Las energías renovables podrían ser la principal fuente de energía del mundo si alguien pudiera resolver el problema del almacenamiento: ¿cómo almacenar mucha electricidad de forma barata a gran escala? Las baterías son demasiado caras y no duran lo suficiente. La hidroeléctrica de bombeo es barata, pero no es factible en la mayoría de los lugares. El almacenamiento térmico es prometedor, pero sigue siendo demasiado caro o difícil de ampliar. El aire comprimido es barato y escalable, pero aún no es lo suficientemente eficiente (aunque LightSail, una nueva empresa respaldada por Peter Thiel, Vinold Khosla y Bill Gates, espera cambiar esta situación). ¿Y qué hay de los volantes de inercia? El mayor actor, Beacon Power, quebró en 2011.
Sin embargo, los volantes de inercia podrían tener una segunda vida. El inventor de Silicon Valley Bill Gray tiene un nuevo diseño de volante de inercia que ofrecería un almacenamiento distribuido y altamente escalable por unos 1.333 dólares el kilovatio, lo que lo haría competitivo en precio con la energía hidráulica bombeada y el aire comprimido. Con una eficiencia superior al 80%, rivalizaría con las mejores alternativas de almacenamiento y tendría una garantía de 10 años. Y sería un complemento perfecto para una casa sin conexión a la red con un sistema solar fotovoltaico, capaz de cargarse por completo en cinco horas -dentro del tiempo de carga de la mayoría de los sistemas solares fotovoltaicos- y almacenar 15 kilovatios-hora de energía, suficiente para hacer funcionar una casa modesta desde el atardecer hasta el amanecer.
Gray llama a su invento Velkess (por VEry Large Kinetic Energy Storage System). Actualmente está recaudando dinero para el prototipo en una campaña de Kickstarter.
El Velkess mejora los volantes de inercia tradicionales al gestionar mejor el «bamboleo» natural de una masa que gira. Los volantes de inercia tradicionales han sido muy costosos porque los ingenieros alinean el eje natural de rotación de la rueda con la rotación deseada del generador. Así, siempre se esfuerzan por minimizar el bamboleo natural de la rueda utilizando imanes y cojinetes muy caros, ingeniería de alta precisión y materiales como fibra de carbono de alta calidad o acero rígido. El volante de Beacon para el almacenamiento en red costó la friolera de 3 millones de dólares por megavatio-hora.
En lugar de intentar luchar contra el bamboleo, Gray lo redirigió suspendiendo la rueda dentro de un cardán, el mismo concepto que hace funcionar un giroscopio.
El cardán del Velkess es asimétrico, por lo que los dos ejes de rotación -el del volante y el del rotor, que acciona el motor de corriente continua sin escobillas- no están en el mismo plano y tienen períodos de frecuencia diferentes. Esto amortigua los efectos de resonancia que hacen que los volantes de inercia tradicionales sean difíciles de controlar (una perturbación resonante en uno de los planos puede intensificarse hasta que el dispositivo se rompa). Con el cardán, la resonancia en un plano se traslada al otro, que no es resonante a la misma frecuencia. En consecuencia, para construir el dispositivo sólo se necesitan tolerancias de ingeniería muy reducidas -alrededor de un dieciseisavo de pulgada-.
Gray se basó en el trabajo pionero del ingeniero mecánico John Vance, profesor jubilado de la Universidad A&M de Texas, que ha llevado a cabo una amplia investigación sobre volantes de inercia, vibración de máquinas y dinámica de rotores. Gray también redujo el coste de los materiales. En lugar de fabricar el volante con acero o fibra de carbono, Gray lo hizo con fibra de vidrio barata de tipo «E-glass», el mismo material que se utiliza en puertas de ducha y cañas de pescar. Al ser un material mucho más flexible, la rueda de fibra de vidrio tiende a deformarse y tambalearse mucho más que el acero o la fibra de carbono cuando cambia su velocidad de giro.
El interés de Gray por reducir los costes de capital del almacenamiento cuando otros fabricantes de volantes de inercia se han centrado en aumentar la densidad y la capacidad de generación parece haber dado sus frutos. El Velkess podría almacenar electricidad por 300.000 dólares por megavatio-hora, es decir, una décima parte del coste de la unidad Beacon, afirma Gray. «Me alegro de que este concepto reciba publicidad, ya que creo que es prometedor para el éxito», dice Vance sobre la Velkess.
El diseño de Gray también facilita el control de los posibles fallos de sus partes más críticas: la propia rueda y los cojinetes. Dado que el volante es un haz de miles de fibras, si una de ellas se rompe, simplemente se desprenderá del haz en lugar de estresar directamente al resto de la rueda y provocar su rotura. El volante simplemente se «desprendería» de material ligero.
Para los rodamientos, el Velkess utiliza rodamientos de bolas de «contacto angular de cerámica híbrida» (nitruro de silicio) que funcionan en una pista de acero inoxidable, donde tanto los rodamientos como la carga de empuje flotan sobre imanes. Si los rodamientos empezaran a fallar, el calor que generan sería detectado con antelación por un simple sensor de temperatura.
Cualquier tipo de fallo podría detectarse fácilmente mucho antes de que se produjera un evento catastrófico, lo que permitiría al dispositivo lanzar una advertencia y activar una parada. En una desconexión fuera de la red, el dispositivo descargaría aire caliente hasta que se detuviera, lo que equivale aproximadamente a un secador de pelo de 1.500 vatios funcionando durante 10 horas. En una aplicación conectada a la red, podría simplemente verter la energía a la red.
Todo el dispositivo está contenido en una caja de acero sellada al vacío que ocupa más o menos lo mismo que un frigorífico doméstico, pero un poco más corto. El volante de inercia mide unos 66 por 66 centímetros de altura y diámetro, y pesa unos 340 kilogramos.
Estará optimizado para proporcionar hasta tres kilovoltios-amperios de salida de energía continua a 27 amperios, pero puede soportar mayores cargas de energía «de ráfaga» que se producen cuando se ponen en marcha aparatos de gran consumo como bombas de agua y sierras circulares. La unidad puede descargar hasta tres kilovatios hasta que el volante de inercia gire hasta su velocidad de «descarga total» de 9.000 revoluciones por minuto.
Gray pretende dirigirse inicialmente al mercado residencial sin red de 48 voltios, donde el Velkess sería un sustituto directo de los sistemas de baterías típicos de 48 voltios. Después vendrían los mercados residenciales y comerciales de 240 voltios, en los que Velkess podría servir de apoyo a los sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red cuando ésta no funcione. Con el tiempo, espera entrar en el mercado solar de 600 voltios.
Velkess podría tener éxito donde Beacon fracasó en varios aspectos. Este último dispositivo, como la mayoría de sus competidores, sólo podía descargar grandes cantidades de energía durante periodos muy cortos, mientras que el de Gray haría lo contrario: Podía descargar tan lentamente como fuera necesario durante horas. Y mientras que el sistema de Beacon era tan caro que sólo tenía sentido para aplicaciones industriales, el de Gray sería lo suficientemente barato como para tener sentido económico en los mercados residenciales y de pequeños comercios.
Además, el Velkess satisface el último factor crucial para el almacenamiento eléctrico: el escalado. Se pueden conectar varias unidades en paralelo.
Según un analista de Lux Research, con sede en Boston, los servicios de almacenamiento de energía podrían suponer un mercado de 31.500 millones de dólares en todo el mundo en 2017. Si el prototipo de Velkess puede construirse al precio y el rendimiento anunciados, podría ocupar una gran parte de ese mercado y resolver el problema de la intermitencia de las energías renovables de una vez por todas.