Akış Pilleri (Flow Batteries)
Enerji kaynaklarını daha önce IEEE TRSB PES olarak farklı boyutlardan pek çok kez ele alsak da enerji ihtiyacımızı rüzgar, güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılayabilmek için için enerji depolanma çözümleri halen yeterli değil. Dünyada özellikle COVID-19 ile birlikte petrol ve rafineri işlemleri geri plana atılmaya başlandı, birçok büyük petrol firması ise hidrojen enerjisine yönelmeye başladı. Tüm bu çalışmalar temiz enerji dönüşümünün eksik parçası olan enerji depolama çözümünü geliştirmek üzeredir.
Konuya başlamadan ve akış pillerini detaylandırmadan önce batarya-pil anlamlarını biraz bahsetmek gerekiyor. Batarya, farklı kimyasalların ilişkisi yardımıyla kimyasal enerjiyi elektriğe çevirebilir. Burada elektron akışı da yaşanır, bu elektron akışı ile birlikte elektrik akımı oluşur. Genellikle iki kimyasalın arasına bir membran konulur, iki kimyasala da akışı sağlayacak kablolar bağlandığında bu akım gerçekleşir. Kullanılan kimyasallar, bataryaların isimlerinde de bulunur. Duymuş olacağınız bazıları; Lityum-İyon, Alkaline, Nikel-Cadmium gibi [1]. Pil ve batarya farkı İngilizce’de dilimizdeki kadar farklı olmasa da Türkçe’de pil kimyasallardan oluşan bir hücre, batarya ise pillerin birleştirilmiş haline deniyor diyebiliriz.
Lityum-İyon Pilleri aslında hepimizin farkında olmadığı yaşlardan beri kullandığı bir enerji depolama çözümüdür. Teknolojiyle büyüyen yeni nesil olarak fark etmesek de günlük hayatımızda da çoğu elektronik alette bu tür pillere rastlıyoruz. Hatta bu pillerin bize kazandırılmasında etkili olan 3 araştırmacı da 2019 yılında Kimya Nobel Ödülü’nün sahibi oldu [2]. Akış pillerine ve özellikle son zamanda bilim insanları çevresinde kazandıkları bilinirliğe geçmeden önce Lityum-İyon pillerinin niçin elektronik aletler dışında, büyük enerji ve güç potansiyelleri gerektiren alanlarda kullanılmadığından bahsetmek istiyorum. Çünkü akış pillerini incelerken ‘Zaten Lityum-Ion piller de var, buna gerek var mı?’ gibi sorular akla gelebilir ve asıl konuya geçmeden bu soru işaretinin kafamızda hiç oluşmamasını sağlamak daha elverişli. Lityum pillerde kullanılan pek çok hammadde dünyada çok bulunan bir malzeme olmadığı gibi bunun kullanımının da pek sürdürülebilir hedeflere uyduğu söylenemez. Sürdürülebilirlik kaygıları bir kenara dünyada bu rezervlere sahip ülke sayısı da son derece kısıtlıdır. Öte yandan halihazırda kısıtlı bir üretim kapasitesine sahipken lityum pil talebini ivmelendirecek bir yaklaşım ekonomik ve teknik açıdan pek mümkün görünmemektedir. Bu perspektiften bakıldığında lityum piller her ne kadar son 10 yılda ucuzlasa ve üretim kapasitesi artsa da halen pahalı ve kritik bir ürün olmaya devam etmektedir. Bu yüzden de kullanım alanları elektronik cihazlar, elektrikli araçlar vb uygulamalar özelinde önceliklendirilmekte [3].
Paris Antlaşması ile birlikte küresel ısınmanın etkilerinin azaltılması, karbon ayak izinin sıfırlanması veya düşürülmesi gibi çalışmalar dünyada devletlerin ve şirketlerin ana merak konularından biri haline geldi. Bu konuda enerji endüstrisine düşen en büyük sorumluluklardan biri de yenilenebilir enerjiye geçiş. Fosil yakıtların kullanımı ekonomik eşitsizliklere, çevresel kirliliğe ve buna bağlı hastalıklara neden olmaktadır. Bu sebep ile dünyada yenilenebilir enerji üretimi ve buna bağlı tüketimi bir zorunluluktur.
Güneş ve rüzgar enerjisi kullanılırken ise akıllara takılan en büyük sorun bu enerji kaynaklarının müdahale edilemeyen parametrelere göre kesintili üretimlere sahip olması. Güneş panelleri kullanımdayken “Bulutlu günlerde veya geceleri güneşin yokluğunda enerji nasıl sağlanacak?” veya rüzgar türbinlerinden yararlanırken rüzgarın eksikliğinde ne olacak gibi sorular akıllarda mutlaka yer ediniyor. Şayet bahsi geçen bu belirsizlik günün herhangi bir anında sıfırlayan saatlik kesintiler olduğu gibi bütün bir mevsimi kapsayan periyodlar da olabilmektedir. Bu sorunu çözmek için ihtiyacımız olan şey ise grid-scale yüksek kapasiteli bir enerji depolama çözümüdür.
Akış pilleri, elektrolitlerin bir veya daha fazla tanktan bir veya daha fazla elektrokimyasal hücreden aktığı/geçtiği yeniden şarj edilebilir pil türleridir. Basit bir akış pili ile tanklarda depolanan elektrolit miktarını artırarak enerji depolama kapasitesini artırmak kolaydır, yani elektrolit miktarı arttırılarak daha fazla enerji depolanabilir. Elektrokimyasal hücreler, elektriksel olarak seri veya paralel olarak bağlanabilir; böylece akış pil sisteminin gücünü değişebilir ve farklı ortamlara uyum sağlayabilir.
Enerjinin elektrik ve depolanmış kimyasal enerji arasındaki geçişi sistemde bulunan elektrokimyasal hücrede gerçekleşir. Bu ortada bulunan hücre iki kimyasal maddenin yarı saydam bir maddeden ayrıldığı alandır. Elektron değişimi de burada gerçekleşir. Böylece elektron, iyon değişimleri en düşük kayıp ile bu ortamda gerçekleşebilir. Şarj ve deşarj sırasındaki redoks reaksiyonları yarım hücrelerin elektrotlarında gerçekleşir [4].
Hücre gerilimi (cell voltage), negatif elektrottaki reaksiyon ile pozitif elektrottaki reaksiyon farkından oluşur. Şarj sırasında, pozitif elektrottaki yarım hücredeki elektroaktif kimyasal maddenin oksidasyonu yoluyla salınan elektronlar, negatif elektrot yarım hücresine iletilir. Bu depolanan enerji harcanırken ise tam tersi yönde olaylar gerçekleşir. Elektroaktif maddeler redoks çiftlerdir, yani bir süreç ile yeniden dönüşebilirler.
Elektroaktif maddeler olarak daha önceden belirttiğim gibi redox çiftleri kullanılır. Buna zinc-brom, demir-krom gibi farklı maddeler olabilir. Kullanımı en çok bilinen ve kullanılan maddeye ise Vanadyum’un farklı değerliklikleri ile kullanılmasını örnek verebiliriz.
-Daha genel bir yazı olması için çok fazla kimyasal açıdan detaya girmeyeceğim, bu süreci görselleştirerek öğrenmek çok daha uygun. Yazı sonuna eklediğim videolardan yararlanabilirsiniz.-
Akış pillerini Lityum-iyon teknolojisine karşı güçlü bir alternatif yapan ve özellikle büyük ölçülerde kullanılmasını sağlayacak önemli avantajları mevcut. Bu avantajları kısaca sıralayabiliriz:
- Lityum-iyon bataryalar gibi paralel ve seri farklı konfigürasyonlar tasarlanarak esnek güç ve enerji kapasiteleri elde edilebilmektedir. Hatta kapasite artışını sağlamak Akış Pillerinde daha basittir.
- Kullanılan maddelerin özelliklerinden dolayı diğer bataryalara göre uzun ömürlüdür. Ortalama 10.000 şarj olmaya kadar çalışabilmektedirler. [3]
- İçerdikleri malzeme ve proses nedeniyle zehirli gaz salınımına neden olmamaktadırlar.
- Tepki süreleri lityum-iyon batarya sistemleri gibi oldukça iyidir. Bu sayede primer ve sekonder frekans regülasyonu gibi yan hizmetlerde kullanılmaya müsaittir.
- Yanıcı maddeler içermemesi ve elektrolitlerin güç kısmından uzakta depolanabilmesi nedeniyle güvenlidirler. Bu yönleriyle lityum bataryalardan öne çıkmaktadırlar [4].
Öte yandan akış bataryalarının önemli iki dezavantajı mevcuttur. Bunlardan birincisi lityum batarya sistemlerine göre düşük enerji yoğunluğuna sahip olmalarıdır. Bu özellikleri ile elektrikli araçlar, mobil cihazlarda kullanılması mümkün olmasa da asıl açık olan grid-scale depolama için olumsuz bir etmen değildir. Fakat bir diğer önemli dezavantaj ise pilde kullanılan Vanadyum maddesinin de kritik bir hammadde olması ve bu açıdan Çin’e bağımlılık yaratmasıdır.
Çin Halk Cumhuriyeti’nin ise büyük düzeydeki uygulamalarda öncü olduğunu belirtmek pek de yanlış olmaz. Özellikle son yılarda yaptığı yatırımlar ile güneş panellerini destekleyecek bataryalar kurma konusunda çok kararlılar. Son olarak Vanadyum redox akış bataryası 100MW’lık bir kapasitedeki solar enerji santraline kurulacak[5].
Aşağıya daha detaylı olarak öğrenebileceğiniz videoları ekliyorum, iyi seyirler!
References
[1]Northwestern University.(n.k). Power system. Retrieved May 12, 2021, from https://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/Power/1-what-are-batteries.html
[2]Erdem, E. (2019, October 17). 2019 Nobel Kimya ödülü: Lityum IYON PILLERI. Retrieved May 12, 2021, from https://sarkac.org/2019/10/2019-nobel-kimya-odulu-lityum-iyon-pilleri/
[3]DNewsChannel, . (Director). (2019, May 15). Giant flow batteries could power your city in the future [Video file]. Retrieved May 12, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=_qsKUVQtAhA&ab_channel=Seeker
[4]IFBF.(n.k). What is a flow battery? Retrieved May 13, 2021, from https://flowbatteryforum.com/what-is-a-flow-battery/
[5]Colthorpe, A. (2021, March 16). China’s largest solar-plus-flow battery project will be accompanied BY VRFB ‘GIGAFACTORY’. Retrieved May 14, 2021, from https://www.energy-storage.news/news/chinas-largest-solar-plus-flow-battery-project-will-be-accompanied-by-vrfb
