В задната част на сервиз с размери около десетина инженери в хардхати изграждат гигантска синя машина. Шест цилиндъра, всеки по-висок от човек, и гъсталак от тръби, тръби и клапани се простират нагоре от морски дизелов двигател, обграден от триетажно скеле.
Замислена от стартиране на SustainX в Seabrook, Ню Хемпшир, машината е проектирана да съхранява енергия чрез компресиране на въздух. Електрически мотор завърта коляновия вал на двигателя, за да задвижва бутала в цилиндрите отгоре. Буталата изстискват смес от въздух и пенеста вода и изпомпват въздуха под налягане в големи стоманени резервоари, където той може да се държи като навита пружина. Когато една електрическа инсталация се нуждае от захранване, резервоарите ще се откачат, което ще позволи на въздуха да избухне, да захрани двигателя и да генерира електричество за клиентите на тази услуга.
Коловете са големи. Ако компания като SustainX може да достави система, която евтино да съхранява енергия дори за няколко часа наведнъж, тя ще превърне вятърната и слънчевата енергия в надеждни доставчици на енергия, по-скоро като централи за изкопаеми горива. Колебанията на вятърната и слънчевата енергия могат да бъдат изгладени, а излишната мощност от нощните ветрове, например, да бъде изпратена по-късно, когато търсенето е по-голямо.
Машината на SustainX и други подобни на нея са начело на технологичната надпревара за съхранение на енергия. Работата на компанията, подкрепена с повече от 30 милиона долара частни и държавни средства, представлява залог, че умни инженери, използващи евтини и лесно достъпни материали като въздух и вода, ще победят легионите на учени, които гонят пробив в батериите.
Машината SustainX, на снимката тук през май 2013 г., използва изотермична технология за сгъстен въздух за съхраняване на енергия. (Снимка: SustainX) Съхранението на енергия привлича толкова много внимание, защото пробивът в цената и производителността може да направи електрическата мрежа по-чиста и по-надеждна. Всеки ден комуналните услуги извършват постоянен балансиращ акт: за да осигурят надеждно обслужване, количеството произведена електроцентрала в електроцентралите трябва да съответства на това, което се консумира в домове и предприятия. Ако в горещия летен ден например има скок на търсенето на климатици, електроцентралите трябва да извлекат повече електроенергия и да я набират обратно, когато търсенето отшумява през нощта.
Съхранението на енергия действа като резерв или банкова сметка в енергията. По време на пиково търсене, съхранението може да достави енергия на мястото на инсталациите за изкопаеми горива. Технологията може да затвърди променливата мощност от вятърни и слънчеви електроцентрали или да увеличи капацитета на смесените подстанции, които доставят енергия на местните квартали. Когато е поставен в сгради или в близост до тях, съхранението на енергия може да осигури резервно копие по време на прекъсване на електрозахранването. Много от тези приложения обаче изискват устройство, което може да осигури захранване за няколко часа или може би половин ден. И трябва да се направи безопасно и на ниска цена.
За многочасовото съхранение има убедителни причини да се следват механични системи за съхранение над електрохимични батерии, твърдят ръководители на индустрията. Батериите изискват по-скъпи материали, като литий или кобалт, които могат да бъдат ограничени. За разлика от механичната система, капацитетът за съхранение на акумулаторна батерия намалява с течение на времето, както преживяха повечето потребители на лаптопи.
Тогава има темп на иновациите. Като цяло темпът на развитие в изследванията на батериите е бавен - измерва се с години, а не с месеци - и подобренията в работата често са постепенни. Освен това създаването на нови видове батерии в голям обем изисква големи предварителни инвестиции във фабрики. За разлика от тях, иновативната механична система може да бъде сглобена от леко модифицирани двигатели, резервоари за индустриален газ и друго оборудване, което вече е добре разбрано и произведено в голям мащаб.
„Това е нещо като [a] предизвикателство за интеграция на системи, вместо да се налага да измисляте и изграждате конкретно устройство, за да може всичко да работи“, казва Гарет Брет, главен изпълнителен директор на базираното в Лондон Highview Power Storage, който използва втечнен въздух под налягане. и се охлажда, докато стане течен - за да съхранява енергия в мрежата. „Нашата интелектуална собственост е в начина, по който системата е проектирана и обединена по начин, който е ефективен и е с ниска цена.“
Когато става въпрос за съхранение на електроенергия за използване в електропреносната мрежа, хидроенергията за съхранение на помпата се счита за златен стандарт - сравнително евтина технология, която доставя енергия в Съединените щати повече от 80 години. Както подсказва името, водата се изпомпва нагоре към резервоар, когато потреблението на електроенергия е ниско, и се освобождава, когато е необходимо за генериране на електричество чрез хидроелектрическа турбина. Помпените хидростанции могат да доставят големи изблици на енергия за няколко часа, което позволява на операторите на мрежи да попълват пропуски в електроснабдяването, без да се налага да докосват електроцентралите, изгарящи гориво. Те обаче са ограничени до планински терен, който осигурява повишаване на котата, необходимо между резервоарите, а екологичните прегледи отнемат много години.
Другият доказан, евтин метод за съхранение на насипно състояние е съхранението на енергия от сгъстен въздух или CAES, при което компресорите изпомпват въздух в подземни пещери. Когато е необходима мощност, въздухът под налягане се отделя и нагрява чрез изгаряне на природен газ. След това този въздух се взривява в турбина за генериране на електричество. В света има две инсталации за съхранение на енергия от сгъстен въздух, включително една отворена в Германия през 1978 г. и друга отворена в Алабама през 1991 г. И двата блока все още работят и се считат за успешни. Но никой друг не е изграден, защото е трудно да се намерят места с подходяща геоложка формация и да се финансират тези проекти. Трета централа може да се присъедини към техните редици в Тексас, като плановете изискват проект за 200 милиона долара за съхраняване на до 317 мегавата - съпоставим с производителността на централна електроцентрала.
Иноваторите при енергийни стартирания черпят вдъхновение от двете тези техники, разклонявайки се в най-различни посоки. SustainX и Беркли, базирана в Калифорния LightSail Energy предлагат да се компресира въздух за съхранение, но го съхранявайте в надземни резервоари, което означава, че те не са ограничени до места с подземни пещери. Нютон, базираната в Масачузетс General Compression, разработи система за съхранение на сгъстен въздух, която се свързва директно към вятърните турбини.
Ключовата разлика от традиционните CAES в тези подходи, наречени изотермично съхранение на енергия от сгъстен въздух, е, че на място не трябва да се изгаря гориво. Вместо това, тези компании от второ поколение CAES улавят и използват повторно топлината, която се генерира, когато въздухът е поставен под високо налягане. LightSail Energy възнамерява да разпръсква фина мъгла вода, тъй като въздухът се компресира и съхранява тази гореща вода до по-късно. Когато въздухът под налягане се освобождава за генериране на електричество, горещата вода, вместо горелка за природен газ, загрява въздуха чрез топлообменник.
Потенциално по-евтиният подход CAES е съхраняването на сгъстен въздух в платните торбички под вода. Когато съхранявате въздух в стоманени резервоари, стоманата трябва да бъде достатъчно дебела, за да съдържа въздух с високо налягане. Но водното налягане би могло да свърши работата вместо това - безплатно. Докато работи при соларен старт, бившият ракетен инженер Скот Фрейзър предвиди необходимостта от евтина система за съхранение, която може да бъде поставена почти навсякъде. И през 2010 г. той е съосновател на компания, Bright Energy Storage Technologies, за да преследва идеята за съхраняване на сгъстен въздух в големи мехури, закотвени до дъното на океана или дъното на сладководни резервоари.
"Ако имам резервоар над земята, трябва да плащате повече за по-високо налягане. Колкото повече въздух изпомпвам, толкова повече стомана ми трябва - това е доста линейно", казва Фрейзър. Първият прототип на компанията, построен за Военноморските сили на САЩ на Хаваите, ще използва модифициран двигател на камиона, за да притисне въздух в резервоари над земята. Ако механиката на тази машина се окаже практична, компанията и ВМС планират да построят втори прототип, който съхранява въздух под вода.
Дори по-опростените конструкции за съхранение на насипни товари биха използвали гравитацията по същия начин, по който правят помпените хидростанции. Advanced Rail Energy Storage, базирана в Санта Барбара, Калифорния, се стреми да изгради проекти, при които енергията от соларни или вятърни електроцентрали ще избута влак от железопътни вагони нагоре по хълм, когато има малко търсене на енергия в мрежата. Когато мощността е най-необходима, железопътните вагони ще пътуват надолу и ще генерират енергия. Електрическите тягови двигатели, които тласкат автомобилите нагоре, вървят в обратна посока при спускане и работят като генератори, по същия начин, както хибридната кола зарежда батерията по време на спиране. По подобна концепция EnergyCache, основан от механичен инженер на MIT и финансиран от Бил Гейтс, изгради демонстрационна система за съхранение, където чакълът се транспортира нагоре и надолу с помощта на модифицирано оборудване за ски лифтове.
В старото десетилетие пространство на помпено водно съхранение има и нови идеи, включително съхраняване на вода във водоносни хоризонти или разположение на растения в океана, както вече направи една компания в Япония. Тези подходи използват същата основна конфигурация - изкуствен резервоар на високо място до по-нисък резервоар - но потенциално могат да бъдат изградени на повече места. Най-амбициозни са предложенията за изграждане на „енергиен остров“ в Северно море край бреговете на Холандия или Белгия. Идеята е да се изгради изкуствен остров с резервоар и да се използва излишната енергия, генерирана от вятърни турбини в моменти с ниско търсене, за да се изпомпва вода за съхранение.
Всички тези иновации започват с евтини материали, но в крайна сметка се сблъскват със същото инженерно предизвикателство: ефективност. Ако се загуби много енергия, превръщайки електричество в сгъстен въздух или съхранявана вода и обратно, разходите се увеличават. В тази област батериите се конкурират много добре: някои видове са повече от 90 процента ефективни при зареждане и разреждане.
Номерът за механично съхранение е да се увеличи ефективността по възможно най-много начини. Със съхранението на въздух това често означава по-добро използване на топлината. Докато изотермичните разработчици на CAES като LightSail улавят топлина, генерирана от компресиращ въздух, други новатори събират топлина от външни източници, които в противен случай биха отишли в отпадъци. По време на демонстрационния си проект в близост до Лондон, Highview Power Storage тръби в отработена топлина от близката електроцентрала при преобразуване на складиран течен въздух в газ с високо налягане, което превръща турбина за производство на електричество. Използвайки различни техники, дори да съхранява студен въздух в чакъл, за да подпомогне процеса на охлаждане, Highview Power Storage може да постигне ефективност на преобразуване на енергия до над 70 процента, казва той.
Пилотният завод за съхранение на течна въздушна енергия (LAES) на Highview от 300 киловата в Слау, Великобритания. (Снимка: Highview Power Storage) Механичната система не може да отговаря на най-добрите батерии по ефективност, но това пропуска точка, казва Ричард Броуди, бивш вицепрезидент по бизнес развитие в SustainX. По-важно, особено за многочасовите приложения за съхранение, е сравнително ниската авансова цена и фактът, че механичните системи могат да работят десетилетия без загуба на капацитет за съхранение. Добре настроената машина с основни съставки - стомана, въздух, вода и чакъл - няма да влоши начина, по който химическите съединения в акумулаторните електроди правят с времето, казват защитниците на механичното съхранение. „Не сме виждали никаква електрохимична технология [батерия], която да направи това, което можем да правим в мащаба и системния живот, за който говорим“, казва Броуди. „Смятаме, че е непрактично да се правят мегаватни мащаби с която и да е от тези батерии, базирани на клетки.“
Като се има предвид потенциалът за широко разпространение на енергия в мрежата, подходите с използване на евтини материали продължават да привличат сериозно внимание. Освен редица стартъпи, много изследователи работят върху сгъстен или втечнен въздух. Университетът в Бирмингам в Обединеното кралство, например, създаде изследователски център за криогенно съхранение на енергия и консорциум, ръководен от немската комунална компания RWE, е отделил 40 милиона евро (53 милиона долара) за три и половина години за разработване на високоефективна CAES система, която ще съхранява топлина от процеса на пресоване в големи термоподобни съдове, пълни с керамичен материал.
Този клон на технологията за съхранение може да помогне и за транспортирането. Инженерната компания Ricardo има два проекта за проучване как втечнения въздух може да подобри ефективността на двигателите с вътрешно горене. Peugeot Citroen, сред другите автомобилни производители, използва метод за използване на резервоар за съхранение на сгъстен въздух, за да действа ефективно като батерия в хибридния лек автомобил. Голяма част от привлекателността е готовата наличност на части и инфраструктура, казва д-р Андрю Аткинс, главен инженер по технологии в Рикардо. „Нямате проблеми с веригата на доставки“, казва той. "В крайна сметка въздухът е за нас."
