Obnovitelné zdroje energie by mohly být hlavním světovým zdrojem energie, jen kdyby někdo vyřešil problém skladování – jak levně a v širokém měřítku skladovat velké množství elektřiny? Baterie jsou příliš drahé a nemají dostatečnou životnost. Přečerpávací vodní elektrárny jsou levné, ale na většině míst neproveditelné. Tepelné skladování je slibné, ale stále příliš drahé nebo obtížně rozšiřitelné. Stlačený vzduch je levný a škálovatelný, ale zatím není dostatečně účinný (i když nová společnost LightSail, kterou podporují Peter Thiel, Vinold Khosla a Bill Gates, doufá, že to změní). A co setrvačníky? Největší hráč, společnost Beacon Power, v roce 2011 zkrachoval.
Metací kola však možná dostanou druhý život. Vynálezce ze Silicon Valley Bill Gray má nový návrh setrvačníku, který by poskytoval distribuované a vysoce škálovatelné úložiště za cenu kolem 1 333 dolarů za kilowatt, čímž by cenově konkuroval přečerpávacím vodním elektrárnám a stlačenému vzduchu. S účinností více než 80 % by se vyrovnal nejlepším alternativám skladování a měl by desetiletou záruku. A byl by to dokonalý doplněk k off-grid domu se solárním fotovoltaickým (FV) systémem, který by se dokázal plně nabít za pět hodin – což je doba nabíjení většiny solárních FV systémů – a uložit 15 kilowatthodin energie, což by stačilo na provoz skromného domu od západu do východu slunce.
Gray nazývá svůj vynález Velkess (pro VEry Large Kinetic Energy Storage System). V současné době shání peníze na prototyp v kampani na Kickstarteru.
Velkess vylepšuje tradiční setrvačníky tím, že lépe zvládá přirozené „kmitání“ rotující hmoty. Tradiční setrvačníky byly velmi drahé, protože inženýři sladili přirozenou osu otáčení kola s požadovaným otáčením generátoru. Proto se vždy snaží minimalizovat přirozené kmitání kola pomocí velmi drahých magnetů a ložisek, vysoce přesného inženýrství a materiálů, jako jsou vysoce kvalitní uhlíková vlákna nebo tuhá ocel. Setrvačník společnosti Beacon pro ukládání energie do sítě stál neuvěřitelné 3 miliony dolarů za megawatthodinu.
Místo toho, aby se Gray snažil s kmitáním bojovat, přesměroval je zavěšením kola do kardanu – stejného konceptu, díky němuž funguje gyroskop.
Kimbal ve Velkess je asymetrický, takže obě osy otáčení – osa setrvačníku i osa rotoru, který pohání bezkartáčový, indukční stejnosměrný motor – nejsou ve stejné rovině a mají různé periody frekvence. To tlumí rezonanční jevy, které ztěžují řízení tradičních setrvačníků (rezonanční porucha v jedné z rovin může zesilovat, až se zařízení rozbije). U kardanu se rezonance v jedné rovině převádí do druhé, která není rezonanční a má stejnou frekvenci. V souladu s tím jsou ke konstrukci zařízení zapotřebí jen velmi malé technické tolerance – asi jedna šestnáctina palce.
Gray vycházel z průkopnické práce strojního inženýra Johna Vance, emeritního profesora Texaské A&M univerzity, který prováděl rozsáhlý výzkum setrvačníků, vibrací strojů a dynamiky rotorů. Gray také snížil náklady na materiály. Místo z drahé oceli nebo uhlíkových vláken vyrobil Gray kolo z levného sklolaminátu třídy „E“ – stejného materiálu, který se používá například ve sprchových dveřích nebo rybářských prutech. Protože se jedná o mnohem pružnější materiál, má sklolaminátové kolo při změně rychlosti otáčení tendenci se deformovat a kývat mnohem více než ocel nebo uhlíková vlákna.
Grayovo zaměření na snížení investičních nákladů na skladování, zatímco ostatní výrobci setrvačníků se zaměřili na zvýšení hustoty a výrobní kapacity, se zřejmě vyplatilo. Velkess by mohl ukládat elektřinu za 300 000 dolarů za megawatthodinu, tedy asi za desetinu ceny jednotky Beacon, říká Gray. „Jsem rád, že se tomuto konceptu dostává publicity, protože věřím, že má naději na úspěch,“ říká Vance o Velkess.
Grayova konstrukce také usnadňuje kontrolu možného selhání jeho nejkritičtějších částí: samotného kola a ložisek. Protože setrvačník je svazek tisíců vláken, pokud se jedno vlákno přetrhne, prostě se ze svazku vymkne, místo aby přímo namáhalo zbytek kola a způsobilo jeho zlomení. Setrvačník by jednoduše „shodil“ lehký materiál.
Pro ložiska Velkess používá kuličková ložiska s „úhlovým stykem s keramickým hybridem“ (nitrid křemíku), která běží v dráze z nerezové oceli, kde ložiska i axiální zatížení plují na magnetech. Pokud by ložiska začala selhávat, teplo, které generují, by bylo včas detekováno jednoduchým teplotním čidlem.
Každý typ selhání by mohl být snadno detekován dlouho před katastrofickou událostí, což by umožnilo zařízení vyhodit varování a spustit vypnutí. Při vypnutí mimo síť by zařízení vypouštělo horký vzduch, dokud by se neroztočilo na doraz – což by zhruba odpovídalo 1500wattovému fénu běžícímu 10 hodin. Při použití v síti by mohlo jednoduše odvádět energii do sítě.
Celé zařízení je umístěno ve vakuově uzavřené ocelové krabici o rozměrech přibližně stejných jako domácí lednička, jen o něco kratších. Samotný setrvačník má rozměry 66 krát 66 centimetrů na výšku a v průměru a váží asi 340 kilogramů.
Bude optimalizován tak, aby poskytoval až tři kilovoltampéry trvalého výkonu při 27 ampérech, ale zvládne i vyšší „nárazové“ zatížení, ke kterému dochází při spuštění spotřebičů s velkým odběrem, jako jsou vodní čerpadla a kotoučové pily. Jednotka se může vybíjet libovolnou rychlostí až do tří kilowattů, dokud se setrvačník neroztočí na „plně vybitou“ rychlost 9 000 otáček za minutu.
Gray se zpočátku hodlá zaměřit na 48voltový trh s domácnostmi mimo síť, kde by Velkess mohl nahradit typické 48voltové bateriové systémy. Poté by přišel na řadu 240voltový rezidenční a malý komerční trh, kde by Velkess mohl poskytovat zálohu pro solární fotovoltaické systémy připojené k síti v případě jejího výpadku. Nakonec doufá, že se dostane i na 600voltový trh s komunálními solárními bateriemi.
Velkess by mohl uspět tam, kde Beacon v několika ohledech selhal. Ten, stejně jako většina jeho konkurentů, mohl vybíjet velké množství energie pouze po velmi krátkou dobu, zatímco Grayovo zařízení by dělalo pravý opak: Mohlo by se vybíjet tak pomalu, jak je potřeba, po celé hodiny. A zatímco systém společnosti Beacon byl tak drahý, že měl smysl pouze pro průmyslové aplikace, Grayův systém by byl dostatečně levný, aby dával dobrý ekonomický smysl v domácnostech a malých komerčních zařízeních.
Velkess navíc splňuje poslední rozhodující faktor pro škálování elektrických úložišť. Lze paralelně propojit více jednotek.
Podle analytika bostonské společnosti Lux Research by služby skladování energie mohly do roku 2017 představovat celosvětový trh v hodnotě 31,5 miliardy dolarů. Pokud se podaří postavit prototyp Velkess za avizovanou cenu a výkon, mohl by zabrat velkou část tohoto trhu a jednou provždy vyřešit problém s přerušovanou dodávkou energie z obnovitelných zdrojů.
.