În partea din spate a unui atelier de dimensiuni de depozit, aproximativ o duzină de ingineri din ferme construiesc o mașină uriașă albastră. Șase cilindri, fiecare mai înalt decât o persoană și o bucată de tuburi, țevi și robinete se extind în sus de la un motor diesel marin, înconjurat de o schelă cu trei etaje.
Concepută de pornirea SustainX în Seabrook, New Hampshire, mașina este proiectată pentru a stoca energia prin comprimarea aerului. Un motor electric transformă arborele cotit al motorului pentru a conduce pistoanele în buteliile de mai sus. Pistoanele stoarce un amestec de aer și apă spumoasă și pompează aerul sub presiune în rezervoare mari de oțel, unde poate fi menținut ca un arc înveliș. Atunci când o utilitate electrică are nevoie de energie, rezervoarele vor fi neîncetate, permițând aerului să se grăbească, să alimenteze motorul și să genereze energie electrică pentru clienții utilității.
Miza este mare. Dacă o companie precum SustainX poate livra un sistem care poate stoca ieftin energia chiar și pentru câteva ore la un moment dat, ar transforma energia eoliană și solară în furnizori de energie de încredere, mai degrabă ca centralele cu combustibil fosil. Fluctuațiile vântului și ale energiei solare ar putea fi reduse și excesul de putere din vânturile nocturne, de exemplu, ar putea fi trimis mai târziu atunci când cererea este mai mare.
Mașina de la SustainX și altele ca aceasta sunt la marginea de vârf a unei curse tehnologice în domeniul stocării de energie. Munca companiei, susținută de peste 30 de milioane de dolari în fonduri private și guvernamentale, reprezintă un pariu că inginerii deștepți care folosesc materiale ieftine și ușor disponibile, cum ar fi aerul și apa, vor învinge legiunile oamenilor de știință care urmăresc o descoperire a bateriilor.
Mașina SustainX, ilustrată aici în mai 2013, folosește tehnologia izotermă cu aer comprimat pentru stocarea energiei. (Foto: SustainX) Depozitarea energiei atrage atât de mult atenția, deoarece o descoperire a costurilor și a performanței ar putea face rețeaua electrică mai curată și mai fiabilă. În fiecare zi, utilitățile operează un act de echilibrare constant: pentru a asigura un serviciu fiabil, cantitatea de energie generată la centralele electrice trebuie să se potrivească cu ceea ce se consumă la case și afaceri. Dacă există o creștere a cererii de la aparatele de aer condiționat într-o zi caldă de vară, de exemplu, centralele electrice trebuie să stârnească mai multă energie electrică și să o formeze înapoi când cererea scade noaptea.
Depozitarea de energie acționează ca o rezervă sau un cont bancar de energie. În perioadele de maximă cerere, stocarea poate furniza energie în locul centralelor cu combustibil fosil „peaker”. Tehnologia poate consolida puterea variabilă de la fermele eoliene și solare sau poate crește capacitatea stațiilor de maximizare care furnizează energie în cartierele locale. Când este amplasat în clădiri sau în apropierea clădirilor, energia de stocare poate oferi rezervă în timpul unei întreruperi de energie. Totuși, multe dintre aceste aplicații necesită un dispozitiv care poate furniza energie timp de câteva ore sau poate o jumătate de zi. Și trebuie făcut în siguranță și la costuri reduse.
În ceea ce privește depozitarea timp de mai multe ore, există motive convingătoare de a urmări sisteme de stocare mecanică pe baterii electrochimice, spun directorii din industrie. Bateriile necesită materiale mai scumpe, cum ar fi litiu sau cobalt, care pot fi supuse constrângerilor de aprovizionare. Spre deosebire de un sistem mecanic, capacitatea de stocare a bateriei reîncărcabile scade în timp, așa cum au experimentat majoritatea utilizatorilor de laptop.
Apoi, există ritmul inovației. În general, ritmul de dezvoltare în cercetarea bateriilor este lent - măsurat în ani, în loc de luni - și îmbunătățirea performanței este adesea incrementală. De asemenea, producerea de noi tipuri de baterii în volum mare necesită investiții majore în fabrici. În schimb, un sistem mecanic inovativ ar putea fi asamblat din motoare ușor modificate, rezervoare industriale de gaz și alte echipamente care sunt deja bine înțelese și produse la scară largă.
„Este un fel de [a] provocare de integrare a sistemelor, mai degrabă decât să trebuiască să inventeze și să construiască un anumit dispozitiv pentru ca acesta să funcționeze”, spune Gareth Brett, CEO al Highview Power Storage cu sediul în Londra, care folosește aer lichefiat - aer sub presiune și răcit până devine lichid - pentru a stoca energie pe rețea. „Proprietatea noastră intelectuală este modul în care sistemul este conceput și reunit într-un mod eficient și cu costuri reduse.”
Când vine vorba de stocarea energiei electrice pentru utilizare pe rețeaua electrică, hidroenergetica de stocare a pompelor este considerată standardul de aur - o tehnologie relativ ieftină, care livrează energie în Statele Unite de peste 80 de ani. După cum sugerează și denumirea, apa este pompată în sus către un rezervor atunci când cererea de energie electrică este scăzută și este eliberată atunci când este nevoie pentru a genera energie electrică printr-o turbină hidroelectrică. Hidrocentralele pompate pot furniza explozii mari de energie timp de câteva ore, permițând operatorilor de rețea să completeze lacunele de alimentare cu energie electrică, fără a fi nevoie să atinge centralele cu combustibil fosil. Cu toate acestea, acestea sunt limitate în mare parte la terenurile muntoase, ceea ce oferă câștigul de cota necesar între rezervoare, iar recenziile de mediu durează mulți ani.
Cealaltă metodă dovedită, cu costuri reduse, de stocare în vrac este stocarea energiei aerului comprimat sau CAES, în care compresoarele pompează aerul în caverne subterane. Când este nevoie de energie, aerul sub presiune este eliberat și încălzit prin arderea gazelor naturale. Apoi aerul este aruncat într-o turbină pentru a genera electricitate. În lume există două centrale geologice de stocare a energiei aerului comprimat, inclusiv una deschisă în Germania în 1978 și alta deschisă în Alabama în 1991. Ambele unități funcționează și sunt considerate de succes. Dar nu au fost construite altele, deoarece este dificil să găsești locații cu o formațiune geologică adecvată și să finanțezi aceste proiecte. O a treia fabrică și-ar putea alătura rândurile în Texas, cu planuri de a solicita un proiect de 200 de milioane de dolari pentru a stoca până la 317 megavati - comparabil cu producția unei centrale electrice de dimensiuni medii.
Inovatorii de la pornirea energetică s-au inspirat din aceste două tehnici, ramificându-se într-o varietate de direcții. SustainX și Berkeley, California LightSail Energy, din California, propun să comprimeze aerul pentru depozitare, dar să-l păstrezi în rezervoarele de la sol, ceea ce înseamnă că nu sunt limitate la locații cu caverne subterane. Newton, Massachusetts Compression General, a dezvoltat un sistem de stocare a aerului comprimat care se atașează direct la turbinele eoliene.
Diferența cheie față de CAES-urile tradiționale din aceste abordări, numită stocare izotermă a energiei cu aer comprimat, este aceea că nu trebuie să fie ars combustibil la fața locului. În schimb, aceste companii CAES de a doua generație captează și reutilizează căldura generată atunci când aerul este pus sub presiune ridicată. LightSail Energy intenționează să pulverizeze o ceață fină de apă pe măsură ce aerul este comprimat și depozitează apa caldă până mai târziu. Când aerul sub presiune este eliberat pentru a genera energie electrică, apa caldă, mai degrabă decât un arzător de gaze naturale, încălzește aerul printr-un schimbător de căldură.
O abordare CAES potențial mai ieftină este stocarea aerului comprimat în pungile din țesături sub apă. Atunci când depozitați aer în rezervoarele de oțel, oțelul trebuie să fie suficient de gros pentru a conține aer de înaltă presiune. Dar presiunea apei ar putea face treaba în schimb - gratuit. În timp ce lucra la o pornire solară, fostul inginer de rachete, Scott Frazier, a prevăzut necesitatea unui sistem ieftin de stocare care să poată fi amplasat aproape oriunde. Și în 2010, el a co-fondat o companie, Bright Energy Storage Technologies, pentru a urmări ideea de a stoca aer comprimat în vezicule mari ancorate pe fundul oceanului sau pe fundul rezervoarelor de apă dulce.
"Dacă am un rezervor deasupra solului, trebuie să plătiți mai mult pentru presiune mai mare. Cu cât pompez mai mult aer, cu atât mai mult oțel trebuie - este destul de liniar", spune Frazier. Primul prototip al companiei, construit pentru Marina SUA în Hawaii, va folosi un motor de camion modificat pentru presurizarea aerului în rezervoarele de deasupra solului. Dacă mecanica acelei mașini se va dovedi practică, compania și Marina intenționează să construiască un al doilea prototip care să stocheze aerul sub apă.
Chiar și modele mai simple de stocare în vrac ar influența gravitatea mult așa cum fac stațiile hidrocentrale pompate. Depozitul avansat de energie feroviară, cu sediul în Santa Barbara, California, încearcă să construiască proiecte în care energia de la fermele solare sau eoliene ar împinge un tren de căi ferate pe un deal când există o cerere redusă de energie pe rețea. Când este nevoie de cea mai mare putere, mașinile feroviare ar călători în jos și ar genera energie. Motoarele electrice de tracțiune care împing autoturismele în sus circulă invers în sensul de coborâre și funcționează ca generatoare, la fel cum o mașină hibridă încarcă o baterie în timpul frânării. Într-un concept similar, EnergyCache, fondată de un inginer mecanic MIT și finanțată de Bill Gates, a construit un sistem de depozitare demonstrativ unde pietrișul este transportat în sus și în jos, folosind echipament de teleschi modificat.
În zona de acum zeci de ani de hidroalimentare pompată, există și idei inedite, inclusiv stocarea apei în acvifere sau a instalațiilor din ocean, așa cum a făcut deja o companie din Japonia. Aceste abordări utilizează aceeași configurație de bază - un rezervor artificial într-o locație ridicată lângă un rezervor inferior - dar ar putea fi construit în mai multe locații. Cele mai ambițioase sunt propunerile pentru construirea unei „insule energetice” în Marea Nordului în largul coastelor olandeze sau belgiene. Ideea este de a construi o insulă artificială cu un rezervor și de a folosi excesul de energie generată de turbinele eoliene la perioade reduse de cerere pentru a pompa apa pentru depozitare.
Toate aceste inovații încep cu materiale ieftine, dar în cele din urmă se confruntă cu aceeași provocare inginerească: eficiența. Dacă se pierde multă energie transformând energia electrică în aer comprimat sau apă stocată și din nou, costurile cresc. În acest domeniu, bateriile concurează foarte bine: unele tipuri sunt mai eficiente cu peste 90 la sută în încărcare și descărcare.
Apoi, trucul pentru depozitarea mecanică este să crească eficiența în cât mai multe moduri. În cazul depozitării aerului, asta înseamnă adesea utilizarea mai bună a căldurii. În timp ce dezvoltatorii CAES izotermi, cum ar fi LightSail, captează căldura generată de aerul comprimat, alți inovatori colectează căldură din surse exterioare, care altfel ar duce la deșeuri. La proiectul său demo de lângă Londra, Highview Power Storage Teave în căldura reziduală dintr-o centrală electrică din apropiere, când a transformat aerul lichid depozitat în gaz de înaltă presiune, care transformă o turbină pentru a produce electricitate. Folosind o varietate de tehnici, chiar și stocarea aerului rece în pietriș pentru a ajuta procesul de răcire, Highview Power Storage poate obține eficiența conversiei energetice la peste 70%.
Instalația pilot de stocare a energiei cu aer lichid (LAES) de 300view în Highview din Slough, Marea Britanie. (Foto: Highview Power Storage) Un sistem mecanic nu se potrivește cu cele mai bune baterii în ceea ce privește eficiența, dar asta nu lipsește, spune Richard Brody, fostul vicepreședinte al dezvoltării afacerilor la SustainX. Mai importantă, în special pentru aplicațiile de stocare de mai multe ore, este costul inițial relativ redus și faptul că sistemele mecanice pot funcționa zeci de ani fără a pierde capacitatea de stocare. O mașină bine ajustată cu ingrediente de bază - oțel, aer, apă și pietriș - nu va degrada modul în care fac compușii chimici din electrozii cu baterii de-a lungul timpului, spun susținătorii de stocare mecanică. „Nu am văzut nicio tehnologie electrochimică [cu baterii] care să poată face ceea ce putem face la scara și la viața sistemului despre care vorbim”, spune Brody. „Credem că este imposibil să faci chestii la scară megawatt cu oricare dintre aceste sisteme de baterii bazate pe celule.”
Având în vedere potențialul de stocare extinsă a energiei pe rețea, abordările care utilizează materiale cu costuri reduse continuă să atragă atenția. Pe lângă o serie de startup-uri, mulți cercetători lucrează la aer comprimat sau lichefiat. Universitatea din Birmingham din Regatul Unit, de exemplu, a creat un centru de cercetare pentru stocarea energiei criogenice și un consorțiu condus de utilitatea germană RWE a angajat 40 de milioane de euro (53 de milioane de dolari) pe parcursul a trei ani și jumătate pentru a dezvolta un CAES de înaltă eficiență. sistem care va stoca căldura în urma procesului de compresie în vase mari, de tip termos, umplute cu material ceramic.
Această ramură a tehnologiei de stocare ar putea ajuta și transportul. Compania de inginerie Ricardo are două proiecte pentru a explora modul în care aerul lichefiat poate îmbunătăți eficiența motoarelor cu ardere internă. Peugeot Citroen, printre alți producători auto, urmărește o metodă de utilizare a unui rezervor de stocare a aerului comprimat pentru a acționa eficient ca o baterie într-o mașină de pasageri hibridă. O mare parte din apel este disponibilitatea gata de piese și infrastructură, spune dr. Andrew Atkins, inginer șef de tehnologie la Ricardo. „Nu aveți probleme în lanțul de aprovizionare”, spune el. „La urma urmei, aerul ține de noi.”
