Sürdürülebilir bir enerji depolama çözümü

Temiz enerji dönüşümü halen devam ediyor. Elimizde bulunan sınırsız güneş ve rüzgar enerjisi kaynaklarıyla, küresel yenilenebilir enerji kapasitesi 2022 sonu itibarıyla 3.372 GW’a ulaştı. 2022 yılı, tüm yeni eklenen kapasitenin %83’ünün yenilenebilir olduğu bir yıl oldu.^[1] Ancak bu rakamlar, üretildikten sonra bu temiz enerjinin nasıl kontrol edileceği, dağıtılacağı ve konuşlandırılacağı ile ilgili olarak süregelen bir zorluğu maskelemektedir.

Modern toplum, evlerimizi ısıtmak, fabrikalarımızı işletmek ve teknolojimizi şarj etmek için 7/24 enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Ancak insanların ihtiyaçlarıyla paralel bir tempoda rüzgar esmez veya güneş açmaz. Güneş açmadığında veya türbin kanatları rüzgarsız gökyüzünde hareketsiz kaldığında ne olur?

Bu soruya en iyi ve gerçekten de tek yanıt, günümüzde yeşil enerjiyi depolama kullanılan pillerin yerine başka bir yol bulmak olacaktır.

Yeterli pil teknolojisi olmadan, toplum asla fosil yakıtlardan tamamen kurtulamaz. Ve tedarikteki durgunlukları telafi etmek veya talepteki ani artışları karşılamak için ‘enerji talebinin zirve yaptığı anlarda’ petrol ve kömür jeneratörlerine bel bağlamaya devam eder. Piller, yeşil enerji kaynağı ile tutarsız ve çok yönlü elektrik talepleri arasındaki zincirdeki ‘eksik bağlantı halkasıdır’. Bunlar, net sıfır gelecek için bize yol gösterecek ve iklim değişikliğinin en kötü etkilerini muhtemelen bertaraf edecek köprüdür.

Ayrıca enerji faturalarında da uzun süredir beklenen etkiyi yaratabilirler. Yalnızca Birleşik Krallık’ta, düşük karbonlu enerji, ısıtma ve taşıma sistemlerini kapsayan sofistike bir pil depolama ağı, 2050 yılına kadar 40 milyar İngiliz sterlini tutarına kadar tasarruf sağlayabilir; bu, yalnızca çevreciler için değil, aynı zamanda maddi zorluk yaşayan aileler için de iyi bir haberdir.^[2]

Lityum, daha temiz bir geleceğe giden yola öncülük ediyor

Önemli miktarda yeşil enerji depolamak için kullanılan pil teknolojileri genellikle lityum-iyon pillere dayanır. Lityum-iyon pil üniteleri küçük (cep telefonları), orta (otomobiller) veya son derece büyük (elektrik şebekeleri) sistemler için genellikle varsayılan enerji depolama ortamı olarak kabul edilir.

Ancak şebeke ölçeğinde kullanıldıklarında enerji sektörünün karbon ayak izinde büyük bir artışa neden olma potansiyeline sahiptir. Enerji sektörü şu anda tüm küresel CO₂ emisyonlarının %40’ından fazlasını oluşturmaktadır.^[3]

Hem ekonomik hem de dayanıklı lityum iyon piller binlerce kez kullanılabilir ve şarj edilebilir, hemen hemen her kapasitede üretilebilir ve her senaryo için nispeten güvenli ve düşük maliyetli bir çözüm sunabilir. Şu anda piyasadaki şebeke ölçeğindeki sistemlerin %95’ini oluşturan lityum-iyon piller, bu üstünlükleriyle piyasada sağladıkları tam hakimiyeti kanıtlamaktadır.^[4]

Yarım asırlık temel lityum-iyon teknolojisi, modern sürümleriyle enerjiyi şebekede depolamak ve şebekeden dağıtmak için optimum bir yöntemi koordine etmek üzere algoritma odaklı yazılımdan faydalanır.

Teknik düzeyde, lityum iyonlarını elektrotlar arasında aktararak şarj ve deşarj olurlar. Lityatlı metal oksitler genellikle depolama için katot olarak ve karbon ise ekstraksiyon için anot olarak kullanılır.

Hassas tasarımları ve kimyaları, modelden modele değişiklik gösterir ancak lityum iyonların diğer enerji depolama cihazlarına göre üstün enerji yoğunluğuna ve maliyet etkinliğine sahip olduğu yaygın olarak kabul edilir. Kapasiteleri, kısa süreli birkaç KW’lık depolamadan yardımcı trafolar için uygun yüksek megavat değerlerine sahip varyantlara kadar değişebilir.

Ancak lityum iyonlar mükemmel değildir. Deşarj hızları ve hatta iklim koşulları bile verimlilik seviyelerini etkiler. Elbette bozunma kaçınılmazdır ve lityum iyonların bileşen sayısının fazla olması çinko-hibrit eş değerlerinden daha sıkı bir pil yönetim sistemi gerektirir.

Yine de bu teknolojiye olan güven halen yüksektir ve ciddi bir yatırım potansiyeli vardır. Bu ivme arttıkça, sektörün yeşil enerji depolama çözümlerine olan iştahını karşılamak için içinde bulunduğumuz on yılın sonuna kadar yaklaşık 120 ila 150 yeni pil fabrikasına ihtiyaç duyulacağı tahmin ediliyor.^[5] Geçen yıl yapılan bir araştırma, lityum-iyon pillerin mineral madenciliğinden geri dönüşüme kadar olan yolculuğunun tamamını kapsayan yaşam zincirinde bugünden 2030 yılına kadar %30 oranında bir büyüme gerçekleşeceği ve 4,7 TWsa pazar büyüklüğüne ve 400 milyon ABD dolarının üzerinde finansal değere ulaşacağını göstermektedir.

Lityum-iyon üniteler endüstri lideri olarak kalsalar bile, enerji depolama sektörünü daha da güçlendirebilecek alternatifler üzerinde araştırmalar devam ediyor.

Gözler, oyunun kurallarını değiştirecek teknolojiye sahip bir pilin üzerinde

Lityum iyonların verimliliğine eşit veya hatta bunları aşabilecek konsept pil teknolojileri üzerine yapılan araştırmalar bazı etkileyici sonuçlar ortaya koymaktadır.

• Sodyum iyonlu piller: Lityum tedariki azalırsa veya pazarın çeşitlenmesi gerekirse, sodyum-iyon güçlü bir alternatif olacaktır. Lityum eş değerlerine kıyasla sodyum iyon üniteleri daha düşük enerji yoğunluklarına (kg başına 170-190 watt-saate karşı kg başına 120-160 watt-saat) ve daha kısa ömür döngülerine (4.000 ila 8.000 şarja karşı 2.000 ila 4.000 şarj) sahiptir, ancak üretim maliyetleri beş kata kadar daha düşüktür.^[6] ‘Termal kaçak’ (yanıcı elektrolitlerin kontrol edilemeyen ısınması) potansiyelinin daha düşük olması nedeniyle daha güvenli olduğu kabul edilebilir. Sadece 2023 yılında en az altı yeni üretici sodyum-iyon pil üretimine başladı.
• Akış pilleri: Bu dev şarj edilebilir yakıt hücreleri, sıvı içinde çözünen ve bir membrana bölünen bir çift kimyasal bileşen aracılığıyla enerji üretir. Çalışırken, elektronlar yeniden doldurulmadan ve depolama tankına geri getirilmeden önce elektronları çıkarmak için elektrotlar aracılığıyla tanklardan elektrolitler pompalanır. İlk akış pilleri nadir ve maliyetli bir metal olan vanadyum gerektiriyordu, ancak daha sonra bazı teknolojik gelişmeler sayesinde vanadyumun yerine elektronları yakalayıp salan daha sürdürülebilir organik bileşiklere yönelindi. Bu tür cihazlar bir günde binlerce eve saatlerce güç sağlayabilir. Akış pilleri, birçok katı elektroaktif maddeden daha düşük enerji yoğunluklarına ve deşarj hızlarına sahip olsa da şebeke ölçeğinde uygulanabilir olduklarını hızla kanıtlıyorlar. Geçen yıl Çin liman şehri Dalian, 100 MW’lık bir akış piliyle 400 MWsa kapasitede çalışmaya başlayarak bölge sakinlerinin rüzgar ve güneş enerjisinden büyük ölçüde yararlanmasına olanak sağladı.

• Basınçlı hava enerjisi depolama: Bu sistemde üretilen fazla enerji, havayı sıkıştırarak elektrik üretmek için döner türbinden kademeli olarak serbest bırakılmadan önce büyük, basınçlı bir kapta depolamak için kullanılır. Maliyetleri en aza indirmek için basınçlı hava bazen kullanılmayan tuz madenleri gibi zaten var olan tesislerde saklanabilir. Bu teknoloji yeni olmasa da güç boşaltma anında sıkıştırma ile üretilen ısıyı tekrar bir genleşme katalizöründe saklamayı amaçlayan yöntemler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. Birleşik Krallık’ta, üniversite liderliğindeki bir projede, derin deniz ‘enerji torbalarının’ depolama tankı olarak kullanılması araştırılmaktadır. Bu yöntem kullanılarak, depolanan enerji birimi başına maliyet, pompalayarak depolamadan (50 GBP / kWsa) veya elektrokimyasal depolamadan (500 GBP / kWsa) önemli ölçüde daha ucuz olan 1-10 GBP / kWsa seviyesine düşebilir.^[7]
• Mekanik yer çekimi pilleri: Bu sistemlerde, bir kuleye vinçle kaldırılan ve daha sonra enerji kıtlığı dönemlerinde doğal yer çekimi kuvveti ile elektrik üretmek için inmelerine izin verilen ağırlık blokları kullanılır. Mantıklıdır; ne de olsa, yükselen şey aşağı inmelidir. Bir yer çekimi pilinin kütlesi, kademeli inişiyle birleşerek çok büyük miktarda tork yaratır ve anında maksimum güç üretir. Bu tür mekanik yer çekimi pilleri, elektrik kesintisi ve altyapı hasarı riski taşıyan dalgalanmaları ortadan kaldırarak şebeke dengesinin korunmasına da yardımcı olabilir. İsviçre merkezli Energy Vault, her biri bu teknolojinin çok yönlülüğünü göstermek için tasarlanmış iki yer çekimi pili projesinin son dokunuşlarını bu yıl tamamlıyor. Şanghay, Çin yakınlarında bulunan bir tesis 3.400 eve enerji sağlamak için 100 MWsa enerji depolama kapasitesine sahip olacak. Teksas, ABD’de bulunan başka bir sistem, toplam enerji kapasitesi 36 MWsa olan 140 metre (460 fit) yüksekliğinde bir yapıya sahiptir.^[8]
• Kum pilleri: Geliştirilme sürecindeki bu teknoloji, genellikle rüzgar veya güneş kaynaklarından üretilen enerjiyi yüksek sıcaklıkta ısıyı depolamak için kum veya benzer bir maddenin kullanıldığı ortamlarda saklar. Konuşlandırıldıktan sonra bu enerji, binaları doğrudan ısıtmak veya genellikle fosil yakıtlara dayanan endüstriyel süreçlere buhar sağlamak için kullanılabilir. Teknoloji kitlesel olarak benimsenmeyi bekliyor olsa da Finlandiya’da hali hazırda işleyen bir örneği zaten var. Vatajankoski elektrik şirketi tarafından işletilen Kankaanpää kasabasındaki kum pili, ticari ve konut amaçlı binaların ısıtılmasında kullanılıyor. Kum ve ısı transfer boruları ile doldurulmuş yalıtımlı çelik bir silodan oluşan kit, 600 santigrat dereceye ulaşabilir ve dolduğunda 8 MWsa’e kadar termal enerjiyi saklayabilir. Yüksek sıcaklık toleransına sahip kum, eş değer hacimdeki bir su tankında bulunabilecek enerji miktarının birkaç katını tutabilir; ancak bu ısıyı tekrar elektriğe dönüştürürken şu an sadece %30 oranında verimlilik sağlayabilir. Kum pilleri dayanıklı bir çözüm olabilir, herhangi bir kimyasal reaksiyonun olmaması, normal pillerin aşınma ve yıpranma sürecinden kurtulmak anlamına gelir. Finlandiya’daki bu projenin arkasındaki ekip, kum pillerinin bir gün dünyanın dört bir yanında bölgesel ısıtma sistemleri şeklinde uygulanabileceğine inanıyor ve bu teknoloji için büyük umutlar besliyor.[9]

Pil depolama teknolojilerinin potansiyelini en üst düzeye çıkarmak için paydaşlar, fonları doğru araştırma alanlarına yönlendirmeli ve bu endüstride büyük ölçeklere ulaşılmasını sağlamalıdır. Bu sektörün, hem çevreye hem de kâr-zarar hanesine fayda sağlamak için tüm değer zinciri boyunca sürdürülebilirlik, şeffaflık ve esnekliğe odaklanması gerekir.

Pilli sistemlerin benimsenme sorunlarını önlemek

Pille çalışan bir geleceğe uzanan yolculuk boyunca tamamı endişe verici bazı zorluklar beklenmektedir, ancak bunlar aşılmaz değildir.

Nadir toprak mineralleri madenciliği ve rafine etme işlemi doğal kaynakları tüketir, araziyi bozar, atık oluşturur, toprağı ve suyu kirletir ve biyolojik çeşitlilik kaybına yol açar. Kritik pil bileşenlerimizin çoğunun tedarik edildiği gelişmekte olan pazarlarda, yerel halkın haklarının ihlal edilmesi ve bu insanların zorla çalıştırılması gibi sorunlar ortaya çıkabilir.

Lityum karbonat talebinin 2030 yılına kadar 3.000 kilotonu aşması ve mevcut madencilik anlaşmaları kapsamında 2021 yılında üretilen yaklaşık 600 kilotonun ve 2030 yılına kadar tahmin edilen yaklaşık 1.500 kilotonun çok üzerinde olması bekleniyor.^[10]

Daha sıkı düzenlemeler, artan şeffaflık ve daha ileri görüşlü planlamalar kamu ve özel sektör paydaşlarının potansiyel ESG (çevre, sosyal ve yönetişim) süreçlerinde güvenle ilerlemesine yardımcı olabilir.

Tarihsel olarak, pil değer zinciri de fiyat dalgalanmaları nedeniyle aksaklıklar yaşamıştır. Küresel olarak yaşam maliyetlerinin arttığı bir kriz ortamında, yüksek pil maliyetleri nedeniyle karbonsuzlaştırmanın gecikmesi, hayati sonuçlar doğurabilir. Böyle bir arka planda, endüstrinin gelecekteki ihtiyaçları karşılamak için nasıl yeterli ölçeğe ulaşabileceği belirsizdir.

Ayrıca, göz önünde bulundurulması gereken değişen ulusal politikalar da vardır. Aksayan tedarik zincirlerinin zorlukları, nitelikli iş gücündeki eksiklikleri ve uluslararası fikri mülkiyet koruma yasalarının dağınık yapısını aşmak için daha fazla uyuma ihtiyaç vardır.

Derhal uygulamaya geçmesi durumunda, azaltma stratejilerine yardımcı olabilir. Uzun vadeli sözleşmeler ve dikey tedarik zinciri entegrasyonu, kesinlik sağlamaya ve yatırımcı güvenini artırmaya yardımcı olabilir. Kalpleri ve zihinleri fethetmek için nadir toprak mineralleri madenciliğinin yıkıcı etkileri daha geniş bir sosyal hareketle ve büyüme gündemiyle ilişkilendirilmelidir.

Üretimden bertaraf sürecine kadarki zaman çizelgesi boyunca çevresel değerlerini sürekli olarak gösteren pil sektörü, değişime direnecek gibi görünmüyor. Peki bu başarı neye benzeyecek? Uzmanlara göre, 2030 yılına kadar sağlıklı, sürdürülebilir bir pil ekosisteminin üç özelliğe sahip olması gerekecek:^[11]

• Dayanıklı bir tedarik ağı: İdeal bir senaryoda, bölgeler yerel talebi karşılamak için ihtiyaç duydukları malzemeleri büyük ölçüde kendileri tedarik eder.
• Sürdürülebilirlik: Enerji depolama sektörleri, toplumumuzu karbondan arındırmak için içinde bulunduğumuz on yılın sonuna kadar malzeme ve üretim emisyonlarında %90’lık bir düşüş sağlayarak kendilerini aktif şekilde karbondan arındırmalıdır.
• Döngüsel bir değer zinciri: Kullanım ömürlerinin sonuna yaklaşan malzemeler titizlikle yeniden işlenmeli ve sisteme yeniden kazandırılmalıdır. Böyle bir kültür, 2040 yılına kadar ilave 6 milyar ABD doları tutarında bir ekonomik değer yaratarak karlılığı maksimum düzeye çıkarırken atıkları en aza indirecektir.

Enerji depolama ekosistemini uyumlu hale getirmek için kanun yapıcıların hevesli desteğini arkasına almış özel sektörün cesur vizyonu gerekecektir. Abdul Latif Jameel gibi ezber bozan yenilikçi aktörler daha parlak bir geleceğin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Özel sektör insanlara güç katıyor

Abdul Latif Jameel’in amiral gemisi yenilenebilir enerji işletmesi Fotowatio Renewable Ventures (FRV), yalnızca rüzgar ve güneş enerjisinden yeşil elektrik üretmeye değil, aynı zamanda öncü enerji depolama projelerine de odaklanıyor.

2022 yılında, Gnarwarre, Victoria, Avustralya’da bulunan 250 MW’lık bir lityum-iyon tesisi olan en son pilli enerji depolama sistemi (BESS) için finansman sağladı. Bu anlaşma, Victoria’da bulunan 100 MW kapasiteli Terang BESS tesisi inşa anlaşmasının sonucu olarak imzalandı.

FRV’nin inovasyon kolu FRV-X, dünya çapında şebeke ölçeğinde BESS programları ile ün kazanarak ev ve sanayi için 24 saat hizmet verebilen güç kaynaklarını garanti ediyor.

FRV, halihazırda Birleşik Krallık’ta Clay Tye, Essex (99 MW / 198 MWsa); Holes Bay, Dorset (7,5 MW / 15 MWsa) ve Contego, West Sussex’te (34 MW / 68 MWsa) BESS projelerine katılmaktadır.

Ayrıca Avustralya, Queensland, Dalby’de hibrit güneş enerjisi ve BESS tesisi işletmektedir.

2022 yılında FRV, Birleşik Krallık’ta iki ek BESS projesi satın aldı ve Yunanistan’da bir BESS projesinin çoğunluk hisselerini elde etti. FRV-X’ın bir dizi önemli pazarda faaliyet gösteren, 500 MW’ın üzerinde kapasiteye sahip pil depolama projeleri vardır.

Abdul Latif Jameel Başkan Vekili ve Yönetim Kurulu Başkan Yardımcısı Fady Jameel, “Sürdürülebilir enerji depolama inovasyonunda lider olmaktan gurur duyuyoruz ve hepimiz için daha uygulanabilir bir geleceğe ulaşmaya yardımcı oluyoruz” yorumunu yaptı.

“Teknoloji açısından, temiz ve ekonomik bir şekilde yeşil enerji üretme sanatında uzmanlaşıyoruz. Verimli elektrik depolama sistemleri, gerçekten sürdürülebilir bir topluma giden yolumuzda eksik olan noktadır. Pil teknolojisinin şu anki gelişim hızıyla sektörde büyük bir heyecan var ve bu ortak çabanın bir parçası olmaktan gurur duyuyoruz.”

Veriler büyük bir güven uyandırıyor. Küresel pil pazarları, hem yeni pozisyonlar oluşturarak hem de mevcut pozisyonları güvence altına alarak 2030 yılına kadar 18 milyona kadar işi koruyabilir.^[12] Yalnızca kara yolu taşımacılığı sektöründe, öngörülen pil devrimi 2050 yılına kadar sera gazı emisyonlarını 70 gigaton CO₂ eş değerine (GtCO2e) kadar azaltabilir.

Güvenilir, çok yönlü yeşil enerjinin itici gücü, belirli bir iklime veya kültüre bağlı değildir. Aksine, dünyanın dört bir yanında agresif bir şekilde parasal destek alıyor. Paydaşlar, ABD’de 2022 Enflasyon Azaltma Yasası sayesinde temiz enerji yatırımları için ayrılan 370 milyar ABD doları tutarındaki sermayeden bir dilim kapmak için yarışıyorlar. Atlantik Okyanusu’nun karşı kıyılarındaki Avrupa’da, Rusya-Ukrayna çatışmasının tetiklediği ve gittikçe büyüyen enerji krizi, inovasyon öncelikli tedarik ve depolamanın yeniden değerlendirilmesini teşvik ediyor. AB Yeşil Anlaşması önümüzdeki on yıl içinde temiz enerji ve sürdürülebilirliğe en az 1 trilyon € tutarında çevre yatırımını harekete geçirmeyi amaçlamaktadır.^[13]

BESS sektörünün şu andan itibaren 2030 yılına kadar yılda ortalama %29 oranında büyümesi beklenmektedir.

Yıllık 450 ila 620 GWsa kapasiteye sahip şebeke ölçeğindeki kurulumlar, o yıla kadar %90 pazar payı sağlayacaktır.^[14] Çok mu azimli? Asla. Şebeke ölçeğinde kayda değer bir pil depolama tesisleri ağının güvence altına alınması, zorunlu yeşil dönüşümümüz konusunda hızlanmamız anlamına geliyor.

[1] https://www.irena.org/News/pressreleases/2023/Mar/Record-9-point-6-Percentage-Growth-in-Renewables-Achieved-Despite-Energy-Crisis

[2] https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/what-is-battery-storage

[3] https://documents.worldbank.org/en/publication/documents-reports/documentdetail/873091468155720710/Understanding-CO2-emissions-from-the-global-energy-sector

[4] https://www.windpowerengineering.com/how-three-battery-types-work-in-grid-scale-energy-storage-systems/

[5] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[6] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems

[7] https://www.thegreenage.co.uk/tech/compressed-air-energy-storage/

[8] https://interestingengineering.com/innovation/two-massive-gravity-batteries-are-nearing-completion-in-the-us-and-china

[9] https://www.bbc.com/future/article/20221102-how-a-sand-battery-could-transform-clean-energy

[10] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[13] https://eucalls.net/blog/the-basics-of-the-european-green-deal

[14] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems