הימור גדול לאחסון אנרגיה, בזול

בחלק האחורי של בית מלאכה בגודל מחסן בונים כתריסר מהנדסים ב hardhats מכונה ענקית כחולה. שישה צילינדרים, כל אחד מהם גבוה יותר מאדם, וסבך צינורות, צינורות ושסתומים נמתחים כלפי מעלה ממנוע דיזל ימי, מוקף פיגום בן שלוש קומות.

המכונה, שנוצרה על ידי חברת ההפעלה SustainX בסיאברוק, ניו המפשייר, נועדה לאגור אנרגיה על ידי דחיסת אוויר. מנוע חשמלי מסובב את גל ארכובה של המנוע כדי להניע בוכנות בצילינדרים שלמעלה. הבוכנות סוחקות תערובת של אוויר ומים מוקצפים ומשאבות את האוויר בלחץ למיכלי פלדה גדולים שם ניתן להחזיק אותו כמו מעיין מפותל. כאשר מכשיר חשמלי זקוק לחשמל, הטנקים לא יהיו מכוסים, מה שמאפשר לאוויר לצאת במהירות, להניע את המנוע ולייצר חשמל עבור לקוחות השירות.

ההימור גבוה. אם חברה כמו SustainX יכולה לספק מערכת שיכולה לאחסן בזול אנרגיה בזול אפילו למספר שעות בכל פעם, היא תהפוך את הרוח והשמש לספקי כוח מהימנים, יותר כמו תחנות דלק מאובנים. ניתן להחליק את התנודות בתפוקת הרוח והסולארית, ולעבור עודפי כוח מרוחות ליליות, למשל, לאחר מכן כאשר הביקוש גבוה יותר.

המכונה של SustainX ואחרות כמוה נמצאת בקצה המוביל של מרוץ טכנולוגי באחסון אנרגיה. עבודתה של החברה, המגובה ביותר מ- 30 מיליון דולר בקרנות פרטיות וממשלתיות, מייצגת הימור כי מהנדסים חכמים המשתמשים בחומרים זולים וזמינים כמו אוויר ומים יביאו את הלגיונות של מדענים שרודפים פריצת דרך בסוללות.

מכונת SustainX, שצולמה כאן במאי 2013, משתמשת בטכנולוגית אוויר דחוס איזותרמי לאחסון אנרגיה. (צילום: SustainX)

אחסון אנרגטי מושך תשומת לב כה רבה מכיוון שפריצת דרך בעלויות וביצועים עשויה להפוך את רשת החשמל לנקייה ואמינה יותר. מדי יום מפעילים מכשירים איזון מתמיד: כדי להבטיח שירות אמין, כמות הכוח המופקת בתחנות כוח צריכה להתאים למה שנצרך בבתים ובעסקים. אם יש עלייה בביקוש ממזגנים ביום קיץ חם, למשל, תחנות כוח צריכות להעמיס יותר חשמל ולחייג אותו למטה כאשר הביקוש שוכך בלילה.

אחסון אנרגיה פועל כשמורה, או כחשבון בנק אנרגיה. בתקופות של ביקוש שיא, האחסון יכול לספק כוח במקום מפעלי דלק מאובנים "פיקר". הטכנולוגיה יכולה לבסס את התפוקה המשתנה מחוות הרוח והשמש או להגדיל את הקיבולת של תחנות מתח מוגזמות המספקות כוח לשכונות מקומיות. כשאתם ממוקמים במבנים או בקרבתם, אחסון אנרגיה יכול לספק גיבוי במהלך הפסקת חשמל. עם זאת, רבים מהיישומים הללו דורשים מכשיר שיכול לספק כוח למשך מספר שעות או אולי חצי יום. וזה צריך להיעשות בבטחה ובעלות נמוכה.

לגבי אחסון מרובה שעות, ישנן סיבות משכנעות להמשיך במערכות אחסון מכניות על גבי סוללות אלקטרוכימיות, אומרים בכירים בתעשייה. סוללות דורשות חומרים יקרים יותר, כמו ליתיום או קובלט, שיכולים להיות כפופים לאילוצי אספקה. שלא כמו מערכת מכנית, יכולת האחסון של סוללה נטענת פוחתת עם הזמן, כפי שחוו מרבית משתמשי המחשב הנייד.

ואז יש את קצב החדשנות. באופן כללי, קצב ההתפתחות במחקר הסוללות הוא איטי - נמדד בשנים ולא בחודשים - ושיפור הביצועים הוא לרוב מצטבר. כמו כן, ייצור סוגים חדשים של סוללות בנפח גדול דורש השקעות גדולות מראש במפעלים. לעומת זאת, מערכת מכנית חדשנית יכולה להיות מורכבת ממנועים ששונו מעט, מיכלי גז תעשייתיים וציוד אחר שכבר מובן ומיוצר בקנה מידה גדול.

"זהו סוג של אתגר אינטגרציה של מערכות [במקום] להמציא ולבנות מכשיר מסוים כדי שכולו יעבוד", אומר גארת 'ברט, מנכ"ל Highview Power Storage בלונדון, המשתמש באוויר נוזלי - בלחץ אוויר והתקרר עד שהוא הופך לנוזל - לאחסון אנרגיה ברשת. "הקניין הרוחני שלנו הוא באופן בו המערכת מתוכננת ומפגישה באופן יעיל ובעלות נמוכה."

כשמדובר באחסון חשמל לשימוש ברשת החשמל, כוח האנרגיה לאחסון משאבות נחשב לתקן הזהב - טכנולוגיה זולה יחסית שמספקת אנרגיה בארצות הברית יותר מ -80 שנה. כפי שמשתמע מהשם, מים נשאבים במעלה הגבעה למאגר כאשר הביקוש לחשמל נמוך, ומשחררים בעת הצורך לייצור חשמל באמצעות טורבינה הידרואלקטרית. תחנות הידרו שאובות יכולות לספק פרצי כוח גדולים במשך מספר שעות, ומאפשרות למפעילי רשת למלא פערים באספקת החשמל מבלי להידרש לתחנות כוח בוערות דלק מאובנים. עם זאת, הם בעיקר מוגבלים לשטח הררי, המספק את עליות הגובה הדרושה בין מאגרים, וביקורות סביבתיות נמשכות שנים רבות.

שיטת האחסון המוכחת והמחיר בעלות נמוכה היא אחסון אנרגיית אוויר דחוס, או CAES, בו מדחסים שואבים אוויר למערות תת קרקעיות. כשצריך כוח, אוויר משוחרר בלחץ משתחרר ומחומם על ידי שריפת גז טבעי. לאחר מכן נפוצץ אוויר זה בטורבינה כדי לייצר חשמל. ישנם שני מפעלים לאחסון אנרגטי אוויר דחוס גיאולוגי בעולם, ביניהם אחד שנפתח בגרמניה בשנת 1978 ואחר נפתח באלבמה בשנת 1991. שתי היחידות עדיין פועלות ונחשבות למוצלחות. אך אף אחד אחר לא נבנה מכיוון שקשה למצוא מיקומים עם תצורה גיאולוגית מתאימה ולממן פרויקטים אלה. מפעל שלישי יכול להצטרף לשורותיהם בטקסס, עם תוכניות שקראו לפרויקט של 200 מיליון דולר לאחסון של עד 317 מגה וואט - בדומה לתפוקה של תחנת כוח בינונית.

חדשנים בסטארט-אפים אנרגיים שאבו השראה משתי הטכניקות הללו והסתעפו במגוון כיוונים. SustainX וברקלי, LightSail Energy שבסיסה בקליפורניה מציעים לדחוס אוויר לאחסון, אך יש לשמור אותו במיכלים מעל הקרקע, מה שאומר שהם לא מוגבלים למקומות עם מערות תת קרקעיות. דחיסה כללית של ניוטון, מסצ'וסטס, פיתחה מערכת אחסון אוויר דחוס המתחברת ישירות לטורבינות רוח.

ההבדל העיקרי בהשוואה ל- CAES המסורתית בגישות אלה, המכונה אחסון אנרגיה אוויר דחוס איזותרמי, הוא שאין צורך לשרוף דלק באתר. במקום זאת, חברות CAES מהדור השני לוכדות ומשתמשות מחדש בחום שנוצר כאשר אוויר מופעל תחת לחץ גבוה. LightSail Energy מתכוונת לרסס ערפל דק של מים כאשר אוויר דחוס ולאגור מים חמים עד מאוחר יותר. כאשר משתחרר אוויר בלחץ לייצור חשמל, המים החמים, ולא מבער גז טבעי, מחממים את האוויר באמצעות מחליף חום.

גישה CAES בעלת פוטנציאל זול יותר היא אחסון אוויר דחוס בשקיות בד מתחת למים. בעת אחסון אוויר במכלי פלדה, הפלדה צריכה להיות עבה מספיק בכדי להכיל אוויר בלחץ גבוה. אבל לחץ מים יכול היה לבצע את העבודה במקום - בחינם. במהלך עבודתו בהפעלה סולארית, חזה מהנדס הרקטות לשעבר, סקוט פרייזייר, את הצורך במערכת אחסון לא יקרה שניתן להציב כמעט בכל מקום. ובשנת 2010 הוא הקים חברה, Bright Energy Storage Technologies, במטרה להמשיך לרעיון לאחסון אוויר דחוס בשלפוחיות גדולות המעוגנות לקרקעית האוקיינוס ​​או לקרקעית מאגרי מים מתוקים.

"אם יש לי טנק מעל הקרקע, אתה צריך לשלם יותר עבור לחץ גבוה יותר. ככל שאשאיר יותר אוויר אני צריך יותר פלדה - זה די ליניארי, " אומר פרייז'ר. אב הטיפוס הראשון של החברה, שנבנה עבור הצי האמריקני בהוואי, ישתמש במנוע משאית שונה כדי ללחוץ אוויר במכלים מעל הקרקע. אם המכניקה של המכונה ההיא מוכחת כפרקטית, החברה והחיל הים מתכננים לבנות אב טיפוס שני המאגור אוויר מתחת למים.

אפילו עיצובים פשוטים יותר לאחסון בתפזורת היו רותמים את כוח המשיכה במידה רבה כפי שעושים תחנות הידרו המשאבות. אחסון אנרגטי רכבות מתקדם, שבסיסו בסנטה ברברה בקליפורניה, מבקש לבנות פרויקטים שבהם האנרגיה מחוות סולאריות או רוח תדחוף רכבת של רכבות במעלה גבעה כאשר יש ביקוש נמוך לאנרגיה ברשת. כאשר הכי נחוץ לחשמל, קרונות הרכבת היו נוסעים במורד ומייצרים כוח. מנועי המתיחה החשמליים שדוחפים את המכוניות במעלה ההליכה פועלים לאחור כאשר יורדים בירידה ופועלים כגנרטורים, באותה דרך שמכונית היברידית טעינה מצבר בזמן הבלימה. בתפיסה דומה, EnergyCache, שנוסדה על ידי מהנדס מכונות של MIT ובמימון ביל גייטס, בנתה מערכת אחסון להפגנה בה מועברים חצץ במעלה וירידה באמצעות ציוד מעלית סקי שונה.

באזור של עשרות שנים של אחסון הידרו שאוב, ישנם גם רעיונות חדשים, כולל אחסון מים באקוויפרים או מיקום מפעלים בים, כפי שכבר עשתה חברה אחת ביפן. גישות אלה משתמשות באותה תצורה בסיסית - מאגר מלאכותי במיקום גבוה בסמוך למאגר התחתון - אך ניתן היה לבנות אותם במיקומים רבים יותר. הכי שאפתנים הם הצעות לבנות "אי אנרגיה" בים הצפוני מול חופי הולנד או בלגיה. הרעיון הוא לבנות אי מלאכותי עם מאגר ולהשתמש בעודפי האנרגיה הנוצרת על ידי טורבינות רוח בזמני ביקוש נמוכים כדי לשאוב מים לאחסון.

כל החידושים הללו מתחילים בחומרים זולים אך בסופו של דבר נתקלים באותו אתגר הנדסי: יעילות. אם אובדת אנרגיה רבה בהמרת חשמל לאוויר דחוס או מים מאוחסנים ובחזרה, העלויות עולות. בתחום זה הסוללות מתחרות היטב: סוגים מסוימים יעילים יותר מ -90 אחוזים בטעינה ופריקה.

הטריק אם כן, לאחסון מכני, הוא לפגוע ביעילות בכמה שיותר דרכים. עם אחסון אוויר, זה אומר לעיתים קרובות שימוש טוב יותר בחום. בעוד שמפתחי CAES איזותרמיים כמו LightSail תופסים חום שנוצר מדחיסת אוויר, מחדשים אחרים קוצרים חום ממקורות חיצוניים שאחרים יבזבזו. בפרויקט הדגמתו ליד לונדון, צינורות Highview Power Storage נמצאים בחום פסולת מתחנת כוח סמוכה בעת המרת אוויר נוזלי מאוחסן לגז בלחץ גבוה, ההופך טורבינה לייצור חשמל. השימוש במגוון טכניקות, אפילו לאחסון אוויר קר בחצץ כדי לסייע בתהליך הקירור, Highview Power Storage יכול להביא ליעילות המרת אנרגיה ליותר מ- 70 אחוזים, הוא אומר.

מפעל טייס לאחסון אנרגיית אוויר נוזלית (LAES) של 300 קילו-וואט בסלאו, בריטניה. (תמונה: Highview Power Storage)

מערכת מכנית לא יכולה להתאים לסוללות הטובות ביותר ביעילות, אך זה מפספס את העניין, אומר ריצ'רד ברודי, סגן נשיא פיתוח עסקי ב- SustainX לשעבר. חשוב יותר, במיוחד עבור יישומי אחסון מרובי שעות, הוא עלות החזית הנמוכה יחסית והעובדה שמערכות מכניות יכולות לפעול במשך עשרות שנים מבלי לאבד את קיבולת האחסון. תומכי האחסון המכני אומרים כי מכונה מכוונת היטב עם מרכיבים בסיסיים - פלדה, אוויר, מים וחצץ - לא תשפיל את הדרך בה התרכובות הכימיות באלקטרודות הסוללה פועלות לאורך זמן. "לא ראינו שום טכנולוגיה [סוללה] אלקטרוכימית שיכולה לעשות את מה שאנחנו יכולים לעשות בקנה המידה ובחיי המערכת עליהם אנו מדברים, " אומר ברודי. "אנו חושבים שזה לא מעשי לעשות דברים בקנה מידה מגה-וואט עם כל אחת ממערכות הסוללות המבוססות על התא."

בהתחשב בפוטנציאל לאחסון אנרגיה נרחב ברשת, גישות המשתמשות בחומרים בעלות נמוכה ממשיכות למשוך תשומת לב רצינית. בנוסף למספר סטארט-אפים, חוקרים רבים עובדים על אוויר דחוס או נוזלי. אוניברסיטת בירמינגהם בבריטניה, למשל, הקימה מרכז מחקר לאחסון אנרגיה קריוגנית וקונסורציום בהובלת השירות הגרמני RWE התחייב 40 ​​מיליון יורו (53 מיליון דולר) במשך שלוש וחצי שנים לפיתוח CAES יעיל גבוה. מערכת שתאגר חום מתהליך הדחיסה בכלי גדול דמוי תרמוס מלאים בחומר קרמי.

ענף טכנולוגיות האחסון הזה יכול לסייע גם בהובלה. לחברת ההנדסה ריקרדו שני פרויקטים לחקור כיצד אוויר נוזלי יכול לשפר את היעילות של מנועי בעירה פנימית. פיג'ו סיטרואן, בין יצרניות הרכב האחרות, רודפת שיטה לשימוש במיכל אחסון אוויר דחוס כדי לפעול באופן יעיל כמו הסוללה במכונית נוסעים היברידית. רוב הערעור הוא הזמינות המוכנה של חלקים ותשתיות, אומר ד"ר אנדרו אטקינס, המהנדס הראשי של הטכנולוגיה בריקרדו. "אין לך בעיות בשרשרת האספקה", הוא אומר. "אחרי הכל, האוויר קשור אלינו."