Jesteśmy ostatnio tak skupieni na chemicznych systemach magazynowania energii, że niektórzy z nas zapominają o innych starych, pozornie bardziej wydajnych, bateriach mechanicznych.
Takim akumulatorem jest koło zamachowe. W ciągu ostatnich 50 lat przeprowadzono kilka udanych eksperymentów, a zastosowania koła zamachowego sięgały od działania jako zasilacz UPS dla szpitala do wprawienia całego pociągu w ruch, a następnie do prędkości przelotowej, tylko dzięki jego mocy.
Jak działa bateria mechaniczna? Czy kiedykolwiek naprawiałeś swój rower i siedząc do góry nogami, kręciłeś pedałami, aby koło osiągnęło wysokie obroty? Jeśli tak, to być może zaobserwowałeś, że próbując zatrzymać koło, wywierasz na nie siłę. Co to oznacza? Istnieje energia przechowywana w ruchu obrotowym koła, energia, która traci się przez tarcie (i, być może, ciepło).
Mądrzy faceci pomyśleli o wykorzystaniu tej energii obrotowej z koła zamachowego i zrobić coś użytecznego. Jest to jednak starożytna technologia, o której pisano już wieki temu.
Naukowcy stworzyli więc stalowe rury, umieścili je na łożyskach magnetycznych (połączenie rury ze stojanem odbywało się poprzez pole magnetyczne, aby zmniejszyć tarcie), i obracali rzecz do 50 000 obrotów na minutę. W razie potrzeby, używali tej siły obrotowej do wytwarzania elektryczności (w klasyczny sposób), oraz zmniejszali jej prędkość, pobierając z niej energię. Czy do tej pory nie podniosło to Twojej brwi? Cóż, możesz myśleć, że koło zamachowe szybko się zatrzymuje, ale liczby pokazują, że typowe pojemności energii wahają się od 3 kWh do 133 kWh, z wydajnością magazynowania do 90%.
W latach 50-tych XX wieku zbudowano eksperymentalne autobusy, zwane „żyrobusami”, które były używane w Yverdon w Szwajcarii. Również prototypowe samochody zostały zbudowane na tej zasadzie. Nowe materiały, takie jak włókna węglowe, czynią je bardziej użytecznymi i silnymi. W rzeczywistości, im mocniejszy jest materiał koła zamachowego, tym wyższa jest jego prędkość obrotowa i tym więcej energii może ono zmagazynować. Jest to jedyne poważne ograniczenie i niebezpieczeństwo związane z kołami zamachowymi. Może ono pęknąć na kawałki, jeśli obraca się zbyt szybko.
Baterie mechaniczne są również odporne na działanie czasu. Dr Mark Flynn z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin zaprojektował koło zamachowe, które może wytrzymać 20 lat ciągłego użytkowania.
„Projekt Flynna przechwytuje energię hamowania i wykorzystuje ją do następnego podnoszenia. Co ważniejsze, dodanie systemu magazynowania energii z kołem zamachowym obniża szczytowe zapotrzebowanie na moc, co pozwala oszczędzać energię podczas okresów bezczynności. Testy terenowe w Chinach wykazały, że gdy operatorzy używali agregatu prądotwórczego odpowiedniego dla zmniejszonych wymagań mocy i dodali akumulator mechaniczny, zużycie paliwa spadło o 38%, przy znacznym zmniejszeniu emisji NOx i PM.
Kontroler silnika z kołem zamachowym firmy Flynn zastępuje również akumulatory przemysłowe używane w centrach danych o znaczeniu krytycznym i szpitalach. „Akumulatory przemysłowe są początkowo tańsze niż koło zamachowe, ale gdy weźmie się pod uwagę koszty konserwacji i konieczność płacenia za większą ilość ładunku niż jest potrzebna, aby uniknąć częstej wymiany baterii, rozwiązanie oparte na kole zamachowym może być znacznie tańsze” – mówi Flynn. „Koło zamachowe VYCON wystarcza na 20 lat i eliminuje problem, co zrobić z 200 wielkogabarytowymi toksycznymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.”
Szpitala i centra zapasowe danych nie mogą sobie pozwolić na przerwy w dostawie prądu. Życie i usuwanie skutków katastrof dla firm zależy od nieprzerwanego przepływu energii. Typowa przerwa w dostawie prądu jest bardzo krótka, a większość szpitali i centrów danych posiada zapasowe generatory diesla, co oznacza, że dodatkowa pamięć akumulatorów przemysłowych nigdy nie jest w pełni wykorzystywana. Większość przerw w dostawie prądu jest w zasięgu możliwości koła zamachowego, ale gdy przerwa trwa dłużej, koło zamachowe absorbuje szkodliwe anomalie w dostawie prądu, a następnie z gracją przekazuje energię do generatora – spełniając wymagania przepisów dotyczących zasilania awaryjnego, które wymagają, aby agregaty były w stanie przejąć obciążenie w ciągu 10 sekund. Baterie mechaniczne mają również większą tolerancję na szybkie cykle.”
Mając koła zamachowe wokół daje nam alternatywę dla baterii chemicznych, a impuls do dalszego rozwoju tej interesującej technologii. Dla przykładu, mógłbym użyć kieszonkowego do zasilania właśnie kończącej się baterii mojego laptopa. Przetestowano możliwość uczynienia tych rzeczy mobilnymi, do wykorzystania w samochodach elektrycznych lub innych zastosowaniach, i odkryto, że wymagałoby to specjalnych środków, aby nie zaburzać stabilności samochodu na zakrętach. Napiszę o tym w przyszłym artykule.