De toekomst van duurzame energie draait om energieopslag, meent Fraenkel. Wind en zon, de belangrijkste bronnen van duurzame energie, leveren hun stroom onregelmatig en onvoorspelbaar.

Energieopslag is dus van cruciaal belang. In 2011 startte de uitvinder het bedrijf Gravitricity, met als doel het zwaartekrachtveld van de aarde te gebruiken voor de opslag van duurzame energie.

Slimme opslag van energie kan schommelingen in vraag en aanbod met elkaar in evenwicht te brengen. Elektriciteit kan worden opgeslagen in perioden van relatief hoge productie en beperkte vraag. Tijdens lagere productie of grotere vraag kan deze energie vervolgens weer aan het elektriciteitsnet worden afgegeven.

Energieopslag gebeurt wel vaker door slim gebruik te maken van de zwaartekracht. Dat kan door water naar een hooggelegen gebied te pompen en het dan naar beneden te laten stromen door een turbine om elektriciteit op te wekken. Dit is alleen mogelijk in bergachtig gebied. Maar dat zijn zelden de plekken waar veel mensen wonen.

Gravitricity maakt ook gebruik van de zwaartekracht, maar doet dat op een andere manier. In plaats van water gebruikt het systeem het principe van het heffen en laten zakken van zware gewichten. Energieopslag heeft plaats door met een elektromotor gewichten op te takelen, energieafgifte gebeurt door gewichten te laten zakken. Een generator, een soort grote dynamo, wekt dan elektriciteit op.

Geboorde schacht

In eerste instantie richt Gravitricity zich op ongebruikte mijnschachten. Daarvan zijn er in het Verenigd Koninkrijk alleen al 120.000. In de toekomst kunnen schachten wellicht speciaal geboord worden om energie op te slaan. Dergelijke verticale schachten kunnen tot een kilometer diep zijn en kunnen overal worden aangelegd waar er behoefte aan is, bijvoorbeeld in of nabij een windmolenpark, een industriegebied of een woonwijk.

In de haven van het Schotse Edinburgh staat sinds half maart een proefopstelling, gebouwd door Huisman, een Nederlands bedrijf dat industriële lieren vervaardigt. Aan een 15 meter hoge werktoren hangen aan staalkabels twee gewichten, elk van 25 ton. Beide gewichten zijn via elektromotoren die ook dienstdoen als generator aangesloten op het net.

Test

Hoewel Fraenkel er allang van overtuigd is dat het principe werkt, moeten de tests uitwijzen of in de praktijk voldoet. Vraag is vooral hoe het versnellen en vertragen van de gewichten bij het heffen bijdraagt aan het stabiliseren van vraag en aanbod op het elektriciteitsnetwerk.

Ook de manier waarop de zware gewichten in balans blijven, is belangrijk. Ze kunnen gaan slingeren wanneer ze worden neergelaten of opgetakeld. Dat kan leiden tot beschadiging van de schacht. Om dit tegen te gaan, worden er proeven gedaan met kabels die tussen de bodem en de top van de schacht (of toren, in het geval van deze proefopstelling) zijn gespannen om de gewichten te geleiden. Een andere mogelijkheid is de gewichten uit te rusten met rubberen wielen die langs de schachtwanden lopen.

De proefopstelling is verder bedoeld om de precieze reactietijd op vraag en aanbod te testen. Om pieken en dalen in het elektriciteitsnet op te vangen, is het van groot belang dat de reactietijd uiterst kort is. De doeltreffendheid voor de stabilisatie van het net hangt af van de reactiesnelheid.

Troef

Als het systeem niet binnen enkele seconden kan reageren, heeft Fraenkel altijd een troef achter de hand. De Engelsman heeft al een ontwerp voor een meervoudige schacht waarbij de gewichten parallel stijgen en dalen. Daardoor kunnen ze op elkaar inwerken, zodat er nooit een onderbreking in de stroom zal zijn.

Fraenkels brein staat nog altijd niet stil. Hoewel hij zijn bijdrage allang heeft geleverd aan een duurzamere samenleving kruipt het uitvindersbloed waar het niet kan gaan. Zijn bedrijf heeft onlangs een aanvraag voor een nieuw patent de deur uit gedaan. „De schachten zouden nog efficiënter gebruikt kunnen worden. Je kunt perslucht in de schacht doen, waardoor de energieopslag meer dan verdubbeld kan worden.” De schacht wordt dan gebruikt voor het opslaan van perslucht en andere samengeperste gassen, waaronder waterstof. De extra energie die zo wordt opgeslagen, zal daardoor veel groter zijn dan bij gebruik van alleen gewichten of alleen perslucht.

Portfolio van Fraenkel

Peter Fraenkel is niet alleen uitvinder van de eerste ‘zwaartekrachtschacht’ voor de opslag van energie. Al eerder ontwikkelde de Engelsman de eerste getijdengenerator op commerciële schaal.
Zijn portfolio doet denken aan dat van een jonge vent of meid uit Silicon Valley of een andere innovatiehub. Maar de werktuigbouwkundig ingenieur is 79 jaar oud. Hij woont met zijn vrouw in een bescheiden huis in een buitenwijk van West-Londen.

Fraenkel kreeg het idee voor de getijdenstroomgenerator in de jaren zeventig. In 1976 voerde hij op de Theems proeven uit met een modelrivierstroomturbine, gemonteerd op een motorboot. In 1980 startte hij een ontwikkelingsproject in Zuid-Sudan, dat werd gefinancierd door Nederland. Hij testte daar het systeem op ware grootte door water van de stromende rivier te gebruiken om stroom op te wekken.

Op een plaats waar de Witte Nijl een sterke stroming had, installeerde hij een turbine die 50.000 liter irrigatiewater per dag oppompte. De technologie vond geen afzetmarkt omdat de plaatselijke boeren die haar nodig hadden deze niet konden betalen.

Spielerei

Maar deze spielerei leidde wel tot het besef dat getijdenenergie in de toekomst een belangrijke bron van schone energieopwekking zou kunnen zijn. Fraenkel bouwde met anderen in 1994 ’s werelds eerste getijdenturbine. De proefopstelling in Schotland wekte 15 kilowatt stroom per uur op, genoeg voor een kleine dertig huishoudens.

Hij was in 1998 medeoprichter van Marine Current Turbines (MCT), met als doel commerciële getijdenturbines te ontwikkelen. In 2003 installeerde MCT voor de kust van het Engelse Devon een getijdenturbine van 300 kilowatt. In 2008 werd de SeaGen, de eerste commerciële getijdengenerator ter wereld, in Noord-Ierland in bedrijf genomen.

Het principe achter de getijdenturbine is vrij eenvoudig. Energie wordt opgewekt door gebruik te maken van de stromingen die ontstaan door het verschil tussen eb en vloed. De turbines zijn gekoppeld aan generatoren die de bewegingsenergie van stromend water gebruiken om elektrische energie op te wekken. De SeaGenturbine is uitgerust met 2 rotoren van elk 16 meter doorsnede, elk goed voor 1,2 megawatt; genoeg om ruim 1000 huishoudens van energie te voorzien.

Hoewel getijden voorspelbaar zijn, is deze vorm van het opwekken van hernieuwbare energie niet breed aangeslagen. „Het probleem met getijdenenergie is dat die te duur blijft: de les van windenergie is niet geleerd”, zegt Fraenkel.

Schaalvoordeel

Daarmee doelt hij op de schaalvoordelen. Windenergie heeft de afgelopen jaren een zeer snelle groei doorgemaakt, vooral omdat de kosten zijn gedaald en de prestaties zijn toegenomen. Het opwekken van 1 megawattuur met behulp van offshorewindtechnologie kost momenteel vijf keer minder dan tien jaar geleden.

„Voor getijdenenergie is kosteneffectieve en concurrerende technologie nodig. Dat is alleen mogelijk door schaalvoordelen. Met name de bedrijfskosten voor offshoreprojecten zijn erg hoog. Ze hebben een enorme weerslag op kleinschalige projecten”, weet Fraenkel. Siemens kocht MCT in 2011 en Fraenkel stapte uit het bedrijf.

Concurrentie

Gravitricity is niet het enige bedrijf dat het probeert met zwaartekracht. Bij het Zwitserse Lugano heeft Energy Vault een opstelling gebouwd bestaande uit zes enorme kranen die stenen van 35 ton stapelen en afstapelen. Als de stenen, die in een concentrische ring zijn opgesteld, worden neergelaten, levert de constructie energie. De verschillende kranen zijn bedoeld om een constante stroomafgifte te garanderen.

Twee andere zwaartekrachtprojecten hebben een minder gelukkige afloop gehad. Het Amerikaanse Gravity Power bouwde in 2017 zonder veel succes een proefopstelling in Beieren. Het Duitse Heindl ging voordat het tot een proefopstelling kwam in 2020 failliet.