vliegwiel

Vliegwiel maakt loodaccu overbodig, een comeback

12 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek / Door Germen Roding / 20 april 2013 22 januari 2021

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=Î£mr²). 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·kg^âˆ’¹aan. 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]

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 â€“ 21, 2006
2. A. Conteh et al., Composite flywheel material design for high-speed energy storage, Journal of Applied Research and Technology, 2016

Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.

De nanotol als energieopslag

6 reacties / Ideeën en techniek / Door Germen Roding / 15 juli 2011 15 juli 2011

We kennen allemaal het vliegwiel. Geef er een ruk aan en het blijft maar rondtollen. Veel technici doen onderzoek naar het vliegwiel als manier om energie op te slaan. Maar zou je geen moleculair vliegwiel kunnen bouwen en daar energie in opslaan? Stel je voor, een jerrycan vol met als een razende rondtollende moleculen. Wat zijn de mogelijkheden?

Vliegwiel: hoe sterker, hoe meer energieopslag

Alles wat rondtolt bevat energie. Onze aarde, bijvoorbeeld, bevat 2,138Ã—10²⁹ J. Voldoende om de mensheid 500 miljoen jaar mee van energie te voorzien. Die energie is evenredig met het inertiaalmoment van het voorwerp maal de rotatiesnelheid in het kwadraat. Het is dus slim om een zwaar voorwerp zo snel mogelijk te laten draaien. Maar wacht. Hoe massiever een voorwerp is, hoe sterker de krachten waarmee het uiteen wordt gerukt. In de praktijk telt daarom voor ontwerpers van vliegwielen maar één criterium: hoe sterk is het materiaal waarvan het vliegwiel is gemaakt? Nauwkeuriger gezegd: welk materiaal heeft de grootste treksterkte, want daar gaat het in feite om. Vandaar dat de komst van koolstofnanovezels met spanning worden afgewacht in het vliegwielwereldje. Koolstofnanovezels zijn namelijk het sterkst bekende materiaal, sterker zelfs nog dan diamant. In theorie kan je in een vliegwiel van koolstofnanovezel tien tot vijftien keer zoveel energie opslaan als in de beste vliegwielen nu. Dit betekent: een tot twee kilowattuur per kilo. Een vliegwiel van dertig kilo is zo voldoende voor drie- tot zeshonderd kilometer bereik met een auto.

Molecuul sterkst denkbare voorwerp
Het probleem met grote vliegwielen is dat ze zo sterk zijn als de zwakste schakel. Eén haarscheurtje in het materiaal en het spat uiteen. Hoe kleiner het vliegwiel, des te kleiner de kans dat er een scheurtje in zit. Die kans is zelfs nul als een vliegwiel bestaat uit een enkel molecuul. Een molecuul is namelijk zo eenvoudig omdat het, net als Lego, uit identieke blokjes bestaat. Een molecuul bevat geen scheurtjes. Daar is domweg geen ruimte voor. Een molecuul kan dus zo snel rondtollen als de chemische verbindingen tussen de atomen toelaten. Als we dus een molecuul vinden, dat mooi symmetrisch rond is en op de een of andere manier een zeer sterke binding kent tussen de atomen, dan hebben we het ideale vliegwiel. Wel moeten we er op letten dat de atoomkernen van elk samenstellend atoom precies even zwaar zijn. Anders spat het nanowiel door het gewichtsverschil uit elkaar.

Suspensie in supervloeibaar helium?
Het molecuul kan met cirkelvormig gepolariseerd licht (“kurkentrekker-fotonen”) in beweging worden gezet. Ook moeten de moleculen elkaar niet raken. De beste oplossing is daarom waarschijnlijk de moleculen op te lossen in supervloeibaar helium en er tegelijkertijd voor zorgen dat ze niet aan elkaar gaan kleven (wat een stevige technische uitdaging is, maar mogelijk te verwezenlijken door zogeheten rotons, gekwantiseerde wervelingen, in het helium los te laten). In supervloeibaar helium verliezen de heliumatomen hun identiteit en vormen één “condensaat”. Dus is er ook niets om tegen aan te botsen en energie aan te verliezen. Geladen rondtollende dingen wekken een magnetisch veld op en gaan zich aan elkaar gelijkrichten. Zou dit kunnen werken? In ieder geval is het het overdenken waard.