Kraan

Nieuwste batterij werkt op zwaartekracht

Tonnen zware blokken die 70 meter de lucht in worden gehesen, fungeren als enorme batterij. Het benutten van de zwaartekracht is de nieuwste poging van ingenieurs om energie op te slaan tot ze nodig is.

Tonnen zware blokken die 70 meter de lucht in worden gehesen, fungeren als enorme batterij. Het benutten van de zwaartekracht is de nieuwste poging van ingenieurs om energie op te slaan tot ze nodig is.

Mikkel Meister

Hij houdt alles in het heelal bijeen en plant ons stevig op de grond.

En nu moet de zwaartekracht ook nog energie opslaan.

Dat is althans de visie van Energy Vault, een bedrijf met een duidelijke missie: de zwaartekracht gebruiken om bijvoorbeeld overtollige windenergie op te slaan die consumenten niet direct nodig hebben.

Daarom heeft Energy Vault een zesarmige kraan gebouwd die 70 meter boven de Zwitserse stad Bellinzona uittorent.

Aan de kraan bungelen 35 ton zware betonblokken, en al zie je het er niet aan af, ze doen dienst als reusachtige batterijen.

‘Energie komt steeds meer uit groene bronnen, en die moeten we kunnen opslaan.’ Robert Piconi, directeur van Energy Vault

De kraan slaat overtollige energie op in de vorm van zwevende betonblokken, die van pas kunnen komen op dagen dat de consument een enorme behoefte heeft aan stroom uit het stopcontact.

En dat is lang niet de enige manier waarop zwaartekracht de groene transitie zal helpen. Diepe putten en hele meren moeten ook overtollige energie opslaan.

Groene stroom voor grijze dagen

Het principe om de zwaartekracht als batterij te gebruiken speelt in op de tijdgeest, waarbij stroom wordt geleverd door hernieuwbare energiebronnen als zonnecellen en windturbines, en niet door bijvoorbeeld kolencentrales.

Maar er is een probleem met duurzame energie.

Op windstille en bewolkte dagen kan deze energie moeilijk in de stroombehoefte van de verbruikers voorzien, en omgekeerd zijn er dagen waarop het bijvoorbeeld zo hard waait dat er veel meer stroom wordt opgewekt dan de verbruikers uit het stopcontact kunnen halen.

Greenpeace schat dat China in 2016 tot 17 procent van zijn groene stroom heeft verspild – het equivalent van stroom voor 20 miljoen huishoudens.

Zelfs in landen waar bijna de helft van de stroom van windturbines komt, zijn er momenten waarop we op fossiele bronnen zijn aangewezen.

6000 huishoudens kan de zesarmige kraan een hele dag opgeslagen stroom leveren.

En dan komen oplossingen als de Zwitserse kraan van pas. Dergelijke systemen kunnen het overschot aan elektriciteit van goede dagen opslaan om op slechte dagen te gebruiken. Zo gaat er geen groene stroom verloren.

Gestapelde blokken slaan energie op

De kraan, Commercial Demonstration Unit (CDU) gedoopt, is in 2021 gemoderniseerd en kan nu wereldwijd commercieel worden ingezet.

‘Ons systeem kan overal worden geïnstalleerd waar er een aansluiting op het elektriciteitsnet is. Het laadt op door de blokken op te tillen met overtollige stroom van windturbines of zonnecellen, en laat de blokken weer zakken wanneer de energie nodig is,’ vertelt Robert Piconi, CEO van Energy Vault, aan Wetenschap in Beeld.

De technologie is gebaseerd op het eenvoudige principe dat er energie nodig is om een voorwerp van de grond te tillen. Die energie, bijvoorbeeld van windmolens, drijft de motoren van de kraanarmen aan. Deze tillen via sterke staaldraden de betonblokken de lucht in en stapelen ze op.

Wanneer de consument weer stroom nodig heeft, laat de kraan de blokken naar de grond zakken. De beweging drijft een generator aan, die elektriciteit opwekt. Het principe wordt ook gebruikt in staartklokken, waarbij de klok blijft lopen doordat een gewicht langzaam een kabel naar beneden trekt.

Een 70 meter hoge kraan, 35 ton zware betonblokken en zwaartekracht – dat zijn de belangrijkste ingrediënten van een nieuw systeem dat het opneemt tegen batterijen en dammen.

Energieproductie
© Shutterstock/Energy Vault/Business Wire

1. Groene stroom tilt blokken op

Als windturbines of zonnecellen meer stroom produceren dan klanten nodig hebben, drijft het overschot de motoren van de kraan aan, die blokken van 35 ton de lucht in tillen. De zesarmige kraan stapelt er een toren van.

Energieproductie
© Shutterstock/Energy Vault/Business Wire

2. Hoge blokken geven meer stroom

Hoe hoger de blokkentoren is, hoe meer elektriciteit eruit kan worden gehaald. De zwaartekrachtcentrale kan tot 80 megawattuur opslaan, waarmee kan worden voorzien in de dagelijkse stroombehoefte van 6000 huishoudens.

Energieproductie
© Shutterstock/Energy Vault/Business Wire

3. Afdaling ontlaadt de toren

Als klanten stroom nodig hebben, laten de kranen de blokken weer zakken, waardoor een generator gaat draaien en elektriciteit opwekt. Wanneer alle energie uit het systeem is gehaald, zijn de blokken over drie kleinere torens verdeeld.

De energie die de kraan oorspronkelijk gebruikte om het blok op te tillen, komt dus terug – of althans het grootste deel ervan, want het systeem kan niet 100 procent van de energie benutten.

Batterijen vliegen in brand

Uit berekeningen van Energy Vault blijkt dat de opgeschaalde methode van het heffen en laten zakken van gewichten ruim 75 procent rendement oplevert, wat betekent dat de meeste opgeslagen energie kan worden teruggewonnen.

Circa 25 procent van de energie gaat verloren door wrijvingsweerstand en warmte in motoren en bewegende onderdelen.

75 procent van de opgeslagen stroom wordt herwonnen.

Ter vergelijking: lithiumionbatterijen kunnen 90 procent rendement halen, maar raken met elke keer op- en ontladen vermogen kwijt. Op termijn zijn zwaartekrachtsystemen dus bijna even efficiënt.

Ook bestaat bij lithiumionbatterijen het risico dat ze vlam vatten, terwijl zwaartekrachtsystemen veel veiliger zijn.

De kraan in de Zwitserse Alpen is niet de enige die gebruikmaakt van de zwaartekracht om energie op te slaan.

Het populairste type zwaartekrachtcentrales is pompaccumulatie (Pumped Storage Hydropower, PSH), een soort waterbatterij. Hierbij drijft een stroomoverschot een pomp aan die water van een laag reservoir naar een hoger reservoir verplaatst.

Cortes-La Muela

Bij een stroomoverschot pompt de centrale Cortes-La Muela in Spanje water naar een hoog reservoir. Bij een stroomtekort loopt het water terug en drijft het een turbine aan.

© Shutterstock

Wanneer de stroom weer nodig is, loopt het water terug en drijft het een turbine aan, die elektriciteit opwekt.

De methode heeft echter twee minpunten.

Ten eerste nemen de twee reservoirs een groot gebied in beslag, en ten tweede is er een hoogteverschil nodig.

Dat laatste geldt niet voor de oplossing van Energy Vault, want het systeem kan ook worden geïnstalleerd in landen zonder bergen en heuvels.

Blokken zijn gemaakt van lokale grond

De zesarmige kraan kan niet alleen groene stroom opslaan, maar wordt zelf ook klimaatvriendelijk geproduceerd. Zo zijn de blokken gemaakt van cement vermengd met materialen die normaal op de stortplaats zouden zijn beland.

Het gaat om restmateriaal van bouwterreinen of het composietmateriaal van afgedankte windturbinebladen.

Aan de voet van de kraan heeft Energy Vault een machine gebouwd die blokken kan persen van verschillende materialen. Het belangrijkste ingrediënt is plaatselijke grond, waardoor wordt bespaard op kosten voor het CO2-transport.

Toen de kraan klaar was, was het een fikse uitdaging om het oppakken en neerzetten van de blokken volledig automatisch te laten verlopen.

Energie computerkamer

De controlekamer bestuurt de zes armen van de kraan, controleert de lading en volgt de snelheid waarmee het railsysteem de gele grijpers langs de armen heen en weer beweegt.

© Mikkel Meister

Om het systeem zo goedkoop mogelijk te laten werken, is het belangrijk dat de zwaartekrachtbatterij zelf kan op- en ontladen, dus zonder menselijke tussenkomst.

De grijpers die de blokken vasthouden, worden dan ook aangestuurd door machinelearningsoftware, waarbij de computer beter wordt in het oppakken en stapelen van de blokken naarmate hij het vaker doet.

Ook de armen werken met computerbesturing, die de beweging langzaam afremt. Als de blokken abrupt vertragen, gaan ze slingeren en komt de stabiliteit van de kraan in gevaar.

Zonnecelproject in de woestijn

Volgens Energy Vault is het realistisch om een kolencentrale van 3 gigawatt, die 2 miljoen huishoudens kan voorzien, al in 2023 te vervangen door een zonnepark en een bijbehorend zwaartekrachtsysteem.

In de zinderende woestijn van Dubai wil het bedrijf bijvoorbeeld het energieopslagsysteem EVx bouwen met een capaciteit die 30 keer zo groot is als van het Zwitserse prototype en dat op één dag 180.000 huizen van stroom kan voorzien.

EVx zal stroom kunnen opslaan van het Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, het grootste particuliere zonnepark ter wereld.

Zwaartekrachtinstallatie

In de zwaartekrachtinstallatie EVx worden blokken in een fabrieksachtig gebouw op en neer getakeld. Er wordt niet gewerkt met hijskranen, maar met verticale railsystemen.

© Energy Vault

Ook andere bedrijven staan klaar om met Energy Vault te concurreren op de markt voor zwaartekrachtbatterijen.

Een daarvan is Gravity Power, dat het niet in de hoogte zoekt, maar ondergronds: een reusachtige zuiger zal worden neergelaten in een waterput.

Een overschot aan stroom wordt gebruikt om een pomp aan te drijven die alleen met de druk van het water de zuiger naar de top van de put duwt. Wanneer de kracht weer nodig is, zakt de zuiger langzaam in de put en perst hij water door een turbine, die elektriciteit produceert.

Een ander bedrijf, Gravitricity, wil een gewicht tot 12.000 ton uit een diepe put tillen en weer onderdompelen wanneer er stroom nodig is. Volgens Gravitricity heeft de methode een efficiëntie van 80-90 procent.

De meeste zwaartekrachtcentrales kosten miljoenen dollars om te installeren en aan te sluiten op het net, maar door de lange levensduur – in sommige gevallen tot 50 jaar – kunnen de kosten mettertijd dalen.

Dit maakt zwaartekracht tot een goedkoop, milieuvriendelijk en veilig alternatief voor batterijen.