Vliegwielopslag krijgt nieuwe impuls door slimme regeling en magnetische lagers

Vliegwielen kunnen elektrische energie razendsnel opslaan en weer afgeven. De technologie bestaat al langer, maar nieuwe ontwikkelingen op het gebied van magnetische lagers, vermogenselektronica en regeltechniek moeten de technologie geschikt maken voor grotere energiesystemen. Zo is Qnetic gestart met de tests van een vliegwiel-energieopslagsysteem van 200 kWh. Tegelijkertijd onderzoeken wetenschappers hoe model predictive control de rotorbelasting en daarmee de levensduur van dergelijke systemen kan beïnvloeden.

Een vliegwiel-energieopslagsysteem, of Flywheel Energy Storage System (FESS), slaat elektriciteit op als kinetische energie. Een elektromotor versnelt een rotor tot hoge snelheid. Wanneer de opgeslagen energie nodig is, werkt dezelfde machine als generator en wordt de rotatie weer omgezet in elektriciteit.

De opgeslagen energie wordt bepaald door het traagheidsmoment van de rotor en het kwadraat van de hoeksnelheid:

E = ½ Iω²

Dat maakt hoge toerentallen aantrekkelijk. Tegelijkertijd vormen juist die hoge toerentallen een belangrijke technische uitdaging. De rotor moet mechanisch stabiel blijven, verliezen moeten beperkt worden en de constructie moet de optredende krachten veilig kunnen opnemen.

200 kWh op weg naar full-scale tests

Die uitdaging komt momenteel concreet naar voren bij Qnetic. Het bedrijf is in september 2026 begonnen met de integrale tests van zijn Pulsar-systeem, een vliegwiel-energieopslagsysteem met een capaciteit van 200 kWh. Het systeem bevindt zich nog in een gefaseerd validatieprogramma. Eerst worden besturing, veiligheid en vermogenselektronica bij lage toerentallen getest, waarna de operationele omstandigheden geleidelijk worden opgevoerd.

Qnetic meldt dat het systeem inmiddels de eerste honderd continue laad- en ontlaadcycli heeft doorlopen zonder storingen of capaciteitsverlies. De motor is afzonderlijk getest op 130 kW en 97,3 procent efficiëntie, bij toerentallen boven 11.000 rpm. Deze resultaten zijn door Qnetic zelf gerapporteerd en moeten nog in het verdere validatietraject worden bevestigd.

Het bedrijf werkt bovendien aan onafhankelijke evaluatie via het Electric Power Research Institute (EPRI). Daarmee wil Qnetic de prestaties, veiligheid en betrouwbaarheid van de technologie onderbouwen richting toekomstige toepassingen.

Waarom geen gewone lagers?

Een vliegwiel dat met duizenden omwentelingen per minuut draait, heeft weinig aan traditionele mechanische lagers. Wrijving veroorzaakt energieverlies en slijtage, terwijl trillingen en mechanische belastingen bij hoge toerentallen steeds belangrijker worden.

Een oplossing is het toepassen van actieve magnetische lagers (Active Magnetic Bearings, AMB’s). Daarmee wordt de rotor door elektromagnetische krachten contactloos ondersteund. Daarmee wordt mechanisch contact tussen rotor en lager vermeden, waardoor lagergerelateerde wrijving en slijtage kunnen worden beperkt. Het betekent echter niet dat het systeem vanzelf stabiel is. Een actief magnetisch lager moet voortdurend worden geregeld op basis van de actuele positie en beweging van de rotor. Daarmee verschuift een deel van het technische probleem van mechanica naar regeltechniek.

De regelaar moet niet alleen de rotor volgen

Een onderzoek dat op 25 augustus 2026 in Scientific Reports verscheen, kijkt precies naar die combinatie van mechanica en regeltechniek. De onderzoekers ontwikkelden een model predictive control-framework voor een FESS met actieve magnetische lagers, een permanentmagneet-synchroonmachine en een vliegwiel van 32 kWh bij een nominale snelheid van 9000 rpm.

Model predictive control (MPC) gebruikt een model van het systeem om het toekomstige gedrag over een bepaalde tijdshorizon te voorspellen. Op basis daarvan wordt telkens opnieuw bepaald welke regelactie nodig is.

In het onderzochte systeem wordt MPC gebruikt voor het laad- en ontlaadgedrag en de rotorsnelheid. Voor de actieve magnetische lagers wordt bovendien een adaptieve vorm van MPC toegepast, waarbij het model wordt aangepast aan veranderingen in de rotorsnelheid. Dat is relevant omdat de dynamiek van de rotor bij hoge snelheid verandert, onder meer door gyroscopische effecten.

Van regelgedrag naar vermoeiing

Het interessante aan het onderzoek is dat de onderzoekers niet stoppen bij de vraag of de rotor stabiel blijft.

Iedere laad- en ontlaadcyclus veroorzaakt veranderingen in rotorsnelheid en daarmee in de centrifugale belasting van de rotor. Bij zeer veel cycli kunnen die wisselende belastingen bijdragen aan vermoeiing.

De onderzoekers koppelen daarom de regelstrategie aan een vermoeiingsanalyse. Met onder meer rainflow cycle counting en de Palmgren-Miner-regel wordt onderzocht hoe de gekozen MPC-instellingen doorwerken in de spanningscycli van de rotor en de cumulatieve vermoeiingsschade.

Dat levert een interessante ontwerpafweging op. Een regelaar die een zeer snelle respons nastreeft, is niet automatisch de regelaar die de rotor het minst belast. Het gladstrijken van het koppel en het beperken van dynamische uitschieters kan juist gunstig zijn voor de mechanische levensduur.

In de simulaties resulteerde één van de onderzochte instellingen in een lagere snelheidsoverregeling, lager RMS-koppel en lagere magnetische krachten dan de baseline-regeling. De onderzoekers rapporteerden ook een veel lagere berekende cumulatieve vermoeiingsschade.

Geen levensduur van 555 jaar

De onderzoekers komen in hun model voor een bepaalde regelinstelling uit op een zogenoemde fatigue-equivalent life van ruim 555 jaar. Dat klinkt spectaculair, maar moet niet worden gelezen als een voorspelde levensduur van een commercieel vliegwiel.

Het gaat om een berekende vergelijkingsmaat voor het onderzochte belastingsprofiel. De auteurs benadrukken zelf dat onder meer lokale spanningsconcentraties, verbindingen tussen onderdelen, restspanningen, productievariaties en andere faalmechanismen niet volledig in het model zijn meegenomen. Voor verdere validatie noemen zij onder meer eindige-elementenanalyses en experimentele of hardware-in-the-loop-tests.

Daarmee is het onderzoek vooral interessant omdat het laat zien dat de regelstrategie onderdeel kan worden van het mechanische ontwerp. Niet alleen de rotor en het lager bepalen de levensduur; ook de manier waarop het systeem wordt aangestuurd heeft invloed op de mechanische belasting.

Waar passen vliegwielen in het energiesysteem?

Vliegwielen zijn vooral interessant wanneer een systeem snel moet kunnen reageren en zeer veel laad- en ontlaadcycli moet kunnen verwerken.

Toepassingen liggen bijvoorbeeld bij:

• frequentieregeling van het elektriciteitsnet;
• het opvangen van korte vermogenspieken;
• stabilisatie van microgrids;
• ondersteuning van industriële processen;
• regeneratief remmen;
• integratie van variabele bronnen zoals zon en wind.

Onderzoek uit 2025 naar een gedistribueerd energiesysteem beschrijft een gedistribueerd energiesysteem waarin zonnepanelen, een microturbine-gebaseerde windenergiebron en vliegwielopslag worden gecombineerd. In het voorgestelde systeem kan het vliegwiel bij een netuitval of een zwak net direct ondersteuning leveren en snelle veranderingen in belasting of energieproductie opvangen.

Van opslagtechnologie naar mechatronisch systeem

Deze ontwikkelingen tonen vliegwielopslag als een geïntegreerd mechatronisch systeem waarin rotorontwerp, materiaalkeuze, magnetische lagers, elektromotor, vermogenselektronica en regelalgoritmen samen de prestaties bepalen.