Ruimtevaartballon voor energieopslag in diep water

Nieuwe technieken voor energieopslag zijn nodig om duurzame energie meer kansen te bieden. Momenteel wordt geëxperimenteerd met een geheel nieuwe manier van energieopslag: opslag van lucht onder hoge druk in ballonnen, die op grote diepte aan de zeebodem verankerd zijn. De ballonnen zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor de bemande ruimtevaart.

door

Stroom die wordt opgewekt door zonnepanelen en windturbines is niet constant. De zon schijnt niet de hele dag door en de windsnelheid varieert. Het nadeel is dat het elektriciteitsnet hierdoor onregelmatig belast wordt en zonne- en windstroom niet 24/7 geleverd kan worden. Engelse onderzoekers zijn de laatste jaren daarom druk bezig geweest met het uitwerken van een nieuw concept voor energieopslag, met name gericht op offshore windturbineparken. De nieuwe techniek heet Under Water Compressed Air Energy Storage (UW-CAES) en is uitgeprobeerd bij de Schotse Orkney Eilanden.

Img 9739a

Ballonnenmaker Maxim de Jong van Thin Red Line inspecteert de Energy Bag tijdens een eerste opblaastest. Keith Thomson/Thin Red Line Aerospace

Commerciële toepassingen

De techniek van UW-CAES maakt gebruik van de tegendruk van water, die groter is naarmate de waterdiepte toeneemt. Bij iedere tien meter waterdiepte stijgt de druk met 1 bar. Door de hoge waterdruk aan de buitenzijde van de ballon kan meer lucht in de ballon worden gepompt, bij een gelijke ballongrootte.

1280px sheringham shoal wind farm 2012

Sheringham Shoal Windpark Harald Pettersen/Statoil

Het principe van UW-CAES werkt zo: het stroomoverschot is de energiebron voor de compressors die lucht vanaf het wateroppervlak via een leiding in een onderwaterballon persen. Tijdens een stroomtekort wordt de lucht weer vrijgelaten, waarbij turbines worden aangedreven en elektriciteit geproduceerd wordt. De toepassing van UW-CAES wordt vooral kansrijk geacht in combinatie met offshore windparken.

Volgens professor Seamus Garvey van de Engelse University of Nottingham, bedenker en projectleider van het experiment op de Schotse Orkney Eilanden, is een diepte van vijfhonderd meter noodzakelijk voor een commerciële toepassingen van UW-CAES. Garvey: “Je hebt dan te maken met 50 bar, en die tegendruk van het zeewater is nodig voor een vergelijkbare luchtdruk in de ballon”. De energiedichtheid in de ballon is zo hoog dankzij de grote waterdruk.

Haven van de Vikingen

De locatiekeuze voor de test viel op de Orkney Islands vanwege de mariene faciliteiten die daar beschikbaar waren. Het onderzoeksteam kon er gebruik maken van een van de testlocaties van het European Marine Energy Centre (EMEC) bij Scapa Flow, waar zowel een goede mariene infrastructuur, een duikteam en gespecialiseerde werkboten aanwezig waren. Scapa Flow is een rustige baai tussen verschillende eilanden die de Vikingen ooit gebruikten als natuurlijke haven voor hun oorlogsschepen.

Ajr 20120625 1000696

In de baai van Scapa Flow werden energieballonnen tot een diepte van 25 meter afgezonken, met de hulp van duikers. University of Nottingham

Optimale diepte

“Uiteindelijk zul je toe moeten naar een manier van afzinken waarbij duikers overbodig zijn omdat zij op grote diepte door de hoge waterdruk niet meer kunnen werken”, aldus Garvey. Daarom werd op de Orkneys ook een werkwijze met ballast getest, waarbij gebruik werd gemaakt van een omgekeerd metalen blik dat verzwaard werd met keien en die de ballon op zijn plaats hield. Voor het Schotse experiment werd gebruik gemaakt van ballonnen die voor bemande ruimtemissies zijn ontwikkeld door het gespecialiseerde Canadese bedrijf Thin Red Line Aerospace, en die onafhankelijk van de diepte bruikbaar zijn.

Project 1

De Bigelow Aerospece ruimtesondes Genesis I en II zijn ontworpen en gebouwd door Thin Red Line Aerospace en cirkelen sinds ca. zeven jaar om de aarde. Hierin wordt ‘opblaasbare woonruimte’ getest van hetzelfde materiaal als gebruikt wordt voor de Energy Bags. Thin Red Line Aerospace

“In de ruimtevaart is men op zoek naar verblijfsruimten buiten het ruimteschip om zo de leefruimte te vergroten”, vertelt CEO Maxim de Jong. “Als je denkt aan bemande missies die langere tijd duren, zoals naar Mars, dan moet je rekening houden met het feit dat mensen gek kunnen worden als zij lange tijd in een kleine ruimte met elkaar moeten doorbrengen.” De uit Nederlandse ouders in Vancouver geboren Canadees heeft de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA als zijn belangrijkste werkgever.

Zachte landing

“Deze kunststof structuren, die we nu ook ontwikkelen als ‘Energy Bag’, dienen in de ruimtevaart niet alleen als verblijfsruimten voor ruimtereizigers, maar ook als decelerators: zij remmen het ruimteschip af tijdens de landing op een planeet”, vertelt de lucht- en ruimtevaartingenieur.

“Zeker bij bemande missies is een zachte landing een voorwaarde, terwijl er tegelijkertijd meer materiaal aan boord zal zijn dat naar de planeet moet worden gebracht. Momenteel werken we aan toekomstige bemande Marsmissies.”

De Jong staat positief tegenover het gebruik van zijn ballonnen voor onderwatertoepassingen voor energieopslag, maar hij is kritisch. "Het belangrijkste probleem bij de toepassing van energieballonnen is de opschaling. We zijn er nog niet helemaal uit wat de optimale maat voor een toepassing als UW-CAES moet zijn en of de vorm van de ballon bij een dergelijke opschaling zal moeten worden aangepast. Garvey denkt vanuit zijn ervaring op de Orkneys aan een optimale doorsnede van twintig meter voor een diepte van vijfhonderd meter. “In ons Schotse experiment gebruikten we ballonnen van vijf meter in doorsnede voor een diepte van 25 meter.”

Img 20120316 103543

Voorbereiding voor de tewaterlating van een energy bag. Een goede les voor de toekomst is de tewaterlating vanaf het werkschip, om de kans op beschadiging en lekkage van de ballon te minimaliseren. University of Nottingham

Enorme krachten

De Jong benadrukt de enorme krachten die gepaard gaan met onderwatertoepassingen. “Bij een waterverplaatsing van 1 kubieke meter, is de opwaartse druk al 1 ton. De neerwaartse druk door middel van bijvoorbeeld keien moet dan minstens het dubbele zijn.” Het volume van een bol is 1,3 × 3,14 (pi) x r3 (r is de straal, de helft van de diameter). Bij een ballon met een diameter van twintig meter is de opwaartse druk dus ca. 4000 ton en zou je de ballast volgens de berekening van De Jong ten minste moeten verdubbelen naar 8000 ton. De Jong vraagt zich af hoe je een dergelijke trekkracht zo moet verankeren dat de opstelling betaalbaar blijft.

Op dit moment wordt in Lake Ontario een experiment gedaan door het bedrijf Hydrostor. Dit bedrijf heeft met het Water- en Energiebedrijf van Aruba een contract gesloten om in de buurt van het windpark Vader Piet onderwateropslag van windvermogen te gaan toepassen. Volgens De Jong is de toepassing van zijn ballonnen in zout water geen probleem. In zoute omstandigheden schat hij de effectieve levensduur ergens tussen vijf en tien jaar.

Vulkanische eilanden

“Het voordeel van UW-CAES in het Caribisch gebied of bij vulkanische eilandengroepen, zoals de Canarische Eilanden, is dat je vrij snel grote diepte bereikt”, aldus Garvey. “In Schotland moet je wel erg ver uit de kust gaan om een dergelijke diepte te bereiken. Het voordeel van de zeebodem van het Caribisch gebied is dat je op relatief korte afstand van de kust een voor UW-CAES optimale diepte bereikt.” De Noordzee is door de geringe diepte volgens hem dan ook geen optie.

De bedrijven die zich bezighouden met UW-CAES hebben zich recent aangesloten in een samenwerkingsverband om kennis en ervaringen zo goed mogelijk te delen. Garvey: “Bij een technologie als UW-CAES is het belangrijk samen te werken met bedrijven die in compressed air-technologie gespecialiseerd zijn. Onderwateropslag van energie is door de grote waterdruk technisch behoorlijk complex, al is het principe eenvoudig”.