Lägesenergi - "hissa klump"?

[JohnA]

När de stora pojkarna gräver och dämmer upp har de sedan länge ibland byggt pumpkraftverk, alltså vattenkraftverk som också kan köras "baklänges" under tider på dygnet då elbehovet är mindre än tillgången på el.

http://www.elmuseum.se/?/kraftverk/sillre.htm
https://sv.wikipedia.org/wiki/Pumpkraftverk
https://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity

Wikipedia-artikeln närmast ovan nämner en total verkningsgrad på 70-80%, vilket är mycket högre än jag förväntade. Å andra sidan är detta siffror som gäller vid rejäl stordrift. Skulle man som glad DIY-amatör ge sig på att bygga ett pumpkraftverk för hushållsbruk får man nog vara glad om man ens får några tiotal procent tillbaka av energin man stoppar in i ett sådant system. Vattenpumpar och turbiner får ofta väldigt dålig verkningsgrad i små dimensioner. Men kanske det finns annan teknik som bättre lämpar sig för småskalig lagring av lägesenergi? Hur vore det t.ex. att med återvunnen hydraulik lyfta en jättestor sten någon meter med en väldigt liten hydraulpump, och sedan vid behov vända processen och låta hydraulpumpen driva elmotorn? Hydrauliska system ger väl sällan högre verkningsgrad än 70-80% de också, men då handlar det om betydligt mindre system som t.ex. i en grävmaskin.

Något jag antar ger upphov till en stor del av förlusterna i "blöta" energilagringssystem är strömningsmotstånd i rörledningarna och internt läckage i pump/turbin/hydraulmotor. Småskalig lagring av lägesenergi borde med fördel kunna göras med "torra" system där en stor fast massa helt enkelt vinschas upp till en högre nivå och sedan får driva en generator på väg tillbaka ner. Jag har sett en fiffig LED-lampa kallad "Gravity lamp", utvecklad för U-länder, där man fyller en tygpåse med sten, sand eller jord och låter den driva lampan likt ett lod i en klocka via en liten generator. Mina funderingar rör dock något större system, där man vinschar upp flera ton några tiotals meter upp i en brant backe. -Livsfarligt javisst, det är stora energimängder om något brister, men har man i 150 år kunnat bygga säkra hissar ska det väl gå att lägga räls i en backe och se till att det finns säkerhetsanordningar som kan hindra tyngden från att accelerera okontrollerat? Att använda lutande mark där sådan finns tillgänglig i stället för att bygga ett högt torn eller gräva en djup brunn bör bli ganska billigt.

Jag tänker mig en liten järnväg av gammalt skrot, med fångapparat från en hiss, utlösande hastighetsregulator och en vajertrumma med generator/motor och växellåda. Med olika slags frihjulskopplingar, differentialer, planetväxlar och andra mekaniska trick borde det gå att sköta både laddning och urladdning i väldigt olika storleksgrader. T.ex. en liten generator som jobbar kontinuerligt dygnet runt, en större generator att ta till när något kortvarigt men energigrävande ska drivas och samtidigt en separat elmotor som oberoende av generatorerna kan "ladda" systemet. Det går förstås även att ladda rent mekaniskt med en motor, vindkraft, bäck eller varför inte en drivrulle till bilen.

Hur skulle verkningsgraden i ett sådant system kunna bli, och hur skulle det mäta sig mot samma vikt hos stationära blyackar? Skulle det kunna vara ett realistiskt alternativ till ett boende off-grid, där man har en nivåskillnad på 10-15 meter?

[JohnA]

Tilläggas bör kanske att jag tänker hushållsbehov och off-grid.

Som vanligt skrev jag innan jag kollade upp fakta... 　 När jag nu tittade närmare på matematiken väldigt grovt kom jag fram till att tio ton som hissas upp tio meter kan klara att hålla ett kylskåp eller en frys igång över natten. Tio ton är en lastbil, rejäl jordbrukstraktor eller medelstor hjullastare, och även om man inte vill ha en sådan skenande nerför slänten borde det ändå vara en hyfsat hanterbar vikt i ett hembygge med tanke på de mekaniska komponenter man kan köpa billigt på skroten.

Tekniken känns väldigt spännande, men inte speciellt försvarbart att syssla med jämfört med batteriers enkelhet, eller samordning och planering av större energislukare.

Även om verkningsgraden blir sämre med ett "blött" system är riskerna betydligt mindre och tekniken för att hantera krafterna enklare. -Tio ton i form av två vattenbassänger att pumpa mellan känns nu mycket vettigare. Det går förstås mindre bra att köra sådana system vintertid, men är det främst kyl och frys som ska drivas är ju deras energibehov vintertid inte heller så stora.

[von tratt]

Jag tror att mekanisk energilagring kan vara meningsfull för att få tillgång till hög effekt tillfälligt. Fast man skulle kunna tänka tvårt om också, som den där lod-mekanismen du nämner - en plötslig energitillgång som urladdas under lång tid. Kul sak att fundera kring! Man kunde också använda en mekanism som går med muskelkraft som sen driver något i ett senare skede. Det är knappast effektivt i sträng mening men kan möjliggöra att växla låg effekt till hög eller vice versa samt förstås använda energin efter att den funnits till hands, själva grejen med att lagra.

Men kort sagt är det inte alltid verkningsgraden som är avgörande. Om apparaten gör att man kan göra något man inte kunde innan så kan det vara vettigt trots dålig effektivitet.

[rikardn]

Här testar dom i större skala i .us

https://www.aresnorthamerica.com/
https://s3.amazonaws.com/siteninja/multitenant/assets/21125/files/original/All_About_ARES_-_070616.pdf

[JohnA]

Nä, det känns inte som att "hemmaskalig" lagring av lägesenergi är ett försvarbart projekt att ge sig på, åtminstone inte om man väger in riskerna med att ha i princip ett helt ånglok upphissat 10-20 meter i en backe ovanför landsvägen och grannarna... Jag TROR verkningsgraden kan bli god, men det är onekligen en klumpig installation jämfört med batterier.

Däremot slog det mig nu att metoden kanske kan vara bra för egna jämförelseexperiment i energi och verkningsgrad. -Om en klump på t.ex. 1000 kg hissas tio meter upp och löper relativt friktionsfritt på räls (eller hänger fritt) bör man kunna vara säker på att det framräknade energivärdet är tämligen korrekt. Sedan kan man testa olika transmissionssystem mot varandra, och t.ex. se vad man ganska exakt hur mycket det kostar att med bensin utföra samma fysiska arbete som med vindkraft eller "Två hål i väggen" .Små energisystem är ju annars ganska svåra att beräkna teoretiskt.

[JohnA]

Det där ARES-systemet rikardn tipsade om ovan gav en del intressanta tankar! -Jag har tills nu hängt upp mig på den minst sagt otäcka insikten om riskerna med att hissa upp en jätteklump i en backe, men ARES visar hur det kan undvikas genom att dela upp problemet i ett flertal "småportioner". Ett småskaligt ARES-system för hembyggare kan alltså bestå av något slags räls i en sluttning, där det finns en relativt plan uppställningsyta på både övre och nedre "planet", där tunga klumpar parkeras stabilt. Rälsen mellan uppställningsplanen förses lämpligen med två identiska och viktmässigt balanserade transportvagnar liks hisskorg och motvikt. Systemet kompliceras sedan ganska mycket av något slags mekanism för att lyfta, haka fast och lossa vikterna i vardera "parkeringsplanet", samt behovet av något slags kortvarig energibuffert under den tid vagnarna står stilla i ändlägena. Beroende på lutningen kan det också behöva knuffas in energi i systemet tills en lastad vikt kommit i en position där den börjar frigöra energi. Med två parallella system kan man få överlappning, och rimligen bör de två systemen med lite fiffighet kunna dela "parkeringsplatser" för vikterna. Det borde vara en fördel att kunna använda tunga klumpar av någon standardiserad form/storlek som t.ex. "gråsuggor" av betong. Att bygga bromssystem och även en skyddsvall som kan absorbera kraschen av en ensam 250-kilos betongsugga är betydligt lättare än att hantera en skenande 10-tonsvikt.

En klar nackdel med att hissa betongklumpar upp och ner utmed en räls jämfört med att pumpa vatten mellan två cisterner är de komplicerade mekaniska systemen, men det torde krävas mindre underhåll (och energi) att hålla systemet fungerande året runt med tanke på svenska vintrar. Betongsuggehissen kan t.o.m. täckas med tak, eller förläggas i något slags tunnel.

Jag tänker mig att parkeringsplanen byggs upp som två långsmala "korvar" av betong eller stål med några decimeters mellanrum. Kasserade betongpålar kanske kan vara lämpligt. Sedan något slags räls som löper mellan pålarna, med en mötesplats på mitten där två vagnar med lyftanordning byts av. Vagnarna positioneras av drivmotorn/generatorn i ett vajerspel så en av vagnarna hamnar rakt under nästa lämpliga betongsugga, varefter den lyfts upp och därefter kan energin börja frigöras eller laddas. Under avbrotten måste energin naturligtvis lånas från t.ex. batterier eller varför inte ett svänghjul.

[JohnA]

Hmm... vad kostar energilagring i t.ex. betongsuggor jämfört med blyackumulatorer? En typisk betongsugga väger 250 kg och kostar ca 1200 kr. Med en effektiv fallhöjd på tio meter kan betongsuggan lagra 10 x 9,82 x 250 = 23 kilojoule, vilket är 0.01 kWh.

Jag googlade fram detta om blyackar: "i ett bilbatteri märkt med 60 Ah är då 60 Ah x 12 V = 720 Wh = 0.72 kWh" Ett sådant batteri väger sällan mer än 20 kg, och det sägs vara dåligt för batteriet att nyttja mer än hälften av dess angivna ampéretimmar. I praktiken kan man kanske räkna med att ett typiskt bilbatteri lagrar 0,2-0,4 kWh.

Om jag räknat rätt kan alltså ett enda bilbatteri orka hissa fler än 20 betongsuggor tio meter upp. Energiinnehållet hos 20 kg blybatteri motsvarar alltså minst fem ton i betongsuggor (hissade till tio meters höjd). Ett sådant blybatteri kostar ungefär samma pengar som EN enda betongsugga. Även om betongsuggor säkert kan köpas billigt begagnade eller ur andrasortering kan man ju även köpa begagnade truckbatterier, så nej, det känns som att jag kan släppa visionen om lägesenergilagring för hemmabruk. -Skönt!    (och då har jag över huvud taget inte berört det komplicerade transportsystemet för betongsuggorna)