Mei 2022
Unieke warmtebatterij op zoutbasis heeft veel potentie
Cellcius - een spin-off van TU/e en TNO - is bezig met de ontwikkeling van een duurzame warmtebatterij. Het bedrijf werkt daarvoor aan een proces van thermochemische warmteopslag met behulp van het zoutkristal kaliumcarbonaat. Met het apparaat en de technologie kan de opgeslagen warmte in zoutkristallen ook weer worden afgeven; op een rendabele manier en vele jaren lang.
Tien jaar werkte Olaf Adan, hoogleraar bij TU/e en principal scientist bij TNO, samen met zijn onderzoeksteam aan de perfectionering van het proces van thermochemische warmteopslag. Nu is het tijd om te starten met pilotprojecten. ‘Opslag van warmte gebeurt nu vooral in water’, vertelt Adan. ‘De hoeveelheid energie die we over lange tijd in water kunnen vasthouden is echter relatief beperkt. De temperatuur loopt snel terug als je de warmte niet op tijd benut. Daarnaast kun je die energie niet verliesvrij transporteren. Het nadeel van warmteopslag in water is dus dat we veel energie verliezen, vandaar dat wij veel potentie zien in warmteopslag via kaliumcarbonaat. Daarmee kunnen we energie verliesvrij opslaan en ook verliesvrij transporteren.’
Als je waterdamp toevoegt aan zoutkristallen worden ze groter en daarbij komt warmte vrij. Om het systeem vervolgens weer op te laden, scheidt je het gebonden water van het zoutkristal, zodat je weer het oorspronkelijke zoutkristal en water overhoudt. Adan en zijn team werkten aan de uitdaging om dat laden en ontladen heel lang te kunnen doen, zonder dat een deeltje uit elkaar valt of gaat samenklonteren met anderen. Dus om een zoutdeeltje te maken dat voldoende lang stabiel blijft. Het team onderzocht welk zout hiervoor het geschiktst was. ‘Daarbij namen we veel factoren in overweging’, zegt Adan. ‘Hoe milieuvriendelijk is het zout, is het een ‘welwillend’ of ‘vervelend’ zout, is het toxisch of corrosief? Uiteindelijk blijkt kaliumcarbonaat zich als basismateriaal voor deze toepassing perfect te gedragen. Ook is dat zout ruim voorhanden en dus zeer geschikt voor de composiet die Cellcius uiteindelijk ontwikkelde.’
De warmtebatterij bestaat uit vier kerncomponenten.
Eenvoudig op te schalen
Het thermochemische principe van Adan’s warmtebatterij is al langer bekend. Bij het laden warmt het zoutkristal op, waardoor het gebonden water loslaat. De energie die gebruikt is om dat te scheiden, is nu opgeslagen in het droge zout. Om die warmte weer vrij te krijgen, voeg je weer waterdamp aan de batterij toe. Maar tot dusver lukte het niemand om dit proces herhaald te gebruiken; een voorwaarde voor een oplaadbare batterij. Naast de ontwikkeling van een stabiel zoutkristal ontwikkelde het team van Adan daarom een apparaat dat de potentie van het materiaal ten volle benut. ‘Dat lukte niet met bestaande reactorconcepten’, vertelt Adan. ‘Dit apparaat werkt volgens het zogeheten, inmiddels gepatenteerde closed-loop principe. Hiermee kan het warmte naar het zoutkristal brengen, maar ook weer terugwinnen om deze warmte te distribueren in een verwarmingssysteem.’
Vier componenten
Het werkingsprincipe van het systeem is niet ingewikkeld, vertelt Adan. ‘Je start met een zoutcomposiet in de juiste vorm en grootte; deze vormt het actieve materiaal. Het systeem maakt gebruik van een gesloten, circulerende luchtstroom onder lage druk en bestaat uit vier onderdelen. Het eerste noodzakelijke onderdeel is een recirculatiesysteem; simpel gezegd een ventilator om lucht te circuleren. De tweede component is de warmtewisselaar die warmte overdraagt of onttrekt aan de rondstromende lucht. Zo kun je er warmte instoppen of uithalen. De energie die je erin stopt kan ook elektriciteit zijn die in warmte wordt omgezet. De derde component is een verdamper/condensor die waterdamp toevoegt of onttrekt aan de lucht. De vierde component is het reactorvat. De plek waar het zout met waterdamp reageert in de juiste geometrie en vorm. Zie dit als een bed van deeltjes waar de lucht doorheen stroomt.’
Hier is te zien hoe het systeem zich gedraagt tijdens het opladen (links) en tijdens het afgeven van warmte (rechts)
Testen van prototypes
Een groot voordeel van de ontwikkelde warmtebatterij is dat deze modulair is opgebouwd, waardoor je hem in kleine en grote installaties kunt inbouwen. Opschaling is daardoor heel makkelijk. Adan: ‘Voor toepassingen in de woning kun je met een beperkt aantal modules uit de voeten. In het groot, bijvoorbeeld voor toepassingen in een appartementencomplex, op wijkniveau of zelfs nog groter, koppelen we gewoon een hele serie modules aan elkaar.’
Momenteel is Adan bezig met de voorbereiding van meerdere pilots. Er worden twee routes bewandeld. Een van die routes is de stand-alone batterij. Een warmtebatterij die men in een huis kan plaatsen, maar ook op wijkniveau of in een appartementencomplex kan inzetten. De tweede route is een pilot waarbij men de batterij gebruikt om warmte van A naar B te transporteren. Hierbij wordt restwarmte op bepaalde plekken ‘geladen’ om deze vanuit de batterij op andere plekken te ‘lossen’.
‘We zijn nu pilots aan het voorbereiden waarbij we de eerste prototypes van de apparaten daadwerkelijk kunnen testen. De pilots van de stand-alone applicaties vinden plaats in Eindhoven, Polen en Zuid-Frankrijk. Het transporteren van warmte, waarbij we dit combineren met een wijkbatterij, doen we in een pilot in Sittard-Geleen. Beide pilots gaan in de loop van dit jaar van start en wij verwachten dat we vanaf medio 2024 kunnen nadenken over uitrol van producten die we op de markt kunnen zetten. Daarvoor zoeken we samenwerking met meerdere marktpartijen die de verschillende onderdelen voor de systemen kunnen produceren, toeleveren en/of assembleren.’
Tekst: Marco Pijper
Foto: TNO