Kinetyczny magazyn energii – jak wykorzystać koło zamachowe?

Energia kinetyczna w magazynowaniu prądu – na czym to polega?

Magazynowanie energii elektrycznej w świadomości większości konsumentów funkcjonuje w kontekście chemicznych akumulatorów obecnych choćby w elektronice użytkowej, pojazdach elektrycznych, czy składających się na coraz popularniejsze domowe magazyny energii. Niewiele osób, szczególnie tych niezainteresowanych tematyką wie, że jednym z najefektywniejszych sposobów gromadzenia energii elektrycznej są systemy, które wykorzystują w tym celu inny rodzaj energii – energię kinetyczną. Jest ona jednym z rodzajów energii mechanicznej. W uproszczeniu należy ona do obiektu (ciała) znajdującego się w ruchu i równa jest pracy, jaką należy wykonać, aby obiekt o określonej masie rozpędzić. Im wyższa masa i prędkość obiektu, tym wyższa energia kinetyczna. W jaki jednak sposób energia kinetyczna miałaby służyć do magazynowania energii elektrycznej?

Jednym ze zjawisk fizycznych wykorzystywanych bardzo często choćby w mechanice, jest zamiana energii kinetycznej (lub innej energii mechanicznej) w potencjalną energię elektryczną. Dzięki tej zależności możliwe jest konstruowanie zasobników energii elektrycznej przechowywanej w postaci energii kinetycznej. Rozwiązanie to uwalnia magazyn energii od ograniczeń technologii akumulatorowej, takich jak na przykład efekt pamięci czy uzależnienie sprawności urządzenia od ilości cykli jego ładowania i rozładowywania (żywotności). Kinetyczne magazyny energii nazywane są także zasobnikami energii wirującej, gdyż najczęściej to właśnie ten rodzaj ruchu w nich zachodzi. Obiektem (ciałem), które natomiast doskonale sprawdza się jako kluczowy element kinetycznego magazynu energii, jest znane od wieków koło zamachowe.

Koło zamachowe jako magazyn energii – jak działa?

Konstrukcja koła zamachowego i zalety wykorzystania jego energii kinetycznej znane były już wieki temu. Dość wspomnieć w tym kontekście o kole garncarskim, które działa na tożsamej zasadzie. Dwumasowe koła zamachowe stosowane są także w samochodach i służą redukcji drgań silnika, gdy ten znajduje się na niskich obrotach. Zjawisko konwersji energii kinetycznej w elektryczną i odwrotnie, które można wywołać w trakcie napędzania i wyhamowywania koła zamachowego znalazło się w natomiast w ostatnich latach w polu zainteresowania inżynierów opracowujących alternatywne do akumulatorów technologie magazynowania energii elektrycznej. Dostrzeżono bowiem ogromny potencjał w gęstości energii, jaką może charakteryzować się taki zasobnik, co będzie przekładało się na jego efektywność podczas gromadzenia i oddawania energii elektrycznej.

Koncepcyjne kinetyczne magazyny energii opierające się na kole zamachowym są bardzo proste konstrukcyjnie, co jest ich kolejną zaletą. Budowa większości z nich składa się z kilku podstawowych elementów, choć oczywiście najnowsze propozycje inżynierów rozwijających technologię “flywheel”, czyli technologię koła zamachowego w magazynowaniu energii starają się ją dostosować do potrzeb zarówno podmiotów komercyjnych, jak i prywatnych, którzy zastanawiają się jak magazynować prąd z fotowoltaiki, by było to w ich przypadku najbardziej opłacalne. Do składowych konstrukcyjnych kinetycznego magazynu energii wykorzystującego koło zamachowe należy zazwyczaj zaliczyć:

• Koło (talerz) wykonujący ruch wirujący – wykonane są najczęściej ze stali, betonu lub włókna szklanego w zależności od propozycji projektanta systemu. Masa, kształt i prędkość obrotów będzie składała się na pojemność urządzenia, a więc na to ile energii jest w stanie przechować magazyn;
• Generator (silnik) – wprawia w ruch konstrukcję wirującą. W kinetycznych magazynach energii moc generatora musi być dostosowana do parametrów koła zamachowego, gdyż będzie to wpływało na prędkość obrotów, a tym samym wolumen wytworzonej przy ich wyhamowywaniu energii elektrycznej, która jest w tej fazie cyklu oddawana;
• Magnetyczne łożyska – aktywne łożyska lewitujące wokół rotora to w niektórych systemach kinetycznych magazynów energii jedne z najważniejszych elementów urządzenia. Dlaczego? Ponieważ mają one za zadanie podtrzymywać ruch wirujący koła zamachowego, co wpływa z kolei na wydajność całego systemu. Magnetyczne łożyska redukują współczynnik samorozładowania magazynu do nawet 0,5% na godzinę;
• Obudowa utrzymująca próżnię – bardzo ważnym elementem kinetycznego magazynu energii wykorzystującego koło zamachowe, jest zapewnienie środowiska próżni próżni wewnątrz urządzenia. Dzięki temu może ono pracować w sposób niezakłócony żadnymi czynnikami zewnętrznymi, które redukowałyby na przykład prędkość ruchu wirowego, czy wpływały na rozładowywanie magazynu podczas wyhamowywania elementów będących w ruchu;
• System sterujący – sercem magazynu energii wykorzystującego energię kinetyczną jest oczywiście system sterowania, który reguluje wszystkie procesy zachodzące w urządzeniu. Dodatkowo informuje on użytkownika o statusie i aktualnych parametrach magazynu energii, co pozwala mu na bieżąco kontrolować prawidłowe działanie systemu i modyfikować je zgodnie z potrzebami.

Kinetyczny magazyn energii – przykłady

Technologia wykorzystująca koło zamachowe (ang. flywheel) do magazynowania energii kinetycznych przekształcanej w energię elektryczną od lat interesuje inżynierów firm z różnych branż i gałęzi przemysłu. Dość wspomnieć, że własne rozwiązania w tym obszarze opracowuje choćby NASA, której specjaliści są przekona ni, że zasobniki wykorzystujące koła zamachowe niedługo całkowicie zastąpią akumulatory w zastosowaniach przemysłu kosmicznego. Chodzi tu przede wszystkim o niezależność sprawności kinetycznego magazynu energii od niskich temperatur, wysoką gęstość energii, jaką oferują oraz oczywiście wydłużoną żywotność względem technologii bateryjnych. Swoje propozycje w zakresie magazynów energii typu “flywheel” na światowym rynku przedstawiły już między innymi pochodząca z Kalifornii firma VYCON oraz francuskie przedsiębiorstwo Energiestro.

VYCON Flywheel – zrównoważona efektywność energetyczna

Amerykańska firma VYCON została założona w 2002 roku i od tamtego czasu rozwija technologię magazynowania energii z wykorzystaniem koła zamachowego, chcąc stać się na tym polu światowym liderem. Obecnie produkty marki VYCON znajdują zastosowanie w centrach danych we współpracy z urządzeniami typu UPS celem zapewnienia natychmiastowego i wydajnego zasilania awaryjnego, a także w przemyśle kolejowym do przechwytywania i odzysku energii elektrycznej. Magazyny energii VYCON Flywheel, które znajdują się obecnie w ofercie producenta to dopracowane urządzenia, których konstrukcja jest wynikiem wieloletniego zdobywania doświadczeń i działalności badawczej inżynierów pracujących dla marki. Przykładowy magazyn energii VYCON Flywheel współpracujący z UPS-ami zbudowany jest z kilku elementów pracujących w próżni. Należy do między innymi nich rotor, silnik oraz 5 łożysk magnetycznych ułożonych wertykalnie dla lepszej efektywności.

Kinetyczne magazyny energii VYCON wykorzystujące energię koła zamachowego zamknięte są w estetycznej obudowie, a ich prawidłowe funkcjonowanie kontroluje wydajny system sterowania prezentujący najważniejsze parametry systemu na wbudowanym wyświetlaczu. Innowacyjna technologia opracowana przez amerykańskiego producenta pozwala osiągać wysoką wydajność przez ponad 20 lat pracy urządzenia, którego eksploatacja generuje bardzo niskie koszty. Systemy kół zamachowych VDC i REGEN coraz chętniej wykorzystywane są także, jako źródło awaryjnego zasilania w mikrosieciach chroniąc urządzenia i instalacje przed konsekwencjami przerw w dostawach prądu wywołanych np. przeciążeniem w szczytach zapotrzebowania energetycznego.

Energiestro Flywheel – kinetyczny magazyn energii dla prosumenta

Prawdziwą rewolucją na rynku domowych magazynów energii elektrycznej może się okazać system zaprojektowany i wdrażany przez francuską firmę Energiestro. Kinetyczne magazyny energii tej marki wykorzystują energię kinetyczną koła zamachowego i w zależności od konstrukcji będą oferować pojemności od 10 kWh do nawet 1 MWh. Oznacza to, że zasobniki energii doskonale sprawdzą się w użytku domowym, jak również jako magazyny energii dla firm. Producent w swoim serwisie internetowym podaje nawet dokładne wymiary dla każdego z takich systemów w zależności od pojemności, co pozwala potencjalnym inwestorom zorientować się w ewentualnych możliwościach instalacyjnych kinetycznego magazynu energii.

Wymiary i masa magazynów energii Energiestro Flywheel sprawiają, że urządzenia te z założenia będą montowane pod powierzchnią gruntu. Na ich konstrukcję składają się takie elementy, jak: betonowy cylinder z uzwojeniem z włókna szklanego, silnik (alternator) napędzany energią pochodzącą z fotowoltaiki, kulkowe łożyska na górze i pod betonowym cylindrem, pasywny, magnetyczny ogranicznik umieszczony na samym dole urządzenia oraz uszczelniona obudowa, która ma zapewniać środowisko próżni eliminując tym samym tarcie powietrza podczas ruchu koła zamachowego. Bardzo ważnym elementem kinetycznego magazynu energii Energiestro Flywheel ma być falownik elektroniczny, który przekształca prąd stały pochodzący z generatora fotowoltaicznego na prąd zmienny potrzebny do zasilenia silnika (alternatora) w systemie.

Opracowany przez francuskiego producenta magazyn energii ma wiele zalet, a co za tym idzie duże szanse na zrewolucjonizowanie rynku domowych i komercyjnych zasobników energii elektrycznej. Energiestro wylicza żywotność swojego systemu na około 30 lat użytkowania, choć po 15 latach prawdopodobnie konieczna będzie wymiana falownika. Co istotne w kontekście ekologii, ślad węglowy magazynu energii typu “flywheel” z betonowym cylindrem jest kilkukrotnie niższy od alternatywnych urządzeń ze stalowymi talerzami oraz oczywiście od akumulatorów litowo-jonowych. Odbyło się już kilka pilotażowych testów magazynów energii Energiestro i wszystko wskazuje na to, że w przyszłości należy się spodziewać rynkowej popularyzacji tych urządzeń.

Kinetyczny magazyn energii z kołem zamachowym – zalety i wady

Jednym z największych problemów światowej gospodarki energetycznej jest marnowanie energii wytworzonej ze źródeł tradycyjnych, jak również odnawialnych. Celem balansowania tych strat potrzebne są coraz bardziej efektywne sposoby magazynowania energii elektrycznej i co do słuszności tego kierunku nikt nie powinien mieć już wątpliwości. Akumulatory litowo-jonowe choć wciąż w wielu aspektach niezastąpione, potrzebują alternatyw o wyższej sprawności, żywotności i zredukowanym wpływie ich produkcji i utylizacji na środowisko naturalne. Odpowiedzią na te wyzwania mogą być kinetyczne magazyny energii wykorzystujące energię koła zamachowego. Do niewątpliwych zalet tej technologii należą:

Wysoka gęstość energii przekraczająca w tym obszarze możliwości akumulatorów chemicznych (100-140 Wh/kg);
Długa żywotność uniezależniona od postępującej degradacji ogniw powodującej straty w magazynie energii;
Sprawność dochodząca do 90%, na którą nie wpływają niskie temperatury otoczenia czy inne warunki atmosferyczne;
Brak efektu pamięci objawiającego się spadkiem maksymalnego napięcia akumulatora pomimo zachowania jego mocy;
Bardzo krótki czas reakcji redukujący straty energii;
Samorozładowanie na poziomie 3%/h z możliwością obniżenia do 0,5%/h dzięki zastosowaniu magnetycznych łożysk;
Zminimalizowany ślad węglowy do 10 gramów CO2 na kilowatogodzinę (dla porównania magazyn litowo-jonowy – 40 gramów/kWh).

Przy całym szeregu zalet technologii koła zamachowego w magazynowaniu energii, trzeba zdawać sobie sprawę również z pewnych ograniczeń, jakie niesie ze sobą takie rozwiązanie. Niektóre z nich, jak nieokreślone jeszcze koszty inwestycji dla prosumenta zostaną dooptymalizowane z czasem, jednak spore gabaryty i waga, a przez to ograniczone możliwości instalacji sprawiają, że urządzenia te będą kierowane do konkretnej grupy odbiorców. Kolejne udoskonalenia technologiczne mogą sprawić, że kategoria kinetycznych magazynów energii z wykorzystaniem koła zamachowego stanie się bardziej popularna niż przypuszczają obecnie obserwatorzy rynku. Mnogość zalet tej technologii jest bowiem obiecująca.