Inertzia-bolanteak: nola metatu energia biraketan

Gaur egun, energia da gizartearen erronka handienetariko bat. Izan ere, energia-kontsumoa handituz eta dibertsifikatuz doa etengabe. Horretaz gain, energiaren ekoizpenean garrantzitsuak izan diren erregai fosilen erabilera mugatzeko beharrean gaude, nagusiki bi arrazoirengatik. Alde batetik, erregai fosilak mugatuak dira, eta adituen ustetan haien ustiaketaren gailurrean gaude. Beste aldetik, berotegi-efektuko gasen eguratserako igorpena mugatzeko, ezinbestekoa da erregai fosilen erabilera txikitzea.

Hortaz, ondoriozta daiteke orain arte energia ekoizteko balio izan duen eredua agortuta dagoela, eta jadanik martxan dago ekoizpen-eredu berrirako trantsizioa. Ekoizpen-eredu berriak, nahitaez, aurrekoak baino garbiagoa izan behar du; berebiziko pisua izango dute energia berriztagarriek. Baina energiaren ekoizpenaren arazoaz gain, aurre egin behar zaie bestelako fenomeno batzuei ere: sakabanatutako sare elektrikoaren kudeaketa, ibilgailu elektrikoen hedapena, gailu elektriko eramangarrien hornikuntza, metaketa-teknologia berrien garapena eta abar. Zalantzarik gabe, erronka berri honetan, energiaren metaketa da arazorik handienetariko bat. Hain zuzen ere, energia sortzea nahiko erraza dela esan daiteke, baina hori eraginkorki metatzea ez da hain erraza, energia-galerak baitaude.

Energia metatzeko teknologiak

Gizartearen beharrak bultzatuta, diru asko inbertitzen ari da energia metatzeko teknologietan. Ikertzaileak bi norabidetan dabiltza lanean: gaur egungo teknologien eraginkortasuna handitzen eta teknologia berrien garapenean. Ikus dezagun zein diren energia metatzeko teknologia garrantzitsuenak.

Energia metatzeko teknologiak bost multzo handitan sailka daitezke (ikusi 1. irudia). Lehenengo multzoan, metodo mekanikoak erabiltzen dituzten hiru teknologia dauzkagu. Alde batetik, energia-soberakinak daudenean, haiekin ura ponpatzen da urtegi batetik altuago dagoen beste urtegi batera, gero energia berriro berreskuratzeko. Beste aukera bat da aire konprimatua biltegiratzea lur azpian edo gordailu berezietan. Eta azken teknologia mekanikoa inertzia-bolantearena da, abiadura handiz biratzen den masa, alegia.

1. irudia. Energia elektrikoa metatzeko teknologien sailkapena, energia-motaren arabera.

Energia metatzeko teknologien bigarren multzoan mekanismo elektrokimikoak daude. Aspalditik erabiltzen den teknologia honetan mota askotako bateriak daude: bateria primarioak (alkalinoa, zink-karbonoa, aluminio-airea eta abar), sekundarioak (berun-azidoa, Ni-Cd, NiMH, Li-ioia, Na-ioia eta abar) eta fluxu-bateriak (erredox-bateria, hibridoa eta abar).

Hirugarren multzoan, erreakzio kimikoetan oinarritzen diren teknologiak daude. Kasu honetan, materialetan metatu daiteke energia, gerora erreakzio kimikoen bitartez berreskuratzeko: erregai-pilen erregaia den hidrogenoa, bioerregaiak eta abar. Laugarren multzoko teknologiak eremu elektromagnetikoez baliatzen dira energia metatzeko, adibidez, superkondentsadoreak eta harilkatu magnetiko supereroaleak. Azkenik, bosgarren multzoan material jakin batzuen ezaugarri termikoak erabiliz energia metatzeko balio duten sistemak dauzkagu: urtutako gatza, sistema kriogenikoak eta abar.

Inertzia-bolantea

Inertzia-bolantea teknologia zahar bezain ezezaguna da; energia mekanikoki biltegiratzeko gizateriak maneiatutako lehenengo mekanismoetako bat da. Baina, zer da inertzia-bolantea? Berez, ardatz baten inguruan biratzen ari den masa bat da, normalean zilindrikoa. Horrelako gailu batean, masaren errotazioko abiaduran pilatzen da energia, inertziaz baliatuta. Izan ere, inertzia-bolanteak energia metatzen du abiadura angeluarra handituz, eta energia askatzen du, abiadura txikituz.

Harrigarria bada ere, badirudi askoz lehenagokoa dela energia metatzeko gurpilaren erabilera ibilgailuei eustekoa baino. Uste da errotazioaren inertziaz baliatu zen lehenengo tresna txaratila izan zela. Tresna horren higidura errotazionalari esker, irutea errazten zen. Txinako Xi´an hiritik gertu, K.a. VI. milurtekoan erabilitako txaratila txiki bat aurkitu dute. 2.000 urte geroago, buztinlarien gurpilean aplikatzen hasi ziren printzipio fisiko hori, ontzi simetrikoak errazago lantzeko asmoz. Inertzia-bolantearen oinarrizko printzipioa errotarrietan ere erabili izan da mendeetan zehar, eta baita ehungailuetan ere.  Gero, industria-iraultzan, beste hainbat gailutan baliatu izan zen mekanismo hori, energiaren transmisioa leuntzeko, adibidez, prentsetan, aldizkako motor eta konprimagailuetan, trokelatzeko makinetan eta abarrean.

Barne-egitura

Energia elektrikoa biltegiratzeko erabili ohi den inertzia-bolante batek honako atal hauek izan ohi ditu (ikusi 2. irudia):

2. irudia. Inertzia-bolante baten barne-egitura.

- Errotorea. Metagailu zinetikoaren bihotza da, azken finean energia errotorean pilatzen baita. Normalean, masa zilindriko bat izaten da, biraketa-ardatz bat daukana. Inertzia-bolanteak pilatzen duen energia errotorearen abiaduraren eta inertzia-momentuaren araberakoa da. Abiadura txikiko inertzia-bolanteetan, errotoreak erresistentzia altuko metalez eginda daude, eta abiadura handikoak, berriz, material konposatu arinez egin ohi dira.

- Ardatz-kojineteak. Hauetan bermatzen da errotorearen biraketa-ardatza, eta bi funtzio betetzen dituzte: errotoreari eustea eta higidura egonkortzea. Atal honek berebiziko garrantzia dauka; izan ere, errotorearen abiadura handiek energia-galera txikiak eragin behar dituzte. Abiadura txikiko inertzia-bolanteek kojinete mekanikoak edo pneumatikoak dauzkate, eta abiadura handikoek, aldiz, magnetikoak, energia-galerak murrizteko.

- Sorgailua/motorra. Gailu hau errotorearen ardatzean txertatuta dago, eta bi funtzio betetzen ditu. Kanpotik energia elektrikoa jasotzen duenean, errotorea azeleratzen du (motor elektrikoa). Aldiz, kanpora energia askatu behar denean, sorgailu elektriko modura egiten du lan, errotorearen abiadura txikituz.

- Karkasa. Inertzia-bolantearen zati higikorrik ez ukitzeko erabiltzen da pieza hau. Normalean, indar handiko karbono-zuntzez eginda dago, istripuak eragozteko. Bestalde, karkasaren barrutik airea kendu ohi da, eta batzuetan helioa sartzen da. Horrela, energia-galera aerodinamikoak murrizten dira, inertzia-bolantearen eraginkortasuna handituz.

- Potentzia-kontrolatzailea. Atal mekanikoez gain, inertzia-bolanteak potentzia erregulatzeko gailu elektroniko bat izaten du, ingurunearekiko energia-fluxua kudeatzeko.

Aplikazioaren arabera zertxobait alda daiteke gailuaren barne-egitura, baina oinarrizko elementuak aipatutako horiek dira.

Etorkizuneko aplikazioak

3. irudia: Inertzia-bolantearen abantailak eta desabantailak.

Aspaldiko teknologia bada ere, gaur egungo sistema mekaniko askotan erabiltzen da inertzia-bolantearen printzipioa. Hortaz, ezin esan zaharkituriko teknologia denik. Dena dela, gaur egungo garaietara egokitzen ari da inertzia-bolantea. Hainbat enpresa eta ikerketa-zentro ari dira teknologia hau garatzen, eta mota askotako aplikazioetan egiten ari dira lehenengo probak, hala nola sateliteetan, ibilgailuetan, trenetan, tranbietan, energia elektrikoko hornidura-sareetan eta abarrean.

Inertzia-bolanteak abiaduraren arabera sailkatzen dira. Abiadura baxuko inertzia-bolanteetan, errotorearen abiadura maximoa minutuko 10.000 bira izaten da, eta haien energia espezifikoa, 5 Wh/kg ingurukoa. Abiadura altuko inertzia-bolanteen kasuan, aldiz, abiadura minutuko 60.000 birara irits daiteke. Horrelakoetan, errotorearen kanpo-abiadura soinu-abiaduraren gainetik egon ohi da. Abiadura altuko inertzia-bolanteen energia espezifikoa 100-130 Wh/kg-ko tartean dago, eta haien potentzia espezifikoak 1.000 W/kg-ko balioa gainditzen du askotan.

Inertzia-bolantearen abantailak eta desabantailak 3. irudian jasota daude. Alde positiboen artean, bere lan-bizitza azpimarra daiteke, 20-30 urtekoa, eta baita egin ditzakeen karga-deskargako zikloak ere, 10⁵-10⁷. Desabantailen artean, berezko deskarga handia nabarmendu behar da; adibidez, kojinete mekanikoa duten inertzia-bolanteek energiaren % 20-50 gal dezakete bi orduan.

4. irudia. Energia metatzeko teknologien arteko alderaketa.

Berez, ez dago aplikazio guztietarako egokia den metaketa-teknologiarik. Izan ere, aplikazio bakoitzean teknologia-mota bat izaten da egokia, gehienez bi. Metaketa-teknologia aproposena aukeratzeko, hainbat parametro hartu behar dira kontuan, hala nola energia biltegiratzeko gaitasuna (energia-dentsitatea), energia askatzeko behar den denbora (potentzia-dentsitatea), prezioa, ingurunearen mugak (tenperatura, bolumena, pisua), eta abar. 4. irudian, gainerako metaketa-teknologiekin alderatu da inertzia-bolantea. Ikus daitekeenez, bateriek beste energia metatzeko gaitasuna dauka inertzia-bolanteak. Hala ere, bateriek ez bezala, gai da pilatutako energia azkar askatzeko, eraginkortasuna galdu gabe. Inertzia-bolantea ez da egokia denbora luzeko metaketarako, berezko deskarga handia duelako; baina bada egokia energia etengabe hornitzeko beharra duten sistemetan. Adibidez, aurreikusten da teknologia aproposena dela aplikazio batzuetan berun-azido bateriak ordezkatzeko. Gauzak horrela, ematen du teknologia zaharberritu honen etorkizuna oparoa izango dela.

Inertzia-bolante komertzialak

Gaur egun, mota askotako inertzia-bolanteak eskaintzen dituzten enpresak daude. Gehienak estatubatuarrak dira (General Electric, Active Power, Amber Kinetics, Beacon Power, PowerThru), baina besteren bat ere badago Europan (Stornetic – Alemania). Euskal Herrian inertzia-bolanteak ekoizten dituen enpresa bakarra dago, Artean kokatutako Elytt Energy. Horrez gain, Gasteizko Zigor enpresa eta Tekniker ikerketa-zentroa inertzia-bolante bat garatzen dabiltza.

Gyrobusa

1940. hamarkadan, Gyrobus zeritzon ibilgailua garatu zuen OC Oerlikon izeneko enpresa suitzarrak. Ibilgailu horrek inertzia-bolantea erabiltzen zuen energia-iturri modura. Lehen bidaia 1953ko urrian egin zuen, Suitzan. Ibilgailu isila zen, eta ez zuen kutsadurarik sortzen, baina oso pisutsua zen. 1.500 kg-ko inertzia-bolanteak, gehienez, minutuko 3.000 birako abiadura hartzen zuen, eta kargatzeko, 30 segundo eta 3 minutu bitartean behar izaten zituen. Gehienezko abiadura 50-60 km/h-koa zen, eta 6 km-ko distantzia egin zezakeen. Suitzatik kanpo, Zairen eta Belgikan ere egon zen martxan. 

Gyrobusa Arg. Vitaly Volkov, Волков Виталий Сергеевич (user kneiphof) / CC-BY 2.0

Bibliografia

Genta, G.: “Kinetic energy storage”. Butterworth, 1985.

Imaz, E.: “Energia elektrikoa metatzeko sistemak”, Elhuyar 158 (2000) 42-44.

Ripoll Masferrer, L.: “Análisis y diseño de volantes de inercia de materiales compuestos”, tesia, Universitat Politècnica de Catalunya, 2005.

Bolund, B.; Bernhoff, H.; Leijon, M.: “Flywheel energy and power storage systems”. Renew. Sust. Energ. Rev. 11 (2007) 235-258.

Hadjipaschalis, I.; Poullikkas, A.; Efthimiou, V.: “Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications”. Renew. Sust. Energ. Rev. 13 (2009) 1513-1522. 6