In twee eerdere artikelen onderzochten we de mogelijkheden van een opslagsysteem voor elektrische energie gebaseerd op respectievelijk de zwaartekracht (gravitatieopslag) en warmte (thermische opslag). Opslag van elektrische energie is essentieel voor de invoering van groene energie (wind en zon) om het verschil tussen aanbod en vraag glad te strijken.
In beide gevallen was het doel om na te gaan of er praktische, realistische alternatieven zijn voor opslag van elektrische energie met batterijen of groene waterstof. Deze methoden hebben aanzienlijke nadelen. Ze zijn in hun huidige vorm afhankelijk van schaarse, dure of moeilijk winbare metalen. Megabatterijen hebben een grote oppervlaktebehoefte en zijn erg duur. Zo zijn de kosten van een geplande megabatterij van 1,5 GWh in Australie op 2,4 miljard euro geraamd: 1,6 miljoen per MWh.
De levensduur van batterijen is beperkt en hun capaciteit loopt in de loop van de jaren terug. Het grote voordeel van batterijopslag is dat er geen conversie nodig is: er kan elektrische energie direct aan de batterij worden toegevoerd en de batterij levert ook weer direct elektrische energie. Het conversierendement ligt daarom hoog: 80-95%. Het conversierendement van groene waterstof ligt veel lager: 30% - 50%. Dat komt omdat de elektriciteit eerst via elektrolyse moet worden omgezet in waterstof dat na de opslag, bijvoorbeeld via verbranding in een gasturbine en een generator weer moet worden omgezet in elektrische energie.
De opslag van waterstof is tamelijk volumineus maar minder dan bij batterijen. Ondanks het lagere rendement mag worden aangenomen dat de kosten van de door het opslagsysteem geleverde energie bij waterstof lager zijn dan die bij batterijen. Het is moeilijk te voorzien welke ontwikkelingen om batterijen en elektrolyzers goedkoper en minder afhankelijk van schaarse of dure materialen te maken succesvol zullen zijn. Men mag aannemen dat de zeer noodzakelijke opslag van elektrische energie ook in de te voorziene toekomst vrijwel volledig door batterijen en waterstof zullen worden gerealiseerd.
Desondanks is het interessant om na te gaan of er goede alternatieven zijn die kunnen worden uitgevoerd met conventionele technieken. Alternatieven die niet afhankelijk zijn van fundamenteel onderzoek maar kunnen worden gerealiseerd met een normaal optimaliserend ontwerpproces. Doel van dit artikel is om de perspectieven in kaart te brengen van een variant van een gravitatieopslagsysteem dat niet is bekeken in het eerdere artikel: een bovengrondse hydraulische variant.
In het artikel over de mogelijkheden van gravitatieopslag werd de voorkeur beargumenteerd voor een ondergronds systeem: een schacht in de grond met een gewicht dat aan kabels wordt opgehangen. Een bovengronds systeem heeft forse nadelen: de hefhoogte is veel lager (een gebouw kan niet zo hoog worden gemaakt als een schacht diep) en de gebouwen waarin de liftschachten worden geconstrueerd moeten grote drukkrachten kunnen opvangen omdat de kabelkatrollen boven de gewichten moeten worden opgehangen.
Het meest voor de hand liggende systeem is daarom een ondergronds systeem. Deze keuze wordt nog eens geïllustreerd door het project Energy Vault. De precieze gegevens zijn moeilijk te achterhalen, maar duidelijk is dat hierbij grote, dure gebouwen moeten worden gebouwd met een relatief lage capaciteit. Ook heel merkwaardig is dat bij dit project volledig wordt voorbijgegaan aan het feit dat de optimale configuratie wordt bereikt als de hefhoogte gelijk is aan de hoogte van het gewicht en de helft van de schachthoogte. Simpele wiskunde.
Logisch dat werd gekozen voor een ondergronds systeem. Maar dit systeem is niet zonder constructieve problemen. Nu is het is altijd lastig om bij een project vooraf de meest problematische constructieve knelpunten te identificeren, maar bij deze ondergrondse opslagsystemen zal de overbrenging door middel van kabels ongetwijfeld veel inspanning vergen om de constructieve uitdagingen op te lossen. Denk aan bevestiging, geometrische randvoorwaarden, slijtage, vervanging, etc.
Logische vervolgvraag: is er een methode denkbaar om op een andere manier dan met kabels de energie over te brengen van het gewicht naar een elektrische generator en van een elektromotor naar het gewicht? Naast gravitatieopslag met stuwmeren (waar de potentiële energie wordt opgeslagen in het water zelf) zijn er ook plannen bekend waarbij water slechts wordt gebruikt voor de transmissie van energie. We vragen ons af of dit ook op een soortgelijke manier zou kunnen bij een systeem dat vergelijkbaar is met de eerder beschreven systemen: cilindervormige gewichten in schachten. In dat geval moet het gewicht worden uitgevoerd als een nauwkeurig passende zuiger in een cilinder (de schacht). Onder het gewicht moet nu bij energietoevoer water worden gepompt met een zodanig hoge druk dat het gewicht wordt geheven. Bij energieafvoer perst het gewicht het water naar buiten waar, via een waterturbine, een generator wordt aangedreven.
In het artikel over gravitatieopslag werd uitgegaan van een standaardconfiguratie: schachtdiepte 3 km; schachtdiameter 1m; hoogte gewicht 1500m; hefhoogte 1500m; gewicht 30.000 kN; capaciteit 12,5 MWh of, rekening houdend met een rendement van 80%, 10MWh.
Als we deze configuratie uitvoeren als hydraulische variant wordt de waterdruk onder het gewicht ongeveer 380 bar. De wanddikte van een stalen cilinder (de schacht) ligt daarmee in de orde van 100 mm. Bij een grotere schachtdiameter blijft de waterdruk gelijk, maar neemt de wanddikte evenredig toe.
Deze configuratie heeft grote nadelen, zo moet bijvoorbeeld het water toe- en afgevoerd worden naar het onderste punt van de schacht via een tweede leiding. Het gewicht (de zuiger) zal bij een hoge waterdruk goed moeten worden afgedicht langs de cilinder (de schacht). Als zo’n afdichting zou moeten worden vervangen is dat vrijwel onmogelijk, in elk geval zeer problematisch. We moeten concluderen dat een ondergrondse variant van een dergelijke hydraulische gravitatieopslag geen goede perspectieven heeft.
De belangrijkste reden om bij gravitatieopslag gebruik te maken van ondergrondse schachten en niet van gebouwen was dat voor een grote hefhoogte trekkrachten (via kabels) constructief veel beter zijn te hanteren dan drukkrachten (via kolommen van gebouwen). Echter, de beschreven methode om een gewicht door middel van waterdruk te heffen, opent de mogelijkheid om de cilinders (schachten) op een vloer te plaatsen zodat kan wordt vermeden dat de gewichten moeten worden opgehangen aan kabels. Er hoeven dus geen drukkrachten via kolommen worden afgevoerd. Anders geformuleerd: bij het gebouw waarin de schachten worden opgesteld hoeft alleen maar worden gezorgd dat deze zijdelings worden gestabiliseerd en dat ze worden beschermd tegen zijdelingse (wind)krachten. Dit maakt zo’n constructie heel veel lichter, eenvoudiger, goedkoper.
Andere kostenoverwegingen: water is goedkoper dan kabels. Daarentegen zijn pompen en waterturbines mogelijk duurder dan katrollen, trommels en planetaire overbrengingen. Wel kunnen pompen en turbines goed worden gecentraliseerd, wat bij een kabelsysteem veel minder goed mogelijk is.
Vanzelfsprekend is bij een bovengrondse uitvoering de schachthoogte veel beperkter dan mogelijk is bij een ondergrondse uitvoering. We doen geheel willekeurig hiervoor enkele aannamen: schachthoogte 200m, hoogte gewicht 100m, hefhoogte 100m. Bij een diameter van het gewicht 1m en een dichtheid 3000 kg/m3 wordt het gewicht 2350 kN en de waterdruk 30 bar. De maximaal opgeslagen energie wordt daarmee 65 kWh. De capaciteit, de maximaal te leveren energie wordt dan, met een rendement 80% (van turbine en generator) 52 kWh.
Stel dat we een installatie met een capaciteit van 500 MWh willen construeren, dan zijn daarvoor 9600 schachten (cilinders) met een diameter 1m nodig. We schatten dat hiervoor ongeveer 12000 m2 nodig is ofwel een vierkant van 110m x 110m. We komen dus op een gebouw van 110m x 110m; 200m hoog dat ongeveer 10.000 schachten met een diameter 1m huisvest.
Als we een grotere schachtdiameter nemen blijft de waterdruk gelijk. Ook de capaciteit binnen het gebouw blijft gelijk. De capaciteit van een schacht neemt kwadratisch toe met de diameter. Bijvoorbeeld hebben schachten met een diameter 2m een capaciteit 208 kWh, zodat er 2400 nodig zijn voor een installatie van 500 MWh. Deze kunnen ook binnen hetzelfde gebouw (110m x 110m x 200m) worden geplaatst.
Een schacht met diameter 5m heeft een capaciteit 1300 kWh, zodat er voor 500 MWh ongeveer 400 nodig zijn. Ook deze passen in het gebouw van 110m x 110m x 200m. Voor een installatie met een capaciteit van 1 GWh is een gebouw van 155m x 155m x 200m nodig. Bijvoorbeeld voor 4800 schachten met een diameter 2 meter. Vanzelfsprekend kan men ook voor meerdere kleinere gebouwen kiezen.
Bij het ontwerp heeft men dus veel vrijheid bij de dimensionering van de schachten (cilinders). Ook bij het optimaliseren van het aantal en grootte van de pompen en waterturbines is er veel constructieve vrijheid. De wanddikte van een stalen cilinder met een diameter 1 meter ligt in de orde van 15 mm. De wanddikte neemt evenredig toe met de cilinderdiameter. De hoeveelheid staal voor de 500 MWh , dus binnen het gebouw blijft echter gelijk. Vanzelfsprekend kan, als dat constructief of economische voordelig is, de cilinder ook van een ander materiaal dan staal worden gemaakt, bijvoorbeeld kunststof, glasvezel of koolstofvezel. De bovenste helft van de schacht wordt niet belast door de waterdruk. Men kan er voor kiezen om deze helft dunner of van een ander materiaal uit te voeren.
Een belangrijk aandachtspunt bij de constructie zal ongetwijfeld de afdichting tussen gewicht (zuiger) en schacht (cilinder)zijn. Deze afdichting zal periodiek, vanwege slijtage moeten worden vervangen. Dat is bij deze configuratie goed mogelijk. De meest praktische oplossing lijkt om de cilinder zo ver op te vijzelen dat de afdichtringen onder aan de zuiger kunnen worden vervangen.
Een energieopslagsysteem gebaseerd op de zwaartekracht kan voor de energieoverdracht tussen elektromotor en een gewicht (invoer) en gewicht en generator (uitvoer) ook gebruik maken van water in plaats van kabels. Na de elektromotor moet dan een pomp worden geplaatst en voor de generator een waterturbine. Het gewicht beweegt zich dan in de schacht als een zuiger in een cilinder.
Bij deze hydraulische variant is een uitvoering met ondergrondse schachten minder geschikt. Bovengrondse uitvoeringen lijken betere perspectieven te hebben omdat de toegankelijkheid beter is en relatief eenvoudige, lichte, goedkope gebouwen kunnen worden gebruikt.
Een hydraulische energieopslag met een capaciteit van 500 MWh past in een gebouw van 110m x 110m, 200m hoog, onafhankelijk van de schachtdiameter die wordt toegepast. Een energieopslag van 1 GW past in een gebouw van 160m x 160m, 200m hoog.
Bij de constructie heeft men veel vrijheid, bijvoorbeeld bij de keuze van de diameter en het materiaal van de cilinder, het aantal pompen en waterturbines.
Het lijkt goed mogelijk om een methode te ontwerpen om de afdichting tussen gewicht (zuiger) en schacht (cilinder) periodiek te vervangen. Bijvoorbeeld door de cilinder op te vijzelen.
Vergeleken met een bovengronds gravitatie energieopslagsysteem, dat werkt met gewichten die aan kabels hangen (bijvoorbeeld zoals bij het project Energy Vault) heeft de hydraulische variant veel voordelen en veel betere perspectieven.
