Lao suuruse töökoja taga ehitab kümmekond hardhati inseneri hiiglaslikku sinist masinat. Kuus silindrit, millest igaüks on inimesest pikem, ja torude, torude ja ventiilide tihnik ulatub merelaeva diiselmootorist ülespoole, mida ümbritseb kolmekorruseline karkass.
SustainXi käivitusel Seabrookis New Hampshire'is on see masin mõeldud energia salvestamiseks õhu kokkusurumisel. Elektrimootor pöörab mootori väntvõlli, et ülaltoodud silindrites kolvid edasi liikuda. Kolvid pigistavad õhu ja vahutava vee segu ning pumbavad suruõhu suurtesse teraspaakidesse, kus seda saab hoida nagu keerdvedru. Kui elektritarbija vajab voolu, on paagid korkimata, võimaldades õhk välja jõuda, mootorit toita ja elektrit kommunaalteenuste klientidele toota.
Panused on kõrged. Kui selline ettevõte nagu SustainX suudaks tarnida süsteemi, mis suudab odavalt energiat hoida isegi paar tundi korraga, muudaks see tuule- ja päikeseenergia usaldusväärseteks elektrienergia pakkujateks, nagu fossiilkütusejaamad. Tuule ja päikeseenergia kõikumisi saab tasandada ja näiteks öise tuule korral tekkiva liigse energia võib hiljem välja saata, kui nõudlus on suurem.
SustainXi masin ja teised selletaolised on energiasalvestuse tehnoloogiavõistluse esirinnas. Ettevõtte töö, mida toetavad enam kui 30 miljonit dollarit era- ja valitsuse rahalised vahendid, kujutab endast panust, et nutikad insenerid, kes kasutavad odavaid ja hõlpsasti kättesaadavaid materjale, nagu õhk ja vesi, löövad välja patareide läbimurret taga ajavate teadlaste leegionid.
SustainX-i masin, mida siin on kujutatud 2013. aasta mais, kasutab energia salvestamiseks isotermilist suruõhutehnoloogiat. (Foto: SustainX) Energia salvestamine köidab nii palju tähelepanu, sest läbimurre kulude ja jõudluse osas võib muuta elektrivõrgu puhtamaks ja töökindlamaks. Kommunaalteenused teostavad iga päev pidevat tasakaalustamist: usaldusväärse teenuse tagamiseks peab elektrijaamades toodetav energiakogus vastama kodudes ja ettevõtetes tarbitavale. Kui näiteks kuumal suvepäeval on kliimaseadmete nõudlus suurenenud, peavad elektrijaamad rohkem elektrit välja väntama ja kui öösel nõudlus väheneb, tuleb see tagasi valida.
Energiasalvestus toimib reservina või energiapangakontona. Tipptasemel nõudluse ajal võib ladustamine fossiilkütuseid tootvate „kõrgeimate” asemele energiat anda. See tehnoloogia suudab tuule- ja päikesepõletusfarmide muutuva võimsuse kinnistada või suurendada maksimaalse võimsusega alajaamade võimsust, mis pakuvad energiat kohalikele linnaosadele. Hoonesse või selle lähedusse paigutatud energia salvestusruum võib elektrikatkestuse ajal varundada. Paljud neist rakendustest vajavad aga seadet, mis suudab toitu pakkuda mõneks tunniks või ehk pooleks päevaks. Ja seda tuleb teha ohutult ja odavalt.
Mitmetunnise ladustamise jaoks on kaalukad põhjused, miks mehaaniliste salvestussüsteemide rakendamine peaks toimuma elektrokeemiliste akude kohal, ütlevad tööstuse juhid. Patareid vajavad kallimaid materjale, näiteks liitiumi või koobaltit, mille tarnimise piirangud võivad kehtida. Erinevalt mehaanilisest süsteemist väheneb laetava aku mälumaht aja jooksul, nagu enamik sülearvuti kasutajaid on seda kogenud.
Siis on uuenduste tempo. Üldiselt on akude uurimise arengutempo aeglane - mõõdetuna pigem aastates kui kuudes - ning jõudluse parandamine on sageli astmeline. Uue tüüpi patareide valmistamine eeldab ka suuri investeeringuid tehastesse. Uuendusliku mehaanilise süsteemi võiks seevastu kokku panna pisut modifitseeritud mootoritest, tööstuslikest gaasimahutitest ja muudest seadmetest, mis on juba hästi mõistetavad ja toodetud suures mahus.
"See on omamoodi [a] süsteemide integreerimise väljakutse, selle asemel, et kogu seade tööle panna, tuleb leiutada ja ehitada konkreetne seade, " ütleb veeldatud õhku kasutava - survestatud õhu käes asuva Londonis asuva Highview Power Storage'i tegevjuht Gareth Brett. ja jahutati kuni vedelaks muutumiseni - energia salvestamiseks võrku. "Meie intellektuaalomand seisneb selles, kuidas süsteem on konstrueeritud ja kokku viidud viisil, mis on tõhus ja odav."
Kui rääkida elektrienergia kasutamisest elektrivõrgus, siis peetakse kuldstandardiks pumpade hüdroenergiat - suhteliselt odavat tehnoloogiat, mis on Ameerika Ühendriikides energiat tarninud enam kui 80 aastat. Nagu nimest nähtub, pumbatakse vett reservuaari ülesmäge, kui elektritarve on madal, ja vajadusel lastakse see hüdroelektriturbiini kaudu elektrienergia tootmiseks. Pumbaga hüdrojaamad võivad mitme tunni jooksul tarnida suuri energiapurske, võimaldades võrguettevõtjatel täita lüngad elektrivarustuses ilma fossiilkütuseid põletavate elektrijaamade kraanideta. Enamasti on need piiratud mägise maastikuga, mis tagab reservuaaride vahel vajaliku kõrguse suurenemise, ja keskkonnaülevaated võtavad palju aastaid.
Teine tõestatud, odav ja mahtlastina ladustamise meetod on suruõhu energiasalvestus ehk CAES, milles kompressorid pumbavad õhku maa-alustesse koobastesse. Kui energiat on vaja, vabastatakse suruõhk ja soojendatakse seda maagaasi põletamise teel. Seejärel puhutakse see õhk elektri tootmiseks turbiini. Maailmas on kaks geoloogilist suruõhu energia salvestamise tehast, sealhulgas üks, mis avati Saksamaal 1978. aastal ja teine avati Alabamas 1991. Mõlemad üksused töötavad endiselt ja neid peetakse edukateks. Kuid teisi pole ehitatud, kuna sobiva geoloogilise formatsiooniga asukohti on keeruline leida ja neid projekte rahastada. Kolmas tehas võiks nende ridadesse liituda Texases, plaanides nõuda 200 miljoni dollari suurust projekti kuni 317 megavatti salvestamiseks, mis oleks võrreldav keskmise suurusega elektrijaama võimsusega.
Energiavaldkonna idufirmade innovaatorid on ammutanud mõlemast tehnikast inspiratsiooni, hargnedes mitmetes suundades. SustainX ja Berkeley, Californias asuv LightSail Energy teevad ettepaneku õhu ladustamiseks kokku suruda, kuid hoidke seda maapealsetes mahutites, mis tähendab, et need pole piiratud maa-aluste koobastega. Newton, Massachusettsi baasil General Compression on välja töötanud suruõhusalvestussüsteemi, mis kinnitub otse tuuleturbiinidele.
Nende lähenemisviiside, mida nimetatakse isotermiliseks suruõhu energia salvestamiseks, peamine erinevus traditsioonilisest CAES-ist on see, et kohapeal ei pea kütust põletama. Selle asemel hõivavad ja taaskasutavad need teise põlvkonna CAES-ettevõtted soojust, mis tekib õhu kõrge rõhu all. Õhu kokkusurumisel kavatseb LightSail Energy pritsida peene vee udu ja säilitada seda kuuma vett hilisema ajani. Kui elektri tootmiseks eraldatakse rõhu all olev õhk, soojendab õhku soojusvaheti kaudu mitte maagaasipõleti, vaid kuum vesi.
Võimalikult odavam CAES-i lähenemisviis on suruõhu hoidmine kangakottides vee all. Õhu hoidmisel teraspaakides peab teras olema piisavalt paks, et sisaldada kõrgrõhu õhku. Kuid veesurve võiks selle asemel hoopis tasuta hakkama saada. Päikesesüsteemi käivitamisel töötades nägi endine raketiinsener Scott Frazier ette vajadust odava salvestussüsteemi järele, mille saaks paigutada peaaegu kõikjale. Ja 2010. aastal asutas ta ettevõtte Bright Energy Storage Technologies, et jätkata suruõhu ladustamist ookeani põhja või magevee reservuaaride põhja ankurdatud suurtesse põide.
"Kui mul on paak maapinnast, peate kõrgema rõhu eest rohkem maksma. Mida rohkem õhku sisse pumpan, seda rohkem terast vajan - see on üsna lineaarne, " ütleb Frazier. Ettevõtte esimeses prototüübis, mis on ehitatud USA mereväe jaoks Hawaiil, kasutatakse modifitseeritud veoauto mootorit, et suruda õhku maa peal asuvates paakides. Kui selle masina mehaanika osutub praktiliseks, plaanivad ettevõte ja merevägi ehitada teise prototüübi, mis salvestaks õhku vee alla.
Isegi lihtsamad mahtladustuskonstruktsioonid rakendaksid gravitatsiooni samamoodi nagu pumbatavad hüdrojaamad. Californias Santa Barbaras asuv Advanced Rail Energy Storage soovib ehitada projekte, kus päikese- või tuuleparkidest saadav energia lükkaks raudteevagunite rongi mäest üles, kui võrgus on energia järele vähe nõudlust. Kui energiat on kõige rohkem vaja, sõidaksid raudteevagunid allamäge ja toota energiat. Elektrilised veomootorid, mis suruvad autosid ülesmäge, sõidavad allamäge minnes tagurpidi ja töötavad generaatoritena, samamoodi laadib hübriidauto pidurdamise ajal akut. Sarnasel kontseptsioonil ehitas MIT-i mehaanikainseneri asutatud ja Bill Gatesi rahastatud EnergyCache näidissalvestussüsteemi, kus kruus transporditakse üles ja allamäge, kasutades modifitseeritud suusatõsteseadmeid.
Aastakümneid vanuses pumbatava hüdrohoidla alal on ka uusi ideid, sealhulgas vee hoidmine põhjaveekihtides või taimede paigutamisel ookeani äärde, nagu üks Jaapani ettevõte on juba teinud. Need lähenemisviisid kasutavad sama põhikonfiguratsiooni - tehisreservuaari kõrgemas kohas madalama reservuaari kõrval -, kuid selle võib potentsiaalselt rajada mitmesse kohta. Kõige ambitsioonikamad on ettepanekud ehitada Hollandi või Belgia ranniku ääres Põhjamere juurde energiasaar. Idee on ehitada reservuaariga tehissaar ja kasutada tuulegeneraatorite tekitatud liigset energiat madala nõudlusega aegadel vee ladustamiseks.
Kõik need uuendused saavad alguse odavatest materjalidest, kuid lõpuks samu tehnilisi väljakutseid silmas pidades: tõhusus. Kui kaob palju energiat, muutes elektri suruõhuks või salvestatud veeks ja jälle tagasi, suurenevad kulud. Selles piirkonnas konkureerivad akud väga hästi: mõned tüübid on laadimisel ja tühjendamisel enam kui 90 protsenti tõhusad.
Seejärel on mehaanilise ladustamise trikk efektiivsuse suurendamine võimalikult mitmel viisil. Õhu salvestamisega tähendab see sageli soojuse paremat kasutamist. Kuigi isotermilised CAES-i arendajad, nagu näiteks LightSail, koguvad suruõhust toodetud soojust, koguvad teised uuendajad välistest allikatest soojust, mis muidu läheks raisku. Londoni lähedal asuvas demonstratsiooniprojektis lasevad Highview Power Storage torud lähedalasuvast elektrijaamast tekkivast soojusenergiast teisendada ladustatud vedelat õhku kõrgsurvegaasiks, mis muudab elektri tootmiseks turbiini. Kasutades erinevaid tehnikaid ja jahutades isegi külma õhku kruusidesse, võimaldab Highview energiasalvestusmuunduse energiatõhusus üle 70 protsendi, väidab ta.
Highview'i 300-kilovatise vedelikuõhusalvestuse (LAES) pilotehas Sloughis, Suurbritannias. (Foto: Highview toitesalvestus) Mehaaniline süsteem ei vasta efektiivsuse osas parimatele patareidele, kuid see jääb mõttesse, ütleb SustainXi endine äriarenduse asepresident Richard Brody. Veelgi olulisem on, eriti mitmetunniste salvestusrakenduste puhul, suhteliselt madalad ettemaksud ja asjaolu, et mehaanilised süsteemid võivad töötada aastakümneid mälumahtu kaotamata. Põhikomponentide - terase, õhu, vee ja kruusa - hästi häälestatud masin ei halvenda akuelektroodides leiduvate keemiliste ühendite moodustumist aja jooksul, väidavad mehaanilise ladustamise propageerijad. "Me ei ole näinud ühtegi elektrokeemilist [aku] tehnoloogiat, mis suudaks teha seda, mida suudame teha sellisel skaalal ja süsteemi kasutusiga, nagu me räägime, " ütleb Brody. "Arvame, et ükskõik millise nende kärjepõhiste akusüsteemidega pole megavatt-mahuga asju teha ebapraktiline."
Arvestades energia laialdase salvestamise potentsiaali võrgus, köidavad odavate materjalide kasutamise lähenemisviisid jätkuvalt tõsist tähelepanu. Lisaks arvukatele idufirmadele töötavad paljud teadlased suru või veeldatud õhu käes. Näiteks Suurbritannia Birminghami ülikool lõi krüogeense energia salvestamise uurimiskeskuse ning Saksamaa kommunaalettevõtte RWE juhitud konsortsium on kolme ja poole aasta jooksul eraldanud 40 miljoni euro (53 miljonit dollarit) suure tõhususega CAES-i arendamiseks. süsteem, mis salvestab kokkusurumisprotsessis saadud soojust suurtes termostaolistes anumates, mis on täidetud keraamilise materjaliga.
See hoiutehnoloogia haru võib abistada ka transportimist. Inseneriettevõttel Ricardo on kaks projekti, et uurida, kuidas veeldatud õhk saaks sisepõlemismootorite efektiivsust parendada. Peugeot Citroen otsib teiste autotootjate seas suruõhumahuti kasutamist, et see toimiks hübriidsõidukis tõhusalt kui aku. Suur osa veetlusest on osade ja infrastruktuuri valmis kättesaadavus, ütles Ricardo tehnoloogia peainsener dr Andrew Atkins. "Teil pole tarneahelaga probleeme, " ütleb ta. "Lõppude lõpuks on õhk meist kõike."
