Duurzaam opgewekte energie met zon en wind komt niet altijd op het goede moment. Er is opslag nodig om de energie te kunnen bewaren en weer in te zetten als er op piekmomenten een tekort ontstaat in het elektriciteitsnetwerk.
In de NRC van 17 februari 2021 schrijft Marc Hijink in een column “Technologie hoeft niet ingewikkeld te zijn om vooruitgang te boeken. Eenvoudige oplossingen zijn minstens zo indrukwekkend.” Hij vertelt over een ‘superbatterij’ die genoeg capaciteit heeft om schommelingen in het stroomnet op te vangen. Start-up bedrijf Gravitricity uit Schotland heeft bedacht dat je in oude mijnschachten gewichten kunt laten zakken en optillen. Hij vergelijkt dit met een koekoeksklok (figuur 1).
a) Welke energie-omzetting is er bij een koekoeksklok tijdens het ophijsen van de gewichten?
Chemische energie (in de spieren) naar zwaarte-energie (in het gewicht)
b) En welke daarna?
Zwaarte-energie naar bewegingsenergie (van tandwielen in de klok) + warmte (onvermijdelijk)
In april 2021 begon een test van drie maanden met een demonstratieopstelling. In een bovengrondse stellage worden met een elektromotor twee gewichten van 25 ton opgehesen. Deze dalen vervolgens 12 meter en drijven daarmee een dynamo aan die elektrische energie opwekt. Bij deze test was het geleverde vermogen 250 kW. Op de website van Gravitricity kun je er meer over lezen. De proefinstallatie is gebouwd door het Nederlandse bedrijf Huisman, dat ervaring heeft met deze techniek.
c) Laat zien dat bij daling van de gewichten de afname van de zwaarte-energie 5,9 MJ bedraagt.
Ez = mgh = (2 · 25.000) · 9,8 · 12 = 5.880.000 J = 5,9 MJ
d) Bereken in hoeveel tijd de gewichten dalen.
E = 5,9 MJ = 5.900.000 J; P = 250 kW = 250.000 W (J/s)
E = P · t, dus t = E/P = 5.900.000 / 250.000 = 23,6 s.
e) Wat denk je dat het bedrijf met de naam Gravitricity wil uitdrukken?
Gravity is Engels voor zwaartekracht. Electricity is elektriciteit. Dus de naam drukt uit: elektriciteit met zwaartekracht.
Later in 2021 begint het bedrijf met de bouw van een commerciële versie. In 2023 komt dan een definitieve versie, waarmee men denkt dertienduizend huishoudens gedurende twee uur van energie te kunnen voorzien.
Het gemiddeld gebruik aan elektrische energie per Schots huishouden bedraagt 3.850 kWh per jaar.
f) Bereken hoeveel elektrische energie een gemiddeld Schots huishouden in twee uur nodig heeft.
Een jaar telt 365 · 24 = 8.760 uur. Per uur is het gebruik dus 3.850 kWh / 8.760 = 0,439 kWh. En in twee uur 0,878 kWh.
g) Laat zien dat de installatie minimaal 41 GJ moet kunnen leveren.
Er zijn 13.000 huishoudens. Dus in totaal is nodig E = 13.000 · 0,878 = 11.414 kWh.
1 kWh = 3.600.000 J, dus E = 11.414 kWh = 11.414 · 3.600.000 J = 4,1 · 1010 J = 41 GJ.
Als het gewicht zijn werk gedaan heeft, moet het voor een volgend gebruik weer opgetakeld worden.
h) Waarom is het niet zinvol om dat meteen te doen?
Dan ben je aan elektrische energie weer kwijt wat je net hebt opgewekt. Er moet dus gewacht worden op een moment dat er meer wind- of zonne-energie beschikbaar is dan op dan nodig is.
i) Leg uit waarom je bij deze installatie de aarde een superbatterij zou kunnen noemen.
Een batterij is een middel voor opslag van (chemische) energie die bij gebruik wordt omgezet in elektrische energie. Deze installatie is eveneens een middel voor opslag van (zwaarte-)energie, die omgezet wordt in elektrische energie. Maar dan wel super-supergroot.
41 GJ is bijna zevenduizend keer zo veel als de 5,9 MJ die de demonstratieopstelling levert. Daarom zijn niet alleen extra zware gewichten nodig maar ook heel diepe en brede (verlaten) mijnschachten. Hijink schrijft dat ze in Nederland niet diep genoeg zijn. In Schotland wil men een 800 m diepe schacht gebruiken.
j) Bereken hoe groot de massa van de gewichten minimaal moet zijn.
Ez = mgh, dus 41 · 109 = m · 9,81 · 800. Hieruit volgt m = 5,2 · 106 kg. Dit is het minimum om aan de benodigde energieopbrengst te komen. Zie ook vraag m.
k) Bereken met welke snelheid de gewichten dalen.
De dalende gewichten moeten 2 uur lang energie kunnen leveren. De gewichten zullen wel met constante snelheid dalen. Uit ∆x = v · ∆t volgt v = 800 / (2 · 3600) = 0,11 m/s. Langzaam dus.
Hijink sluit zijn column af met de mededeling dat de ondergrondse koekoeksklok een rendement heeft van 80 tot 90 procent en vijftig jaar meegaat. Dat maakt zwaartekrachtopslag zo aantrekkelijk. Hij noemt deze techniek low tech.
l) Leg uit wat in dit geval met het rendement bedoeld wordt.
Van de elektrische energie die nodig was om het gewicht op te hijsen komt uiteindelijk 80 à 90 weer terug in de vorm van elektrische energie die door de dynamo geleverd wordt.
m) Wat zou de schrijver bedoelen met ‘low tech’?
Low tech staat tegenover high tech. Dat laatste wordt gezegd van technieken die gebruik maken van de modernste ontwikkelingen (elektronica). Deze ‘superbatterij’ werkt net als een ouderwetse koekoeksklok. Maar ondertussen is het een perfecte en duurzame techniek. Je kunt er veel energie mee opslaan.
