V zadní části dílny velikosti skladu staví obrovský modrý stroj asi tucet inženýrů v hardhats. Z mořského dieselového motoru obklopeného třípodlažním lešením vyčnívá šest válců, každý vyšší než člověk, a hustá trubka, potrubí a ventily.
Stroj byl zkonstruován spuštěním SustainX v Seabrook v New Hampshiru a je navržen pro ukládání energie stlačováním vzduchu. Elektrický motor otáčí klikovým hřídelem motoru, aby poháněl písty ve válcích výše. Písty stlačují směs vzduchu a pěnivé vody a pumpují stlačený vzduch do velkých ocelových nádrží, kde mohou být drženy jako stočená pružina. Když elektrická rozvodná síť potřebuje energii, nádrže nebudou uvolněné, což umožní, aby vzduch vyrazil ven, poháněl motor a generoval elektřinu pro zákazníky tohoto inženýrského podniku.
V sázce jsou vysoké. Pokud společnost, jako je SustainX, může dodat systém, který dokáže levně ukládat energii i několik hodin najednou, změní větrnou a solární energii na spolehlivé dodavatele energie, spíš jako elektrárny na fosilní paliva. Kolísání výkonu větru a sluneční energie by se mohlo vyhladit a přebytek energie například z nočních větrů by se mohl později vyslat, když je poptávka vyšší.
Stroj SustainX a další podobné stroje jsou na špičce technologického závodu v ukládání energie. Práce společnosti, podpořená více než 30 miliony dolarů v soukromých a vládních fondech, představuje sázku, že chytrí inženýři používající levné a snadno dostupné materiály, jako je vzduch a voda, porazí legie vědců, kteří honí průlom v bateriích.
Stroj SustainX, zobrazený zde v květnu 2013, používá k ukládání energie izotermickou technologii stlačeného vzduchu. (Foto: SustainX) Úložiště energie přitahuje tolik pozornosti, protože průlom v nákladech a výkonu by mohl učinit elektrickou síť čistější a spolehlivější. Každý den provozují veřejné služby neustálé vyvažování: aby byla zajištěna spolehlivá služba, množství energie vyrobené v elektrárnách musí odpovídat spotřebě v domácnostech a firmách. Pokud například v horkém letním dni existuje poptávka po klimatizačních zařízeních, je třeba, aby elektrárny vytáčely více elektřiny a vytáčely ji zpět, když v noci poklesne poptávka.
Ukládání energie funguje jako rezerva nebo jako účet energetické banky. V dobách špičkové poptávky může skladování dodávat energii místo „špičkových“ fosilních paliv. Tato technologie může posílit variabilní výstup z větrných a solárních farem nebo zvýšit kapacitu maximálních rozvoden, které dodávají energii místním čtvrtím. Při skladování v budovách nebo blízko nich může skladování energie poskytnout zálohu během výpadku napájení. Mnoho z těchto aplikací však vyžaduje zařízení, které může dodávat energii na několik hodin nebo možná půl dne. A to musí být provedeno bezpečně a za nízkou cenu.
Pro vícehodinové skladování existují přesvědčivé důvody k tomu, aby se mechanické skladovací systémy zaměřovaly na elektrochemické baterie. Baterie vyžadují dražší materiály, například lithium nebo kobalt, které mohou podléhat omezením dodávky. Na rozdíl od mechanického systému se kapacita dobíjecí baterie v průběhu času snižuje, jak většina uživatelů notebooků zažila.
Pak je tu tempo inovací. Tempo vývoje ve výzkumu baterií je obecně pomalé - měřeno v letech, nikoli v měsících - a zlepšení výkonu jsou často přírůstková. Také výroba nových typů baterií ve velkém množství vyžaduje velké počáteční investice do továren. Naproti tomu inovativní mechanický systém by mohl být sestaven z mírně upravených motorů, průmyslových plynových nádrží a dalších zařízení, která jsou již dobře chápána a vyráběna ve velkém měřítku.
„Jedná se o jakýsi druh systémové integrace, než o to, abychom museli vše vymyslet a postavit, aby fungovalo, “ říká Gareth Brett, generální ředitel londýnské Highview Power Storage, který používá zkapalněný vzduch - vzduch pod tlakem a ochlazuje se, dokud se nezmění na tekutinu - k ukládání energie do mřížky. "Naše intelektuální vlastnictví je v tom, jak je systém konstruován a spojován způsobem, který je efektivní a levný."
Pokud jde o skladování elektřiny pro použití v rozvodné síti, považuje se vodní elektrárna za zlatý standard - relativně levná technologie, která dodává energii ve Spojených státech více než 80 let. Jak název napovídá, voda je čerpána do kopce do nádrže, když je poptávka po elektřině nízká, a uvolňuje se, když je potřeba k výrobě elektřiny přes hydroelektrickou turbínu. Čerpané vodní stanice mohou dodávat velké dávky energie po dobu několika hodin, což umožňuje provozovatelům distribuční soustavy vyplnit mezery v dodávce elektřiny, aniž by museli čerpat elektrárny spalující fosilní paliva. Většinou jsou však omezeny na hornatý terén, který poskytuje potřebný výškový zisk mezi nádržemi a environmentální hodnocení trvá mnoho let.
Další ověřenou nízkonákladovou metodou hromadného skladování je skladování energie stlačeným vzduchem, neboli CAES, ve kterém kompresory čerpají vzduch do podzemních jeskyní. Je-li potřeba energie, uvolňuje se stlačený vzduch a zahřívá se spalováním zemního plynu. Tento vzduch je pak vháněn do turbíny za účelem výroby elektřiny. Na světě existují dvě geologické úložiště energie stlačeného vzduchu, z nichž jedna byla otevřena v Německu v roce 1978 a druhá byla otevřena v Alabamě v roce 1991. Obě jednotky stále fungují a jsou považovány za úspěšné. Nebyli však vybudováni jiní, protože je obtížné najít místa s vhodnou geologickou formací a financovat tyto projekty. Třetí elektrárna by se mohla připojit ke svým řadám v Texasu, s plány požadujícími projekt 200 milionů dolarů na uložení až 317 megawattů - srovnatelné s výkonem střední elektrárny.
Inovační partneři v energetických startupech čerpali inspiraci z obou těchto technik a odbočovali různými směry. SustainX a Berkeley, kalifornská LightSail Energy navrhují stlačit vzduch pro skladování, ale ponechat jej v nadzemních nádržích, což znamená, že se neomezují pouze na místa s podzemními jeskyněmi. Newton, Massachusetts-based General Compression vyvinul systém skladování stlačeného vzduchu, který se připojuje přímo k větrným turbínám.
Klíčovým rozdílem od tradičních CAES v těchto přístupech, nazývaných izotermická akumulace energie stlačeného vzduchu, je to, že na místě nemusí být spáleno žádné palivo. Místo toho tyto společnosti druhé generace CAES zachycují a znovu používají teplo, které se vytváří, když je vzduch vystaven vysokému tlaku. LightSail Energy má v úmyslu stříkat jemnou mlhu vody, když je stlačen vzduch, a tuto horkou vodu ukládat až později. Když se uvolní stlačený vzduch pro výrobu elektřiny, horká voda spíše než hořák na zemní plyn ohřívá vzduch prostřednictvím tepelného výměníku.
Potenciálně levnější přístup CAES je skladování stlačeného vzduchu v textilních pytlích pod vodou. Při skladování vzduchu v ocelových nádržích musí být ocel dostatečně silná, aby mohla obsahovat vysokotlaký vzduch. Tlak vody by ale mohl místo toho dělat práci - zdarma. Při práci na solárním uvedení do provozu předpokládal bývalý raketový technik Scott Frazier potřebu levného úložného systému, který by mohl být umístěn téměř kdekoli. V roce 2010 spoluzakládal společnost Bright Energy Storage Technologies, která se věnuje myšlence skladování stlačeného vzduchu ve velkých měchýřích ukotvených k mořskému dnu nebo ke dnu sladkovodních nádrží.
„Pokud mám nádrž nad zemí, musíte za vyšší tlak platit víc. Čím více vzduchu vhánímu, tím více oceli potřebuji - je to docela lineární, “ říká Frazier. První prototyp společnosti, postavený pro americké námořnictvo na Havaji, použije upravený motor kamionu k natlakování vzduchu v nádržích nad zemí. Pokud se mechanika tohoto stroje ukáže jako praktická, společnost a námořnictvo plánují postavit druhý prototyp, který ukládá vzduch pod vodou.
Dokonce i jednodušší konstrukce velkoobjemových skladů by gravitaci využily podobně, jako čerpané vodní stanice. Advanced Rail Energy Storage, se sídlem v Santa Barbara v Kalifornii, se snaží stavět projekty, kde by energie ze solárních nebo větrných farem tlačila vlak železničních vozů do kopce, když je v síti nízká poptávka po energii. Když je potřeba energie nejvíce, železniční vozy by cestovaly z kopce a vyráběly energii. Elektrické trakční motory, které při jízdě z kopce tlačí vozy do kopce a fungují jako generátory, stejně jako hybridní auto nabíjí baterii během brzdění. V podobném konceptu postavila společnost EnergyCache, založená strojním inženýrem MIT a financovaná Billem Gatesem, demonstrační skladovací systém, ve kterém je štěrk přepravován nahoru a dolů pomocí upraveného lyžařského vybavení.
V desetileté oblasti přečerpávání vodních elektráren existují i nové nápady, včetně skladování vody ve vodonosných vrstvách nebo umísťovacích závodech u oceánu, jak to již učinila jedna japonská společnost. Tyto přístupy používají stejnou základní konfiguraci - umělý rezervoár na vysokém místě vedle dolního rezervoáru - ale mohly by být potenciálně zabudovány na více místech. Nejambicióznější jsou návrhy na vybudování „energetického ostrova“ v Severním moři u nizozemského nebo belgického pobřeží. Cílem je vybudovat umělý ostrov se zásobníkem a využít přebytečnou energii generovanou větrnými turbínami v době nízké poptávky k čerpání vody pro skladování.
Všechny tyto inovace začínají levnými materiály, ale nakonec se dostanou do stejné technické výzvy: účinnost. Pokud se ztratí velké množství energie přeměnou elektřiny na stlačený vzduch nebo akumulovanou vodu a zpět, náklady vzrostou. V této oblasti konkurují baterie velmi dobře: některé typy jsou více než 90 procent účinné při nabíjení a vybíjení.
Trik tedy spočívá v mechanickém skladování v tom, jak efektivně narůstat co nejvíce způsobů. S akumulací vzduchu to často znamená lepší využití tepla. Zatímco izotermální vývojáři CAES, jako je LightSail, zachycují teplo generované stlačeným vzduchem, jiní inovátoři shromažďují teplo z vnějších zdrojů, které by jinak byly zbytečné. Ve svém demonstračním projektu poblíž Londýna potrubí Highview Power Storage odvádí odpadní teplo z blízké elektrárny, když přeměňuje uložený kapalný vzduch na vysokotlaký plyn, který přeměňuje turbínu na výrobu elektřiny. S využitím různých technik, dokonce i skladování studeného vzduchu ve štěrku, který napomáhá procesu chlazení, může Highview Power Storage dosáhnout účinnosti přeměny energie na více než 70 procent, říká.
Pilotní závod na skladování energie kapalného vzduchu (LAES) o výkonu 300 kilowattů v Highlou ve Velké Británii. (Foto: Highview Power Storage) Mechanický systém nedokáže sladit ty nejlepší baterie z hlediska účinnosti, ale to chybí, říká Richard Brody, bývalý viceprezident pro rozvoj podnikání v SustainX. Důležitější, zejména pro aplikace s vícehodinovým ukládáním, jsou relativně nízké počáteční náklady a skutečnost, že mechanické systémy mohou běžet po celá desetiletí bez ztráty skladovací kapacity. Dobře vyladěný stroj se základními přísadami - ocel, vzduch, voda a štěrk - v průběhu času nezhorší způsob, jakým chemické sloučeniny v bateriových elektrodách fungují, tvrdí zastánci mechanických úložišť. "Neviděli jsme žádnou elektrochemickou [baterii] technologii, která dokáže dělat to, co můžeme dělat v rozsahu a životnosti systému, o kterém mluvíme, " říká Brody. "Myslíme si, že je nepraktické dělat megawattovou velikost s některým z těchto článkových bateriových systémů."
Vzhledem k možnosti rozsáhlého ukládání energie v síti přitahují přístupy využívající nízkonákladové materiály i nadále vážnou pozornost. Kromě řady startupů pracuje mnoho vědců na stlačeném nebo zkapalněném vzduchu. Například univerzita v Birminghamu ve Spojeném království vytvořila výzkumné středisko pro skladování kryogenní energie a konsorcium vedené německou společností RWE zavázalo během tří a půl roku 40 milionů eur (53 milionů USD) k vývoji vysoce účinné CAES systém, který bude ukládat teplo z kompresního procesu ve velkých termo-podobných nádobách naplněných keramickým materiálem.
Tato oblast technologie skladování může také pomoci s přepravou. Inženýrská společnost Ricardo má dva projekty, aby prozkoumala, jak zkapalněný vzduch může zlepšit účinnost spalovacích motorů. Peugeot Citroen, mimo jiné výrobci automobilů, sleduje metodu využití zásobníku stlačeného vzduchu, aby účinně fungoval jako baterie v hybridním osobním automobilu. Velkou výzvou je pohotová dostupnost náhradních dílů a infrastruktury, říká Dr. Andrew Atkins, hlavní technologický technik společnosti Ricardo. "Nemáte žádné problémy s dodavatelským řetězcem, " říká. "Koneckonců, vzduch je o nás."
