Na tyłach warsztatu wielkości magazynu około tuzina inżynierów w kaskach buduje gigantyczną niebieską maszynę. Sześć cylindrów, każdy wyższy od osoby, oraz gąszcz rurek, rur i zaworów wystają w górę z morskiego silnika wysokoprężnego otoczonego trzypiętrowym rusztowaniem.
Maszyna, zaprojektowana przez startup SustainX w Seabrook w stanie New Hampshire, jest przeznaczona do magazynowania energii przez sprężanie powietrza. Silnik elektryczny obraca wał korbowy silnika, aby napędzać tłoki w cylindrach powyżej. Tłoki wyciskają mieszaninę powietrza i spienionej wody i pompują sprężone powietrze do dużych stalowych zbiorników, gdzie można je trzymać jak zwiniętą sprężynę. Kiedy narzędzie elektryczne potrzebuje zasilania, zbiorniki zostaną otwarte, umożliwiając wydostanie się powietrza, zasilenie silnika i wytwarzanie energii elektrycznej dla klientów zakładu.
Stawki są wysokie. Jeśli firma taka jak SustainX może dostarczyć system, który może tanio magazynować energię nawet przez kilka godzin, zmieniłby wiatr i energię słoneczną w niezawodnych dostawców energii, bardziej jak elektrownie na paliwa kopalne. Wahania mocy wiatru i energii słonecznej można wygładzić, a nadwyżkę energii z wiatrów nocnych można na przykład wysłać później, gdy zapotrzebowanie będzie większe.
Maszyna SustainX i inne podobne są na czele wyścigu technologicznego w dziedzinie magazynowania energii. Praca firmy, wsparta ponad 30 milionami dolarów w funduszach prywatnych i rządowych, stanowi zakład, że sprytni inżynierowie używający tanich i łatwo dostępnych materiałów, takich jak powietrze i woda, pokonają legiony naukowców, którzy gonią za przełomem w dziedzinie akumulatorów.
Maszyna SustainX, przedstawiona tutaj w maju 2013 roku, wykorzystuje izotermiczną technologię sprężonego powietrza do magazynowania energii. (Zdjęcie: SustainX) Magazynowanie energii przyciąga tak wiele uwagi, ponieważ przełom w kosztach i wydajności może sprawić, że sieć elektryczna będzie czystsza i bardziej niezawodna. Każdego dnia zakłady użyteczności publicznej działają w sposób ciągły: aby zapewnić niezawodność usług, ilość energii wytwarzanej w elektrowniach musi odpowiadać zużyciu w domach i firmach. Jeśli na przykład w gorący letni dzień wystąpi gwałtowny wzrost zapotrzebowania na klimatyzatory, elektrownie muszą wyładować więcej energii elektrycznej i obniżyć ją, gdy popyt spadnie w nocy.
Magazynowanie energii działa jak rezerwa lub rachunek bankowy energii. W okresach szczytowego zapotrzebowania magazynowanie może dostarczać energię w miejsce „kopalnych” elektrowni na paliwa kopalne. Technologia może wzmocnić zmienną moc z farm wiatrowych i słonecznych lub zwiększyć moc maksymalnych podstacji, które dostarczają energię do lokalnych dzielnic. Umieszczone w budynkach lub w pobliżu budynków magazynowanie energii może zapewnić wsparcie podczas awarii zasilania. Wiele z tych aplikacji wymaga jednak urządzenia, które może zapewnić zasilanie przez kilka godzin, a może nawet pół dnia. I trzeba to zrobić bezpiecznie i tanio.
W przypadku magazynowania wielogodzinnego istnieją przekonujące powody, by poszukiwać mechanicznych systemów magazynowania w oparciu o akumulatory elektrochemiczne, mówią przedstawiciele branży. Baterie wymagają droższych materiałów, takich jak lit lub kobalt, które mogą podlegać ograniczeniom w dostawach. W przeciwieństwie do systemu mechanicznego pojemność pamięci akumulatorów zmniejsza się z czasem, jak zauważyli większość użytkowników laptopów.
Potem jest tempo innowacji. Zasadniczo tempo rozwoju badań nad akumulatorami jest powolne - mierzone raczej w latach niż w miesiącach - a ulepszenia wydajności są często przyrostowe. Ponadto wytwarzanie nowych rodzajów baterii w dużych ilościach wymaga dużych wstępnych inwestycji w fabryki. Natomiast innowacyjny układ mechaniczny można zmontować z nieznacznie zmodyfikowanych silników, przemysłowych zbiorników gazu i innych urządzeń, które są już dobrze zrozumiałe i produkowane na dużą skalę.
„Jest to swego rodzaju wyzwanie integracji systemów, zamiast wymyślać i budować konkretne urządzenie, aby wszystko działało” - mówi Gareth Brett, dyrektor generalny Highview Power Storage z Londynu, który wykorzystuje skroplone powietrze pod ciśnieniem. i chłodzony, aż zmieni się w płyn - w celu magazynowania energii w sieci. „Nasza własność intelektualna polega na tym, jak system jest konstruowany i łączony w sposób wydajny i niski koszt”.
Jeśli chodzi o magazynowanie energii elektrycznej do wykorzystania w sieci energetycznej, elektrownie wodne z pompami są uważane za złoty standard - stosunkowo tania technologia, która dostarcza energię w Stanach Zjednoczonych od ponad 80 lat. Jak sama nazwa wskazuje, woda jest pompowana pod górę do zbiornika, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest niska, i uwalniana w razie potrzeby w celu wytworzenia energii elektrycznej przez turbinę hydroelektryczną. Pompowane elektrownie wodne mogą dostarczać duże impulsy energii przez kilka godzin, umożliwiając operatorom sieci wypełnienie luk w dostawach energii elektrycznej bez konieczności korzystania z elektrowni spalających paliwa kopalne. Są one jednak w większości ograniczone do górzystego terenu, który zapewnia niezbędny wzrost wysokości między zbiornikami, a przeglądy środowiska zajmują wiele lat.
Inną sprawdzoną, tanią metodą masowego magazynowania jest magazynowanie sprężonego powietrza lub CAES, w którym sprężarki pompują powietrze do podziemnych kawern. Gdy potrzebna jest energia, sprężone powietrze jest uwalniane i podgrzewane przez spalanie gazu ziemnego. Powietrze to jest następnie wdmuchiwane do turbiny w celu wytworzenia elektryczności. Na świecie istnieją dwa geologiczne magazyny energii na sprężone powietrze, w tym jeden otwarty w Niemczech w 1978 r., A drugi otwarty w Alabamie w 1991 r. Oba urządzenia nadal działają i są uważane za udane. Ale żadne inne nie zostały zbudowane, ponieważ trudno jest znaleźć lokalizacje o odpowiedniej formacji geologicznej i sfinansować te projekty. Trzeci zakład mógłby dołączyć do swoich szeregów w Teksasie, z planami w wysokości 200 milionów dolarów projektu przechowywania do 317 megawatów - porównywalnie z mocą średniej elektrowni.
Innowatorzy w startupach energetycznych czerpali inspirację z obu tych technik, rozwijając się w różnych kierunkach. SustainX i Berkeley z Kalifornii LightSail Energy proponują sprężanie powietrza w celu magazynowania, ale utrzymywanie go w zbiornikach naziemnych, co oznacza, że nie są ograniczone do lokalizacji z podziemnymi kawernami. Firma General Compression z Newton w stanie Massachusetts opracowała system magazynowania sprężonego powietrza, który podłącza się bezpośrednio do turbin wiatrowych.
Kluczowa różnica w stosunku do tradycyjnych CAES w tych podejściach, zwanych izotermicznym magazynowaniem energii na sprężone powietrze, polega na tym, że na miejscu nie trzeba spalać paliwa. Zamiast tego te firmy CAES drugiej generacji wychwytują i ponownie wykorzystują ciepło wytwarzane, gdy powietrze jest poddawane wysokiemu ciśnieniu. LightSail Energy zamierza rozpylać drobną mgiełkę wody podczas sprężania powietrza i przechowywać tę gorącą wodę do później. Kiedy powietrze pod ciśnieniem jest uwalniane w celu wytworzenia elektryczności, gorąca woda, a nie palnik na gaz ziemny, podgrzewa powietrze przez wymiennik ciepła.
Potencjalnie tańszym podejściem CAES jest magazynowanie sprężonego powietrza w workach tkaninowych pod wodą. Podczas magazynowania powietrza w stalowych zbiornikach stal musi być wystarczająco gruba, aby pomieścić powietrze pod wysokim ciśnieniem. Ale ciśnienie wody może zamiast tego wykonać zadanie - za darmo. Podczas pracy w startupie solarnym były inżynier rakietowy Scott Frazier przewidział potrzebę niedrogiego systemu przechowywania, który można umieścić niemal wszędzie. W 2010 r. Był współzałożycielem firmy Bright Energy Storage Technologies, aby realizować ideę magazynowania sprężonego powietrza w dużych pęcherzach zakotwiczonych do dna oceanu lub dna zbiorników słodkowodnych.
„Jeśli mam zbiornik nad ziemią, musisz zapłacić więcej za wyższe ciśnienie. Im więcej powietrza wpompuję, tym więcej potrzebuję stali - jest dość liniowe” - mówi Frazier. Pierwszy prototyp firmy, zbudowany dla amerykańskiej marynarki wojennej na Hawajach, wykorzysta zmodyfikowany silnik ciężarówki do sprężania powietrza w zbiornikach nad ziemią. Jeśli mechanika tej maszyny okaże się praktyczna, firma i marynarka wojenna planują zbudować drugi prototyp, który magazynuje powietrze pod wodą.
Jeszcze prostsze konstrukcje do magazynowania luzem wykorzystywałyby grawitację w podobny sposób, jak w przypadku pompowanych elektrowni wodnych. Advanced Rail Energy Storage, z siedzibą w Santa Barbara w Kalifornii, stara się budować projekty, w których energia z farm słonecznych lub wiatrowych popychałaby pociąg wagonów na wzgórze, gdy zapotrzebowanie na energię w sieci jest niskie. Gdy najbardziej potrzebna jest energia, wagony jeżdżą w dół i wytwarzają energię. Elektryczne silniki trakcyjne, które popychają samochody pod górę, jadą do tyłu podczas zjazdu i działają jak generatory, tak samo jak samochód hybrydowy ładuje akumulator podczas hamowania. W podobnej koncepcji EnergyCache, założona przez inżyniera mechanika MIT i finansowana przez Billa Gatesa, zbudowała demonstracyjny system przechowywania, w którym żwir jest transportowany w górę i w dół przy użyciu zmodyfikowanego sprzętu do wyciągów narciarskich.
W liczącym ponad dziesięciolecia obszarze magazynowania wody z pompą istnieją również nowatorskie pomysły, w tym przechowywanie wody w warstwach wodonośnych lub umieszczanie roślin na oceanie, jak to zrobiła już jedna firma w Japonii. Podejścia te wykorzystują tę samą podstawową konfigurację - sztuczny zbiornik w wysokiej lokalizacji obok dolnego zbiornika - ale potencjalnie można go zbudować w większej liczbie lokalizacji. Najbardziej ambitne są propozycje budowy „wyspy energii” na Morzu Północnym u wybrzeży Holandii lub Belgii. Chodzi o to, aby zbudować sztuczną wyspę ze zbiornikiem i wykorzystać nadwyżkę energii generowanej przez turbiny wiatrowe w czasach niskiego zapotrzebowania do pompowania wody do magazynowania.
Wszystkie te innowacje zaczynają się od tanich materiałów, ale ostatecznie stają przed tym samym wyzwaniem inżynieryjnym: wydajnością. W przypadku utraty dużej ilości energii w wyniku zamiany energii elektrycznej na sprężone powietrze lub zmagazynowaną wodę i z powrotem koszty rosną. W tym obszarze akumulatory bardzo dobrze ze sobą konkurują: niektóre typy są wydajne w ponad 90 procentach w zakresie ładowania i rozładowywania.
Zatem w przypadku mechanicznego przechowywania sztuczka polega na zwiększeniu wydajności na jak najwięcej sposobów. W przypadku magazynowania powietrza często oznacza to lepsze wykorzystanie ciepła. Podczas gdy programiści izotermiczni CAES, tacy jak LightSail, wychwytują ciepło wytwarzane przez sprężanie powietrza, inni innowatorzy zbierają ciepło ze źródeł zewnętrznych, które w przeciwnym razie zostałyby zmarnowane. W projekcie demonstracyjnym pod Londynem Highview Power Storage ruruje ciepło odpadowe z pobliskiej elektrowni podczas przekształcania przechowywanego ciekłego powietrza w gaz pod wysokim ciśnieniem, który zamienia turbinę w energię elektryczną. Mówi, że stosując różnorodne techniki, a nawet magazynując zimne powietrze w żwirze, aby wspomóc proces chłodzenia, Highview Power Storage może zwiększyć wydajność konwersji energii do ponad 70 procent.
Pilotażowa fabryka Highview o mocy 300 kilowatów do magazynowania energii w ciekłym powietrzu (LAES) w Slough w Wielkiej Brytanii. (Zdjęcie: Highview Power Storage) Richard Brody, były wiceprezes ds. Rozwoju biznesu w SustainX, twierdzi, że mechaniczny system nie może się równać z najlepszymi akumulatorami pod względem wydajności. Ważniejsze, szczególnie w przypadku wielogodzinnych aplikacji do przechowywania, jest stosunkowo niski koszt początkowy oraz fakt, że systemy mechaniczne mogą działać przez dziesięciolecia bez utraty pojemności. Dobrze zestrojona maszyna z podstawowymi składnikami - stalą, powietrzem, wodą i żwirem - nie degraduje w ten sposób, jak związki chemiczne w elektrodach akumulatorowych z czasem, jak twierdzą zwolennicy mechanicznego przechowywania. „Nie widzieliśmy żadnej technologii elektrochemicznej [baterii], która mogłaby zrobić to, co możemy zrobić na skalę i żywotność systemu, o którym mówimy”, mówi Brody. „Uważamy, że niepraktyczne jest robienie rzeczy w skali megawatowej za pomocą dowolnego z tych systemów akumulatorowych opartych na ogniwach”.
Biorąc pod uwagę potencjał powszechnego magazynowania energii w sieci, podejścia z wykorzystaniem tanich materiałów nadal przyciągają poważną uwagę. Oprócz wielu startupów wielu badaczy pracuje nad sprężonym lub skroplonym powietrzem. Na przykład Uniwersytet w Birmingham w Wielkiej Brytanii utworzył centrum badawcze do magazynowania energii kriogenicznej, a konsorcjum pod przewodnictwem niemieckiego zakładu użyteczności publicznej RWE przez trzy i pół roku przeznaczyło 40 milionów euro (53 miliony dolarów) na opracowanie wysokowydajnego CAES system, który będzie magazynował ciepło z procesu kompresji w dużych termosopodobnych naczyniach wypełnionych materiałem ceramicznym.
Ta gałąź technologii magazynowania może również pomóc w transporcie. Firma inżynierska Ricardo ma dwa projekty mające na celu zbadanie, w jaki sposób skroplone powietrze może poprawić wydajność silników spalinowych. Peugeot Citroen, wśród innych producentów samochodów, poszukuje metody wykorzystania zbiornika sprężonego powietrza, aby skutecznie działać jak akumulator w hybrydowym samochodzie osobowym. Dużą atrakcją jest gotowa dostępność części i infrastruktury, mówi dr Andrew Atkins, główny inżynier technologii w Ricardo. „Nie masz żadnych problemów z łańcuchem dostaw” - mówi. „W końcu powietrze jest wokół nas.”
