Carnot bataryaları

Carnot bataryaları, elektriği ısıl enerji deposunda depolayan bir tür enerji depolama sistemidir. Şarj işlemi sırasında elektrik ısıya dönüştürülerek ısı deposunda depolanır. Deşarj işlemi sırasında depolanan ısı tekrar elektriğe dönüştürülür.[1][2]

Tipik bir Carnot bataryası için basitleştirilmiş şema (elektrikden ısıl enerji eldesi, enerji depolama ve ısıl enerjiden tekrar elektrik eldesi)

Ek olarak, "Marguerre" bu teknolojinin konseptini yaklaşık 100 yıl önce patentlemiştir [3], ancak, bu konseptin gelişimi, yenilenebilir kaynaklar tarafından sağlanan enerjinin payını artırmak için yakın zamanda yeniden canlandırılmıştır. Öte yandan, "Andre Thess" Carnot Bataryası terimini 2018'de Carnot Bataryaları üzerine ilk Uluslararası Çalıştay'dan önce bulmuştur.[4]

"Carnot bataryası" terimi, ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmenin maksimum verimini tanımlayan Carnot teoreminden gelmektedir. "Batarya" kelimesi, bu teknolojinin amacının elektrik depolamak olduğunu belirtmektedir. Carnot bataryalarının deşarj verimliliği, Carnot verimi ile sınırlıdır.

Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR) ve Stuttgart Üniversitesi, 2014 yılından bu yana yüksek sıcaklıkta ısı depolamada elektrik depolayan Carnot bataryaları konsepti üzerinde çalışmaktadır [5]. 2018 yılında, DLR tarafından dünyanın en büyük ticaret fuarlarından biri olan Hannover Messe'de [6] "Carnot bataryası" terimi kullanılmıştır [5] Bununla birlikte, Carnot bataryaları konsepti, pompalamalı ısıl enerji depolama [7][8] ve sıvı hava enerji depolama gibi yıllardır geliştirilen [9] teknolojileri kapsamaktadır.

Düşük karbonlu enerji sistemlerine geçişte, elektrik enerjisi sistemlerinde değişken yenilenebilir enerjinin penetrasyonu artmakta, bu da enerji depolama ihtiyacını artırmaktadır. Şu anda, yeni kurulan enerji depolama kapasitesinin çoğu, lityum iyon piller gibi elektrokimyasal bataryalardan (pillerden) oluşmaktadır. Bu tip piller kısa süreli depolamaya uygundur ama yüksek enerji kapasitesi maliyetleri nedeniyle daha uzun süreler için ekonomik olmayabilir [7]. Termal enerji depolama, enerjiyi su, kayalar ve tuzlar gibi ucuz malzemelerde depolayabilir. Bu nedenle, büyük ölçekli sistemlerin maliyeti (örneğin gigawatt saat) elektrokimyasal pillerden daha düşük olabilir[5].

Enerji Depolama Ek 36 - Carnot Bataryaları, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) altında bir Teknoloji İşbirliği Programının (TCP) bir parçası olan Enerjinin Korunumu ve Enerji Depolama (ECES) programı altındaki bir çalışma grubudur[10].

Sistem konfigürasyonuDüzenle

 
Olası enerji dönüşümü ve depolama teknolojileri

Bir Carnot bataryası sistemi üç bölüme ayrılabilir: Güçten Isıya (P2T: Power to thermal), Isıl Enerji Depolama (TES: Thermal energy storage) ve Isıdan Güce (T2P:Thermal to Power).

Elektrikten ısıya teknolojisi

Elektrik, çeşitli teknolojiler kullanılarak ısıya dönüştürülebilir[1].

  • Dirençli ısıtma
  • Isı pompası, ısıyı daha düşük sıcaklıktaki bir rezervuardan daha yüksek bir sıcaklığa pompalayan teknolojidir. İki gruba ayrılabilir: Rankine çevrimi ve Brayton çevrimi.
  • Rankine çevrimi, konvansiyonel ısı pompalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
  • Brayton çevriminin ısıl enerjinin şarj ve deşarj edilmesi için kullanılması kavramı 2017 yılında Prof. Robert B. Laughlin tarafından önerilmiştir[11].
  • Diğerleri: Sıvı hava enerji depolama sistemlerinde, Claude Çevrimi havayı sıvılaştırmak için kullanılır. Lamm – Honigmann prosesi, gücü ısıya dönüştürmek için termokimyasal çevrimleri kullanır[12].

Isıl enerji depolama

Isıyı depolama mekanizmasına göre, ısıl enerjinin depolaması üç tipte olabilir: duyulur ısı depolama, gizli ısı depolama ve termokimyasal depolama. Carnot pilleri için kullanılan depolama materyalleri şunlardır:

  • Sıcak su
  • Eriyik tuz
  • Paket kayaçlar
  • Sıvı hava
  • Gizli ısı ısıl enerji depolama[13]
  • Termokimyasal materyaller (kimyasal çiftler), LiBr/H2O and H2O/NH3 gibi

Isıdan elektriğe

Isı, Rankine çevrimi veya Brayton çevrimi gibi termodinamik çevrimlerle güce dönüştürülebilir. Bazı teknolojiler, ısıyı elektriğe dönüştürmek için yarı iletken malzemelerin özelliğini kullanır ve bunlar bir Carnot pili olarak kabul edilmez, çünkü termoelektrik malzemeler ve "Kutudaki Güneş" gibi dönüştürme prosesinde hiçbir termodinamik çevrim bulunmamaktadır[14]. Tipik teknolojiler:

  • Isı motoru
  • Buhar türbini
  • Gaz türbini
  • Organik Rankine çevrimi makinaları
  • Lamm–Honigmann prosesi termokimyasal depodaki depolanmış enerjiyi elektriğe çevirebilir[12].

Avantajları & DezavantajlarıDüzenle

Carnot bataryası, "Pompalanan Termal Elektrik Depolama" (PTES) veya "Pompalı Isı Elektrik Depolama" (PHES) gibi birkaç başka isimle de bilinmektedir. Bu, nispeten yeni teknoloji, en umut verici büyük ölçekli enerji depolama teknolojilerinden biri haline gelmiştir.

Carnot Pilinin ana avantajları şunlardır:[15]

  • Alanın serbest seçimi;
  • Küçük çevresel ayak izi;
  • Ömür beklentisi 20-30 yıl;
  • İsteğe bağlı düşük maliyetli yedekleme kapasitesi;
  • Fosil yakıtlı kısmi yüklerde kullanılan bir elektrik santralinin bileşenleri, Carnot bataryalarını oluşturmak için kısmen yeniden kullanılabilir;

Bu teknolojinin en büyük dezavantajı:[16]

  • Sınırlı şarj-deşarj verimliliği (roundtrip efficiency) 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, deşarj sırasında üretilen elektriği 𝑾𝒅𝒊𝒔, sistemi şarj etmek için gereken elektrikle 𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓 ilişkilendirir. Bu arada, Carnot bataryaları, hidroelektrik pompalı depolama veriminden (%65-85) daha düşük olan %40-70 verimliliği hedeflemektedir[17].

UygulamaDüzenle

Carnot bataryaları, değişken yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen fazla gücü depolamak ve gerektiğinde elektrik üretmek için şebeke enerji depolaması olarak kullanılabilir.

Bazı Carnot bataryası sistemleri, depolanan ısıyı veya soğuğu, bölgesel ısıtma ve veri merkezleri için soğutma gibi diğer uygulamalar için kullanabilir.

Carnot bataryaları, mevcut kömürlü termik santralleri, kömür yakıtlı kazanı değiştirerek fosil yakıtsız bir üretim sistemine dönüştürmek için bir çözüm olarak önerilmiştir[18][19]. Elektrik üretim sistemleri ve iletim sistemleri gibi santrallerdeki mevcut tesisler kullanılabilir.

Carnot bataryası projelerinin listesiDüzenle

Carnot bataryası terimi yeni olmasına rağmen, mevcut birçok teknoloji Carnot pili (bataryası) olarak sınıflandırılabilir[7].

  • Sıvı hava enerjisi depolama: Highview Power, University of Birmingham[20]
  • Pompalı ısı enerjisi depolama: Malta Inc., University of Durham
  • Elektrik termal enerji depolama: Siemens Gamesa, National Renewable Energy Laboratory
  • Tersinir ısı pompası / ORC: University of Liège
  • Lamm-Honigmann enerji depolama: Technical University of Berlin

KaynakçaDüzenle

  1. ^ a b Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vincent (Aralık 2020). "Carnot battery technology: A state-of-the-art review". Journal of Energy Storage (İngilizce). 32: 101756. doi:10.1016/j.est.2020.101756. 
  2. ^ "IEA Energy Storage Annex 36 - Carnot Batteries". Technology Collaboration Programme Energy Storage, International Energy Agency. Retrieved 28 October 2020.
  3. ^ Marguerre F., « Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie. Mitteilungen der Vereinigung der Elektrizitätswerke 1924;354(55):27e35.
  4. ^ "eces". 18 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  5. ^ a b c "Carnot batteries: Low-cost and location-independent energy storage in the gigawatt hour range". German Aerospace Centre (DLR). 2018.
  6. ^ "HANNOVER MESSE (industrial trade fairs), 23-27 April, 2018".
  7. ^ a b c "Carnot Battery Energy Storage: A more cost-effective and flexible solution for grid-scale energy storage". Rushlight Events. 30 January 2019. Retrieved 29 October 2020.
  8. ^ Steinmann, Wolf-Dieter; Jockenhöfer, Henning; Bauer, Dan (Mart 2020). "Thermodynamic Analysis of High‐Temperature Carnot Battery Concepts". Energy Technology (İngilizce). 8 (3): 1900895. doi:10.1002/ente.201900895. ISSN 2194-4288. 
  9. ^ Josh McTigue (4 December 2019). ""Carnot Batteries" for electricity storage" (PDF). Retrieved 29 October 2020.
  10. ^ "Energy Convervation and Energy Storage (ECES)". Retrieved 28 October 2020.
  11. ^ Laughlin, Robert B. (2017). "Pumped thermal grid storage with heat exchange". Journal of Renewable and Sustainable Energy. 9 (4): 044103.
  12. ^ a b Thiele, Elisabeth; Jahnke, Anna; Ziegler, Felix (2020). "Efficiency of the Lamm–Honigmann thermochemical energy storage". Thermal Science and Engineering Progress. 19: 100606. doi:10.1016/j.tsep.2020.100606. ISSN 2451-9049.
  13. ^ "World's first Carnot battery stores electricity in heat". German Energy Solutions Initiative. 20 September 2020. Retrieved 29 Oct 2020.
  14. ^ Jennifer Chu (5 December 2018). ""Sun in a box" would store renewable energy for the grid". MIT News Office. Retrieved 30 October 2020.
  15. ^ W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer, et M. Johnson, « Pumped thermal energy storage (PTES) as smart sector-coupling technology for heat and electricity », Energy, vol. 183, p. 185‑190, sept. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.
  16. ^ W. D. Steinmann, « The CHEST (Compressed Heat Energy STorage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage », Energy, vol. 69, p. 543‑552, mai 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.
  17. ^ A. Koen et P. F. Antunez, « How heat can be used to store renewable energy », The Conversation. http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (consulté le févr. 27, 2020).
  18. ^ Susan Kraemer (16 April 2019). "Make Carnot Batteries with Molten Salt Thermal Energy Storage in ex-Coal Plants". SolarPACES.
  19. ^ "Webinar on Carnot Batteries" (PDF). ATA insights. April 2019. Retrieved 29 October 2020.
  20. ^ https://www.birmingham.ac.uk/research/energy/news/2019/highview-power-to-build-large-energy-storage-plant.aspx