Vi har været så fokuseret på kemiske lagringssystemer på det seneste, at nogle af os har glemt andre gamle, tilsyneladende mere effektive, mekaniske batterier.
Et sådant batteri er svinghjulet. Der er blevet gennemført adskillige vellykkede eksperimenter i de sidste 50 år, og svinghjulets anvendelsesmuligheder har været lige fra at fungere som UPS til et hospital til at sætte et helt tog i bevægelse og derefter til marchhastighed, alene ved hjælp af dets kraft.
Hvordan fungerer et mekanisk batteri? Har du nogensinde repareret din cykel, og mens den sad på hovedet, drejet pedalerne, så hjulet kom op på et højt omdrejningstal? Hvis du gjorde det, har du måske bemærket, at du ved at forsøge at stoppe hjulet udøver en kraft på det. Hvad betyder det? Der er energi lagret i hjulets rotationsbevægelse, energi, der taber sig selv gennem friktion (og muligvis varme).
Smarte fyre fandt på at bruge denne rotationsenergi fra et svinghjul og få den til at gøre noget nyttigt. Det er dog gammel teknologi, at der er blevet skrevet om den for århundreder siden.
Så forskerne skabte stålrør, satte dem på magnetiske lejer (rørets forbindelse til statoren foregik gennem et magnetfelt for at mindske friktionen) og drejede den til op til 50.000 omdrejninger i minuttet. Når det var nødvendigt, brugte de denne rotationskraft til at lave elektricitet (på den klassiske måde) og sænkede dens hastighed ved at udvinde energi fra den. Har du ikke fået øjenbrynene op for dette nu? Tja, du tror måske, at svinghjulet stopper hurtigt, men tallene viser, at den typiske energikapacitet ligger mellem 3 kWh og 133 kWh med en lagringseffektivitet på op til 90 %.
Der blev bygget forsøgsbusser i 1950’erne, kaldet “gyrobusser”, og de blev brugt i Yverdon i Schweiz. Der er også blevet bygget prototyper af biler efter dette princip. Nye materialer, f.eks. kulfiber, gør dem mere anvendelige og potente. Jo stærkere svinghjulets materiale er, jo højere er omdrejningshastigheden og den energi, det kan lagre. Det er den eneste alvorlige begrænsning og fare ved svinghjulene. Det kan gå i stykker, hvis det drejes for hurtigt.
Mekaniske batterier er også tidsresistente. En ECE-forsker, Dr. Mark Flynn fra University of Texas i Austin, har designet et svinghjulssystem, der kan holde i 20 år ved kontinuerlig brug.
“Flynns design opfanger bremseenergien og bruger den til det næste hejseværk. Endnu vigtigere er det, at tilføjelsen af et svinghjulsenergilagringssystem sænker spidsbelastningskravene, hvilket sparer energi i tomgangsperioder. Feltforsøg i Kina viste, at når operatørerne brugte et aggregat, der passede til de reducerede effektkrav, og tilføjede et mekanisk batteri, faldt brændstofforbruget med 38 % med betydelige reduktioner i NOx- og PM-emissioner.
Flynns svinghjulsmotorstyring erstatter også de industribatterier, der anvendes af missionskritiske datacentre og hospitaler. “Industrielle batterier er billigere i starten end et svinghjul, men når man medregner vedligeholdelse og det at skulle betale for mere opladning, end man har brug for, for at undgå hyppig udskiftning af batterier, kan en svinghjulsbaseret løsning være betydeligt billigere,” siger Flynn. “Et VYCON-svinghjul holder i 20 år og eliminerer problemet med, hvad man skal gøre med 200 store giftige bly-syre-batterier i stor skala.”
Hospitaler og databackup-centre har ikke råd til strømafbrydelser. Liv og katastrofeberedskab for virksomheder er afhængige af en uafbrudt strøm af energi. Et typisk strømafbrud er meget kortvarigt, og de fleste hospitaler og datacentre har backup-dieselgeneratorer, hvilket betyder, at det ekstra energilager i et industrielt batteri aldrig udnyttes fuldt ud. De fleste strømafbrydelser ligger inden for et svinghjuls kapacitet, men når strømafbrydelsen fortsætter, absorberer svinghjulet skadelige strømafvigelser og overfører derefter elegant til generatoren, hvilket opfylder nødstrømsreglerne, der foreskriver, at aggregater skal være i stand til at overtage belastningen inden for 10 sekunder. Mekaniske batterier har også en højere tolerance over for hurtige cykliske belastninger.”
Med svinghjul har vi et alternativ til kemiske batterier og en impuls til at fortsætte udviklingen af denne interessante teknologi. Jeg kunne f.eks. bruge et svinghjul i lommen til at forsyne min bærbare computers batteri, der lige er ved at være færdigt. Muligheden for at gøre disse ting mobilt, til brug i elbiler eller andre applikationer, er blevet testet, og det er blevet opdaget, at det ville kræve særlige foranstaltninger for ikke at forstyrre bilens stabilitet i kurver. Det vil jeg skrive om i en fremtidig artikel.