Zwaartekrachtbatterijen: gewichten tillen voor stroom?

Duurzame energie is booming, maar 'intermittentie' blijft een kernprobleem. Overtollige energie opslaan om aan de vraag te voldoen wanneer de zon niet schijnt, kan tegenwoordig op veel manieren; één manier waar je waarschijnlijk nog nooit van hebt gehoord, is het benutten van zwaartekracht.

Pompaccumulatie (pumped hydro) maakt al decennialang gebruik van dit principe: water omhoog pompen wanneer elektriciteit goedkoop is, en het naar beneden laten stromen door een turbine wanneer het nodig is. Alleen zijn een berg, een reservoir en veel water niet overal voorhanden.

Zwaartekracht is echter overal aanwezig, en er zijn verschillende manieren om die te benutten om overtollige elektriciteit op te slaan, waaronder kranen, spoorwagons en uitgedoofde mijnschachten. Kunnen zwaartekrachtbatterijen een geloofwaardige optie zijn in de energieopslagpuzzel? We duiken erin, in deze nieuwe aflevering van Green Tech Decoded.

Serie

Green Tech Decoded

Van revolutionaire windturbines tot futuristische materialen: er gebeurt veel op het gebied van groene technologie. Maar wat houden al deze technologieën precies in? En waarom zouden we ons hiermee bezighouden? In Green Tech Decoded leggen we uit hoe deze innovaties werken en waarom ze onze samenleving zouden kunnen veranderen.

Bekijk serie

Hoe werken zwaartekrachtbatterijen?

Het werkingsprincipe is eenvoudig en vergelijkbaar met wat eerder is uitgelegd over pompaccumulatie. Wanneer er veel duurzame stroom beschikbaar is, drijft het overschot aan elektriciteit motoren aan die zware gewichten — zoals betonblokken — naar een hogere positie tillen.

Zo wordt elektrische energie omgezet in zwaartekrachtpotentiële energie. Die energie verdwijnt met andere woorden niet, maar kan weer worden omgezet in elektriciteit wanneer de massa op een gecontroleerde manier daalt, waardoor de beweging een generator aandrijft. En mechanische energie wordt weer elektriciteit. Dit kan met hoge torens waarin gewichten op en neer bewegen.

Volgens de natuurkunde is de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen gelijk aan massa x zwaartekracht x hoogte. Hoe zwaarder het gewicht en hoe hoger de lift, hoe meer energie er kan worden opgeslagen.

Wie zijn de belangrijkste ontwikkelaars van zwaartekrachtbatterijen?

Twee bedrijven zijn het vermelden waard: het Chinese Energy Vault en het Schotse Gravitricity.

Energy Vault neemt het idee van pompaccumulatie over en vervangt het door betonblokken, die worden verplaatst op een hoge kraanconstructie. De blokken van het bedrijf zijn niet alleen gegoten beton — sommige zijn gemaakt van afvalmateriaal zoals kolenas, waardoor het systeem ook industriële bijproducten kan gebruiken die anders op de stortplaats zouden belanden. De eerste commerciële installatie, in Rudong, China, bewees dat het concept op netschaal werkt.

Gravitricity ging vorig jaar in liquidatie, met minder dan £8.000 aan bezittingen. Toch is het concept nog steeds het vermelden waard. Hun GraviStore-systeem laat een enorm gewicht — tot 12.000 ton in de grootste configuratie — aan stalen kabels zakken in een verticale mijnschacht, met lieren zoals die al worden gebruikt om apparatuur en werknemers een mijn in en uit te verplaatsen. Hierdoor is geen nieuwe infrastructuur nodig, maar kan wat er al is, worden hergebruikt.

Wat zijn de voordelen van zwaartekrachtbatterijen?

Dit concept heeft een aantal aantrekkelijke voordelen.

• Geen kritieke mineralen. In tegenstelling tot lithium-ionbatterijen zijn zwaartekrachtbatterijen niet afhankelijk van kritieke mineralen zoals lithium, kobalt en nikkel, of van ander materiaal waarvan de toeleveringsketens geconcentreerd zijn in een handvol landen. Blokken kunnen niet alleen van beton worden gemaakt, maar ook van afvalmateriaal en zelfs van composieten vermengd met as. Er zijn met andere woorden veel manieren om gewichten te maken.
• Minimale degradatie. Een stalen of betonnen blok verliest zijn capaciteit niet zoals een gewone batterijcel na duizenden cycli. Energy Vault claimt een levensduur van 35 jaar voor zijn concept.
• Een tweede leven voor afgedankte infrastructuur. Dit is wellicht het meest intrigerende argument vóór zwaartekrachtbatterijen, vooral voor mijnschachtsystemen. Het ontmantelen van een mijnschacht betekent hem opvullen, afsluiten en het terrein herstellen. Voor operators betekent het ombouwen van een bijna afgedankte mijnschacht tot een zwaartekrachtbatterij dat een last een troef wordt, en dat banen in mijnbouwgemeenschappen behouden blijven. Mijnexploitanten in heel Europa overwegen dit idee.

Wat zijn de nadelen van zwaartekrachtbatterijen?

Zoals bij elke andere technologie in ontwikkeling, zijn er ook wat kanttekeningen.

• Lage energiedichtheid. Dit is een van de belangrijkste nadelen, aangezien de massa die nodig is om grote hoeveelheden energie op te slaan enorm is. Neem een systeem van 100 MWh — genoeg om ongeveer 10.000 gemiddelde Nederlandse huishoudens een volledige dag van stroom te voorzien. Bij een torenhoogte van ongeveer 120 meter (binnen het bereik van Energy Vaults echte torens) en rekening houdend met omzettingsverliezen, is voor het opslaan van die hoeveelheid energie als geheven massa ongeveer 380.000 ton materiaal nodig — het equivalent van zo'n 38 Eiffeltorens. Diezelfde hoeveelheid energie zou kunnen worden opgeslagen in 20 Tesla Megapacks — bijna 500 keer minder massa voor dezelfde capaciteit. Zwaartekrachtbatterijen zijn gebouwd voor het net en staan niet in stedelijke gebieden, maar het probleem blijft bestaan.
• Locatiebeperkingen. Ruimte en vergunningsprocedures voor deze hoge constructies zijn niet eenvoudig. Het plaatsen van deze systemen vereist aanzienlijke ruimte, en het waarborgen van naleving van veiligheids- en zoneringsregels kan langdurig zijn. Bij het gebruik van mijnschachten is per locatie zorgvuldige afweging nodig, aangezien factoren zoals diepte, structurele staat en nabijheid van het net cruciaal zijn.
• Nog steeds een financieel gat. De markt is nog steeds klein. Schattingen van marktonderzoeksbureaus voor 2026 lopen uiteen van ongeveer 160 miljoen dollar tot ruim 750 miljoen dollar, met één uitschieter die de huidige waarde dichter bij 1,6 miljard dollar legt. De markt is op dit moment te dun en onvoorspelbaar. Gravitricity's vrijwillige liquidatie is een voorbeeld van hoe onvolwassen de markt nog is.
• Energy Vaults koerswijziging. Het bedrijf dat de eerste commerciële zwaartekrachttoren bouwde, heeft zijn eigen bedrijfsvoering steeds meer verschoven richting conventionele lithiumbatterijopslag (BESS) projecten in de VS en Australië. De zwaartekrachtblok-technologie beweegt nu vooral vooruit via licentiepartners in China, in plaats van dat Energy Vault zelf torens bouwt — een signaal dat zelfs de pionier van zwaartekrachtopslag lithium voorlopig als de veiligere gok ziet voor de meeste markten.

Waar staat de technologie nu?

China loopt voorop. Naast het Rudong-project is een tweede Energy Vault-locatie in Zhangye, Gansu — 17 MW / 68 MWh, gekoppeld aan windenergie — operationeel, en China's National Energy Administration heeft verschillende van deze projecten aangewezen als officiële pilotdemonstratieprojecten.

Gravitricity testte zijn mijnvariant in Europa, met name bij het Pyhäsalmi-project in Finland. In 2021 maakte het bedrijf overigens een koerswijziging door waterstof- en warmteopslagtechnologieën aan zijn energiesystemen toe te voegen, om ook gas te kunnen opslaan. De bezittingen en patenten werden te koop aangeboden via financieel dienstverlener Hilco. Op de website staat dat het pakket is verkocht, al is de naam van de koper niet bekendgemaakt.

Wat kunnen we verwachten van zwaartekrachtbatterijen?

Zwaartekrachtopslag zal lithium-ion niet vervangen; het richt zich eerder op het segment van langdurige, grootschalige netopslag, waarbij overtollige stroom uren wordt vastgehouden. Het kan een veelbelovend alternatief zijn in gebieden waar verstoringen in de toeleveringsketen, degradatie of brandgevaar conventionele batterijen risicovol maken. Nog meer op voormalige mijnbouwlocaties, om bestaande infrastructuur nieuw leven in te blazen.

De natuurkunde klopt — zwaartekracht blijft voorlopig gewoon aanwezig — de economie moet nog volgen, en kan mogelijk kansen openen voor nichesegmenten. Op dit moment is zwaartekrachtopslag niet echt aantrekkelijk, maar het zou in de toekomst nog wel een rol kunnen spelen.