Veniturile regenerabile ar putea fi principala sursă de energie a lumii dacă cineva ar putea rezolva problema stocării – cum să stochezi multă electricitate la preț redus pe scară largă? Bateriile sunt prea scumpe și nu durează suficient de mult. Hidrocentralele pompate sunt ieftine, dar nu sunt fezabile în majoritatea locațiilor. Stocarea termică este promițătoare, dar încă prea scumpă sau greu de extins. Aerul comprimat este ieftin și scalabil, dar nu este încă suficient de eficient (deși LightSail, o nouă companie susținută de Peter Thiel, Vinold Khosla și Bill Gates, speră să schimbe această situație). Dar cum rămâne cu volanții? Cel mai mare jucător, Beacon Power, a dat faliment în 2011.
Cu toate acestea, este posibil ca volanele să primească o a doua viață. Bill Gray, inventator din Silicon Valley, are un nou proiect de volant de inerție care ar oferi stocare distribuită și foarte scalabilă pentru aproximativ 1.333 de dolari pe kilowatt, ceea ce îl face competitiv ca preț cu hidrocentralele pompate și aerul comprimat. Cu o eficiență de peste 80%, ar rivaliza cu cele mai bune alternative de stocare și ar veni cu o garanție de 10 ani. Și ar fi o completare perfectă pentru o casă fără rețea cu un sistem solar fotovoltaic (PV), capabil să se încarce complet în cinci ore – în timpul de încărcare al majorității sistemelor solare PV – și să stocheze 15 kilowați-oră de energie, suficient pentru a asigura funcționarea unei case modeste de la apusul la răsăritul soarelui.
Gray își numește invenția Velkess (de la VEry Large Kinetic Energy Storage System). În prezent, el strânge bani pentru prototip în cadrul unei campanii Kickstarter.
Velkess îmbunătățește volanele tradiționale prin faptul că gestionează mai bine „oscilația” naturală a unei mase care se învârte. Volantele tradiționale au fost foarte costisitoare deoarece inginerii aliniază axa naturală de rotație a volantului cu rotația dorită a generatorului. Astfel, ei se străduiesc mereu să minimizeze oscilația naturală a roții folosind magneți și rulmenți foarte scumpi, inginerie de înaltă precizie și materiale precum fibra de carbon de înaltă calitate sau oțelul rigid. Volantul de la Beacon pentru stocarea în rețea a costat 3 milioane de dolari pe megawatt-oră.
În loc să încerce să lupte împotriva oscilației, Gray a redirecționat-o suspendând roata în cadrul unui cardan – același concept care face ca un giroscop să funcționeze.
Gimbalul din Velkess este asimetric, astfel încât cele două axe de rotație – axa volantului, precum și cea a rotorului, care antrenează motorul de curent continuu fără perii și cu inducție – nu sunt pe același plan și au perioade de frecvență diferite. Acest lucru amortizează efectele de rezonanță care fac ca volanele tradiționale să fie greu de controlat (o perturbație rezonantă în unul dintre planuri se poate intensifica până când dispozitivul se sparge). În cazul balansului cardanic, rezonanța într-un plan este translatată în celălalt, care este nerezonant la aceeași frecvență. În consecință, sunt necesare doar toleranțe inginerești foarte mici – aproximativ o șaisprezecime de centimetru – pentru a construi dispozitivul.
Gray s-a bazat pe munca de pionierat a inginerului mecanic John Vance, profesor pensionar la Universitatea Texas A&M, care a efectuat cercetări extinse asupra volanelor, vibrațiilor mașinilor și dinamicii rotorilor. Gray a redus, de asemenea, costul materialelor. În loc să facă roata din oțel scump sau din fibră de carbon, Gray a făcut-o din fibră de sticlă ieftină de tip „E-glass” – același material care este folosit la lucruri precum ușile de duș și undițele de pescuit. Deoarece este un material mult mai flexibil, roata din fibră de sticlă tinde să se deformeze și să se clatine mult mai mult decât oțelul sau fibra de carbon atunci când viteza de rotație se schimbă.
Concentrarea lui Gray pe reducerea costurilor de capital ale stocării, în timp ce alți producători de volane s-au concentrat pe creșterea densității și a capacității de generare, pare să fi dat roade. Velkess ar putea stoca energie electrică pentru 300.000 de dolari pe megawatt-oră, sau aproximativ o zecime din costul unității Beacon, spune Gray. „Mă bucur să văd că acest concept primește publicitate, deoarece cred că promite să aibă succes”, spune Vance despre Velkess.
Proiectarea lui Gray facilitează, de asemenea, controlul eventualelor defecțiuni ale celor mai critice părți ale sale: roata în sine și rulmenții. Deoarece volanta este un mănunchi de mii de fibre, dacă o fibră se rupe, aceasta se va desprinde din mănunchi în loc să solicite direct restul roții și să provoace ruperea acesteia. Volantul ar „pierde” pur și simplu materialul ușor.
Pentru rulmenți, Velkess folosește rulmenți cu bile din „hibrid ceramic cu contact unghiular” (nitrură de siliciu) care rulează pe o șină din oțel inoxidabil, în care atât rulmenții cât și sarcina de împingere plutesc pe magneți. În cazul în care rulmenții ar începe să cedeze, căldura pe care o generează ar fi detectată din timp de un simplu senzor de temperatură.
Care dintre cele două tipuri de defecțiuni ar putea fi detectate cu ușurință cu mult înainte de un eveniment catastrofal, permițând dispozitivului să lanseze un avertisment și să declanșeze o oprire. Într-o oprire în afara rețelei, dispozitivul ar descărca aer cald până când s-ar opri – aproximativ echivalentul unui uscător de păr de 1.500 de wați care funcționează timp de 10 ore. Într-o aplicație de conectare la rețea, ar putea pur și simplu să descarce energia în rețea.
Întregul dispozitiv este conținut într-o cutie de oțel sigilată în vid cu aproximativ aceeași amprentă ca un frigider de uz casnic, doar că este puțin mai scurt. Volantul în sine are o înălțime și un diametru de aproximativ 66 pe 66 de centimetri și cântărește aproximativ 340 de kilograme.
Acesta va fi optimizat pentru a furniza până la trei kilovolți-amperi de putere continuă la 27 de amperi, dar poate face față unor sarcini mai mari de putere „în rafală”, care apar atunci când aparatele cu consum mare de energie, cum ar fi pompele de apă și ferăstraiele circulare, pornesc. Unitatea s-ar putea descărca la orice viteză de până la trei kilowați până când volantul se rotește până la viteza sa „complet descărcată” de 9.000 de rotații pe minut.
Gray intenționează să vizeze inițial piața rezidențială off-grid de 48 de volți, unde Velkess ar fi un înlocuitor de tip drop-in pentru sistemele de baterii tipice de 48 de volți. După aceea ar urma piața rezidențială de 240 de volți și piețele comerciale mici, unde Velkess ar putea asigura rezerva pentru sistemele fotovoltaice solare conectate la rețea atunci când aceasta se întrerupe. În cele din urmă, el speră să intre pe piața solară la scară utilitară de 600 de volți.
Velkess ar putea avea succes acolo unde Beacon a eșuat din mai multe motive. Acest din urmă dispozitiv, la fel ca majoritatea concurenților săi, ar putea descărca doar cantități mari de energie pentru durate foarte scurte, în timp ce cel al lui Gray ar face contrariul: Ar putea descărca atât de încet cât este necesar timp de ore întregi. Și acolo unde sistemul Beacon era atât de scump încât nu avea sens decât pentru aplicații industriale, sistemul lui Gray ar fi suficient de ieftin pentru a avea sens din punct de vedere economic pe piețele rezidențiale și comerciale mici.
În plus, Velkess satisface ultimul factor crucial pentru scalarea stocării electrice. Mai multe unități pot fi conectate în paralel.
Potrivit unui analist de la Lux Research, cu sediul la Boston, serviciile de stocare a energiei ar putea reprezenta o piață de 31,5 miliarde de dolari la nivel global până în 2017. Dacă prototipul Velkess poate fi construit la prețul și performanțele anunțate, ar putea lua o mare parte din această piață și ar putea rezolva odată pentru totdeauna problema intermitenței energiilor regenerabile.
.