Utnyttjande av förnybara energikällor skulle kunna bli världens primära energikälla om bara någon kunde lösa lagringsproblemet – hur kan man lagra mycket el billigt och i stor skala? Batterier är för dyra och håller inte tillräckligt länge. Pumpad vattenkraft är billigt men inte genomförbart på de flesta platser. Termisk lagring är lovande men fortfarande för dyrt eller svårt att skala upp. Tryckluft är billigt och skalbart men ännu inte tillräckligt effektivt (LightSail, ett nytt företag som stöds av Peter Thiel, Vinold Khosla och Bill Gates, hoppas dock kunna ändra på detta). Och hur är det med svänghjul? Den största aktören, Beacon Power, gick i konkurs 2011.
Flywheels kan dock få ett andra liv. Uppfinnaren Bill Gray från Silicon Valley har en ny svänghjulsdesign som skulle ge distribuerad och mycket skalbar lagring för cirka 1 333 dollar per kilowatt, vilket gör den prismässigt konkurrenskraftig med pumpad vattenkraft och tryckluft. Med en effektivitet på mer än 80 procent skulle den kunna konkurrera med de bästa lagringsalternativen och levereras med en tioårig garanti. Och den skulle vara ett perfekt komplement till ett hus med solcellssystem, eftersom den skulle kunna laddas fullt ut på fem timmar – inom laddningstiden för de flesta solcellssystem – och lagra 15 kilowattimmar, vilket är tillräckligt för att driva ett blygsamt hus från solnedgång till soluppgång.
Gray kallar sin uppfinning för Velkess (för VEry Large Kinetic Energy Storage System). Han samlar för närvarande in pengar till prototypen i en Kickstarter-kampanj.
Velkess förbättrar traditionella svänghjul genom att bättre hantera den naturliga ”vobblingen” hos en snurrande massa. Traditionella svänghjul har varit mycket dyra eftersom ingenjörerna anpassar hjulets naturliga rotationsaxel till generatorns önskade rotation. Därför kämpar de alltid för att minimera hjulets naturliga vinglighet med hjälp av mycket dyra magneter och lager, högprecisionsteknik och material som högkvalitativ kolfiber eller styvt stål. Beacons svänghjul för nätlagring kostade hela 3 miljoner dollar per megawattimme.
Istället för att försöka bekämpa vingligheten styrde Gray om den genom att hänga hjulet i en gimbal – samma koncept som får ett gyroskop att fungera.
Gimbal i Velkess är asymmetrisk, så de två rotationsaxlarna – svänghjulets axel samt rotorns axel, som driver den borstlösa, inducerande likströmsmotorn – befinner sig inte på samma plan och har olika frekvensperioder. Detta dämpar de resonanseffekter som gör traditionella svänghjul svåra att kontrollera (en resonansstörning i ett av planen kan intensifieras tills anordningen splittras). Med gimbalerna översätts resonans i ett plan till det andra, som är icke-resonant med samma frekvens. Följaktligen krävs endast mycket små tekniska toleranser – ungefär en sextondels tum – för att bygga anordningen.
Gray förlitade sig på det pionjärarbete som utfördes av mekanikingenjören John Vance, en pensionerad professor vid Texas A&M University, som har bedrivit omfattande forskning om svänghjul, maskinvibrationer och rotordynamik. Gray minskade också materialkostnaderna. I stället för att göra hjulet av dyrt stål eller kolfiber tillverkade Gray sitt hjul av billigt glasfiber av ”E-glass”-kvalitet – samma material som används i saker som duschdörrar och fiskespön. Eftersom det är ett mycket mer flexibelt material tenderar glasfiberhjulet att skeva och vingla mycket mer än stål eller kolfiber när snurrhastigheten ändras.
Grays fokus på att sänka kapitalkostnaderna för lagring när andra svänghjulstillverkare har fokuserat på att öka tätheten och genereringskapaciteten verkar ha gett resultat. Velkess skulle kunna lagra el för 300 000 dollar per megawattimme, eller ungefär en tiondel av kostnaden för Beacon-enheten, säger Gray. ”Det gläder mig att det här konceptet får publicitet, eftersom jag tror att det är lovande att lyckas”, säger Vance om Velkess.
Grays konstruktion gör det också lättare att kontrollera eventuella fel på de mest kritiska delarna: själva hjulet och lagren. Eftersom svänghjulet är ett knippe av tusentals fibrer kommer en fiber som går sönder bara att vickas ut ur knippet i stället för att direkt stressa resten av hjulet och få det att gå sönder. Svänghjulet skulle helt enkelt ”kasta av sig” lättviktsmaterial.
För lagren använder Velkess ”angular contact ceramic hybrid” (kiselnitrid) kullager som löper i en bana av rostfritt stål, där både lagren och tryckbelastningen flyter på magneter. Om lagren började gå sönder skulle värmen som de genererar upptäckas tidigt av en enkel temperatursensor.
Endera typen av fel skulle lätt kunna upptäckas långt före en katastrofal händelse, vilket skulle göra det möjligt för anordningen att utfärda en varning och utlösa en avstängning. Vid en avstängning utanför elnätet skulle anordningen släppa ut varm luft tills den snurrar till ett stopp – vilket i stort sett motsvarar en hårtork på 1 500 watt som körs i 10 timmar. I en nätbaserad tillämpning skulle den helt enkelt kunna dumpa strömmen till nätet.
Helheten är inrymd i en vakuumförseglad stållåda med ungefär samma fotavtryck som ett hushållskylskåp, bara lite kortare. Själva svänghjulet är cirka 66 gånger 66 centimeter i höjd och diameter och väger cirka 340 kilo.
Den kommer att optimeras för att ge upp till tre kilovoltampere kontinuerlig effekt vid 27 ampere, men kan hantera högre ”burst”-effektbelastningar som uppstår när apparater som drar mycket ström, till exempel vattenpumpar och cirkelsågar, startas. Enheten kan urladdas i vilken takt som helst upp till tre kilowatt tills svänghjulet snurrar ner till sin ”helt urladdade” hastighet på 9 000 varv per minut.
Gray har för avsikt att rikta in sig på 48-volts off-grid-marknaden för bostäder till en början, där Velkess skulle kunna ersätta typiska 48-volts batterisystem med ett drop-in-system. Därefter kommer 240-voltsmarknaden för bostäder och små kommersiella verksamheter, där Velkess skulle kunna fungera som backup för nätanslutna solcellssystem när nätet går sönder. Så småningom hoppas han kunna ta sig in på 600-voltsmarknaden för solenergi i stor skala.
Velkess skulle kunna lyckas där Beacon misslyckades på flera punkter. Den sistnämnda enheten, liksom de flesta av sina konkurrenter, kunde bara ladda ur stora mängder ström under mycket korta perioder, medan Grays skulle göra det motsatta: Den skulle kunna ladda så långsamt som behövs i timmar. Och där Beacons system var så dyrt att det egentligen bara var meningsfullt för industriella tillämpningar, skulle Grays system vara tillräckligt billigt för att vara ekonomiskt meningsfullt på bostads- och små kommersiella marknader.
För övrigt uppfyller Velkess den sista avgörande faktorn för skalning av elektrisk lagring. Flera enheter kan kopplas samman parallellt.
Enligt en analytiker vid Boston-baserade Lux Research skulle energilagringstjänster kunna utgöra en marknad på 31,5 miljarder dollar globalt år 2017. Om Velkess prototyp kan byggas till det pris och den prestanda som annonseras kan den ta en stor del av den marknaden och lösa problemet med intermittenta förnybara energikällor en gång för alla.