Στο πίσω μέρος ενός συνεργείου μεγέθους αποθήκης, περίπου δώδεκα μηχανικοί στο hardhats κατασκευάζουν ένα τεράστιο μπλε μηχάνημα. Έξι φιάλες, κάθε ψηλότερα από ένα άτομο, και μια πυκνότητα σωλήνων, σωλήνων και βαλβίδων εκτείνονται προς τα πάνω από μια θαλάσσια μηχανή ντίζελ που περιβάλλεται από ένα τριώροφο σκαλωσιά.
Σχεδιασμένο με την έναρξη λειτουργίας του SustainX στο Seabrook του Νιου Χάμσαϊρ, το μηχάνημα έχει σχεδιαστεί για να αποθηκεύει ενέργεια με συμπίεση αέρα. Ένας ηλεκτροκινητήρας στρέφει τον στροφαλοφόρο του κινητήρα για να κινεί τα έμβολα στους κυλίνδρους παραπάνω. Τα έμβολα συμπιέζουν ένα μίγμα αέρα και αφρώδους νερού και αντλούν τον πεπιεσμένο αέρα σε μεγάλες δεξαμενές χάλυβα όπου μπορεί να κρατηθεί σαν ένα περιτυλιγμένο ελατήριο. Όταν ένα ηλεκτρικό βοηθητικό πρόγραμμα χρειάζεται ενέργεια, οι δεξαμενές θα αποκολληθούν, επιτρέποντας στον αέρα να βιαστούμε, να τροφοδοτήσουμε τον κινητήρα και να παράγουμε ηλεκτρισμό για τους πελάτες της υπηρεσίας.
Τα πονταρίσματα είναι υψηλά. Εάν μια εταιρεία όπως το SustainX μπορεί να παραδώσει ένα σύστημα που μπορεί να αποθηκεύει φτηνά ενέργεια για μερικές ώρες κάθε φορά, θα μετατρέψει τον αιολικό και τον ηλιακό σε αξιόπιστους παρόχους ενέργειας, περισσότερο σαν φυτά ορυκτών καυσίμων. Οι διακυμάνσεις στην παραγωγή αιολικής και ηλιακής ενέργειας θα μπορούσαν να εξομαλυνθούν και η υπερβολική ισχύς των νυχτερινών ανέμων, για παράδειγμα, θα μπορούσε να αποσταλεί αργότερα όταν η ζήτηση είναι υψηλότερη.
Το μηχάνημα SustainX και άλλοι σαν αυτό βρίσκονται στην κορυφή ενός αγώνα τεχνολογίας στην αποθήκευση ενέργειας. Το έργο της εταιρείας, το οποίο υποστηρίζεται από περισσότερα από 30 εκατομμύρια δολάρια σε ιδιωτικά και κρατικά κεφάλαια, αντιπροσωπεύει ένα στοίχημα ότι έξυπνοι μηχανικοί που χρησιμοποιούν φτηνά και εύκολα διαθέσιμα υλικά όπως ο αέρας και το νερό θα χτυπήσουν τις λεγεώνες των επιστημόνων που κυνηγούν μια σημαντική ανακάλυψη στις μπαταρίες.
Το μηχάνημα SustainX, που απεικονίζεται εδώ τον Μάιο του 2013, χρησιμοποιεί ισόθερμη τεχνολογία πεπιεσμένου αέρα για την αποθήκευση ενέργειας. (Φωτογραφία: SustainX) Η αποθήκευση ενέργειας προσελκύει τόση προσοχή γιατί μια σημαντική ανακάλυψη κόστους και απόδοσης θα μπορούσε να κάνει το ηλεκτρικό δίκτυο καθαρότερο και πιο αξιόπιστο. Κάθε μέρα, οι επιχειρήσεις κοινής ωφελείας εφαρμόζουν μια σταθερή πράξη εξισορρόπησης: για να εξασφαλιστεί αξιόπιστη εξυπηρέτηση, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στις μονάδες παραγωγής ενέργειας πρέπει να ταιριάζει με το τι καταναλώνεται σε σπίτια και επιχειρήσεις. Εάν υπάρχει ζήτηση από κλιματιστικά σε μια καυτή καλοκαιρινή μέρα, για παράδειγμα, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής πρέπει να στρέψουν περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα και να το καλέσουν πάλι όταν η ζήτηση υποχωρεί τη νύχτα.
Η αποθήκευση ενέργειας λειτουργεί ως αποθεματικό ή ενεργειακό τραπεζικό λογαριασμό. Κατά τη διάρκεια αιχμής αιχμής, η αποθήκευση μπορεί να παράσχει ενέργεια αντί των μονάδων ορυκτών καυσίμων "Peaker". Η τεχνολογία μπορεί να σταθεροποιήσει τη μεταβλητή παραγωγή από αιολικά και ηλιακά αγροκτήματα ή να αυξήσει την ικανότητα των υποσταθμών μέγιστης απόδοσης που παρέχουν ισχύ στις τοπικές γειτονιές. Όταν τοποθετείται σε ή κοντά σε κτίρια, η αποθήκευση ενέργειας μπορεί να παράσχει αντίγραφο ασφαλείας κατά τη διάρκεια μιας διακοπής ρεύματος. Πολλές από αυτές τις εφαρμογές, όμως, απαιτούν μια συσκευή που μπορεί να παρέχει ενέργεια για λίγες ώρες ή ίσως μισή ημέρα. Και πρέπει να γίνει με ασφάλεια και με χαμηλό κόστος.
Για την αποθήκευση πολλών ωρών, υπάρχουν επιτακτικοί λόγοι για την επιδίωξη μηχανικών συστημάτων αποθήκευσης σε ηλεκτροχημικές μπαταρίες, λένε οι στελέχη της βιομηχανίας. Οι μπαταρίες απαιτούν ακριβότερα υλικά, όπως το λίθιο ή το κοβάλτιο, τα οποία ενδέχεται να υπόκεινται σε περιορισμούς στην προσφορά. Σε αντίθεση με ένα μηχανικό σύστημα, η χωρητικότητα αποθήκευσης μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, όπως οι περισσότεροι χρήστες laptop έχουν βιώσει.
Τότε υπάρχει ο ρυθμός της καινοτομίας. Σε γενικές γραμμές, ο ρυθμός ανάπτυξης της έρευνας για τις μπαταρίες μετριέται αργά σε έτη και όχι σε μήνες - και οι βελτιώσεις των επιδόσεων είναι συχνά αυξητικές. Επίσης, η κατασκευή νέων τύπων μπαταριών σε μεγάλες ποσότητες απαιτεί μεγάλες προκαταβολικές επενδύσεις σε εργοστάσια. Ένα καινοτόμο μηχανικό σύστημα, αντίθετα, θα μπορούσε να συναρμολογηθεί από ελαφρώς τροποποιημένους κινητήρες, βιομηχανικές δεξαμενές αερίου και άλλο εξοπλισμό που είναι ήδη κατανοητός και παράγεται σε μεγάλη κλίμακα.
"Πρόκειται για ένα είδος πρόκλησης ενοποίησης συστημάτων, αντί να χρειάζεται να επινοήσουμε και να οικοδομήσουμε μια συγκεκριμένη συσκευή για να τα καταφέρουμε όλα", λέει ο Gareth Brett, Διευθύνων Σύμβουλος της Highview Power Storage που εδρεύει στο Λονδίνο και χρησιμοποιεί υγροποιημένο αέρα υπό πίεση και ψύχεται μέχρι να γίνει υγρό-για να αποθηκεύει ενέργεια στο δίκτυο. "Η πνευματική μας ιδιοκτησία είναι στο πώς το σύστημα έχει σχεδιαστεί και συγκεντρωθεί με τρόπο που να είναι αποτελεσματικός και χαμηλός".
Όταν πρόκειται για την αποθήκευση ηλεκτρικού ρεύματος για χρήση στο ηλεκτρικό δίκτυο, η υδροηλεκτρική αντλία αποθήκευσης θεωρείται το χρυσό πρότυπο - μια σχετικά φθηνή τεχνολογία που έχει παραδώσει ενέργεια στις Ηνωμένες Πολιτείες για περισσότερα από 80 χρόνια. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το νερό αντλείται προς τα πάνω σε μια δεξαμενή όταν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλή και απελευθερώνεται όταν χρειάζεται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός υδροηλεκτρικού στροβίλου. Οι αντλημένοι υδροηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν να παράσχουν μεγάλες εκρήξεις ισχύος για αρκετές ώρες, επιτρέποντας στους χειριστές του δικτύου να καλύψουν τα κενά στην παροχή ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς να χρειαστεί να αντλούν ηλεκτρικούς σταθμούς που χρησιμοποιούν καύσιμα από ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, είναι κυρίως περιορισμένες σε ορεινό έδαφος, το οποίο παρέχει το απαιτούμενο ύψος κέρδους μεταξύ των δεξαμενών, ενώ οι περιβαλλοντικές αξιολογήσεις χρειάζονται πολλά χρόνια.
Η άλλη αποδεδειγμένη μέθοδος αποθήκευσης χύδην χαμηλού κόστους είναι η αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα ή CAES, στην οποία οι συμπιεστές αντλούν αέρα σε υπόγεια σπήλαια. Όταν χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια, ο πεπιεσμένος αέρας απελευθερώνεται και θερμαίνεται με καύση φυσικού αερίου. Αυτός ο αέρας είναι έπειτα καταστραφεί σε έναν στρόβιλο για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν δύο γεωλογικοί σταθμοί αποθήκευσης ενέργειας στον κόσμο με πεπιεσμένο αέρα, μεταξύ των οποίων ένας που άνοιξε στη Γερμανία το 1978 και άλλος άνοιξε στην Αλαμπάμα το 1991. Και οι δύο μονάδες εξακολουθούν να λειτουργούν και θεωρούνται επιτυχείς. Αλλά δεν έχουν κατασκευαστεί άλλοι επειδή είναι δύσκολο να βρεθούν τοποθεσίες με κατάλληλο γεωλογικό σχηματισμό και να χρηματοδοτηθούν αυτά τα έργα. Ένα τρίτο εργοστάσιο θα μπορούσε να ενταχθεί στις τάξεις τους στο Τέξας, με σχέδια που απαιτούν ένα έργο αξίας 200 εκατομμυρίων δολαρίων για την αποθήκευση έως και 317 μεγαβάτ - συγκρίσιμη με την παραγωγή ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής μεσαίου μεγέθους.
Οι καινοτόμοι στις νέες ενεργειακές επιχειρήσεις έχουν εμπνεύσει την έμπνευση και από τις δύο αυτές τεχνικές, που διακλαδίζονται σε διάφορες κατευθύνσεις. Το SustainX και το Berkeley της Καλιφόρνια που βασίζονται στο LightSail Energy προτείνουν να συμπιέζουν τον αέρα για αποθήκευση, αλλά να το διατηρούν σε δεξαμενές πάνω από το έδαφος, πράγμα που σημαίνει ότι δεν περιορίζονται σε τοποθεσίες με υπόγεια σπήλαια. Η Newton, βασισμένη στη Μασαχουσέτη γενική συμπίεση έχει αναπτύξει ένα σύστημα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα που συνδέεται άμεσα με ανεμογεννήτριες.
Η βασική διαφορά από τα παραδοσιακά CAES σε αυτές τις προσεγγίσεις, που ονομάζεται ισοθερμική αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα, είναι ότι δεν χρειάζεται καύσιμο στο χώρο. Αντ 'αυτού, αυτές οι εταιρείες δεύτερης γενιάς CAES συλλαμβάνουν και επαναχρησιμοποιούν τη θερμότητα που παράγεται όταν ο αέρας τίθεται υπό υψηλή πίεση. Η LightSail Energy προτίθεται να ψεκάζει μια λεπτή ομίχλη νερού καθώς συμπιέζεται ο αέρας και αποθηκεύει το ζεστό νερό μέχρι αργότερα. Όταν απελευθερώνεται πεπιεσμένος αέρας για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, το ζεστό νερό, παρά ένας καυστήρας φυσικού αερίου, θερμαίνει τον αέρα μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας.
Μία πιθανώς φθηνότερη προσέγγιση CAES είναι η αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα σε σακούλες ύφασμα υποβρύχια. Κατά την αποθήκευση του αέρα σε δεξαμενές χάλυβα, ο χάλυβας πρέπει να είναι αρκετά παχύς ώστε να περιέχει αέρα υψηλής πίεσης. Αλλά η πίεση του νερού θα μπορούσε να κάνει την εργασία αντ 'αυτού-δωρεάν. Ενώ εργάζονταν σε μια ηλιακή εκκίνηση, ο πρώην μηχανικός πυραύλων Scott Frazier προέβλεπε την ανάγκη για ένα φθηνό σύστημα αποθήκευσης που θα μπορούσε να τοποθετηθεί σχεδόν οπουδήποτε. Και το 2010 ίδρυσε μια εταιρεία, Bright Energy Storage Technologies, για να ακολουθήσει την ιδέα της αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα σε μεγάλες κύστεις που είναι αγκυροβολημένες στο δάπεδο του ωκεανού ή στο κάτω μέρος των δεξαμενών γλυκού νερού.
"Αν έχω μια δεξαμενή πάνω από το έδαφος, θα πρέπει να πληρώσετε περισσότερα για υψηλότερη πίεση. Όσο περισσότερο αέρα αντλούμε, τόσο περισσότερο χάλυβα χρειάζομαι - είναι αρκετά γραμμικό", λέει ο Frazier. Το πρώτο πρωτότυπο της εταιρείας, που κατασκευάστηκε για το Ναυτικό των ΗΠΑ στη Χαβάη, θα χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη μηχανή φορτηγών για να πιέσει τον αέρα σε δεξαμενές πάνω από το έδαφος. Εάν οι μηχανικοί της μηχανής αποδειχθούν πρακτικοί, η εταιρεία και το Ναυτικό σχεδιάζουν να κατασκευάσουν ένα δεύτερο πρωτότυπο που αποθηκεύει τον αέρα υποβρύχια.
Ακόμα και απλούστερα σχέδια αποθήκευσης χύδην θα αξιοποιήσουν τη βαρύτητα πολύ τον τρόπο που αντλούνται υδροηλεκτρικοί σταθμοί. Η Advanced Storage Energy Storage, με έδρα τη Σάντα Μπάρμπαρα, Καλιφόρνια, επιδιώκει να δημιουργήσει έργα όπου η ενέργεια από ηλιακές ή αιολικές μονάδες θα ωθούσε ένα τρένο σιδηροδρομικών αμαξοστοιχιών σε ένα λόφο όταν υπάρχει χαμηλή ζήτηση ενέργειας στο δίκτυο. Όταν απαιτείται περισσότερη ισχύς, τα οχήματα θα ταξιδεύουν προς τα κάτω και θα παράγουν ενέργεια. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έλξης που σπρώχνουν τα αυτοκίνητα σε ανηφόρα κινούνται προς τα πίσω όταν πηγαίνουν προς τα κάτω και λειτουργούν ως γεννήτριες, όπως ακριβώς ένα υβριδικό αυτοκίνητο φορτίζει μια μπαταρία κατά την πέδηση. Σε μια παρόμοια αντίληψη, το EnergyCache, που ιδρύθηκε από μηχανικό μηχανικό του MIT και χρηματοδοτήθηκε από τον Bill Gates, δημιούργησε ένα σύστημα επίδειξης αποθήκευσης όπου το χαλίκι μεταφέρεται προς τα πάνω και προς τα κάτω χρησιμοποιώντας τροποποιημένο εξοπλισμό ανελκυστήρων σκι.
Στην περιοχή των υδροηλεκτρικών αποθηκών με δεκαετίες, υπάρχουν και νέες ιδέες, όπως η αποθήκευση νερού σε υδροφόρους ορίζοντες ή η τοποθέτηση φυτών στον ωκεανό, όπως έχει ήδη κάνει μια εταιρεία στην Ιαπωνία. Αυτές οι προσεγγίσεις χρησιμοποιούν την ίδια βασική διαμόρφωση - μια τεχνητή δεξαμενή σε υψηλή θέση δίπλα σε μια χαμηλότερη δεξαμενή - αλλά θα μπορούσαν ενδεχομένως να χτιστούν σε περισσότερες θέσεις. Οι πιο φιλόδοξοι είναι οι προτάσεις για την οικοδόμηση ενός "ενεργειακού νησιού" στη Βόρεια Θάλασσα στις ολλανδικές ή βελγικές ακτές. Η ιδέα είναι να οικοδομηθεί ένα τεχνητό νησί με δεξαμενή και να χρησιμοποιηθεί η πλεονάζουσα ενέργεια που παράγεται από ανεμογεννήτριες σε χρόνους χαμηλής ζήτησης για την άντληση νερού για αποθήκευση.
Όλες αυτές οι καινοτομίες ξεκινούν με φθηνά υλικά, αλλά τελικά τρέχουν στην ίδια τεχνική πρόκληση: την αποτελεσματικότητα. Εάν χάνεται πολλή ενέργεια μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε πεπιεσμένο αέρα ή αποθηκευμένο νερό και πάλι πίσω, το κόστος ανεβαίνει. Στον τομέα αυτό, οι μπαταρίες ανταγωνίζονται πολύ καλά: ορισμένοι τύποι έχουν απόδοση άνω του 90% κατά την φόρτιση και την εκφόρτωση.
Το τέχνασμα, λοιπόν, για τη μηχανική αποθήκευση, είναι να χτυπήσει την αποτελεσματικότητα σε όσο το δυνατόν περισσότερους τρόπους. Με την αποθήκευση αέρα, αυτό συχνά σημαίνει καλύτερη χρήση της θερμότητας. Ενώ οι ισόθερμοι κατασκευαστές CAES, όπως το LightSail, συλλαμβάνουν τη θερμότητα που παράγεται από τη συμπίεση του αέρα, άλλοι καινοτόμοι συλλέγουν θερμότητα από εξωτερικές πηγές που διαφορετικά θα έχανε σπατάλη. Στο demo project κοντά στο Λονδίνο, οι Highview Power Storage σωλήνες σε απόβλητα θερμότητας από μια κοντινή μονάδα παραγωγής ενέργειας, όταν μετατρέπουν αποθηκευμένο υγρό αέρα σε αέριο υψηλής πίεσης, το οποίο μετατρέπει μια τουρμπίνα για να κάνει ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιώντας μια ποικιλία τεχνικών, ακόμα και αποθήκευση ψυχρού αέρα σε χαλίκια για να βοηθηθεί η διαδικασία ψύξης, η Highview Power Storage μπορεί να πάρει απόδοση μετατροπής ενέργειας σε πάνω από 70 τοις εκατό, λέει.
Η πιλοτική μονάδα αποθήκευσης υγρών αέριων αποθεμάτων ενέργειας 300 KW (LAES) της Highview στο Slough, Ηνωμένο Βασίλειο. (Φωτογραφία: Αποθήκευση Ισχύος Highview) Ένα μηχανικό σύστημα δεν μπορεί να ταιριάζει με τις καλύτερες μπαταρίες στην αποτελεσματικότητα, αλλά αυτό χάνει το σημείο, λέει ο Richard Brody, πρώην αντιπρόεδρος ανάπτυξης επιχειρήσεων στο SustainX. Πιο σημαντικό, ειδικά για εφαρμογές αποθήκευσης πολλαπλών ωρών, είναι το σχετικά χαμηλό κόστος εκ των προτέρων και το γεγονός ότι τα μηχανικά συστήματα μπορούν να λειτουργήσουν για δεκαετίες χωρίς να χάσουν την ικανότητα αποθήκευσης. Μια καλά συντονισμένη μηχανή με βασικά συστατικά - χάλυβα, αέρας, νερό και χαλίκι - δεν θα υποβαθμίσει τον τρόπο με τον οποίο οι χημικές ενώσεις στα ηλεκτρόδια της μπαταρίας γίνονται με την πάροδο του χρόνου, λένε οι υποστηρικτές της μηχανικής αποθήκευσης. "Δεν έχουμε δει καμία ηλεκτροχημική τεχνολογία [μπαταρίας] που να μπορεί να κάνει ό, τι μπορούμε να κάνουμε στην κλίμακα και τη ζωή του συστήματος για την οποία μιλάμε", λέει ο Brody. "Πιστεύουμε ότι είναι ανέφικτο να κάνουμε πράγματα με μεγαβάτ με οποιοδήποτε από αυτά τα συστήματα μπαταριών που βασίζονται σε κύτταρα".
Δεδομένου του δυναμικού της ευρείας αποθήκευσης ενέργειας στο δίκτυο, οι προσεγγίσεις με τη χρήση υλικών χαμηλού κόστους εξακολουθούν να προσελκύουν σοβαρή προσοχή. Εκτός από μια σειρά νέων επιχειρήσεων, πολλοί ερευνητές εργάζονται σε συμπιεσμένο ή υγροποιημένο αέρα. Το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ στο Ηνωμένο Βασίλειο δημιούργησε, για παράδειγμα, ένα ερευνητικό κέντρο για την αποθήκευση κρυογονικής ενέργειας και μια κοινοπραξία υπό την ηγεσία της γερμανικής χρησιμότητας Η RWE έχει δεσμεύσει 40 εκατομμύρια ευρώ (3, 5 εκατομμύρια δολάρια) για τρεισήμισι χρόνια για την ανάπτυξη ενός CAES υψηλής απόδοσης σύστημα που θα αποθηκεύει θερμότητα από τη διαδικασία συμπίεσης σε μεγάλα θερμοσκληρυνόμενα δοχεία γεμάτα με κεραμικό υλικό.
Αυτός ο κλάδος της τεχνολογίας αποθήκευσης θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τις μεταφορές. Η μηχανολογική εταιρεία Ricardo έχει δύο έργα για να διερευνήσει πώς ο υγροποιημένος αέρας μπορεί να βελτιώσει την αποδοτικότητα των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Η Peugeot Citroen, μεταξύ άλλων αυτοκινητοβιομηχανιών, επιδιώκει να χρησιμοποιήσει μια δεξαμενή αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα για να λειτουργήσει αποτελεσματικά ως μπαταρία σε ένα υβριδικό επιβατικό αυτοκίνητο. Ένα μεγάλο μέρος της έκκλησης είναι η εύκολη διαθεσιμότητα εξαρτημάτων και υποδομών, λέει ο Δρ Andrew Atkins, επικεφαλής μηχανικός της τεχνολογίας στο Ricardo. "Δεν έχετε προβλήματα με την εφοδιαστική αλυσίδα", λέει. "Εξάλλου, ο αέρας είναι για μας."
