Na stražnjoj strani radionice veličine skladišta, desetak inženjera u tvrdoj građi gradi ogroman plavi stroj. Šest cilindara, svaki viši od osobe, i gomolj cijevi, cijevi i ventila pružaju se prema gore od brodskog dizel motora okruženog skelom od tri kata.
Zamišljen pokretanjem SustainX-a u Seabrook-u, New Hampshire, stroj je dizajniran za spremanje energije komprimiranjem zraka. Elektromotor okreće radilicu motora kako bi pokrenuo klipove u cilindrima iznad. Klipovi istiskuju mješavinu zraka i pjenaste vode i pumpaju zrak pod tlakom u velike čelične rezervoare, gdje se mogu držati poput namotane opruge. Kad električnom komunalnom uređaju treba struja, spremnici će se onesposobiti, dopuštajući da zrak struji, pokreće motor i proizvodi električnu energiju za potrošače.
Ulozi su visoki. Ako tvrtka poput SustainX može isporučiti sustav koji može jeftino pohranjivati energiju čak i po nekoliko sati istovremeno, pretvaraće vjetar i solar u pouzdane dobavljače energije, više poput postrojenja za fosilna goriva. Fluktuacije vjetrova i sunčeve snage mogu se umanjiti, a višak snage iz noćnih vjetrova, na primjer, može se otpremiti kasnije kada je potražnja veća.
Stroj SustainX-a i njemu slični su na vodećem rubu tehnološke utrke u skladištenju energije. Rad tvrtke, potpomognut s više od 30 milijuna dolara u privatnim i državnim fondovima, predstavlja okladu da će pametni inženjeri koji koriste jeftine i lako dostupne materijale poput zraka i vode pobijediti legije znanstvenika koji probijaju napredak u baterijama.
Mašina SustainX, prikazana ovdje u svibnju 2013., koristi izotermalnu tehnologiju komprimiranog zraka za spremanje energije. (Foto: SustainX) Spremanje energije privlači toliko pažnje jer bi napredak u troškovima i performansama mogao učiniti električnu mrežu čistijom i pouzdanijom. Svakodnevno komunalne usluge rade na konstantnom balansiranju: kako bi se osigurala pouzdana usluga, količina električne energije proizvedene u elektranama mora odgovarati onome što se potroši u kućama i tvrtkama. Ako je vrućeg ljetnog dana došlo do snažne potražnje klima uređaja, na primjer, elektrane trebaju iscijediti više električne energije i smanjiti ih kad potražnja noću padne.
Spremanje energije djeluje kao rezerva ili račun u energetskoj banci. U vrijeme najveće potražnje, skladištenje može isporučiti energiju na mjestu elektrana na fosilnom gorivu. Tehnologija može pojačati varijabilni učinak iz vjetroelektrana i solarnih elektrana ili povećati kapacitet miješanih podstanica koje isporučuju energiju lokalnim četvrtima. Ako se postavi u zgrade ili u blizini, skladište energije može osigurati pričuvu tijekom nestanka struje. Međutim, za mnoge je aplikacije potreban uređaj koji može napajati nekoliko sati ili možda i pola dana. A to se mora učiniti sigurno i po niskoj cijeni.
Za višesatno skladištenje postoje uvjerljivi razlozi da se istraže mehanički sustavi skladištenja preko elektrokemijskih baterija, kažu rukovoditelji industrije. Baterijama trebaju skuplje materijale, poput litija ili kobalta, koji mogu biti podložni ograničenjima napajanja. Za razliku od mehaničkog sustava, kapacitet skladištenja punjive baterije s vremenom opada, kao što je to iskusilo većina korisnika prijenosnih računala.
Tada je tempo inovacija. Općenito, tempo razvoja istraživanja na baterijama je spor - mjeri se godinama, a ne mjesecima -, a poboljšanja performansi često su pojedinačna. Osim toga, za stvaranje novih vrsta baterija u velikoj količini potrebna su velika ulaganja u tvornice. Nasuprot tome, inovativni mehanički sustav mogao bi se sastaviti iz malo modificiranih motora, industrijskih spremnika plina i druge opreme koja je već dobro razumljiva i proizvedena u velikoj mjeri.
"To je svojevrsni [a] izazov integracije sustava, umjesto da se mora izmišljati i izrađivati određeni uređaj da bi sve moglo funkcionirati", kaže Gareth Brett, izvršni direktor londonskog Highview Power Storage-a koji koristi ukapljeni zrak pod pritiskom zraka. i ohlađeno dok ne postane tekuće - za spremanje energije na rešetki. "Naše intelektualno vlasništvo sastoji se u načinu na koji je sustav projektiran i spojen na način koji je učinkovit i nizak."
Kada je u pitanju pohranjivanje električne energije za korištenje u elektroenergetskoj mreži, hidroelektrana pumpe smatra se zlatnim standardom - relativno jeftinom tehnologijom koja isporučuje energiju u Sjedinjene Države više od 80 godina. Kao što naziv govori, voda se pumpa uzbrdo u rezervoar kada je potražnja za električnom energijom mala, a pušta se kad je potrebno za proizvodnju električne energije pomoću hidroelektrane. Crpne hidrocentrale mogu isporučiti velike navale energije nekoliko sati, omogućujući mrežnim operaterima da popunjavaju praznine u opskrbi električnom energijom bez potrebe za napajanjem elektrana na fosilna goriva. Me limitedutim, oni su uglavnom ograničeni na planinski teren, koji omogućava porast visine koja je potrebna između akumulacija, a ekološki pregledi trebaju mnogo godina.
Druga provjerena, jeftina metoda skladištenja velikih količina je skladištenje energije komprimiranog zraka ili CAES, u kojem kompresori pumpaju zrak u podzemne pećine. Kada je potrebna snaga, zrak pod pritiskom se oslobađa i zagrijava izgaranjem prirodnog plina. Taj se zrak tada pretvara u turbinu za proizvodnju električne energije. U svijetu postoje dva geološka postrojenja za skladištenje energije stlačenog zraka, uključujući jedno otvoreno u Njemačkoj 1978. i drugo otvoreno u Alabami 1991. Obje jedinice i dalje djeluju i smatraju se uspješnima. Ali nitko drugi nije izgrađen jer je teško pronaći lokacije s prikladnom geološkom formacijom i financirati te projekte. Treća elektrana mogla bi se pridružiti njihovim redovima u Teksasu, s planovima koji zahtijevaju 200 milijuna američkih dolara za pohranu do 317 megavata - što je uporedivo s proizvodnjom srednje elektrane.
Inovatori u startu energije crpili su inspiraciju za obje ove tehnike, razgraničavajući se u različitim smjerovima. SustainX i Berkeley, sa sjedištem u Kaliforniji, LightSail Energy predlažu komprimiranje zraka za skladištenje, ali drže ga u nadzemnim spremnicima, što znači da nisu ograničeni na lokacije s podzemnim pećinama. New Compression, sa sjedištem u Massachusettsu, General Compression razvio je sustav za skladištenje komprimiranog zraka koji se direktno postavlja na vjetroturbine.
Ključna razlika od tradicionalnih CAES-a u ovim pristupima, koji se nazivaju izotermalno skladištenje energije komprimiranog zraka, je ta što ne treba sagorijevati gorivo na licu mjesta. Umjesto toga, ove tvrtke CAES druge generacije hvataju i ponovno koriste toplinu koja se stvara kada se zrak stavi pod visok pritisak. LightSail Energy namjerava raspršiti finu maglu vode jer se zrak komprimira i spremiti tu toplu vodu do kasnije. Kad se zrak pod tlakom pusti da stvori električnu energiju, topla voda, umjesto plamenikom prirodnog plina, zagrijava zrak putem izmjenjivača topline.
Potencijalno CAES pristup je skladištenje komprimiranog zraka u vrećama od tkanine pod vodom. Pri skladištenju zraka u čeličnim spremnicima, čelik mora biti dovoljno gust da može sadržavati zrak visokog tlaka. Ali pritisak vode mogao bi umjesto toga raditi besplatno. Dok je radio u solarnom pokretanju, bivši raketni inženjer Scott Frazier predvidio je potrebu za jeftinim sustavom skladištenja koji bi se mogao postaviti gotovo bilo gdje. I 2010. godine suosnivač je tvrtke, Bright Energy Storage Technologies, u svrhu ostvarivanja ideje za skladištenje komprimiranog zraka u velikim mjehurima usidrenim na dnu oceana ili dnu rezervoara slatke vode.
"Ako imam rezervoar iznad zemlje, za veći pritisak trebate platiti više. Što više zraka ulijevam, više čelika mi treba - prilično je linearno", kaže Frazier. Prvi prototip tvrtke, sagrađen za američku ratnu mornaricu na Havajima, koristit će modificirani motor kamiona da tlači zrak u spremnicima iznad zemlje. Ako se mehanika tog stroja pokaže praktičnom, tvrtka i mornarica planiraju izgraditi drugi prototip koji pohranjuje zrak pod vodom.
Čak i jednostavniji dizajnirani skladišni uređaji iskoristili bi gravitaciju jednako kao što to čine pumpane hidro stanice. Napredno željezničko skladište energije sa sjedištem u Santa Barbari u Kaliforniji traži izgradnju projekata u kojima bi energija iz solarnih ili vjetroelektrana gurnula vlak vagona uz brdo kada je mala mreža potražnja za energijom. Kad su snage najpotrebnije, željeznički vagoni putovali bi nizbrdo i stvarali snagu. Električni vučni motori koji guraju automobile uzbrdo pokreću se unatrag kada idu nizbrdo i djeluju kao generatori, na isti način na koji hibridni automobil puni bateriju tijekom kočenja. U sličnom je konceptu EnergyCache, koji je osnovao MIT inženjer strojarstva i financirao Bill Gates, izgradio demonstracijski sustav za skladištenje gdje se šljunak transportira gore i nizbrdo koristeći modificiranu opremu za žičare.
U desetljećima starom području crpljenog hidroelektrana postoje i nove ideje, uključujući skladištenje vode u vodonosnicima ili postavljanje biljaka uz ocean, kao što je to već učinila jedna tvrtka u Japanu. Ovi pristupi koriste istu osnovnu konfiguraciju - umjetni rezervoar na visokoj lokaciji pored donjeg rezervoara - ali potencijalno se može graditi na više lokacija. Najambiciozniji su prijedlozi za izgradnju „energetskog otoka“ u Sjevernom moru uz nizozemsku ili belgijsku obalu. Ideja je izgraditi umjetni otok s rezervoarom i koristiti višak energije koju stvaraju vjetroagregati u vremenima male potražnje za crpljenje vode za skladištenje.
Sve ove inovacije počinju od jeftinih materijala, ali na kraju nailaze na isti inženjerski izazov: učinkovitost. Ako se izgubi puno energije pretvarajući električnu energiju u komprimirani zrak ili pohranjenu vodu i opet, troškovi se povećavaju. U ovom se području baterije vrlo dobro natječu: neke vrste su više od 90 posto učinkovite u punjenju i pražnjenju.
Trik je, dakle, u mehaničkoj pohrani, povećati učinkovitost na što više načina. Uz skladištenje zraka, to često znači bolje korištenje topline. Dok izotermalni CAES-ovi programeri poput LightSaila-a oduzimaju toplinu stisnutu komprimirajućim zrakom, drugi inovatori skupljaju toplinu iz vanjskih izvora koji bi u suprotnom otišli u otpad. Na svom demo projektu u blizini Londona, Highview Power Storage cijevi troši otpadnu toplinu iz obližnje elektrane pri pretvaranju skladištenog tekućeg zraka u plin visokog tlaka, koji turbinu pretvara u proizvodnju električne energije. Koristeći razne tehnike, čak i skladištenje hladnog zraka u šljunak kako bi se olakšao proces hlađenja, Highview Power Storage može postići učinkovitost pretvorbe energije na preko 70 posto, kaže on.
Highview-ova pilot-tvornica za pohranu tekućeg zraka (LAES) snage 300 kilovata u Sloughu, Velika Britanija. (Foto: Highview Storage Power) Mehanički sustav ne može usporediti najbolje baterije po učinkovitosti, ali to propušta stvar, kaže Richard Brody, bivši potpredsjednik poslovnog razvoja tvrtke SustainX. Još je važnije, posebno kod višesatnih aplikacija za pohranu, relativno nizak trošak unaprijed i činjenica da se mehanički sustavi mogu pokretati desetljećima bez gubitka kapaciteta za pohranu. Dobro podešeni stroj s osnovnim sastojcima - čelikom, zrakom, vodom i šljunkom - neće vremenom oštetiti način na koji kemijski spojevi u elektrodama baterija, tvrde zagovornici mehaničkog skladištenja. "Nismo vidjeli nijednu elektrokemijsku [baterijsku] tehnologiju koja bi mogla učiniti ono što možemo u mjerilu i životu sustava o kojem govorimo", kaže Brody. "Smatramo da je nepraktično raditi stvari mega-vata s bilo kojim od ovih baterijskih sustava temeljenih na stanicama."
S obzirom na potencijal širokog skladištenja energije na mreži, pristupi korištenju jeftinih materijala i dalje privlače ozbiljnu pozornost. Uz brojne startupe, mnogi istraživači rade na komprimiranom ili ukapljenom zraku. Na primjer, Sveučilište u Birminghamu u Velikoj Britaniji stvorilo je istraživački centar za skladištenje kriogene energije, a konzorcij na čelu s njemačkim komunalnim poduzećem RWE je tijekom tri i pol godine uložio 40 milijuna eura (53 milijuna USD) za razvoj visoko efikasne CAES sustav koji će skladištiti toplinu iz procesa kompresije u velikim posudama nalik termosima napunjenim keramičkim materijalom.
Ova grana skladišne tehnologije mogla bi također pomoći u prijevozu. Inženjerska tvrtka Ricardo ima dva projekta za istraživanje kako ukapljeni zrak može poboljšati učinkovitost motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Peugeot Citroen, između ostalih proizvođača automobila, provodi metodu korištenja spremnika komprimiranog zraka kako bi učinkovito djelovao kao baterija u hibridnom osobnom automobilu. Veliki dio privlačnosti je spremnost dostupnih dijelova i infrastrukture, kaže dr. Andrew Atkins, glavni inženjer tehnologije u Ricardu. "Nemate problema s lancima opskrbe", kaže on. "Napokon, zrak je samo za nas."
