Een van de meest onderschatte problemen bij de energietransitie is de noodzaak om energie tijdelijk te kunnen opslaan. Als de zon schijnt en het hard waait produceren zonnepanelen en windturbines vaak meer stroom dan wordt afgenomen, maar als het ’s nachts windstil is valt de hele stroomproductie stil. Het is daarom essentieel dat overschotten kunnen worden opgeslagen om in periodes waarin de vraag het aanbod overtreft te kunnen worden gebruikt. Het is hierbij van belang om onderscheid te maken tussen het vermogen en de capaciteit van een opslagmedium. De capaciteit, een hoeveelheid energie, wordt meestal uitgedrukt in megawatturen (MWh). Het vermogen, vaak uitgedrukt in megawatts (MW) is de energie die per tijd kan worden geleverd. Vergelijk het verschil tussen het vermogen van batterij van een elektrische auto waardoor de topsnelheid wordt bepaald en de capaciteit van de batterij die bepalend is voor de actieradius. Er zijn een paar technische mogelijkheden om dit soort energiebuffers te construeren.
Het ligt het meest voor de hand om de elektrische energie op te slaan in batterijen. Dat moeten dan wel zeer forse batterijen zijn. Elon Musk is ook hier de kampioen. In Australië liet hij een megabatterij bouwen, bestaande uit 210 Tesla Megapacks met een vermogen van 300 MW en een capaciteit van 450 MWh. Oppervlakte enkele voetbalvelden. In Nederland is de grootste batterij 7,5 MWh met een vermogen van 12 MW. Dit lijkt erg veel, maar een relativering is op zijn plaats: de Tesla megabatterij (450 MWh) zou maar ongeveer 60.000 Nederlandse huishoudens een dag lang van stroom kunnen voorzien. Om alle Nederlandse huishoudens een dag lang van stroom te voorzien zijn meer dan honderd van die megabatterijen nodig. Nog beduidend meer als in de toekomst aardgas wordt vervangen door elektriciteit. Deze megabatterijen hebben grote nadelen die ze minder geschikt maken voor echt grootschalige toepassingen. Ze zijn afhankelijk van schaarse, steeds duurder wordende grondstoffen (lithium, kobalt) die vaak op een mensonwaardige manier worden gewonnen. Ook hebben alle batterijen een eindige levensduur, waarna men met een afvalprobleem zit.
Kortom, concluderend, batterijen vormen niet de ideale oplossing voor de noodzakelijke grootschalige buffers voor elektrische energie. Maar ze zullen wel een waardevolle bijdrage kunnen leveren vanwege hun snelle respons waarmee rimpelingen in vraag en aanbod kunnen worden gladgestreken en het netwerk efficiënter kan worden belast.
Op dit moment wordt vrijwel alle waterstof geproduceerd uit aardgas. Daarbij komt CO2 vrij. Precies wat we niet willen. Grootschalige productie van waterstof met behulp van het elektrolyseproces (waterstof uit water met behulp van elektriciteit) was tot nu toe duurder. Dat gaat natuurlijk veranderen. Aardgas wordt duurder en we willen de CO2 niet. Er zijn heel veel activiteiten gaande om het elektrolyseproces efficiënter, goedkoper, grootschaliger en minder afhankelijk van schaarse katalysatormetalen te maken. Men kan er alle vertrouwen in hebben dat over een paar jaar zulke groene waterstof op grote schaal kan worden geproduceerd. Maar of ook de afhankelijkheid van schaarse katalysatormetalen volledig zal verdwijnen is maar zeer de vraag.
Deze groene waterstof kan, naast de functie als energiebuffer, ook worden gebruikt als brandstof voor voertuigen en schepen. Een ander verhaal.
De opslag van waterstof kan op verschillende manieren, maar het meest praktisch lijkt toch wel een opslag in hogedruktanks te zijn. 700 bar is mogelijk. Ondanks die hoge druk is zo’n opslag toch nog vrij volumineus, zo’n 4 à 5 keer het volume van dieselolie of benzine.
Voor de opslagfunctie zijn deze volume-eisen geen groot probleem. In een tank met afmetingen van een container kan een hoeveelheid energie in de orde van 100 MWh worden opgeslagen. Dat valt nogal mee als we het vergelijken met de ruimtebehoefte van megabatterijen.
De opgeslagen waterstof moet, als de elektriciteitsvraag daartoe noopt, weer worden omgezet in elektriciteit. Dit kan in aangepaste bestaande elektriciteitscentrales. In principe maakt het niet zoveel uit of zo’n centrale wordt gestookt met aardgas of met waterstof. Men zou hybride centrales kunnen bouwen die zowel op aardgas als waterstof kunnen werken. Een aandachtspunt blijft vanzelfsprekend de explosiviteit van waterstof. Dit hoeft echter geen grote problemen op te leveren als er zorgvuldig mee wordt omgegaan. Een blijvend probleem is mogelijk wel de blijvende afhankelijkheid van zeldzame katalysatormetalen. Toch kunnen we concluderend vaststellen dat waterstof goede perspectieven biedt om als grootschalige energiebuffer te fungeren.
Zijn er naast batterijen en waterstof nog andere manieren om energie op te slaan? Legio, we zullen ze hier niet allemaal gaan noemen, want dan moeten we die methoden ook gaan evalueren en dat valt buiten het bestek van dit stuk. Eén methode verdient duidelijk wel een nader onderzoek: potentiële energie van de zwaartekracht: gravitatieopslag. Men kan een gewicht bij een energieoverschot optillen en de energie weer laten vrijkomen bij een energietekort door dit weer te laten zakken.
Er zijn al voorstellen en proefprojecten geweest om deze methode te demonstreren en te onderzoeken. Bijvoorbeeld projecten onder de naam Energy Vault. Het waren gebouwen met heel veel liften met betonblokken als liftkooien of een soort hijskranen die rondom betonblokken kunnen hijsen en laten dalen. Ik meen dat deze ontwerpen een slecht constructief uitgangspunt hebben. Allereerst treden bij deze ontwerpen, gebouwen en kranen, grote drukkrachten op. Ook is de hefhoogte bij gebouwen of hijskranen beperkt tot een paar honderd meter. Het is veel verstandiger om met trekkrachten te werken. Kabels zijn beter dan kolommen. Men kan dan werken met liftschachten in de grond. Het gewicht kan worden opgehangen aan kabels waarbij de katrollen direct op het aardoppervlak worden ondersteund. Ook de te realiseren hefhoogte is veel groter omdat de diepte van zo’n schacht nu eenmaal veel groter kan zijn dan de hoogte van een gebouw of hijskraan.
Het project Gravitricity is gebaseerd op dit principe.
De capaciteit van deze opslagmethode is, naast de soortelijke massa van het te heffen gewicht afhankelijk van drie factoren: de doorsnede van de liftschacht, de hoogte van het gewicht en de hefhoogte. Met eenvoudige wiskunde kan men nagaan dat de optimale capaciteit wordt gerealiseerd als de hoogte van het gewicht de helft is van de schachtdiepte. De hefhoogte is dan ook gelijk aan de hoogte van het gewicht en de helft van de schachtdiepte. De bestaande proefprojecten gaan volledig voorbij aan dit gegeven.
De hamvraag is natuurlijk: is met deze gravitatieopslag een substantiële opslagcapaciteit te realiseren? Laten we een fictief voorbeeld nemen. Met een liftschacht met een diameter 10 m en een diepte van 2 km, hefhoogte 1 km zou een energieopslag in de orde van 500 MWh zijn te realiseren. Evenveel dus als de megabatterij van Elon Musk. Helaas zal zo’n installatie vanwege de constructieve beperkingen bijna onmogelijk zijn te realiseren. Het lijkt verstandiger, eenvoudiger en goedkoper om bijvoorbeeld 100 schachten met een diameter van 1 meter of 25 schachten met een diameter van 2 meter (die samen ook een capaciteit van 500 MWh hebben) te maken. We komen verderop wat uitgebreider terug op de dimensionering.
Gravitatieopslag heeft veel voordelen. Geen verbruik van grondstoffen. Geen milieubelastende bouwmaterialen. Geringe oppervlaktebehoefte en landschapsvervuiling. Zeer lange levensduur. Flexibel in het te leveren vermogen. Niet afhankelijk van onzeker fundamenteel onderzoek, te construeren met bekende conventionele technieken.
Een kwestie van ontwerpen, selecteren, dimensioneren, optimaliseren, prototypen, proefconstructies, et cetera. Normale bekende ontwerp- en constructieprocedures.
Maar is zo’n installatie voor gravitatieopslag een realistisch concept? Er zijn zeer uitdagende constructieve problemen, maar als we megawindturbines en booreilanden op zee, kabels onder de oceaan, een kanaaltunnel, metronetwerken ondergronds, gebouwen van meer dan 500 m hoog kunnen maken, kunnen we zeker een schacht in de grond van enkele kilometers diep, een hefinrichting voor een megagewicht en een geschikt transformatiesysteem tussen mechanische en elektrische energie maken.
Als bonus: men zou deze gravitatieopslagmethode, waar mogelijk en geschikt, kunnen combineren met geothermie: winning van energie uit aardwarmte.
Er is bij bovenstaande vergelijking niet ingegaan op het rendement van de verschillende systemen. Het is vrijwel onmogelijk om dat meer dan uiterst globaal te doen. Ook omdat men soms moet uitgaan van verwachtingen van toekomstige ontwikkelingen. Maar vooral ook omdat technische rendementen in gevallen zoals hier volledig ondergeschikt zijn aan economische rendementen. Deze zijn nog veel lastiger in te schatten omdat men te maken heeft met te verwachten prijsstijgingen en schaarste. Met politieke en ideële overwegingen (klimaatdoelen bijvoorbeeld). Met zaken als levensduur en kosten van het opruimen na afloop daarvan. Bouwkosten, onderhoudskosten.
Onmogelijk daarom om de verschillende systemen op dit punt te vergelijken, maar gravitatieopslag heeft met zijn afwezigheid van grondstofverbruik en lange levensduur in dit opzicht zeker geen slechte perspectieven.
Er zijn een aantal praktische constructieve beperkingen waarmee men zal worden geconfronteerd bij het ontwerpen van installaties voor gravitatieopslag als boven beschreven. Vanzelfsprekend geldt dit voor de schachten (diameter, diepte, waterdichtheid, etc.). Ook de omzetting tussen de rechtlijnige mechanische energie met een lage snelheid van en naar elektrische energie via een roterende generator en motor zal niet eenvoudig zijn. Maar de belangrijkste beperking zal mogelijk worden veroorzaakt door de kabel(s) waaraan het gewicht moet worden opgehangen. Omdat deze kabel via een katrol op een trommel moet worden opgewonden kan men niet, zoals bijvoorbeeld bij hangbruggen, meters dikke kabels gebruiken. Ook het gebruik van meerdere kabels per gewicht zal de constructie compliceren, maar zal mogelijk noodzakelijk zijn.
Bij het gebruik van meerdere kabels ligt het voor de hand om deze te bevestigen langs de rand van het gewicht. Men kan dan bijvoorbeeld 3, 4, 6 of meer kabels bevestigen binnen de beschikbare ruimte.
Het streven is daarbij om bij een bepaalde diameter en schachtdiepte de maximale capaciteit te realiseren (hoogte gewicht en hefhoogte gelijk aan de helft van de schachtdiepte), maar bij een grotere schachtdiameter zal dit al snel problemen opleveren bij het afvoeren van de krachten via kabels. Achterliggende oorzaak is dat de omtrek van het gewicht lineair toeneemt met de diameter, maar het gewicht kwadratisch.
Nemen we als voorbeeld een standaardconfiguratie. Later zullen we aangeven waarom we deze hebben genomen. Schachtdiepte 3 km; schachtdiameter 1m; hoogte gewicht 1500m; hefhoogte 1500m; gewicht 30.000 kN. De capaciteit van deze standaardinstallatie is dan E = 12 MWh; het vermogen bij een daalsnelheid 1 m/s is P= 30 MW.
De vraag is of er ruimte is om de kracht door kabels af te voeren. We gaan uit van de situatie waarbij het gewicht is opgehangen aan 6 kabels die de krachten via katrollen radiaal afvoeren naar kabeltrommels. Indien we uitgaan van een toelaatbare spanning p= 400 MPa (N/mm2) in de kabels is de benodigde kabeldiameter 200 à 250 mm (ordegrootte). Men kan er ook voor kiezen om deze kabels te splitsen in bijvoorbeeld 6 kabels met een diameter 70 à 80 mm.
Het splitsen van de kabels is ook gunstig voor de benodigde diameters van de katrolschijven en de kabeltrommels. Om slijtage te beperken en de levensduur te verhogen moet de verhouding tussen die diameters en de diameter van de kabel tenminste ongeveer 30 zijn. De diameters van katrolschijven en kabeltrommels zijn dan bijvoorbeeld 2,25 m. Als we de breedte van een kabeltrommel ook 2,25 m nemen wordt de buitendiameter van een volledig opgewonden kabeltrommel (met 1500 m kabel) ongeveer 6 meter.
Bij een grotere schachtdiameter zal het snel buitengewoon lastig worden om de optimale configuratie (hoogte gewicht = hefhoogte) te realiseren. Het gewicht wordt dan al snel te groot om dit met kabels te kunnen verwerken. Maar als we het gewicht evenredig (en niet kwadratisch) laten toenemen met de schachtdiameter blijft de situatie vergelijkbaar met de standaardfiguratie.
Als voorbeeld: bij een schachtdiameter 2m, schachtdiepte 3km, gewicht 60.000 kN, hoogte gewicht 750m; hefhoogte 2250m is de opslagcapaciteit 37 MWh.
Bij een schachtdiameter 5m, schachtdiepte 3km, gewicht 150.000 kN, hoogte gewicht 300m; hefhoogte 2700m is de opslagcapaciteit 112 MWh.
Bij een schachtdiameter 10m, schachtdiepte 3km, gewicht 300.000 kN, hoogte gewicht 150m; hefhoogte 2850m is de opslagcapaciteit 240 MWh.
Vanzelfsprekend is het een kwestie van kostenvergelijking om te bepalen of een grotere schachtdiameter een zinvolle optie is.
Bij deze globale berekeningen is geen rekening gehouden met het gewicht van de kabel. Dit is aanzienlijk. Maar als men het gewicht van de kabel in mindering brengt op het hefgewicht wordt de opslagcapaciteit gecompenseerd door de capaciteit van de kabel zelf en de grotere hefhoogte van het gewicht. Dit afhankelijk van de specifieke situatie. Voor reële constructieberekeningen moet men de invloed van het kabelgewicht verdisconteren. Voor de globale berekeningen als boven om de orde van grootte te bepalen is het kabelgewicht niet van groot belang.
Een schachtdiameter van 1m lijkt een goed uitgangspunt. Hierbij is de optimale situatie nog realiseerbaar. Een verder voordeel is dat in Nederland duizenden verlaten boorgaten zijn die werden gemaakt voor gasboringen. Deze boorgaten vormen een goed uitgangspunt voor de standaardconfiguratie (schachtdiameter 1m; schachtdiepte 3 km). Een verder voordeel is dat de situatie op de verschillende dieptes bekend is.
Voor de overbrenging van de kabeltrommel naar de generator en vice versa van elektromotor naar kabeltrommel zijn er verschillende mogelijkheden. We kunnen hier kijken naar een vergelijkbare situatie bij windturbines. Men kan bijvoorbeeld kiezen uit een tandwieloverbrenging (een serie planeetwieloverbrengingen), een hydraulische overbrenging of een direct drive generator. Er zijn verschillen. Het om te vormen moment zal groter en het toerental lager zijn dan bij windmolens, maar daar staat tegenover dat de belasting minder schokken heeft en dat er minder ruimtelijke restricties zijn. Ook moet de omvorming naar beide kanten werken. Het zal lastig zijn om goede constructieve oplossingen te vinden, maar het is zeker mogelijk.
Het door de installatie te leveren vermogen is variabel en kan worden bepaald door de belasting. Bij de genoemde standaardconfiguratie (diameter 1 m; schachtdiepte 3 km; capaciteit 12 MWh) is het geleverde vermogen bij een snelheid van het gewicht van 1 m/s ongeveer 30 MW.
Zoals eerder aangegeven lijkt het verstandig om de ophangkabels te splitsen in meerdere kabels met kleinere diameter om de diameters van katrolschijven en opwindtrommels te beperken. Om slijtage te beperken en de levensduur te vergroten moet de verhouding tussen deze diameters en de kabeldiameter tenminste 30 bedragen. Een grote diameter van de kabeltrommel vergroot ook de benodigde overbrengingsverhouding tussen trommel en generator of motor.
Het is verstandig om de constructie zo te maken dat de kabels kunnen worden vervangen. Ook dit pleit voor meerdere kabels per gewicht.
In plaats van een diepe schacht met een kleine diameter kunnen we ook de mogelijkheden onderzoeken van een gat met een grote diameter en een relatief geringe diepte. We nemen geheel willekeurige afmetingen om deze optie te illustreren: diameter 50 meter; diepte 40 meter; hoogte gewicht 20 meter; hefhoogte 20 meter. We nemen hier een soortelijke massa van het gewicht van 1500 kg/m3. Het gewicht is nu ongeveer 600.000 kN. De omtrek van het gewicht 157 meter.
Indien we 144 kabels langs de rand van het gewicht bevestigen (42.000 kN per kabel) en elk van die kabels weer splitsen in 6 kabels komen we op de volgende afmetingen: kabeldiameter 210 mm gesplitst in 6 kabels van 70 mm.
De 144 x 6 = 864 kabels kunnen dan met bijvoorbeeld 24 katrollen worden afgevoerd naar 24 kabeltrommels en generatoren/elektromotoren. De katrollen en kabeltrommels moeten een diameter hebben van ongeveer 2,1 meter. 36 kabels per installatie.
De hele installatie heeft slechts een capaciteit van 3,3 MWh. Vergeleken met de capaciteit van de standaardconfiguratie: diameter 1m, diepte 3 km: 12 MWh is dit teleurstellend.
Het vermogen van de installatie bij een daalsnelheid 0,1 m/s is 60 MW. Elk van de 24 installaties levert dan 2,5 MW.
Nadelen zijn: veel af- en toevoersystemen en een grote benodigde overbrengingsverhouding tussen kabeltrommel en motor/ generator vanwege de lage daalsnelheid. Voordeel van de vele afvoersystemen is wel dat men kan werken met relatief dunne kabels en kleine katrollen en kabeltrommels.
Vanzelfsprekend is uiteindelijk de kostprijs van een configuratie het belangrijkst. Het is lastig om deze methode in dit opzicht in te schatten. Voordelig is wel dat er relatief weinig kabels hoeven te worden gebruikt. Kabels vormen een forse kostenpost bij deze systemen.
Natuurlijk kan de capaciteit van dit type opslagsystemen worden vergroot met een grotere diameter of diepte of soortelijke massa. De gekozen afmetingen zijn slechts illustratief.
Een heel andere configuratie voor een systeem voor gravitatieopslag is door niet een gewicht aan kabels te hijsen en te laten dalen, maar om het gewicht van de kabels zelf te gebruiken. Een vrij hangende staalkabel breekt als hij langer is dan ongeveer 20 km. Voor gravitatieopslag kunnen we daarom vrij hangende kabels tot ongeveer 4 km gebruiken (veiligheidsfactor 5).
We kunnen als voorbeeld dus weer een standaardschacht met een diepte 3 km en een doorsnede 1 meter als uitgangspunt nemen. We kunnen de schacht zo goed mogelijk vullen, bijvoorbeeld met 48 kabels met een diameter 122 mm. Deze kabel weegt ongeveer 600 N/m. 48 kabels met een lengte 3000 m wegen 86.400 kN. Voor de potentiële energie van kabel mag nu echter maar met de helft van de hijshoogte worden gerekend. De potentiële energie van deze configuratie komt daarmee op ongeveer 36 MWh. Drie maal zoveel dus als de capaciteit (12 MWh) van de standaardfiguratie met een gewicht van 1500 meter hoogte in een schacht van 3 km diepte en een diameter 1 meter. Bij een gemiddelde daalsnelheid van 1 m/s wordt een vermogen van ongeveer 43 MW geleverd.
Deze configuratie wordt daarmee een aantrekkelijke propositie. Men hoeft niet meer een gewicht te construeren en de kabels aan het gewicht bevestigen. Men kan ook veel eenvoudiger kabels vervangen als dat nodig is. Ook is het bij deze methode eenvoudiger om de schacht te inspecteren met een camera en om water dat in de schacht is gelekt te verwijderen. De methode is veilig, bij een kabelbreuk valt slechts één kabel in de schacht. Geen noodzaak om te zorgen dat de spanning in alle kabels gelijk is. Ook de mogelijkheid om gravitatieopslag te combineren met geothermie is eenvoudiger te realiseren. Nadeel van deze methode zijn de hoge kosten van de kabels.
Het wordt wel een lastige opgave om de kracht van de 48 kabels via katrollen en trommels en een overbrenging van en naar elektromotor en generator over te brengen.
Als gedachtebepaling: men zou de kabels in 6 richtingen (6x8) radiaal kunnen wegleiden via 6 langs de rand van de schacht geplaatste katrollen voor elk 8 kabels en deze vervolgens in radiale richting weg te geleiden naar 6 kabeltrommels.
De katrollen en de zes kabeltrommels moeten om slijtage te voorkomen en een voldoende levensduur te garanderen een diameter hebben van ongeveer 4 meter. Bij een trommelbreedte van 4 meter wordt daarmee de diameter van een volledig opgewonden trommel ongeveer 7,5 meter (8 kabels, lengte 3000 m, diameter 122mm). Alle zes kabeltrommels kunnen dan via een overbrenging een generator aandrijven of door een elektromotor worden aangedreven. Men heeft dan dus 6 installaties met een capaciteit van 6 MWh en een indicatief vermogen van 5 MW.
Voor de overbrenging bestaan verschillende opties: een tandwieloverbrenging (bijvoorbeeld een serie planeetwieloverbrengingen); een hydraulische overbrenging (hydropomp en hydromotor) of een direct drive motor/ generator.
Een goede vergelijking van de kosten tussen de drie genoemde opslagsystemen (batterijen, waterstof, gravitatie) is niet mogelijk. Niet alleen zijn er veel onzekere factoren, bijvoorbeeld beschikbaarheid en prijsontwikkeling van grondstoffen, ook zijn de principes van de systemen te verschillend.
Als voorbeeld: de capaciteit van een waterstofinstallatie is alleen afhankelijk van de capaciteit van de waterstofopslag. Het vermogen van de installatie (de energie, de hoeveelheid waterstof die de installatie per tijdseenheid kan leveren) is hier belangrijker. Een waterstofinstallatie die volgens de elektrolysemethode waterstof produceert kost enkele miljoenen euro’s per megawatt. Verder worden de productiekosten (operationeel, transport, opslag) geschat op ongeveer €4 per kg waterstof, exclusief de kosten van de benodigde elektrische energie. En moet men de kosten van de waterstof gestookte elektrische centrale ook (gedeeltelijk) beschouwen als kosten van de opslag?
Voor de kosten van megabatterijen werden uiteenlopende getallen gepubliceerd. Elon Musk beweert heel optimistisch dat zijn installatie zo’n $150.000 per MWh kostte. De kosten van de Eneco batterij (50 MWh) in Duitsland: 30 miljoen euro of €600.000 per MWh lijken wat reëler. Maar het is vrij zeker dat de kosten van dit type batterijen in de toekomst nog zullen stijgen vanwege de afhankelijkheid van de schaarse grondstoffen.
Wat mag een installatie voor gravitatieopslag kosten? Weer als voorbeeld: de fictieve installatie van hierboven (diameter 1 meter, schachtdiepte 3 km, capaciteit 12 MWh) zou met een kostprijs van 12 miljoen euro (€1.000.000 per MWh) zeker concurrerend zijn gezien de voordelen ten opzichte van batterijen. De constructie met vrij hangende kabels (diameter 1 meter, schachtdiepte 3 km, capaciteit 36 MWh) zou dan 36 miljoen euro mogen kosten.
Of het haalbaar is om deze installaties tegen deze kosten te ontwikkelen zal sterk afhangen van de schaal, het aantal dat men zal installeren. Het lijkt geen onmogelijke opgave.
Tijdelijke energieopslag is een essentieel onderdeel van de aanstaande energietransitie. Er moeten buffers zijn om de verschillen tussen vraag en aanbod op te vangen. Tot nu toe zijn er twee methoden kandidaat voor zulke buffers: batterijen en waterstof via elektrolyse. Beide methoden hebben grote nadelen, onder meer de afhankelijkheid van schaarse metalen. In dit stuk wordt aannemelijk gemaakt dat het de moeite loont een derde methode voor energieopslag te onderzoeken: gravitatieopslag of opslag door middel van potentiële energie van de zwaartekracht.
Een nieuwe methode van gravitatieopslag wordt voorgesteld waarbij geen gebruik wordt gemaakt van een aan kabels opgehangen gewicht maar van het gewicht van vrij hangende kabels.
Deze vorm van energieopslag heeft veel voordelen maar gaat ook gepaard met een aantal lastige constructieve uitdagingen. Desondanks meen ik te hebben aangetoond dat het buitengewoon nuttig kan zijn de mogelijkheden verder te onderzoeken.
Voor een installatie voor gravitatieopslag van energie verdient een ondergrondse constructie sterk de voorkeur boven een bovengrondse constructie.
De optimale configuratie bij een ondergrondse gravitatieopslag wordt bereikt als de hefhoogte gelijk is aan de hoogte van het gewicht en de helft van de schachtdiepte.
Gravitatieopslag heeft veel voordelen. Het is niet afhankelijk van schaarse materialen, het is niet afhankelijk van onzeker fundamenteel onderzoek, het is te construeren met bekende conventionele technieken, heeft een zeer lange levensduur en is flexibel wat betreft het te leveren of op te nemen vermogen.
De belangrijkste belemmering om zeer grote installaties voor gravitatieopslag met grote schachtdiameters te construeren lijken de kabels te vormen waarmee de krachten moeten worden afgevoerd.
Om verschillende redenen lijkt het zinvol en voordelig om de schachtdiameter laag te houden. Niet alleen kan de optimale configuratie dan worden gerealiseerd maar mogelijk kan ook gebruik worden gemaakt van de vele verlaten boorgaten die er in Nederland zijn. Een installatie met een schachtdiameter 1 meter en een diepte 3 km kan een opslagcapaciteit van ongeveer 12 MWh en een vermogen van 30MW leveren.
Een configuratie met een grote diameter en een geringe diepte (een gat in plaats van een schacht) heeft geen goede perspectieven, met name door een geringe capaciteit, bijvoorbeeld slechts 3 à 4 MWh bij een diameter 50 meter en een diepte 40 meter.
Het is mogelijk om een grotere opslagcapaciteit per boorgat te realiseren met grotere schachtdiameters. Een opslagcapaciteit van enkele honderden MWh lijkt technisch mogelijk. Men zal echter zorgvuldig de kosten ten opzichte van meerdere installaties met een kleinere schachtdiameter moeten vergelijken.
Een aantrekkelijke alternatieve methode voor gravitatieopslag is om niet een gewicht aan kabels te hangen maar om de schacht te vullen met vrij hangende kabels. Hiermee kan tenminste een drievoudige opslagcapaciteit worden bereikt vergeleken met de conventionele methode. Deze methode heeft ook een aantal constructieve voordelen. Nadelig zijn de hoge kosten van de kabels.
Om concurrerend te zijn moeten de kosten van een installatie voor gravitatieopslag in de orde van €1.000.000 per MWh. Of dit haalbaar is zal afhangen van de schaal waarop men deze installaties zal kunnen realiseren.
