Bu sponsorlu makale size tarafından getirildi KOMBOL.
Doğayı nesnel olarak incelemeye çalışırken, genellikle doğal güçlerin bizi kişisel olarak nasıl etkilediğini hatırlatırız. Bir masada oturabilir ve ısının çeşitli biçimlerini düşünebiliriz, ancak ayak parmaklarımız soğuksa dikkatimiz dağılabilir! Evlerimizde ve iş yerlerimizde ısıyı artırdığımızda, kişisel ısınma ihtiyacımızı petrol, gaz, kömür ve biyokütle gibi fosil yakıtların küresel etkisi ile dengelemeliyiz. Antropojenik iklim değişikliği insanlığı bir meydan okumayla karşı karşıya getiriyor: Gelecekte dünyamızın aşırı ısınmasını önlemeye çalışırken şimdi nasıl ısınabiliriz?
Finlandiya’nın küçük ve soğuk ülkesinde (Şekil 1) Polar Night Energy adlı bir girişimin yanıtlamaya çalıştığı göz korkutucu bir soru. Uzun, karanlık kış geceleriyle tanınan bir bölgede Polar Night Energy, Tampere şehrinde binaları depolanmış güneş enerjisiyle tüm gün, tüm gece ve tüm kış boyunca ısıtabilen bir sistem kuruyor. Görünen çelişkiler burada bitmiyor. Genellikle nadir ve pahalı malzemelerden yapılan karmaşık temiz teknoloji çözümleri çağında, Polar Night Energy’nin ısı depolama ve dağıtım sistemi basit kanallar, pompalar, valfler ve kumdan oluşur. Yeni sistem, küresel sorunları sabırlı, düşünceli ve insan ölçeğinde bir şekilde ele alma potansiyeli gösteriyor.
Büyük Isıtma İhtiyacı Olan Küçük Bir Ülke
Büyük sorunlar büyük çözümler gerektirir ve belki de 21. yüzyılın iklim değişikliğinden daha büyük bir sorunu yoktur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için birçok hükümet ve kuruluş, fosil yakıtların kullanımını azaltmaya yardımcı olacak yeni teknolojilere yatırım yapıyor. Bu girişimler büyük ölçüde yenilenebilir elektrik enerjisi üretimi, dağıtımı ve depolanmasına odaklanmıştır.
Polar Night Energy CEO’su Tommi Eronen, “İnsanlara daha temiz enerji sorduğunuzda akıllarına elektrik geliyor” diyor. “Ama aynı zamanda ısıtmadan kaynaklanan emisyonları da azaltmak zorundayız.” Finlandiya’nın enerjiyle ilgili emisyonlarının yüzde 82’si konut binalarının ısıtılmasından kaynaklanmaktadır (Ref. 1). Eronen, “Küresel iklim hedeflerimize ulaşma umudumuz varsa, bunların hepsini değiştirmek istiyoruz” diyor.
Global Düşün, Yerel Isıt
1960’larla ilişkilendirilen “Küresel Düşün, Yerel Hareket Et” mantrası, Polar Night Energy’nin yenilikçi ekibiyle yaşıyor. Yolculukları, kurucuları Tommi Eronen ve Markku Ylönen’in üniversitede sınıf arkadaşlarıyken sordukları bir soruyla başladı: “Sadece güneş enerjisi kullanarak mühendisler için enerji açısından kendi kendine yeten ve uygun maliyetli bir hippi komünü inşa etmek mümkün mü?” Mezun olduktan sonra “Hippi Komünü” kod adını verdikleri proje, Eronen’in CEO ve Ylönen’in CTO olduğu Polar Night Energy oldu.
Neşesiz (ama ciddi) bir öğrenci projesi olarak başlayan proje, Finlandiya’nın Tampere şehrinde 2020-2021 kışında faaliyete geçen 3 MWh/100 kW’lık bir pilot tesise yol açtı. Sistem, havayı ısıtmak için elektriği kullanır ve daha sonra suyu ısıtan ve şehrin Hiedanranta semtindeki birden fazla binaya dağıtan bir eşanjör aracılığıyla sirküle edilir (Şekil 2).
Sistemin içinde elektrikle çalışan rezistif ısıtma elemanları havayı 600°C’nin üzerine ısıtır. Sıcak hava, kumla dolu bir ısı depolama kabı içindeki bir boru ağı aracılığıyla dolaştırılır. Sıcak hava daha sonra tekneden bir ısı eşanjörüne geri akar ve burada suyu ısıtır ve bu daha sonra bina ısıtma sistemlerinde sirküle edilir. Kumun ısı depolama kapasitesi, dirençli elemanlar soğuk olduğunda bile, dolaşan havanın suyu (ve binaları) sıcak tutacak kadar sıcak olmasını sağlar.
“Sadece borularımız, vanalarımız, fanımız ve elektrikli ısıtma elemanımız var. Burada özel bir şey yok!” diyor Eronen gülerek.
Kumdan Yapılan Isı Pil
Tanınmış kimya mühendisi Donald Sadoway’in şu sözleri aktarılıyor: “Kirden ucuza bir pil yapmak istiyorsanız, onu pislikten yapmalısınız.” Polar Night Energy’nin sistemi, diğer tüm enerji altyapılarıyla aynı temel zorluklarla karşı karşıyadır. Gücü insanlara ihtiyaç duydukları anda, ihtiyaç duydukları yerde ve yönetilebilir bir fiyatla sağlamalıdır. Bu, enerjinin depolanması ve dağıtılmasının üretimi kadar önemli olduğu anlamına gelir. Mevcut altyapı, bu zorlukları tanıdık yollarla karşılar. Yanma esaslı ısıtma için, petrol ve gaz gibi yakıtlar depolanır ve yakılabilecekleri yere taşınır. Elektrik şebekesi ayrıca gücün verimli dağıtımını destekler ve rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir araçlarla üretilen enerjiden yararlanır. Ancak gün ışığının aralıklı doğası ve şiddetli rüzgarlar inatçı bir sorundur. Yenilenebilir girdilerin iniş ve çıkışları boyunca sabit güç çıkışını sürdürmek için enerji depolaması gerekir. Ancak pil teknolojisindeki son gelişmelere rağmen, elektrik enerjisinin depolanması, özellikle binaları ısıtmak için gereken ölçekte, nispeten pahalı olmaya devam ediyor. Ya bir “pil” elektrik depolamak yerine ısı depolasaydı?
Şekil 3. Polar Night Energy’nin çok ucuz ısı depolama ortamının temsili bir örneğini gösteren Markku Ylönen.
Birçok geleneksel ısıtma sistemi, sıcak suyu tutarak ve sirküle ederek ısıyı zaten depolar ve dağıtır. Eronen ve Ylönen, su bazlı ısı depolamanın faydalarının yanı sıra sınırlamalarının da farkındaydı. Eronen, “Su buhara dönüşmeden önce ekleyebileceğiniz çok fazla ısı var” diyor. “Buhar, ısıyı verimli bir şekilde dağıtabilir, ancak büyük ölçekli depolama için gerçekten uygun maliyetli değildir.” Isıyı suda depolamanın sakıncalarından kaçınmak için bunun yerine kuma döndüler – 42 metrik ton! (Şekil 3) Güneş battıktan sonra, kumun depolanmış ısısı kademeli olarak tekrar dolaşımdaki hava akışına salınır. Bu, müşterilerin radyatörlerinden akan sudaki sabit sıcaklıkları korumak için havayı yeterince sıcak tutar. Bu şekilde kum, güneş enerjisinin Finlandiya’nın en karanlık ve en soğuk gecelerinde bile insanları sıcak tutmasını sağlar. Eronen, “Kum, suyun enerji depolama kapasitesinin dört katını sağlıyor” diyor. “Kum verimli, zehirsiz, taşınabilir ve ucuz!”
“Bütün bu ekipmanı ve tüm bu kumu monte etmeye başlamadan önce, mümkün olduğu kadar çok soruyu yanıtlamak için tahmine dayalı modellemeye ihtiyacımız var!”
—Tommi Eronen, Polar Night Energy CEO’su
Basit Bir Çözümün Arkasındaki Gelişmiş Analiz
Maliyet verimliliği, Polar Night Energy’nin değer önerisinin temelidir. Eronen, “Bu fikri uygulamaya karar verir vermez mali durumun nasıl olduğunu anlamaya çalışıyorduk” diyor. Polar Night Energy, daha az kaynakla daha fazlasını yapma arayışlarında uzun süredir sayısal simülasyon araçlarına güvenmektedir. Eronen ve Ylönen, COMSOL Multiphysics yazılımını öğrenci olarak kullanmaya başladılar ve bu, tasarım süreçlerinin ayrılmaz bir parçası olmaya devam ediyor. Örneğin Eronen, Tampere’de daha fazla binaya hizmet edecek genişletilmiş bir ısı depolama sisteminin özelliklerinden bahsediyor. Ekip, 35.000 kişilik bir bölgeye ısı sağlamak için 25 metre yüksekliğinde ve 40 metre çapında kumla dolu bir depolama silindiri gerektireceğini hesapladı. Bu boyutlara nasıl ulaştılar? Eronen, “İhtiyaç duyulan kaba malzeme miktarını hesaplamak aslında kolaydır, çünkü bir metreküp kumda ne kadar ısı depolayabileceğimizi biliyoruz,” diye açıklıyor Eronen. “Kum ile hava sirkülasyon sistemimiz arasında verimli ısı transferi için gereken alanı da belirlememiz gerekiyordu (Şekil 4). Bunu yapmak çok daha zor! Farklı tasarım seçeneklerini modellemek ve değerlendirmek için COMSOL kullandık.”
Şekil 4. Tommi Eronen (ön planda) ve Ylönen, Polar Night Energy ısı depolama gemisinin kanallarını incelerken.
Multifizik simülasyon yazılımı, Polar Night Energy’nin ısı eşanjörü tasarımının şekillenmesine yardımcı oldu (Şekil 5-6). Eronen, “Bir tasarım fikrini keşfetmek için belirli bir model oluşturduk: Çevresinde ısıtma kanallarıyla çevrili süper sıcak bir kum çekirdeği oluştursak ne olur?” Polar Night Energy ekibi, COMSOL Multiphysics yazılımında sıvı akışı ve ısı transferi etkilerini modelleyerek tasarımının karşılaştırmalı avantajlarını ve dezavantajlarını ölçebildi. Eronen, “Simülasyon, ‘sıcak çekirdek’ tasarımının ısıyı çok uzun süre depolamada iyi olduğunu doğruladı” diyor. “Ancak amaçlanan çalışma döngümüz için, sıcak hava kanallarını kum depolama teknesi boyunca eşit olarak dağıtmak daha mantıklı,” diye açıklıyor.
Polar Night Energy’nin kum tabanlı ısı depolama sisteminin muazzam ölçeği, simülasyon yazılımını vazgeçilmez kılar. “Tüm fikirlerimizi test etmek için tam boyutlu prototipler oluşturamayız. Tüm bu ekipmanı ve tüm bu kumu bir araya getirmeyi taahhüt etmeden önce, mümkün olduğu kadar çok soruyu yanıtlamak için tahmine dayalı modellemeye ihtiyacımız var! Eronen diyor. “Bu son derece güçlü araçları kullanmak bizim için çok önemli.”
Yeni Fikirlerin Mevcut Altyapıya Uyarlanması
Polar Night Energy, ısı depolama görevini ısı üretimi ve dağıtımından ayırarak sistemini daha verimli ve uyarlanabilir hale getirdi. Kumla doldurulmuş ısı depolama ve transfer sistemlerini mevcut altyapıya uyarlamak için büyük bir potansiyel var (Şekil 7). Yaklaşık 250.000 kişinin yaşadığı bir iç Finlandiya sanayi şehri olan Tampere, bu yeni teknoloji için ideal bir test alanıdır. Eronen, “Birçok Avrupa şehri gibi Tampere’de de suyu mahallelerin tamamında sirküle eden bir bölgesel ısıtma sistemi zaten var” diyor. “Bu, birçok binayı hızla yenilenebilir bir ısı kaynağına dönüştürmemizi sağlıyor” diyor. Polar Night Energy’nin Tampere’deki pilot tesisi, yeni güneş panelleri tarafından üretilen elektriğin yanı sıra mevcut elektrik şebekesinden de güç alabilir. Güvenilir termal depolama, şehrin en uygun fiyatlı olduğunda elektrik üretmesini veya satın almasını ve ardından en çok ihtiyaç duyulduğunda ısıyı dağıtmasını sağlar.
Şekil 7. Finlandiya, Tampere’de Polar Night Energy tarafından kurulan ısı transfer sisteminin bir parçası. Soldaki dikey borular ısı eşanjörünün bir parçasıyken, rezistif ısıtıcı elemanlar sağda beyaz yalıtımla sarılmıştır. Bu bileşenler arasında hava sirkülasyonlu radyal üfleyici bulunur.
Bugün: Finlandiya; Yarın: Dünya
Tampere sistemi 2020-2021 kışında çalışmaya başladığından beri Polar Night Energy ekibi, modelleriyle karşılaştırmak için veri topluyor. Eronen, “Simülasyonlarımızın çok doğru olduğu kanıtlandı ve bu cesaret verici,” diyor. Ve Polar Night Energy ekibi fikirlerini geliştirmeye devam ederken yerel olarakharekete geçmeyi hedefliyorlar küresel olarak ilave olarak. Finlandiya’nın uzun, soğuk gecelerini ısıtan teknolojinin aynısı, dünyanın geri kalanına daha iyi enerji yönetimi seçenekleri de sağlayabilir. Uygun fiyatlı termal depolama, endüstrilerin ve şehirlerin şu anda boşa harcanan ısıyı yakalamasına ve ayrıca rüzgar ve güneş enerjisi çıkışındaki tutarsızlıkları dengelemesine yardımcı olabilir. Ancak Polar Night Energy, potansiyel müşterilerle doğrudan çalışmaya hevesli olsa da, önlerindeki zorlukların tek başlarına üstesinden gelemeyecek kadar büyük olduğunun farkındadır.
Polar Night Energy’nin CEO’su Tommi Eronen.
“Bu teknolojiyi lisanslamak istiyoruz. Bir elektrik santrali işletiyorsanız, lütfen bizimle iletişime geçin,” diyor Eronen gülerek. Daha ciddi bir not olarak, “Her türlü yanmadan, hatta biyokütleden uzaklaşmamız gerekiyor. Havadan karbonu atmaya devam edebilmeleri için ormanları korumamız ve eski haline getirmemiz gerekiyor. İklim değişikliği çok hızlı olduğu için fikirlerimizin olabildiğince çabuk yayılmasını istiyoruz.”
Referans
İstatistik Finlandiya“2020’de Finlandiya’nın elektriğinin yarısından fazlası yenilenebilir enerji kaynaklarıyla üretildi”, Kasım 2021.