Þess vegna skalt þú lesa greinina
Eftir því sem græn orka frá vindmyllum og sólarsellum verður útbreiddari standa verkfræðingar frammi fyrir vanda. Hvernig ber að geyma umframorku þegar rafmagnsnotkun er lítil? Svissnesk hönnun kann að verða svarið við því.
Hann heldur öllu saman í alheimi og tryggir að fætur okkar séu kyrfilega fastir við jörðina.
Og nú á þyngdarkrafturinn einnig að geyma orku.
Þetta er að minnsta kosti hald fyrirtækisins Energy Vault sem er með eitt skýrt markmið: Það hyggst nýta þyngdarkraftinn til að geyma t.d. þá umframorku frá vindmyllum sem kúnnarnir geta ekki nýtt.
Því hefur Energy Vault hannað sexarma krana sem skagar 70 metra í loft upp yfir svissneska bænum Bellinzona.
Úr krananum dingla 35 tonna þungar steypublokkir og þó að það sjáist ekki við fyrstu sýn, þá virka blokkirnar eins og risavaxnar rafhlöður.
Orka kemur í auknum mæli frá grænum orkuverum og því verðum við að geta geymt hana.
Robert Piconi
Forstjóri, Energy Vault
Kraninn geymir nefnilega umframorkuna í formi svífandi steypublokka sem geta komið að notum á þeim dögum þegar mikil eftirspurn er eftir rafmagni.
Og þetta er alls ekki eina leiðin sem þyngdarkrafturinn getur hjálpað til við grænu orkuskiptin. Í djúpum brunnum og vötnum verður hægt að geyma umframorkuna með svipuðum hætti.
Orkan geymd fyrir rigningardaga
Prinsippið með að nota þyngdarkraftinn eins og rafhlöðu smellpassar inn í loftslagsumræðuna þar sem sjálfbærar orkulindir eins og sólarsellur og vindmyllur eiga að skila grænu rafmagni í staðinn fyrir að það sé framleitt af t.d. kolaorkuverum.
En þessar sjálfbæru orkulindir hafa einn annmarka.
Þegar lygnt er í veðri eða skýjað geta þær verið ófærar um að anna eftirspurn neytenda og á hinn bóginn eru dagar þar sem mikill vindur er og þá framleiða vindmyllurnar mun meira rafmagn en neytendur geta náð að nýta sér gegnum tól sín og tæki.
Greenpeace áætlar sem dæmi að í Kína hafi allt að 17% af grænni orku farið til spillis árið 2016 – en það samsvarar orkunotkun allt að 20 milljón heimila.
Jafnvel í löndum eins og Danmörku, þar sem allt að helmingur rafmagnsins kemur árlega frá vindmyllum, koma þeir tímar þar sem framleiða þarf rafmagn með því að brenna kolaorku.
6.000 heimilum getur kraninn veitt rafmagn með umframorku á einum degi.
Og það er einmitt hér sem lausnir eins og þessi sexarma krani í Sviss koma inn í myndina. Slíkur búnaður getur nefnilega geymt umframorku frá hagfelldum dögum til að nota þegar að verr árar. Þar með forðumst við að þessi græni straumur fari til spillis.
Staflaðar blokkir geyma orku
Kraninn hefur fengið nafnið Commercial Demonstration Unit (CDU) og hefur verið uppfærður árið 2021, þannig að nú má fara að fjöldaframleiða hann.
„Þessum búnaði okkar má koma fyrir alls staðar þar sem tenging er við rafdreifikerfið. Hann virkar þannig að steypublokkum er lyft upp með umframorku frá vindmyllum eða sólarsellum þegar ekki er þörf á henni og síðan eru blokkirnar látnar síga niður aftur þegar þörf er á meira rafmagni,“ segir Robert Piconi, forstjóri Energy Vault.
Tæknin byggir á einfaldri reglu um að það þarf orku til að lyfta hlut upp frá jörðu. Þessi orka getur t.d. komið frá umframorku vindmylla sem knýja þá vélarnar á örmum kranans. Með öflugum stálvírum lyfta vélarnar steypublokkunum upp í loftið og stafla þeim þar upp.
Þegar þörf neytenda á straumi eykst á ný lætur kraninn blokkirnar síga hægt til jarðar. Hreyfingin knýr rafal sem framleiðir rafmagn. Prinsipp þetta er t.d. nýtt í standklukkum þar sem klukkunni er haldið í gangi með lóðum sem draga keðju hægt niður.
Margra tonna blokkir geyma rafmagn
70 metra hár krani, 35 tonna steypublokkir og þyngdarkrafturinn – þetta eru meginþættirnir í nýju kerfi sem á að keppa við rafhlöður og stíflur.
1. Grænn straumur lyftir blokkum upp.
Þegar vindmyllur eða sólarsellur framleiða meira rafmagn en kúnnar þurfa að nota er umframorka notuð til að knýja vélar kranans sem lyfta 35 tonna þungum blokkum upp í loft. Sexarma kraninn staflar blokkunum upp í turn.
2. Háar blokkir veita meiri straum
Því hærra upp í turninum sem blokkin er þess meiri straum má ná úr henni. Þyngdarkraftsverið getur geymt allt að 80 megavattsstundir og sinnt þannig daglegri rafmagnsþörf fyrir 6.000 heimili.
3. Slökun afhleður turninn
Skorti kúnnana meira rafmagn lætur kraninn blokkirnar síga til jarðar sem fær rafal til að snúast og framleiða rafmagn. Þegar búið er að ná allri orku úr kerfinu er blokkunum deilt niður á þrjá minni turna.
Þeirri orku sem kraninn nýtti upprunalega til að lyfta blokkunum upp, er þannig skilað til baka – eða í öllu falli mest af henni því búnaðurinn nýtir ekki orkuna til fulls.
Rafhlöður skemmast í bruna
Þegar búið er að stækka búnaðinn og hann lyftir og slakar margra tonna þungum lóðum nýtast samkvæmt útreikningum Energy Vaults um 75% orkunnar. Það þýðir að langmesti hluti þessa rafmagns sem var upphaflega geymt má þá nýta á ný.
En um fjórðungur orkunnar glatast vegna núningsmótstöðu og hita í vélum og hreyfanlegum hlutum.
75% geymdu orkunnar er hægt að nýta aftur.
Til samanburðar getur litín-jónarafhlaða náð virkni nærri 90 hundraðshlutum en rafhlöðurnar missa getu sína lítillega í hvert sinn sem þær eru hlaðnar á ný. Til lengri tíma er því þyngdarkraftsver því næstum álíka skilvirkt.
Jafnframt fylgir litín-jónarafhlöðum innbyggð áhætta enda getur kviknað í þeim meðan þyngdarkraftsver er mun öruggara hvað það varðar.
Kraninn í svissnesku ölpunum er ekki einn um að nýta þyngdarkraftinn til að geyma rafstraum.
Vinsælasta gerð þyngdarkraftsvers er eins konar vatnsrafhlaða sem kallast Pumped Storage Hydropower (PSH). Í því knýr umframrafmagn dælu sem dælir vatni frá lágt liggjandi lóni upp í annað hærra.
Þegar umframorka myndast dælir orkuverið Cortez-Lamuela á Spáni vatni upp í háttliggjandi lón. Þegar skortur er á rafmagni flýtur vatnið aftur niður og knýr túrbínu.
Þegar nýta skal rafmagnið á ný rennur vatnið aftur niður og knýr á leiðinni túrbínu sem framleiðir rafmagn.
Tveir veikleikar fylgja þó þessari aðferð.
Í fyrsta lagi taka lónin tvö mikið rými og í öðru lagi þarf að vera heppilegur hæðamunur í landslaginu til að PSH virki sem skyldi.
Til samanburðar hefur lausn Energy Vaults ekki þörf á neinum slíkum hæðarmismun í landslaginu og því er hægt að koma búnaðinum fyrir í löndum þar sem lítið er um fjalllendi.
Blokkirnar eru úr jarðvegi staðarins
Þessi sex arma krani getur ekki aðeins geymt græna orku – hann er einnig framleiddur á loftslagsvænan máta; t.d. samanstanda þessar 35 tonna þungu blokkir af sementi blönduðu með efnum sem yfirleitt enda á ruslahaugum.
Það gæti verið efni frá öðrum byggingarsvæðum eða samsett efni úr aflögðum vindmyllum.
Við fót kranans hefur Energy Vault hannað maskínu sem getur pressað saman blokkirnar með mismunandi gerðum af efnum í blöndunni. Aðaluppistaðan er jarðvegur sem er til staðar á svæðinu en það sparar mikla CO2 losun vegna efnisflutninga.
Frá því að kraninn var reistur hefur ein helsta áskorunin falist í að gera samsetningu og staðsetningu blokkanna algjörlega sjálfvirkar.
Stjórnherbergið vaktar sex arma kranans og fylgist m.a. með álaginu í tonnum talið ásamt því hversu hratt sporakerfið flytur gulu griparmana fram og til baka eftir örmum kranans.
Til þess að búnaðurinn verði eins ódýr og mögulegt er í notkun er nefnilega mikilvægt að búnaðurinn geti sjálfur hlaðið upp og skilað orku úr þyngdarkraftsrafhlöðunum án þess að mannshönd komi þar nærri.
Þetta hefur m.a. falið í sér að gripörmunum sem grípa í steypublokkirnar sé stýrt með vélarnámsforriti þar sem tölvan verður sífellt færari í að safna blokkunum saman og stafla þeim, þess oftar sem hún gerir það.
Auk þess fer flutningur á blokkunum eftir örmunum fram með tölvustýringu sem bremsar hægt hreyfinguna niður á við. Ef blokkirnar eru snarbremsaðar af gætu þær farið að sveiflast eins og pendúlar og ógnað jafnvægi kranans.
Sólarselluverkefni í eyðimörkinni
Samkvæmt Energy Vault er raunsætt að úrelda þriggja gígavatta kolaorkuver sem getur annað eftirspurn fyrir milljónir heimila og koma í staðinn upp sólarsellugarði með tilheyrandi þyngdarkraftskerfi þegar árið 2023.
Í glóandi heitri eyðimörkinni í Dubai hyggst fyrirtækið t.d. byggja orkugeymsluna EVx með rafrýmd sem er 30 sinnum meiri en sexarma svissneska frumgerðin og gæti aflað 180.000 heimilum rafmagni á degi hverjum.
EVx á að geta geymt rafmagn frá Solar Park Mohammeds bin Rashid Al Maktoum sem er stærsti sólarsellugarður í einkaeign í heiminum.
Í þyngdarkraftsgeymslunni EVx eru blokkirnar hífðar upp og niður í verksmiðjulíkri byggingu. Hér eru það ekki kranarmar heldur lóðrétt teinakerfi sem hækka og lækka blokkirnar.
Önnur fyrirtæki eru tilbúin að keppa við Energy Vault um markaðinn fyrir þyngdarkraftsrafhlöður.
Eitt þeirra er Gravity Power sem í stað þess að byggja á hæðina stefnir það niður í jörðina, þar sem risastimpli verður sökkt niður í vatnsfullan brunn.
Þegar að ofgnótt er af rafmagni er umframorkan notuð til að knýja dælu sem með þrýstingi frá vatninu einu saman þrýstir stimplinum upp í topp brunnsins. Þegar nýta þarf rafmagnið aftur sekkur stimpillinn hægt niður í brunninn og þrýstir vatninu í gegnum túrbínu sem framleiðir rafmagnið.
Annað fyrirtækið, Gravitricity, hyggst lyfta þyngd sem nemur allt að 12.000 tonnum upp úr djúpum brunni og sökkva henni á ný þegar þörf er á rafmagni. Samkvæmt Gravitricity er skilvirkni þessarar aðferðar um 80 – 90%.
Þessi þyngdarkraftsver eiga það sameiginlegt að vera ákaflega dýr í uppsetningu en langur líftími þeirra – í sumum tilfellum allt að 50 ár – getur með tímanum lækkað kostnaðinn.
Þar með verður þyngdarkrafturinn bæði ódýr, umhverfisvænn og öruggur valkostur við rafhlöður.
