Pendulum-aandrijving: elektriciteit uit slingerende beweging
Een pendulum-aandrijving is een mechaniek dat de heen-en-weergaande zwaai van een slinger gebruikt om energie op te wekken. Denk aan een ouderwetse slingerklok: het gewicht zwaait onder invloed van de zwaartekracht steeds naar links en naar rechts, en die beweging houdt het uurwerk aan de gang. Bij een pendulum-aandrijving wordt hetzelfde principe ingezet, maar dan om nuttige energie te oogsten in plaats van om de tijd bij te houden.
De bekendste toepassing van dit idee ligt op zee. Golven duwen een drijvend gewicht, een scharnierende klep of een intern zwaaiende massa voortdurend heen en weer, en die slingerbeweging wordt via een generator omgezet in elektriciteit. Vergelijk het met een kind op een schommel: elke zwaai kost en levert beweging, en als je daar een dynamo aan zou koppelen, zou je bij elke zwaai een beetje stroom opwekken. Bij golfenergie gebeurt precies dat, maar dan met machines van tientallen tonnen die dag en nacht doorzwaaien.
Wat is het precies?
Een pendulum-aandrijving bestaat meestal uit vier onderdelen. Eerst is er een lichaam dat door een externe kracht in beweging wordt gebracht: een drijver op het water, een klep die scharniert op de zeebodem, of een massa die vrij kan draaien binnen een omhulsel. Vervolgens is er een scharnierpunt of ophanging, vergelijkbaar met het bevestigingspunt van een slinger in een klok, waaromheen de beweging plaatsvindt.
Het derde onderdeel is de power take-off, vaak afgekort als PTO. Dit is de schakel die de mechanische slingerbeweging omzet in iets bruikbaars, meestal via hydraulische cilinders die olie onder druk zetten, of via tandwielen die een generatoras laten draaien. Tot slot zit er een generator die de mechanische energie omzet in elektriciteit, die vervolgens via een onderzeese kabel naar land wordt getransporteerd.
Er bestaan grofweg twee varianten. Bij de eerste, zoals de inmiddels gestopte Oyster van het Schotse bedrijf Aquamarine Power, staat een grote klep vast op de zeebodem en laat de golfbeweging hem heen en weer scharnieren, als een deur die door de branding wordt opengeduwd. Bij de tweede variant, zoals de Wello Penguin uit Finland, drijft een asymmetrisch gevormde romp op het water en zorgt de golfbeweging ervoor dat er een zware, roterende massa binnenin de romp gaat slingeren, wat weer een generator aandrijft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het opwekken van hernieuwbare elektriciteit uit een bron die tot nu toe grotendeels onbenut blijft: de bewegingsenergie van de oceaan. In tegenstelling tot wind en zon is golfslag relatief voorspelbaar en vaak ook aanwezig wanneer het even niet waait of donker is, wat golfenergie in theorie een aanvullende rol kan geven naast wind- en zonne-energie in een toekomstig energiesysteem.
Daarnaast is er interesse in kleinschalige toepassingen. Miniatuur-pendulums kunnen bijvoorbeeld trillingsenergie uit machines of zelfs lichaamsbeweging omzetten in een klein beetje stroom, genoeg om sensoren of meetapparatuur zonder batterij te laten werken. Dit wordt vaak energy harvesting genoemd, letterlijk het oogsten van kleine hoeveelheden energie die anders verloren zouden gaan.
Voor kustgemeenschappen en eilanden die nu vaak afhankelijk zijn van dure dieselgeneratoren, is een lokale, zee-gebonden energiebron aantrekkelijk. Ook wordt onderzocht of bestaande kustinfrastructuur, zoals pieren en golfbrekers, kan worden hergebruikt als drager voor dit soort systemen, wat de bouwkosten kan verlagen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien hoe uiteenlopend de toepassing van het pendulum-principe in de praktijk is.
- Oyster (Aquamarine Power, Schotland): een op de zeebodem scharnierende klep die golfenergie omzette in hydraulische druk. Getest bij het testcentrum EMEC op de Orkney-eilanden vanaf de late jaren 2000. Het bedrijf kon de technologie niet tijdig rendabel maken en is uiteindelijk gestopt.
- Wello Penguin (Wello Oy, Finland): een drijvende romp met een intern roterende excentrische massa, getest bij EMEC in Orkney. Het ontwerp is opvallend omdat de romp zelf niet zwaait, maar de massa erbinnen wel, waardoor het apparaat minder kwetsbaar is voor extreme golven.
- Eco Wave Power (Israël): floaters die via pendulum-armen aan bestaande golfbrekers en pieren zijn bevestigd, onder meer in de haven van Jaffa in Israël en in Gibraltar. Dit bedrijf benadrukt juist het hergebruik van bestaande kustconstructies om kosten te drukken.
- WaveRoller (AW-Energy, Finland): een op de zeebodem gemonteerde, oscillerende klep die dicht bij de kust van Portugal is getest. Het werkingsprincipe lijkt sterk op dat van Oyster.
- Pelamis (Schotland): geen pendulum in strikte zin, maar een uit segmenten bestaand, slangvormig drijvend apparaat dat door golven werd gebogen. Het wordt vaak in één adem genoemd met de andere Schotse golfenergie-pioniers en illustreert hoe moeilijk het is gebleken om dit soort bedrijven financieel overeind te houden.
Bij een deel van deze projecten zijn de precieze jaartallen van start, testfases en eventuele stopzetting niet voor iedereen even scherp gedocumenteerd; wie de actuele stand wil kennen, doet er goed aan de bronnen onderaan dit artikel te raadplegen voor de meest recente informatie.
Hoe ver is de techniek?
Golfenergie in het algemeen, en pendulum-gebaseerde systemen in het bijzonder, bevinden zich in een vroeg tot middelvroeg ontwikkelstadium. In vakjargon wordt dit uitgedrukt in een Technology Readiness Level (TRL), een schaal van 1 (theoretisch idee) tot 9 (volledig commercieel bewezen). De meeste pendulum-systemen zitten ergens tussen prototype en eerste demonstratieproject, dus in het middensegment van die schaal, en nog niet op het niveau van grootschalige, commerciële uitrol zoals bij windturbines op zee.
Het belangrijkste obstakel is niet zozeer het opwekprincipe zelf, dat is natuurkundig eenvoudig te begrijpen, maar de duurzaamheid van de constructie in een extreem ruwe omgeving. Stormgolven kunnen krachten uitoefenen die vele malen groter zijn dan de golven waarop het systeem dagelijks draait, en metalen scharnieren, afdichtingen en hydraulische systemen slijten snel in zout water. Meerdere bedrijven, waaronder Aquamarine Power en Pelamis, zijn financieel gestrand voordat hun technologie op grote schaal kon worden uitgerold.
Daar komt bij dat de kostprijs per opgewekte kilowattuur voor golfenergie nog altijd aanzienlijk hoger ligt dan bij wind- of zonne-energie, die door decennia van massaproductie en schaalvergroting veel goedkoper zijn geworden. Of pendulum-gebaseerde golfenergie ooit die kostencurve kan volgen, is op dit moment niet met zekerheid te zeggen; het is een reëel onderzoeksveld met werkende prototypes, maar nog geen bewezen, wijdverbreide energiebron.
Wie werken eraan?
Het veld wordt gedomineerd door een aantal gespecialiseerde, relatief kleine bedrijven, vaak met wortels in landen met een lange kustlijn en veel golfslag. Wello Oy en AW-Energy komen beide uit Finland, Eco Wave Power is opgericht in Israël en is ook actief in Zuid-Europa, en verschillende Schotse bedrijven, waaronder de inmiddels gestopte Aquamarine Power en Pelamis Wave Power, hebben in de jaren 2000 en 2010 een pioniersrol gespeeld.
Een centrale rol in het testen van deze technologieën is weggelegd voor het European Marine Energy Centre (EMEC) op de Orkney-eilanden in Schotland, een testfaciliteit waar meerdere golf- en getijdenenergie-apparaten onder realistische zeeomstandigheden zijn beproefd. Op Europees niveau bundelt de brancheorganisatie Ocean Energy Europe, gevestigd in Brussel, de belangen van bedrijven en kennisinstellingen in deze sector, en publiceert het International Renewable Energy Agency (IRENA) periodiek overzichten van de wereldwijde status van oceaanenergie.
Ook in Nederland is er onderzoeksbelangstelling voor golf- en maritieme energietechnologie, onder meer bij technische universiteiten met een sterke maritieme onderzoekstraditie zoals TU Delft. Nederlandse betrokkenheid ligt vooral op het vlak van kennisontwikkeling, engineering en offshore-expertise, minder op het bouwen van eigen commerciële pendulum-golfenergiecentrales.