Zonnepanelen en windturbines leveren elektriciteit op die veel duurzamer is dan de elektriciteit van fossiele brandstoffen of van kernenergie. Maar we hebben nog geen duurzame manier gevonden om die energie ook op te slaan. Dat is nochtans essentieel, want in tegenstellling tot fossiele brandstoffen en atoomenergie zijn hernieuwbare energiebronnen niet op afroep beschikbaar.
In dit artikel verkennen we een eerste mogelijkheid van energieopslag: de mechanische batterij. Energie opslaan als zwaartekracht werkt met bestaande technologie en is geheel onschadelijk voor mens en milieu. Een aantal recente innovaties opent nieuwe mogelijkheden. Maar de nabijheid van een bergketen is wel handig, zoniet komen er grote bouwwerken aan te pas.
Het kan in principe ook thuis, bijvoorbeeld in combinatie met de zonnepanelen op het dak. Maar zelfs als we 50 keer minder elektriciteit zouden verbruiken dan vandaag, dan nog zou een mechanische batterij een aanzienlijk deel van het huis innemen.
Foto: de mechanische batterij van Energy Cache.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
De energiedensiteit van de zwaartekracht is zeer laag in vergelijking met andere vormen van energieopslag. Als we de energie uit een typische AA-batterij (3 watt-uur) willen opslaan door middel van de zwaartekracht, dan zouden we een gewicht van honderd kilogram tien meter hoog moeten optillen. De
energie die door de zwaartekracht kan worden opgeslagen, kan als volgt
worden berekend:
massa x hoogte x zwaartekracht (10 m/s2) = energie in
Joule.
Een massa van 1 ton (één kubieke meter water) op een hoogte van
10 meter geeft een potentiële energie van 100.000 Joule, of 27 watt-uur.
Daar kan je ongeveer een uur lang een laptop of een ouderwetse gloeilamp mee laten werken. Dat is veel moeite voor weinig energie, maar toch wordt de zwaartekracht succesvol gebruikt om energie op te slaan, zowel op kleine als op grote schaal.
Pompcentrales
Eerst de grote schaal. Een pompcentrale is al meer dan honderd jaar de
meest efficiënte en economische methode voor het opslaan van
elektriciteit. Het werkingsprincipe is gebaseerd op de zwaartekracht. Als er veel wind of zon is, dan kan het overschot aan
hernieuwbare energie worden gebruikt om water van een lager naar een
hoger gelegen spaarbekken te pompen. Volgt er een periode van windstilte of
duisternis, dan worden de sluizen opengezet en drijft het vallende water
generatoren aan.
De eerste pompcentrales werd gebouwd aan het einde van de negentiende
eeuw
en vandaag zijn ze goed voor zowat 99 procent van de opslag van
elektriciteit wereldwijd (in totaal ongeveer 127 gigawatt-uur).
Waterreservoir van een pompcentrale in Duitsland. Foto: Wikipedia Commons.
Het probleem
is dat
pompcentrales niet overal kunnen worden gebouwd. Omdat de
energiedensiteit van water beperkt is, kan de methode alleen maar werken
met twee grote plassen water en een groot verschil in hoogte.
Pompcentrales hebben
dus veel plaats nodig en kunnen alleen maar rendabel gebouwd worden in de bergen.
Bovendien zijn zelfs daar zowat alle geschikte locaties al ingenomen.
Grind in plaats van water
Recent doken een aantal innovaties op die minder hoge eisen stellen aan de geografie voor het benutten van de zwaartekracht. De Amerikaanse start-up Energy Cache
heeft een methode uitgedacht die geïnspireerd is door de werking van
een pompcentrale, maar het water vervangt door grind. Dat materiaal
heeft een hogere specifieke zwaartekracht dan water: een
kubieke meter grind weegt 1500 tot 1700 kg, terwijl een kubieke meter
water duizend kilogram weegt. Dat betekent dat er minder ruimte nodig is
voor energieopslag, zodat deze installaties kunnen worden gebouwd op
plaatsen waar een pompcentrale niet haalbaar is.
Uiteraard kan grind niet omhoog worden gepompt zoals water, en kan
het geen turbine aandrijven als het naar beneden stort. Maar Energy
Cache ontwikkelde een aangepast systeem. Als er een overaanbod is van
wind- of zonne-energie, dan wordt die energie gebruikt om een motor aan
te drijven die het grind via een kabelspoorbaan
naar een hoger niveau transporteert. Daar wordt het in een reservoir
gekiept. Is er te weinig aanbod van wind- of zonne-energie, dan wordt
het grind via dezelfde weg naar beneden getransporteerd, aangedreven
door de zwaartekracht. De staalkabel, die verbonden is met een
generator, wekt dan elektriciteit op.
De kabelspoorbaan van Energy Cache.
Het laden en lossen
van de wagentjes gebeurt
volautomatisch en is gebaseerd op technologie uit de mijnindustrie. In deze video
is te zien hoe het systeem werkt. Energy Cache heeft een prototype van
50 kilowatt-uur gebouwd in Californië, dat momenteel wordt getest. De
volgende stap is de bouw van een groter demonstratieproject dat tussen
de 0,5 en 1 megawatt-uur energie kan opslaan. Het is
een modulair systeem, dat geleidelijk kan worden opgebouwd. Ook dat is
een belangrijk voordeel tegenover een pompcentrale, waar een enorme
investering pas vele jaren later een eerste return oplevert.
Een mechanische batterij voor vlak land
Net zoals een pompcentrale heeft het systeem van Energy Cache
natuurlijk wel een hoogteverschil nodig. Maar de zwaartekracht kan ook
in vlakke regio’s gebruikt worden, zoals Vlaanderen of Nederland. Eén
manier is het benutten van het hoogteverschil met een ondergronds waterreservoir, bijvoorbeeld een leeg gasveld of een uitgeputte mijn. Het principe is verder gelijk aan dat van een gewone
pompcentrale. Maar daarmee
wordt het systeem opnieuw afhankelijk van welbepaalde geografische
omstandigheden, en zijn we terug bij af.
Illustratie: Rudolf Das.
De zogenaamde “energie-eilanden”
(of “valmeercentrales”), die zowel in Nederland als in België werden
voorgesteld, zouden volgens een gelijkaardig prinicpe werken en kennen dit
probleem niet. Er wordt een eiland gebouwd in de zee, met daarin een groot meer. Bij een overschot aan
elektriciteit wordt zeewater uit het meer in de
omringende zee gepompt, bij een tekort stroomt zeewater het meer
in terwijl een generator wordt aangedreven. Dit idee gaat uiteraard goed
samen met windturbines op zee.
Cylinder uit de rotsen houwen
Het Amerikaanse bedrijf Gravity Power en het Engelse bedrijf EscoVale Consultancy
bedachten een compacter concept voor een vlakke geografie. Het bestaat uit een diepe ondergrondse
schacht die wordt gevuld met water. Daar wordt een nauw aansluitende,
zware cylinder in geplaatst. Omdat water niet samengedrukt kan worden,
en omdat er geen ruimte is tussen de cylinder en de wand van de schacht,
“drijft” de cylinder op het water.
Bij een overaanbod van hernieuwbare
energie wordt er water onderin de schacht gepompt, waardoor het gewicht
naar boven wordt gestuwd. Is er een tekort aan hernieuwbare energie, dan
wordt er water uit de schacht — onder hoge druk — gelaten om er een generator mee aan te
drijven. Het gewicht zakt dan naar beneden. Het circuit wordt eenmalig
gevuld met water, daarna wordt het water steeds opnieuw gebruikt.
De mechanische batterij van Gravity Power.
De technologie bestaat voorlopig enkel op papier, er is nog geen
prototype gebouwd. De methode bestaat uit veel minder bewegende
onderdelen dan de kabelspoorbaan van Energy Cache, waardoor ze wellicht
efficiënter kan werken. Ook neemt het systeem bovengronds nauwelijks
plaats in en maakt het net als Energy Cache gebruik van bestaande
technologie: de machines om dit soort schachten te boren worden al
decennia gebruikt in de mijnindustrie.
Zwaartekrachtlamp
De zwaartekracht kan ook op veel kleinere schaal benut worden. Thuis bijvoorbeeld. Een mooi voorbeeld is het “Gravity Light“,
of de “zwaartekrachtlamp”. Veel ngo’s hebben de jongste jaren verlichting op zonne-energie in ontwikkelingslanden geïntroduceerd,
als alternatief voor de ongezonde kerosine-lampen. Hoewel dat op zich zonder twijfel een lovenswaardig initiatief is, levert het slechts een tijdelijke
oplossing op. Als na twee of drie jaar de herlaadbare batterijen aan
vervanging toe zijn, is er ook geen licht meer. Nieuwe batterijen zijn
duur en lang niet altijd makkelijk te vinden. Na gebruik komen ze meestal in de natuur terecht.
De zwaartekrachtlamp lost deze problemen grotendeels op. De LED-lamp heeft
geen batterij, maar een opslagsysteem dat werkt dankzij de
zwaartekracht. Een bijgeleverde, sterke zak wordt gevuld met ongeveer
tien kilogram zand of stenen, en dan omhoog getrokken, tot aan het
plafond. Het gewicht zakt vervolgens langzaam naar beneden en drijft
daarmee een dynamo aan, die elektriciteit produceert en de lamp
doet werken. Na 15 tot 30 minuten heeft het gewicht het laagste punt
bereikt en hijst de een mens de zak terug omhoog.
De “zwaartekrachtlamp”.
De zwaartekrachtlamp is niet afhankelijk van batterijen, en alle
nadelen die daarbij horen. Alleen de
LED-lamp zelf maakt dat de levensduur van de lamp beperkt is, tot
minstens tien jaar als we de fabrikanten van LED-verlichting mogen
geloven.
Zwaartekracht thuis
Is de zwaartekracht een realistisch alternatief voor het opslaan van hernieuwbare energie op grote schaal? Dat hangt af van het energieverbruik. De zwaartekrachtlamp werkt, maar er zit een LED-lampje in van 0,1 watt. Voor een gloeilamp van 25 watt zou een gewicht van 1 ton elke 15 tot 30 minuten naar een hoogte van tien meter moeten worden getrokken.
Het
elektriciteitsverbruik in een Belgisch of Nederlands huishouden
bedraagt ongeveer 9.000 watt-uur per dag. Kunnen we dat opslaan met een micro-pompcentrale? Als we drie zonloze (of
windloze) dagen willen kunnen overbruggen, een typisch uitgangspunt bij
de berekening van de batterijcapaciteit voor een “off-grid” huis, dan
hebben we een capaciteit nodig van 27.000 watt-uur.
Als we de hoogte
beperkt willen houden tot een min of meer praktische tien meter, dan is
er een gewicht nodig van bijna 1.000 ton (duizend kubieke meter water,
of een zwembad van 10 meter lang, 10 meter
breed en 10 meter diep). Er is ook een even groot tweede
reservoir nodig om dat water op te vangen.
Kleinschalige
versies van energieopslag met behulp van kabelspoorbanen
of betonnen cylinders, als ze mogelijk zouden zijn, kunnen het volume wat beperken — maar niet het gewicht.
Energieopslag op grote schaal
Het nadeel van de zwaartekracht als opslagmedium is ook duidelijk op grote schaal. Volgens
Gravity Power is
er voor een opslagcapaciteit van 40 megawatt-uur (de capaciteit van een
kleine pompcentrale) een cylinder nodig met een diameter van 30 meter en
een lengte van 250 meter, terwijl de schacht 500 meter diep zou moeten
zijn.
Het bedrijf stelt voor de cylinder te vervaardigen uit beton en
ijzererts, om een zo hoog mogelijke densiteit te bereiken voor een zo
laag mogelijke kost. Gravity Power geeft geen informatie over het gewicht
ervan, maar als we uitgaan van de specifieke zwaartekracht van beton,
dan weegt een cylinder van 250 meter lang en een diameter van 30 meter
(= volume van 176,714 m3) maar liefst 424.000 ton.
Om een idee te geven: dat is ruim twee keer zoveel als het tonnage
dat
de grootste containerschepen kunnen vervoeren. Het verbaast dan ook niet
dat Escovale Consultancy voorstelt de cylinder dan maar gelijk
ter plaatse uit de
rotsen te houwen. Als we 30 gigawatt-uur elektriciteit willen opslaan (genoeg voor
drie dagen elektriciteitsverbruik in België), dan hebben we 750 van
deze cylinders nodig.
Technisch mogelijk? Zeker. Realistisch? Niet echt. Er is te veel plaats
en vooral te veel staal en beton nodig. Het voordeel van pompcentrales is dat we de bergen zelf niet hebben
moeten bouwen. De systemen die mogelijk zijn in vlakke regio’s vragen
allemaal een grote input van bouwmaterialen, en dus ook veel geld, tijd
en energie.
Energieverbruik delen door vijftig
Een micro-pompcentrale thuis is bij het
huidige energieverbruik dus geen
realitsische oplossing voor duurzame energieopslag. Pas als we 50 keer
minder elektriciteit zouden gebruiken als
vandaag — 180 watt-uur elektriciteit per huishouden per dag — dan komen we aan een
min of meer haalbaar concept dat met wat goede wil in een eengezinswoning kan worden ingebouwd.
Om drie donkere of windstille dagen te
overbruggen, hebben we in dat geval een capaciteit nodig van 540
watt-uur. Dat kunnen we bereiken met een gewicht van 20 ton op een
hoogte van 10 meter, of met een gewicht van 40 ton op een hoogte van 5
meter. In dat laatste geval gaat het om een opslagreservoir van 40
kubieke meter, of een zwembad van ongeveer 3,5 meter lang, 3,5 meter
breed en 3,5 meter diep. Of, zeg maar, een volledige slaapkamer gevuld met
water, en een even groot reservoir vijf meter lager.
Dezelfde hoeveelheid elektrische
energie zou ook in twee laptopbatterijen kunnen worden opgeslagen.
Wat doe je met 180 watt-uur
elektriciteit per dag voor het hele gezin? Alleen al het opladen van
vier smartphones vraagt zo’n 40 watt-uur per dag. Een miniatuur laptop die
15 watt verbruikt, kan er twaalf uur mee werken — maar als vier
personen zo’n laptop hebben, kunnen ze er elk maar vier uur op
werken, en blijft er niets over voor verlichting. Met 180 watt-uur
kunnen vier spaarlampen van 10 watt elk iets meer dan vier uur per dag
werken.
Voor koelkast, wasmachine, strijkijzer en stofzuiger is er niet genoeg elektriciteit. Zelfs een centrale
verwarming past niet, want de pomp ervan verbruikt meer
energie dan er beschikbaar is.
Hoewel er voor al deze technologie wel degelijk goede lowtech alternatieven
bestaan, inclusief de centrale verwarming en de koelkast, zullen weinig
mensen in België en Nederland bereid zijn hun elektriciteitsverbruik zo
ver terug te schroeven. En zij die dat toch doen, zullen eerder naar de twee laptopbatterijen grijpen.
Kris De Decker
——————————————————————————————————–
Verwante artikels:
- Zit er te veel of te weinig olie in de grond? “peakoil” of “global warming”, wat is nu eigenlijk het probleem?
- Zo lossen we de energiecrisis (nooit) op: er is meer nodig dan duurzame energie
- Hoeveel olie kost de productie van olie? netto energie analyse
- Moeten we energie rantsoeneren? Een sociaal alternatief voor hogere energieprijzen
- Hernieuwbare energie op grote schaal: zijn er genoeg grondstoffen?
- Energie uit de woestijn: hoe transporteren we de opgewekte elektriciteit?
- Windenergie kan slechts fractie van wereldwijde energieverbruik leveren: als we tenminste het klimaat niet willen ontregelen
- Verwarm je huis met een zonneboiler en een zwembad
- De vergeten toekomst van de fietsmachine: landbouw, industrie en huishoudens op pedaalkracht
- Hightech keuken zonder elektriciteit: koken met een vliegwiel
- Open source energieproductie: de Solar Fire P32
- Een lowtech koelkast voor groenten en fruit
- Van kabelbaan tot RopeCon: de skilift kan alle vrachtwagens van de weg halen en is veel goedkoper dan de trein
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Plaats een reactie