Renováveis poderiam ser a principal fonte de energia do mundo se apenas alguém pudesse resolver o problema de armazenamento – como armazenar muita eletricidade a baixo custo em larga escala? As baterias são muito caras e não duram o tempo suficiente. A hidrelétrica bombeada é barata, mas não é viável para a maioria dos locais. O armazenamento térmico é promissor, mas ainda muito caro ou difícil de escalonar. O ar comprimido é barato e escalável, mas ainda não é suficientemente eficiente (embora a LightSail, uma nova empresa apoiada por Peter Thiel, Vinold Khosla e Bill Gates, espere mudar isso). E quanto aos volantes de voo? O maior jogador, Beacon Power, foi à falência em 2011.
Flywheels pode, no entanto, estar a ter uma segunda vida. O inventor do Vale do Silício Bill Gray tem um novo design de volante que entregaria armazenamento distribuído e altamente escalável por cerca de $1.333 por quilowatt, tornando-o competitivo no preço com hidro e ar comprimido bombeado. Com uma eficiência de mais de 80%, ele rivalizaria com as melhores alternativas de armazenamento, e vem com uma garantia de 10 anos. E seria um complemento perfeito para uma casa fora da rede com um sistema solar fotovoltaico (PV), capaz de carregar totalmente em cinco horas – no tempo de carregamento da maioria dos sistemas solares PV – e armazenar 15 quilowatts-hora de energia, o suficiente para gerir uma casa modesta do pôr-do-sol ao nascer do sol.
Gray chama à sua invenção o Velkess (para VEry Large Kinetic Energy Storage System). Ele está atualmente arrecadando dinheiro para o protótipo em uma campanha Kickstarter.
O Velkess melhora os volantes tradicionais através de uma melhor gestão da “oscilação” natural de uma massa giratória. Os volantes tradicionais têm sido muito caros porque os engenheiros alinham o eixo natural da rotação da roda com a rotação desejada do gerador. Assim, eles estão sempre lutando para minimizar a oscilação natural do volante usando ímãs e rolamentos muito caros, engenharia de alta precisão e materiais como fibra de carbono de alta qualidade ou aço rígido. O volante do sinalizador para o armazenamento da rede elétrica custou um enorme custo de 3 milhões de dólares por megawatt-hora.
Em vez de tentar combater a oscilação, Gray redirecionou-a suspendendo a roda dentro de um gimbal – o mesmo conceito que faz um giroscópio funcionar.
O cardan no Velkess é assimétrico, portanto os dois eixos de rotação – o eixo do volante e o do rotor, que aciona o brushless, induzindo o motor DC – não estão no mesmo plano, e têm períodos de frequência diferentes. Isto amortece os efeitos de ressonância que tornam os volantes de inércia tradicionais difíceis de controlar (uma perturbação ressonante em um dos planos pode se intensificar até que o dispositivo se estilhaça). Com a suspensão cardan, a ressonância num plano é traduzida para o outro, que é não ressonante na mesma frequência. Assim, apenas tolerâncias de engenharia muito frouxas – cerca de um décimo sexto de polegada – são necessárias para construir o dispositivo.
Cinza contou com o trabalho pioneiro do engenheiro mecânico John Vance, um professor aposentado da Texas A&M University, que conduziu uma extensa pesquisa sobre volantes, vibração de máquinas e dinâmica de rotores. O Gray também reduziu o custo dos materiais. Em vez de fazer a roda de aço caro ou fibra de carbono, Gray fez o seu “E-glass” – fibra de vidro barato – o mesmo material que é usado em coisas como portas de chuveiro e varetas de pesca. Por ser um material muito mais flexível, a roda de fibra de vidro tende a empenar e oscilar muito mais do que o aço ou fibra de carbono quando a sua velocidade de rotação muda.
O foco da Gray em reduzir os custos de capital de armazenamento quando outros fabricantes de volantes de inércia se concentraram em aumentar a densidade e a capacidade de geração parece ter dado frutos. O Velkess poderia armazenar eletricidade por 300.000 dólares por megawatt-hora, ou cerca de um décimo do custo da unidade Beacon, diz Gray. “Estou contente por ver este conceito receber publicidade, pois acredito que ele tem alguma promessa de sucesso”, diz Vance sobre o Velkess.
O design do Velkess também facilita o controle de possíveis falhas de suas partes mais críticas: a roda em si e os rolamentos. Como o volante é um feixe de milhares de fibras, se uma fibra se romper, ele apenas se agitará para fora do feixe em vez de estressar diretamente o resto da roda e causar sua quebra. O volante de inércia simplesmente “derramaria” material leve.
Para os rolamentos, o Velkess usa “híbrido cerâmico de contato angular” (nitreto de silício) rolamentos de esferas rodando em uma pista de aço inoxidável, onde tanto os rolamentos quanto a carga de empuxo estão flutuando sobre ímãs. Se os rolamentos começassem a falhar, o calor gerado por eles seria detectado antecipadamente por um simples sensor de temperatura.
Qualquer tipo de falha poderia ser facilmente detectado muito antes de um evento catastrófico, permitindo que o dispositivo lançasse um aviso e disparasse um desligamento. Em um desligamento fora da rede, o dispositivo descarregaria ar quente até girar para uma parada equivalente a um secador de cabelo de 1.500 watts funcionando por 10 horas. Em uma aplicação na rede, ele poderia simplesmente descarregar a energia para a rede.
O dispositivo inteiro está contido em uma caixa de aço selada a vácuo com aproximadamente a mesma área de ocupação que um refrigerador doméstico, apenas um pouco mais curto. O volante em si é cerca de 66 por 66 centímetros de altura e diâmetro, e pesa cerca de 340 quilos.
Será optimizado para fornecer até três quilovolts de potência contínua a 27 amperes, mas pode suportar cargas de energia mais elevadas “rebentadas” que ocorrem quando aparelhos pesados, como bombas de água e serras circulares, arrancam. A unidade pode descarregar a qualquer velocidade até três kilowatts até que o volante gire até a sua velocidade de “descarga total” de 9.000 rotações por minuto.
Gray pretende visar inicialmente o mercado residencial de 48 volts fora da rede, onde o Velkess seria um substituto para sistemas de baterias típicas de 48 volts. Depois disso, viriam os mercados residencial e comercial de 240 volts, onde o Velkess poderia fornecer o backup para sistemas solares fotovoltaicos ligados à rede quando a rede fosse abaixo. Eventualmente, ele espera entrar no mercado solar em escala de 600 volts.
Velkess poderia ter sucesso onde o Beacon falhou em vários aspectos. Este último dispositivo, como a maioria de seus concorrentes, só poderia descarregar grandes quantidades de energia por durações muito curtas, enquanto o Gray’s faria o contrário: Ele poderia descarregar tão lentamente quanto necessário por horas. E onde o sistema Beacon era tão caro que só fazia sentido para aplicações industriais, o Gray’s seria suficientemente barato para fazer bom sentido económico nos mercados residencial e comercial pequeno.
Outros, o Velkess satisfaz o factor crucial final para a escala de armazenamento de electricidade. Várias unidades podem ser interligadas em paralelo.
De acordo com um analista da Lux Research sediada em Boston, os serviços de armazenamento de energia poderiam ser um mercado global de 31,5 bilhões de dólares até 2017. Se o protótipo Velkess puder ser construído pelo preço e desempenho anunciado, ele poderia pegar um grande pedaço desse mercado, e resolver o problema de intermitência de energias renováveis de uma vez por todas.