Zwaartekrachtopslag: energie bewaren met gewicht en hoogte
Zwaartekrachtopslag is een manier om elektriciteit tijdelijk op te slaan door een zwaar object omhoog te tillen. Is er straks veel stroom nodig, dan laat je dat gewicht weer zakken en wek je met de beweging opnieuw elektriciteit op. Het principe is hetzelfde als bij een ouderwetse slingerklok met gewichten: je wint het gewicht op met energie, en terwijl het langzaam weer zakt, drijft het de wijzers aan.
Op grote schaal gebeurt dit met betonblokken van tientallen tonnen die aan een kraan hangen, met wagons vol steen die een hellingbaan op- en afrijden, of met enorme gewichten in oude mijnschachten. Telkens is het idee gelijk: overtollige stroom van zon of wind wordt gebruikt om iets zwaars hoger te tillen, en zodra het stroomnet krapte heeft, laat je het zakken en zet je de vrijkomende energie om in elektriciteit. Zo functioneert het als een soort mechanische batterij.
Wat is het precies?
De basis is natuurkunde die iedereen op school leert: een voorwerp dat hoger ligt, heeft meer potentiële energie dan hetzelfde voorwerp op de grond. Hoe zwaarder het object en hoe hoger het wordt getild, hoe meer energie erin is opgeslagen. Die energie komt vrij zodra het object weer naar beneden beweegt.
In de praktijk werkt een zwaartekrachtopslagsysteem in twee stappen. Bij een overschot aan stroom — bijvoorbeeld op een winderige middag — drijft een elektromotor een lier, kraan of hijssysteem aan dat een gewicht optilt. Dat gewicht kan een betonblok zijn, een bak vol zand of gesteente, of een lading water. Zodra er weer vraag naar stroom is, laat men het gewicht gecontroleerd zakken. De vallende beweging drijft dezelfde motor aan, die nu als generator werkt en elektriciteit terugstuurt naar het net.
Er bestaan verschillende bouwvormen. Bij torensystemen hangt een kraan betonblokken op in een stalen frame, vergelijkbaar met een bouwkraan die bakstenen stapelt. Bij mijnschachtsystemen laat men gewichten zakken en stijgen in verticale, verlaten mijnschachten, die al honderden meters diep de grond in gaan. Bij spoorsystemen rijden zware treinwagons met behulp van elektromotoren een helling op en weer af. Er zijn ook concepten met gewichten onder water, die door de waterdruk omhoog en omlaag bewegen.
Belangrijk is de rendement, ofwel: hoeveel procent van de ingestopte stroom je er weer uithaalt. Bij het optillen en laten zakken gaat energie verloren aan wrijving, aan de motor en aan de generator. Bedrijven claimen rendementen van rond de 80 tot 90 procent, vergelijkbaar met de veel oudere techniek van pumped hydro storage (waarbij water omhoog wordt gepompt en later weer naar beneden stroomt door een turbine). Onafhankelijk geverifieerde langetermijncijfers uit commerciële zwaartekrachtprojecten zijn echter nog schaars.
Wat wil men ermee bereiken?
De opkomst van zon- en windenergie heeft een nieuw probleem gecreëerd: deze bronnen leveren niet altijd stroom wanneer die nodig is. Op een zonnige, winderige dag kan er een overschot ontstaan, terwijl er 's avonds bij windstilte juist tekorten dreigen. Om het stroomnet in balans te houden, is opslag nodig die dat overschot kan opvangen en later weer kan teruggeven.
Lithium-ionbatterijen doen dit al op grote schaal, maar hebben nadelen: ze verslijten na een aantal duizend laad- en ontlaadcycli, bevatten grondstoffen zoals lithium en kobalt waarvan de winning milieu-impact heeft, en zijn minder geschikt voor opslag over langere periodes (dagen in plaats van uren). Pumped hydro storage, de gevestigde grootschalige oplossing, werkt goed maar vereist specifieke locaties met hoogteverschil en veel water, zoals bergen of stuwmeren.
Zwaartekrachtopslag wil een alternatief bieden dat gebruikmaakt van goedkope, overvloedige materialen zoals beton, staal of aarde, geen zeldzame grondstoffen nodig heeft, in theorie oneindig vaak op te laden en te ontladen is zonder chemische slijtage, en op meer plekken inzetbaar is dan waterkrachtopslag — bijvoorbeeld in oude mijnschachten die anders leeg zouden blijven staan. Het doel is dus niet om batterijen te vervangen, maar om een aanvullende technologie te bieden voor met name middellange opslag (enkele uren tot een dag).
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal bedrijven heeft de afgelopen jaren daadwerkelijk installaties gebouwd of getest:
- Energy Vault (Zwitserland) ontwikkelde een torensysteem waarbij een computergestuurde kraan betonblokken van tientallen tonnen stapelt en weer neerlaat. Het bedrijf realiseerde in 2023 een commerciële installatie in Rudong, in de Chinese provincie Jiangsu, met een opslagcapaciteit in de tientallen megawattuur. Energy Vault heeft zijn strategie sindsdien verbreed en biedt naast de zwaartekrachttoren ook batterij- en andere opslagoplossingen aan, mede omdat opschalen van de kraantechniek complexer bleek dan verwacht.
- Gravitricity (Schotland) test een systeem waarbij gewichten van honderden tonnen in verticale schachten zakken en stijgen. Het bedrijf bouwde in 2021 een testopstelling van 15 meter hoog in Leith bij Edinburgh en onderzocht daarna, onder meer in Tsjechië, de mogelijkheid om bestaande, diepe mijnschachten te gebruiken voor een volwaardige installatie.
- ARES (Advanced Rail Energy Storage) in de Amerikaanse staat Nevada wilde met beladen treinwagons op een hellend spoor energie opslaan: omhoog rijden bij overschot, omlaag rollen (met terugwinning van energie) bij tekort. Het project liep tegen praktische en vergunningstechnische hindernissen aan en is nooit op volledige schaal gerealiseerd zoals oorspronkelijk gepland.
- Onderzoek naar onderwatergewichten: verschillende kleinere partijen en universitaire teams onderzoeken systemen waarbij betonnen gewichten op de zeebodem worden opgetild en neergelaten, gebruikmakend van de waterdruk op grote diepte. Dit blijft vooralsnog overwegend experimenteel.
- Academisch onderzoek aan technische universiteiten in Europa, waaronder in Zwitserland en Nederland, richt zich op modellering van rendement, materiaalkeuze en de economische haalbaarheid van zwaartekrachtopslag in vergelijking met batterijen en pumped hydro.
Hoe ver is de techniek?
Zwaartekrachtopslag heeft de stap van laboratorium naar demonstratieproject gezet, maar grootschalige, wijdverspreide toepassing is er nog niet. De installatie van Energy Vault in China laat zien dat commerciële bouw mogelijk is, maar het aantal vergelijkbare projecten wereldwijd is nog beperkt.
Belangrijke obstakels zijn de kosten van staal, beton en de precisiemechaniek die nodig is om zware blokken nauwkeurig en veilig te bewegen; de relatief lage energiedichtheid per kubieke meter vergeleken met batterijen, waardoor grote bouwwerken nodig zijn voor een bescheiden hoeveelheid opgeslagen energie; slijtage van kabels, katrollen en lagers bij intensief gebruik, wat onderhoud en levensduur beïnvloedt; en de afhankelijkheid van specifieke locaties, zoals bruikbare mijnschachten, voor sommige varianten.
Voorstanders wijzen erop dat de techniek mechanisch relatief eenvoudig is en weinig chemische risico's kent, terwijl critici benadrukken dat de werkelijke kosten per opgeslagen kilowattuur nog niet overtuigend concurreren met steeds goedkopere batterijen. De komende jaren moeten meer operationele projecten uitwijzen of zwaartekrachtopslag een blijvende, betaalbare plek krijgt naast batterijen en pumped hydro, of vooral een niche blijft voor specifieke locaties zoals afgedankte mijnen.
Wie werken eraan?
Naast de eerdergenoemde bedrijven Energy Vault en Gravitricity houden ook onderzoeksinstellingen en internationale organisaties zich met het onderwerp bezig. De Zwitserse technische universiteit EPFL heeft bijgedragen aan vroeg onderzoek dat mede aan de basis lag van Energy Vault. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) noemt zwaartekrachtopslag in rapporten over langdurige energieopslag als een van de opkomende, niet-chemische alternatieven voor batterijen. Daarnaast zijn er kleinere start-ups en universitaire teams in onder meer het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en op het Europese vasteland die varianten onderzoeken, vaak gericht op hergebruik van bestaande infrastructuur zoals mijnschachten of spoorwegen.