Om op grote schaal elektrische energie op te slaan worden pompcentrales gebruikt. Een pompcentrale pompt tijdens een overschot aan (groene) energie water omhoog naar een stuwmeer en wekt elektriciteit op door het water weer naar beneden door een generator te laten stromen bij een tekort. Het rendement van dit proces is 75%. Voor een vlak land als Nederland kan dit echter niet. Er wordt wel gewerkt aan een alternatief met betonblokken. Door met een hijskraan honderden betonblokken van 35 ton per stuk op te stapelen in kolommen tot een maximale hoogte van 120 m is 20 MWh aan nuttige energie op te slaan. Er wordt geschat dat een rendement van 85% haalbaar is. Dit is vergelijkbaar met het rendement van opladen van Li-ion batterijen (90 %).
Zie het volgende filmpje:
De blokken zijn allemaal gelijk gevormd.
a) Leg uit of in ieder blok even veel energie wordt opgeslagen.
In de blokken wordt zwaarte-energie opgeslagen. De massa van de blokken is gelijk, maar de hoogte op de stapel verschilt. Er wordt dus niet in ieder blok evenveel energie opgeslagen.
Een nederlands huishouden gebruikt gemiddeld 10 kWh per dag. Het systeem kan tijdens elektriciteitstekorten 20 MWh aan elektrische energie terug leveren.
b) Bereken hoeveel betonblokken daarvoor nodig zijn als deze allemaal van de toren op de grond (h = 0) gezet worden.
De nuttige energieopslag is 20 MWh = 20 ∙ 103 kWh = 20 ∙ 103 ∙ 3,6 ∙ 106 = 72 ∙ 109 J.
De blokken worden gemiddeld van een hoogte van 60 m op de grond gezet. Het rendement hierbij is 85%.
Hieruit volgt:
$E_{\mathrm{nuttig}}=\eta E_z = \eta mgh \rightarrow 72\cdot 10^9 = 0,85\cdot m\cdot 9,81\cdot 60 \rightarrow m = 1,4\cdot 10^8~\mathrm{kg}$
Hiervoor zijn 1,4 . 108 / 35 . 103 = 4112 blokken beton nodig.
Een pompcentrale gebruikt water als opslagmedium De nieuwe methode gebruikt beton. Vanwege de beschikbare ruimte voor de nieuwe energieopslag is bewust voor beton gekozen.
c) Leg dat uit.
De dichtheid van beton is hoger dan van water. Voor een gelijke massa m is dan een veel kleiner volume nodig. Hierdoor is de ‘betoncentrale’ compacter.
Het rendement is vergelijkbaar met het opladen en ontladen van moderne Li-ion batterijen. Toch heeft de betonopslag voordelen ten opzichte van energieopslag in accu’s.
d) Geef een voordeel van energieopslag in betonblokken ten opzichte van batterijen.
- De betonopslag heeft minder last van veroudering waardoor er steeds minder energie opgeslagen kan worden
- Li-ion batterijen hebben last van zelfontlading; beton geen last van ‘zelf-afstapeling’.
- Er zijn geen milieugevaarlijke chemische middelen nodig.
Een punt van aandacht is de stevigheid van de bodem. De blokken worden in stapels van 120 m hoog op elkaar geplaatst. In Nederland is de ondergrond vaak van zand. Zand zakt in als de druk op de ondergrond groter wordt dan 0,6 N/mm2.
e) Toon met een berekening aan of deze energieopslag zonder extra maatregelen in Nederland gebouwd kan worden.
De ondergrond kan 0,60 N/mm2 aan. Dat komt neer op 6.0 ∙ 105 N/m2. Een kolom beton van 120 m hoog met een grondoppervlak van 1,0 m2 heeft een volume van 1,2 ∙ 102 m3. De dichtheid van beton is 2,4 ∙ 103 kg/m3. Hieruit volgt:
$m_{\mathrm{beton}}=\rho V = 2,4\cdot 10^3 \cdot 1,2\cdot 10^2 = 3,6\cdot 10^5~\mathrm{kg}$
De kracht van het beton op de ondergrond is dan gelijk aan:
$F_z=mg=3,6\cdot 10^5\cdot 9,81=3,5\cdot 10^6~\mathrm{N}$
De opslag kan dus niet zonder extra maatregelen in Nederland gebouwd worden.
