Egy raktárméretű műhely hátulján körülbelül tucat hardhats mérnök épít egy hatalmas kék gépet. Hat henger, mindegyiknél magasabb, mint egy ember, és egy csöves vastag cső, cső és szelep húzódik felfelé egy tengeri dízelmotorból, amelyet három emeletes állvány vesz körül.
A SustainX üzembe helyezése által a New Hampshire-ben, Seabrookban kialakított gépet az energia tárolására tervezték a levegő sűrítésével. Egy villamos motor elforgatja a motor főtengelyét, hogy dugattyúkat vezessen a fenti hengerekbe. A dugattyúk levegő és habos víz keverékét nyomják össze, és a nyomás alatt álló levegőt nagy acéltartályokba pumpálják, ahol azt feltekercselt rugóként lehet tartani. Ha egy elektromos közműnek energiára van szüksége, a tartályokat lezárják, lehetővé téve a levegő kifutását, a motor táplálását és áramtermelést a közüzem ügyfelei számára.
A tét magas. Ha egy olyan társaság, mint például a SustainX, képes olyan rendszert szállítani, amely olcsón képes energiát tárolni akár néhány órára is, akkor a szél és a napenergia megbízható energiaellátó szolgáltatókká válna, inkább a fosszilis tüzelőanyaggal működő üzemeknél. A szél és a napenergia teljesítmény ingadozásait ki lehet küszöbölni, és például az éjszakai szelekből származó többlet energiát később is el lehet juttatni, ha nagyobb a kereslet.
A SustainX és mások hasonló gépek az energiatárolás technológiai versenyének élvonalában vannak. A társaság munkája, amelyet több mint 30 millió dollár magán- és állami források támogatnak, egy olyan fogadást jelent, amely szerint az okos és könnyen elérhető anyagokat, például levegőt és vizet használó okos mérnökök legyőzik az akkumulátorok áttörésével küzdő tudósok légióit.
A 2013. májusában itt látható SustainX gép izotermikus sűrített levegő technológiát használ az energia tárolására. (Fotó: SustainX) Az energiatárolás annyira felhívja a figyelmet, mert a költségek és teljesítmény áttörése tisztábbá és megbízhatóbbá teheti az elektromos hálózatot. A közművek minden nap folyamatosan egyensúlyba lépnek: a megbízható szolgáltatás biztosítása érdekében az erőművekben előállított energia mennyiségének meg kell egyeznie azzal, amit otthonok és vállalkozások fogyasztanak. Ha például egy meleg nyári napon igény van a légkondicionálóktól, akkor az erőműveknek több energiát kell fogyasszanak és vissza kell tárcsázniuk, amikor az igény éjszaka csökken.
Az energiatárolás tartalékként vagy energiaszámlaként működik. A csúcsigény idején a tárolás energiát szolgáltathat a „legmagasabb” fosszilis tüzelőanyaggal működő üzemek helyett. Ez a technológia rögzíti a szélerőművekből és a napenergia-termelőkből származó változó teljesítményt, vagy növelheti a maximális teljesítményű alállomások kapacitását, amelyek energiát szolgáltatnak a helyi környékekhez. Ha az energiatároló épületekbe vagy azok közelében helyezkedik el, tartalékot nyújthat áramszünet alatt. Ezeknek az alkalmazásoknak ugyanakkor sok olyan eszközre van szüksége, amely néhány órára, vagy akár fél napra képes energiát szolgáltatni. És ezt biztonságosan és olcsón kell elvégezni.
Az ipari vezetők szerint a több órás tároláshoz kényszerítő okok vannak arra, hogy az elektrokémiai akkumulátorok fölött mechanikus tárolórendszereket folytassanak. Az akkumulátorok drágább anyagokat, például lítiumot vagy kobaltot igényelnek, amelyekre korlátozott lehet az ellátás. A mechanikus rendszertől eltérően az újratölthető akkumulátor tárolási kapacitása az idő múlásával csökken, ahogy a legtöbb hordozható számítógép-felhasználó tapasztalta.
Akkor ott van az innováció üteme. Az akkumulátor-kutatás fejlődési üteme általában lassú - években, nem pedig hónapokban mérve -, és a teljesítményjavítások gyakran növekményesek. Ezenkívül az új típusú akkumulátorok nagy mennyiségben történő előállítása nagy előzetes beruházásokat igényel a gyárakban. Egy innovatív mechanikus rendszer ezzel szemben összeállítható kissé módosított motorokból, ipari gáztartályokból és egyéb olyan eszközökből, amelyek már jól érthetőek és nagy méretben előállíthatók.
"Ez egyfajta [a] rendszerintegrációs kihívás, ahelyett, hogy egy eszközt kellene kitalálnia és építenie, hogy mindez működjön" - mondta Gareth Brett, a londoni székhelyű Highview Power Storage vezérigazgatója, amely cseppfolyósított levegőt használ - légnyomás alatt és lehűtjük, amíg folyékonyá nem válik - az energia tárolására a rácson. "Szellemi tulajdonunk abban rejlik, hogy a rendszert miként tervezzük és ötvözzük hatékonyan és olcsón."
Amikor a villamos energiát az elektromos hálózaton tárolják, a szivattyútároló vízenergiát aranyszabálynak tekintik - ez egy viszonylag olcsó technológia, amely több mint 80 éve szállít energiát az Egyesült Államokban. Ahogy a neve is sugallja, a vizet felfelé pumpálják egy rezervoárhoz, ha alacsony a villamosenergia-igény, és akkor engedik fel, amikor egy villamosenergia-turbinán keresztül áramtermelésre van szükség. A szivattyúzott vízelőállomások nagy mennyiségű energiát robbanthatnak több órán keresztül, lehetővé téve a hálózatüzemeltetők számára, hogy hiányosságokat tölthessenek el az energiaellátásban anélkül, hogy fosszilis tüzelőanyagot égető erőműveket kellene csapniuk. Leginkább a hegyvidéki talajra korlátozódnak, amely biztosítja a tározók közötti szükséges magasságnövekedést, és a környezeti vizsgálatok sok évig tartanak.
A másik bevált, olcsó ömlesztett tároló módszer a sűrített levegővel történő energiatárolás, vagy a CAES, amelyben a kompresszorok a levegőt földalatti barlangokba pumpálják. Ha energiára van szükség, a nyomás alatt álló levegő földgáz elégetésével szabadul fel és melegszik. Ezt a levegőt ezután egy turbinába fújják át, hogy áramot termeljenek. Két geológiai sűrített levegővel működő energiatároló üzem létezik a világon, köztük egy, amelyet 1978-ban nyittak meg Németországban, és egyet 1991-ben Alabamában. Mindkét egység továbbra is működik, és sikeresnek tekinthető. De nem építettek másokat, mert nehéz megtalálni a megfelelő földtani formációval rendelkező helyeket és finanszírozni ezeket a projekteket. Egy harmadik gyár csatlakozhat Texasba, ahol 200 millió dolláros projektet igényelnek, amely akár 317 megawatt energiát tárolhat - ez összehasonlítható a közepes méretű erőmű teljesítményével.
Az innovatív vállalkozók az energiaigényű vállalkozásokban mindkét technika inspirációját merítették fel, és számos irányba elágaztak. A SustainX és a Berkeley, a kaliforniai LightSail Energy a levegő tömörítését javasolja tárolás céljából, de azt földi tartályokban tárolja, ami azt jelenti, hogy nem korlátozódnak a föld alatti barlangokkal ellátott helyekre. A Newton, a massachusettsi székhelyű General Compression kifejlesztett egy sűrített levegő tároló rendszert, amely közvetlenül kapcsolódik a szélturbinákhoz.
Az ezekben a megközelítésekben, az izotermikus sűrített levegő energiatárolásnak nevezett, alapvető különbség a hagyományos CAES-hez képest, az, hogy a helyszínen nem kell égetni üzemanyagot. Ehelyett ezek a második generációs CAES-vállalatok elfogják és újrafelhasználják a hőt, amely akkor keletkezik, ha a levegő magas nyomás alá kerül. A LightSail Energy szándékozik egy finom vízpermetet permetezni, amikor a levegő összenyomódik, és ezt a forró vizet később tárolja. Amikor nyomás alatt lévő levegő szabadul fel villamosenergia-előállítás céljából, a forró víz a földgázégő helyett a hőcserélőn melegíti a levegőt.
Egy potenciálisan olcsóbb CAES megközelítés a sűrített levegő tárolása szövetzsákokban a víz alatt. Amikor levegőt tárol acéltartályokban, az acélnak elég vastagnak kell lennie ahhoz, hogy nagynyomású levegőt tartalmazzon. De a víznyomás ehelyett elvégezheti a munkát - ingyen. A napfény indításánál dolgozó Scott Frazier volt rakétamérnök előre látta egy olcsó tárolórendszer szükségességét, amelyet szinte bárhová el lehet helyezni. És 2010-ben a Bright Energy Storage Technologies társaságot alapította, amelynek célja a sűrített levegőnek az óceánfenékhez vagy az édesvízi tározók fenekéhez rögzített nagy hólyagokban való tárolása.
"Ha van egy tartályom a talaj felett, akkor többet kell fizetnie a magasabb nyomásért. Minél több levegőt pumpálok, annál több acélra van szükségem - ez elég lineáris" - mondja Frazier. A cég első prototípusa, amelyet az Egyesült Államok haditengerészetének épített Hawaii-ban, módosított teherautómotorral fogja nyomni a föld feletti tartályokban a levegőt. Ha a gép mechanikája praktikusnak bizonyul, a társaság és a haditengerészet egy második prototípust tervez felépíteni, amely a víz alatti levegőt tárolja.
Még az egyszerűbb ömlesztettáru-kialakítás is a gravitációt hasznosítja, ahogyan a szivattyúzott állomások teszik. A kaliforniai Santa Barbarában székhellyel rendelkező fejlett vasúti energiatároló olyan projektekre törekszik, amelyekben a napenergia vagy a szélerőművekből származó energia a vasúti kocsik vonatát egy dombra emelné fel, amikor kevés az energiaigény a hálózaton. Ha a legtöbb energiára van szükség, a vasúti kocsi lefelé halad és energiát termel. Az elektromos vontatómotorok, amelyek lefelé haladva az autókat felfelé mozgatják, fordított irányban futnak, és generátorként működnek, ugyanúgy, mint egy hibrid autó az akkumulátor töltése fékezés közben. Hasonló elképzelés szerint az MIT gépészmérnök által alapított és Bill Gates által finanszírozott EnergyCache demonstrációs tárolórendszert épített fel, ahol a kavicsot felfelé és lefelé szállítják módosított sífelvonó berendezéssel.
A szivattyúzott hidroakkumulátorok évtizedes régi területén új ötletek is merülnek fel, ideértve a víz tárolását víztartó rétegekben vagy az óceán növényeinek elhelyezésében, ahogyan ezt egy japán vállalat már megtette. Ezek a megközelítések ugyanazt az alapkonfigurációt használják - egy mesterséges tározót magas helyen, egy alsó tározó mellett -, de potenciálisan több helyen is felépíthetők. A legambiciózusabb javaslatok az „energiasziget” felépítésére vannak az Északi-tengeren a holland vagy a belga part mentén. Az ötlet egy mesterséges sziget felépítése egy tározóval, és a szélturbinák által generált energia felesleges energia felhasználása alacsony igényig a víz tárolására.
Ezek az újítások olcsó anyagokkal kezdődnek, de végül ugyanazzal a mérnöki kihívással járnak: a hatékonyság. Ha sok energia elveszik, ha a villamos energiát sűrített levegővé vagy tárolt vízré alakítja vissza, és vissza, a költségek növekednek. Az akkumulátorok ezen a területen nagyon jól versenyeznek: egyes típusok több mint 90 százalékkal hatékonyan töltik és töltik le az akkumulátort.
A trükk tehát a mechanikus tárolás szempontjából az, hogy a lehető legtöbb módon fokozza a hatékonyságot. A levegő tárolásával ez gyakran azt jelenti, hogy jobban ki kell használni a hőt. Míg az izotermikus CAES fejlesztők, például a LightSail, a sűrített levegőből származó hőt gyűjtik, addig más innovátorok külső forrásokból gyűjtik be hőt, amelyek egyébként hulladékká válnának. A londoni melletti demonstrációs projekt során a Highview Power Storage csövek egy közeli erőmű hulladékhőjéből származnak, amikor a tárolt folyékony levegőt nagynyomású gázzá alakítják, amely turbina elektromos áramot termel. Különféle technikák alkalmazásával, akár a hideg levegő tárolása a kavicsban a hűtési folyamat elősegítése érdekében, a Highview Power Storage 70% -ot meghaladó energiaátalakítási hatékonyságot érhet el.
A Highview 300 kilowattos folyadéklevegő-tároló (LAES) kísérleti üzemét az Egyesült Királyságban, Slough-ban. (Fénykép: Highview Power Storage) A mechanikus rendszer nem felel meg a hatékonyság szempontjából a legjobb akkumulátoroknak, de ez lényegtelen - mondja Richard Brody, a SustainX üzletfejlesztés volt alelnöke. Ennél is fontosabb, különösen a több órás tárolási alkalmazásoknál, a viszonylag alacsony előzetes költség és az a tény, hogy a mechanikus rendszerek évtizedek óta működhetnek anélkül, hogy a tárolókapacitást elveszítenék. Az alapanyagokkal - acél, levegő, víz és kavics - jól hangolt gép nem rontja le az akkumulátor-elektródákban lévő kémiai vegyületek működését az idő múlásával - állítják a mechanikus tárolás támogatói. "Még nem látott olyan elektrokémiai [akkumulátor] technológiát, amely képes lenne megtenni azt, amit meg tudunk tenni azon a skálán és a rendszer élettartamánál, amelyről beszélünk" - mondja Brody. "Úgy gondoljuk, hogy nem praktikus megalapozott dolgot csinálni ezekkel a cellás alapú akkumulátor rendszerekkel."
Tekintettel a hálózaton történő széles körű energiatárolás lehetőségére, az olcsó anyagok felhasználására irányuló megközelítések továbbra is komoly figyelmet vonzanak. Számos induló vállalkozás mellett sok kutató sűrített vagy cseppfolyósított levegőn is dolgozik. Például az Egyesült Királyságban a Birminghami Egyetem létrehozta a kriogén energiatárolás kutatási központját, és a német közüzemi RWE vezette konzorcium 40 millió eurót (53 millió dollárt) költött három és fél év alatt egy nagy hatékonyságú CAES kifejlesztésére. rendszer, amely a kompressziós folyamat hőjét tárolja kerámia anyaggal megtöltött nagy termoszerű edényekben.
A tárolási technológia ezen ága az szállítást is elősegítheti. A Ricardo mérnöki társaságnak két projektje van annak felmérésére, hogy a cseppfolyósított levegő hogyan javíthatja a belső égésű motorok hatékonyságát. A Peugeot Citroen, többek között az autógyártók, sűrített levegő tároló tartály használatának módszerét alkalmazza annak érdekében, hogy hatékonyan működjön akkumulátorként egy hibrid személygépkocsiban. A fellebbezés nagy része az alkatrészek és az infrastruktúra rendelkezésre állása - mondja Dr. Andrew Atkins, a Ricardo technológiai főmérnöke. "Nincs semmilyen ellátási lánc kérdése" - mondja. "Végül is a levegő rólunk szól."
