Le energie rinnovabili potrebbero essere la fonte primaria di energia del mondo se solo qualcuno potesse risolvere il problema dello stoccaggio: come immagazzinare molta elettricità a basso costo su larga scala? Le batterie sono troppo costose e non durano abbastanza. L’idroelettrico a pompaggio è economico ma non è fattibile per la maggior parte delle località. Lo stoccaggio termico è promettente ma ancora troppo costoso o difficile da scalare. L’aria compressa è economica e scalabile ma non ancora abbastanza efficiente (anche se LightSail, una nuova azienda sostenuta da Peter Thiel, Vinold Khosla e Bill Gates, spera di cambiare questa situazione). E che dire dei volani? Il più grande giocatore, Beacon Power, è fallito nel 2011.
I volani potrebbero avere una seconda vita, comunque. L’inventore della Silicon Valley, Bill Gray, ha un nuovo design di volano che fornirebbe uno stoccaggio distribuito e altamente scalabile per circa 1.333 dollari al kilowatt, rendendolo competitivo con l’idroelettrico pompato e l’aria compressa. Con un’efficienza di oltre l’80%, rivaleggerebbe con le migliori alternative di stoccaggio e avrebbe una garanzia di 10 anni. E sarebbe un complemento perfetto per una casa fuori rete con un sistema solare fotovoltaico (PV), in grado di caricarsi completamente in cinque ore – entro il tempo di ricarica della maggior parte dei sistemi solari PV – e immagazzinare 15 kilowatt-ora di energia, abbastanza per far funzionare una casa modesta dal tramonto all’alba.
Gray chiama la sua invenzione Velkess (per VEry Large Kinetic Energy Storage System). Attualmente sta raccogliendo fondi per il prototipo in una campagna Kickstarter.
Il Velkess migliora i volani tradizionali gestendo meglio la naturale “oscillazione” di una massa che gira. I volani tradizionali sono stati molto costosi perché gli ingegneri allineano l’asse naturale della rotazione della ruota con la rotazione desiderata del generatore. Quindi, stanno sempre lottando per minimizzare l’oscillazione naturale della ruota usando magneti e cuscinetti molto costosi, ingegneria di alta precisione e materiali come fibra di carbonio di alta qualità o acciaio rigido. Il volano di Beacon per l’immagazzinamento in rete è costato ben 3 milioni di dollari per megawatt-ora.
Invece di cercare di combattere l’oscillazione, Gray l’ha reindirizzata sospendendo la ruota all’interno di un gimbal, lo stesso concetto che fa funzionare un giroscopio.
Il gimbal nel Velkess è asimmetrico, quindi i due assi di rotazione – l’asse del volano e quello del rotore, che guida il motore DC senza spazzole e induttore – non sono sullo stesso piano, e hanno periodi di frequenza diversi. Questo smorza gli effetti di risonanza che rendono i volani tradizionali difficili da controllare (un disturbo risonante in uno dei piani può intensificarsi fino a rompere il dispositivo). Con il gimbal, la risonanza in un piano si traduce nell’altro, che non è risonante alla stessa frequenza. Di conseguenza, per costruire il dispositivo sono necessarie solo tolleranze ingegneristiche molto ridotte – circa un sedicesimo di pollice.
Gray si è basato sul lavoro pionieristico dell’ingegnere meccanico John Vance, un professore in pensione della Texas A&M University, che ha condotto ampie ricerche su volani, vibrazioni delle macchine e dinamiche del rotore. Gray ha anche ridotto il costo dei materiali. Invece di fare la ruota in acciaio costoso o in fibra di carbonio, Gray l’ha fatta in fibra di vetro economica “E-glass”, lo stesso materiale che viene usato in cose come le porte della doccia e le canne da pesca. Poiché è un materiale molto più flessibile, la ruota in fibra di vetro tende a deformarsi e a vacillare molto più dell’acciaio o della fibra di carbonio quando la sua velocità di rotazione cambia.
L’attenzione di Gray nel ridurre i costi di capitale dell’immagazzinamento quando altri produttori di volani si sono concentrati sull’aumento della densità e della capacità di generazione sembra aver pagato. Il Velkess potrebbe immagazzinare elettricità per 300.000 dollari per megawatt-ora, o circa un decimo del costo dell’unità Beacon, dice Gray. “Sono contento di vedere che questo concetto riceve pubblicità, perché credo che abbia qualche promessa di successo”, dice Vance del Velkess.
Il design di Gray rende anche più facile controllare il possibile fallimento delle sue parti più critiche: la ruota stessa e i cuscinetti. Poiché il volano è un fascio di migliaia di fibre, se una fibra si rompe, semplicemente si dimena fuori dal fascio piuttosto che sollecitare direttamente il resto della ruota e causarne la rottura. Il volano avrebbe semplicemente “sparso” materiale leggero.
Per i cuscinetti, il Velkess utilizza cuscinetti a sfera “ibridi ceramici a contatto angolare” (nitruro di silicio) che corrono in una pista in acciaio inossidabile, dove sia i cuscinetti che il carico di spinta sono galleggianti su magneti. Se i cuscinetti cominciassero a fallire, il calore che generano sarebbe rilevato in anticipo da un semplice sensore di temperatura.
Entrambi i tipi di guasto potrebbero essere facilmente rilevati molto prima di un evento catastrofico, permettendo al dispositivo di lanciare un avvertimento e innescare uno spegnimento. In uno spegnimento off-grid, il dispositivo avrebbe scaricato aria calda fino a quando non si è fermato – grossomodo equivalente a un asciugacapelli da 1.500 watt in funzione per 10 ore. In un’applicazione on-grid, potrebbe semplicemente scaricare l’energia alla rete.
L’intero dispositivo è contenuto in una scatola d’acciaio sigillata sotto vuoto con circa lo stesso ingombro di un frigorifero domestico, solo un po’ più corto. Il volano stesso è di circa 66 per 66 centimetri di altezza e diametro, e pesa circa 340 chilogrammi.
Sarà ottimizzato per fornire fino a tre kilovolt-amp di potenza continua in uscita a 27 ampere, ma può gestire maggiori carichi di potenza “a scoppio” che si verificano quando si avviano apparecchi ad alto consumo come pompe d’acqua e seghe circolari. L’unità potrebbe scaricare a qualsiasi tasso fino a tre kilowatt fino a quando il volano gira fino alla sua velocità “completamente scaricata” di 9.000 giri al minuto.
Gray intende puntare inizialmente al mercato residenziale off-grid a 48 volt, dove il Velkess sarebbe una sostituzione drop-in per i tipici sistemi a batteria da 48 volt. Dopo di che verrebbe il mercato residenziale a 240 volt e i piccoli mercati commerciali, dove il Velkess potrebbe fornire il backup per i sistemi solari fotovoltaici collegati alla rete quando la rete va giù. Alla fine spera di entrare nel mercato solare utility-scale da 600 volt.
Velkess potrebbe avere successo dove Beacon ha fallito su diversi punti. Quest’ultimo dispositivo, come la maggior parte dei suoi concorrenti, potrebbe scaricare solo grandi quantità di energia per durate molto brevi, mentre quello di Gray farebbe il contrario: Poteva scaricare lentamente quanto necessario per ore. E dove il sistema di Beacon era così costoso che aveva senso solo per applicazioni industriali, quello di Gray sarebbe abbastanza economico da avere un buon senso economico nei mercati residenziali e commerciali di piccole dimensioni.
Inoltre, il Velkess soddisfa l’ultimo fattore cruciale per l’accumulo elettrico – la scalabilità. Più unità possono essere collegate insieme in parallelo.
Secondo un analista della Lux Research di Boston, i servizi di stoccaggio dell’energia potrebbero essere un mercato da 31,5 miliardi di dollari a livello globale entro il 2017. Se il prototipo Velkess può essere costruito al prezzo e alle prestazioni pubblicizzate, potrebbe prendere una grossa fetta di quel mercato, e risolvere il problema dell’intermittenza delle energie rinnovabili una volta per tutte.
Se il prototipo Velkess può essere costruito al prezzo e alle prestazioni pubblicizzate, potrebbe prendere una grossa fetta di quel mercato, e risolvere il problema dell’intermittenza delle rinnovabili una volta per tutte.