Di belakang bengkel saiz gudang, kira-kira sedozen jurutera dalam hardhats sedang membina sebuah mesin gergasi biru. Enam silinder, masing-masing lebih tinggi daripada satu orang, dan satu tiub tiub, paip dan injap melambung ke atas dari enjin diesel marin yang dikelilingi oleh perancah tiga tingkat.
Dihadapi oleh permulaan SustainX di Seabrook, New Hampshire, mesin ini direka untuk menyimpan tenaga dengan mengejutkan udara. Motosikal elektrik menghidupkan engkol enjin untuk memandu piston di silinder di atas. Piston memerah campuran udara dan air berbuih dan pam udara bertekanan ke dalam tangki keluli besar di mana ia boleh diadakan seperti musim bunga yang terbentuk. Apabila sebuah utiliti elektrik memerlukan kuasa, tangki akan dibongkar, membenarkan udara terburu-buru keluar, kuasa enjin, dan menjana elektrik untuk pelanggan utiliti.
Taruhannya tinggi. Sekiranya syarikat seperti SustainX dapat menyampaikan sistem yang boleh menyimpan tenaga untuk beberapa jam seketika, ia akan menjadikan angin dan solar menjadi pembekal kuasa yang boleh dipercayai, lebih seperti tumbuhan bahan api fosil. Turut naik turunnya angin dan keluaran suria boleh dilembapkan dan kuasa yang berlebihan dari angin malam, misalnya, boleh dihantar kemudian apabila permintaan lebih tinggi.
Mesin SustainX dan yang lain seperti itu berada di pinggir teknologi perlumbaan teknologi dalam simpanan tenaga. Kerja syarikat, yang disokong lebih daripada $ 30 juta dalam dana swasta dan kerajaan, mewakili pertaruhan bahawa jurutera pintar yang menggunakan bahan murah dan mudah seperti udara dan air akan mengalahkan legiun saintis yang mengejar penemuan bateri.
Mesin SustainX, yang digambarkan di sini pada bulan Mei 2013, menggunakan teknologi udara termampat isotermik untuk menyimpan tenaga. (Foto: SustainX) Storan tenaga menarik banyak perhatian kerana penembusan dalam kos dan prestasi boleh menjadikan pembersih grid elektrik dan lebih dipercayai. Setiap hari, utiliti mengendalikan tindakan pengimbangan berterusan: untuk memastikan perkhidmatan yang boleh dipercayai, jumlah kuasa yang dihasilkan di loji kuasa perlu dipadankan dengan apa yang sedang digunakan di rumah dan perniagaan. Sekiranya terdapat peningkatan permintaan dari penghawa dingin pada hari musim panas, contohnya, loji janakuasa perlu mengeluarkan lebih banyak tenaga elektrik dan mendailnya semula apabila permintaan turun pada waktu malam.
Storan tenaga berfungsi sebagai simpanan, atau akaun bank tenaga. Sepanjang masa permintaan puncak, storan boleh memberi kuasa di tempat "petani" tumbuhan bahan api fosil. Teknologi ini dapat menstabilkan output berubah-ubah dari angin dan ladang suria atau menambah kapasiti pencawang maksimal yang memberikan kuasa kepada kawasan setempat. Apabila diletakkan di dalam atau berhampiran bangunan, storan tenaga dapat menyediakan sandaran semasa gangguan kuasa. Kebanyakan aplikasi ini, bagaimanapun, memerlukan peranti yang dapat memberikan kuasa selama beberapa jam atau mungkin setengah hari. Dan ia perlu dilakukan dengan selamat dan dengan kos yang rendah.
Untuk simpanan berjam-jam, terdapat sebab-sebab yang menarik untuk meneruskan sistem penyimpanan mekanikal ke atas bateri elektrokimia, kata eksekutif industri. Bateri memerlukan bahan yang lebih mahal, seperti lithium atau kobalt, yang boleh dikenakan kekangan bekalan. Tidak seperti sistem mekanikal, kapasiti storan bateri yang boleh dicas semula berkurangan seiring dengan masa, kerana kebanyakan pengguna komputer riba telah mengalami.
Kemudian ada kadar inovasi. Secara umum, kadar perkembangan dalam penyelidikan bateri adalah perlahan dalam tahun-tahun, berbanding bulan-bulan dan penambahbaikan prestasi sering bertambah. Juga, membuat jenis bateri baharu dalam jumlah yang besar memerlukan pelaburan terdepan yang besar di kilang-kilang. Sebaliknya, sistem mekanikal yang inovatif boleh dipasang dari enjin yang diubah suai, tangki gas perindustrian, dan peralatan lain yang sudah difahami dan dihasilkan secara besar-besaran.
"Ini semacam cabaran integrasi sistem, bukannya untuk mencipta dan membina alat tertentu untuk menjadikannya semua berfungsi, " kata Gareth Brett, Ketua Pegawai Eksekutif London Highview Power Storage, yang menggunakan tekanan udara cair dan disejukkan sehingga ia menjadi cecair untuk menyimpan tenaga pada grid. "Harta intelektual kami adalah bagaimana sistem itu direkabentuk dan dibawa bersama dengan cara yang efisien dan kos rendah."
Apabila ia datang untuk menyimpan elektrik untuk digunakan pada grid kuasa, pam hidroelektrik pam pam dianggap standard emas-teknologi yang agak murah yang telah menyampaikan tenaga di Amerika Syarikat selama lebih daripada 80 tahun. Seperti namanya, air dipam naik ke takungan apabila permintaan elektrik rendah, dan dibebaskan apabila diperlukan untuk menjana elektrik melalui turbin hidroelektrik. Stesen hidro yang dipanaskan boleh menyebarkan kuasa besar selama beberapa jam, membolehkan pengendali grid mengisi kekosongan bekalan elektrik tanpa perlu mengetuk tumbuh-tumbuhan kuasa pembakaran bahan bakar fosil. Mereka kebanyakannya terhad, ke kawasan pergunungan, yang memberikan kenaikan ketinggian yang diperlukan di antara takungan, dan tinjauan alam sekitar mengambil masa bertahun-tahun.
Kaedah simpanan pukal yang terbukti lain, yang terbukti adalah penyimpanan terma udara, atau CAES, di mana pemampat mengepam udara ke dalam gua bawah tanah. Apabila kuasa diperlukan, udara bertekanan dikeluarkan dan dipanaskan dengan membakar gas asli. Udara itu kemudian diletupkan ke dalam turbin untuk menjana elektrik. Terdapat dua loji penyimpanan tenaga mampatan geologi di dunia, termasuk satu yang dibuka di Jerman pada tahun 1978 dan satu lagi dibuka di Alabama pada 1991. Kedua-dua unit masih beroperasi dan dianggap berjaya. Tetapi tiada yang lain telah dibina kerana sukar untuk mencari lokasi dengan pembentukan geologi yang sesuai dan untuk membiayai projek-projek ini. Kilang ketiga boleh bergabung dengan mereka di Texas, dengan rancangan memanggil $ 200 juta projek untuk menyimpan sehingga 317 megawatts-sebanding dengan output loji janakuasa bersaiz sederhana.
Inovator pada permulaan tenaga telah mendapat inspirasi dari kedua-dua teknik ini, bercabang dalam pelbagai arah. SustainX dan Berkeley, LightSail Energy yang berpangkalan di California mencadangkan untuk memampatkan udara untuk penyimpanan, tetapi menyimpannya di dalam tangki di atas tanah, yang bermaksud mereka tidak terhad kepada lokasi dengan gua bawah tanah. Pemampatan Umum yang berpangkalan di Newton, Massachusetts telah membangunkan sistem penyimpanan udara termampat yang menyambungkan secara langsung kepada turbin angin.
Perbezaan utama dari CAES tradisional dalam pendekatan ini, yang dipanggil storan tenaga udara termampat isotermal, adalah bahawa tiada bahan api perlu dibakar di tapak. Sebaliknya, syarikat CAES generasi kedua ini menangkap dan menggunakan semula haba yang dihasilkan apabila udara diletakkan di bawah tekanan tinggi. LightSail Energy berhasrat untuk menyemburkan kabus halus air kerana udara dimampatkan dan menyimpan air panas sehingga kemudian. Apabila udara bertekanan dibebaskan untuk menjana elektrik, air panas, dan bukannya pembakar gas semulajadi, memanaskan udara menerusi penukar haba.
Pendekatan CAES yang berpotensi lebih murah ialah menyimpan udara termampat dalam beg kain bawah air. Apabila menyimpan udara dalam tangki keluli, keluli perlu cukup tebal untuk mengandungi udara tekanan tinggi. Tetapi tekanan air boleh melakukan tugas itu-secara percuma. Sewaktu bekerja di permulaan solar, bekas jurutera roket Scott Frazier meramalkan keperluan untuk sistem simpanan murah yang boleh diletakkan hampir di mana saja. Dan pada tahun 2010, beliau telah mengasaskan sebuah syarikat, Bright Energy Storage Technologies, untuk mengejar idea menyimpan udara termampat dalam khemah besar yang berlabuh di dasar lautan atau di bawah takungan air tawar.
"Jika saya mempunyai tangki di atas tanah, anda perlu membayar lebih banyak untuk tekanan yang lebih tinggi. Semakin banyak udara yang saya pam, lebih banyak keluli yang saya perlukan-itu cukup linear, " kata Frazier. Prototaip pertama syarikat, yang dibina untuk Tentera Laut Amerika Syarikat di Hawaii, akan menggunakan enjin trak yang diubah suai untuk menekan udara dalam tangki di atas tanah. Jika mekanik mesin itu praktikal, syarikat dan Angkatan Laut merancang untuk membina prototaip kedua yang menyimpan udara di dalam air.
Reka bentuk storan pukal yang lebih mudah akan memanfaatkan graviti dengan banyak cara memompa stesen hidro. Advanced Rail Energy Storage, yang berpangkalan di Santa Barbara, California, sedang mencari untuk membina projek-projek di mana tenaga dari ladang solar atau angin akan mendorong keretapi kereta api ke atas bukit apabila terdapat permintaan yang rendah untuk tenaga di grid. Apabila kuasa paling diperlukan, kereta api akan bergerak menuruni bukit dan menjana kuasa. Motor daya tarikan elektrik yang mendorong kereta naik ke belakang apabila terbalik dan beroperasi sebagai penjana, sama seperti kereta hibrida mengenakan bateri semasa brek. Dalam konsep yang sama, EnergyCache, yang diasaskan oleh jurutera mekanikal MIT dan dibiayai oleh Bill Gates, membina sistem storan demonstrasi di mana kerikil diangkut naik dan menurun menggunakan kelengkapan angkat ski yang diubah suai.
Di kawasan hidro hidro yang dipakai selama puluhan tahun, ada juga ide-ide baru, termasuk menyimpan air dalam akuifer atau tanaman di lautan, sebagai satu syarikat di Jepun telah dilakukan. Pendekatan ini menggunakan konfigurasi asas yang sama - takungan buatan di lokasi yang tinggi di sebelah takungan rendah - tetapi mungkin berpotensi dibina di lebih banyak lokasi. Paling bercita-cita adalah cadangan untuk membina sebuah "pulau tenaga" di Laut Utara di luar pantai Belanda atau Belgium. Idea ini adalah untuk membina sebuah pulau buatan dengan takungan dan menggunakan tenaga yang berlebihan yang dihasilkan oleh turbin angin pada masa permintaan yang rendah untuk mengepam air untuk penyimpanan.
Kesemua inovasi ini bermula dengan bahan-bahan murah tetapi akhirnya menjadi cabaran kejuruteraan yang sama: kecekapan. Jika banyak tenaga hilang untuk menukar elektrik kepada udara termampat atau air yang disimpan dan kembali lagi, kos naik. Di kawasan ini, bateri bersaing dengan baik: sesetengah jenis adalah lebih daripada 90 peratus yang cekap dalam mengecas dan menunaikan.
Caranya, untuk penyimpanan mekanikal, adalah untuk merapatkan kecekapan dengan seberapa banyak cara yang mungkin. Dengan penyimpanan udara, yang selalunya bermaksud memanaskan haba dengan lebih baik. Walaupun pemaju CAES isothermal seperti LightSail menangkap haba yang dihasilkan dari udara yang memampatkan, inovator lain memanaskan haba dari sumber luar yang sebaliknya akan membazir. Pada projek demo berhampiran London, paip Penyimpanan Highview Power dalam haba buangan dari loji janakuasa berdekatan apabila menukar udara cecair yang disimpan ke gas bertekanan tinggi, yang menjadikan turbin membuat elektrik. Dengan menggunakan pelbagai teknik, walaupun menyimpan udara sejuk dalam kerikil untuk membantu proses penyejukan, Highview Power Storage boleh mendapatkan kecekapan penukaran tenaga kepada lebih dari 70 peratus, katanya.
Loji penjanaan tenaga udara cecair 300 kilowatt Highview (LAES) di Slough, UK. (Foto: Highview Power Storage) Sistem mekanikal tidak dapat memadankan bateri terbaik pada kecekapan, tetapi itu merindui titik, kata Richard Brody, bekas naib presiden pembangunan perniagaan di SustainX. Lebih penting lagi, terutamanya untuk aplikasi storan berjam-jam, adalah kos pendahuluan yang agak rendah dan hakikat bahawa sistem mekanikal boleh berjalan selama beberapa dekad tanpa kehilangan kapasiti storan. Mesin yang ditala dengan bahan asas-keluli, udara, air, dan kerikil-tidak boleh merendahkan cara sebatian kimia dalam elektrod bateri lakukan dari masa ke masa, kata penyokong simpanan mekanikal. "Kami tidak melihat sebarang teknologi [bateri] elektrokimia yang boleh melakukan apa yang boleh kita lakukan pada skala dan kehidupan sistem yang kita bicarakan, " kata Brody. "Kami fikir ia tidak praktikal untuk melakukan barangan megawatt dengan mana-mana sistem bateri berasaskan sel ini."
Memandangkan potensi penyimpanan tenaga yang meluas di grid, pendekatan menggunakan bahan kos rendah terus menarik perhatian serius. Sebagai tambahan kepada beberapa permulaan, banyak penyelidik bekerja di udara termampat atau cair. Sebagai contoh, Universiti Birmingham di United Kingdom mencipta pusat penyelidikan untuk penyimpanan tenaga kriogenik dan konsortium yang diketuai oleh utiliti Jerman RWE telah melakukan 40 juta Euro ($ 53 juta) lebih tiga setengah tahun untuk membangunkan kecekapan tinggi CAES sistem yang akan menyimpan haba dari proses mampatan dalam kapal besar seperti termos yang penuh dengan bahan seramik.
Cabang teknologi simpanan ini juga dapat membantu pengangkutan. Syarikat kejuruteraan Ricardo mempunyai dua projek untuk mengetahui bagaimana cecair udara dapat meningkatkan kecekapan enjin pembakaran dalaman. Peugeot Citroen, antara pembuat kereta lain, sedang mengejar kaedah untuk menggunakan tangki penyimpanan udara termampat untuk berfungsi secara berkesan sebagai bateri yang akan di dalam kereta penumpang hibrid. Kebanyakan rayuan itu adalah ketersediaan bahagian dan infrastruktur sedia ada, kata Dr. Andrew Atkins, ketua jurutera teknologi di Ricardo. "Anda tidak mempunyai masalah rantaian bekalan, " katanya. "Lagipun, udara adalah tentang kita."
