Olemme viime aikoina keskittyneet niin paljon kemiallisiin varastointijärjestelmiin, että jotkut meistä unohtavat muut vanhat, näennäisesti tehokkaammilta vaikuttavat mekaaniset akut.
Tällainen akku on vauhtipyörä. Viimeisten 50 vuoden aikana on tehty useita onnistuneita kokeita, ja vauhtipyörän käyttökohteet vaihtelivat sairaalan UPS:nä toimimisesta kokonaisen junan liikkeelle laittamiseen ja sen jälkeen matkanopeuteen vain sen voimalla.
Miten mekaaninen akku toimii? Oletko koskaan korjannut polkupyörääsi, ja sen istuessa ylösalaisin, pyörittänyt polkimia, jolloin pyörä sai korkeat kierrokset? Jos teit niin, olet ehkä huomannut, että yrittäessäsi pysäyttää pyörän, kohdistat siihen voiman. Mitä se tarkoittaa? Pyörän pyörimisliikkeeseen on varastoitunut energiaa, energiaa, joka häviää kitkan (ja mahdollisesti lämmön) kautta.
Ovelat tyypit keksivät käyttää tätä vauhtipyörän pyörimisenergiaa ja saada se tekemään jotain hyödyllistä. Tämä on kuitenkin niin ikivanhaa tekniikkaa, että siitä on kirjoitettu jo vuosisatoja sitten.
Niinpä tiedemiehet loivat teräsputkia, laittoivat ne magneettilaakereihin (putken yhteys staattoriin oli magneettikentän kautta kitkan vähentämiseksi) ja pyörittivät vehjettä jopa 50 000 rpm:iin. Tarvittaessa he käyttivät tuota pyörimisvoimaa sähkön tuottamiseen (klassisella tavalla) ja vähensivät sen nopeutta ottamalla siitä energiaa. Eikö tämä herättänyt jo kulmakarvasi? No, saatat ajatella, että vauhtipyörä pysähtyy nopeasti, mutta luvut osoittavat, että tyypilliset energiakapasiteetit vaihtelevat 3 kWh:sta 133 kWh:iin, ja varastointihyötysuhde on jopa 90 %.
Viisikymmentäluvulla rakennettiin kokeellisia busseja, joita kutsuttiin ”gyrobusseiksi”, ja niitä käytettiin Yverdonissa, Sveitsissä. Myös prototyyppiautoja on rakennettu tällä periaatteella. Uudet materiaalit, kuten hiilikuidut, tekevät niistä käyttökelpoisempia ja tehokkaampia. Itse asiassa mitä vahvempi vauhtipyörän materiaali on, sitä suurempi on sen pyörimisnopeus ja sitä enemmän energiaa se voi varastoida. Tämä on vauhtipyörän ainoa vakava rajoitus ja vaara. Se voi hajota palasiksi, jos sitä pyöritetään liian nopeasti.
Mekaaniset akut kestävät myös aikaa. ECE:n tutkija, tohtori Mark Flynn Teksasin yliopistosta Austinissa suunnitteli vauhtipyöräjärjestelmän, joka kestäisi 20 vuotta jatkuvaa käyttöä.
”Flynnin suunnittelema järjestelmä ottaa jarrutusenergian talteen ja käyttää sen seuraavaan nostoon. Vielä tärkeämpää on, että vauhtipyörän energiavarastoinnin lisääminen alentaa huipputehontarvetta, mikä säästää energiaa joutokäyntien aikana. Kiinassa tehdyt kenttäkokeet osoittivat, että kun operaattorit käyttivät alennettuun tehontarpeeseen sopivaa generaattoria ja lisäsivät mekaanisen akun, polttoaineenkulutus laski 38 prosenttia ja NOx- ja hiukkaspäästöt vähenivät merkittävästi.
Flynnin vauhtipyörämoottorinohjain korvaa myös teollisuusakkuja, joita käytetään kriittisissä tietokeskuksissa ja sairaaloissa. ”Teollisuusakut ovat aluksi edullisempia kuin vauhtipyörä, mutta kun otetaan huomioon huolto ja se, että akun tiheän vaihtamisen välttämiseksi on maksettava enemmän latausta kuin tarvitaan, vauhtipyörään perustuva ratkaisu voi olla huomattavasti edullisempi”, Flynn sanoo. ”VYCON-vauhtipyörä kestää 20 vuotta, ja se poistaa ongelman siitä, mitä tehdä 200 suuren mittakaavan myrkylliselle lyijyakulle.”
Sairaaloilla ja datan varmistuskeskuksilla ei ole varaa sähkökatkoksiin. Yritysten elämät ja katastrofista toipuminen ovat riippuvaisia keskeytymättömästä energiavirrasta. Tyypillinen sähkökatkos on hyvin lyhyt, ja useimmissa sairaaloissa ja datakeskuksissa on varadieselgeneraattorit, mikä tarkoittaa, että teollisuusakkujen ylimääräistä energiavarastoa ei koskaan hyödynnetä täysimääräisesti. Useimmat katkokset ovat hyvin vauhtipyörän suorituskyvyn rajoissa, mutta kun katkos jatkuu, vauhtipyörä vaimentaa vahingollisia tehon poikkeamia ja siirtyy sitten sulavasti generaattorille, mikä täyttää hätäsähköä koskevat määräykset, joiden mukaan generaattoreiden on pystyttävä ottamaan kuorma vastaan 10 sekunnissa. Mekaanisilla akuilla on myös parempi sietokyky nopeille sykleille.”
Vauhtipyörät antavat meille vaihtoehdon kemiallisille akuille ja sysäyksen jatkaa tämän mielenkiintoisen tekniikan kehittämistä. Esimerkiksi minä voisin käyttää taskussa olevaa sellaista kannettavan tietokoneeni juuri viimeistelevän akun virranlähteenä. Mahdollisuutta tehdä näistä vehkeistä liikuteltavia, käytettäväksi sähköautoissa tai muissa sovelluksissa, on testattu, ja on havaittu, että se vaatisi erityistoimenpiteitä, jotta se ei häiritsisi auton vakautta kaarteissa. Kirjoitan siitä tulevassa artikkelissa.