På bagsiden af et lagerstørrelsesværksted bygger omkring et dusin ingeniører i hardhats en gigantisk blå maskine. Seks cylindere, hver højere end en person, og en krumtør af rør, rør og ventiler strækker sig opad fra en marinemotor, der er omgivet af et tre-etagers stillads.
Tænkt ved opstart af SustainX i Seabrook, New Hampshire, er maskinen designet til at lagre energi ved at komprimere luft. En elektrisk motor drejer motorens krumtapaksel for at drive stempler i cylindrene ovenfor. Stemplerne skubber en blanding af luft og skummende vand og pumper trykluften ind i store ståltanke, hvor den kan holdes som en sammenviklet fjeder. Når et elektrisk værktøj har brug for strøm, vil tanke ikke være lukket, så luften kan haste ud, drive motoren og generere elektricitet til værktøjets kunder.
Indsatsen er høj. Hvis et firma som SustainX kan levere et system, der billigt kan lagre energi i endnu et par timer ad gangen, ville det forvandle vind og sol til pålidelige strømforsyninger, mere som fossile brændselsanlæg. Svingninger i vind- og solproduktion kunne udjævnes, og overskydende strøm fra natvind kan for eksempel sendes senere, når efterspørgslen er større.
SustainXs maskine og andre kan lide den er i forkant af et teknologiløb inden for energilagring. Virksomhedens arbejde, støttet af mere end 30 millioner dollars i private og offentlige midler, repræsenterer en indsats for, at dygtige ingeniører, der bruger billige og let tilgængelige materialer som luft og vand, slår legioner af videnskabsfolk, der jager et gennembrud i batterier.
SustainX-maskinen, der er afbildet her i maj 2013, bruger isotermisk trykluft-teknologi til at lagre energi. (Foto: SustainX) Energilagring tiltrækker så meget opmærksomhed, fordi et gennembrud i omkostninger og ydelse kan gøre det elektriske net renere og mere pålideligt. Hver dag driver forsyningsselskaber en konstant afbalanceringshandling: For at sikre pålidelig service skal mængden af energi, der genereres ved kraftværker, svare til det, der forbruges i hjem og virksomheder. Hvis der f.eks. Er en stigning i efterspørgsel fra klimaanlæg på en varm sommerdag, er kraftværker nødt til at skrue mere strøm ud og ringe det tilbage, når efterspørgslen aftager om natten.
Energilagring fungerer som en reserve eller en energibankkonto. I tider med høj efterspørgsel kan opbevaring levere strøm i stedet for "højttaler" fossile brændselsanlæg. Teknologien kan fastholde det variable output fra vind- og solfarmer eller forøge kapaciteten til udtømmede understationer, der leverer strøm til lokale kvarterer. Når den er placeret i eller i nærheden af bygninger, kan energilagring give backup under et strømafbrydelse. Mange af disse applikationer kræver dog en enhed, der kan levere strøm i et par timer eller måske en halv dag. Og det skal gøres sikkert og til lave omkostninger.
Til opbevaring i flere timer er der tvingende grunde til at forfølge mekaniske opbevaringssystemer over elektrokemiske batterier, siger industriens ledere. Batterier kræver dyrere materialer, såsom lithium eller kobolt, som kan være underlagt forsyningsbegrænsninger. I modsætning til et mekanisk system falder et genopladeligt batteris lagerkapacitet over tid, som de fleste bærbare computere har oplevet.
Så er der tempoet i innovation. Generelt er udviklingshastigheden inden for batteriforskning langsom - målt i år snarere end måneder - og præstationsforbedringer er ofte trinvis. At fremstille nye typer batterier i stort volumen kræver også store forhåndsinvesteringer i fabrikker. Derimod kunne et innovativt mekanisk system samles fra let modificerede motorer, industrielle gastanke og andet udstyr, der allerede er godt forstået og produceret i stor skala.
"Det er en slags [a] systemintegrationsudfordring snarere end at skulle opfinde og bygge en bestemt enhed for at få det hele til at fungere, " siger Gareth Brett, administrerende direktør for den London-baserede Highview Power Storage, der bruger flydende luft - luft under tryk og afkølet, indtil det bliver væske - for at gemme energi på nettet. ”Vores intellektuelle ejendom er i, hvordan systemet konstrueres og samles på en måde, der er effektiv og lave omkostninger.”
Når det gælder opbevaring af elektricitet til brug på elnettet, betragtes pumpelagringsvandkraft som guldstandarden - en relativt billig teknologi, der har leveret energi i USA i mere end 80 år. Som navnet antyder pumpes vand op ad bakke til et reservoir, når efterspørgslen efter elektricitet er lav, og frigøres når det er nødvendigt for at generere elektricitet gennem en vandkraftturbin. Pumpede hydrostationer kan levere store bursts af strøm i flere timer, hvilket giver netoperatører mulighed for at udfylde huller i elektricitetsforsyningen uden at skulle tappe fossile brændstofforbrændende kraftværker. De er dog for det meste begrænset til bjergrigt terræn, som giver den stigning, der er nødvendig mellem reservoirerne, og miljøanmeldelser tager mange år.
Den anden velprøvede, lave bulklagringsmetode er lagring af komprimeret energi, eller CAES, hvor kompressorer pumper luft ind i underjordiske huler. Når der er behov for strøm, frigives trykluft og opvarmes ved forbrænding af naturgas. Denne luft sprænges derefter ind i en turbin for at generere elektricitet. Der er to geologiske oplagringsanlæg for komprimeret luft i verden, herunder et åbnet i Tyskland i 1978 og et andet åbnede i Alabama i 1991. Begge enheder fungerer stadig og betragtes som succesfulde. Men ingen andre er blevet bygget, fordi det er vanskeligt at finde lokationer med en passende geologisk formation og finansiere disse projekter. Et tredje anlæg kunne slutte sig til deres rækker i Texas med planer, der opfordrede til et $ 200 millioner projekt til at lagre op til 317 megawatt - sammenlignelig med produktionen i et mellemstort kraftværk.
Innovatører ved energistarter har hentet inspiration fra begge disse teknikker og forgrenet sig i forskellige retninger. SustainX og Berkeley, Californien-baserede LightSail Energy foreslår at komprimere luft til opbevaring, men opbevar den i over jorden, hvilket betyder, at de ikke er begrænset til steder med underjordiske huler. Newton, Massachusetts-baseret General Compression, har udviklet et lagringssystem for trykluft, der fastgøres direkte til vindmøller.
Den vigtigste forskel fra traditionelle CAES i disse fremgangsmåder, kaldet isotermisk lagring af trykluftenergi, er, at der ikke behøver at brænde brændstof på stedet. I stedet fanger og genbruger disse anden generation af CAES-virksomheder den varme, der genereres, når luft sættes under højt tryk. LightSail Energy har til hensigt at sprøjte en fin vandtåge, når luften komprimeres og opbevar det varme vand indtil senere. Når der frigives trykluft for at generere elektricitet, opvarmer det varme vand snarere end en naturgasbrænder luften gennem en varmeveksler.
En potentielt billigere CAES-tilgang er at opbevare komprimeret luft i stofposer under vand. Når man opbevarer luft i ståltanke, skal stålet være tykt nok til at indeholde højtryksluft. Men vandtryk kunne gøre arbejdet i stedet - gratis. Mens han arbejdede ved solstart, forudså den tidligere raketingeniør Scott Frazier behovet for et billigt lagringssystem, der kunne placeres næsten overalt. Og i 2010 grundlagde han et firma, Bright Energy Storage Technologies, for at forfølge ideen om at opbevare komprimeret luft i store blærer forankret til havbunden eller bunden af ferskvandsmagasiner.
"Hvis jeg har en tank over jorden, skal du betale mere for højere tryk. Jo mere luft jeg pumper i, jo mere stål har jeg brug for - det er temmelig lineært, " siger Frazier. Virksomhedens første prototype, der er bygget til den amerikanske flåde i Hawaii, vil bruge en modificeret lastbilmotor til at presse luft i tanke over jorden. Hvis maskinens mekanik viser sig at være praktisk, planlægger virksomheden og marinen at bygge en anden prototype, der opbevarer luft under vand.
Endnu enklere bulklagerdesign ville udnytte tyngdekraften meget som pumpede hydrostationer gør. Advanced Rail Energy Storage, der er baseret i Santa Barbara, Californien, søger at bygge projekter, hvor energien fra sol- eller vindmølleparker vil skubbe et tog af vogne op ad en bakke, når der er lav efterspørgsel efter energi på nettet. Når der er mest behov for strøm, vil jernbanevogne køre ned ad bakke og generere strøm. De elektriske trækkraftmotorer, der skubber bilerne op ad bakke, kører bagud, når de kører ned ad bakke og fungerer som generatorer, på samme måde som en hybridbil oplader et batteri under bremsning. I et lignende koncept byggede EnergyCache, grundlagt af en MIT-maskiningeniør og finansieret af Bill Gates, et demonstrationslagringssystem, hvor grus transporteres op og ned ad bakke ved hjælp af modificeret skihejseanlæg.
I det årtier gamle område med pumpet hydroopbevaring er der også nye ideer, herunder opbevaring af vand i akviferer eller placering af planter ved havet, som et firma i Japan allerede har gjort. Disse fremgangsmåder bruger den samme grundlæggende konfiguration - et kunstigt reservoir på et højt sted ved siden af et lavere reservoir - men kan muligvis bygges flere steder. Mest ambitiøse er forslag om at bygge en "energiø" i Nordsøen ud for de hollandske eller belgiske kyster. Idéen er at bygge en kunstig ø med et reservoir og bruge den overskydende energi, der genereres af vindmøller på tidspunkter med lav efterspørgsel til at pumpe vand til opbevaring.
Alle disse nyskabelser starter med billige materialer, men løber til sidst den samme tekniske udfordring: effektivitet. Hvis der mister meget energi ved at konvertere elektricitet til trykluft eller lagret vand og tilbage igen, går omkostningerne op. På dette område konkurrerer batterier meget godt: Nogle typer er mere end 90 procent effektive i opladning og afladning.
Tricket for mekanisk opbevaring er derfor at øge effektiviteten på så mange måder som muligt. Med luftopbevaring betyder det ofte at udnytte varmen bedre. Mens isotermiske CAES-udviklere som LightSail fanger varme genereret fra komprimering af luft, høster andre innovatører varme fra eksterne kilder, som ellers ville gå til spilde. På sit demoprojekt i nærheden af London rør Highview Power Storage rør i spildvarme fra et nærliggende kraftværk, når konverteret lagret flydende luft til højtryksgas, som gør en turbin til at fremstille elektricitet. Ved hjælp af en række teknikker, endda opbevaring af kold luft i grus for at hjælpe med afkølingsprocessen, kan Highview Power Storage få energiomsetningseffektivitet til over 70 procent, siger han.
Highvists pilotanlæg på 300 kilowatt flydende luftenergi (LAES) i Slough, England. (Foto: Highview Power Storage) Et mekanisk system kan ikke matche de bedste batterier om effektivitet, men det går glip af pointen, siger Richard Brody, den tidligere vicepræsident for forretningsudvikling hos SustainX. Mere vigtigt, især til lagringsprogrammer med flere timer, er de relativt lave omkostningsomkostninger og det faktum, at mekaniske systemer kan køre i årtier uden at miste lagerkapacitet. En velafstemt maskine med basale ingredienser - stål, luft, vand og grus - ødelægger ikke den måde, de kemiske forbindelser i batterielektroder gør over tid, siger talsmænd for mekanisk opbevaring. ”Vi har ikke set nogen elektrokemisk [batteri] -teknologi, der kan gøre, hvad vi kan gøre i den skala og det systemliv, vi taler om, ” siger Brody. ”Vi synes, det er upraktisk at lave megawatt-skala med noget af disse cellebaserede batterisystemer.”
I betragtning af potentialet for udbredt energilagring på nettet tiltrækker metoder, der bruger lave omkostningsmaterialer, fortsat alvorlig opmærksomhed. Ud over et antal startups arbejder mange forskere med komprimeret eller flydende luft. University of Birmingham i Det Forenede Kongerige oprettede for eksempel et forskningscenter for kryogen energilagring, og et konsortium ledet af det tyske utility RWE har forpligtet 40 millioner euro (53 millioner dollars) over tre og et halvt år til at udvikle en højeffektiv CAES system, der lagrer varme fra kompressionsprocessen i store termoslignende kar fyldt med keramisk materiale.
Denne gren af lagerteknologi kan også hjælpe transport. Ingeniørfirma Ricardo har to projekter til at undersøge, hvordan flydende luft kan forbedre effektiviteten af forbrændingsmotorer. Peugeot Citroen forfølger blandt andre bilproducenter en metode til at bruge en trykluftopbevaringstank til effektivt at fungere som et batteri ville gøre i en hybrid personbil. Meget af appellen er den klare tilgængelighed af dele og infrastruktur, siger Dr. Andrew Atkins, teknikechef for Ricardo. ”Du har ingen problemer med forsyningskæden, ” siger han. ”Når alt kommer til alt handler luft om os.”
