Thermal energy storages - Börekçi, İlyas (Institute of Science and Technology, 1991)
Sanayileşmiş Ülkelerin günümüzdeki enerji politikalarını büyük ölçüde ü ç önemli sorunu dikkate alarak şekillendirdikleri söylenebilir. Birinci sorun, 1973 yılında petrol ihraç eden Ortadoğu ülkelerinin uyguladıkları ambargo sonucu ortaya çıkmıştır. Bu ambargo sonucu sanayileşmiş ülkeler, Ortadoğu petrollerine bağımlılığın kendi sanayileri ve gelecekleri için ne kadar tehlikeli olabileceğinin farkına varmışlardır. tkinci sorun olarak, geleneksel enerji kaynaklarının C pet rol, kömür) kullanımı sonucu ortaya çıkan atıkların çevreye verdikleri zararları gösterebiliriz. Bu atıkların yarattığı kirlilik Dünya üzerinde bir çok yörede ekolojik dengeyi tamamen bozarak buralardaki canlı yaşamın son bulmasına neden olmuştur. Bir çok araştırmaya göre hava kirliliğinin yarattığı sera etkisi nadeniyle önümüzdeki on-onbeş yıl içinde Dünya ikliminde meydana gelecek değişiklikler bir çok canlının uyum sağlayamayacağı kadar hızlı olacaktır. Özellikle bitkiler bu değişimlerden çok büyük zarar görecektir. Bu ise dolaylı olarak insan neslinin geleceğinin tehlikeye girmesi demektir. Üçüncü sorun ise geleneksel enerji kaynaklarının sonlu olmasıdır. Söyleki; günümüzdeki enerji tüketimi önümüzdeki yıllarda artmadan devam etse bile geleneksel enerji kaynaklarının 100 yıl içinde tükeneceği tahmin edilmektedir. Bu üç önemli sorun nedeniyle özellikle sanayileşmiş ülkelerde son yirmi yıl içinde "yeni" ve "yenilenebilir" enerji kaynakları bulmak için yapılan araştırmalar "zorunlu olarak" yoğunlaştırılmıştır. Yapılan araştırmalar, yukarıda açıklanmaya çalışılan sorunların çözümü için değişik alternatifler olduğunu ortaya koymuştur. Bir grup araştırmacıya göre "nükleer enerji" uzun vadede soruna çözüm olabilecek niteliktedir. Fakat Çernobil felaketi ile nükleer enerjinin ne kadar tehlikeli sonuçlar doğurabileceği trajik bir şekilde ortaya çıkmıştır. Bunun yanında nükleer reaktör lerdeki kaza olasılığı sıfıra indirilse vııı bile, Üretilen radyoaktif atıkların çevreye zarar vermeden depolanması çok büyük bir problemdir. Nükleer enerjinin yukarıda sayılan olumsuzlukları nedeniyle kısa vadede soruna çözüm olamıyacağını gören araştırmacılar, "güneş enerjisini", "rüzgar enerjisini" ve "jeotermal enerjiyi" kullanabilen enerji sistemleri geliştirmeye çalışmaktadırlar. Yapılan bu çalışmaların sonunda, "yeni" ve "yenilenebilir" enerji kaynaklarının etkin bir şekilde kullanımı için, enerji depolarının vazgeçilemez olduğu ortaya çıkmıştır. Bunun yanında geleneksel yakıtların kullanıldığı sistemlerde ise enerji depolarının atık enerjinin sisteme geri beslenmesini sağlayarak, sistemin yakıt tüketimini azaltıp, toplam verimi artıracağı açıktır. Enerji depolarının gerekli olduğu durumları şöyle sıralayabiliriz: a) Enerji talebi ile enerji arzı arasında uyuşmazlık olduğu durumlarda, b) Enerjinin aralıklı bir şekilde elde edildiği buna karşılık ihtiyacın sürekli olduğu durumlarda, c) Enerji ihtiyacının pik saatleri olmasına karşılık arzın sürekli olduğu durumlarda, Eneji değişik şekillerde depolanabilir. Günümüzde en çok kullanılan depolama şekillerini şöyle sıralayabiliriz: Gazların sıkıştırılması. Elastik deformasyon Cçelik yaylar, kauçuk bandlar), Elektro-kimyasal reaksiyon Ckurşun-asid ve nikel-kadmium pilleri), Kinetik enerji C flywheels). Termal enerji depoları. Termal enerji depolarını iki önemli sınıfa ayırabiliriz. Duyulur ısı (sensible heat) ve gizli ısı C latent heat) depoları. Bu. çalışmada duyulur ısı depolarının ısı transferi analizi ve optimum tasarımından söz edilecektir. Klasik mühendislik tekniklerinde, ısı sistemlerinin analizi termodinamiğin birinci kanununa dayanılarak yapılmaktaydı. Son yıllarda yapılan araştırmalar birinci kanuna göre tasarlanmış sistemlerin çalışabilir sistemler olduğunu fakat termodinamik olarak verimli olmayabileceğini ortaya koymuştur. Termodinamiğin birinci kanunu enerjinin korunumu prensibini ifade etmektedir. Bu nedenle birinci kanuna göre yapılan analizlerde sisteme giren enerjinin miktarı ile ilgilenilmekte, bu enerjinin kalitesi ile ise ilgilenilmemektedir. Burada enerjinin kalitesi derken söylemek istediğimiz enerjinin is yapabilme yeteneği yani bilimsel deyimi ile kullanılabilirliğidir. Termodinamik bağlamda ise buna termodinamik kullanılabilirlik (exergy) diyoruz. Bildiğimiz gibi herhangi bir termal sistemde termodinamik kullanılabilirlik (exergy) bu sistemdeki tersinmez lik ler tarafından yok edilmektedir. Öyle ise herhangi bir sistem çalışırken kullanılabilirliği Cexergy) tüketmekte enerjiyi ise bir şekilden başka bir sekile dönüştürmekte veya enerjinin seviyesini değiştirmektedir. Bu nedenle herhangi bir sistemin optimum tasarımı yapılırken gözönüne alınması gereken kullanılabilirlik (exergy) olmalıdır. Başka bir deyişle termodinamik olarak verimli bir sistem dediğimizde, tersinmez lik ler i mümkün olan ölçüde minimize edilmiş sistemi anlıyoruz. Bu noktada bir sistemin işletimi sırasında t er sinmez lik ler nedeniyle meydana gelen entropi artışının bu sistemde yok edilen kullanılabilirlik ile orantılı olduğunu hatırlarsak, termodinamik olarak verimli bir sistem tasarlamak için termodinamiğin ikinci kanununa bas vurmamız gerektiği anlaşılır. Yukarıda söz ettiğimiz termal bir sistemin verimliliği için gereken şartları gözönüne alırsak, termal enerji depolarının esas amacının termal enerjiyi depo etmekten ziyade bu enerjiye ait termodinamik kullanılabilirliği yani exergy'yi depolamak olduğunu söyleyebiliriz. Buna dayanarak bir termal enerji deposunun ikinci kanun verimini aşağıdaki şekilde yazabiliriz: sisteme giren sistemde yok edilen kullanılabilirlik ~ I kullanılabilirlik V sisteme gi kul lanı labi iren "I lirlikj Bu çalışmada iki tip duyulur ısı deposunun Csensible heat storage) önce ısı transferi analizi yapılmış daha sonra bu analizlerin ışığı altında termodinamiğin ikinci kanununa göre söz konusu sistemlerin optimum tasarımı ve optimum işletim şartları elde edilmeye çalışılmıştır. Termal enerji depolarının opt i mi zasyon unun depoların kullanılacağı alanlara göre farklılıklar göstereceği açıktır. Bu çalışmada tüm sistemleri kapsayacak termodinamiğin ikinci kanununa dayanan bir optimizasyon prosedürü sunulmaya çalışılmıştır. İncelenen termal enerji depolarının optimizasyonu yapılırken bu sistemlerdeki entropi Üretimini ifade eden boyutsuz, entropi üretim sayısı CNs) diye adlandırdığımız bir sayı tanımlanmıştır. Entropi Üretim sayısı Ns' i elde edebilmek için termal enerji depolarındaki tersinmezlikleri belirlemeliyiz. Bir tam işletim çevriminin depolama ve geri kazanma periyotlarından oluştuğunu gözönüne alırsak entropi üretimine sebep olan tersinmezlikleri aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz: Depolama Periyodu; a) Sıcak akışkan ile depo malzemesi arasındaki ısı iletiminin sonlu sıcaklık farkında olması. b) Depo dışına atılan sıcak akışkan ile çevre (atmosfer) arasındaki ısı iletiminin sonlu sıcaklık farkında olması. c) Sıcak akışkanın depo kanalları İçinde akışı sırasında karşılaştığı sürtünme kuvvetleri. Geri Kazanma Periyodu; a) Soğuk akışkan ile depo malzemesi arasındaki ısı iletiminin sonlu sıcaklık farkında olması. b) Soğuk akışkanın depo kanalları içinde akışı sırasında karşılaştığı sürtünme kuvvetleri. Sisteme giren sıcak ve soğuk akışkanın kullanılabilirliklerini aşağıdaki şekilde yazabiliriz. W = W. +WA total Ap At Ap si Ap rİ Ap W* = A +CS )... gen, s Af gen, r Ap N = Ap At N a CS > pen, s a ^ A +*A Ap At N CS >A a en, s At s,At Wa +wa Ap At N A _ o en, r At R»AT 73 +W Ap At Bir sistemin entropi üretim sayısını minimize etmek demek bu sistemin ikinci kanun verimini maksimize etmek demektir. Bu iki sayı arasındaki bağıntı aşağıdaki şekilde yazılabilir: 7 =1-Ns N's i hesaplama yöntemi üçüncü bölümde izah edilmiştir. Bu bölüm incelendiği taktirde verimliliği etkileyen parametrelerin çok fazla olduğu görülecektir. Bütün bu parametrelerin aynı anda optimizasyonu oldukça karışık, çok fazla zaman gerektiren ve çoğu zaman gereksiz bir işlemdir. Bu olumsuzluğu gidermek amacı ile depoların matematik modelini oluşturan denklemler boyutsuz değişkenler cinsinden yazılmıştır. Bununla da yetinmeyerek sıcak ve soğuk akışkan giriş sıcaklıkları ve debileri sabit kabul edilmiştir. Bunun dışında her sistem için Prandtl sayısı ve k sabiti belirlenip optimum tasarım ve işletme koşulları elde edilmiştir. incelenen sistemlerin Ns'ini minimize eden optimum tasarım ve işletim koşulları bir bilgisayar programı yardımı ile elde edilmiş ve programın çeşitli datalar için çalıştırılmasından elde edilen sonuçlar 5. bölümde grafikler halinde sunulmuştur. XII Bilgisayar programı iki ana bölümden oluşmaktadır. Ana alt programda termal enerji deposunun ma lzemes indeki ve akışkandaki sıcaklık dağılımı, depoya ait diferansiyel denklemlerin "sonlu farklar" yöntemi yardımı ile çözümünden elde edilip entropi liretim sayısı Ns' in hesaplanmasında kullanılmıştır. Ana program ise alt programda hesaplanan bu Ns değerini minimize edecek tasarım şartlarını ve işletme koşullarını bulacak şekilde yazılmıştır. Elde edilen sonuçlar mümkün olan en yüksek termodinamik verime sahip termal enerji depolarının tasarımı İçin termodinamiğin ikinci kanununun kullanılmasının zorunlu olduğunu göstermiştir. Termodinamiğin ikinci kanunu açısından bir termal enerji deposu için şunları söyleyebiliriz: a) Termal enerji depolarının gerçek amacı, enerjiyi değil termodinamik kullanılabilirliği (exergy) depo etmektir. b) Termodinamik verimliliği yüksek tutabilmak için tasarım (dizayn) parametreleri kadar işletme koşulları ile de ilgilenilmelidir. c) Sadece depolama periyoduna göre yapılan analizler ikinci kanun verimini maksimize etmek için yetersizdir. Bu nedenle geri kazanma periyodu da ikinci kanun analizlerine dahil edilmelidir. d) Duyulur ısı depoları genel olarak düşük verimle çalışan sistemlerdir.

This study presents a treatment of a sensible heat energy storage unit as system intended to store useful work. An analysis of the thermodynamic irreversibilities associated with storing energy from a hot gas source as sensible heat in solid bed points out two inportant trade-offs: 1. There exist an op t i mum, well-defined quantity of hot gas to be used in order to maximize the useful work stored in the storage material. Using more than this optimum quantity in the hope of maximizing the amount of thermal energy stored as sensible heat leads to severe thermodynamic losses. 2. There exists an optimum relationship among the gas-storage material design parameters which minimizes the system irreversibility while maximizing its capability of storing useful work. This relationship provides a procedure for estimating the number of transfer unit of the heat storage unit CNTU). Increasing the NTU above the optimum in order to upgrade the heat exchange effect i vness between the gas and the storage material and the thermal storage capability leads to prohibitive losses due to fluid friction in the flow channels of the storage unit. The existance of the two optima demonstrates that designing sensible heat units for maximizing thermal energy storage does not necessarily amount to thermodynamically optimizing such system.
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 1991
Keywords: Depolama; Enerji; Termal enerji; Storage; Energy; Thermal energy