Termal Enerji Depolama

Termal enerji depolama sistemleriyle ozon tabakasına zarar veren kloroflorokarbonlara  (CFC) gereksinim duymadan doğrudan soğutma-ısıtma yapılabilmektedir. Elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok  ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme engellenebilmektedir.  Böylece enerji santrallerine duyulan gereksinmeyi ve fosil yakıt kullanımını azaltarak çevreyi daha az kirleten çözümler sunmaktadır.

Termal (ısı) Enerji Depolama yöntemleri ısıl yöntem ve kimyasal yöntem olmak üzere ikiye ayrılır. Isıl yöntem duyulur ısı ve gizli ısıdan oluşurken, kimyasal yöntem tepkime ısısı, kimyasal ısı pompası ve termokimyasal ısı pompasından oluşur.

1.1. Duyulur Isı

Duyulur ısı depolama yönteminde, ısı depolama materyalin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan ısıdır. Isı depolama sıvı, katı ve sıvı ile katının beraber olduğu hibrit materyallerde yapılabilir.  Çok sayıda depolama ve geri kazanma çevriminin gerçekleşebilmesi bu sistemin avantajı, gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise dezavantajıdır.

1.2. Gizli ısı depolama

Gizli ısı maddenin faz değişimi sırasında çevreden aldığı veya verdiği ısıdır. Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi duyulur ısıya göre daha küçüktür.

Faz Değiştiren Maddeler (FDM, PCM, Phase Change Material) termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan maddelerdir. Isı depolama materyalinin iç enerjisinin önemli oranda değişmesi, bu materyalin faz değiştirmesine neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesi ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Isı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda faz değişimlerine uğrayan ve gizli ısı değerleri yüksek olan materyallerden yararlanılır. Isı depolamaya uygun faz değişimleri; katı-katı ve katı-sıvıdır. Sıvı-buhar faz değişimi, gaz fazın depolanmasının basınçlı depolama kaplarını gerektirmesi gibi karşılaşılan sorunlar nedeniyle ısı depolamaya uygun değildir. Katı durumdaki bir materyal kristalleşerek diğer bir katı faza dönüştüğünde (katı-katı değişimi), kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanır. Materyal ilk durumdaki katı fazına yeniden dönüştüğünde, faz değişimi sırası da depolanan ısı da geri kazanılır. Katı-katı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Katı-sıvı faz değişiminde, diğer faz değişimlerine oranla daha az hacim değişimi gerçekleşir. Uygulamada hacimsel enerji depolama kapasitesi yüksek olduğundan sadece katı-sıvı veya kristalleşme ısısı yüksek olan katı-katı faz değişimleri pratik öneme sahiptir.  FDM’ler hem ısıtma hem de soğutma sistemlerinde uygulanabilir. FDM’lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirmeleri ısı depolama ve geri kazanma için uygundur.  Yapı malzemelerinin yalıtım ve ısı aktarım özelliklerini geliştirmek için kullanılabilecek faz değiştiren maddeler parafinler, yağ asitleri, ötektik karışımlar, yağ alkolleri neopentil glikol ve inorganik FDM’lerdir.  Parafinik hidrokarbonlar, yağ asitleri ve yağ alkolleri düşük çözünürlüğe sahip maddeler olmakla birlikte su içerisinde hiç çözünmezler. Bu yüzden yapı malzemeleri uygulamaları için tercih edilirler. Erime entalpileri 150-220 kJ/kg arasında değişir.

 

Faz Değiştiren Maddeler (PCMs) ve TED’da Uygulama Alanları

Faz Değiştiren Maddeler (FDM, PCMs) inorganik ve organik olmak üzere iki alt gruba ayrılırlar.

İnorganik FDM’ lere tuz hidratları ve klatrat hidratları örnek verilebilir.  İnorganik FDM’ lerin avantajları; yüksek ergime ısısı, iyi termal iletkenlik, ucuz  ve yanıcı olmamaları dezavantajları ise korozif olmaları, aşırı soğuma göstermeleri, faz bozulması ve  hidrat sayısında azalma şeklinde özetlenebilir.

Organik FDM’lere parafinleri ve yağ asitlerini örnek gösterebiliriz. Organik FDM’ lerin avantajları; kimyasal yönden kararlı, az veya hiç aşırı soğuma göstermemesi, korozif ve toksik olmamaları , yüksek ergime ısısı ve düşük buhar basıncı göstermeleri, dezavantajları ise düşük termal iletkenlik, faz değişimi sırasında büyük hacim değişimi, yanıcı olmaları şeklinde özetleyebiliriz.

FDM’ de termal enerji depolama uygulamaları çok çeşitli olmakla beraber en çok kullanılma alanları;

• Yapı malzemelerinde binaların ısıtma ve soğutma yükünün azaltılmasında,
• Fotovoltaik elementlerin soğutulması
• Tekstil
• Ev ısıtma ve sıcak su
• Gıda
• Medikal alanda (kan üniteleri)
• Motorlu taşıtlar için ısı depolama sistemi
• Taze gıdaların depolanması
• Sıcaklığa duyarlı cihazların soğutulması

şeklinde özetlenebilir.

1.3. Termokimyasal Enerji Depolama

Isı enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülerek uzun süre depolanabilir. Termokimyasal ısı depolamanın ilkesi; ekzotermik olarak tepkimeye girebilen iki veya daha fazla kimyasal bileşikte tersinir tepkimeler süresince kimyasal bağlarda ısı depolanmasına dayanır.  Depolama sisteminin ömrü prensip olarak sınırsızdır. Kimyasal bağların tersinir olarak ayrışma ve birleşmesi sırasında, ısı değeri yüksek olan kimyasal tepkimeler gerçekleştiğinden, ısı depolama kapasitesi genellikle yüksektir.

Termokimyasal yöntemle ısı depolayan sistemler, gizli ısı depolama sistemlerinden daha karmaşıktır. Sistemdeki bileşenlerin kendi aralarındaki olası etkileşimleri önemlidir. Yöntemin en önemli özelliği seçilen tepkimenin tersinir olmasıdır. Termokimyasal yöntemle ısı depolama tersinir kimyasal tepkimeler, kimyasal ısı pompası (absorpsiyonlu ısı pompası) ve termokimyasal ısı borularında yapılabilir.  Tersinir kimyasal tepkimelerle ısı depolamada; endotermik olarak ısı alan bir tepkime kullanılarak depolanan ısı, ekzotermik olarak geri kazanılır.  Tepkime sıcaklığında oluşan tepkime ürünleri ayrı ayrı depolanır, ısı ürünlerin tekrar karıştırılması ve gerektiğinde katalizör eklenmesiyle geri kazanılabilir.

Kimyasal ısı pompası, tersinir tepkimeler yardımıyla aralarında gaz bileşenin transfer edildiği iki alt sistemden oluşur. Kimyasal ısı pompası sistemlerinde, buhar yoğunlaşması ile açığa çıkan yoğunlaşma ısısı geri kazanılır.

Termokimyasal ısı borularında kullanılan tepkimelerde, kolay bir şekilde yoğunlaşmayan gaz durumdaki reaktifler bulunur. Isı enerjisinin, ısı borusuyla uzun mesafelere iletilmesi için tepkime ürünlerinden yararlanılır. Termokimyasal ısı borusuyla ısı depolama teknolojisi yüksek sıcaklıkta nükleer veya güneş enerjisi uygulamalarında ve endüstriyel kazanlardaki damıtma çevrimlerinde uygulanmaktadır.

Güneş enerjisinin tersinir kimyasal tepkimelerle depolanması gelişme aşamasında olan yeni bir yöntemdir. Düşük sıcaklıktaki uygulamalar için kimyasal tepkimelerle ısı depolanmasına ilişkin önemli gelişmeler sağlanmış olmakla birlikte uygulamada karşılaşılan önemli sorunlar termokimyasal ısı depolama yönteminin yaygın olarak uygulanmasını sınırlandırmaktadır.

Adsorpsiyonlu ısı depolama sistemleri metal-alumina-silikat maddelerinden olan zeolitlerin gözenekli yapısından yararlanırlar. Nemli hava adsorban malzemenin bulunduğu yataktan geçirilerek su buharının adsorplanması sağlanır, kuru sıcak hava aynı yataktan geçirildiğinde su buharını desorbe edip soğuyarak çıkar. Bu işlem sırasında desorpsiyon ısı depolanmasını adsorpsiyon da ısının geri kazanmasının sağlamaktadır  (Hauer, 2002).

Isı depolama yöntemi seçimi esas olarak; ısı depolama süresi, ekonomik uygulanabilirlik ve işletme koşullarına bağlıdır. Herhangi bir uygulama için ısı depolama yönteminin belirlenmesi, ısı depolamanın etkinlik ve ekonomikliği sistemin tasarımına bağlıdır. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin fazla olduğu ısı depolama materyallerinin kullanılması durumunda, ısı depolama için gerekli hacim azalır. Bir ısı depolama sisteminde bulunması gereken özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir.

• Isı depolama materyalinin birim kütle veya hacmi için ısı depolama kapasitesi yüksek olmalıdır.
• Isı depolama materyali çalışma sıcaklığı aralığında uygun özelliklere sahip olmalıdır.
• Sistemde depolanan ısı bütünüyle geri kazanılabilmelidir.
• Isı depolama ve geri kazanma etkinliğinde azalma olmaksızın, çok sayıda depolama ve geri kazanma çevrimi gerçekleştirilebilmelidir.
• Isı depolama materyali korozif, toksik etkili ve yanıcı özellikte olmamalı
• Sistem ucuz ve kullanım süresi uzun olmalıdır.

Termal Enerji Depolama Yöntemleri

Gelen her yeni günle birlikte hayatımıza sürekli yenilikler gelmektedir. Ülkelerde gelişmişlik düzeyi arttıkça buna paralel olarak enerji tüketiminde de bir artış gözlemlenmektedir. Çağa ayak uydurabilmek zamanı iyi kullanabilmek ve daha konforlu yaşamak adına sürekli enerji’den yararlanıyoruz. Harcadığımız enerjinin %60’ı dış ülkelerden temin edilmektedir. Birçok ülkede olduğu gibi Türkiye’de de enerji yaygın olarak fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Fosil yakıtların yakın gelecekte tükenebilecek olması ve dış ülkelerden satın alınması enerji güvenilirliği kaygılarına da neden olmaktadır. Ayrıca fosil yakıtların tükenmekte olması ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri de bilinmektedir.
Kentleşmenin ve endüstriyel gelişimin kaçınılmaz sonucu gibi görünen sera gazları etkisini artan bir şekilde hissetmeye başladığımız günümüzde konu ile ilgili akademik ve ticari kurumlar alternatif enerji kaynakları üzerindeki Araştırma-Geliştirme (Ar-Ge) çalışmalarına önem vermeye başlamıştır. 1970 enerji krizi sonrası başlatılan çalışmalar, çevresel boyutlarında devreye girmesi ile ivme kazanmıştır. Bu çalışmalar içinde, mevcut doğal kaynakları değerlendirmeye yönelik olarak, termal enerji depolama yoluyla kullanma yöntemleri önemli bir yer tutmaktadır. Dünyada geniş bir şekilde kullanılan bu sistemler Türkiye’de henüz yaygın bir kullanıma sahip değildir. Kısa süre içerisinde yapılan çalışmalar sonucu, Termal Enerji Depolama (TED) Teknolojilerinin çevre ile dost ve ekonomik olduğunu gösteren uygulamalar hızla artmıştır (Andersson,1994; Andersson,1997; Andersson, Helsstrom ve Nordell, 2000; Bakema,1998 ; Bo, Gustafsson ve Setterwall, 1998; Fieback ve Gutberlet, 1998; Kabus, Seibt ve Poppei, 2000; Paksoy ve ark., 2000; Snijders ve Bakema, 1997; Snijders, 2000; Wu, Ma ve Bink, 2000). Sadece Türkiye’de TED sistemlerinin kullanılmasıyla ülke genelinde fosil yakıtlardan sağlanacak %10 ‘luk tasarruf ile emisyonlarda beklenen azalma yılda en az 5,6 milyon ton CO2, 18900 ton SO2 ve 21600 ton NOx olacağı tahmin edilmektedir (Paksoy ve Evliya, 2000)
Dünya ülkelerinin enerji sorununu çözme çabası içinde Türkiye’nin de yerini alabilmesi için, enerji uygulamalarında doğal kaynaklardan enerji depolama sistemlerine gereken önemin verilmesi gerekmektedir. Enerji gereksiniminin %60’dan fazlası ithal kaynaklardan sağlanan ülkemizde güneş, hava, toprak, su gibi kendi doğal kaynaklarından yararlanmasına olanak veren termal enerji depolama sistemleriyle ülke ekonomisine önemli katkılar sağlanabilir. Ekonomikliğin yanı sıra enerji güvenirliliği ve sürekliliği de önemli katkılardır.