Renewables could be the world’s primary source of energy if only someone could solve the storage problem-how to store lots of electricity cheaply on a wide scale? Batterijen zijn te duur en gaan niet lang genoeg mee. Pompaccumulatie van waterkracht is goedkoop maar voor de meeste locaties niet haalbaar. Thermische opslag is veelbelovend, maar nog steeds te duur of moeilijk op te schalen. Perslucht is goedkoop en schaalbaar, maar nog niet efficiënt genoeg (hoewel LightSail, een nieuw bedrijf dat gesteund wordt door Peter Thiel, Vinold Khosla en Bill Gates, hoopt daar verandering in te brengen). En hoe zit het met vliegwielen? De grootste speler, Beacon Power, ging in 2011 failliet.
Vliegwielen kunnen echter een tweede leven krijgen. Silicon Valley-uitvinder Bill Gray heeft een nieuw vliegwielontwerp dat gedistribueerde en zeer schaalbare opslag zou leveren voor ongeveer $ 1.333 per kilowatt, waardoor de prijs concurrerend is met gepompte waterkracht en perslucht. Met een efficiëntie van meer dan 80 procent kan het concurreren met de beste opslagalternatieven en wordt het geleverd met een garantie van 10 jaar. En het zou een perfecte aanvulling zijn op een off-grid huis met een fotovoltaïsch (PV) systeem, in staat om volledig op te laden in vijf uur – binnen de oplaadtijd van de meeste fotovoltaïsche systemen – en 15 kilowattuur stroom op te slaan, genoeg om een bescheiden huis van zonsondergang tot zonsopgang te laten werken.
Gray noemt zijn uitvinding het Velkess (voor VEry Large Kinetic Energy Storage System). Hij zamelt momenteel geld in voor het prototype in een Kickstarter-campagne.
De Velkess verbetert traditionele vliegwielen door beter om te gaan met de natuurlijke “wiebel” van een draaiende massa. Traditionele vliegwielen zijn erg duur geweest omdat ingenieurs de natuurlijke as van de rotatie van het wiel uitlijnen met de gewenste rotatie van de generator. Ze hebben dus altijd moeite om de natuurlijke wiebel van het wiel te minimaliseren door gebruik te maken van zeer dure magneten en lagers, uiterst precieze engineering en materialen zoals hoogwaardig koolstofvezel of stijf staal. Beacon’s vliegwiel voor netopslag kostte maar liefst 3 miljoen dollar per megawattuur.
In plaats van te proberen de wiebel te bestrijden, heeft Gray het omgeleid door het wiel in een gimbal op te hangen – hetzelfde concept dat een gyroscoop laat werken.
De gimbal in de Velkess is asymmetrisch, zodat de twee rotatie-assen – de as van het vliegwiel en die van de rotor, die de borstelloze, inducterende gelijkstroommotor aandrijft – niet op hetzelfde vlak liggen, en verschillende perioden van frequentie hebben. Dit dempt de resonantie-effecten die traditionele vliegwielen moeilijk controleerbaar maken (een resonante verstoring in een van de vlakken kan toenemen tot het apparaat versplintert). Bij de gimbal wordt de resonantie in het ene vlak vertaald naar het andere, dat niet resonant is bij dezelfde frequentie. Dienovereenkomstig zijn slechts zeer kleine technische toleranties – ongeveer een zestiende inch – vereist om het apparaat te bouwen.
Gray baseerde zich op baanbrekend werk van werktuigbouwkundig ingenieur John Vance, een gepensioneerd professor aan de Texas A&M University, die uitgebreid onderzoek heeft gedaan naar vliegwielen, machinetrillingen en rotordynamica. Gray verlaagde ook de materiaalkosten. In plaats van het wiel te maken van duur staal of koolstofvezel, maakte Gray zijn wiel van goedkoop “E-glass”-glasvezel – hetzelfde spul dat wordt gebruikt in dingen als douchedeuren en hengels. Omdat het een veel flexibeler materiaal is, heeft het glasvezelwiel de neiging om veel meer krom te trekken en te wiebelen dan staal of koolstofvezel wanneer de draaisnelheid verandert.
Grays focus op het verlagen van de kapitaalkosten van opslag terwijl andere vliegwielfabrikanten zich hebben gericht op het vergroten van de dichtheid en de opwekkingscapaciteit lijkt zijn vruchten af te werpen. De Velkess zou elektriciteit kunnen opslaan voor 300.000 dollar per megawattuur, of ongeveer een tiende van de kosten van de Beacon-eenheid, zegt Gray. “Ik ben blij om te zien dat dit concept publiciteit krijgt, omdat ik geloof dat het enige belofte voor succes inhoudt,” zegt Vance over de Velkess.
Gray’s ontwerp maakt het ook gemakkelijker om het mogelijke falen van de meest kritieke onderdelen te controleren: het wiel zelf en de lagers. Omdat het vliegwiel een bundel van duizenden vezels is, als één vezel breekt, zal het gewoon uit de bundel wiebelen in plaats van direct de rest van het wiel te belasten en te veroorzaken dat het breekt. Het vliegwiel zou eenvoudig lichtgewicht materiaal “afwerpen”.
Voor de lagers gebruikt de Velkess “hoekcontact keramische hybride” (siliciumnitride) kogellagers die in een roestvrijstalen baan lopen, waarbij zowel de lagers als de stuwkrachtbelasting op magneten drijven. Als de lagers beginnen te falen, zou de hitte die zij genereren vroegtijdig worden gedetecteerd door een eenvoudige temperatuursensor.
Een van beide soorten falen zou gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd lang voordat zich een catastrofale gebeurtenis voordoet, waardoor het apparaat een waarschuwing kan afgeven en een uitschakeling kan activeren. In een off-grid sluiting zou het apparaat hete lucht uitstoten tot het tot stilstand kwam – ongeveer gelijk aan een 1.500-watt haardroger die 10 uur lang loopt. In een on-grid toepassing zou het eenvoudig de stroom naar het net kunnen dumpen.
Het hele apparaat zit in een vacuüm-verzegelde stalen doos met ongeveer dezelfde voetafdruk als een huishoudkoelkast, alleen een beetje korter. Het vliegwiel zelf is ongeveer 66 bij 66 centimeter in hoogte en diameter, en weegt ongeveer 340 kilogram.
Het zal worden geoptimaliseerd om tot drie kilovolt-ampères continue stroomoutput te leveren bij 27 ampères, maar kan hogere “burst” stroombelastingen aan die optreden wanneer zwaar-onttrekkende apparaten zoals waterpompen en cirkelzagen worden opgestart. De eenheid kan zich met een willekeurig tempo tot drie kilowatt ontladen totdat het vliegwiel is gedaald tot de “volledig ontladen” snelheid van 9.000 omwentelingen per minuut.
Gray is van plan zich in eerste instantie te richten op de 48-volt off-grid residentiële markt, waar de Velkess een drop-in vervanging zou zijn voor typische 48-volt batterijsystemen. Daarna zouden de 240-volt residentiële en kleine commerciële markten komen, waar de Velkess als back-up zou kunnen dienen voor op het net aangesloten zonne-PV-systemen wanneer het net uitvalt. Uiteindelijk hoopt hij in de 600-volt utiliteitsschaal zonne-energie markt te komen.
Velkess zou kunnen slagen waar Beacon op verschillende punten faalde. Het laatste apparaat, zoals de meeste van zijn concurrenten, kon slechts grote hoeveelheden stroom voor zeer korte duur ontladen, terwijl Gray’s het tegenovergestelde zou doen: Het kon urenlang zo langzaam ontladen als nodig was. En waar Beacon’s systeem zo duur was dat het alleen zinvol was voor industriële toepassingen, zou Gray’s goedkoop genoeg zijn om economisch zinvol te zijn in de residentiële en kleine commerciële markten.
Daarnaast voldoet de Velkess aan de laatste cruciale factor voor elektrische opslag-schaalvergroting. Meerdere eenheden kunnen parallel aan elkaar worden gekoppeld.
Volgens een analist van het in Boston gevestigde Lux Research zouden energieopslagdiensten in 2017 wereldwijd een markt van $ 31,5 miljard kunnen zijn. Als het Velkess-prototype kan worden gebouwd tegen de geadverteerde prijs en prestaties, kan het een groot deel van die markt voor zijn rekening nemen, en voor eens en voor altijd het intermitterende probleem van hernieuwbare energiebronnen oplossen.