Opslagbol: energieopslag in betonnen bollen op de zeebodem
Een opslagbol is een holle betonnen bol die op de bodem van een zee of meer wordt neergelaten om energie op te slaan. Het idee lijkt op een spaarpot voor elektriciteit: als er een overschot aan stroom is, bijvoorbeeld doordat het hard waait en windmolens veel meer opwekken dan nodig, wordt die stroom gebruikt om water uit de bol te pompen. Zodra de stroom weer nodig is, laat men het zeewater via een turbine terug naar binnen stromen, en die turbine wekt dan weer elektriciteit op.
Vergelijk het met een fietspomp in omgekeerde richting: normaal gebruik je spierkracht om lucht in een band te persen onder druk. Bij een opslagbol gebeurt het tegenovergestelde: je gebruikt elektrische energie om water tegen de enorme waterdruk op de zeebodem in naar buiten te pompen, waardoor er binnenin de bol een soort vacuüm ontstaat. Die drukverschil-toestand is de 'opgeladen batterij'. Laat je het water later weer naar binnen stromen, dan komt die energie vrij, net zoals lucht die uit een opgepompte band ontsnapt.
Wat is het precies?
Het technische principe heet in het Engels StEnSea, kort voor Stored Energy in the Sea. Het is een variant op pompaccumulatie, een eeuwenoude opslagmethode waarbij water omhoog wordt gepompt naar een stuwmeer op een berg en later weer omlaag stroomt door een turbine om stroom op te wekken. Bij een opslagbol wordt dat principe onder water gedraaid: in plaats van een hoogteverschil tussen twee waterbekkens gebruikt men het drukverschil tussen de zee op grote diepte en de lucht- of vacuümruimte binnenin de bol.
Hoe dieper de bol op de zeebodem ligt, hoe groter de waterdruk van bovenaf, en dus hoe meer energie er per pompbeurt kan worden opgeslagen. Dit heet hydrostatische druk: de druk die een waterkolom uitoefent, afhankelijk van de diepte. Op honderden meters diepte is die druk enorm, wat opslagbollen in potentie een hoge energiedichtheid geeft vergeleken met opslag op land.
In de bol zit een combinatie van pomp en turbine, vaak één apparaat dat beide functies kan vervullen. Bij het opladen draait het apparaat als pomp en perst het water naar buiten tegen de zeedruk in, wat elektriciteit kost. Bij het ontladen draait hetzelfde apparaat als turbine: water stroomt via kleppen de bol weer in, drijft de turbine aan en wekt zo stroom op. De bol zelf is van gewapend beton, een materiaal dat goed bestand is tegen drukkrachten van buitenaf en relatief goedkoop en duurzaam te produceren is.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter opslagbollen is het opvangen van de onregelmatigheid van zonne- en windenergie. Zon en wind leveren niet altijd stroom op het moment dat we die nodig hebben: soms is er een overschot, soms een tekort. Om een elektriciteitsnet volledig op hernieuwbare bronnen te laten draaien, is grootschalige, betaalbare opslag nodig die dat overschot kan bufferen voor uren tot dagen.
Batterijen kunnen dat ook, maar hebben nadelen: ze vragen relatief schaarse grondstoffen zoals lithium en kobalt, en hun levensduur is beperkt tot doorgaans tien tot vijftien jaar. Pompaccumulatie op land werkt al veel langer, vaak tientallen jaren, maar vereist een berg met hoogteverschil en een stuwmeer, wat landschappelijke impact heeft en niet overal beschikbaar is.
Een opslagbol belooft een alternatief: geen landgebruik, geen zichtbare impact vanaf de kust omdat alles onder water gebeurt, en een levensduur die in theorie kan oplopen tot enkele decennia dankzij het gebruik van beton. Bovendien kunnen opslagbollen worden gecombineerd met bestaande offshore windparken, die al kabels en netaansluitingen op zee hebben liggen. Dat zou de opslag dicht bij de opwekking kunnen plaatsen.
Voorbeelden uit de praktijk
De technologie is ontwikkeld door het Duitse onderzoeksinstituut Fraunhofer IWES (Institute for Wind Energy Systems). In 2016 testten onderzoekers een eerste kleinschalig prototype in het Bodenmeer (Bodensee), het grote meer op de grens van Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk. Daar werd een betonnen bol van ongeveer drie meter doorsnede op zo'n honderd meter diepte neergelaten. Deze proef diende vooral om te bewijzen dat het principe werkt: pompen, opslaan, en via een turbine weer stroom opwekken, in een gecontroleerde, kleinschalige opstelling.
Na dit eerste succesvolle proof-of-concept is Fraunhofer IWES verdere stappen gaan zetten richting een grotere praktijktest in zee, met plannen voor een installatie voor de kust van Californië, in de buurt van Long Beach. Voor dit vervolgproject werken de Duitse onderzoekers samen met Amerikaanse partijen, waaronder betrokkenheid van Amerikaanse financiering gericht op energie-innovatie. Op het moment van schrijven is niet met zekerheid vast te stellen in welke fase dit Californische project zich precies bevindt; berichtgeving hierover verandert snel en cijfers over diameter, diepte en capaciteit van deze grotere bol moeten met voorzichtigheid worden behandeld totdat ze door het instituut zelf zijn bevestigd.
Voor grootschalige, commerciële toepassing heeft Fraunhofer een concept uitgewerkt met bollen van ongeveer dertig meter doorsnede, bedoeld voor plaatsing op zo'n zeshonderd tot achthonderd meter diepte. Zulke bollen zouden dan verenigd kunnen worden in velden van meerdere bollen naast elkaar, vergelijkbaar met een offshore windpark, om samen een opslagcapaciteit op megawattschaal te bereiken. Het is belangrijk te benadrukken dat dit vooralsnog een toekomstplan is: er staat nog geen bol van dat formaat op die diepte in bedrijf.
Hoe ver is de techniek?
Opslagbollen bevinden zich in een vroeg tot middelmatig ontwikkelingsstadium. In onderzoeksjargon spreekt men van een lage tot middelhoge TRL (Technology Readiness Level), een schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe rijp een technologie is: 1 staat voor een puur theoretisch idee, 9 voor een volledig bewezen, commercieel toegepaste technologie. De test in het Bodenmeer bewees dat het principe technisch werkt, maar een grootschalige, commerciële toepassing op zee is er nog niet.
Er zijn verschillende obstakels. Ten eerste de kosten: het gieten, transporteren en op grote diepte plaatsen van betonnen bollen van tientallen meters doorsnede is een kostbare en technisch veeleisende operatie, vergelijkbaar met offshore olie- en gasinstallaties. Ten tweede is het aantal geschikte locaties beperkt: je hebt water nodig dat relatief dicht bij de kust al honderden meters diep is, zoals bij vulkanische eilanden, Noorse fjorden of steile onderzeese hellingen. Niet elk land heeft zulke geografie voor de kust.
Daarnaast is er nog beperkte kennis over de milieueffecten van dergelijke installaties op de zeebodem, en concurreert de technologie met andere opslagvormen die sneller volwassen worden, zoals grootschalige batterijparken en waterstofopslag. Het tempo van ontwikkeling hangt sterk af van de uitkomsten van de aangekondigde vervolgtest en van de vraag of investeerders bereid zijn de kostbare stap naar een grotere praktijkschaal te financieren.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling van de opslagbol wordt vrijwel volledig getrokken door onderzoekers van Fraunhofer IWES in Duitsland, onderdeel van de grote Duitse toegepaste-onderzoeksorganisatie Fraunhofer-Gesellschaft. Zij bedachten het concept, voerden de eerste test in het Bodenmeer uit en werken aan de vervolgstappen richting een grotere praktijktest op zee.
Voor het vervolgproject bij de Amerikaanse westkust werken de Duitse onderzoekers samen met Amerikaanse partners, waarbij ondersteuning vanuit Amerikaanse overheidsprogramma's voor energie-innovatie een rol speelt. Vergeleken met de batterij-industrie, waarin grote bedrijven als Tesla, CATL en talloze start-ups actief zijn, is het onderzoeksveld rond opslagbollen nog klein en geconcentreerd bij een beperkt aantal onderzoeksgroepen. Dat maakt de technologie kwetsbaarder voor vertraging als financiering of onderzoekscapaciteit tijdelijk wegvalt, maar het betekent ook dat de voortgang goed te volgen is via de publicaties en persberichten van dit ene instituut.