El volante ha desaparecido del radar de muchas personas desde que el líder de la industria, Beacon Power, declarado en bancarrota en 2011. Aunque la empresa revivido poco después, y otros competidores se unieron al mercado desde entonces, el regreso del volante a la corriente principal aún no ha sucedido. Pero una startup espera cambiar eso.
Una batería de volante almacena energía eléctrica convirtiéndola en energía cinética utilizando un motor para hacer girar un rotor. El motor también funciona como generador; la energía cinética se puede convertir de nuevo en energía eléctrica cuando sea necesario.
Si bien el interés por los volantes se disparó a fines de la década de 1990 y en la de 2000, tuvo deficiencias. Estas primeras baterías de volante eran malas para almacenar energía durante largos períodos. Entonces, los volantes en ese momento se usaban más para el almacenamiento de energía a corto plazo, proporcionando energía de respaldo de cinco a diez minutos en los centros de datos, por ejemplo. Y Beacon Power, antes de su quiebra, se centró en gran medida en el uso de volantes como reguladores de frecuencia para redes eléctricas.
Pero Ben Jawdat, fundador y director ejecutivo de Revterra, una startup de volantes con sede en Texas, cree que su compañía ha superado las deficiencias, haciendo que los volantes sean capaces de almacenar energía a largo plazo para energía renovable.
La tecnología de Revterra es posible gracias a los desarrollos en tres áreas clave: materiales de rotor, motores-generadores y cojinetes. Las mejoras en las aleaciones metálicas y los materiales compuestos mejoraron la resistencia de los rotores, permitiéndoles girar a altas velocidades de manera más confiable. Y la nueva generación de motores-generadores reduce la pérdida de energía del sistema al cambiar su reluctancia magnética (análoga en un circuito magnético a la resistencia eléctrica en uno eléctrico) para detener las fugas de energía mientras está inactivo y hacer que la entrada y salida de energía sean más eficientes.
Pero el desarrollo tecnológico más importante está en el rodamiento, dice Jawdat. Los sistemas de almacenamiento de volante anteriores utilizaban cojinetes mecánicos, como cojinetes de bolas, donde el cojinete toca físicamente el rotor, o cojinetes magnéticos activos, que eliminan la fricción a costa de sistemas de control complejos y que consumen mucha energía. Ambas opciones, en última instancia, dan como resultado que una cantidad significativa de energía mecánica del rotor se pierda como calor residual.
Revterra utiliza cojinetes magnéticos pasivos que pueden mantener un rotor en equilibrio sin un control externo que consume la energía adicional, lo que mejora la eficiencia energética aún más al eliminar el consumo de energía del propio cojinete.
Foto: Revterra
El volante de Revterra girando dentro de la cámara de vacío mientras levita magnéticamente, como se ve a través de una ventana de vidrio hermética al vacío.
El secreto es utilizar el superconductor de alta temperatura como cojinete. Este truco no solo permite que el rodamiento levante un rotor muy pesado (el rotor a escala comercial de Revterra pesará siete toneladas), sino que también reduce las pérdidas de energía gracias a la capacidad inherente del rodamiento para atrapar el campo magnético que mantiene el rotor en su lugar. El sistema de volante de inercia de 100 kWh de Revterra perderá solo 50 vatios cuando esté inactivo. En comparación, muchos volantes consumen más de 1000 vatios, según Jawdat. Entonces, si carga la batería del volante completamente y la descarga completamente, solo perderá alrededor del 10% de la energía, agrega.
Las mejoras en la fabricación de superconductores los han hecho más prácticos para aplicaciones comerciales. Y, dice Jawdat, el diseño de Revterra solo requiere una pequeña cantidad de material superconductor, mantenido a una temperatura de alrededor de -196 C, o 77 K, mediante un enfriador criogénico estándar, que, al ser libre de criógeno, no requiere líquido. nitrógeno. Mientras tanto, la gran mayoría del sistema de volante se mantiene a temperatura ambiente.
Los volantes ahora están regresando en un momento en que el impulso a la energía renovable está aumentando en los EE. UU. Un objetivo clave para el clima de la administración Biden es hacer de EE. UU. Una economía de energía 100% limpia con emisiones netas cero para 2050. Y California, la quinta más grande economía del mundo si se tratara de un país: lo convirtió en una ley estatal para alcanzar una meta de energía 100% renovable para 2045.
Toda esa energía renovable también necesitará almacenamiento en la red. Por lo que hay muchos contendientes. Pero cada tecnología líder de almacenamiento a escala de red no está exenta de inconvenientes, dice Jawdat. Las baterías químicas se degradan con el tiempo, y los problemas de cobalto de iones de litio y otros desafíos de abastecimiento no facilitan el desafío de las baterías asequibles a escala de red. Otra técnica popular, el almacenamiento de energía con aire comprimido, es más barata que las baterías de iones de litio, pero tiene una eficiencia energética muy baja, alrededor del 50%.
Aquí es donde Jawdat ve una oportunidad de mercado. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de volante esencialmente duran para siempre. “Puede cargar y descargar todo el día todos los días durante 30 años, y su [flywheel] la batería seguirá teniendo el 100% de su capacidad ”, dice Jawdat. “Con las baterías químicas, debe seguir reemplazándolas cada cinco o diez años”, lo que aumenta el costo del uso a largo plazo.
Con la ayuda de fondos de la National Science Foundation, Revterra construyó y probó un prototipo funcional de un sistema de volante de inercia de 1 kW. Y Jawdat y su equipo han estado trabajando en un sistema de 100 kWh a escala comercial.
“Necesitamos una forma de almacenar grandes cantidades de energía sin crear mucho impacto ambiental negativo adicional si realmente vamos a hacer la transición a fuentes de energía renovables de bajas emisiones”, dice Jawdat. “Creo que se está trabajando mucho en esto, y [flywheels have] muy prometedora como solución de almacenamiento de energía limpia “.
Nota: Esta historia ha sido actualizada (7 de abril, 5:30 pm EST) para reflejar información adicional y contexto proporcionado por Revterra sobre superconductores y levitación magnética en la industria de almacenamiento de volantes.