığı yükseltilerek (erime, donma, kaynama, yoğuşma, yani hiçbir hal değişimi olmaz!) ve güç santrallerinden ısı alınarak yapılır. Depolanmış ısı, ısı olarak kullanıldığı gibi bir ısı makinesi ile güç elde edilerek de kullanılır. Depolama zamanı, enerjinin ucuz olduğu (off-peak) zamandaki fazla enerjinin depolandığı zamandır.

Isıl Enerji Depolama Depo edilen enerji, enerji girişine ve depolama süresine bağlıdır. Enerji ihtiyacı üretim miktarını geçerse, enerji depolama sisteminden karşılanır ve depolama sistem sıcaklığı, zamana ve çekilen enerjiye bağlı olarak düşer. Sıcaklığın yükselmesi ve düşmesi, depolama sisteminin (SHS) özgül ısısına bağlıdır. Özgül ısı arttıkça, birim kütle başına depo edilen ısı artar.

Isıl Enerji Depolama   ρ (kg/m3) C (kJ/kg K) C (kJ/m3 K) Kaya 1600 0.84 1344 Su 1000 4.19 4190 Beton 2400 1.1 2640 Yukarıdaki Tablo, SHS sistemlerinde kullanılabilecek malzemeler için önemli değerler verilmiştir. Tablodan görüldüğü gibi, suyun özgül ısısı en yüksektir; dolayısı ile su, mükemmel bir ısı depolama alanıdır (1 bar basınç altında donma noktası 0 ͦC ve kaynama noktası 100 ͦC).

Isıl Enerji Depolama Düşük sıcaklıklarda ısı depolanması için çok uygundur. Yüksek sıcaklıklar için basınçlı su kullanılır. 200 ͦC’nin üzerinde depolama için, suya kaynama noktası yüksek olan özel yağlar (thermo-oils) kullanılabilir. Daha yüksek (500-600 ͦC) sıcaklıklarda depolama için, tuz sodyum nitrat (% 60) ve potasyum nitrat (% 40)kullanılır.

Termal Enerji Depolama Bir TES sisteminin 40-60 ͦC aralığında kapasitesi 50 kWh’dir. Depolama sistemi olarak su, kaya ve lauric acid kullanılırsa, tüm depolama sistemleri için sistemin kütlesini ve hacmin hesaplayınız.   Su Kaya Lauric Acid ρ (kg/m3) 1000 1600 1007 C (kJ/kg K) 4.19 0.8 1.6 Heat of fusion (kJ/kg) - 177 Void fraction 0.4 Fusion temperature ( ͦC) 49

Termal Enerji Depolama Depolama kapasitesi: m=kütle (kg), V=hacim (m3), C=özgül ısı (J/kgK), ρ=yoğunluk (kg/ m3) dolayısı ile depolama sisteminin kütlesi ve hacmi hesaplanır:

Faz Değişimi ile Depolama (LHS) Bu tip depolamada ısının absorbe edilmesi, sonunda malzemenin tersinir faz değişimi; erime ve tekrar donma olarak katı-sıvı hal değişimi ile depolanması sağlanır. Depolama ortamı, faz değişim malzemesidir (phase-change material, PCM). LHS sistemin, PCM ile depolama kapasitesi şu şekilde yazılabilir:

Faz Değişimi ile Depolama (LHS) Qs: depo edilen ısı miktarı, kJ m: PCM kütlesi, kg Cs: katı halin ortalama özgül ısısı, kJ/kgK Tf: erime sıcaklığı, K T1: PCM katı haldeki ilk sıcaklık, K f: sıvı haldeki PCM yüzdesi hf: erime entalpisi, kJ/kg T2: PCM sıvı haldeki sıcaklığı, K C1: sıvı fazında PCM ortalama ısınma özgül ısısı, kJ/kgK LHS ve SHS depolama malzemelerinin özellikleri ilgili tablolarda verilmektedir.

Örnek: 40-60 ͦC aralığında çalışmakta olan bir TES, 50kWh kapasiteye sahiptir. Su ve kaya LHS ortamı olarak kullanılmak isteniyor. Gerekli olan kütleleri bulunuz. Cw=4.19 kJ/kgK, Cr=0.8 kJ/kgK olarak verilmektedir.

Örnek:

Flywheel Energy Storage Bu sistemde elektrik enerjisi, yüksek hızla dönebilen diskte kinetik enerji olarak depolanır.

Flywheel Energy Storage Bu sistemde, m kütlesine sahip dönen bir disk mevcuttur ve motor/jeneratör sistemi kapalıdır. Elektriğin ucuz olduğu zamanlarda, motor, gerekli enerjiyi flywheele verir. Enerji ihtiyacı olduğunda ise, flywheel enerjisini jeneratöre vererek elektrik enerjisi üretir. R: flywheel çapı, Ω: açısal hız olmak üzere disk R Ω hızıyla döner.

Flywheel Energy Storage Depolanan kinetik enerji aşağıdaki biçimde ifade edilir: Burada Ω=2πn radian/saniye cinsinden açısal hızı temsil eder. Atalet momenti:

Flywheel Energy Storage n1 ve n2 hızları arasında, flywheel absorbe edilen ve salınan enerji şu şekilde gösterilir: Burada ks, hızdaki dalgalanmaları göstermektedir ve aşağıdaki gibi tanımlanır: Bu değer 0.005 ile 0.2 arasında değişmektedir.

Flywheel Energy Storage Bu şartlarda diskteki gerilme; Olur. Yani, birim hacim başına kinetik enerjinin iki katıdır.

Hidrojen ve Metal Hidratlar ile de enerji depolama yapılır Hidrojen ve Metal Hidratlar ile de enerji depolama yapılır. Hidrojen, hidrokarbonlardan üretilebilir; örneğin, metan (CH4), veya suyun elektrolizi hidrojen elde etme yöntemlerindendir.