På baksiden av et verkstedstørrelsesverksted bygger et titalls ingeniører i hardhats en gigantisk blå maskin. Seks sylindere, hver høyere enn en person, og en kratt med rør, rør og ventiler strekker seg oppover fra en marin dieselmotor omkranset av et tre-etasjers stillas.
Mottatt av oppstart SustainX i Seabrook, New Hampshire, er maskinen designet for å lagre energi ved å komprimere luft. En elektrisk motor snur motorens veivaksel for å drive stempler i sylindrene over. Stemplene presser en blanding av luft og skummende vann og pumper trykkluften inn i store ståltanker der den kan holdes som en oppviklet fjær. Når et elektrisk verktøy trenger strøm, vil tankene være ikke lukket, slik at luften kan haste ut, drive motoren og generere strøm til verktøyets kunder.
Innsatsen er høy. Hvis et selskap som SustainX kan levere et system som billig kan lagre energi i enda noen timer om gangen, vil det gjøre vind og sol til pålitelige kraftleverandører, mer som fossile brenselanlegg. Svingninger i vind- og solproduksjon kan utjevnes, og overflødig kraft fra for eksempel vindvind kan for eksempel sendes senere når etterspørselen er høyere.
SustainXs maskin og andre som den er i forkant av et teknologiløp innen energilagring. Selskapets arbeid, støttet av mer enn 30 millioner dollar i private og offentlige midler, representerer et veddemål på at smarte ingeniører som bruker billige og lett tilgjengelige materialer som luft og vann, vil slå ut legionene til forskere som jager et gjennombrudd i batteriene.
SustainX-maskinen, avbildet her i mai 2013, bruker isotermisk trykkluft-teknologi for å lagre energi. (Foto: SustainX) Energilagring tiltrekker så mye oppmerksomhet fordi et gjennombrudd i kostnader og ytelse kan gjøre det elektriske nettet renere og mer pålitelig. Hver dag driver verktøyene en konstant balansegang: For å sikre pålitelig service, trenger mengden strøm som genereres ved kraftverk å samsvare med det som forbrukes i hjem og virksomhet. Hvis det er en økning i etterspørselen fra klimaanlegg på en varm sommerdag, for eksempel, må kraftverk få ut mer strøm og slå den tilbake når etterspørselen avtar om natten.
Energilagring fungerer som en reserve eller en energibankonto. I tider med høy etterspørsel, kan lagring levere strøm i stedet for "høyttaler" fossile brenselanlegg. Teknologien kan styrke den variable ytelsen fra vind- og solparker eller øke kapasiteten til maksiserte utstasjoner som leverer strøm til lokale bydeler. Når den er plassert i eller i nærheten av bygninger, kan lagring av energi gi sikkerhetskopiering under et strømbrudd. Mange av disse applikasjonene krever imidlertid en enhet som kan gi strøm i noen timer eller kanskje en halv dag. Og det må gjøres trygt og til lave kostnader.
For lagring i flere timer er det tvingende grunner til å forfølge mekaniske lagringssystemer over elektrokjemiske batterier, sier bransjeledere. Batterier krever dyrere materialer, for eksempel litium eller kobolt, som kan være underlagt forsyningsbegrensninger. I motsetning til et mekanisk system, reduseres lagringsevnen for et oppladbart batteri over tid, slik de fleste bærbare brukere har opplevd.
Så er det innovasjonstakten. Generelt er utviklingen i batteriforskning langsom - målt i år, snarere enn måneder - og ytelsesforbedringer er ofte trinnvis. Å lage nye typer batterier i stort volum krever store investeringer på forhånd i fabrikker. Derimot kan et innovativt mekanisk system settes sammen fra litt modifiserte motorer, industrielle gasstanker og annet utstyr som allerede er godt forstått og produsert i stor skala.
"Det er en slags [a] systemintegrasjonsutfordring, i stedet for å måtte oppfinne og bygge et bestemt apparat for at det hele skal fungere, " sier Gareth Brett, administrerende direktør for London-baserte Highview Power Storage, som bruker flytende luft - lufttrykk og avkjølt til den blir flytende - for å lagre energi på nettet. "Vår åndsverk ligger i hvordan systemet er konstruert og samlet på en måte som er effektiv og til lave kostnader."
Når det gjelder lagring av strøm til bruk på kraftnettet, regnes vannkraft for pumpelager som gullstandarden - en relativt billig teknologi som har levert energi i USA i mer enn 80 år. Som navnet tilsier pumpes vann oppover til et reservoar når etterspørselen etter elektrisitet er lav, og slippes ut når det er nødvendig for å generere strøm gjennom en vannkraftturbin. Pumpede vannstasjoner kan levere store kraftutbrudd i flere timer, slik at nettoperatører kan fylle hull i strømforsyningen uten å måtte tappe fossile brennstoffforbrenningskraftverk. De er imidlertid for det meste begrenset til fjellterreng, som gir høydeforbedringen mellom reservoarene, og miljøvurderinger tar mange år.
Den andre velprøvde, rimelige lagringsmetoden for bulk er trykkluftlagring, eller CAES, der kompressorer pumper luft inn i underjordiske huler. Når strøm er nødvendig, frigjøres trykkluften og varmes opp ved å brenne naturgass. Den luften sprenges deretter inn i en turbin for å generere strøm. Det er to geologiske lagringsanlegg for trykkluftenergi i verden, inkludert et åpnet i Tyskland i 1978 og et annet åpnet i Alabama i 1991. Begge enhetene opererer fortsatt og anses som vellykkede. Men ingen andre er bygget fordi det er vanskelig å finne steder med en passende geologisk formasjon og å finansiere disse prosjektene. Et tredje anlegg kunne bli med i sine rekker i Texas, med planer om et prosjekt på 200 millioner dollar for å lagre opptil 317 megawatt - sammenlignbart med produksjonen fra et mellomstort kraftverk.
Innovatører ved energistarter har hentet inspirasjon fra begge disse teknikkene og forgrener seg i en rekke retninger. SustainX og Berkeley, California-baserte LightSail Energy, foreslår å komprimere luft for lagring, men oppbevar den i tanker over bakken, noe som betyr at de ikke er begrenset til steder med underjordiske huler. Newton, Massachusetts-baserte General Compression, har utviklet et lagringssystem for trykkluft som festes direkte til vindmøller.
Den viktigste forskjellen fra tradisjonelle CAES i disse tilnærmingene, kalt isotermisk lagring av trykkluftenergi, er at ingen drivstoff trenger å bli brent på stedet. I stedet fanger og gjenbruker disse andre generasjon CAES selskapene varmen som genereres når luft blir satt under høyt trykk. LightSail Energy har til hensikt å spraye en fin tåke med vann når luften komprimeres og lagre det varme vannet til senere. Når luft frigjøres for å generere strøm, varmer varmtvannet, i stedet for en naturgassbrenner, luften gjennom en varmeveksler.
En potensielt billigere CAES-tilnærming er lagring av trykkluft i stoffposer under vann. Når du oppbevarer luft i ståltanker, må stålet være tykt nok til å inneholde høytrykksluft. Men vanntrykk kan gjøre jobben i stedet - gratis. Mens han jobbet ved soloppstart, forutså den tidligere rakettingeniøren Scott Frazier behovet for et billig lagringssystem som kunne plasseres nesten hvor som helst. Og i 2010 grunnla han et selskap, Bright Energy Storage Technologies, for å forfølge ideen om å lagre trykkluft i store blærer forankret til havbunnen eller i bunnen av ferskvannsreservoarer.
"Hvis jeg har en tank over bakken, må du betale mer for høyere trykk. Jo mer luft jeg pumper i, jo mer stål trenger jeg - det er ganske lineært, " sier Frazier. Selskapets første prototype, bygget for den amerikanske marinen på Hawaii, vil bruke en modifisert lastebilmotor for å presse luft i tanker over bakken. Hvis maskinens mekanikk viser seg praktisk, planlegger selskapet og marinen å bygge en andre prototype som lagrer luft under vann.
Enda enklere bulklagringsdesign vil utnytte tyngdekraften på samme måte som pumpede vannstasjoner gjør. Advanced Rail Energy Storage, med base i Santa Barbara, California, søker å bygge prosjekter der energien fra sol- eller vindparker vil presse et tog med vogner opp en bakke når det er lite etterspørsel etter energi på nettet. Når det trengs mest strøm, ville jernbanevognene kjørt nedover og generert strøm. De elektriske trekkmotorene som skyver bilene oppover kjører i revers når de går nedover og fungerer som generatorer, på samme måte som en hybridbil lader et batteri under bremsing. I et lignende konsept bygde EnergyCache, grunnlagt av en MIT-maskiningeniør og finansiert av Bill Gates, et demonstrasjonslagringssystem der grus blir transportert opp og nedover ved hjelp av modifisert skiheisutstyr.
I det tiår gamle området med oppbevaring av pumpet vann er det også nye ideer, inkludert lagring av vann i akviferer eller lokaliseringsanlegg ved havet, slik ett selskap i Japan allerede har gjort. Disse tilnærmingene bruker den samme grunnleggende konfigurasjonen - et kunstig reservoar på et høyt sted ved siden av et lavere reservoar - men kan potensielt bygges flere steder. Mest ambisiøse er forslag om å bygge en "energiøy" i Nordsjøen utenfor den nederlandske eller belgiske kysten. Ideen er å bygge en kunstig øy med et reservoar og bruke den overskytende energien som genereres av vindturbiner på lave etterspørselstider for å pumpe vann til lagring.
Alle disse nyvinningene starter med billige materialer, men får etter hvert den samme tekniske utfordringen: effektivitet. Hvis mye energi går tapt ved å konvertere strøm til trykkluft eller lagret vann og tilbake igjen, går kostnadene opp. På dette området konkurrerer batteriene veldig bra: Noen typer er mer enn 90 prosent effektive når det gjelder lading og utladning.
Trikset, for mekanisk lagring, er å øke effektiviteten på så mange måter som mulig. Med luftlagring betyr det ofte å utnytte varmen bedre. Mens isotermiske CAES-utviklere som LightSail fanger opp varme som genereres fra komprimering av luft, høster andre innovatører varme fra utenfor kilder som ellers ville gå til avfall. På sitt demonstrasjonsprosjekt i nærheten av London rør Highview Power Storage rør i spillvarme fra et nærliggende kraftverk når konvertert lagret flytende luft til høytrykksgass, som gjør en turbin til å lage strøm. Ved å bruke en rekke teknikker, til og med å lagre kald luft i grus for å hjelpe kjøleprosessen, kan Highview Power Storage få energiomsetningseffektivitet til over 70 prosent, sier han.
Highviews pilotanlegg på 300 kilowatt flytende luftenergi (LAES) i Slough, Storbritannia. (Foto: Highview Power Storage) Et mekanisk system kan ikke samsvare med de beste batteriene om effektivitet, men det går glipp av poenget, sier Richard Brody, tidligere visepresident for forretningsutvikling i SustainX. Viktigere, spesielt for lagringstimer i flere timer, er den relativt lave kostnaden på forhånd og det faktum at mekaniske systemer kan kjøre i flere tiår uten å miste lagringskapasiteten. En godt innstilt maskin med grunnleggende ingredienser - stål, luft, vann og grus - vil ikke forringe måten de kjemiske forbindelsene i batterielektroder gjør over tid, sier talsmenn for mekanisk lagring. "Vi har ikke sett noen elektrokjemisk [batteri] -teknologi som kan gjøre det vi kan gjøre i omfanget og systemlivet vi snakker om, " sier Brody. "Vi synes det er upraktisk å gjøre ting med megawatt-skala med noen av disse cellebaserte batterisystemene."
Gitt potensialet for utbredt energilagring på nettet, fortsetter tilnærminger ved å bruke lave omkostningsmaterialer alvorlig oppmerksomhet. I tillegg til en rekke oppstarter, jobber mange forskere med komprimert eller flytende luft. University of Birmingham i Storbritannia opprettet for eksempel et forskningssenter for kryogen energilagring og et konsortium ledet av det tyske verktøyet RWE har forpliktet 40 millioner euro (53 millioner dollar) i løpet av tre og et halvt år for å utvikle en høyeffektiv CAES system som vil lagre varme fra kompresjonsprosessen i store termoslignende kar fylt med keramisk materiale.
Denne grenen med lagringsteknologi kan også hjelpe transport. Ingeniørselskapet Ricardo har to prosjekter for å utforske hvordan flytende luft kan forbedre effektiviteten til forbrenningsmotorer. Peugeot Citroen, blant andre bilprodusenter, forfølger en metode for å bruke en trykkluftlagringstank for effektivt å fungere som et batteri ville gjort i en hybrid personbil. Mye av appellen er at tilgjengeligheten av deler og infrastruktur er klar, sier Dr. Andrew Atkins, teknologisjef for Ricardo. "Du har ingen problemer med forsyningskjeden, " sier han. "Tross alt handler luft om oss."
