Na zadnji strani delavnice velikosti skladišča približno ducat inženirjev v trdih gradnjah ponuja velikanski modri stroj. Šest jeklenk, vsaka višja od osebe, in cev, cevi in ventili segajo navzgor od ladijskega dizelskega motorja, obdanega s trinadstropnim ogrodjem.
Zasnovan z zagonom SustainX v Seabrooku v New Hampshireu je stroj zasnovan za shranjevanje energije s stiskanjem zraka. Elektromotor obrača motorno gred motorja, da poganja bat v zgornjih cilindrih. Bati iztisnejo mešanico zraka in penaste vode in črpajo zrak pod tlakom v velike jeklene rezervoarje, kjer jih je mogoče držati kot navita vzmet. Ko električni pripomoček potrebuje električno energijo, bodo rezervoarji odklenjeni, kar bo omogočilo, da zrak odteka, vklopi motor in proizvede elektriko za odjemalce.
Vložki so visoki. Če lahko podjetje, kot je SustainX, dobavi sistem, ki lahko poceni shranjuje energijo celo nekaj ur naenkrat, bi veter in sonce spremenil v zanesljive ponudnike električne energije, bolj kot elektrarne na fosilna goriva. Nihanja v vetru in sončni energiji bi lahko odpravili, odvečno moč nočnih vetrov pa lahko na primer poslali pozneje, ko je povpraševanje večje.
Stroj SustainX in drugi podobni so na vodilnem robu tehnološke dirke za shranjevanje energije. Delo podjetja, podprto z več kot 30 milijoni dolarjev zasebnih in državnih sredstev, predstavlja stavo, da bodo pametni inženirji, ki uporabljajo poceni in enostavno dostopne materiale, kot sta zrak in voda, premagali legije znanstvenikov, ki se lovijo preboja baterij.
Stroj SustainX, ki je prikazan maja 2013, uporablja izotermalno tehnologijo stisnjenega zraka za shranjevanje energije. (Foto: SustainX) Shranjevanje energije pritegne toliko pozornosti, ker bi lahko s prebojem stroškov in zmogljivosti električno omrežje postalo čistejše in bolj zanesljivo. Vsakodnevno gospodarske službe izvajajo stalen izravnalni akt: za zagotovitev zanesljive storitve se mora količina električne energije v elektrarnah ujemati s porabo v domovih in podjetjih. Če je vročega poletnega dne na primer povpraševanje po klimatskih napravah, bi morale elektrarne izklopiti več električne energije in jih ponovno zmanjšati, ko povpraševanje ponoči popusti.
Shranjevanje energije deluje kot rezerva ali račun energetske banke. V času največjega povpraševanja lahko skladiščenje zagotavlja energijo namesto elektrarn na fosilna goriva. Tehnologija lahko poveča spremenljivo proizvodnjo iz vetrnih in sončnih elektrarn ali poveča zmogljivost mešanih podpostaj, ki napajajo lokalno sosesko. Če je postavljen v ali v bližini stavb, lahko shranjevanje energije zagotavlja varnostno kopijo med izpadom električne energije. Mnoge od teh programov pa potrebujejo napravo, ki lahko napaja nekaj ur ali morda pol dneva. In to je treba storiti varno in z nizkimi stroški.
Za več urno shranjevanje obstajajo prepričljivi razlogi za iskanje mehanskih sistemov za shranjevanje pred elektrokemijskimi baterijami, pravijo vodje industrije. Za baterije so potrebni dražji materiali, na primer litij ali kobalt, za katere lahko veljajo omejitve. Za razliko od mehaničnega sistema se skladiščna zmogljivost polnilne baterije sčasoma zmanjšuje, kot je to izkusila večina uporabnikov prenosnikov.
Potem je tu tempo inovacij. Na splošno je hitrost raziskav na področju baterij počasna - merjena v letih in ne mesecih - in izboljšanje delovanja je pogosto postopno. Poleg tega je za izdelavo novih vrst baterij v velikih količinah potrebno veliko vnaprejšnjih naložb v tovarnah. Nasprotno bi lahko inovativni mehanski sistem sestavili iz nekoliko spremenjenih motorjev, rezervoarjev za industrijski plin in druge opreme, ki je že dobro razumljena in proizvedena v velikem obsegu.
"To je nekakšen [a] izziv za integracijo sistemov, ne pa da bi morali izumiti in sestaviti določeno napravo, da bi vse skupaj delovalo, " pravi Gareth Brett, izvršni direktor londonskega Highview Power Storage, ki uporablja utekočinjen zrak - zračni tlak. in ohlajeno, dokler ne postane tekoče - za shranjevanje energije v omrežju. "Naša intelektualna lastnina je v tem, kako je sistem zasnovan in združen na učinkovit in poceni način."
Ko gre za shranjevanje električne energije za uporabo v elektroenergetskem omrežju, se hidroelektrarna črpalka šteje za zlati standard - razmeroma poceni tehnologijo, ki daje energijo v Združenih državah Amerike že več kot 80 let. Kot pove že ime, se voda črpa navzgor v rezervoar, kadar je potreba po električni energiji majhna, in sprosti, kadar je to potrebno za proizvodnjo električne energije s pomočjo hidroelektrarne. Črpane hidroelektrarne lahko v nekaj urah oddajajo velike navale energije, kar operaterjem omrežij omogoča, da zapolnijo vrzeli v oskrbi z električno energijo, ne da bi jim bilo treba napajati elektrarne na kurjenje fosilnih goriv. Vendar so večinoma omejeni na gorski teren, ki zagotavlja višino, potrebno med rezervoarji, in okoljski pregledi trajajo veliko let.
Drugi preizkušeni, poceni način skladiščenja razsutega tovora je shranjevanje energije stisnjenega zraka ali CAES, pri katerem kompresorji črpajo zrak v podzemne jame. Kadar je potrebna moč, se zrak pod tlakom sprosti in segreva z izgorevanjem zemeljskega plina. Ta zrak se nato vpihne v turbino za proizvodnjo električne energije. Na svetu obstajata dve geološki napravi za shranjevanje stisnjenega zraka, ena je bila odprta v Nemčiji leta 1978 in druga v Alabami leta 1991. Obe enoti še vedno delujeta in veljata za uspešni. Toda nihče ni bil zgrajen, ker je težko najti lokacije s primerno geološko formacijo in financirati te projekte. Tretja elektrarna bi se lahko pridružila njihovim vrstam v Teksasu, v načrtih pa naj bi bil predviden 200 milijonov dolarjev projekt za shranjevanje do 317 megavatov - primerljiv z močjo srednje velike elektrarne.
Inovatorji pri energetskih zagonih so črpali navdih iz obeh teh tehnik, ki so se razvejale v različnih smereh. SustainX in Berkeley v Kaliforniji, LightSail Energy predlagata stiskanje zraka za skladiščenje, vendar ga hranite v nadzemnih rezervoarjih, kar pomeni, da niso omejeni na lokacije s podzemnimi kavernami. General Compression, ki temelji na Newtonu v Massachusettsu, je razvil sistem za shranjevanje stisnjenega zraka, ki je pritrjen neposredno na vetrnice.
Ključna razlika od običajnih sistemov CAES v teh pristopih, imenovanih izotermalno skladiščenje energije stisnjenega zraka, je ta, da na mestu ne gorijo goriva. Namesto tega druga podjetja CAES druge generacije zajamejo in ponovno uporabijo toploto, ki nastane, ko je zrak pod visokim pritiskom. LightSail Energy namerava razpršiti fino meglico vode, saj se zrak stisne in shrani to toplo vodo do pozneje. Ko se zrak pod tlakom sprosti, da ustvari električno energijo, topla voda namesto gorilnika na zemeljski plin segreva zrak skozi izmenjevalnik toplote.
Potencialno cenejši pristop CAES je shranjevanje stisnjenega zraka v tkaninah pod vodo. Pri skladiščenju zraka v jeklenih rezervoarjih mora biti jeklo dovolj gosto, da vsebuje visokotlačni zrak. Toda vodni tlak bi to delo lahko opravil brezplačno. Medtem ko je delal pri solarnem zagonu, je nekdanji raketni inženir Scott Frazier predvidel potrebo po poceni sistemu za shranjevanje, ki bi ga lahko postavili skoraj kamor koli. In leta 2010 je soustanovil podjetje, Bright Energy Storage Technologies, da bi zasnoval zamisel o shranjevanju stisnjenega zraka v velikih mehurjih, zasidranih na dno oceana ali dno rezervoarjev s sladko vodo.
"Če imam rezervoar nad zemljo, boste morali za višji tlak plačati več. Več zraka, ki jo vlijem, več jekla potrebujem - je precej linearno, " pravi Frazier. Prvi prototip podjetja, ki je bil zgrajen za ameriško mornarico na Havajih, bo uporabljal spremenjen motor tovornjaka za tlačenje zraka v rezervoarjih nad zemljo. Če se mehanika tega stroja izkaže za praktično, podjetje in mornarica načrtujeta izdelavo drugega prototipa, ki hrani zrak pod vodo.
Tudi preprostejši modeli za shranjevanje v razsutem stanju bi izkoristili gravitacijo tako kot to počnejo črpane hidroelektrarne. Advanced Rail Energy Storage s sedežem v Santa Barbari v Kaliforniji si prizadeva za izgradnjo projektov, pri katerih bi energija sončnih ali vetrnih elektrarn potisnila vlak vagonov navzgor po hribu, kadar je na omrežju malo povpraševanja po energiji. Ko bi najbolj potrebovali električno energijo, bi železniški avtomobili potovali navzdol in ustvarjali moč. Električni vlečni motorji, ki porivajo avtomobile navkreber, ko gredo navzdol, ko gredo navzdol in delujejo kot generatorji, enako kot hibridni avtomobil med zaviranjem polni baterijo. V podobnem konceptu je EnergyCache, ki ga je ustanovil strojnik MIT in ga financiral Bill Gates, zgradil demonstracijski sistem za shranjevanje, kjer se gramoz prevaža navzgor in navzdol z modificirano opremo za žičnice.
Na desetletju starem območju črpanja hidroelektrarn obstajajo tudi nove ideje, vključno s skladiščenjem vode v vodonosnikih ali nameščanjem rastlin ob oceanu, kot je to že storilo eno podjetje na Japonskem. Ti pristopi uporabljajo isto osnovno konfiguracijo - umetni rezervoar na visoki lokaciji ob spodnjem rezervoarju -, vendar bi ga bilo mogoče zgraditi na več lokacijah. Najbolj ambiciozni so predlogi za izgradnjo "energetskega otoka" v Severnem morju ob nizozemski ali belgijski obali. Ideja je zgraditi umetni otok z rezervoarjem in odvečno energijo, ki jo ustvarijo vetrnice, v kratkem času porabiti za črpanje vode za skladiščenje.
Vse te novosti se začnejo s poceni materiali, vendar na koncu naletijo na isti inženirski izziv: učinkovitost. Če se pri pretvorbi električne energije v stisnjen zrak ali shranjeno vodo in nazaj izgubi veliko energije, stroški naraščajo. Na tem področju se baterije zelo dobro konkurirajo: nekatere vrste so več kot 90 odstotkov učinkovite pri polnjenju in praznjenju.
Trik je torej pri mehanskem skladiščenju, da povečamo učinkovitost na čim več načinov. Zaradi shranjevanja zraka to pogosto pomeni boljšo uporabo toplote. Medtem ko izotermalni razvijalci CAES, kot je LightSail, lovijo toploto, ustvarjeno s stiskanjem zraka, drugi inovatorji pridobivajo toploto iz zunanjih virov, ki bi sicer šli v odpadke. Na svojem demo projektu v bližini Londona cevi Highview Power Storage odvajajo toploto iz bližnje elektrarne pri pretvorbi uskladiščenega tekočega zraka v plin pod visokim tlakom, ki turbino pretvori v električno energijo. Z različnimi tehnikami, celo za shranjevanje hladnega zraka v gramoz, da se olajša postopek hlajenja, lahko Highview Power Storage doseže učinkovitost pretvorbe energije na več kot 70 odstotkov, pravi.
Highview-ova pilotna naprava s kapaciteto 300 kilovatov tekočega zraka (LAES) v Sloughu v Veliki Britaniji. (Foto: Highview Storage Power) Mehanski sistem se ne more ujemati z najboljšimi baterijami glede učinkovitosti, vendar to zamudi, pravi Richard Brody, nekdanji podpredsednik poslovnega razvoja podjetja SustainX. Pomembneje, zlasti pri več urnih aplikacijah za shranjevanje, so razmeroma nizki vnaprejšnji stroški in dejstvo, da lahko mehanski sistemi delujejo desetletja, ne da bi pri tem izgubili zmogljivost za shranjevanje. Zagovorniki mehaničnega skladiščenja pravijo, da dobro nastavljen stroj z osnovnimi sestavinami - jeklom, zrakom, vodo in gramozom sčasoma ne bo poškodoval načina delovanja kemičnih spojin v baterijskih elektrodah. "Nismo videli nobene elektrokemične [baterije] tehnologije, ki bi lahko naredila, kar lahko počnemo, v merilu in življenjskem obdobju sistema, o katerem govorimo, " pravi Brody. "Mislimo, da je nepomembno delati stvari v megavatnem merilu s katerim koli od teh baterijskih sistemov na celicah."
Glede na potencial širokega shranjevanja energije v omrežju, pristopi z uporabo poceni materialov še naprej pritegnejo resno pozornost. Številni raziskovalci poleg številnih zagonov delajo na stisnjenem ali utekočinjenem zraku. Univerza v Birminghamu v Združenem kraljestvu je na primer ustanovila raziskovalni center za kriogeno shranjevanje energije in konzorcij, ki ga je vodil nemški uporabnik RWE, je v treh letih in pol zavezal 40 milijonov evrov (53 milijonov dolarjev) za razvoj visoko učinkovite CAES sistem, ki bo hranil toploto iz postopka stiskanja v velikih termos podobnih posodah, napolnjenih s keramičnim materialom.
Ta veja tehnologije skladiščenja lahko pomaga tudi pri prevozu. Inženirsko podjetje Ricardo ima dva projekta za raziskovanje, kako utekočinjen zrak lahko izboljša učinkovitost motorjev z notranjim zgorevanjem. Peugeot Citroen med drugimi avtomobilskimi proizvajalci zasleduje način uporabe rezervoarja za stisnjen zrak, da bi učinkovito deloval kot akumulator v hibridnem osebnem avtomobilu. Veliko privlačnosti je pripravljena razpoložljivost delov in infrastrukture, pravi dr. Andrew Atkins, glavni inženir tehnologije v Ricardu. "Nimate težav z dobavno verigo, " pravi. "Konec koncev je zrak samo za nas."
