Uusiutuvista energialähteistä voisi tulla maailman ensisijainen energianlähde, jos vain joku pystyisi ratkaisemaan varastointiongelman – miten varastoida paljon sähköä halvalla laajassa mittakaavassa? Akut ovat liian kalliita eivätkä kestä tarpeeksi kauan. Pumppuvesivoima on halpaa, mutta ei toteutettavissa useimmissa paikoissa. Lämpövarastointi on lupaavaa, mutta edelleen liian kallista tai vaikeasti skaalattavaa. Paineilma on halpaa ja skaalautuvaa, mutta ei vielä riittävän tehokasta (vaikka Peter Thielin, Vinold Khoslan ja Bill Gatesin tukema uusi yritys LightSail toivoo muuttavansa tämän). Entä vauhtipyörät? Suurin toimija, Beacon Power, meni konkurssiin vuonna 2011.
Lentopyörät saattavat kuitenkin saada toisen elämän. Piilaakson keksijä Bill Gray on kehittänyt uuden vauhtipyörämallin, joka mahdollistaisi hajautetun ja hyvin skaalautuvan varastoinnin noin 1333 dollarin kilowattikohtaisella hinnalla, mikä tekisi siitä hinnaltaan kilpailukykyisen pumppuveden ja paineilman kanssa. Yli 80 prosentin hyötysuhteella se kilpailee parhaiden varastointivaihtoehtojen kanssa, ja sillä on 10 vuoden takuu. Se täydentäisi täydellisesti aurinkosähköjärjestelmällä varustettua omakotitaloa, sillä se pystyisi latautumaan täyteen viidessä tunnissa – mikä vastaa useimpien aurinkosähköjärjestelmien latausaikaa – ja varastoimaan 15 kilowattitunnin verran virtaa, mikä riittäisi vaatimattoman talon pyörittämiseen auringonlaskusta auringonnousuun.
Gray kutsuu keksintönsä nimellä Velkess (lyhenne sanoista VEry Large Kinetic Energy Storage System). Hän kerää parhaillaan rahaa prototyyppiä varten Kickstarter-kampanjassa.
Velkess parantaa perinteisiä vauhtipyöriä hallitsemalla paremmin pyörivän massan luonnollista ”heiluntaa”. Perinteiset vauhtipyörät ovat olleet hyvin kalliita, koska insinöörit kohdistavat pyörän luonnollisen pyörimisakselin generaattorin haluttuun pyörimiseen. Näin ollen he pyrkivät aina minimoimaan pyörän luonnollisen heilahtelun käyttämällä erittäin kalliita magneetteja ja laakereita, huipputarkkaa suunnittelua ja materiaaleja, kuten korkealaatuista hiilikuitua tai jäykkää terästä. Beaconin verkkovarastointiin tarkoitettu vauhtipyörä maksoi huimat 3 miljoonaa dollaria megawattituntia kohti.
Sen sijaan, että Gray olisi yrittänyt taistella heiluntaa vastaan, hän ohjasi sen uudelleen ripustamalla pyörän kardaanin sisään – sama konsepti, joka saa gyroskoopin toimimaan.
Velkessin kardaani on epäsymmetrinen, joten kaksi pyörimisakselia – vauhtipyörän akseli sekä harjatonta, induktiivista tasavirtamoottoria käyttävän roottorin akseli – eivät ole samassa tasossa, ja niillä on eri taajuusjaksot. Tämä vaimentaa resonanssivaikutuksia, jotka tekevät perinteisistä vauhtipyöristä vaikeasti hallittavia (resonanssihäiriö jommassakummassa tasossa voi voimistua, kunnes laite hajoaa). Kardaanin avulla yhden tason resonanssi siirretään toiseen tasoon, joka ei resonoi samalla taajuudella. Näin ollen laitteen rakentaminen edellyttää vain hyvin löyhiä teknisiä toleransseja – noin tuuman kuudestoistaosaa –
Gray tukeutui pioneerityöhön, jonka teki koneenrakennusinsinööri John Vance, eläkkeelle jäänyt Teksasin A&M-yliopiston professori, joka on tutkinut laajasti vauhtipyöriä, koneiden värähtelyä ja roottorin dynamiikkaa. Gray alensi myös materiaalikustannuksia. Sen sijaan, että Gray olisi tehnyt pyörän kalliista teräksestä tai hiilikuidusta, hän käytti halpaa E-lasikuitua – samaa ainetta, jota käytetään esimerkiksi suihkuovissa ja onkivavoissa. Koska se on paljon joustavampaa materiaalia, lasikuitupyörä taipuu vääntymään ja heilumaan paljon enemmän kuin teräs- tai hiilikuitu, kun sen pyörimisnopeus muuttuu.
Grayn keskittyminen varastoinnin pääomakustannusten alentamiseen, kun muut vauhtipyörävalmistajat ovat keskittyneet tiheyden ja tuotantokapasiteetin kasvattamiseen, näyttää kannattaneen. Velkess voisi varastoida sähköä 300 000 dollarilla megawattitunnilta eli noin kymmenesosalla Beacon-yksikön kustannuksista, Gray sanoo. ”Olen iloinen nähdessäni tämän konseptin saavan julkisuutta, sillä uskon, että sillä on lupaavia menestysmahdollisuuksia”, Vance sanoo Velkessistä.
Grayn suunnittelu helpottaa myös sen kriittisimpien osien, itse pyörän ja laakereiden, mahdollisen vikaantumisen hallintaa. Koska vauhtipyörä on tuhansien kuitujen nippu, jos yksi kuitu katkeaa, se vain heilahtaa pois nipusta sen sijaan, että se rasittaisi suoraan muuta pyörää ja aiheuttaisi sen katkeamisen. Vauhtipyörä yksinkertaisesti ”irtoaisi” kevyestä materiaalista.
Laakereina Velkess käyttää ruostumattomasta teräksestä valmistetussa telaketjussa pyöriviä ”kulmakosketuskeramiikkahybridi”-kuulalaakereita (piidinitridiä), joissa sekä laakerit että työntövoimakuorma kelluvat magneettien päällä. Jos laakerit alkaisivat vikaantua, niiden tuottama lämpö havaittaisiin varhaisessa vaiheessa yksinkertaisella lämpötila-anturilla.
Jompikumpi vikaantumistyyppi voitaisiin havaita helposti kauan ennen katastrofaalista tapahtumaa, jolloin laite voisi antaa varoituksen ja käynnistää sammutuksen. Verkon ulkopuolella tapahtuvassa sammutuksessa laite purkaisi kuumaa ilmaa, kunnes se pyörii pysähdyksiin – tämä vastaa suurin piirtein 1 500 watin hiustenkuivaajaa, joka käy 10 tuntia. Verkkosovelluksessa se voisi yksinkertaisesti syöttää virran verkkoon.
Koko laite on tyhjiötiivistetyssä teräslaatikossa, joka on suunnilleen saman kokoinen kuin kotitalouden jääkaappi, vain hieman lyhyempi. Itse vauhtipyörä on korkeudeltaan ja halkaisijaltaan noin 66 x 66 senttimetriä, ja se painaa noin 340 kilogrammaa.
Se optimoidaan tuottamaan jopa kolmen kilovolttiampeerin jatkuvaa tehontuottoa 27 ampeerin virranvoimakkuudella, mutta se pystyy käsittelemään suurempia ”purskeellisia” tehokkuormia, joita syntyy, kun raskaita laitteita, kuten vesipumppuja ja pyörösahoja, käynnistetään. Yksikkö voi purkautua millä tahansa nopeudella aina kolmeen kilowattiin asti, kunnes vauhtipyörä pyörii ”täysin purkautuneena” 9 000 kierrosta minuutissa.
Gray aikoo aluksi kohdistaa tuotteensa 48 voltin sähköverkon ulkopuolisille asuinaluemarkkinoille, joilla Velkess korvaisi tyypilliset 48 voltin akkujärjestelmät. Sen jälkeen vuorossa olisivat 240 voltin kotitalous- ja pienet kaupalliset markkinat, joilla Velkess voisi toimia varajärjestelmänä verkkoon kytketyille aurinkosähköjärjestelmille, kun sähköverkko katkeaa. Lopulta hän toivoo pääsevänsä 600 voltin aurinkokennomarkkinoille.
Velkess voisi onnistua siinä, missä Beacon epäonnistui useissa asioissa. Jälkimmäinen laite, kuten useimmat sen kilpailijat, pystyi purkamaan suuria määriä virtaa vain hyvin lyhytaikaisesti, kun taas Grayn laite tekisi päinvastoin: Se voisi purkaa niin hitaasti kuin tarvitaan tuntien ajan. Ja siinä missä Beaconin järjestelmä oli niin kallis, että se oli järkevää vain teollisuussovelluksissa, Grayn järjestelmä olisi riittävän halpa, jotta se olisi taloudellisesti järkevää kotitalouksissa ja pienissä kaupallisissa kohteissa.
Lisäksi Velkess täyttää viimeisen ratkaisevan tekijän sähkövarastojen skaalautumisen kannalta. Useita yksiköitä voidaan liittää toisiinsa rinnakkain.
Bostonissa toimivan Lux Researchin analyytikon mukaan energian varastointipalvelut voivat olla 31,5 miljardin dollarin markkinat maailmanlaajuisesti vuoteen 2017 mennessä. Jos Velkessin prototyyppi voidaan rakentaa mainostetulla hinnalla ja suorituskyvyllä, se voisi ottaa suuren osan näistä markkinoista ja ratkaista uusiutuvien energialähteiden katkonaisuusongelman lopullisesti.