Miljoenen huizen van het gas dankzij warmtebatterij op zout
Nederland moet van het gas af en dat wordt een enorme uitdaging. Wellicht zal het niet alleen lukken met warmtepompen, duurzame energiebronnen en warmtenetten. Heel veel woningen zijn immers niet voorzien op de warmtepomp, en de benodigde investeringen daarvoor zijn nog steeds ontzettend hoog. Een mogelijke oplossing komt uit onverwachte hoek: met warmtebatterijen op basis van zout die energie zonder verlies ontzettend lang kunnen vasthouden.
Om energie lang op te slaan, is het binnenkort mogelijk om warmtebatterijen te gebruiken. Die werken volgens een thermochemisch proces. Op de University of Technology Eindhoven zijn ze al heel ver in de ontwikkeling van deze zoutbatterij.
We tonen twee veelbelovende projecten die momenteel werken in testfase en die ontwikkeld worden door de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). Bij het eerste idee gaat het om een zoutbatterij die een individuele woning van energie voorziet, het tweede project is in staat om een volledige wijk te verwarmen.
Water en zout
Om in periodes met weinig wind of zonlicht toch over voldoende energie te beschikken, is de opslag ervan essentieel. De oplossing hiervoor moet komen van warmtebatterijen. De TU/e heeft de warmtebatterij uitgewerkt onder leiding van hoogleraar Olaf Adan. Deze batterij is een gesloten systeem met water en zout. Het principe is verbazingwekkend eenvoudig.
Het gaat om een thermochemisch proces. Neem een flesje met zoutkorrels, of beter gezegd zoutcomposiet kaliumcarbonaat, dat ook te vinden is in koekjes of bakpoeder. Giet er leidingwater bij en je zult merken dat het mengsel begint te stomen en heet wordt. Andersom: door water te verdampen uit dit zout, verandert de kristalstructuur en neemt het mengsel energie op. De in het zout opgeslagen warmte komt pas vrij door er water aan toe te voegen.
Dan komt er zelfs véél warmte vrij. Een kubieke meter zout kan 1,3 gigajoule energie opslaan. Dat komt overeen met 361 kilowattuur, grofweg de hoeveelheid die de accu's van zeven middelgrote EV’s nodig hebben.
©Bart van Overbeeke Fotografie
De warmtebatterij die TU/e ontwikkelt om energie in je huis energie op te slaan als warmte.
Warmte afgeven
Ondertussen staat er in de TU/e een installatie die in huis zou kunnen worden geïnstalleerd om op een gecontroleerde wijze waterdamp bij het zout te brengen. Het is een afstudeerproject van werktuigbouwkundige Jelle Houben en het apparaat heeft de grootte van een flinke koelkast. Het closed-loopsysteem dat hij patenteerde wordt intussen bij de TU/e-spin-off Cellsius (zie ook verderop in dit artikel) verder ontwikkeld.
Een ventilator blaast droge lucht langs een bak water, zodat dit verdampt in de humidifier. Die vochtige lucht gaat naar een drukvat waarin de zoutkorrels liggen. Er komt droge warme lucht uit het zout vrij en die kan worden ingezet om het huis of het leidingwater te verwarmen. Dit is de manier hoe de batterij de warmte afgeeft.
De installatie kan een vermogen produceren dat regelbaar is afhankelijk van de warmtebehoefte. Momenteel werkt men met een temperatuur van ongeveer 65°C, zodat je dit systeem kunt aansluiten op een bestaande huisinstallatie.
©Tue.nl
Het principe van de warmtebatterij.
Warmte opslaan
Om energie op te slaan, gebeurt het omgekeerde. Door de energie van bijvoorbeeld zonnepanelen komt er warme droge lucht in het drukvat met het natte zout. Hierdoor slaat het zout de energie op en kruipt het water als het ware uit het zout. Dat water wordt opgevangen in de humidifier, waarna de droge lucht naar de ventilator gaat en de cirkel rond is. Tot het water helemaal uit het zout verwijderd is, en dan is de batterij opnieuw opgeladen. Dankzij zonne-energie kun je het water en zout dus netjes van elkaar scheiden. Dat is belangrijk, want op die manier raakt het zout helemaal droog en dus vol met energie die je later kunt gebruiken.
Geen CO₂-uitstoot en verliesvrij
Het allergrootste voordeel van de zoutbatterij is dat dit systeem verliesvrij is en geen CO₂ uitstoot. Als je zorgt dat de batterij is opgeladen en je houdt het water en zout gescheiden, kun je de energie opslaan voor dagen, maanden en zelfs jaren. De zoutbatterij kan worden aangepast aan de warmtebehoefte. In de batterij zitten zoutmodules, containers met 20 kilogram zout. Twintig modules vormen samen het formaat van een grote koelkast; dat is voldoende om een gezin de winter te laten overbruggen.
De volgende stap: restwarmte benutten op wijkniveau
Naast de thuisbatterij werkt het team aan een transporteerbare batterij op wijkniveau die een vijftigtal woning van warmte zal voorzien. De zoutbatterij vertrekt wekelijks richting een lokale fabriek om te worden opgeladen met hun restwarmte. Restwarmte is warmte die gewoon in de lucht verdwijnt en die daar waardeloos is. Denk daarbij aan de overtollige warmte van de industrie, van datacenters en tuinbouw enzovoort. Er wordt immers ontzettend veel warmte de lucht in geblazen die niet benut wordt. Soms noemt men dat zelfs 'afvalwarmte'.
Genoeg voor drie tot zes miljoen woningen Restwarmte is er in Nederland in overvloed: ongeveer 1,5 petajoule per jaar. Dan hebben we het over laagwaardige warmte onder de 150°C. Als we dat even in een online converter gooien, komt dat overeen met 416.666.700 kWh per jaar! Op die manier is er in dit land voldoende overtollige energie beschikbaar om drie tot zes miljoen huishoudens van alle benodigde warmte te voorzien. Wat als we erin slagen om deze afvalwarmte op te slaan in batterijen en vast te houden zonder verlies, tot we deze energie werkelijk kunnen benutten?
Batterij zo groot als een zeecontainer
Om hun vinding commercieel te kunnen uitbaten, is de Eindhovense onderzoeksgroep een start-up begonnen: Cellcius. De enorme Cellcius-warmtebatterij wordt opgeladen met wat beschikbaar is aan de energiebron, tegen lage kosten en zonder extra belasting van het bestaande energienet. Zo’n warmtebatterij is zo groot als een zeecontainer en werkt met twee veilige grondstoffen: zout en water. Bovendien produceert deze vondst geen uitstoot en maakt hij gebruik van restwarmte op de locaties waar een overschot is om huizen zonder gas te verwarmen. Bovendien is er geen explosie- of brandgevaar en er komen er geen giftige of onveilige stoffen vrij. Daarbij liggen de energieproductiekosten per kWh erg laag.
©Cellcius.com
De warmtebatterij met een capaciteit van 10 gigajoule en een vermogen van 100 kW.
Local of mobile
De verdeling van deze Cellcius-batterij werkt volgens twee systemen. Het eerste heet Cellcius.local: een gesloten systeem dat op een vaste locatie is opgesteld. De plaatselijke restwarmte, of de beschikbare elektriciteit, wordt tegen een spotprijs in de batterij opgeslagen. Wanneer de warmtebehoefte groot is of wanneer de energieprijzen hoog staan, geeft de Cellcius-batterij de warmte af via het bestaande leidingensysteem.
Bij Cellcius.mobile wordt de restwarmte opgevangen in een batterijcontainer die via de weg, het spoor of water naar de locatie wordt gebracht waar hij nodig is. Zonder verlies van energie. Als de batterij leeg is, wordt hij vervangen door een volle. Op die manier zorgt Cellcius dat het bestaande leidingensysteem een continue warmtelevering krijgt. Door het opslaan en vervoeren van restwarmte hoeven er geen dure warmtenetten te worden aangelegd.
©Cellcius.com
De warmtebatterijen worden getransporteerd naar waar ze nodig zijn.
Ook ter koeling In huizen en kantoren kan de warmtebatterij ook andersom werken omdat de warmtebatterij warmte kan opslaan door het water aan het zout te onttrekken. Hiermee verdwijnt de warmte uit de lucht. Met andere woorden: de batterij kan ook lucht koelen. Hierdoor werkt het systeem als een airco.
Het zout gaat twintig jaar mee
Tussen theorie en praktijk lagen toch behoorlijk wat struikelblokken. Het zout was vaak niet stabiel en viel na enkele keren laden en ontladen uiteen. Daarnaast moest het team op zoek naar een betaalbaar apparaat dat de warmte eenvoudig kon opslaan en weer kon losweken in het zout. Voor beide problemen is een oplossing gevonden.
De warmtebatterij bevat geen giftige chemicaliën noch zeldzame materialen, zoals de batterij in elektrische auto’s. Ondertussen bekijkt het onderzoeksteam of kaliumcarbonaat wel het zout is met de hoogste energiedichtheid; misschien zijn er nog meer geschikte kandidaten. Bij maandelijks laden en ontladen blijft dit zoutcomposiet stabiel en kan het meer dan twintig jaar mee.
Over vijf jaar op de markt
We verwachten dat de commerciële uitvoeringen in de Nederlandse huizen over vijf jaar worden opgesteld. In Frankrijk en in Polen zijn ze in testprojecten geïnstalleerd om het resultaat te bekijken in verschillende klimaten. Dit demonstratieproject wordt deels gefinancierd door de Europese Commissie en zal het effect van de verschillende klimaattypes en de verschillende woningsoorten op de werking van de warmtebatterij aantonen.
