Vliegwiel: energie opslaan door iets keihard te laten draaien
Een vliegwiel is in de kern een zwaar, perfect uitgebalanceerd wiel of cilinder dat om zijn as draait. Wil je er energie in stoppen, dan laat je een elektromotor het wiel sneller laten draaien. Wil je die energie er weer uit halen, dan koppel je een generator aan dezelfde as: het wiel remt af en levert daarbij elektriciteit terug. Het principe is vergelijkbaar met een fietswiel dat je in de lucht flink aan het draaien brengt — het blijft daarna een tijd doordraaien dankzij zijn traagheid, en die bewegingsenergie kun je in theorie weer benutten.
Een vliegwiel is dus eigenlijk een mechanische batterij. In plaats van energie chemisch op te slaan, zoals in een lithium-ionaccu, wordt de energie vastgehouden in de draaiende beweging van een massa. Dat maakt vliegwielen bijzonder geschikt voor situaties waarin razendsnel grote vermogens moeten worden geleverd of opgevangen — bijvoorbeeld om een stroomnet in balans te houden wanneer de zon even achter een wolk verdwijnt.
Wat is het precies?
De hoeveelheid energie die een vliegwiel kan opslaan, hangt af van twee dingen: hoe zwaar de draaiende massa is (en hoe die massa verdeeld is over de as, iets wat natuurkundigen het traagheidsmoment noemen) en hoe snel het wiel draait. Snelheid weegt daarbij extra zwaar mee: als je de draaisnelheid verdubbelt, verviervoudigt de opgeslagen energie. Daarom proberen ontwerpers vliegwielen vooral zo snel mogelijk te laten draaien, in plaats van ze alleen maar zwaarder te maken.
Ouderwetse vliegwielen waren compacte, zware schijven van staal die enkele duizenden omwentelingen per minuut haalden. Moderne vliegwielen voor energieopslag zijn vaak juist licht en slank, gemaakt van koolstofvezelcomposiet. Dat materiaal is sterk genoeg om extreem hoge snelheden te verdragen — tot wel tienduizenden omwentelingen per minuut — zonder uit elkaar te scheuren door de enorme middelpuntvliedende krachten.
Bij die snelheden is wrijving de grootste vijand. Daarom draait het wiel in een afgesloten behuizing waaruit de lucht is gepompt (een vacuümkamer), zodat er geen luchtweerstand optreedt. En in plaats van gewone kogellagers gebruiken geavanceerde systemen magnetische lagers: het wiel zweeft op een magnetisch veld en raakt nergens iets aan, wat de wrijvingsverliezen tot een minimum beperkt.
Dezelfde machine die het wiel opspint, functioneert ook als generator wanneer het wiel afremt. Vermogenselektronica zet de opgewekte stroom vervolgens om naar een vorm die bruikbaar is voor het elektriciteitsnet of een voertuig. Een belangrijk nadeel is dat een vliegwiel, ondanks alle maatregelen, nooit helemaal wrijvingsvrij is: er gaat continu een klein beetje energie verloren, ook als er niets wordt op- of afgetapt. Voor opslag van enkele minuten tot een paar uur is dat geen probleem, maar voor wekenlange opslag is een vliegwiel ongeschikt — daarvoor blijven batterijen of andere technieken beter.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van het vliegwiel is snelheid. Waar een batterij milliseconden tot seconden nodig heeft om vermogen te leveren of op te nemen, kan een vliegwiel vrijwel ogenblikkelijk schakelen tussen laden en ontladen. Dat is precies wat elektriciteitsnetten nodig hebben om de frequentie stabiel te houden: als er even meer stroom wordt gevraagd dan opgewekt, zakt de netfrequentie licht weg, en een vliegwielpark kan dat binnen een fractie van een seconde corrigeren.
Een tweede doel is duurzaamheid van het opslagsysteem zelf. Een vliegwiel kent geen chemische slijtage: het kan honderdduizenden tot miljoenen laad- en ontlaadcycli aan zonder noemenswaardige capaciteitsverlies, terwijl een lithium-ionaccu na enkele duizenden cycli merkbaar achteruitgaat. Vliegwielen bevatten bovendien geen zeldzame metalen of giftige chemicaliën en zijn aan het einde van hun levensduur goed te recyclen.
Daarnaast wordt gehoopt dat vliegwielen andere opslagtechnieken kunnen ontlasten. Door snelle, veelvuldige schommelingen op te vangen, hoeven batterijen minder vaak te worden aan- en uitgeschakeld, wat hun levensduur ten goede komt. In voertuigen en treinen wil men met vliegwielen remenergie terugwinnen zonder de accu extra te belasten, en in noodstroomsystemen (UPS) overbruggen vliegwielen de paar seconden totdat een dieselgenerator is opgestart.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien waar de techniek al wordt toegepast:
- Stephentown, New York (2011): energiebedrijf Beacon Power bouwde hier een van de eerste commerciële vliegwielparken ter wereld, met een vermogen van 20 megawatt, speciaal om de netfrequentie van de regionale netbeheerder te helpen stabiliseren.
- Formule 1 en Le Mans (vanaf 2009): Williams Hybrid Power ontwikkelde een vliegwiel-KERS (Kinetic Energy Recovery System) dat remenergie in een snel draaiend vliegwiel opsloeg en bij acceleratie weer vrijgaf. De techniek werd later, als GKN Hybrid Power, ook toegepast in het endurance-racen, onder meer bij de Audi R18 e-tron quattro op Le Mans, en experimenteel getest in Britse stadsbussen om brandstof te besparen.
- Fusieonderzoek in Culham, Verenigd Koninkrijk: de JET-fusiereactor (Joint European Torus) gebruikt al decennia grote vliegwielgeneratoren om de zeer korte maar extreem hoge stroompieken te leveren die nodig zijn om plasma op te wekken — het net alleen kan zo'n piek niet aan.
- Amber Kinetics (Verenigde Staten): dit bedrijf bouwt stalen vliegwielen die specifiek zijn ontworpen voor langere opslag (in de orde van uren in plaats van minuten) en heeft pilotprojecten gerealiseerd bij Amerikaanse energiebedrijven om te testen of vliegwielen ook een rol kunnen spelen naast batterijen in het net.
- Europese leveranciers: Duitse bedrijven als Piller Power Systems en Stornetic leveren vliegwielsystemen voor noodstroomvoorziening (UPS) bij datacenters en industriële installaties, waar een paar seconden overbrugging het verschil kan maken tussen een storing en een soepele overschakeling.
Hoe ver is de techniek?
Vliegwiel-energieopslag is geen prille technologie meer: voor toepassingen als noodstroomvoorziening en netfrequentieregulering draait de techniek al zo'n twintig jaar commercieel. Toch blijft het een nichetechnologie. Lithium-ionbatterijen zijn in dezelfde periode zo snel goedkoper geworden dat ze voor de meeste opslagtoepassingen — zeker als er meerdere uren capaciteit nodig is — de standaardkeuze zijn geworden.
De natuurkunde van het vliegwiel zorgt voor een fundamentele grens: doordat er altijd een beetje energie weglekt door resterende wrijving, is het economisch onaantrekkelijk om er langdurige opslag mee te doen. Vliegwielen excelleren juist in korte, krachtige, zeer frequente uitwisselingen van vermogen — precies het soort taak waar batterijen sneller verslijten.
De sector kende ook tegenslagen. Beacon Power, de bouwer van het Stephentown-park, ging in 2011 — kort na de opening van die installatie — failliet door financieringsproblemen, al werd het bedrijf daarna doorgestart onder nieuwe eigenaars. Dat voorbeeld laat zien dat de techniek weliswaar werkt, maar dat een sluitende businesscase lang niet altijd vanzelfsprekend is.
Op dit moment richt de ontwikkeling zich vooral op betere composietmaterialen (voor nog hogere, veiligere draaisnelheden) en op hybride systemen waarin vliegwielen en batterijen samenwerken: het vliegwiel vangt de snelle schommelingen op, de batterij zorgt voor de langere adem. Grootschalige doorbraken die vliegwielen een hoofdrol geven in de energietransitie worden door de meeste experts niet verwacht; de techniek blijft naar verwachting een gespecialiseerd hulpmiddel naast batterijen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn Beacon Power en Amber Kinetics de bekendste namen op het gebied van grootschalige, netgekoppelde vliegwielopslag. In Duitsland leveren Piller Power Systems en Stornetic vliegwielsystemen, vooral gericht op noodstroom en industriële toepassingen. In het Verenigd Koninkrijk heeft de van de Formule 1 afkomstige technologie van GKN Hybrid Power (voorheen Williams Hybrid Power) haar weg gevonden naar de auto-industrie en het openbaar vervoer.
Op onderzoeksgebied speelt het Verenigd Koninkrijk een bijzondere rol via de UK Atomic Energy Authority, die de JET-fusiereactor in Culham beheerde en daar decennialang ervaring heeft opgedaan met grootschalige vliegwielgeneratoren voor pulsvermogen — kennis die relevant is voor toekomstige fusiereactoren zoals ITER in Frankrijk. Daarnaast houden universitaire onderzoeksgroepen en nationale laboratoria zich bezig met de ontwikkeling van sterkere composietmaterialen en efficiëntere magnetische lagers, de twee bouwstenen die de prestaties van vliegwielen het meest bepalen.