Willen we af van fossiele brandstoffen, dan moeten we op grote schaal duurzame warmte gaan opslaan en bewaren. Slimme technici ontwikkelen daarvoor allerlei manieren, sommige geniaal of ronduit ongelofelijk! Zoals deze vijf. Ken jij ze allemaal?
Warmteopslag gebeurt nog maar weinig in Nederland. Begrijpelijk: we hadden aardgas, dus warmte genoeg! Nu de gaskraan binnenkort definitief dicht gaat, moeten we versneld aan de bak met nieuwe manieren van duurzaam verwarmen. En dus met duurzame warmteopslag.
Warmteopslag en de energietransitie
Warmteopslag gaat een hoofdrol spelen in de energietransitie. Waarom? Dat weet Olaf Adan, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de TU Eindhoven. “Duurzame energiebronnen zoals zon en wind leveren hun energie niet altijd op de momenten dat je het nodig hebt. Soms is er teveel van en raakt het elektriciteitsnet overbelast, soms is er juist te weinig en moet een fossiele energiecentrale bijspringen. Om die ongelijktijdigheid tussen vraag en aanbod te overbruggen, moet je zo veel mogelijk energie kunnen opslaan.” Warmte is daarbij de belangrijkste vorm. Ongeveer 55 procent van ons nationale energieverbruik betreft warmte. Kijken we puur naar huishoudens, dan is zelfs 75 procent van ons energieverbruik bestemd voor het verwarmen van ons huis en ons tapwater. Het slim opslaan van (rest)warmte of piekproductie van zon- en windenergie die nu ongebruikt blijft, brengt een gasloze toekomst snel dichterbij.
Warmteopslag in opkomst
Daarom voorspelt Adan een grote rol voor warmteopslag in het energiesysteem van straks. In woningen kan het bijvoorbeeld een belangrijke aanvulling zijn op een warmtepomp. “Als een warmtepomp grote temperatuurverschillen moet overbruggen, presteert en rendeert hij verre van optimaal. Warmteopslag kan dan een goede oplossing zijn. Het temperatuurverschil dat de warmtepomp niet kan overbruggen, overbrug je dan met behulp van opgeslagen warmte.”
Veel nieuwe technieken voor warmteopslag staan nog in de kinderschoenen. Warmteopslag in water kennen we al wat langer, maar dat heeft als nadeel dat water vrij snel warmte verliest. Daarom experimenteren knappe koppen op universiteiten en bij startups met andere materialen en technieken – sommige zelfs met nul energieverlies! We zetten er vijf op een rij.
1. Hitte stapelen – in beton!
Industriebedrijven hebben veel warmte nodig, en vaak hoge temperaturen. Het Noorse EnergyNest ontwikkelde daarom een warmtebatterij die massa’s energie kan opslaan bij zo’n 450 graden Celsius. De innovatieve oplossing is een stapel van betonnen cilinders waar leidingen doorheen lopen. Daarbij geldt: hoe hoger de stapel, hoe groter de opslagcapaciteit. De cilinders zijn gemaakt van Heatcrete, een speciaal betonmengsel dat warmte goed geleidt en vasthoudt. Een vloeistof genaamd HFT (Heat Transfer Fluid) stroomt door de betonnen leidingen en geeft er warmte aan af. Met diezelfde vloeistof kun je de warmte ook weer aan het beton onttrekken. Meerdere bedrijven testen en gebruiken de warmtebatterij al, zoals de Noorse kunstmestproducent Yara International.
2. Warmteopslag onder je voeten
Het Nederlandse Ecovat werkt aan ondergrondse opslagvaten waarin het genoeg thermische energie wil bufferen om complete wijken van warmte te voorzien. Het gebruikt daarvoor weliswaar water, dat normaal gesproken (te) snel afkoelt, maar gebruikt daarvoor een ‘vat-in-vat’ principe: een betonnen buitenvat met daarin een heel goed geïsoleerd binnenvat. Daardoor verliest dit systeem volgens de bedenkers in zes maanden tijd slechts 10 procent van de opgeslagen energie. Als een betonnen thermosfles onder de grond.
Door het ‘vat-in-vat’ principe werkt de opslag als een ondergrondse betonnen thermosfles.
3. Warmte uit de overgang van water naar ijs (en andersom)
Op zoek naar een interessante manier om de kruipruimte van je woning te benutten? SolarFreezer biedt een met water gevulde bufferzak aan, die je in de kruipruimte van je woning kunt plaatsen en die op innovatieve wijze warmte opslaat. Het maakt daarbij slim gebruik van de faseovergang van water naar ijs. De hoeveelheid energie die je met faseovergangen kan opslaan, is namelijk beduidend groter dan bij ‘normale’ opslag in water. Om je een idee te geven: bij de overgang van water met een temperatuur net boven naar ijst net onder het vriespunt komt net zoveel energie vrij als wanneer water afkoelt van 80 naar 0 graden Celsius, stellen de ontwikkelaars van SolarFreezer.
(Lees verder onder het kader.)
Drie soorten warmteopslag
Er zijn grofweg drie categorieën of werkingsprincipes voor de opslag van warmte:
Voelbare warmte: deze vorm van opslag gebruikt materialen die voelbaar warmer worden. Het bekendste en meest gebruikte voorbeeld is water, maar denk ook aan zand en gesteenten zoals basalt en beton.
Faseovergangswarmte: Ook met de overgang van de ene ‘fase’ van een materiaal naar de ander kan je warmte opslaan. Tijdens die zogeheten faseovergang komt namelijk veel energie vrij. Denk bijvoorbeeld aan het stollen van water tot ijs. Of juist het verdampen van water, zodat het verandert in waterdamp.
Thermochemische warmte: dit is een veelbelovende en sterk opkomende vorm van warmteopslag. Thermochemische materialen zoals zouthydraten geven warmte af wanneer ze reageren met water. Door die reactie om te draaien, kun je er juist warmte in opslaan.
De SolarFreezer-bufferzak is onderdeel van een totaalsysteem waarmee woningen compleet van het gas af kunnen, bestaande uit zonnecollectoren, een water-water warmtepomp met boiler (zonder buitenunit) en de bufferzak in de kruipruimte. Het werkt zo: de thermische zonnecollectoren leveren het hele jaar door warmte. De warmtepomp gebruikt die om de woning en tapwater te verwarmen. Produceren de collectoren meer warmte dan er direct nodig is, dan gaat het overschot linea recta de bufferzak in voor latere tijden.
Als de (goed geïsoleerde) bufferzak geen warmte bevat, ligt de temperatuur er net onder het vriespunt en is hij gevuld met schaafijs. Als er (met behulp van een warmtewisselaar) warmte bijkomt, smelt dat ijs. Tijdens dat smeltproces absorbeert het ijs enorm veel warmte, net zolang tot het volledig is gesmolten. Met andere woorden: warmte wordt opgeslagen in het ijs, dat daardoor verandert in water. Door de temperatuur in de bufferzak te verlagen (opnieuw met de warmtewisselaar), bevriest het water weer en komt de opgeslagen warmte vrij, aldus SolarFreezer.
4. Warmte in zout: zónder energieverlies
Stel je voor: je slaat warmte op in een materiaal en kunt dat vervoeren naar een andere plek zonder dat er maar één joule warmte verloren gaat. Dat kan, met thermochemische warmte-opslag in zouthydraten. Dit zijn zoutkristallen die water kunnen opnemen: daarbij neemt hun volume toe en komt warmte vrij: het wordt gloeiend heet! Andersom werkt ook: voeg je warmte toe, dan verdampt dat water uit de hydraten en slinken ze tot hun oorspronkelijke volume. De warmte-energie zit dan in de droge zoutkristallen en zolang er geen water bijkomt, blijft die daar in zitten. Je kunt dat zout vervolgens (zonder verlies) overal naartoe vervoeren waar je de opgeslagen warmte wilt gebruiken. Gewoon weer water toevoegen en de hitte komt vrij.
Het uitsluiten van warmteverlies is slechts één voordeel van de innovatieve warmtebatterij die wetenschappers van TNO en TU Eindhoven (waaronder Olaf Adan) ontwikkelen, en die ze met het bedrijf Cellsius binnenkort op de markt brengen. De eerste praktijkproef staat gepland: in Sittard-Geleen gaat Cellsius met restwarmte van industriepark Chemelot 50 woningen verwarmen.
Water en zouthydraten zijn goedkope ingrediënten, waardoor de opslagmethode betaalbaar zal zijn. De energiedichtheid van de zoutbatterij is daarnaast tien keer zo hoog als die van water en dat betekent veel warmteopslag in een relatief kleine batterij. Adan verwacht dan ook veel van de opslagmethode, met name om de restwarmte in Nederland beter te benutten. “Nederland beschikt over zo’n 150 Petajoule aan lage-temperatuur restwarmte (150 graden Celsius en lager) van datacenters, industrieën en noem maar op. Maar we gebruiken het eigenlijk niet en dat is zonde. Met deze oplossing willen we die warmte beschikbaar maken voor iedereen, door het op te slaan in zout en op andere plekken te gebruiken.”
Op die manier zijn er veel minder nieuwe warmtebronnen nodig en kunnen woningen goedkoper en sneller van het gas af, vervolgt hij: “Om een gemiddelde doorzonwoning van het gas af te halen moet je tienduizenden euro’s investeren. Op onze manier kan dat veel goedkoper. Wij maken gebruik van warmte die er al is en anders verloren zou gaan: restwarmte. Op allerlei plekken slaan we dat op in zout en brengen het naar ‘satellieten’ in de wijk, die elk ongeveer 50 woningen kunnen verwarmen. Geen dure, ingrijpende en tijdrovende leidingen in de grond dus. Ook dat maakt deze oplossing stukken goedkoper.”
5. Zandbatterij bewaart warmte uit duurzame stroom
Nieuw én inmiddels in bedrijf is de zandbatterij van het Finse bedrijf Polar Night Energy. Deze slaat overtollige groene stroom van zon en wind op als warmte in een groot vat vol met schoon zand. In het West-Finse Kankaanpää , een paar uur rijden vanaf Helsinki, is onlangs het eerste exemplaar in gebruik genomen. Een grote, goed geïsoleerde tank van ongeveer 4 meter diameter en 7 meter hoog is daar tot de nok toe gevuld met zand en kan in totaal zo’n 8 megawattuur aan energie opslaan.
Dat werkt als volgt: overtollige stroom uit zon of wind verwarmt via een warmtewisselaar het zand in de tank. Dat kan tot hoge temperatuur: zo’n 500 graden. Het zand kan die warmte vervolgens maandenlang vasthouden met gering verlies. Hoeveel procent verloren gaat, vertelt Polar Night Energy niet, maar volgens de makers gaat het om ‘minimale hoeveelheden’. Een leidingsysteem transporteert de opgeslagen warmte naar gebouwen in de regio, zoals zwembaden en industriële bedrijven, die het gebruiken voor hun bedrijfsprocessen of voor ruimteverwarming.
Heb jij ‘n tip voor deze rubriek? Stuur je suggestie naar demakersvanmorgen@technieknederland.nl!
