Vi har varit så fokuserade på kemiska lagringssystem på sistone att vi glömt bort andra gamla, till synes mer effektiva, mekaniska batterier.
Ett sådant batteri är svänghjulet. Flera framgångsrika experiment har genomförts under de senaste 50 åren, och svänghjulets användningsområden sträcker sig från att fungera som UPS för ett sjukhus till att sätta ett helt tåg i rörelse och sedan till marschfart, enbart genom dess kraft.
Hur fungerar ett mekaniskt batteri? Har du någonsin reparerat din cykel och, medan den satt upp och ner, snurrat på pedalerna så att hjulet fick ett högt varvtal? Om du gjorde det kan du ha observerat att du genom att försöka stoppa hjulet utövar en kraft på det. Vad betyder det? Det finns energi lagrad i hjulets rotationsrörelse, energi som förlorar sig själv genom friktion (och eventuellt värme).
Smarta killar kom på att använda denna rotationsenergi från ett svänghjul och få den att göra något användbart. Detta är dock gammal teknik som det har skrivits om för århundraden sedan.
Så forskarna skapade stålrör, satte dem på magnetiska lager (rörets anslutning till statorn skedde genom ett magnetfält, för att minska friktionen) och snurrade upp den till upp till 50 000 varv per minut. När det behövdes använde de rotationskraften för att göra elektricitet (på det klassiska sättet) och minskade dess hastighet genom att utvinna energi ur den. Har detta inte fått dig att höja ögonbrynen vid det här laget? Tja, du kanske tror att svänghjulet stannar snabbt, men siffror visar att den typiska energikapaciteten varierar från 3 kWh till 133 kWh, med en lagringseffektivitet på upp till 90 %.
Det fanns försöksbussar som byggdes på 1950-talet, som kallades ”gyrobussar”, och som användes i Yverdon i Schweiz. Även prototyper av bilar har byggts enligt denna princip. Nya material, till exempel kolfiber, gör dem mer användbara och potenta. Faktum är att ju starkare svänghjulets material är, desto högre rotationshastighet och energi kan det lagra. Det är den enda allvarliga begränsningen och faran med svänghjul. Det kan gå sönder i bitar om det snurras för snabbt.
Mekaniska batterier är också tidsbeständiga. En forskare inom ECE, dr Mark Flynn från University of Texas i Austin, har konstruerat ett svänghjulsystem som kan hålla i 20 år vid kontinuerlig användning.
”Flynns konstruktion fångar upp bromsningsenergin och använder den för nästa hissning. Ännu viktigare är att tillägget av ett energilagringssystem med svänghjul sänker toppeffektbehovet, vilket sparar energi under tomgångsperioder. Fältförsök i Kina visade att när operatörerna använde ett aggregat som var lämpligt för de minskade effektkraven och lade till ett mekaniskt batteri, sjönk bränsleförbrukningen med 38 %, med betydande minskningar av NOx- och PM-utsläpp.
Flynns svänghjulsmotorstyrning ersätter också de industriella batterier som används av verksamhetskritiska datacenter och sjukhus. ”Industriella batterier är billigare till en början än ett svänghjul, men när man räknar in underhåll och att man måste betala för mer laddning än vad man behöver för att undvika frekventa batteribyten kan en svänghjulsbaserad lösning vara betydligt billigare”, säger Flynn. ”Ett VYCON-svänghjul håller i 20 år och eliminerar problemet med vad man ska göra med 200 storskaliga giftiga bly-syrabatterier.”
Sjukhus och databackupcenter har inte råd med strömavbrott. Liv och katastrofåterställning för företag är beroende av ett oavbrutet energiflöde. Ett typiskt strömavbrott är mycket kort och de flesta sjukhus och datacenter har reservdieselgeneratorer, vilket innebär att den extra energilagringen i ett industribatteri aldrig utnyttjas fullt ut. De flesta avbrott ligger väl inom ett svänghjuls kapacitet, men när avbrottet kvarstår absorberar svänghjulet skadliga strömavvikelser och övergår sedan elegant till generatorn, vilket uppfyller nödkraftsbestämmelserna som föreskriver att generatoraggregat måste kunna ta över belastningen inom 10 sekunder. Mekaniska batterier har också en högre tolerans för snabba cykler.”
Att ha svänghjul i närheten ger oss ett alternativ till kemiska batterier och en impuls för att fortsätta utvecklingen av denna intressanta teknik. Jag skulle till exempel kunna använda en sådan i fickan för att driva min bärbara dators nyss avslutade batteri. Möjligheten att göra dessa saker mobila, för användning i elbilar eller andra tillämpningar, har testats, och man har upptäckt att det skulle kräva särskilda åtgärder för att inte störa bilens stabilitet i kurvor. Jag kommer att skriva om det i en framtida artikel.