Schachten zijn game-changer bij energieopslag

Peter Fraenkel is de uitvinder van de eerste professionele getijdenenergiegenerator en tevens de bedenker van de eerste ‘zwaartekrachtschacht’ voor de opslag van energie.

Je ziet bij zo’n beschrijving een jonge vent of meid voor je uit Silicon Valley of een andere hub voor innovatie en technologie. Maar de Peter Fraenkel in kwestie is 79 jaar oud en woont met zijn vrouw in een bescheiden huis in een buitenwijk van West-Londen.

Fraenkel, die is afgestudeerd als werktuigbouwkundig ingenieur, kreeg het idee voor de getijdenstroomgenerator in de jaren zeventig. In 1976 voerde hij op de Theems proeven uit met een kleine stroomturbine gemonteerd op een motorboot. In 1980 startte hij een ontwikkelingsproject in Zuid-Soedan om het systeem op ware grootte te testen door het water van de stromende rivier te gebruiken om stroom op te wekken. Op een plaats waar de Witte Nijl een sterke stroming had, installeerde hij een turbine die 50.000 liter irrigatiewater per dag oppompte. De technologie vond geen afzetmarkt omdat de plaatselijke boeren die het nodig hadden het zich niet konden veroorloven.  

Maar deze spielerei leidde wel tot het besef dat getijdenenergie in de toekomst een belangrijke bron van schone energieopwekking zou kunnen zijn. Fraenkel bouwde, met anderen, in 1994 ‘s werelds eerste getijdenstroomturbine. Het was een proefopstelling in Schotland die 15 kilowatt stroom per uur opwekte.

Eerste en enige

In 2003 installeerde het mede door hem opgerichte bedrijf MCT een 300 kWh getijdenturbine voor de kust van Devon (Engeland). Deze was alleen bedoeld als testopstelling, maar het is tot op heden de enige getijdenturbine die meer dan een kilometer van het land is geïnstalleerd. In 2008 werd ‘s werelds eerste getijdenenergiegenerator op commerciële schaal, de door MCT ontwikkelde SeaGen in Noord-Ierland in bedrijf genomen – goed voor het opwekken van 1,2 MWh.

Het principe achter de getijdenturbine is vrij eenvoudig. Energie wordt opgewekt door gebruik te maken van de stromingen die ontstaan door het verschil tussen eb en vloed. De turbines zijn gekoppeld aan generatoren die de kinetische energie van het stromende water gebruiken om energie op te wekken. De SeaGen-turbine was uitgerust met twee rotoren van elk 16 meter diameter.  

Hoewel je kunt vertrouwen op getijdenenergie (op de getijden kun je de klok gelijkstellen), is deze vorm van het opwekken van groene energie niet aangeslagen. “Het probleem met getijdenenergie is dat het te duur blijft”, zegt Fraenkel.

In 2011 startte de uitvinder het bedrijf Gravitricity met als doel het zwaartekrachtsveld van de aarde te exploiteren. De belangrijkste bronnen van duurzame energie, wind en zon, hebben het nadeel onregelmatige en onvoorspelbare toevoer te leveren. Een manier om schommelingen in vraag en aanbod van stroom in evenwicht te houden, is door elektriciteit op te slaan. Ook kan het overschot aan windenergie kan worden gebruikt voor de productie van waterstof, dat kan worden gebruikt voor verwarming. Waterstof zal uiteindelijk aardgas vervangen.

Het systeem van Gravitricity is gebaseerd op het eenvoudige principe van het heffen en laten zakken van zware gewichten. Met stroom van wind of zon worden de gewichten opgehesen. Als er vervolgens behoefte is aan stroom, dan zakken de gewichten door de zwaartekracht weer naar beneden. Daarbij drijven de katrollen dan een generator aan die stroom opwekt.

Gravitricity wil in eerste instantie daarvoor ongebruikte mijnschachten inzetten. Daarvan zijn er in het Verenigd Koninkrijk alleen al 120.000. In de toekomst komen daar ook speciaal geboorde schachten bij. Dergelijke verticale schachten kunnen tot een kilometer diep zijn. Ze kunnen overal worden aangelegd waar behoefte aan energieopslag is. Bijvoorbeeld in of nabij een elektriciteitscentrale, een industriegebied of een woonwijk.

Sinds half maart is in de haven van Edinburgh een proefopstelling gebouwd. Deze bestaat uit een 15 meter hoge werktoren, twee aan staalkabels hangende gewichten van 25 ton en twee generatoraggregaten die op het net zijn aangesloten. De constructie is gebouwd door Huisman, een Nederlands bedrijf dat onder andere industriële lieren bouwt.

De tests moeten uitwijzen dat het principe werkt (hoewel daar geen twijfel over bestaat) en hoe de gewichten in balans blijven. Het hoofddoel is de dynamiek te bestuderen van het versnellen en vertragen van de gewichten om tegemoet te komen aan snelle schommelingen in de elektriciteitsvraag.

Wielen langs de schachtwand

Een probleem is dat zware gewichten kunnen gaan slingeren wanneer zij worden neergelaten, wat kan leiden tot beschadiging van de schacht. Om dit tegen te gaan worden proeven gedaan met kabels die tussen de bodem en de top van de schacht (of toren, in het geval van deze proefopstelling) zijn gespannen om de gewichten te geleiden. Een andere mogelijkheid is de gewichten uit te rusten met rubberen wielen die langs de schachtwanden lopen.

De proefopstelling is ook bedoeld om de precieze reactietijd te testen. Om pieken en dalen in het elektriciteitsnet op te vangen, is het van groot belang dat de reactietijd uiterst kort is. De doeltreffendheid voor de stabilisatie van het net hangt af van de reactiesnelheid.

Als de reactietijd niet ideaal is, heeft Fraenkel een troef achter de hand. De Engelsman heeft al een ontwerp voor een meervoudige schacht waarbij de gewichten parallel en fasegewijs op elkaar inwerken, zodat er nooit een onderbreking in de stroom zal zijn.

Samengeperst waterstof

Fraenkel heeft zijn bijdrage allang geleverd aan de (duurzame) samenleving. Maar omdat het uitvindersbloed kruipt waar het niet kan gaan, komt hij telkens met nieuwe ideeën. De schachten, zegt hij, zouden nog efficiënter gebruikt kunnen worden. “Je kunt ook perslucht of waterstof in de schacht doen, waardoor de energieopslag meer dan verdubbeld kan worden.” Zijn onderneming heeft daarvoor net weer een nieuw patent aangevraagd.

Fraenkel heeft veel vertrouwen in de toekomst van waterstof, althans voor grootschalig gebruik. “Als het erg hard waait, worden windturbines soms stilgelegd omdat de elektriciteit niet kan worden gedistribueerd. Als de hoeveelheid windturbines blijft toenemen, zal het overschot aan windenergie niet langer incidenteel zijn, maar gemeengoed worden.

Warmtepomp

Tenslotte voorziet de nieuwe patentaanvraag ook in de mogelijkheid om een schacht waarin de Gravitricity-gewichten zijn ondergebracht te vullen met samengeperst gas en te gebruiken als warmtewisselaar. Hierdoor zou de schacht kunnen functioneren als een zeer grote aardbron voor gebruik met warmtepompen.

Gravitricity kan in de ogen van Fraenkel dus niet alleen snel reageren op variaties in het elektriciteitsnet door de zwaartekrachtscentrale, maar ook door energie opslaan met samengeperste gassen zoals waterstof. Uiteindelijk kan het leiden tot ook het produceren van warmte in de winter en kou in de zomer door gebruik van warmtepompen in de omgeving. 

Volgens Fraenkel is het probleem hoe dan ook niet zozeer of we genoeg duurzame energie kunnen opwekken, maar of de energie op het juiste moment op de juiste plaats is. De sleutel ligt in efficiënte energieopslag.

Lees ook Oceaangolven en gigantische vergrootglazen moeten energietransitie mogelijk maken.