Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES)
Merhabalar, bu yazımda süperiletken teknolojisinden ve bu teknolojinin uygulama alanlarından bir tanesi olan süperiletken manyetik enerji depolama sisteminden bahsedeceğim.
SÜPERİLETKEN NEDİR?
Süperiletken manyetik enerji depolamasından bahsetmeden önce süperiletken kavramından biraz bahsetmek istiyorum. Süperiletkenler olarak adlandırılan maddeler, maddenin elektriksel direncinin sıfır olduğu ve manyetik değişim alanlarının kaybolduğu karakteristik bir kritik sıcaklığın (Tc) altındaki derecelere soğutulduğunda ortaya çıkan bir olgudur. Süperiletkenlik kavramının ilk ortaya çıkması Nisan 1911'de Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes tarafından yapılan deneysel çalışmalara dayanmaktadır. İlk deneysel çalışmalarda metalik cıva kullanılmış ve metalik cıvada 4.2 Kelvin sıcaklığında süperiletkenliği keşfetmiştir. Sonrasında devam edilen çalışmalarda 4.2 K olan bu sıcaklık, 23 K üzerine çıkmıştır. Sonrasındaki çalışmalarda, malzeme noktasında en önemli kırılmalardan bir tanesi yaşanmıştır. Bu çoğu bilim insanının beklentisi olan metal alaşımlardan değil, bakır oksit düzlemine sahip LaBaCuO seramik malzemesinde 30 Kelvinlik Tc değeri elde edilmiştir. Araştırmalar bu yönde hız kazanmış ve en son sıcaklık olarak 164 K elde edilmiştir. 2000'li yıllarda metal alaşımlarda da 39 K’e çıkılmış ve ilerleyen süreçte de metal alaşımlarda en yüksek sıcaklık değeri 56 K’e kadar yükselmiştir. Bu konuda çalışmalar halen devam etmektedir. [1]
Süperiletkenleri sınıflandırmak istersek;
1-Manyetik Alana Tepkilerine Göre: Bir süperiletken Tip I olabilir, yani tüm süperiletkenliğin kaybolduğu ve manyetik alanın süperiletkenden tamamen atıldığı tek bir kritik alana sahiptir. Bir diğer süper iletken ise Tip II, yani manyetik alanın izole noktalardan kısmi penetrasyonuna izin verdiği iki kritik alana sahiptir. [2]
2-İşleyiş Teorisine Göre: BCS teorisi veya Bardeen-Cooper-Schrieffer teorisi, Heike Kamerlingh Onnes’in 1911 keşfinden bu yana ilk mikroskobik süperiletkenlik teorisidir. Bu teoriye uygun olup olmaması da bir sınıflandırma çeşitidir. [3]
3-Kritik Sıcaklığa Göre: Bir süper iletken, 30 K (-243.15 °C) sıcaklığın üzerinde bir süper iletken duruma ulaşırsa genellikle yüksek sıcaklık olarak kabul edilir. 30 K altında bir süper iletken duruma ulaşırsa da düşük sıcaklık olarak kabul edilir.[4]
4-Maddesine Göre: Süperiletken maddelerin arasında kimyasal elementler , alaşımlar, seramikler, demir bazlı süperiletkenler ve organik süperiletkenler vardır.[5]
SÜPERİLETKEN MANYETİK ENERJİ DEPOLAMA (SMES)
Enerji depolama sistemi, uygun güç kalitesini sağlamak ve yenilenebilir kaynakların penetrasyonunu arttırmak için önemli bir teknolojidir. Her biri belirli performanslar sunan çeşitli enerji depolama teknolojileri vardır. Bunlar arasında, süperiletken manyetik enerji depolama, bekleme modundan tam güce kadar hızlı tepki süresi de dahil olmak üzere önemli avantajlar sunar. Elektrik enerjisini doğru akım (DC) olarak depolar. Son 30 yılda bu enerji depolama sistemi, yüksek sıcaklıklı süperiletken (HMS) malzemelerinin keşfedilmesiyle iyice önem kazandı. Bu teknolojinin gelişmesiyle beraber avantajları da artmaya başladı. Bu avantajlardan bahsetmek gerekirse;
- Büyük miktarda gücü depolama ve bunu geri verme
- Yüksek verimlilik
- Uzun ömürlülük
- Kısa tepki süresi
- Düşük bakım maliyetleri
Bakım maliyetlerinin düşük olmasına karşın şuan bu enerji depolama sistemlerini kurmak maliyetlidir. Bunun ana sebebi süperiletken malzemelerinin pahalı olmasıdır.[6]
SMES sistemleri ile diğer enerji depolama sistemlerini bazı özellikler bakımından karşılaştırmak gerekirse; güç kapasitesi en yüksek sistemlerden bir tanesidir ancak daha önce de bahsettiğim üzere maliyeti diğer sistemlere göre fazladır. Nominal kapasitede deşarj konusunda da en hızlı olan sistem SMES sistemidir. Tepki süresi de çoğu sistemde olduğu gibi milisaniyelerdedir. Depolama sistemleri arasında en uzun ömürlü sistemlerdendir. Günlük parazit kaybı konusunda ise bazı depolama sistemlerden geri durumdadırlar. Bu ve daha fazla karşılaştırma için aşağıdaki tabloyu inceleyebilirsiniz.[7]
Bu sistemin de ihtiyaç duyduğu bazı malzemeler vardır. İlk olarak bir süper iletken bobine ihtiyaç duyar. Diğer cihazlarda olduğu gibi, iki yönlü güç akışı için güç dönüştürme cihazlarına da ihtiyaç duyar. Kullanılan bobin, tellerde süperiletken durumu korumak için yeterince düşük bir sıcaklıkta muhafaza edilmelidir. Sıcaklık yaklaşık 4.5 K olarak ayarlanabilir. Helyum veya sıvı azot, bu sıcaklığa ulaşmak ve korumak için bir soğutucu olarak kullanılabilen maddelerdir. Akım, üstündeki voltaj kaldırıldıktan sonra bile her zaman bir süper kapasitörde akmaya devam edecektir; süper iletkenin neredeyse sıfır dirence sahip olduğu gerçeği bu ifadeyi açıklar. Depolanan enerji doğası gereği endüktiftir ve şu şekilde ifade edilebilir: [8]
E = (1/2)*L*I²
SMES’de BOBİN TEKNOLOJİSİ
SMES sistemlerinde bobin, sistemin ana elemanıdır ve bobin tasarımı Virial yasayı takip eder ve yasa şu şekilde gösterilir:
burada;
- Mst bobinin kütlesidir
- Qc basınç kalite faktörüdür ve değeri SMES’lerin bobin konfigürasyonuna bağlı olarak 0–1 arasındadır
- Pst konfigürasyon yoğunluğudur; σst ortalama tasarım stresidir
- E bobinde depolanan enerjidir.
Süperiletken bobinini 2 farklı şekilde ayırabiliriz. Birincisi toroidal bobin ve diğeri solenoid bobindir. Toroidal bobin, orta ölçekli ve küçük ölçekli SMES’ler için uygundur ve bu bobinin bazı avantajları vardır. Bunlardan bazıları manyetik alan sızıntısını azaltır ve taban alanını azaltır. Solenoid bobin büyük ölçekli SMES’ler için uygundur. Bu bobinin avantajı, basit bir yapıya sahip olmasıdır ancak sızdıran manyetik alanlar üretir.[9]
GÜÇ DÜZENLEME SİSTEMİ - POWER CONDITIONING SYSTEM (PCS)
PCS, SMES bobini ile güç sistemi arasındaki arayüzdür, genellikle iki tip arayüz vardır. Bunlar, akım kaynağı dönüştürücü (CSC) PCS ve voltaj kaynağı dönüştürücü (VSC) PCS. Büyük ölçekli SMES’lerde VSC-PCS’ler de kullanılır. CSC-PCS’lerin yapılandırması VSC-PCS’lere kıyasla basittir ve ayrıca kontrolü daha kolaydır. En önemli özellik, bir CSC-PCS ile güç değişiminin tepkisinin bir VSC-PCS’den çok daha hızlı olmasıdır, bunun nedeni SMES’lerin enerjiyi DC akım şeklinde depolamasıdır. CSC-PCS tekniği orta ve küçük ve orta ölçekli işletmeler için uygundur, paralel bağlantılı birkaç CSC-PCS modülü yüksek veya ultra yüksek güç durumunda kullanılabilir. SMES’ler için PCS kontrol stratejileri çok önemlidir. Stratejiler SMES sistemlerinin kapasitesine, güç sisteminin istikrarına, AC harmonik dalgasına ve daha birçok özelliğine bakılıp seçilmelidir. Stratejilerin yanlış seçilmesi durumunda birçok olumusz sonuç ortaya çıkar.[10]
SMES’lerin UYGULAMA ALANLARI
Enerji depolama sistemleri her zaman önemli bir konumda olmuştur ve bu sistemlerin gelişmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Yıllar geçtikçe de bu sistemler gelişmeye devam etmekte ve verimlilikleri kapasiteleri gibi birçok özelliği artmaktadır. SMES sistemleri de bulunduğu andan itibaren birçok alanda kullanıldı. SMES sistemlerinin diğer enerji depolama sistemlerine göre avantajlarından da zaten bahsettik. Maddi anlamda da bu sistem ucuzladıkça kullanım alanı genişleyerek devam edecektir.
Şimdi ise 1980'lerden şimdiye kadar SMES sisteminin kullanıldığı yerleri hep beraberce inceleyelim.1982–1983 yıllarında Tacoma BPA (Bonneville Power Administration) trafo merkezinde 30MJ SMES sistemi kuruldu, sistemi 1200 saat boyunca istikrarlı bir şekilde çalıştı ve sonuçları sistemin tasarım gereksinimlerini karşıladığını gösterdi. Bu sonraki çalışmalar için de umut veren bir gelişmeydi.[11]
Süperiletken enerji depolama araştırma derneği 1986 yılında Japonya’da kuruldu, görevi SMES’leri kullanarak pratik uygulamayı teşvik etmektir. 1991 yılında Kyushu Electric Corporation, 60KW’lık bir hidroelektrik jeneratörün stabilitesini artırmak için 30KJ’LİK bir SMES tasarladı; test sonuçları geldiğinde ise bu sistemin amacını karşıladığı anlaşıldı.[12]
Rusya’da, 1988 yılında üretilen T-15 süperiletken mıknatıs, kapasitesi 370–760MJ’YE ulaştı. 1990'lardan bu yana, Rusya araştırmacıları 100MJ/20MW enerji depolama mıknatısının tasarımını sürdürdüler. Kore’de 1MJ / 300kVA SMES sistemi, kesintisiz güç kaynağı (UPS) olarak üretilmiştir, 3 saniyelik güç kesintisinin başarıyla telafi edildiği ve yüksek çevrimiçi verimlilik (% 96), düşük çıkış voltajı (% 2,5 ) ve giriş akımına (% 3) ulaşılmıştır.[9]
2005 yılında, Kore Elektroteknoloji Araştırma Enstitüsü, 1000A çalışma akımıyla güç kaynağı kalitesini iyileştirmek için bir 3MJ / 750kVA SMES sistemi tasarladı. DGA (Délégation Générale pour L’Armement), Fransa’daki uygulamalı süperiletkenlik araştırmalarını güçlü bir şekilde desteklemektedir. Sıvı helyumda soğutmalı Bi-2212 bantlar kullanılarak inşa edilen başarılı bir 100kJ SMES’ten sonra, DGA bu teknolojiyi 20K’da çalışma sıcaklığı ile daha yüksek bir enerji depolama seviyesinde geliştirmek zorunda kaldı. 2004 yılında, DGA’nın 20K’da faaliyet gösteren 800kJ HTS SMES inşa etmeyi amaçlayan bir proje yaptı ve akım yoğunlukları 300MA / m2'yi (20K, 5T) aştı.[13]
SONUÇ
HTS teknolojisinin gelişmesiyle beraber bu tarz çalışmalar da artmaya devam edecektir. Süperiletken malzemelere ve SMES sistemine olan yatırımlar da git gide artıyor. Önümüzdeki yıllarda bu teknoloji daha da ucuz hale gelecek ve bunun sonucunda depolama alanında kullanılması da artacaktır.
REFERANSLAR
[1]http://cesur.ankara.edu.tr/superiletkenlik-hakkinda/
[2] “Superconductivity | CERN”. home.cern. Retrieved 2020–10–29.
[3] Gibney, Elizabeth (5 March 2018). “Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity”. News. Nature. 555 (7695): 151–2. Bibcode:2018Natur.555..151G. doi:10.1038/d41586–018–02773-w
[4] Grant, Paul Michael (2011). “The great quantum conundrum”. Nature. Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited. All Rights Reserved. 476 (7358): 37–39. doi:10.1038/476037a
[5] Hirsch, J. E.; Maple, M. B.; Marsiglio, F. (2015–07–15). “Superconducting materials classes: Introduction and overview”. Physica C: Superconductivity and Its Applications. Superconducting Materials: Conventional, Unconventional and Undetermined. 514: 1–8.
[6] Gholizad B. (2016) Superconducting technology for power and energy management.
[7] Sun, Q. , Xing, D. , Alafnan, H., Pei, X. , Zhang, M. , & Yuan, W. . (2019). Design and test of a new two-stage control scheme for SMES-battery hybrid energy storage systems for microgrid applications. Applied Energy, 253. https://0-doi- org.divit.library.itu.edu.tr/10.1016/j.apenergy.2019.113529
[8] Dezza F. (2017) Analytical Analysis of 3kV DC Railway Regenerative Braking Energy Storage System with Current Controlled DC-DC Bidirectional Converters
[9] Wen J. , Jian X. Jin , You G. Guo , Jian G. Zhu (2017) Theory and Application of Superconducting Magnetic Energy Storage
[10] Morandi A.(2019) International Workshop on Supercapacitors and Energy Storage University of Bologna, Italy
[11] J. D. Rogers and H. J. Boenig, “Operation of the 30MJ Superconducting Magnetic Energy Storage System in the Bonneville Power Administration Electrical Grid,” IEEE Transactions on Magnetics, vol.21, pp752–755, 1985
[12] F Irie, and M. Takeo, “A field Experiment on Power Line Stabilization by a SMES System,” IEEE Transactions on Magnetics, vol.18, pp426–429, 1992.
[13] H. J. Kim and K. C. Seong, “3 MJ/750 kVA SMES System for Improving Power Quality,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.16, pp574–577, 2006.
