Penn State Üniversitesi araştırmacıları, ısı pompaları, bataryalar ve potasyum karbonat temelli termokimyasal enerji depolama sistemlerini bir arada değerlendirdi. 96 farklı simülasyon üzerinden yürütülen çalışma, termokimyasal depolamanın bataryalara kıyasla daha avantajlı hâle gelebilmesi için ısı pompasının sıcak hava koşullarındaki verimliliğinin artırılması veya depolama ünitesinin şarj verimliliğinin geliştirilmesi gerektiğini ortaya koyuyor.
Binaların ısıtma sistemlerinde ısı pompalarının kullanımının yaygınlaşması, elektrik şebekesinin karşı karşıya kalacağı yükün de yeniden değerlendirilmesini gerektiriyor. Özellikle soğuk hava koşullarında ısı pompalarının performans katsayısının düşmesi, ısıtma ihtiyacının arttığı dönemlerde elektrik tüketiminin yükselmesine yol açabiliyor. Bu durum, geleceğin elektrik şebekelerinde yalnızca enerji üretiminin değil, enerjinin ne zaman ve nasıl kullanılacağının da önem kazanacağını gösteriyor.
Penn State Üniversitesi’nden Amin Sepehri ve Gregory S. Pavlak tarafından gerçekleştirilen bir araştırma, bu konuya bina ölçeğinde enerji depolama perspektifinden yaklaşıyor. Çalışmada hava kaynaklı ısı pompalarının, potasyum karbonat temelli termokimyasal enerji depolama (TCES) sistemleri ve bataryalarla birlikte çalışması modelleniyor.
Araştırmanın temel sorusu, termokimyasal depolamanın geleceğin elektrik şebekelerinde uzun süreli enerji depolama ve talep yönetimi ihtiyaçlarına nasıl katkı sağlayabileceği. Daha da önemlisi, bu teknolojinin hangi çalışma koşullarında batarya depolamasına kıyasla daha avantajlı hâle gelebileceği inceleniyor.
Termokimyasal depolama nasıl çalışıyor?
Araştırmada kullanılan sistemin merkezinde potasyum karbonat (K₂CO₃) bulunuyor. Bu malzeme, su buharıyla gerçekleştirdiği kimyasal reaksiyon sayesinde ısı enerjisinin depolanması ve ihtiyaç duyulduğunda yeniden açığa çıkarılması için kullanılıyor.
Termokimyasal enerji depolama, klasik sıcak su tanklarından farklı bir prensibe dayanıyor. Geleneksel sistemlerde enerji, bir akışkanın sıcaklığının yükseltilmesiyle depolanırken TCES sistemlerinde kimyasal reaksiyonlardan yararlanılıyor. Böylece enerji, uygun reaksiyon koşulları yeniden oluşturulana kadar kimyasal potansiyel biçiminde tutulabiliyor.
Araştırmada ele alınan potasyum karbonat sisteminde iki temel süreç bulunuyor:
Dehidrasyon – depolama işlemi: Isı pompasından sağlanan yüksek sıcaklıktaki enerji, hidratlanmış potasyum karbonatın suyunu uzaklaştırmak için kullanılıyor. Açığa çıkan su buharı sistemden ayrılarak yoğunlaştırılıyor ve depolama ünitesinde tutuluyor. Böylece malzeme, yeniden suyla reaksiyona girebilecek durumda hazırlanıyor.
Hidratasyon – enerjinin geri kazanılması: Isıtma ihtiyacı ortaya çıktığında depolanan su yeniden potasyum karbonatla reaksiyona sokuluyor. Bu reaksiyon sırasında ısı açığa çıkıyor ve elde edilen termal enerji binanın ısıtma sistemine aktarılıyor.
Bu yöntemde enerji, yalnızca sıcaklığı korunmaya çalışılan bir ortamda değil, kimyasal reaksiyon üzerinden depolanıyor. Araştırmacıların üzerinde durduğu temel avantajlardan biri de termokimyasal sistemlerin uzun süreli depolama uygulamalarındaki potansiyeli.
Isı pompası, batarya ve TCES birlikte değerlendirildi
Araştırmanın önemli yönlerinden biri, termokimyasal depolamayı tek başına ele almaması. Isı pompası, batarya ve TCES ünitesi, binanın elektrik ve ısı ihtiyaçlarını birlikte karşılayan entegre bir sistem olarak modelleniyor.
Bu sistemde ısı pompası binanın temel ısıtma ihtiyacını karşılıyor. Batarya, elektrik enerjisinin depolanması ve elektrik yükünün yönetilmesinde rol oynuyor. TCES ise kimyasal reaksiyonla depolanan ısıyı gerektiğinde binanın ısıtma sistemine aktarabiliyor.
Optimizasyon modeli, elektrik şebekesinden gelen yük eşik sinyalini dikkate alarak ısı pompasının çalışma zamanını ve depolama sistemlerinin şarj-deşarj stratejilerini belirliyor. Amaç, binanın ısıtma ihtiyacını karşılamaya devam ederken elektrik tüketimini şebeke açısından daha uygun zamanlara kaydırmak ve gerekli depolama kapasitelerini belirlemek.
Dolayısıyla çalışma, yalnızca bir depolama malzemesinin performansını değil, farklı enerji sistemlerinin birlikte nasıl işletilebileceğini de araştırıyor.
New York koşullarında 60 günlük modelleme
Araştırmacılar, sistemin performansını değerlendirmek için 2050 yılı projeksiyonlarını esas alan bir bina modeli oluşturdu. Çalışmada New York City’nin iklim koşulları ve ABD Enerji Bakanlığı’nın tek ailelik konut prototiplerinden biri kullanıldı.
Modeldeki konutun alanı 220,82 metrekare olarak belirlendi. İç ortam sıcaklığı ısıtma döneminde 20°C, soğutma döneminde ise 24°C olarak kabul edildi. Optimizasyon çalışması 15 Eylül-24 Kasım arasındaki 60 günlük dönemi kapsadı.
Araştırmada ısı pompasının soğuk ve ılıman hava koşullarındaki performans katsayısı (COP), termokimyasal depolama sisteminin şarj verimliliği ve özgül ısıtma gücü gibi parametreler değiştirildi. Bu değişkenler üzerinden toplam 96 farklı simülasyon gerçekleştirildi.
COP, ısı pompasının tükettiği elektrik enerjisine karşılık ne kadar ısı üretebildiğini gösteren performans katsayısıdır. Bu değerin yükselmesi, aynı miktarda ısı üretmek için daha az elektrik tüketilmesi anlamına gelir.
Çalışmada TCES sisteminin şarj verimliliği başlangıç senaryosunda yüzde 45, deşarj verimliliği ise yüzde 80 olarak kabul edildi. Bataryalar için şarj ve deşarj verimlilikleri yüzde 95 olarak modellendi.
Referans senaryoda bataryalar öncelikli konumda
Araştırmanın referans senaryosu, mevcut ısı pompası ve termokimyasal depolama teknolojilerinin literatürde bildirilen performans özelliklerini temel alıyor.
Bu senaryoda optimizasyon modeli, termokimyasal depolama yerine batarya kullanımını önceliklendiriyor. Hesaplamalarda yaklaşık 68 kWh TCES kapasitesine karşılık 168 kWh batarya kapasitesine ihtiyaç duyuluyor.
Model sonuçlarına göre TCES, elektrik şebekesinin yük eşik sinyaline yanıt verilmesinde destekleyici bir rol üstlenirken batarya sistemin temel depolama bileşeni olarak öne çıkıyor.
Araştırmacılar, bu durumun başlıca nedenlerini ısı pompasının mevcut COP özellikleri ve termokimyasal depolamanın sınırlı şarj verimliliğiyle ilişkilendiriyor.
Çalışmanın önemli bulgularından biri de bu dengenin değiştirilebileceğini göstermesi. Araştırmacılar, belirli teknik parametrelerin iyileştirilmesiyle TCES’in daha büyük bir depolama kapasitesine sahip olabileceğini ve batarya ihtiyacının azaltılabileceğini ortaya koyuyor.
TCES’in avantajını artıran iki temel geliştirme yolu
96 farklı simülasyonun sonuçları, termokimyasal depolamanın uygulanabilirliğini artırmak için iki temel teknik yaklaşımın öne çıktığını gösteriyor.
1. Isı pompasının ılıman hava koşullarındaki COP değerini artırmak
Araştırmanın en dikkat çekici sonuçlarından biri, ısı pompasının sıcak hava koşullarındaki COP değerinin iyileştirilmesinin TCES kullanımını desteklemesi.
Araştırmacılara göre sıcak hava koşullarındaki COP değerinin en az yüzde 25 artırılması, termokimyasal depolamanın bataryalara kıyasla daha avantajlı hâle gelmesine yardımcı olabiliyor.
Burada dikkat çekici nokta, soğuk hava koşullarındaki COP değerinin mutlaka aynı ölçüde artırılmasının gerekmemesi. Model sonuçlarına göre ılıman koşullarda daha verimli çalışan bir ısı pompası, termokimyasal depolama ünitesini daha elverişli koşullarda şarj edebiliyor. Daha sonra soğuk dönemlerde depolanan ısıdan yararlanılması mümkün hâle geliyor.
Araştırmacılar, bu COP artışına ulaşılmasında kompresör verimliliği, ısı eşanjörü malzemeleri, soğutucu akışkan teknolojileri ve gelişmiş kontrol sistemlerindeki ilerlemelerin rol oynayabileceğini belirtiyor.
2. TCES şarj verimliliğini yüzde 45’ten yüzde 65’e yükseltmek
İkinci geliştirme yolu doğrudan termokimyasal depolama ünitesinin performansıyla ilgili.
Araştırmada şarj verimliliğinin yüzde 45’ten yüzde 65’e çıkarılması, optimizasyon modelinin daha büyük TCES kapasitesini ve daha küçük batarya kapasitesini tercih etmesine neden oluyor.
Bu sonuç, depolama ünitesinin şarj aşamasındaki enerji kayıplarının azaltılmasının sistemin genel performansı açısından ne kadar önemli olduğunu gösteriyor.
Bunun yanında özgül ısıtma gücünün artırılması da TCES’in sistem içindeki rolünü güçlendiriyor. Araştırmacıların analizinde bu parametrenin yükselmesi, daha büyük termokimyasal depolama kapasitesi ve daha düşük batarya ihtiyacı yönünde bir değişim oluşturuyor.
894 kWh kapasite: En elverişli simülasyon senaryosu
Araştırmada termokimyasal depolamanın en avantajlı hâle geldiği senaryoda TCES kapasitesi 894 kWh seviyesine ulaşıyor.
Bu sonuç; soğuk hava koşullarındaki COP değerinin düşük, ılıman hava koşullarındaki COP değerinin yüksek olduğu, özgül ısıtma gücünün ve TCES şarj verimliliğinin en yüksek seviyelerde bulunduğu senaryoda elde ediliyor.
Bu koşullarda termokimyasal depolama, özellikle ısı pompasının soğuk havalarda performansının gerilediği zamanlarda daha fazla önem kazanıyor. Modelde, depolanan ısının belirli saatlerde binanın termal ihtiyacının büyük bölümünü karşılayabildiği görülüyor.
Bununla birlikte 894 kWh değeri, gerçek bir konutta ölçülmüş sonuç veya piyasada kullanılabilir bir sistemin kapasitesi olarak değerlendirilmemeli. Bu değer, araştırmada kullanılan parametrelerin en elverişli kombinasyonuna ait bir model çıktısı.
Araştırmanın en elverişsiz senaryosunda ise TCES kapasitesi yaklaşık 30 kWh seviyesinde kalırken batarya kapasitesi yaklaşık 600 kWh’ye ulaşıyor. Araştırmacılar, bu büyüklükteki batarya kapasitesinin tipik bir konut için pratik veya ekonomik bir öneri olmadığını özellikle belirtiyor. Bu senaryo, farklı teknik koşulların depolama teknolojileri arasındaki tercihi nasıl değiştirdiğini göstermek amacıyla analizde yer alıyor.
HVAC sektörü için ne ifade ediyor?
Araştırma, ısı pompası teknolojilerinin gelecekte yalnızca anlık ısıtma ve soğutma ihtiyacını karşılayan cihazlar olarak değil, bina ölçeğindeki enerji yönetiminin bir parçası olarak değerlendirilmesi gerektiğine işaret ediyor.
Isı pompalarının uygun koşullarda çalıştırılması, üretilen enerjinin depolanması ve elektrik talebinin yükseldiği zamanlarda depolanan enerjiden yararlanılması, geleceğin şebeke bağlantılı binalarında önemli bir yaklaşım olabilir.
Bu çerçevede kompresör teknolojileri, ısı eşanjörleri, soğutucu akışkanlar, termokimyasal malzemeler ve akıllı kontrol sistemleri birlikte önem kazanıyor. Araştırma, bu bileşenlerdeki gelişmelerin entegre bir enerji depolama sisteminin performansını nasıl etkileyebileceğini ortaya koyuyor.
Özellikle uzun süreli enerji depolama ihtiyacının arttığı düşük karbonlu enerji sistemlerinde, binaların yalnızca enerji tüketen yapılar olmaktan çıkarak şebeke esnekliğine katkı sağlayan birimler hâline gelmesi hedefleniyor. TCES teknolojisi de bu hedef doğrultusunda araştırılması gereken seçeneklerden biri olarak öne çıkıyor.
Ticari uygulama öncesinde daha fazla araştırma gerekiyor
Çalışmanın sonuçları önemli bir potansiyel ortaya koysa da araştırmanın kapsamı ve varsayımları dikkate alınmalı.
Modelleme tek bir bina tipi ve New York iklim koşulları üzerinden gerçekleştirildi. Farklı iklim bölgelerinde, farklı bina özelliklerinde ve değişen kullanıcı ihtiyaçlarında aynı sonuçların elde edileceği henüz gösterilmiş değil.
Ayrıca araştırma, gerçek bir konutta kurulmuş ve uzun süreli saha testlerinden geçirilmiş ticari bir sistemin performansını sunmuyor. Sonuçlar, belirlenen teknik varsayımlar altında yürütülen optimizasyon ve simülasyon çalışmalarına dayanıyor.
Bu nedenle 894 kWh gibi kapasite değerleri, doğrudan ürün performansı veya konutlara yönelik uygulama önerisi olarak yorumlanmamalı. Araştırmanın asıl katkısı, TCES’in hangi teknik koşullarda daha avantajlı hâle gelebileceğini ve bu alanda hangi geliştirmelere ihtiyaç duyulduğunu göstermesi.
Sonuç olarak, Penn State Üniversitesi araştırması, ısı pompalarıyla entegre termokimyasal enerji depolamanın geleceğin bina enerji sistemlerinde oynayabileceği rolü ortaya koyuyor. Mevcut varsayımlar altında bataryalar öncelikli konumda olsa da ısı pompasının ılıman hava koşullarındaki COP değerinin en az yüzde 25 artırılması veya TCES şarj verimliliğinin yüzde 45’ten yüzde 65’e yükseltilmesi, depolama tercihini değiştirebilecek iki temel yol olarak öne çıkıyor. Bu bulgular, HVAC sektöründe ısı pompası ve uzun süreli enerji depolama teknolojilerinin birlikte geliştirilmesinin önemini ortaya koyuyor.
Kaynak: Amin Sepehri ve Gregory S. Pavlak, Long Duration Energy Storage Through Residential Heat Pumps with Thermochemical Energy Storage, The Pennsylvania State University. Orijinal makale: https://ssrn.com/abstract=5914737
