Urenovable energikilder kunne blive verdens primære energikilde, hvis blot nogen kunne løse lagringsproblemet – hvordan kan man lagre masser af elektricitet billigt i stor skala? Batterier er for dyre og holder ikke længe nok. Pumped hydrokraft er billigt, men det kan ikke lade sig gøre på de fleste steder. Termisk lagring er lovende, men stadig for dyrt eller svært at opskalere. Komprimeret luft er billigt og skalerbart, men endnu ikke effektivt nok (selv om LightSail, et nyt selskab, der støttes af Peter Thiel, Vinold Khosla og Bill Gates, håber at kunne ændre dette). Og hvad med svinghjul? Den største aktør, Beacon Power, gik konkurs i 2011.
Svinghjul kan dog være på vej til at få et nyt liv. Opfinderen Bill Gray fra Silicon Valley har et nyt svinghjulsdesign, der vil kunne levere distribueret og meget skalerbar lagring for omkring 1.333 dollars pr. kilowatt, hvilket gør det prismæssigt konkurrencedygtigt med pumpet vandkraft og trykluft. Med en effektivitet på mere end 80 % vil det kunne konkurrere med de bedste lagringsalternativer og leveres med en 10-årig garanti. Og det ville være et perfekt supplement til et hus uden for elnet med et solcelleanlæg, da det ville kunne oplades fuldt ud på fem timer – inden for opladningstiden for de fleste solcelleanlæg – og lagre 15 kilowatt-timer strøm, hvilket er nok til at drive et beskedent hus fra solnedgang til solopgang.
Gray kalder sin opfindelse Velkess (for VEry Large Kinetic Energy Storage System). Han er i øjeblikket ved at samle penge ind til prototypen i en Kickstarter-kampagne.
Velkess forbedrer de traditionelle svinghjul ved bedre at styre den naturlige “wobling” af en roterende masse. Traditionelle svinghjul har været meget dyre, fordi ingeniørerne tilpasser den naturlige akse af hjulets rotation til den ønskede rotation af generatoren. Derfor kæmper de altid for at minimere hjulets naturlige wobble ved hjælp af meget dyre magneter og lejer, højpræcisionsteknik og materialer som kulfiber af høj kvalitet eller stiv stål. Beacons svinghjul til lagring på nettet kostede hele 3 millioner dollars pr. megawatt-time.
I stedet for at forsøge at bekæmpe wobblen omdirigerede Gray den ved at hænge hjulet op i en kardan – det samme koncept, som får et gyroskop til at fungere.
Gimbal’en i Velkess er asymmetrisk, så de to rotationsakser – svinghjulets akse samt rotorens akse, som driver den børsteløse, inducerende jævnstrømsmotor – ligger ikke i samme plan og har forskellige frekvensperioder. Dette dæmper de resonansvirkninger, der gør traditionelle svinghjul vanskelige at kontrollere (en resonansforstyrrelse i et af planerne kan forstærkes, indtil enheden splintrer). Med kardanvægten overføres resonans i det ene plan til det andet, som er ikke-resonant med samme frekvens. Derfor kræves der kun meget løse tekniske tolerancer – omkring en sekstendedel af en tomme – for at bygge apparatet.
Gray støttede sig på pionerarbejde udført af maskiningeniør John Vance, en pensioneret professor ved Texas A&M University, som har udført omfattende forskning i svinghjul, maskinvibrationer og rotordynamik. Gray har også reduceret materialeomkostningerne. I stedet for at lave hjulet af dyrt stål eller kulfiber har Gray lavet det af billigt glasfiber af “E-glas”-kvalitet – det samme stof, som bruges i ting som brusedøre og fiskestænger. Fordi det er et langt mere fleksibelt materiale, har glasfiberhjulet tendens til at skævvride og vakle meget mere end stål eller kulfiber, når dets drejehastighed ændres.
Grays fokus på at nedbringe kapitalomkostningerne ved lagring, når andre svinghjulsfabrikanter har fokuseret på at øge tætheden og produktionskapaciteten, synes at have givet pote. Velkess kunne lagre elektricitet for 300.000 dollars pr. megawatt-time, eller omkring en tiendedel af prisen for Beacon-enheden, siger Gray. “Jeg er glad for at se, at dette koncept får omtale, da jeg mener, at det er lovende for succes,” siger Vance om Velkess.
Grays design gør det også lettere at kontrollere eventuelle fejl i de mest kritiske dele: selve hjulet og lejerne. Fordi svinghjulet er et bundt af tusindvis af fibre, vil en fiber, hvis den går i stykker, bare vrikke ud af bundtet i stedet for at belaste resten af hjulet direkte og forårsage, at det går i stykker. Svinghjulet vil simpelthen “smide” letvægtsmateriale.
Til lejerne anvender Velkess “angular contact ceramic hybrid” (siliciumnitrid) kuglelejer, der kører i en bane af rustfrit stål, hvor både lejerne og trykbelastningen svæver på magneter. Hvis lejerne begyndte at svigte, ville den varme, de genererer, blive opdaget tidligt af en simpel temperatursensor.
Enten type svigt kunne let opdages længe før en katastrofal hændelse, hvilket ville gøre det muligt for enheden at udsende en advarsel og udløse en nedlukning. Ved en nedlukning uden for nettet ville enheden udlede varm luft, indtil den drejede sig til et stop – omtrent svarende til en hårtørrer på 1.500 watt, der kører i 10 timer. I en anvendelse på nettet kunne den simpelthen dumpe strømmen til nettet.
Hele enheden er indeholdt i en vakuumforseglet stålkasse med omtrent samme fodaftryk som et husholdningskøleskab, blot en smule kortere. Selve svinghjulet er ca. 66 gange 66 centimeter i højden og diameteren og vejer ca. 340 kg.
Det vil blive optimeret til at levere op til tre kilovolt-ampere kontinuerlig strømudgang ved 27 ampere, men kan håndtere højere “burst”-strømbelastninger, der opstår, når apparater med stort træk som vandpumper og rundsave starter op. Enheden kan aflade med en hastighed på op til tre kilowatt, indtil svinghjulet drejer ned til sin “fuldt afladede” hastighed på 9.000 omdrejninger pr. minut.
Gray har til hensigt at målrette sig mod 48-volts off-grid boligmarkedet i første omgang, hvor Velkess vil være en drop-in erstatning for typiske 48-volts batterisystemer. Derefter vil der komme 240-volts bolig- og små kommercielle markeder, hvor Velkess vil kunne levere backup til nettilsluttede solcelleanlæg, når nettet går ned. Til sidst håber han at kunne komme ind på markedet for 600-volts solcelleanlæg i stor skala.
Velkess kan få succes, hvor Beacon har fejlet i flere henseender. Sidstnævnte enhed kunne ligesom de fleste af sine konkurrenter kun aflade store mængder strøm i meget korte perioder, hvorimod Grays ville gøre det modsatte: Den kunne aflade så langsomt som nødvendigt i timevis. Og hvor Beacons system var så dyrt, at det kun gav mening i industrielle applikationer, ville Gray’s system være billigt nok til at give god økonomisk mening i boliger og på mindre kommercielle markeder.
Dertil kommer, at Velkess opfylder den sidste afgørende faktor for elektrisk lagring – skalering. Flere enheder kan kobles sammen parallelt.
Ifølge en analytiker fra Lux Research i Boston kan energilagringstjenester udgøre et globalt marked på 31,5 milliarder dollars i 2017. Hvis Velkess-prototypen kan bygges til den pris og ydelse, der er annonceret, kan den tage en stor del af dette marked og løse problemet med intermitterende vedvarende energikilder én gang for alle.