Varastokokoisen työpajan takana noin tusina hardhats-insinööriä rakentaa jättiläissinisen koneen. Kuusi sylinteriä, kukin korkeampi kuin henkilö, ja paksuus putkia, putkia ja venttiilejä ulottuu ylöspäin meridieselimoottorista, jota ympäröi kolmikerroksinen teline.
SustainX -yrityksen käynnistämä Seabrookissa, New Hampshiressä, on suunniteltu energian varastointiin puristamalla ilmaa. Sähkömoottori kääntää moottorin kampiakselin männien ajamiseksi yllä olevissa sylintereissä. Männät puristavat seoksen ilmaa ja vaahtoavaa vettä ja pumppaavat paineistetun ilman suuriin terässäiliöihin, joissa sitä voidaan pitää kuin kelautunutta jousta. Kun sähkölaite tarvitsee virtaa, säiliöt suljetaan, jolloin ilma pääsee ulos, moottori saa virtaa ja tuottaa sähköä laitoksen asiakkaille.
Panokset ovat korkeat. Jos SustainX: n kaltainen yritys toimittaa järjestelmän, joka voi säästää energiaa edullisesti jopa muutama tunti kerrallaan, se muuttaisi tuuli- ja aurinkoenergian luotettavat energiantuottajiksi, kuten fossiilisten polttoaineiden tuotantolaitoksiksi. Tuulen ja aurinkoenergian vaihtelut voitaisiin tasata ja esimerkiksi yötuntuulien ylivoima voitaisiin lähettää myöhemmin, kun kysyntä on suurempi.
SustainX: n kone ja muut sen kaltaiset ovat energian varastoinnin teknologiakilpailun kärjessä. Yhtiön työ, jota tukee yli 30 miljoonaa dollaria yksityisistä ja valtion varoista, edustaa vetoa, että taitavat insinöörit, jotka käyttävät halpoja ja helposti saatavilla olevia materiaaleja, kuten ilmaa ja vettä, lyövät tutkijoiden legioonat, jotka jahtaavat läpimurtoa paristoissa.
SustainX-kone, kuvassa täällä toukokuussa 2013, käyttää isotermistä paineilmatekniikkaa energian varastointiin. (Kuva: SustainX) Energian varastointi herättää niin paljon huomiota, koska läpimurto kustannuksissa ja suorituskyvyssä voisi tehdä sähköverkosta puhtaamman ja luotettavamman. Apuohjelmat harjoittavat päivittäin jatkuvaa tasapainotusta: luotettavan palvelun takaamiseksi voimalaitoksissa tuotettavan sähkön määrän on vastattava kotien ja yritysten kulutusta. Jos esimerkiksi ilmastointilaitteiden kysyntä nousee kuumana kesäpäivänä, voimalaitosten on pakko kuluttaa enemmän sähköä ja soittaa se takaisin alas, kun kysyntä vähenee yöllä.
Energian varastointi toimii varauksena tai energiapankkitilinä. Huipputarpeen aikana varastointi voi tuottaa voimaa fossiilisia polttoaineita käyttävien laitosten sijaan. Teknologia voi vahvistaa tuulen ja aurinkopuistojen muuttuvaa tehoa tai lisätä enimmäislämpöasemien kapasiteettia, jotka toimittavat virtaa paikallisille lähiöille. Tallennettaessa rakennuksiin tai niiden läheisyyteen, energian varastointi voi tarjota varmuuskopion sähkökatkon aikana. Monet näistä sovelluksista vaativat kuitenkin laitetta, joka voi antaa virtaa muutama tunti tai ehkä puoli päivää. Ja se on tehtävä turvallisesti ja edullisin kustannuksin.
Teollisuuden johtajat sanovat, että usean tunnin varastoinnissa on pakottavia syitä harjoittaa mekaanisia varastointijärjestelmiä sähkökemiallisten akkujen yli. Paristot vaativat kalliimpia materiaaleja, kuten litiumia tai kobolttia, joihin voi kohdistua rajoituksia. Toisin kuin mekaaninen järjestelmä, ladattavan akun säilytyskapasiteetti vähenee ajan myötä, kuten useimmat kannettavien tietokoneiden käyttäjät ovat kokeneet.
Sitten on innovaatioiden vauhti. Yleensä akkututkimuksen kehitysvauhti on hidasta - mitattuina vuosina eikä kuukausina - ja suorituskyvyn parannukset ovat usein asteittaisia. Uuden tyyppisten akkujen valmistaminen suurina määrinä vaatii myös suuria alkuinvestointeja tehtaisiin. Innovatiivinen mekaaninen järjestelmä sen sijaan voitaisiin koota hiukan muokattuista moottoreista, teollisuuskaasusäiliöistä ja muista laitteista, jotka jo ymmärretään ja tuotetaan suuressa mittakaavassa.
"Se on eräänlainen [a] järjestelmien integroinnin haaste sen sijaan, että tarvitsisi keksiä ja rakentaa tietty laite, jotta se kaikki toimisi", sanoo Gareth Brett, Lontoossa toimivan Highview Power Storage -yrityksen toimitusjohtaja, joka käyttää nesteytettyä ilmaa - paineistettua ilmaa. ja jäähdytettiin, kunnes se muuttui nestemäiseksi - energian varastoimiseksi verkkoon. "Älyllinen omaisuutemme on siinä, miten järjestelmä on suunniteltu ja koottu yhteen tehokkaalla ja edullisella tavalla."
Sähkön varastoinnissa käytettäväksi sähköverkossa pumpun varastointivesivoimaa pidetään kultastandardina - suhteellisen halpa tekniikka, joka on toimittanut energiaa Yhdysvalloissa yli 80 vuoden ajan. Kuten nimestä voi päätellä, vesi pumpataan ylämäkeen säiliöön, kun sähkön tarve on alhainen, ja vapautetaan tarvittaessa sähkön tuottamiseksi vesivoimalan turbiinin kautta. Pumppuvesivoimalat voivat toimittaa suuria sähkönsiirtoja useita tunteja, jolloin verkonhaltijat voivat täyttää sähköntoimituksen aukot tarvitsematta käyttää fossiilisia polttoaineita polttavia voimalaitoksia. Ne rajoittuvat kuitenkin enimmäkseen vuoristoiseen maastoon, joka tarjoaa tarvittavan korkeusvoiton säiliöiden välillä, ja ympäristökatsaukset vievät useita vuosia.
Toinen todistettu, edullinen, irtotavaravarastointimenetelmä on paineilman energian varastointi eli CAES, jossa kompressorit pumppaavat ilmaa maanalaisiin luoliin. Kun virtaa tarvitaan, paineilma vapautuu ja kuumenee polttamalla maakaasua. Tämä ilma puhalletaan sitten turbiiniin sähkön tuottamiseksi. Maailmassa on kaksi geologista paineilman energian varastointilaitosta, joista toinen avattiin Saksassa vuonna 1978 ja toinen Alabamassa vuonna 1991. Molemmat yksiköt toimivat edelleen ja niitä pidetään onnistuneina. Muita ei ole rakennettu, koska on vaikea löytää paikkoja, joilla on sopiva geologinen muodostuminen, ja rahoittaa näitä hankkeita. Kolmas voimalaitos voisi liittyä heidän joukkoonsa Texasissa. Suunnitelmissa vaaditaan 200 miljoonan dollarin hanketta 317 megawatin varastoimiseen - verrattavissa keskikokoisen voimalaitoksen tuotantoon.
Energia-aloitteiden innovoijat ovat saaneet inspiraatiota molemmista näistä tekniikoista, haarautuen moniin suuntiin. SustainX ja Berkeley, Kaliforniassa sijaitseva LightSail Energy ehdottavat paineilmaa varastointia varten, mutta pitävät sitä maanpäällisissä säiliöissä, mikä tarkoittaa, että niitä ei ole rajoitettu paikkoihin, joissa on maanalaisia luolia. Newton, Massachusetts-pohjainen General Compression on kehittänyt paineilman varastointijärjestelmän, joka kiinnittyy suoraan tuuliturbiineihin.
Keskeinen ero perinteisestä CAES: sta näissä lähestymistavoissa, joita kutsutaan isotermisiksi paineilman energian varastointeiksi, on se, että polttoainetta ei tarvitse polttaa paikan päällä. Sen sijaan nämä toisen sukupolven CAES-yritykset keräävät ja käyttävät uudelleen lämpöä, joka syntyy, kun ilmaan kohdistetaan korkea paine. LightSail Energy aikoo suihkuttaa hienon vesisumun ilman painetessa ja varastoida kuuma vesi myöhemmin. Kun paineilmaa vapautetaan sähkön tuottamiseksi, lämmin vesi lämmittää maakaasupolttimen sijaan lämmönvaihtimen kautta.
Mahdollisesti halvempi CAES-lähestymistapa on paineilman varastointi kangaspusseihin vedenalaiseksi. Kun varastoidaan ilmaa terässäiliöissä, teräksen on oltava riittävän paksu, jotta se voi sisältää korkeapaineilman. Mutta vedenpaine voisi tehdä työn sen sijaan - ilmaiseksi. Työskennellessään aurinko-käynnistyksessä entinen rakettiinsinööri Scott Frazier ennakoi, että tarvitaan edullinen varastointijärjestelmä, joka voitaisiin sijoittaa melkein mihin tahansa. Ja vuonna 2010 hän perusti Bright Energy Storage Technologies -yhtiön, joka pyrkii pitämään paineilman varastoinnissa suurissa rakkoissa, jotka on kiinnitetty merenpohjaan tai makean veden varastojen pohjaan.
"Jos minulla on säiliö maanpinnan yläpuolella, joudut maksamaan enemmän korkeammasta paineesta. Mitä enemmän ilmaa pumppaan, sitä enemmän terästä tarvitsen - se on melko lineaarista", Frazier sanoo. Yhtiön ensimmäisessä prototyypissä, joka on rakennettu Yhdysvaltain merivoimille Havaijilla, käytetään muokattua kuorma-auton moottoria paineistamaan ilmaa säiliöissä maanpinnan yläpuolella. Jos koneen mekaniikka osoittautuu käytännölliseksi, yritys ja laivastot aikovat rakentaa toisen prototyypin, joka varastoi ilman vedenalaiseksi.
Jopa yksinkertaisemmat irtotavaravarastointisuunnitelmat hyödyntäisivät painovoimaa samalla tavalla kuin pumpatut vesivoimalat tekevät. Kalifornian Santa Barbaralla sijaitseva Advanced Rail Energy Storage -yritys pyrkii rakentamaan projekteja, joissa aurinko- tai tuulipuistojen energia johtaisi kiskoautojen junaan mäkeä ylöspäin, kun verkossa on vähän energiaa. Kun virtaa tarvitaan eniten, rautatievaunut kulkisivat alamäkeen ja tuottaisivat energiaa. Sähkömoottorit, jotka ajavat autoja ylämäkeen, ajavat taaksepäin alamäkeen mennessä ja toimivat generaattoreina, samoin kuin hybridi-auto lataa akun jarrutuksen aikana. Samanlaisessa konseptissa MIT-mekaanisen insinöörin perustama ja Bill Gatesin rahoittama EnergyCache rakensi esittelyvarastojärjestelmän, jossa soraa kuljetetaan ylös ja alamäkeen käyttämällä muokattuja hiihtolaitteita.
Vuosikymmeniä vanhalla pumpattavan vesivaraston alueella on myös uusia ideoita, mukaan lukien veden varastointi pohjakerroksissa tai kasvien sijoittaminen merelle, kuten yksi japanilainen yritys on jo tehnyt. Nämä lähestymistavat käyttävät samaa peruskonfiguraatiota - keinotekoista säiliötä korkealla paikalla alemman säiliön vieressä - mutta ne voidaan mahdollisesti rakentaa useampaan paikkaan. Kunnianhimoisimmat ovat ehdotukset "energiasaaren" rakentamiseksi Pohjanmerelle Hollannin tai Belgian rannikolle. Ajatuksena on rakentaa keinotekoinen saari, jossa on säiliö ja käyttää tuuliturbiinien tuottamaa ylimääräistä energiaa alhaisen kysynnän aikoina veden pumppaamiseen varastointia varten.
Kaikki nämä innovaatiot alkavat halvoista materiaaleista, mutta lopulta kohtaavat saman teknisen haasteen: tehokkuuden. Jos paljon energiaa menetetään muuntamalla sähkö paineilmaksi tai varastoiduksi vedeksi ja takaisin, kustannukset kasvavat. Tällä alueella akut kilpailevat erittäin hyvin: jotkut tyypit ovat yli 90 prosenttia tehokkaita lataamisessa ja purkamisessa.
Megaanisen varastoinnin temppu on siis tehokkuuden lisääminen mahdollisimman monella tavalla. Ilmavaraston kanssa tämä tarkoittaa usein lämmön parempaa käyttöä. Vaikka isotermiset CAES-kehittäjät, kuten LightSail, keräävät paineilmasta tuotettua lämpöä, muut innovaattorit keräävät lämpöä ulkopuolisista lähteistä, jotka muuten menisivät hukkaan. Lontoon lähellä sijaitsevassa esittelyprojektissa Highview Power Storage -putket hukkaavat lämpöä läheisestä voimalaitoksesta muuntaessaan varastoidun nestemäisen ilman korkeapainekaasuksi, joka kääntää turbiinin sähkön tuottamiseksi. Highview-energiansäästölaitteella voidaan saavuttaa energianmuutoshyötysuhde yli 70 prosenttiin, vaikka se myös varastoi kylmää ilmaa soraan jäähdytysprosessin helpottamiseksi.
Highview'n 300 kilowatin nestemäisen ilman varastointilaitoksen (LAES) pilottilaitos Sloughissa, Iso-Britanniassa. (Kuva: Highview Power Storage) Mekaaninen järjestelmä ei vastaa parhaita paristoja tehokkuuden suhteen, mutta se menee asiaan, sanoo SustainX: n entinen liiketoiminnan kehitysjohtaja Richard Brody. Tärkeämpää, etenkin usean tunnin varastointisovelluksissa, on suhteellisen alhaiset etukäteiskustannukset ja se, että mekaaniset järjestelmät voivat toimia vuosikymmeniä menettämättä säilytyskapasiteettia. Hyvin viritetty kone, jossa on perusainesosia - terästä, ilmaa, vettä ja soraa - ei heikennä tapaa, jolla paristoelektrodien kemialliset yhdisteet tekevät ajan myötä, mekaanisen varastoinnin puolustajat sanovat. "Emme ole nähneet mitään sähkökemiallista [akkutekniikkaa], joka pystyisi tekemään sen, mitä voimme tehdä siinä mittakaavassa ja järjestelmän elämässä, josta puhumme", Brody sanoo. "Mielestämme on epäkäytännöllistä tehdä megawatin mittaista tavaraa millä tahansa näistä solupohjaisista akkujärjestelmistä."
Kun otetaan huomioon mahdollinen laajamittainen energian varastointi verkkoon, edullisten materiaalien käyttämiseen liittyvät lähestymistavat herättävät edelleen vakavaa huomiota. Useiden aloittajien lisäksi monet tutkijat työskentelevät paineistetun tai nesteytetyn ilman kanssa. Esimerkiksi Yhdistyneen kuningaskunnan Birminghamin yliopisto perusti kryogeenisen energian varastointiin tarkoitetun tutkimuskeskuksen, ja saksalaisen RWE: n johtama konsortio on sitoutunut 40 miljoonan euron (53 miljoonaa dollaria) kolmen ja puolen vuoden aikana kehittämään tehokkaan CAES: n. Järjestelmä, joka tallentaa puristusprosessin lämpöä suurissa termostamaisissa astioissa, jotka on täytetty keraamisella materiaalilla.
Tämä varastotekniikan haara voisi myös auttaa kuljettamista. Suunnitteluyrityksellä Ricardo on kaksi hanketta tutkia kuinka nesteytetty ilma voi parantaa polttomoottoreiden tehokkuutta. Peugeot Citroen etsii menetelmää muun muassa paineilmasäiliön käyttämiseksi tehokkaasti akkuksi hybridi-henkilöautossa. Suuri osa vetoomuksesta on varaosien ja infrastruktuurin saatavuus, sanoo Ricardo-tekniikan pääinsinööri Dr. Andrew Atkins. ”Sinulla ei ole toimitusketjuongelmia”, hän sanoo. "Loppujen lopuksi ilma on kyse kaikesta."
