De zon schijnt niet altijd als je tv kijkt en het waait niet altijd als je je auto oplaadt. En op het moment dat zon en wind hun werk wél doen, kan het elektriciteitsnet al die opgewekte stroom soms niet aan (‘netcongestie’). Het grote verschil tussen vraag en aanbod van stroom en de beperkte capaciteit op het net vragen om slimmer energiemanagement. Door overschotten aan energie op te slaan voor momenten dat de vraag groot is, kunnen we voor een betere balans zorgen. Doordat traditionele batterijen niet altijd ideaal zijn, is er een groeiende vraag naar nieuwe opslagmethodes. In dit artikel bekijken we drie innovatieve technieken die gebruik maken van zwaartekracht.

Nadelen van traditionele batterijen

Bij energie opslaan wordt meestal eerst gedacht aan batterijen, maar die hebben ook nadelen. Zo zijn ze op grote schaal erg duur en is de beschikbaarheid plus prijs van grondstoffen een issue. Ook kun je kanttekeningen plaatsen bij de duurzaamheid van batterijen. Vanwege het productieproces en de manier waarop de grondstoffen gewonnen worden.

Energie opslaan met zwaartekracht

We hebben niet per se traditionele batterijen nodig om energie op te kunnen slaan. We kunnen ook gebruikmaken van de zwaartekracht.

Het principe bij opslagtechnieken met zwaartekracht is altijd: je brengt massa omhoog als er een energieoverschot is, en laat het door de zwaartekracht weer zakken als er vraag is naar energie. De bewegingsenergie die ontstaat door de zwaartekracht kun je met een generator omzetten in elektriciteit.

Waterkrachtcentrales gebruiken al jaren zwaartekracht om energie op te slaan. Hieronder leggen we uit hoe dat werkt. Verderop in het artikel vertellen we over de drie nieuwe opslagmethodes met zwaartekracht, die momenteel in ontwikkeling zijn.

Voorbeeld: waterkrachtcentrales gebruiken al jaren zwaartekracht

Bij waterkrachtcentrales in het buitenland maken ze allang gebruik van de zwaartekracht om energie op te slaan. Misschien heb je in de bergen weleens een grote betonnen muur in een rivier zien staan.

Zo’n stuwdam blokkeert het water van de rivier, waardoor achter de dam een groot stuwmeer ontstaat. Dat stuwmeer kun je zien als een grote batterij met potentiële energie. Als er energie nodig is, wordt de dam (deels) opengezet. Door de zwaartekracht stroomt het water dan van hoog naar laag. Die bewegende massa bevat veel energie. Daar kun je stroom mee opwekken. Een turbine zet het stromend water om in een draaiende beweging. Een achterliggende generator zet deze rotatie om in elektriciteit.

Om de ‘batterij’ later weer op te laden, wordt water weer omhoog gepompt, het stuwmeer in. Hiervoor is elektriciteit nodig, maar het verlies is relatief klein t.o.v. van de energie die je kan opslaan en gebruiken als de dam vervolgens weer open wordt gezet.

De stuwdamtechniek is een redelijk efficiënte manier om energie op te slaan, maar is alleen bij rivieren in berggebieden toe te passen.

stuwmeer
Stuwdam van bovenaf

Energie opwekken uit beweging; hoe werkt dat?

Een elektromotor zet elektrische energie om in een draaiende beweging. Maar een elektromotor kan ook andersom werken. Als de verbonden as draait, wordt er elektriciteit opgewekt.

Drie innovatieve technieken om energie op te slaan met zwaartekracht

Op verschillende plekken in de wereld wordt momenteel gewerkt aan nieuwe technieken om energie op te slaan met zwaartekracht. We zetten er hieronder drie op een rij.

1. Energieputten

Stel je een diepe put voor. Daarboven is een kraan geïnstalleerd (een hijswerktuig, geen watertap), die als een soort lift fungeert. Aan die kraan hangt een zwaar gewicht.

Is er vraag naar energie? Dan laat de kraan het gewicht gecontroleerd naar beneden zakken, met behulp van de zwaartekracht. Door de beweging van hoog naar laag ontstaat energie. Hoe sneller het gewicht naar beneden mag zakken, hoe meer energie er vrijkomt.

Aan de kraan is een turbine gekoppeld die de vrijgekomen energie omzet in elektriciteit. Om energie op te slaan, wordt het gewicht vervolgens weer omhoog getakeld. Het opgetakelde gewicht is potentiële energie die later weer gebruikt kan worden. Het optakelen van het gewicht kost ook energie, maar dat is te verwaarlozen.

Deze puttenmethode komt van Gravitricity. Dit jaar wordt de eerste pilot afgerond in Schotland, en ook op andere plekken in de wereld worden de mogelijkheden onderzocht. De techniek kan in de toekomst het beste ingezet worden in bestaande putten of oude mijnschachten. Zo maak je slim gebruik van de ruimte en is de techniek het meest veilig te passen.

Uitleg energieputtentechniek 

We leggen de techniek uit met onderstaande plaatjes:

balans energienet
Basisfiguur. Vraag en aanbod van energie in balans​​​​​
Energieopslag zwaartekracht
Figuur 1. Schematische weergave opslagtechniek met putten. De letters corresponderen met het basisfiguur hierboven.

1a. Het gewicht hangt op het laagste punt van de put.
1b. Het overschot aan elektriciteit wordt gebruikt om het gewicht omhoog te takelen.
1c. Als het gewicht bovenin hangt is de maximale opslag bereikt.
1d. Bij vraag naar elektriciteit op het net kan het gewicht zakken en wordt met de generator elektriciteit opgewekt.

2. Energietorens

De techniek met de putten kun je ook in de hoogte toepassen. Dat is het concept van de opslagmethode met energietorens van Energy Vault.

Zie een grote hijskraan voor je, die een groot betonblok laat zakken en weer optakelt. Als het gewicht door de zwaartekracht zakt, ontstaat er bewegingsenergie die met een generator wordt omgezet in elektriciteit. Om energie op te slaan, wordt het betonblok weer omhoog gehesen. Ook daar is net als bij de andere technieken wat elektriciteit voor nodig, maar dat is maar weinig als je het vergelijkt met de energie die het vervolgens oplevert.

Naast het ophijsen en weer loslaten, worden de betonblokken ook nog op- en afgestapeld (zie het plaatje hieronder). Moet er energie opgeslagen worden, dan worden de blokken in een binnenring opgestapeld. Hoe hoger het blok, hoe meer energie wordt opgeslagen. Bij het ontladen worden de blokken op de grond in een buitenring gezet.

Om een variabele in- en output te creëren, wordt gewerkt met zes kranen die los van elkaar stapelen en hijsen. Zo kunnen ze de hoeveelheid vermogen bij opwek en opslag goed managen.

De Energy Vault-techniek wordt momenteel getest in Italië. Daarnaast werken ze in het Midden-Oosten aan een indoor-variant dat in combinatie met een zonnepark in de toekomst kolencentrales kan vervangen. De betonblokkenmethode vangt de stroompieken op, zodat de beschikbare stroom is afgestemd op de vraag. 

Uitleg techniek energietorens

We leggen het weer met een plaatje uit. 

balans energienet
Basisfiguur. Vraag en aanbod van energie in balans​​​​​
Energieopslag energietorens
Figuur 2. Schematische weergave opslagmethode met torens. De letters corresponderen met het basisfiguur hierboven.

2a. Het gewicht staat op een punt op de grond of in de blokkentoren.
2b. Een overschot aan elektriciteit wordt gebruikt om het gewicht omhoog te takelen.
2c. Als het gewicht bovenin hangt of op de toren is geplaatst, is de maximale opslag (voor dit element) bereikt.
2d. Bij de vraag naar elektriciteit op het net kan het gewicht zakken en wordt met de generator elektriciteit opgewekt.

Ook dit plaatje laat het goed zien:

 

Energie Vault
Figuur 4. Van links naar rechts; opgeladen naar ontladen. Bron: energyvault.com

 

3. Drijvende massa

Stel je voor deze methode een grote cilinder voor, waarin een grote massa wordt geplaatst (bijvoorbeeld een hol blok beton). In die cilinder wordt ook water gepompt. Het water drukt de massa omhoog. Hoe meer water in de cilinder wordt gepompt, hoe meer de massa omhoog wordt gedrukt en hoe meer potentiële energie er ontstaat.

Als er energie nodig is, wordt een klep opengezet waardoor het water uit de cilinder gedrukt wordt. Doordat het water door de zwaartekracht onder hoge druk wegstroomt, ontstaat beweging waarmee je energie kunt opwekken. Een turbine zet het stromende water om in elektriciteit. 

Je kunt deze techniek vergelijken met het leeg laten lopen van een bad. Als je de stop eruit trekt, wil het water zo snel mogelijk weg. Die beweging kun je omzetten in energie.

Om de batterij weer op te laden, wordt er weer water in de cilinder gepompt en wordt de massa weer omhoog gedrukt. Hiervoor is elektriciteit nodig, maar ook hier geldt dat dat slechts een klein beetje is in vergelijking met de energie die vrijkomt als het water later weer door de klep naar buiten stroomt. 

Wat voor massa?

Welke massa er ingezet wordt? De ingenieurs dromen groots: een stuk grond, een flatgebouw of zelfs een halve stad! De cilinder is in dat geval enorm en wordt ingegraven in de grond.

Deze techniek is nog in de conceptfase, maar wie weet wordt hij in de toekomst daadwerkelijk ingezet. Momenteel is hij in handen van New Energy Let’s Go en wordt er gezocht naar investeerders die het verder ontwikkelen.

Uitleg techniek drijvende massa

We leggen de techniek nog wat verder uit met een schematisch plaatje:

balans energienet
Basisfiguur. Vraag en aanbod van energie in balans​​​​​
Energieopslag massa
Figuur 3. Schematische weergave opslagtechniek met drijvende massa. De letters corresponderen met het basisfiguur hierboven.

3a. Massa drijft op een laag punt in een put deels gevuld met water.
3b. Overschot aan elektriciteit wordt gebruikt om water in de zuiger te pompen - het gewicht drijft omhoog.
3c. Als de put maximaal gevuld is met water, drijft de massa op het hoogste niveau en is de maximale energie-opslag bereikt.
3d. Bij vraag naar elektriciteit op het net kan een klep opengezet worden. Door de druk stuwt het water door een buis met een turbine. Deze is aangesloten op een generator en levert energie aan het net.

Tot slot: toepasbaarheid, en zwaartekracht efficiënter dan waterstof

In theorie kunnen we met deze innovatieve technieken dus enorme zwaartekrachtbatterijen maken. De vraag is wel of ze in de praktijk ook echt bruikbaar zijn. Zetten we straks in elke wijk een indrukwekkende kraanconstructie neer? Of graven we liever een verborgen put? Naast een opwekinstallatie (wind, zon of waterkracht) zullen ze het meest efficiënt zijn, zodat ze de pieken aan energie op kunnen vangen.

Groot voordeel van de zwaartekrachtmethodes is dat er maar heel weinig energie verloren gaat bij het opslaan. Dit in tegenstelling tot waterstof, waarbij heel veel energie verloren gaat om het te maken en het weer om te zetten in elektriciteit. Nadeel is natuurlijk dat je deze opslag niet kan verplaatsen en waterstof wel.

Verder gaan zwaartekrachtmethodes veel langer mee ten opzichte van batterijen. Er is geen afbraak van de chemische structuren zoals je bij batterijen hebt. En ook vergelijken met chemische energie is het rendement hoog.  

Het zal afhangen van de plek, welk type batterij het handigste is. Maar er is in ieder geval meer mogelijk dan de standaard chemische batterij die we allemaal kennen.