Vliegwiel maakt loodaccu overbodig, een comeback

Een vliegwiel is op te laden en af te tappen, bijna zonder verlies. Is deze mechanische batterij de oplossing om lokaal opgewekte alternatieve energie eindelijk door te laten breken?

Wat is een vliegwiel?

TLDR: een vliegwiel is een mechanische accu. Een draaiend wiel, waar je energie in opslaat en weer uithaalt. Bijna zonder verlies.

In bewegende voorwerpen zit energie opgesloten. Deze hoeveelheid energie is voor een in een rechte lijn bewegend voorwerp de bekende formule van de middelbare school, 1/2 mv2. Uiteraard is het niet erg handig om de energie van je zonnepaneel bijvoorbeeld in een op en neer bonkende stalen sloopkogel op te slaan. Tenzij je doof bent, en de pest hebt aan de buren. Wel jammer van de muur, dan.

Een goede manier om dit probleem op te lossen is het voorwerp in kwestie rond te laten tollen. Ook rotatie-energie is energie die je af kan tappen en toe kan voeren. De hoeveelheid rotatie-energie hangt af van het zogeheten draaimoment (I). Hoe verder massa van het rotatiemiddelpunt af zit, hoe zwaarder deze meetelt voor I. Drie keer zo ver van het middelpunt (dus r drie keer zo groot) betekent het kwadraat, dus negen maal zoveel draaimoment (I=Σmr2). Meestal wordt daarom een wielvormige structuur gebruikt, een zogeheten vliegwiel. Van een wiel zit alle massa aan de rand. Deze massa telt dus maximaal mee voor het draaimoment. Dit is dus het slimste ontwerp.

Sterk materiaal is meer opslag van energie

De energiedichtheid van vliegwielen is in verhouding vrij laag. Voer je te veel energie toe, dan knalt het wiel uit elkaar door de centrifugale pseudokracht. Je wilt daarom voor je vliegwiel een zo sterk mogelijk materiaal. De massa is niet belangrijk voor de energiedichtheid. Weliswaar slaat twee keer zoveel massa twee keer zoveel energie op, maar de centrifugale ‘kracht’ trekt die massa ook twee keer zo hard uit elkaar.[1]

In theorie kan een vliegwiel van 1 kg van het sterkste materiaal dat we kennen, koolstofnanovezels, 48 MN·m·kg1 aan. Newton meter staat gelijk aan joule. Dit komt dus neer op 48 megajoule per kilogram. De energieinhoud van een liter diesel, of rond de 13 kilowattuur. Dit is het natuurkundig gezien, theoretische maximum. Ter vergelijking: de beste lithium-ion batterijen van nu halen rond de 1% van deze waarde. Echter, je zit ook vast aan de vormfactor, die weer dwingt tot een lager draaimoment per kilo. Dat maakt het werkelijke theoretische maximum lager, rond de vier kilowattuur per kg.

In de praktijk ligt de haalbare opslag veel lager. Ook zijn koolstofnanovezels duur. In 2021 rond de 200 euro per kilo voor de goedkoopste. Op dit moment is de recordhouder energieopslag, een supervliegwiel met rond de 0,5 kWh per kg. [2]

De stoommachines in stoomgemalen hebben vaak een enorm vliegwiel.

Stoomgemalen hebben vaak een enorm vliegwiel. Mill Meece museum, Staffordshire, VK.

Voordelen van vliegwiel boven accu

Vliegwielen hebben een aantal grote voordelen vergeleken met loodaccu’s, en zelfs lithium-ion accu’s, de standaard op dit moment. Om te beginnen gaan ze veel langer mee. Een loodaccu geeft na enkele honderden laadcycli de geest, waarna je opgescheept zit met een uiterst giftig metaal. Een vliegwiel daarentegen, honderdduizenden malen. Verder kunnen vliegwielen hun energie heel erg snel afgeven. Omdat ze “opgeladen” worden met een elektromotor, worden ze heel efficiënt be- en ontladen: over de 98%. Ter vergelijking: een loodaccu haalt 50% tot 92%. Zwak punt van het vliegwiel is dan weer het energieverlies, maar met magnetische ophanging in een vacuüm is dit binnen de perken te houden.

Voor de meeste toepassingen is de hoeveelheid energieopslag per euro belangrijker dan de energiedichtheid. Vooral voor korte duur. Wrijvingsverliezen maken het vliegwiel voor langere duur energieopslag, minder aantrekkelijk.

Bronnen
1. Hardi Hoimoja, Flywheel energy storage: principles and possibilities, 3rd International Symposium Actual Problems in Energy and Geotechnology Kuressaare, January 16 – 21, 2006
2. A. Conteh et al., Composite flywheel material design for high-speed energy storage, Journal of Applied Research and Technology, 2016

Eh... Delen?

Germen Roding

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: Wageningen Universiteit, tropisch landgebruik met specialisaties plantenteelt en visteelt (master), natuurkunde (gedeeltelijke bachelor), informatica (praktijkervaring)

Dit vind je misschien ook leuk...

12 reacties

  1. Tayelrand schreef:

    Elke zoveel jaar wordt dit idee weer opnieuw gelanceerd, en altijd wordt het weer de nek omgedraaid door de industrie die hier het meest van zou moeten profiteren, de autofabrikanten.

    Ik zou dus al blij zijn als er een vliegwiel op mijn fiets zou komen.

    • Flow schreef:

      Waarom maak je dan geen vliegwiel op je fiets?
      Houd alleen wel even rekening met de gyroscopische kracht die dit op je fiets uitoefent. Het is vervelend als de fiets de hele tijd een andere kant op wel dan jij.
      Voor de auto industrie is er toch al zoiets, het KERS systeem wat ook in de formule 1 gebruikt wordt? Alleen ken ik geen straat auto die zoiets heeft.

  2. Elrandy schreef:

    Vliegwiel is direct een soort dynamo en motor, en heel wat leuker dan een pendule…. De auto industrie mag van mij part ook de nek om worden gedraaid met alle auto debielen en al. De auto industrie is een last geworden terwijl zij een deugd moest worden…… De fiets heeft een voordeel zij wordt gevoed door de meest economische motor, de bereider… Er zijn er al zoveel die hun broek (rok) uitdeden voor wat leengeld voor een wagen, niet te filmen….. ;)
     
    Het wandel pad verdient mijn voorkeur, soms toegankelijk voor rustige scater, een rolstoel of rustige fietser …. 
     
    ‘k Ben blij als ik mag vertrekken hier en mijn vleugels kan uitklappen…. :(

  3. CQ schreef:

    een vliegwiel wordt al gebruikt door verschillende firma’s om energie in op te slaan (Piller, Elinex)
    joule is energie en ook nog eens een watt/seconde dus makkelijk om te rekenen naar kwh’s
    reken maar eens uit wat er in 4kwh aan joule zit.
    als dat in een vliegwiel zit kan dat in een paar seconden vrij komen (gebruikt in rotary UPS systemen)
    echter als die UPS in onderhoud gaat dan draait dat vliegwiel in dat zogenaamde vacuüm maximaal een half uur door op eigen kracht (dan staat het stil) en dat vliegwiel is +1500kg, dus ergens zit een klein rekenfoutje…
    ook vrla batterijen hebben zo hun eigen problemen, maar hoe je aan die 98% komt, geen idee
    batterijen iedere twee jaar vervangen, ja kan kloppen maar je kan ze ook voor 3, 5 of 10 jaar kopen, maar ook hier hoe sneller je ze leeg haalt, hoe lager het rendement en hoe langer je batterij wordt gegarandeerd door de leverancier, hoe hoger de aanschaf kosten

  4. Erik schreef:

    Persoonlijk denk ik niet dat een vliegwiel een echte oplossing is.
    Zelf wek ik alle stroom zelf op door zonnepanelen, hierbij treedt het probleem op dat ik in de zomer te veel heb en in de winter te kort kom. Een vliegwiel zou mij voor de nacht wel kunnen helpen maar ik verbruik dan bijna niets (ongeveer 1 Kwh ). dus een vliegwiel van 1 Kwh zou een oplossing kunnen zijn maar veel groter heeft niet veel zin omdat als ik een vliegwiel van 15 Kwh heb en er s’nachts 1 Kwh uithaal ik er de volgende dag er ook maar 1Kwh in kan stoppen.
    Om het probleem echt op te lossen heb je een veel groter opslagsysteem nodig.
    Mijn huis wekt in de zomer 1400 Kwh teveel op en die kan ik goed gebruiken voor de winter.
     

    • antares schreef:

      Je hebt ongeveer 5 kwh nodig om één liter water om te zetten in waterstofgas en zuurstof. Qua volume kom je dan uit op een kuub waterstofgas, wat bij een overschot van 1400 kwh, dan 280 kuub in opslag betekent. Zo’n opslag bij huis plaatsen lijkt mij niet rendabel, maar het energieoverschot van een hele gemeenschap naar verzamelstations transporteren, kan wel zinvol zijn. Op de verzamelstations kan het elektrisch overschot van een deelnemende gemeenschap, omgezet worden in vloeibaar waterstof, en dan een goedkope brandstof voorziening worden voor de deelnemers. Je kunt er schone auto’s tegen hele lage brandstofprijzen op laten rijden, maar ook een terugkoppeling naar het net uitvoeren d.m.v. brandstofcellen. Zo’n verzamelstation zou door een hele gemeenschap moeten worden bekostigd, het aantal deelnemers bepaalt dan de kosten per gezin. Voordeel is dan natuurlijk, dat zo hele verzamelingen van milieu bewuste gemeenschappen ontstaan, en goed voorbeeld doet normaal gesproken goed volgen. Vliegwielen zijn hoogstwaarschijnlijk rendabeler dan bovenstaand concept, maar ik ben het eens met Erik. Voor zijn individuele situatie werkt een dure vliegwielconstructie niet rendabel in de winter.

  5. paul-r schreef:

    Andre, piepende en krakende wagens gaan lang mee, zeggen ze, maar het was wel even stil zonder je. Maar je bent er weer. Mvg Paul.   :-D  
     

  6. hugo schreef:

    Beste ! 1 kg is 10 Nm (9,8) 1 joule=1Nm=1Ws
    Een hometrainer heeft een vliegwiel waar je met gemak 250 watt kan in opslaan.
    Gebruik dit vermogen rechtstreeks naar de e-motor van een elektrische fiets ook 250 watt, snelheid ongeveer 25 km/uur. Gewicht 80 kg 800Nm. Winst 0.
    De truc is het vermogen v/h vliegwiel in een brandstofcel(batterij) te steken waardoor de weerstand op de alternator (vullen cel) constant blijft. De opgenomen energie van de E-motor is variabel! De kinetische energie van het remmen en bergaf wordt ook opgeslagen in het vliegwiel (winst) Nu nog de aandrijving van het vliegwiel met een sweep-up © hefboomsysteem. (zie men website) vliegwiel 2x zwaarder en groter, opslag, 500 watt. Piek en dal zijn geneutraliseerd of zijn gelijk de inspanning van de fietser is gemiddeld 1/2 vergeleken met de traditionele tandwiel ketting aandrijving 1/1. meer details ? yep vraag maar. Mvg hugo…

  7. Een gemiddeld huishouden verbuikt het dubbele van wat is aangegeven.
    Daarnaast kan je hooguit voor een half uurtje in een vliegwiel van normale proporties opslaan. Een vliegwiel is leuk voor pieken, of om snel te accellereren, maar niet als een soort accu.
    Ik snap niet dat al die uitvinders niet eerst eens een beetje rekenen, of liever nog hun boerenverstand gebruiken.

Geef een reactie