Juni 2024
Zijn vliegwielen oplossing voor opslag en netbalancering?
Nu netcongestie hand over hand toeneemt, kunnen vliegwielen voor korte tijd soelaas bieden om vermogenspieken onmiddellijk op te vangen. Ook zijn ze te combineren met (flow)batterijen om overtollige stroom uit windparken op te slaan. Twee Nederlandse start-ups zijn al enige tijd met succes actief op het gebied van vliegwielen: S4 Energy uit Rotterdam en Quinteq uit Culemborg.
Als je ooit een pottenbakker aan het werk hebt gezien, heb je een beeld dat vergelijkbaar is met het principe van een vliegwiel. De werking van een vliegwiel berust namelijk op het grote traagheidsmoment als gevolg van de grote massa. Hoe groter dit moment is, des te moeilijker het ook op gang komt. Draait het vliegwiel echter eenmaal, dan is het ook minder gemakkelijk af te remmen en blijft de rotatie gelijkmatig. Bij het op gang brengen wordt arbeid omgezet in kinetische energie. Ga je afremmen, dan vindt het omgekeerde plaats. Volgens de klassieke wetten van de mechanica is kinetische energie recht evenredig met de massa van het lichaam en het kwadraat van zijn snelheid (dat laatste werd als eerste wiskundig bewezen door markiezin Émilie du Châtelet (1706 – 1749), een goede vriendin van Voltaire).
Een vliegwiel is een soort accu die arbeid opslaat als kinetische energie. De eerste industriële toepassing van energieconversie was de omzetting van hitte in arbeid. Zonder een vliegwiel kan je een motor – eerst op stoom, later eveneens op benzine – nooit gelijkmatig laten lopen (als het vliegwiel niet werkt, dan begint de auto bij het schakelen te trillen of ruik je een verbrande geur). Tijdens de arbeidsslag geeft de motor een korte stoot die daarna wordt opgenomen door het vliegwiel en tussen de twee stoten in ook weer wordt afgegeven. Vooral eencilinder motoren (zoals brommers) hebben grote vliegwielen nodig voor gelijkmatige rotatie.
Stroomopslag in vliegwielen
De volgende conversiestap is pas deze eeuw gemaakt: elektriciteit naar kinetische energie en vice versa. Daarvoor moesten de ontwikkelaars wel enkele problemen overwinnen. Allereerst wrijving. Door wrijving – of weerstand – gaat een vliegwiel minder snel draaien en verliest het zijn vermogen om energie te leveren. Binnen een dag blijft slechts 15 procent van het oorspronkelijke vermogen over, sommige bronnen spreken zelfs over vermogensverliezen van 50 procent binnen twee uur, afhankelijk van de techniek. Ook kunnen ze aanzienlijk minder energie dan batterijen vasthouden: per kilo slechts 0,01 kWh, afhankelijk van de rotatiesnelheid. Als je een mobieltje door middel van een vliegwiel van stroom zou willen voorzien, dan heb je daarvoor de grootte van een koffer nodig. Daar komt nog bij dat een vliegwiel door de hoge snelheden aan strenge veiligheidseisen moet voldoen.
Doorsnede van een vliegwielopslag met magnetische lagers.
De eerste vliegwielen voor stationaire toepassingen dateren uit het begin van deze eeuw. Ze dienden – en dienen nog steeds – om onmiddellijke schommelingen (minder dan seconden) op het stroomnet te balanceren. Per vliegwiel kan 150 kWh aan energie worden opgeslagen en ontladen. Door ze ondergronds in vacuümtanks te zetten en vervolgens aan elkaar te schakelen, kunnen ze vermogens van enkele tientallen MW bereiken. De eerste systemen zijn van staal of beton, latere generaties gebruiken koolstofcomposieten en magneten in plaats van mechanische lagers. Met simpel onderhoud – eens in de vijf jaar de lagers vervangen of de staat van de magneten controleren – gaan ze tientallen jaren mee zonder aan capaciteit in te boeten.
Thuisopslag?
Stroomopslag in vliegwielen voor thuis lijkt een aantrekkelijk idee. Zo wil het Franse Energiestro, na ruim twintig jaar experimenteren en talloze veldtesten, hun systeem in Frans-Guyana en enkele tropische landen in productie nemen. Het vliegwiel (van goedkoop beton) zit in een vacuüm gezogen kamer, is anderhalve meter hoog en heeft een diameter van één meter. De benodigde elektriciteit wordt uit pv-panelen gehaald: overdag laadt het systeem op, ’s nachts ontlaadt het weer. Het systeem moet worden ingraven en kan 10 kWh opslaan. Volgens de makers zijn de opbrengsten vergelijkbaar met het vermogen van een Tesla Powerwall, maar gaat het zeker vijf keer zo lang mee.
Een tweede systeem voor thuisopslag in vliegwielen dat ruim tien jaar geleden veelbelovend scheen te zijn, was dat van Velkess (San Francisco, VS). Velkess koppelde magnetische lagering aan het vliegwiel, waardoor wrijvingsverliezen worden gedecimeerd. Volgens Thijs den Brinck, die met zijn site wattisduurzaam.nl ontwikkelingen in de energiesector nauwlettend in de gaten houdt, werd de business case door dezelfde prijs van de Powerwall negatief. Bill Gray, oprichter en ceo, gooide in 2017 de ‘handdoek in de ring’ en trok de stekker uit Velkess. Nu heeft Gray ‘Symbiote’ opgezet, een project om met sensoren de staat van de bodem te meten.
In ons dichtbevolkte land biedt thuisopslag door middel van vliegwielen weinig kans. Niet alleen moet je daarvoor voldoende ruimte hebben, zo stellen deskundigen, maar ook werkt de massa van een vliegwiel tegen. Het betonnen systeem, duizenden kilo’s zwaar, zal met zwaar materieel (lees: dieseluitstoot) moeten worden ingegraven. Dat gaat gepaard met stikstofuitstoot waar de overheid nu juist vanaf wil.
Elke Kinext kan het vermogen binnen milliseconden aan het net afgeven, wel acht tot vijftien keer sneller dan andere systemen.
S4 Energy
Op het terrein van machinefabriek Boessenkool (Almelo) staan al enkele jaren meerdere conische vliegwielen ter demonstratie; de Kinext van S4 Energy uit Rotterdam. S4 Energy heeft deze fabriek gekozen omdat die met uiterste precisie zulke vliegwielen kan vervaardigen. Het zijn zware objecten van 4 x 4 meter die maar liefst vijf ton wegen. Hoewel de capaciteit met 30 kWh slechts beperkt is, kan elke Kinext het vermogen binnen milliseconden aan het net afgeven, wel acht tot vijftien keer sneller dan andere systemen.
Volgens Dominique Becker Hoff, commercieel directeur van S4 Energy, is het systeem uniek. ‘We stemmen het vermogen af op de behoefte van de klant, van 100 kW tot 2 MW’, vertelde hij indertijd aan Solar Magazine. ‘De twee unieke kenmerken zijn onze lagertechnologie en het vacuüm waarin het stalen vliegwiel van 2,8 meter doorsnede op maximaal 1.800 toeren draait. Op volle kracht bereikt het vliegwiel tipsnelheden van 940 kilometer per uur. Een belangrijk ontwerpuitgangspunt was dat Kinext op drukbezochte locaties ingezet moet kunnen worden. Daarom ontwikkelden we een behuizing die het vliegwiel zelfs bij extreme calamiteiten op zijn plaats houdt.’
Ondernemingen hoeven geen dure stroom-transport-prijzen aan netbeheerder te betalen
Voor de Kinext is grote belangstelling, met name van energiebedrijven die de vliegwielen voor netbalancering inzetten. Door de sterke opkomst van duurzame energiebronnen, maar ook doordat steeds meer industriële bedrijven een hoog en grillig stroomverbruik kennen, zijn ze ook geschikt om netcongestie tegen te gaan. Ondernemingen hoeven dan geen dure stroomtransportprijzen aan de netbeheerder te betalen.
Een van de eerste bedrijven die de Kinext in gebruik heeft genomen, is United Waalhaven Terminals (UWT) in Rotterdam voor hun Kone Gottwald havenkraan. ‘Het vliegwiel zorgt ervoor dat je de kraan volledig elektrisch kan laten draaien. De remenergie die vrijkomt bij het laten vieren van de lading wordt opgeslagen in het vliegwiel. Zodra de kraan weer gaat hijsen, levert het vliegwiel de opgeslagen energie terug om aan de piekbehoefte van de kraan te voldoen. Op die manier handhaaf je een constant en laag stroomverbruik zonder dat je de netaansluiting moet verzwaren’, schreef koepelorganisatie Energystorage NL afgelopen jaar.
In april 2022 heeft S4 Energy al een hybride energiesysteem met zes vliegwielen (3 MW) en twaalf lithium-ion batterijen van Tesla Energy (10 MW) bij windpark Luna in Heerhugowaard geïnstalleerd. Het hybride systeem combineert het razendsnelle vliegwiel met de trage accutechniek. Voor korte tijd, milliseconden tot minuten, kunnen vliegwielen wisselende spanningen en pieken op het net opvangen. Als er voor langere tijd weinig wind is, worden de batterijen ingezet. Zo gaan die langer mee.
Eind vorige jaar heeft Qinteq zijn vliegwiel voor BAM Bouw getest.
Quinteq
Quinteq uit Culemborg, opgericht door ceo Paul Vosbeek, gooit het over een andere technologische boeg. Net als S4 Energy heeft deze start-up er lang over gedaan om tot commerciële toepassingen van vliegwielen te komen. Als clean tech entrepreneur werkte Vosbeek ruim twaalf jaar in Californië. Daar kwam hij in contact met vliegtuigbouwer Boeing die een project voor mechanische opslag in een vliegwiel op de plank had. Toen dat project minder prioriteit kreeg, verkocht de vliegtuigbouwer, na lang onderhandelen, de licentie aan Vosbeek.
Quinteq grijpt terug op het wiskundig principe van de slimme markiezin Émilie du Châtelet (ze beheerste ook zes talen, waaronder Hollands). ‘De energiedichtheid neemt kwadratisch met de snelheid toe. Je kunt energie veel efficiënter opslaan als je de rotor kleiner en sneller uitvoert’, stelt Vosbeek. ‘We gebruiken een koolstofvezelcomposiet dat door magneten wordt opgetild en in een vacuüm draait. Het innovatieve schuilt in stabilisatie van de rotor. Dankzij de supergeleidende lagering kunnen we veel hogere snelheden bereiken.’
Timo Pauel, business development manager van Quinteq, voegt daar het nodige aan toe. ‘Het is een vrij klein vliegwieltje waarmee we circa 100 kW vermogen leveren en waarin we 5 kWh opslaan’, zegt hij. ‘Dat maakt het ook veel geschikter om op de bouwplaats in te zetten. Je hebt minder ruimte nodig dan traditionele vliegwielen die vele duizenden kilo’s wegen en die je met behoorlijk groot materieel moet installeren.’
Door de compactheid heeft hun systeem meer mogelijkheden, meent hij. ‘Niet alleen voor torenkranen op de bouwplaats, maar ook voor kranen in de havens. Ook daar wordt ruimte steeds schaarser. Tevens kunnen we ons vliegwiel inzetten om remenergie van treinen, metro’s en trams voor piekscheren te gebruiken.’
In december 2023 heeft Qinteq zijn vliegwiel voor BAM Bouw getest. BAM gaat in de Sluisbuurt (Amsterdam-Oost) 770 woningen voor studenten en starters bouwen. ‘Hijskranen op de bouwplaats zijn ook elektrisch aan te drijven. Door daarbij een vliegwiel te plaatsen, kun je met 3x80 Ampère in plaats van een zwaardere aansluiting toe’, besluit Pauel.