На полеђини радионице величине складишта, десетак инжењера у тврдој грађи гради огромну плаву машину. Шест цилиндара, сваки виши од особе, и густина цеви, цеви и вентила пружају се према горе од бродског дизел мотора окруженог тространим скелом.
Замишљена стартуп-ом СустаинКс у Сеаброок-у, Нев Хампсхире, машина је дизајнирана за складиштење енергије компримовањем ваздуха. Електромотор окреће радилицу мотора како би покренуо клипове у цилиндрима изнад. Клипови истискују мешавину ваздуха и пенасте воде и пумпају ваздух под притиском у велике челичне резервоаре где се могу држати попут намотане опруге. Када електричном предузећу треба струја, резервоари ће се искључити, омогућавајући ваздуху да струји, покреће мотор и производи електричну енергију за купце комуналије.
Улози су велики. Ако компанија попут СустаинКс-а може испоручити систем који може јефтино складиштити енергију чак и по неколико сати, претвараће се ветар и солар у поуздане снабдеваче енергије, више као постројења за фосилна горива. Флуктуације у вјетру и соларној енергији могу се умањити, а вишак снаге из ноћних вјетрова, на примјер, може се отпремити касније када је потражња већа.
СустаинКс-ова машина и други слични су на водећој ивици технолошке трке у складишту енергије. Рад компаније, потпомогнут приватним и државним фондовима више од 30 милиона долара, представља опкладу да ће паметни инжењери који користе јефтине и лако доступне материјале попут ваздуха и воде победити легије научника који пробијају напредак у батеријама.
Машина СустаинКс, приказана овде у мају 2013. године, користи изотермалну технологију компримованог ваздуха за складиштење енергије. (Фото: СустаинКс) Складиштење енергије привлачи толико пажње јер би напредак у трошковима и перформансама могао учинити електричну мрежу чистијом и поузданијом. Сваког дана комуналије спроводе стални акт уравнотежења: да би се осигурала поуздана услуга, количина електричне енергије произведене у електранама треба да одговара ономе што се потроши у кућама и предузећима. Ако је врућег летњег дана дошло до снажне потражње за клима уређајима, на пример, електране би требале да исцрпе више струје и повуку је назад када потражња ноћу падне.
Складиштење енергије делује као резерва или рачун у енергетској банци. У време највеће потражње, складиштење може да испоручи снагу уместо електрана за производњу фосилних горива. Технологија може да појача променљиви производ из ветроелектрана или повећава капацитет мешаних подстаница које испоручују струју локалним четвртима. Када се постави у или у близини зграда, складиште енергије може обезбедити резерву током прекида напајања. Међутим, за многе од ових апликација потребан је уређај који може да напаја неколико сати или можда пола дана. А то се мора учинити сигурно и по ниској цени.
За вишечасовно складиштење постоје убедљиви разлози да се механички складиште преко електрохемијских батерија, кажу руководитељи индустрије. Батеријама су потребни скупљи материјали, попут литијума или кобалта, који могу бити подложни ограничењима напајања. За разлику од механичког система, капацитет складиштења пуњиве батерије с временом опада, као што је то искусило већина корисника преносних рачунара.
Тада је темпо иновација. Опћенито, темпо развоја истраживања на батеријама је спор - мјери се годинама, а не мјесецима - а побољшања перформанси су често инкрементална. Такође, прављење нових врста батерија у великој количини захтева велика унапредна улагања у фабрике. Насупрот томе, иновативни механички систем може се саставити из мало модификованих мотора, индустријских резервоара за гас и друге опреме која је већ добро разумљива и произведена у великој мери.
"То је својеврсни изазов [а] интеграције система, уместо да се мора измислити и саставити одређени уређај да би све функционисало", каже Гаретх Бретт, извршни директор лондонског Хигхвиев Повер Стораге-а који користи течни ваздух под притиском ваздуха. и охлађено док не постане течно - за складиштење енергије на мрежи. „Наша интелектуална својина је у начину на који је систем пројектован и спојен на начин који је ефикасан и низак.“
Када је у питању складиштење електричне енергије за употребу у електроенергетској мрежи, хидроелектрана пумпи се сматра златним стандардом - релативно јефтина технологија која испоручује енергију у Сједињеним Државама више од 80 година. Као што назив говори, вода се пумпа узбрдо до резервоара када је потреба за електричном енергијом мала, а пушта се по потреби за производњу електричне енергије преко хидроелектране. Пумпане хидро станице могу да испоручују велике навале енергије неколико сати, омогућавајући мрежним оператерима да попуњавају празнине у снабдевању електричном енергијом без потребе за напајањем електрана на фосилна горива. Међутим, углавном су ограничени на планински терен, који обезбеђује повећање надморске висине потребно између резервоара, а еколошки прегледи трају много година.
Друга доказана, јефтина метода складиштења великих количина је складиштење енергије компримованог ваздуха или ЦАЕС, у којем компресори убацују ваздух у подземне пећине. Када је потребна снага, ваздух под притиском се ослобађа и загрева сагоревањем природног гаса. Тај ваздух се затим експлодира у турбину за производњу електричне енергије. У свету постоје два геолошка постројења за складиштење енергије компримованог ваздуха, укључујући једно отворено у Немачкој 1978. и друго отворено у Алабами 1991. године. Обе јединице и даље раде и сматрају се успешним. Али нико други није изграђен јер је тешко наћи локације са одговарајућом геолошком формацијом и финансирати те пројекте. Трећа фабрика би се могла придружити њиховим редовима у Тексасу, а планови би захтевали пројекат вредан 200 милиона долара за складиштење до 317 мегавата - упоредиво са производњом средње електране.
Иноватори у енергетским стартапима црпили су инспирацију за обе ове технике, гранајући се у различитим правцима. СустаинКс и Беркелеи из Калифорније, ЛигхтСаил Енерги предлажу да се компримова ваздух за складиштење, али чувају га у надземним резервоарима, што значи да нису ограничени на локације са подземним пећинама. Њутн, генерална компресија са седиштем у Масачусетсу, развио је систем за складиштење компримованог ваздуха који се директно прикључује на ветротурбине.
Кључна разлика од традиционалних ЦАЕС-а у овим приступима, који се називају изотермално складиштење енергије компримованог ваздуха, је та што не треба сагоревати гориво на лицу места. Уместо тога, ове компаније ЦАЕС друге генерације хватају и поново користе топлоту која се ствара када се ваздух стави под висок притисак. ЛигхтСаил Енерги намерава да распрши фину маглу воде док се ваздух компримира и складишти ту топлу воду до касније. Када се ваздух под притиском ослободи да би се створила електрична енергија, топла вода, уместо са гориоником природног гаса, загрева ваздух кроз измењивач топлоте.
Потенцијално ЦАЕС приступ је складиштење компримованог ваздуха у врећама од тканине под водом. При складиштењу ваздуха у челичним резервоарима, челик мора да буде довољно густ да може да садржи ваздух високог притиска. Али притисак воде би уместо тога могао да уради тај посао - бесплатно. Док је радио при соларном покретању, бивши ракетни инжењер Сцотт Фразиер предвидио је потребу за јефтиним системом за складиштење који би могао да се постави готово било где. А 2010. године суоснивач је компаније Бригхт Енерги Стораге Тецхнологиес, да би се бавила идејом складиштења компримованог ваздуха у великим мехурима усидреним на дну океана или на дну резервоара слатке воде.
"Ако имам резервоар изнад земље, мораћете да платите више за већи притисак. Што више ваздуха убацим, више челика ми треба - прилично је линеарно", каже Фразиер. Први прототип компаније, који је саграђен за Ратну морнарицу САД на Хавајима, користиће модификован мотор камиона да притиска ваздух у тенковима изнад земље. Ако се механика те машине покаже практичном, компанија и морнарица планирају да направе други прототип који чува ваздух под водом.
Чак и једноставнији дизајни за складиштење у великој мери искористили би гравитацију онако како раде пумпе хидроцентрала. Напредно жељезничко складиште енергије са сједиштем у Санта Барбари у Калифорнији тражи изградњу пројеката у којима ће енергија из соларних или вјетроелектрана гурнути воз са шина на брдо када је мала потреба за енергијом на мрежи. Кад би им потребна снага, жељезнички вагони путовали би низбрдо и стварали снагу. Електрични вучни мотори који гурају аутомобиле узбрдо раде уназад када иду низбрдо и раде као генератори, на исти начин на који хибридни аутомобил пуни батерију током кочења. У сличном концепту, ЕнергиЦацхе, који је основао МИТ машински инжењер, а финансирао Билл Гатес, изградио је демонстративни систем за складиштење где се шљунак транспортује узбрдо и низбрдо користећи модификовану опрему за жичаре.
У вишедеценијском подручју црпљеног хидро-складишта постоје и нове идеје, укључујући складиштење воде у водоносницима или постављање биљака уз океан, као што је то већ учинила једна компанија у Јапану. Ови приступи користе исту основну конфигурацију - вештачки резервоар на високој локацији поред доњег резервоара - али потенцијално могу бити изграђени на више локација. Најамбициознији су предлози за изградњу „енергетског острва“ у Северном мору крај холандске или белгијске обале. Идеја је изградити вештачко острво са резервоаром и искористити вишак енергије коју стварају ветроелектране у временима са мањом потражњом да би пумпали воду за складиштење.
Све ове иновације почињу од јефтиних материјала, али на крају наилазе на исти инжењерски изазов: ефикасност. Ако се изгуби пуно енергије претварајући електричну енергију у компримовани ваздух или складиштену воду и поново, трошкови се повећавају. У овој области, батерије се веома добро такмиче: неке врсте су ефикасније у пуњењу и пражњењу више од 90 одсто.
Трик, дакле, за механичко складиштење је да се повећа ефикасност на што више начина. Са складиштењем ваздуха, то често значи бољу употребу топлоте. Док изотермални ЦАЕС-ови програмери попут ЛигхтСаила-а одводе топлину створену компримованим ваздухом, други иноватори скупљају топлоту из спољних извора који би у супротном отишли у отпад. На свом демо пројекту у близини Лондона, Хигхвиев Повер Стораге цеви троше отпадну топлину из оближње електране приликом претварања складиштеног течног ваздуха у гас под високим притиском, који турбину претвара у производњу електричне енергије. Користећи разне технике, чак и чување хладног ваздуха у шљунку како би се олакшао процес хлађења, Хигхвиев Повер Стораге може постићи ефикасност претворбе енергије на преко 70 одсто, каже он.
Пилотска фабрика за складиштење течног ваздуха (ЛАЕС) од 300 киловата Хигхвиев у Слоугху, Велика Британија. (Фото: Хигхвиев Повер Стораге) Механички систем не може да одговара најбољим батеријама по ефикасности, али то пропушта ствар, каже Рицхард Броди, бивши потпредседник пословног развоја компаније СустаинКс. Важније је, нарочито за вишечасовне апликације за складиштење, релативно ниска цена унапред и чињеница да механички системи могу да раде деценијама без губитка капацитета за складиштење. Добро подешена машина са основним састојцима - челиком, ваздухом, водом и шљунком - неће временом деградирати начин на који хемијска једињења у електродама батерија, тврде заговорници механичког складиштења. "Нисмо видели ниједну електрохемијску [батеријску] технологију која би могла да уради оно што ми можемо у обиму и животном систему о коме говоримо", каже Броди. „Сматрамо да је непрактично радити ствари мега-вата са било којим од ових батеријских система заснованих на ћелијама.“
С обзиром на потенцијал за широко складиштење енергије на мрежи, приступи кориштењу јефтиних материјала и даље привлаче озбиљну пажњу. Поред бројних стартапова, многи истраживачи раде на компримованом или течном укапљеном ваздуху. Универзитет у Бирмингхаму у Великој Британији, на пример, створио је истраживачки центар за складиштење криогене енергије и конзорцијум који предводи немачка компанија РВЕ је током три и по године издвојио 40 милиона евра (53 милиона долара) за развој високо ефикасне ЦАЕС систем који ће складиштити топлину из процеса компресије у великим посудама налик термосима напуњеним керамичким материјалом.
Ова грана технологије складиштења би такође могла да помогне превозу. Инжењерска компанија Рицардо има два пројекта за истраживање како укапљени ваздух може побољшати ефикасност мотора са унутрашњим сагоревањем. Пеугеот Цитроен, између осталих произвођача аутомобила, користи методу за коришћење резервоара за складиштење компримованог ваздуха како би ефективно деловао као батерија у хибридном путничком аутомобилу. Велики део привлачности је спремност доступности делова и инфраструктуре, каже др. Андрев Аткинс, главни инжењер технологије у Рицарду. "Немате никаквих проблема у ланцу снабдевања", каже он. "На крају крајева, ваздух се врти око нас."
