MAK 486 ENERJ* Depolama Chapter-4

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, dE
dt
 Ei  E0  Ek (W )
• şeklinde yazılır ve bir çevrimdir. Çevrim
sonunda,
dE
0
dt
ENERJİ Depolama
• Birim zamanda birim kütle m başına enerji
yoğunluğu (es) aşağıdaki şekillerde yazılır:
es 
Es
( J / kg )
m
veya
Es
( J / m3 )
V
• Enerji depolama verimi ise;
E0
s 
, E0  Ei  EL
Ei
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;
s 
E gen
Ep
• 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:
Pg  g Vt H g
 9.81*1000*135*600*0.92  731 MW
• Günlük elektrik enerjisi üretimi
Eg  t g Pg  6.5*731  4751.8 MWh / gün
• Pompalama gücü:
Pp 
g V p H
p
9.81*1000*90*600

 638.24 MW
0.83
Örnek Problem:
• Günlük pompalama enerji ihtiyacı:
E p  t p Pp  8.5*638.24  5425 MWh / gün
• PHES sisteminin verimi: enerji üretimi/enerji
girişi
Eg
4751.8
s 

 0.876  %87.6
Ep
5425
• 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 (offpeak) 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 (500600 ͦ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:
Qs  mcT  V  cT ( J )
• m=kütle (kg), V=hacim (m3), C=özgül ısı
(J/kgK), ρ=yoğunluk (kg/ m3)
• dolayısı ile depolama sisteminin kütlesi ve
hacmi hesaplanır:
Q
m
s
cT
Qs
V
 cT
kg
m3
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 (phasechange material, PCM).
• LHS sistemin, PCM ile depolama kapasitesi şu
şekilde yazılabilir:
Faz Değişimi ile Depolama (LHS)


Qs  m Cs Tf  T1   f h f  C1 T2  Tf 
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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.
qw  Cw (Tmax  Tmin )  4.19(60  40)  83.8 kJ / kg
qr  Cr (Tmax  Tmin )  0.8(60  40)  16 kJ / kg
Örnek:
s

 50kWh *3600 
h
mw  
 2148 kg
kJ
83.8
kg
s

500
kWh
*3600


h

mr 
 11250 kg
kJ
16
kg
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:
mR 22
E
 2 2 mR 2 n 2
2
J
• Burada Ω=2πn radian/saniye cinsinden açısal
hızı temsil eder.
• Atalet momenti: MI  mR 2
MI  2
E 
olarak da yazılabilir.
2
Flywheel Energy Storage
• n1 ve n2 hızları arasında, flywheel absorbe edilen ve
salınan enerji şu şekilde gösterilir:
E  2 mR  n  n
2
2
2
2
2
1
  4
2
2
mR ks n
2
• Burada ks, hızdaki dalgalanmaları göstermektedir ve
aşağıdaki gibi tanımlanır:
ks 
n2  n1
 n1  n2  2 
• Bu değer 0.005 ile 0.2 arasında değişmektedir.
Flywheel Energy Storage
• Bu şartlarda diskteki gerilme;
    R 
2
• Olur. Yani, birim hacim başına kinetik enerjinin
iki katıdır.
• Hidrojen ve Metal Hidratlar ile de enerji
depolama yapılır. Hidrojen, hidrokarbonlardan
üretilebilir; örneğin, metan (CH4), veya suyun
elektrolizi hidrojen elde etme
yöntemlerindendir.
CH 4  H 2O  CO  3H 2
0
@ 960 C