We zijn de laatste tijd zo gefocust op chemische opslagsystemen, dat sommigen ons andere oude, schijnbaar efficiëntere, mechanische batterijen vergeten.
Zulk een batterij is het vliegwiel. Verscheidene succesvolle experimenten zijn uitgevoerd in de laatste 50 jaar, en de toepassingen van het vliegwiel varieerden van het fungeren als een UPS voor een ziekenhuis tot het in beweging brengen van een hele trein om vervolgens op kruissnelheid te komen, alleen door zijn kracht.
Hoe werkt een mechanische batterij? Hebt u ooit uw fiets gerepareerd, en terwijl hij op zijn kop zat, de pedalen rondgedraaid, zodat het wiel een hoog toerental kreeg? Als u dat deed, hebt u misschien opgemerkt dat u, door te proberen het wiel te stoppen, een kracht op het wiel uitoefent. Wat betekent dat? Er is energie opgeslagen in de draaiende beweging van het wiel, energie die zichzelf verliest door wrijving (en eventueel warmte).
Slimme jongens bedachten om deze draaiende energie van een vliegwiel te gebruiken en het iets nuttigs te laten doen. Dit is echter oude technologie, waarover al eeuwen geleden is geschreven.
Dus maakten wetenschappers stalen buizen, zetten die op magnetische lagers (de verbinding van de buis met de stator verliep via een magnetisch veld, om de wrijving te verminderen), en lieten het ding draaien tot wel 50.000 omwentelingen per minuut. Indien nodig gebruikten ze die rotatiekracht om elektriciteit te maken (de klassieke manier), en verminderden ze de snelheid, door er energie aan te onttrekken. Heeft dit nu niet uw wenkbrauw doen fronsen? Wel, u denkt misschien dat vliegwielen snel stoppen, maar uit cijfers blijkt dat typische energiecapaciteiten variëren van 3 kWh tot 133 kWh, met een opslagrendement tot 90%.
Er zijn in de jaren 1950 experimentele bussen gebouwd, “gyrobussen” genoemd, die werden gebruikt in Yverdon, Zwitserland. Ook prototype-auto’s zijn volgens dit principe gebouwd. Nieuwe materialen, zoals koolstofvezels, maken ze bruikbaarder en krachtiger. In feite is het zo dat hoe sterker het materiaal van het vliegwiel is, hoe hoger de rotatiesnelheid en de energie die het kan opslaan. Dat is de enige ernstige beperking en het enige gevaar van vliegwielen. Het kan in stukken breken als het te snel wordt rondgedraaid.
Mechanische batterijen zijn ook tijdbestendig. Een ECE-onderzoeker, Dr. Mark Flynn, van de Universiteit van Texas in Austin, ontwierp een vliegwielsysteem dat 20 jaar continu gebruik zou kunnen doorstaan.
“Flynn’s ontwerp vangt de remenergie op en gebruikt die voor de volgende hijs. Nog belangrijker is dat de toevoeging van een energieopslagsysteem op het vliegwiel de piekvermogenseisen verlaagt, waardoor energie wordt bespaard tijdens onbelaste perioden. Veldtesten in China toonden aan dat wanneer exploitanten een aggregaat gebruikten dat geschikt was voor de verminderde vermogensvereisten en een mechanische batterij toevoegden, het brandstofverbruik met 38% daalde, met een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van NOx en PM.
Flynn’s vliegwielmotorcontroller vervangt ook de industriële batterijen die worden gebruikt door bedrijfskritische datacentra en ziekenhuizen. “Industriële batterijen zijn in eerste instantie goedkoper dan een vliegwiel, maar wanneer je rekening houdt met onderhoud en het moeten betalen voor meer lading dan je nodig hebt om frequente vervanging van batterijen te voorkomen, kan een op vliegwielen gebaseerde oplossing aanzienlijk goedkoper zijn,” zegt Flynn. “Een VYCON-vliegwiel gaat 20 jaar mee en elimineert het probleem van wat te doen met 200 grootschalige, giftige loodzuuraccu’s.”
Ziekenhuizen en gegevensback-upcentra kunnen zich geen stroomonderbrekingen veroorloven. Levens en noodherstel voor bedrijven zijn afhankelijk van een ononderbroken energiestroom. Een typische stroomonderbreking is zeer kort en de meeste ziekenhuizen en datacentra hebben back-up dieselgeneratoren, wat betekent dat de extra energieopslag van een industriële batterij nooit volledig wordt gebruikt. De meeste stroomstoringen vallen ruim binnen de mogelijkheden van een vliegwiel, maar als de stroomstoring aanhoudt, absorbeert het vliegwiel schadelijke stroomstoringen en schakelt dan over op de generator – waarmee wordt voldaan aan de voorschriften voor noodstroomvoorziening die voorschrijven dat generatoren de belasting binnen 10 seconden moeten kunnen overnemen. Mechanische batterijen hebben ook een hogere tolerantie voor snelle cycli.”
Het hebben van vliegwielen in de buurt geeft ons een alternatief voor chemische batterijen, en de impuls om door te gaan met de ontwikkeling van deze interessante technologie. Bijvoorbeeld, zou ik een zak een te gebruiken om de net klaar batterij van mijn laptop macht. De mogelijkheid om deze dingen mobiel te maken, voor gebruik in elektrische auto’s of andere toepassingen, is getest, en men heeft ontdekt dat er speciale maatregelen nodig zijn om de stabiliteit van de auto in bochten niet te hinderen. Ik zal daar in een toekomstig artikel over schrijven.