December 2020
Thermochemie als basis voor verliesvrije warmtebatterij
In een samenwerking tussen de tu Eindhoven en tno wordt op dit moment de laatste hand gelegd aan een warmtebatterij. Deze batterij maakt gebruik van thermochemisch materiaal – in dit geval waterdamp en een zouthydraat – om warmte afkomstig van duurzame bronnen op een goedkope én verliesvrije manier op te slaan. Deze warmte is vervolgens weer te gebruiken voor zowel de verwarming van gebouwen als de productie van warm tapwater. Met deze vorm van verliesvrije warmteopslag zijn tot zeer lange periodes te overbruggen waarin minder energie uit duurzame bronnen beschikbaar is.
In het kader van de energietransitie en het streven naar een klimaatneutraal Nederland in 2050, zijn de afgelopen jaren bijzonder veel initiatieven genomen en ontwikkelingen gedaan om binnen het domein ‘energie’ de uitstoot van CO2 zover mogelijk te reduceren. Dit streven naar een ‘koolstofloos’ tijdperk leidt al snel naar de productie van elektrische energie uit de inmiddels bekende duurzame bronnen, zoals wind en zon, maar ook uit minder bekende bronnen waarin de chemische sector een belangrijke rol speelt. Vooral bij het gebruik van zon en wind voor de productie van elektrische energie lopen we steeds meer tegen het probleem aan dat in perioden van veel wind en zon een overschot aan elektrische energie wordt geproduceerd. Dit probleem wordt deels opgelost door de elektrische energie aan het net te leveren, maar ook dat loopt inmiddels tegen zijn grenzen aan. Overigens niet alleen door de toevoer van te grote hoeveelheden elektrische energie tegelijkertijd, maar ook omdat door de elektrificatie op sommige momenten juist veel energie wordt gevraagd. Bijvoorbeeld wanneer mensen ’s avonds ongeveer tegelijk hun warmtepomp inschakelen of hun auto opladen. Het net verzwaren om deze pieken op te vangen, kost echter veel tijd en geld. Prof.dr. Olaf C.G. Adan, wetenschappelijk hoofdonderzoeker bij tno en hoogleraar bij de tu/e (Technische Natuurkunde) en gespecialiseerd in onder meer thermochemie: ‘Een betere en flexibeler oplossing is het om de overschotten tijdelijk en plaatselijk op te slaan in welke vorm dan ook. Hiermee worden pieken voorkomen en ontstaan er mogelijkheden om op tijdstippen dat de vraag hoog is of de productie van duurzame energie laag, voldoende reserves beschikbaar te hebben. Als logisch gevolg zijn er in de afgelopen jaren dan ook veel manieren bedacht om deze opslag te realiseren met wisselend succes. In veel gevallen is het praktisch toepassen van een theoretisch prima idee, lastig omdat de oplossingen gepaard gaan met bijvoorbeeld hoge kosten, grote afmetingen en een laag rendement of omdat ze onderhoudsgevoelig en gebruikersonvriendelijk zijn. Het is maar een greep uit de uitdagingen waarvoor wetenschappers de afgelopen jaren hebben gestaan.’
Thuisaccu’s blijven vooralsnog dure componenten met en bedenkelijk rendement
Opslag van warmte
Elektriciteit direct opslaan in een elektrochemische ‘thuisaccu’ is een van de meest voor de hand liggende oplossingen. Door het vele onderzoek dat hiernaar wordt gedaan binnen de automotive-industrie en in het kader van mobiele apparaten, zoals laptops, smartphones en tablets, zijn deze accu’s dan ook in verschillende soorten en maten voorhanden. Het blijven echter dure componenten met een bedenkelijk rendement. De wetenschap en industrie zijn daarom parallel daaraan steeds creatiever geworden in de opslag van elektrische energie of warmte. Tijdens het zoeken naar de ultieme oplossing wordt gekeken naar processen die optimaal omkeerbaar zijn; zodanig dat de elektriciteit of warmte die wordt toegevoerd om de omzetting te realiseren, eenvoudig weer kan worden teruggewonnen. De splitsing van water in waterstof en zuurstof is hiervan en bekend voorbeeld: de reactie van waterstof met zuurstof (verbranding) leidt tot de productie van een grote hoeveelheid warmte. Maar omkeerbaarheid is niet het enige aandachtspunt. Adan: ‘Om een toepassing ook praktisch mogelijk te maken, is het de kunst een reactie te vinden die plaatsvindt tussen materialen of stoffen die in grote hoeveelheden beschikbaar zijn, goedkoop en niet giftig of gevaarlijk. De reactie zelf moet kunnen verlopen in een compact systeem met een lange levensduur, geen ongewenste bijproducten leveren en een hoge efficiëntie hebben; weinig tot geen verliezen tijdens transport en zeker niet tijdens de opslag. De omzetting water in waterstof en zuurstof voldoet aan vele eisen, maar heeft uiteindelijk toch als nadeel dat waterstof een explosief gas is en hoge eisen stelt aan de infrastructuur. Bovendien is de vraag of er voldoende groene energie voorhanden zal zijn voor de splitsing.’
1. Omdat hierbij de warmte wordt opgeslagen met een omkeerbare chemische reactie, zal de warmte niet vrijkomen zolang deze reactie wordt uitgesteld.
Thermochemie
Anders is dit bij ‘thermochemie’. De werking van deze technologie berust op het feit dat zouthydraten vocht bevatten. Door warmte – afkomstig van bijvoorbeeld zonnecollectoren, geothermische bronnen, hoge temperatuur warmtenetten of overschotten elektrische energie – toe te voegen aan het zouthydraat, verdampt het vocht. Hierbij wordt de warmte opgeslagen in het zouthydraat. Om de warmte weer vrij te krijgen, wordt water(damp) in contact gebracht met dit gedroogde zout. Dit water bindt zich aan het zout dat vervolgens via een exotherme reactie overgaat in een nieuwe kristalvorm: de warmte komt weer vrij. Omdat hierbij de warmte wordt opgeslagen met een omkeerbare chemische reactie, zal de warmte niet vrijkomen zolang deze reactie wordt uitgesteld (figuur 1). Dit is eenvoudig te realiseren door water en zout gescheiden van elkaar op te slaan. Precies deze technologie staat aan de basis van de zogeheten warmtebatterij die is ontwikkeld in een samenwerking tussen tno en de tu Eindhoven. Adan ‘In feite voldoet energieopslag op basis van thermochemie aan alle eerder gestelde eisen. Het loonde dan ook alle moeite om de theorie te vertalen naar een praktische oplossing. Door twee belangrijke doorbraken zijn we hierin geslaagd. De eerste is het feit dat het lukte om een zoutcomposiet te maken dat herhaald is op te laden en te ontladen zonder afbreuk te doen aan de prestaties. De belangrijkste voorwaarde voor een batterij, die we cyclische stabiliteit noemen. Deze stabiliteit bereiken was een enorme opgave omdat in de eerste onderzoeken zoutdeeltjes vaak al na enkele cycli uit elkaar dreigden te vallen, te desintegreren of samen te klonteren. Je kunt het vergelijken met slijtage waardoor de capaciteit van de warmtebatterij té snel terugliep. Inmiddels is het gelukt om stabiele zoutdeeltjes te bouwen die niet slijten en we een beoogde levensduur van de warmtebatterij hebben berekend die uitkomt op 20 jaar. De opslagcapaciteit van het materiaal bedraagt op dit moment 0,8 GJ/m3.’ De tweede ontwikkeling is een ‘closed loop’-reactor die in staat is de potentie van het materiaalcomposiet ten volle te benutten. Deze reactor is daarbij in staat warmte naar het thermochemische materiaal te brengen en deze ook weer terug te winnen om het vervolgens te distribueren in een verwarmingssysteem. Het eerste prototype bestaat uit vier eenvoudige kerncomponenten: een condensor, een tcm-module, een warmtewisselaar en een ventilator.
Door het systeem -modulair op te bouwen is het ook mogelijk om op locatie op te schalen zonder het oude te systeem te hoeven verwijderen
Eigenschappen en voordelen
Een belangrijke eigenschap van de warmtebatterij is het feit dat de opslag van warmte verliesvrij is. Dit komt omdat de warmte uitsluitend kan vrijkomen wanneer het gedroogde zout in aanraking komt met water. Zolang de twee componenten gescheiden blijven, zal er op geen enkele manier warmte kunnen weglekken. Dit in tegenstelling tot de opslag van warmte in water, waar de warmte wel weglekt. Dit maakt die methode ongeschikt voor het opslaan van warmte gedurende langere perioden. Hetzelfde geldt voor het gebruik van faseovergangsmaterialen waar altijd sprake is van afkoeling. Adan: ‘De enige verliezen die de batterij heeft zijn de verliezen tijdens het opladen en het ontladen: de conversie- of omzettingsverliezen, maar deze zijn zeer klein.’
Daarnaast voldoet de oplossing aan de eis dat gebruik wordt gemaakt van materialen die in grote hoeveelheden voorkomen en niet gevaarlijk, giftig of anderszins negatief zijn te beoordelen. De oplossing die gebruikmaakt van water en een zouthydraat is dan ook prima geschikt voor veilige toepassing in woningen. Adan: ‘Berekeningen tonen aan dat een gemiddeld huishouden van vier personen in een normaal geïsoleerde woningen ongeveer uitkomt met een apparaat ter grootte van een wasmachine waarin ruimte is voor een paar honderd kg zout. Het is daarbij niet de bedoeling dat de batterij in de zomer eenmalig laadt en in de winter ontlaadt, maar dat hij multicyclisch werkt. Dit betekent dat het laad- en ontlaadproces zich voortdurend herhaalt. We verwachten dat eventueel in strenge winters periodes bestaan waarin onvoldoende zon of wind beschikbaar is om voldoende warmte te leveren. In Nederland gaat het dan gemiddeld om een periode van twee weken, en dat is ook ongeveer de tijdspanne die de batterij zeker kan overbruggen.’
2. Het eerste prototype bestaat uit vier eenvoudige kerncomponenten: een condensor, een tcm-module, een warmtewisselaar en een ventilator.
Praktisch
Een ander belangrijk voordeel is de schaalbaarheid van het systeem. Afhankelijk van de warmtevraag – die vaak samenhangt met de grootte van een ruimte – zijn de systemen kleiner of groter uit te voeren. Dit betekent dat in een kleine woning maar een relatief kleine unit nodig is terwijl het systeem tevens zover is op te schalen dat hiermee ook complete groepen woningen, zoals appartementencomplexen, zijn te voorzien van voldoende warmte. Door het systeem modulair op te bouwen is het ook mogelijk op een specifieke locatie op te schalen zonder de noodzaak het oude systeem te verwijderen en een nieuw systeem te plaatsen. Verder is de warmtebatterij in staat de prestaties van de warmtepomp sterk te verbeteren. Hoe groter immers het temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overbruggen, hoe slechter het rendement. Dit is vooral in de winter een probleem wanneer koude buitenlucht met temperaturen rond het vriespunt moet worden verwarmd tot de gebruikelijke 65 °C. In combinatie met een warmtebatterij is een situatie denkbaar waarbij de warmtepomp het water efficiënt opwarmt tot 20 °C en de warmtebatterij de stap zet van 20 naar 65 °C. Warmtepompen kunnen zo mogelijk kleiner worden uitgevoerd en gebruiken minder energie waarmee een eventuele uitbreiding van het elektriciteitsnet niet nodig is. Adan: ‘Last but not least: hoewel het lastig is om hele concrete uitspraken te doen over ‘wat kost een warmtebatterij’, is het zeker dat de kosten zeker tien keer lager liggen dan de kosten van de huidige generatie thuisbatterijen.’
En nu?
Op dit moment werken het Nederlands bedrijf Caldic – onder andere producent en leverancier van chemicaliën – en het Duitse chemieconcern Evonik samen met tno en de TU/e aan de productie van de beoogde zoutcomposieten voor de warmtebatterij. K2CO3 (kaliumcarbonaat) is in eerder onderzoek als meest geschikte thermochemisch materiaal uit de bus gekomen. De waardering ‘meest geschikt’ heeft daarbij niet alleen betrekking op de chemische substantie zelf, maar ook op de vorm (granulaat) en de productiemethode waarmee het zouthydraat wordt gemaakt. Caldic heeft de productie van het kaliumcarbonaat in de vorm van granulaat op zich genomen. Verder is de planning om het systeem binnen 3 jaar op de markt te brengen. In dit tijdsbestek ligt de focus op het minimaliseren van de afmetingen en de koppeling aan warmtebronnen, zoals zonnecollectoren. Uiteraard neemt het consortium ook stappen richting industrialisatie door het zoeken naar investeerders waarmee een demofabriek is op te zetten voor de productie van het zoutcomposiet. Adan: ‘Parallel hieraan zijn we ook bezig met te kijken naar toekomstige verbeteringen en uitbreidingen van het systeem. Bijvoorbeeld door oplossingen toe te passen waarmee data uit het systeem is te verzamelen en deze te ontsluiten via een geschikt platform. Dit in het kader van energiemetingen, maar tevens om de werking van de batterij te monitoren wat waarde heeft om de batterij te optimaliseren of onderhoud te plegen. Ook zal onderzoek naar het verhogen van de opslagcapaciteit onverminderd doorgaan.’
Onderzoeksprogramma’s van EIRES
In het kader van de energietransitie is op 31 augustus door Stientje van Veldhoven, staatssecretaris van Infrastructuur en Waterstaat, in Eindhoven het energie-instituut eires geopend. Een bijzondere, virtuele opening van het nieuwe academische jaar. De afkorting eires staat voor Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems. Een instituut waarbinnen nieuwe oplossingen worden ontwikkeld voor de conversie en opslag van energie. Daarbij ligt een focus op decentraal en slim en wordt nauw samengewerkt met de maakindustrie die onder meer actief is in de Brainport Regio Eindhoven. In totaal heeft de universiteit de komende 5 jaar 10 miljoen euro vrijgemaakt voor eires waarin op dit moment plaats is voor vier onderzoeksprogramma’s. Elk programma bundelt de kennis en expertise van twee of meer van de zes deelnemende faculteiten (Applied Physics, Built Environment, Chemical Engineering & Chemistry, Electrical Engineering, Mechanical Engineering, en Industrial Engineering & Innovation Sciences) en wordt aangevoerd door twee hoofdonderzoekers.
Onderzoeksprogramma’s
Chemistry for sustainable energy systems. In dit onderzoek wordt door het consortium Dutch Electrolyzer gewerkt aan het opzetten van een eerste productielijn voor elektrolyzers in Nederland. Met het combineren van de beste aspecten van de huidige alkalische en pem-technologie, wil het consortium kleinschalige, modulaire apparaten bouwen waarvan de productie eenvoudig is op te schalen. Het streven is om dergelijke apparaten op bijvoorbeeld wijkniveau of zelfs in een windturbine te bouwen. Onlangs is in het kader van dit onderzoek een intentieverklaring getekend tussen de tu/e en vdl. Engineering for sustainable energy systems. Dit onderzoek betreft de besproken thermochemische warmteopslag. Systems for sustainable heat. Het ‘metaalbrandstofsysteem’ is ontwikkeld door de tu/e, studententeam Team Solid en een consortium van industriële partners. In dit systeem wordt energie opgeslagen in ijzerpoeder. Wanneer metaalpoeder verbrandt, ontstaat namelijk uitsluitend warmte en roest en geen CO2. Deze warmte is te gebruiken om stroom op te wekken terwijl de roest is op te vangen en eventueel is om te zetten in ijzerpoeder met behulp van duurzaam opgewekte stroom. System integration. In het vierde onderzoeksprogramma wordt een ‘digital toolbox’ ontwikkeld in samenwerking met consortia bestaande uit lokale overheden, netbeheerders, stadsverwarmingsbedrijven, industriële partners en andere belanghebbenden. In deze toolbox zijn instrumenten opgenomen voor modellering en simulatie die beleidsmakers en de industrie helpen bij het nemen van beslissingen over ons toekomstige energiesysteem.
Tekst: ing. M. de Wit-Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie