Odnawialne źródła energii mogłyby być podstawowym źródłem energii na świecie, gdyby tylko ktoś mógł rozwiązać problem magazynowania – jak tanio przechowywać duże ilości energii elektrycznej na szeroką skalę? Baterie są zbyt drogie i nie wystarczają na długo. Wodne elektrownie szczytowo-pompowe są tanie, ale niewykonalne w większości lokalizacji. Magazynowanie termiczne jest obiecujące, ale wciąż zbyt drogie lub trudne do skalowania. Sprężone powietrze jest tanie i skalowalne, ale jeszcze nie wystarczająco wydajne (choć LightSail, nowa firma wspierana przez Petera Thiela, Vinolda Khoslę i Billa Gatesa, ma nadzieję to zmienić). A co z kołami zamachowymi? Największy gracz, Beacon Power, zbankrutował w 2011.
Koła zamachowe może być coraz drugie życie, jednak. Wynalazca z Doliny Krzemowej Bill Gray ma nowy projekt koła zamachowego, który zapewni rozproszoną i wysoce skalowalną pamięć masową za około 1 333 USD za kilowat, co czyni ją konkurencyjną cenowo w stosunku do elektrowni szczytowo-pompowych i sprężonego powietrza. Dzięki sprawności przekraczającej 80 procent, będzie ono rywalizować z najlepszymi alternatywnymi rozwiązaniami magazynowania energii i będzie objęte 10-letnią gwarancją. Byłby idealnym uzupełnieniem domu off-grid z systemem fotowoltaicznym (PV), zdolnym do pełnego naładowania w ciągu pięciu godzin – w czasie ładowania większości systemów PV – i przechowywania 15 kilowatogodzin energii, wystarczającej do zasilania skromnego domu od zachodu do wschodu słońca.
Gray nazywa swój wynalazek Velkess (od VEry Large Kinetic Energy Storage System). Obecnie zbiera on pieniądze na prototyp w kampanii na Kickstarterze.
Welkess ulepsza tradycyjne koła zamachowe poprzez lepsze zarządzanie naturalnym „chybotaniem” wirującej masy. Tradycyjne koła zamachowe są bardzo drogie, ponieważ inżynierowie dostosowują naturalną oś obrotu koła do pożądanego obrotu generatora. Dlatego zawsze starają się zminimalizować naturalne chybotanie koła, stosując bardzo drogie magnesy i łożyska, precyzyjną inżynierię i materiały, takie jak wysokiej jakości włókno węglowe lub sztywna stal. Koło zamachowe Beacon do przechowywania sieci kosztowało niebotyczne 3 miliony dolarów za megawatogodzinę.
Zamiast próbować walczyć z chybotaniem, Gray przekierował je zawieszając koło w gimbalu – tej samej koncepcji, która sprawia, że żyroskop działa.
Gimbal w Velkessie jest asymetryczny, więc dwie osie obrotu – oś koła zamachowego oraz oś wirnika, który napędza bezszczotkowy, indukcyjny silnik prądu stałego – nie leżą w tej samej płaszczyźnie i mają różne okresy częstotliwości. Tłumi to efekty rezonansowe, które sprawiają, że tradycyjne koła zamachowe są trudne do kontrolowania (zaburzenie rezonansowe w jednej z płaszczyzn może się nasilić aż do roztrzaskania urządzenia). W przypadku gimbala, rezonans w jednej płaszczyźnie przekłada się na drugą, która jest nierezonansowa w tej samej częstotliwości. W związku z tym do budowy urządzenia wymagane są jedynie bardzo luźne tolerancje inżynierskie – około jednej szesnastej cala.
Gray oparł się na pionierskiej pracy inżyniera mechanika Johna Vance’a, emerytowanego profesora Texas A&M University, który prowadził szeroko zakrojone badania nad kołami zamachowymi, drganiami maszyn i dynamiką wirnika. Gray obniżył również koszty materiałów. Zamiast wykonać koło z drogiej stali lub włókna węglowego, Gray wykonał je z taniego włókna szklanego typu „E-glass” – tego samego, którego używa się do produkcji drzwi prysznicowych i wędek. Ponieważ jest to materiał o wiele bardziej elastyczny, koło z włókna szklanego ma tendencję do wypaczania się i chybotania o wiele bardziej niż koło ze stali czy włókna węglowego, gdy zmienia się jego prędkość wirowania.
Skupienie się Graya na obniżeniu kosztów kapitałowych magazynowania energii, gdy inni producenci kół zamachowych skupili się na zwiększeniu gęstości i mocy generowania energii, najwyraźniej się opłaciło. Jak twierdzi Gray, Velkess może magazynować energię elektryczną za 300 000 USD za megawatogodzinę, czyli około jednej dziesiątej kosztu jednostki Beacon. „Cieszę się, że ta koncepcja zyskuje rozgłos, ponieważ uważam, że ma ona pewne szanse powodzenia” – mówi Vance o Velkess.
Projekt Graya ułatwia również kontrolę nad ewentualnymi awariami najbardziej krytycznych części: samego koła i łożysk. Ponieważ koło zamachowe jest wiązką tysięcy włókien, jeśli jedno z nich pęknie, po prostu wyrwie się z wiązki, zamiast bezpośrednio obciążać resztę koła i spowodować jego pęknięcie. Koło zamachowe po prostu „zrzuci” lekki materiał.
W przypadku łożysk, Velkess wykorzystuje „skośne hybrydowe łożyska ceramiczne” (azotek krzemu) pracujące w szynie ze stali nierdzewnej, gdzie zarówno łożyska jak i obciążenie wzdłużne unoszą się na magnesach. Jeśli łożyska zaczęłyby zawodzić, generowane przez nie ciepło zostałoby wcześnie wykryte przez prosty czujnik temperatury.
Każdy z tych typów awarii mógłby zostać łatwo wykryty na długo przed katastrofą, co pozwoliłoby urządzeniu na ostrzeżenie i uruchomienie wyłączenia. W przypadku wyłączenia poza siecią urządzenie wyrzucałoby gorące powietrze do momentu zatrzymania się – co odpowiada suszarce do włosów o mocy 1500 W pracującej przez 10 godzin. W aplikacji on-grid, to może po prostu zrzucić moc do sieci.
Całe urządzenie jest zawarte w próżniowo zamkniętym stalowym pudełku o powierzchni mniej więcej takiej samej jak domowa lodówka, tylko nieco krótsze. Samo koło zamachowe ma około 66 na 66 centymetrów wysokości i średnicy, i waży około 340 kilogramów.
Będzie zoptymalizowane, aby zapewnić do trzech kilowoltów amperów ciągłej mocy wyjściowej przy 27 amperach, ale może obsługiwać wyższe obciążenia mocy „burst”, które występują, gdy urządzenia o dużym poborze mocy, takie jak pompy wodne i piły tarczowe, zaczynają się. Jednostka może rozładować się w dowolnym tempie do trzech kilowatów, aż koło zamachowe obróci się do prędkości „pełnego rozładowania” 9000 obrotów na minutę.
Gray zamierza początkowo celować w 48-woltowy rynek mieszkaniowy, gdzie Velkess byłby zamiennikiem dla typowych 48-woltowych systemów akumulatorowych. Potem przyjdzie kolej na 240-woltowy rynek mieszkaniowy i małe rynki komercyjne, gdzie Velkess mógłby zapewnić wsparcie dla podłączonych do sieci systemów fotowoltaicznych, gdy sieć ulegnie awarii. W końcu ma nadzieję wejść na rynek 600-woltowych systemów solarnych na skalę przemysłową.
Velkess mógłby odnieść sukces tam, gdzie Beacon zawiódł na kilku płaszczyznach. To ostatnie urządzenie, podobnie jak większość jego konkurentów, może rozładowywać duże ilości energii tylko przez bardzo krótki czas, podczas gdy urządzenie Graya robi coś zupełnie przeciwnego: Mogło rozładowywać się tak wolno, jak było to potrzebne, przez wiele godzin. I o ile system Beacona był tak drogi, że miał sens jedynie w zastosowaniach przemysłowych, o tyle system Graya byłby na tyle tani, że miałby sens ekonomiczny na rynku mieszkaniowym i małych obiektów komercyjnych.
Ponadto, Velkess spełnia ostatni kluczowy czynnik dla skalowania magazynowania energii elektrycznej. Wiele jednostek może być połączonych równolegle.
Według analityka z bostońskiej firmy Lux Research, usługi magazynowania energii mogą stanowić globalny rynek o wartości 31,5 miliarda dolarów do roku 2017. Jeśli prototyp Velkess może być zbudowany w reklamowanej cenie i wydajności, może zająć dużą część tego rynku i rozwiązać problem nieciągłości odnawialnych źródeł energii raz na zawsze.
.