A megújuló energiaforrások lehetnének a világ elsődleges energiaforrása, ha csak valaki megoldaná a tárolás problémáját – hogyan lehet olcsón és széles körben sok áramot tárolni? Az akkumulátorok túl drágák és nem tartanak elég sokáig. A szivattyús víztározás olcsó, de a legtöbb helyen nem megvalósítható. A hőtárolás ígéretes, de még mindig túl drága vagy nehezen méretezhető. A sűrített levegő olcsó és méretezhető, de még nem elég hatékony (bár a Peter Thiel, Vinold Khosla és Bill Gates által támogatott új vállalat, a LightSail reméli, hogy ezen változtatni fog). És mi a helyzet a lendkerékkel? A legnagyobb szereplő, a Beacon Power 2011-ben csődbe ment.
A lendkerekek azonban második életre kelhetnek. Bill Gray szilícium-völgyi feltalálónak van egy új lendkerék-konstrukciója, amely elosztott és nagymértékben skálázható tárolást biztosítana kb. 1333 dollár/kilowatt áron, ami versenyképessé tenné az árát a szivattyús vízerőművekkel és a sűrített levegővel szemben. Több mint 80 százalékos hatásfokával a legjobb tárolási alternatívákkal vetekedne, és 10 év garanciát adna rá. És tökéletes kiegészítője lenne egy napelemes (PV) rendszerrel ellátott, hálózaton kívüli háznak, mivel öt óra alatt képes lenne teljesen feltölteni – ami a legtöbb PV-rendszer töltési ideje alatt van -, és 15 kilowattóra energiát tárolna, ami elegendő egy szerény ház napnyugtától napkeltéig történő működtetéséhez.
Gray találmányát Velkessnek (VEry Large Kinetic Energy Storage System) nevezi. Jelenleg egy Kickstarter-kampány keretében gyűjt pénzt a prototípusra.
A Velkess a hagyományos lendkerekeken úgy javít, hogy jobban kezeli a forgó tömeg természetes “imbolygását”. A hagyományos lendkerekek nagyon drágák voltak, mert a mérnökök a kerék természetes forgástengelyét a generátor kívánt forgásához igazítják. Ezért mindig azon fáradoznak, hogy minimalizálják a kerék természetes imbolygását, és ehhez nagyon drága mágneseket és csapágyakat, nagy pontosságú mérnöki munkát és olyan anyagokat használnak, mint a kiváló minőségű szénszál vagy merev acél. A Beacon hálózati tárolásra szolgáló lendkereke megawattóránként 3 millió dollárba került.
Ahelyett, hogy megpróbált volna küzdeni az imbolygás ellen, Gray úgy irányította át azt, hogy a kereket egy kardántengelybe függesztette – ugyanaz a koncepció, amely a giroszkópot is működteti.
A Velkessben lévő kardántengely aszimmetrikus, így a két forgástengely – a lendkerék tengelye, valamint a rotoré, amely a kefe nélküli, indukciós egyenáramú motort hajtja – nem egy síkban van, és különböző frekvenciájú. Ez tompítja a rezonanciahatásokat, amelyek miatt a hagyományos lendkerekek nehezen szabályozhatók (az egyik síkban fellépő rezonanciazavar addig fokozódhat, amíg az eszköz szét nem törik). A kardánkerékkel az egyik síkban fellépő rezonancia átvált a másik síkba, amely ugyanazon a frekvencián nem rezonál. Ennek megfelelően csak nagyon laza mérnöki tűrések – körülbelül egy tizenhatod hüvelyk – szükségesek az eszköz megépítéséhez.
Gray John Vance gépészmérnök, a Texas A&M Egyetem nyugalmazott professzorának úttörő munkájára támaszkodott, aki kiterjedt kutatásokat végzett a lendkerekek, a géprezgések és a rotor dinamikája terén. Gray az anyagköltséget is csökkentette. Ahelyett, hogy drága acélból vagy szénszálból készítette volna a kereket, Gray olcsó “E-üveg” üvegszálból készítette a sajátját – ugyanabból az anyagból, amit például zuhanyajtókhoz és horgászbotokhoz használnak. Mivel ez egy sokkal rugalmasabb anyag, az üvegszálas kerék hajlamos az acélhoz vagy szénszálashoz képest sokkal jobban megvetemedni és megingani, amikor a forgási sebesség változik.
Gray a tárolás tőkeköltségének csökkentésére összpontosított, miközben más lendkerékgyártók a sűrűség és a termelőkapacitás növelésére összpontosítottak, úgy tűnik, hogy kifizetődött. A Velkess megawattóránként 300 000 dollárért tárolhatja az áramot, ami a Beacon egység költségének körülbelül tizede, mondja Gray. “Örülök, hogy ez a koncepció nyilvánosságot kap, mivel úgy vélem, hogy ígéretes a sikerre” – mondja Vance a Velkessről.
Gray konstrukciója megkönnyíti a legkritikusabb alkatrészek – maga a kerék és a csapágyak – esetleges meghibásodásának ellenőrzését is. Mivel a lendkerék több ezer szálból álló köteg, ha egy szál eltörik, akkor az csak kifordul a kötegből, ahelyett, hogy közvetlenül a kerék többi részét terhelné és okozná a törést. A lendkerék egyszerűen “levetné” a könnyű anyagot.
A csapágyakhoz a Velkess rozsdamentes acélpályán futó “szögérintkezős kerámia hibrid” (szilícium-nitrid) golyóscsapágyakat használ, ahol mind a csapágyak, mind a tolóerő mágneseken lebegnek. Ha a csapágyak meghibásodni kezdenének, az általuk termelt hőt egy egyszerű hőmérséklet-érzékelő korán észlelné.
A meghibásodás bármelyik típusa könnyen észlelhető lenne jóval a katasztrofális esemény előtt, lehetővé téve, hogy a készülék figyelmeztetést adjon ki és leállást indítson el. Hálózaton kívüli leállás esetén a készülék addig bocsátana ki forró levegőt, amíg meg nem áll – ez nagyjából egy 1500 wattos hajszárító 10 órán át tartó működésének felel meg. Hálózati alkalmazás esetén egyszerűen a hálózatra tudná adni az áramot.
Az egész eszköz egy vákuumzáras acéldobozban van, amelynek alapterülete körülbelül akkora, mint egy háztartási hűtőszekrényé, csak egy kicsit rövidebb. Maga a lendkerék körülbelül 66 x 66 centiméter magas és átmérőjű, és körülbelül 340 kilogrammot nyom.
A készüléket úgy optimalizálják, hogy akár három kilovolt-amper folyamatos teljesítményt nyújtson 27 amper mellett, de képes kezelni a nagyobb “kirobbanó” teljesítményterhelést is, ami akkor fordul elő, amikor nagy fogyasztású készülékek, például vízszivattyúk és körfűrészek indulnak be. Az egység akár három kilowattig is lemerülhet, amíg a lendkerék le nem pörög a percenkénti 9000-es “teljesen lemerült” fordulatszámra.
A Gray kezdetben a 48 voltos hálózaton kívüli lakossági piacot kívánja megcélozni, ahol a Velkess a tipikus 48 voltos akkumulátor-rendszerek helyettesítésére szolgálna. Ezt követően a 240 voltos lakossági és kis kereskedelmi piacok következnének, ahol a Velkess biztosíthatná a hálózatra csatlakoztatott napelemes rendszerek tartalékát, amikor a hálózat leáll. Végül reméli, hogy a 600 voltos közüzemi napelemek piacára is bejuthat.
A Velkess sikerrel járhat ott, ahol a Beacon több szempontból is kudarcot vallott. Az utóbbi eszköz, akárcsak a legtöbb versenytársa, csak nagyon rövid ideig tudott nagy mennyiségű energiát leadni, míg Gray eszköze ennek az ellenkezőjét tenné: Órákon keresztül olyan lassan tudna kisütni, amilyen lassan csak szükséges. És míg a Beacon rendszere olyan drága volt, hogy csak ipari alkalmazásokban volt igazán értelme, addig a Gray rendszere elég olcsó lenne ahhoz, hogy a lakossági és a kis kereskedelmi piacokon gazdaságos legyen.
Továbbá a Velkess kielégíti az elektromos tárolás-skálázás utolsó döntő tényezőjét. Több egység párhuzamosan összekapcsolható.
A bostoni székhelyű Lux Research elemzője szerint az energiatárolási szolgáltatások 2017-re 31,5 milliárd dolláros piacot jelenthetnek világszerte. Ha a Velkess prototípusa megépíthető a meghirdetett áron és teljesítményen, akkor nagy szeletet hasíthat ki ebből a piacból, és egyszer s mindenkorra megoldhatja a megújuló energiaforrások intermittencia-problémáját.