Silikon güneş hücrelerinin fiyatlarının düşmesi ve makul boyutları sayesinde, evlerin çatılarındaki güneş panelleri artık sık görülen bir manzara haline geldi. Ancak güneş enerjisi, diğer birçok sürdürülebilir enerji türü gibi kesintilidir. Güneşli yaz günlerinde zirve anlarında şebeke güneş enerjisiyle dolar, oysa enerji talebinin en yüksek olduğu akşam saatlerinde ve kış aylarında arz daha düşüktür. Enerjinin talep anında kullanılabilirliğini sağlamak için şebekeye depolamanın entegre edilmesi gerekiyor.
Pompaj depolamalı hidroelektrik santrali, suyu alt rezervuardan üst rezervuara pompalayarak enerji depolayan ve suyun türbinlerden geri akmasıyla talep anında elektrik üreten yaygın bir teknoloji örneğidir. Ancak bu santrallerin yaygınlaşması, uygun coğrafi alanların sınırlı olması nedeniyle kısıtlıdır. Bu kısıtlamalara sahip olmayan bir teknoloji ise elektrokimyasal pildir. Günlük elektronik cihazlarda bulunan lityum-iyon piller bunun örnekleridir. Daha büyük ölçekte şirketler, şebekeyi destekleyen büyük pillere yatırım yapmaya başlıyor. Bu tür büyük pillerde şu anda baskın teknoloji lityum demir fosfattır (LFP). Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) bir raporu, lityum talebinin 2040 yılında 2020'ye kıyasla 40 kattan fazla artacağını öngörüyor ve bunun büyük ölçüde bu ihtiyaçtan kaynaklandığı belirtiliyor. Ancak lityum madenciliği, önemli jeopolitik ve insani endişeleri de beraberinde getiriyor. Lityum madenciliğinin yerel sağlık, su kaynağı, biyolojik çeşitlilik ve toprak üzerinde ciddi olumsuz etkileri varsa, bunun bizi sürdürülebilir bir geleceğe taşımaya yardımcı olduğunu söyleyebilir miyiz?
Elektrokimyasal Pillerin Alternatifi Olarak Termal Depolama
Bir diğer alternatif ise enerjinin ısı şeklinde depolandığı termal enerji depolamadır. Depolama malzemelerinin yüksek enerji yoğunluğu, bol bulunması ve düşük maliyeti sayesinde termal depolama, daha uzun süreli depolama için oldukça umut verici görünüyor. Güneş enerjili su ısıtıcılarının ardındaki prensip budur. Daha büyük ölçekte ise başta ABD'deki Crescent Dunes Güneş Enerjisi Projesi veya İspanya'daki Andasol Güneş Enerjisi Santrali gibi yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santralleriyle birlikte kullanılır. Bu tesislerde ilk adım, güneş enerjisini, güneşi takip eden büyük aynalar kullanarak ısıya dönüştürmek ve büyük bir erimiş tuz rezervuarını ısıtmaktır. İkinci adım ise ısıyı elektriğe dönüştürmektir: Tuzda depolanan ısı bir türbini çalıştırır.
Bu şekilde uygulanan termal depolama sınırlı kalmıştır, çünkü CSP'de kullanılan türbinler büyüdükçe daha verimli hale gelir; bu da konseptin genellikle daha küçük ölçeklerde maliyet etkin olmadığı ve bu nedenle büyük başlangıç yatırımı ve bakım maliyetleri gerektiren çok büyük tesisler gerektirdiği anlamına gelir. Güney Fransa'daki Llo doğrusal Fresnel tesisi gibi entegre termal depolamalı daha küçük CSP santralleri mevcut olsa da bunlar daha da nadirdir.
Termal depolamanın verimliliği bir zorluk teşkil ediyor, çünkü ısıyı elektrik de dahil olmak üzere 'kullanışlı' enerjiye dönüştürmek zordur: Bu sürecin verimliliği temelde Carnot yasası olarak bilinen yasayla sınırlıdır. Örneğin, 300°C'de teorik maksimum dönüşüm verimliliği yaklaşık %50'dir, yani gerçek verimlilik daha da düşük olacaktır. Buna karşılık, aynı fizik yasasıyla sınırlı olmayan ve onlarca yıldır optimize edilen lityum-iyon piller %90'ın üzerine çıkmaktadır. Isıdan elektriğe dönüşüm verimliliği daha yüksek sıcaklıklarda artacak olsa da türbinler bu tür yüksek sıcaklıklara pek dayanamaz.
Isı Radyasyonunun Elektriğe Dönüşümünde Fotovoltaiklerin Kullanımı
Ancak ısıyı elektriğe dönüştürmenin başka bir yolu daha var: radyasyon yoluyla. Bu, çatılarda ve güneş enerjisi çiftliklerinde gördüğünüz güneş hücrelerinin ardındaki prensiptir. Tipik güneş hücreleri Güneş'ten gelen enerjiyi dönüştürür. Buna karşılık, termofotovoltaik cihazların (kısaca TPV) ardındaki fikir, enerjinin depolandığı çok sıcak bir nesneden gelen (çoğunlukla kızılötesi) radyasyonu toplamak ve bunu elektriğe dönüştürmektir. Örneğin, silikon 1414°C'de erir ve grafit 2000°C'nin üzerine kadar ısıtılabilir. Bu yüksek sıcaklıklarda Carnot sınırı sırasıyla %83 ve %87'ye yükselir. Pratikte, MIT ve Michigan Üniversitesi'ndeki deneyler dönüşüm verimliliğini %40'ın üzerine çıkarmıştır.
Farklı Cihaz Tasarımları
En son geliştirilen ve artık piyasaya sürülen cihaz, örneğin grafit veya silikon blok şeklinde, elektrikle ısıtılan bir depolama ortamına sahiptir. Bu nedenle lityum-iyon pile benzer, ancak 'elektrikten kimyasal enerjiye elektriğe' yerine 'elektrikten ısıya elektriğe' ardışık enerji dönüşümleri yaparak çalışır. Ancak depolama ortamımızı doğrudan Güneş'le ısıtmak ilginç olurdu, böylece cihaz doğrudan bir yenilenebilir enerji kaynağı haline gelirdi.
Güney Fransa'nın güneşli bölgesinde bulunan PROMES laboratuvarındaki düzeneğimizde, depolama ortamı (ilk testlerimizde grafit) bir parabolik ayna ve bir takip aynası kullanılarak Güneş'ten gelen yoğunlaştırılmış radyasyonla ısıtıldı ve buna 'güneşten ısıya elektriğe' veya depolama entegreli güneş TPV'si (SISTPV) adı verilebilir. Bu, bir SISTPV sisteminin ilk prototipidir. Erimiş tuz depolamalı CSP'ye kıyasla önemli bir avantaj, TPV pilinin çok daha küçük ölçekte maliyet etkin olabilmesidir.
Hem TPV hücrelerinin kendi verimliliğini hem de termal pillerin genel verimliliğini artırmak için önemli çalışmalar yapılması gerekse de SISTPV, yenilenebilir enerjiye geçişi desteklemek için umut verici bir yol sunuyor. Enerji toplama, depolama ve elektrik üretimini tek, kompakt ve potansiyel olarak maliyet etkin bir cihazda birleştirerek, kesintili bir enerji kaynağı olan Güneş'i, güneş enerjisini talep anında kullanılabilir kılan sürekli bir kaynağa dönüştürüyor.
