Pompalı Hidrojen ve Hidrojen Depolama Rehberi — Saatler Süren Depolama ile Mevsimler Süren Depolama Arasında Seçim Yapmak

Güneş ve rüzgar enerjisinin büyümesiyle birlikte, şebeke sadece "önümüzdeki birkaç saniye" değil, "bu akşam", "bu haftanın kötü hava koşulları" ve "mevsimleri kapsayan talep" gibi farklı zaman ölçeklerinde de uyumsuzluklarla karşı karşıya kalıyor. Lityum iyon piller, güç (kW) ve kapasiteyi (kWh) oldukça bağımsız olarak tasarlayabiliyor; bu da onları birkaç dakikadan birkaç saate kadar olan ayarlamalar için güçlü kılıyor (pil temelleri için Güç Pili Temel Bilgileri bölümüne bakın). Ancak enerjiyi günlerce hatta mevsimlerce sadece pillerle depolamaya çalışmak, gereken kapasitenin hızla artmasına ve maliyetin mantıklı olmaktan çıkmasına neden oluyor. Pompalı hidroelektrik depolama uzun zamandır bu daha uzun zaman ölçeğini karşılıyor ve son yıllarda hidrojen, daha da ileriye ulaşan teknoloji olarak dikkat çekiyor. Bu makale, hidrolik türbinlerin temel fiziğini Hidroelektrik Enerji Rehberi'ne bırakıyor ve bunun yerine pompalı hidroelektrik ve hidrojen depolamasını tek bir soruna iki çözüm olarak yan yana sıralıyor: "Enerjiyi depolayın ve daha sonra elektriğe dönüştürün."

30 Saniyede Özet

• Suyu üst ve alt rezervuar arasında ileri geri taşıyan pompalı hidroelektrik depolama, yerleşik, büyük kapasiteli, uzun süreli bir depolama teknolojisidir. Gidiş-dönüş verimliliği yaklaşık %70-87 arasında değişmekte olup, ortalama %80 civarındadır.

• Değişken hızlı pompa türbinleri, pompalama sırasında tüketilen gücü sürekli olarak ayarlayabilir ve frekans düştüğünde pompalama yükünü hızla azaltarak, jeneratör çıkışını artırmakla aynı yönde şebekeyi destekleyebilir (ayrıntılar için Hidroelektrik Enerji Rehberi'ne bakın).

• Hidrojen, "elektriği elektrik olarak" depolamaz; suyu elektroliz ederek hidrojene dönüştürür, depolar ve ihtiyaç duyulduğunda yakıt hücresi veya gaz türbini aracılığıyla tekrar elektriğe dönüştürür. Gidiş-dönüş verimliliği şu anda yaklaşık %30-50 aralığındadır ve pompalanmış hidroelektrikten daha düşüktür.

• Buna karşılık, hidrojen, depolama ortamını (tanklar veya yer altı depolama) ve enerji dönüştürme ekipmanını (elektrolizörler, yakıt hücreleri) ayrı ayrı tasarlamanıza olanak tanır, bu nedenle prensipte araziye bağlı değildir ve haftalardan mevsimlere kadar uzanan uzun vadeli depolamaya uygundur.

• Pompalanmış hidroelektrik santralini "saatlerden günlere kadar verimli depolama" ve hidrojeni "daha az verimli ancak konumdan bağımsız uzun vadeli depolama" olarak düşünmek, rekabetçi olmaktan ziyade tamamlayıcı bir ilişkiyi yakalar.

1. "Uzun Süreli Depolama" Problemini Zaman Ölçeğine Göre Sınıflandırmak

Yenilenebilir enerjideki değişkenlik tek bir zaman ölçeğinde tanımlanamaz. Geçen bulutlardan kaynaklanan birkaç dakikalık değişim, akşam talebinin artması ve güneş enerjisi üretiminin gün batımında birlikte düşmesiyle oluşan birkaç saatlik artış, durağan bir alçak basınç sisteminden kaynaklanan birkaç günlük rüzgar eksikliği, güneş ışığı ve yağış modellerindeki mevsimsel farklılıklar — ihtiyaç duyulan depolamanın niteliği, söz konusu zaman ölçeğine göre değişir.

Piller, hücre sayısı yoluyla çıkış gücünü (kW) ve kapasiteyi (kWh) nispeten serbestçe tasarlayabilir, ancak kapasite arttıkça maliyet de neredeyse orantılı olarak artar. Pompalı hidroelektrik ve hidrojen, enerjiyi "suyun potansiyel enerjisi" veya "hidrojen moleküllerinin kimyasal enerjisi" şeklinde depolar, bu nedenle depolama kapasitesini genişletmenin maliyet eğrisi pillerden farklı bir yapıya sahiptir. Bu nedenle her ikisi de uzun süreli depolamada öncü bir rol oynayabilir.

2. Pompalı Hidroelektrik Depolama — Yerleşik Büyük Kapasiteli Bir Teknolojinin Yeniden İncelenmesi

Pompalı hidroelektrik ve türbinin temel prensipleri Hidroelektrik Enerji Temel Bilgileri'de ele alınmıştı. Burada odak noktası, bir depolama teknolojisi olarak performansına daralıyor.

Depolanabilecek enerji miktarı, su hacmi V, etkili düşüş yüksekliği H ve genel verimlilik \eta kullanılarak tahmin edilebilir:

Bir bataryanın kWh'sine eşdeğer kapasite, üst ve alt rezervuarların etkili depolama hacmi ve düşüş yüksekliği ile belirlenirken, çıkış (kW) pompa-türbin ve motor-jeneratörün nominal gücü ile belirlenir. Bu ikisini bağımsız olarak tasarlayabilme özelliği, pompalı hidroelektrik santrallerinin bataryalarla paylaştığı bir özelliktir, ancak pompalı hidroelektrik santrallerinde arazi ve su haklarının kısıtlamaları kapasite tasarımı için bir ön koşuldur.

Gidiş-dönüş verimliliği — bir tam pompalama (şarj) ve üretim (deşarj) döngüsünden sonra geri gelen güç payı — pompa verimliliği, türbin verimliliği, motor-jeneratör verimliliği ve boru kayıplarının çarpımıdır ve ölçülen değerler yaklaşık %70-87 aralığındadır, merkez rakamı %80 civarındadır. Bu, lityum iyon pillerin gidiş-dönüş verimliliğine kıyasla benzer veya biraz daha düşük bir seviyede, onlarca yıllık işletme deneyimiyle desteklenen olgun bir rakamdır.

Sabit hızlı pompa türbinleri, pompalama sırasında yaklaşık olarak sabit güç çeker; bu da onları, garip, ara miktarlarda gelen fazla yenilenebilir enerjiyi takip etmede yetersiz kılar. Değişken hızlı pompalı depolama, dönme hızını sürekli olarak değiştirmek için güç elektroniği kullanır ve pompalama yükünün ince ayarlanmasına olanak tanır; frekans düştüğünde ise pompalama hacmini hızla azaltarak, artan üretim çıktısıyla aynı yönde şebekeyi destekleyebilir. Japonya'da, Gunma Eyaleti'ndeki Kannagawa Enerji Santrali (TEPCO), 653 m'lik etkili bir düşüş yüksekliği ve kağıt üzerinde her biri 470.000 kW olarak derecelendirilmiş altı motor-jeneratör ünitesiyle tasarlanmış, dünyanın en büyük pompalı depolama santrallerinden biri olarak bilinir; tüm üniteler çalışırken maksimum 2,82 milyon kW çıkış sağlar. Şu anda 1 ve 2 numaralı üniteler çalışmaya başlamış olup, mevcut maksimum çıkış 940.000 kW'tır. Pompalı hidroelektrik santrallerinin teknik detayları, değişken hızda çalışma ve kapasite ölçeklendirmesi dahil olmak üzere, Hidroelektrik Enerji Rehberi'nin ilgili bölümüne bakınız.

Şekil 1 — Pompalı hidroelektrik santrali, suyu üst ve alt rezervuarlar arasında taşır ve tersinir bir pompa-türbin ile pompalama ve üretim arasında geçiş yapar. Gidiş-dönüş verimliliği yaklaşık %70-87 arasında değişir ve %80 civarındadır.

3. Hidrojen Yoluyla Uzun Süreli Depolama — Elektriği Moleküller Halinde Depolama

Hidrojen depolamanın temel fikri, fazla enerjiyi kullanarak suyu elektrolizle hidrojene dönüştürmek, sıkıştırılmış, sıvılaştırılmış veya yeraltı formunda depolamak ve dönüştürmektir. İhtiyaç duyulduğunda yakıt hücreleri veya hidrojenle çalışan/hidrojenle birlikte çalışan gaz türbinleri aracılığıyla tekrar elektriğe dönüştürülür. Bu sürecin tamamına Güçten Gaza, Gazdan Güce (P2G2P) denir. Güneş veya rüzgar gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerji kullanılarak üretilen hidrojene "yeşil hidrojen" denir ve ayırt edici özelliği üretim sırasında düşük CO2 emisyonlarıdır.

Elektrolizör tipleri arasında alkali su elektrolizi, polimer elektrolit membran (PEM) su elektrolizi ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışan katı oksit elektroliz hücreleri (SOEC) bulunur. Alkali su elektrolizi ölçeklendirme ve geçmiş performansıyla öne çıkarken, PEM'in üstün tepki verme özelliği sunduğu ve değişken yenilenebilir enerji için uygun olduğu söylenmektedir. Üretilen hidrojen bazen depolama ve taşıma için başka bir kimyasal forma - yüksek basınçlı gaz, sıvı hidrojen veya amonyak - dönüştürülür.

Yeniden dönüştürme tarafında ise, polimer elektrolit yakıt hücreleri (PEFC) veya katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) ile enerji üretmenin yanı sıra, hidrojenle çalışan gaz türbinleri kullanılarak enerji üretimi de mümkündür. Büyük ölçekli uygulamalar için değerlendirilmektedir. Elektroliz ve yeniden dönüştürmeyi birleştiren gidiş-dönüş verimliliği, basit bir konfigürasyon için (yaklaşık %80 elektroliz verimliliği × yaklaşık %60 yakıt hücresi verimliliği) %48 civarında kalmaktadır ve tam sistemler için bildirilen rakamlar literatürde yaklaşık %28 ile %52 arasında değişmektedir. Bazı araştırmalar, katı oksit sistemleriyle birleştirilmiş daha gelişmiş elektrolizörler için %60'lı rakamlara ve hatta gelecekteki yüksek verimli sistemler için %80'in üzerine işaret etmektedir, ancak mevcut durumda, ana akım konfigürasyonun gidiş-dönüş verimliliği pompalanmış hidroelektrikten daha düşüktür.

Japonya'daki önde gelen bir gösteri alanı, Mart 2020'de Fukushima Eyaleti, Namie'de açılan Fukushima Hidrojen Enerjisi Araştırma Alanı'dır (FH2R). 20 MW'lık bir güneş enerjisi tesisini, 10 MW sınıfında (6 MW nominal çıkış, 10 MW maksimum güç tüketimi) dünyanın en büyük alkali su elektroliz ünitelerinden biriyle birleştiriyor ve 10 MW hidrojen üretebiliyor. Nominal çalışma koşullarında saatte 1.200 Nm³ hidrojen üretiyor. Bunun yaklaşık 560 yakıt hücreli aracı (FCV) doldurmaya yeteceği söyleniyor ve tesis, fazla yenilenebilir enerjiyi hidrojene dönüştüren, depolayan ve kullanan tüm teknoloji zincirini doğrulamak için bir gösteri alanı olarak konumlandırılmış.

Şekil 2 — Hidrojen, elektriği moleküler bir forma dönüştürerek depolar. Hem elektroliz hem de yeniden dönüştürmede kayıplar olduğu için, gidiş-dönüş verimliliği pompalanmış hidroelektrikten daha düşüktür, ancak depolama ortamının üretim ekipmanından ayrılması uzun vadeli, büyük ölçekli depolama için uygundur.

4. İki Teknolojiyi Yan Yana Karşılaştırma

Sadece verimliliğe bakıldığında, pompalanmış hidroelektrik öne çıkıyor, ancak bu koşullu bir avantajdır — "uygun arazi varsa." Hidrojen, düz arazilerde veya mevcut altyapıya sahip alanlarda konuşlandırılabilme yeteneği ve elektrik dışındaki kullanımlarla (endüstriyel hammadde, yakıt hücreli araçlar, gelecekteki yakıt kullanımı) değer paylaşmasına olanak tanıyan çok yönlülük karşılığında verimlilikten ödün verir. Birinin diğerinin yerini alması yerine, araziye, talebe ve mevcut altyapıya bağlı olarak rollerini bölüştürmeleri daha pratiktir.

5. Şebekenin Bakış Açısından Bu Nasıl Görünüyor?

Şebeke operasyonları açısından, ne pompalı hidroelektrik ne de hidrojen depolama bir "enerji santrali" değildir; her ikisi de "zamanı kaydıran cihazlardır". Frekans düzenlemesi gibi saniye ila dakika ölçeğindeki tepkiler, üstün tepki hızlarına sahip piller veya değişken hızlı pompalı hidroelektrik ile en iyi şekilde ele alınır. Saat ila gün ölçeğindeki enerji kaydırması ise, gidiş-dönüş verimliliğinde avantaja sahip olan pompalı hidroelektrik ile en iyi şekilde ele alınır. Ve uzun süreli değişkenlikler için (örneğin, pil veya pompalı hidroelektrik depolama kapasitesinin tek başına karşılayamayacağı, birkaç gün süren kötü hava koşulları veya mevsimsel arz-talep açığı gibi) hidrojen gibi moleküler depolama bir aday haline gelir.

Dengeleme gücü piyasası gibi piyasa tasarımlarında, her hedeflenen tepki süresi için farklı düzenleyici güç ürün kategorileri oluşturulur ve bir depolama teknolojisinin ideal zaman ölçeğini piyasanın ürün tasarımına uyarlamak, her teknolojiden en iyi şekilde yararlanmanın anahtarıdır. Bu piyasa sisteminin ayrıntıları VPP (Sanal Güç Santrali) Temel Bilgileri ve Şebeke Atalet ve Frekans Düzenleme Temel Bilgileri'de ele alınmıştır.

Özet: Verimlilik ve Yer Seçimi Arasındaki Dengeye Bakış

Yerleşik teknoloji ve yüksek gidiş-dönüş verimliliğiyle donatılmış pompalı hidroelektrik, enerji kaydırmayı saatlerden birkaç güne kadar olan zaman ölçeğinde gerçekleştirmiştir. Hidrojen, verimlilikten ödün verir, ancak depolama ortamının üretim ekipmanından ayrılmasının esnekliği, pompalanmış hidroelektrik santrallerinin yapamadığı uzun vadeli, büyük ölçekli depolamaya ulaşmasını ve elektrik üretiminin ötesinde kullanımlara genişlemesini sağlar.

Büyük ölçekli bir depolama projesini değerlendirirken, aşağıdaki noktaları kontrol etmekte fayda var:

1. Hedeflenen zaman dilimi nedir – saatler, günler veya mevsimler?

2. Gidiş-dönüş verimliliği pompalanmış hidroelektrik santralleriyle nasıl karşılaştırılır?

3. Tasarım, yerleşim koşullarına (arazi, arazi, mevcut altyapı) ne kadar bağlıdır?

4. Elektrik üretiminin ötesindeki kullanımlarla (endüstriyel kullanım, yakıt olarak kullanım) değer paylaşabilir mi?

Bu dört noktayı akılda tutmak, pompalanmış hidroelektrik santrallerini ve hidrojen depolamasını "eskiye karşı yeni" bir rekabet olarak değil, farklı zaman dilimlerine uygun tamamlayıcı teknolojiler olarak okumanızı sağlar.

Referanslar

• ABD Enerji Bilgi İdaresi — Şebeke ölçekli bataryalar ve pompalı depolama, depoladıkları elektriğin yaklaşık %80'ini geri veriyor
• NREL — Pompalı Depolamalı Hidroelektrik, Yıllık Teknoloji Temeli
• TEPCO Yenilenebilir Enerji — Temsili hidroelektrik santralleri (Kannagawa Enerji Santrali)
• Toshiba Enerji Sistemleri ve Çözümleri — Fukuşima Hidrojen Enerjisi Araştırma Alanı (FH2R)
• NEDO — Fukuşima Hidrojen Enerjisi Araştırma Alanı Hakkında Materyaller
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Hidrojen Politikası
• IEA — Hidrojen
• Uluslararası Hidroelektrik Birliği — Pompalı Depolama )