September 2023
Zonnestraling uit onzichtbaar spectrum omzetten in warmte
Met de ontwikkeling van een coating die ook energie haalt uit het voor ons onzichtbare deel van het zonlicht, kunnen huizen en gebouwen duurzaam worden verwarmd. Door de coating aan te brengen op een gevelpaneel, is de geabsorbeerde warmte via een buisjessysteem met vloeistof door te geven aan een warmtepomp. Vervolgens is deze warmte te gebruiken voor ruimteverwarming en warm tapwater. Na een succesvolle test en pilot wil Calosol, een joint-venture tussen Emergo en TNO, het product nog dit jaar op de markt brengen.
Het aantal oplossingen en producten om energie zo duurzaam en hernieuwbaar mogelijk op te wekken, groeit nog steeds. Nederland heeft wat dat betreft een hoge ambitie in het kader van de klimaatdoelstellingen en zoekt voortdurend naar alternatieven voor gas-gebaseerde verwarming en naar andere, duurzame en CO2-vrije oplossingen.
Onder andere TNO doet onderzoek naar het genereren van duurzame energie en de opslag ervan. Zo is er de afgelopen jaren gewerkt aan een speciale coating die in staat is warmte afkomstig van zonlicht te absorberen. Een bijzondere eigenschap, omdat coatings in eerste instantie zijn ontwikkeld met het oog op het reflecteren van warmte om zo opwarming van gebouwen tegen te gaan en hiermee de koelvraag te beperken.
Andersom
De aanleiding voor de ontwikkeling van deze coating was een bezoek dat dr.ir. Bart Erich, senior scientist bij TNO en onderzoeker en docent bij de TU/e, enkele jaren geleden bracht aan een bouwbeurs. Op die beurs maakte Erich kennis met een innovatieve verf van AkzoNobel. Het innovatieve aspect was dat deze verf ook in de donkere uitvoering in staat was om zonlicht te reflecteren. Een bijzondere eigenschap aangezien een standaard donkere verf juist zonlicht absorbeert. Erich: ‘Het kwam mij voor als een ideale verf voor toepassing in warme landen waar de koelvraag hoger is dan de warmtevraag en je juist baat hebt bij het reflecteren van zoveel mogelijk warmte.’
‘Als je verder denkt over de mogelijkheden voor een land als Nederland, waar juist veel energie wordt gebruikt voor verwarmingsdoeleinden, dan kom je al snel uit op de vraagstelling of er ook een coating is te ontwikkelen met precies de tegenovergestelde eigenschappen. Een coating dus die – ook bij lichtere en heldere kleuren – juist veel warmte absorbeert in plaats van reflecteert, om deze vervolgens te gebruiken voor verwarming en de productie van warm tapwater. Hiervoor wordt de geabsorbeerde warmte via een buizensysteem met vloeistof doorgegeven aan een warmtepomp’.
‘Een coating die – ook bij lichtere en heldere kleuren – juist veel warmte absorbeert in plaats van reflecteert’
Bijna infrarood straling
Erich vervolgt: ‘Dit klinkt eenvoudig, maar dat is het dus niet. Kijk je naar een standaardgevel of -coating, dan zal deze het grootste deel van het zonlicht weerkaatsen. Een deel van het weerkaatste licht is een direct gevolg van de kleur van de gevel. Zo weerkaatst een rode coating het rode deel van het lichtspectrum, een groene coating het groene deel enzovoorts. Een witte muur reflecteert bijna alles terwijl een zwarte muur het grootste deel van het zichtbare licht absorbeert. De laatste zou wat dat betreft het meest interessant zijn, maar in het kader van esthetische eigenschappen van een gebouw niet altijd gewenst. Wie wil er naast zwarte pv-panelen ook nog een compleet zwarte gevel?’
‘De kleur is echter niet de belangrijkste factor wanneer het gaat om reflectie van delen van het zichtbare licht en hiermee lagere absorberende eigenschappen. Het grootste verlies zit in de weerkaatsing van het onzichtbaar deel van het zonnespectrum. En dan gaat het vooral om de ‘nabij infrarood’ straling (NIR) die zo’n 50 procent van de totale zonne-energie bevat, maar praktisch volledig wordt weerkaatst. Om een coating te ontwikkelen die in staat is zoveel mogelijk warmte te absorberen, moesten we dus op zoek naar een coating die ook gevoelig is voor opname van deze NIR.’
De allereerste testlocatie van het Calosol-gevelsysteem bij het Solar Energy Application Centre van TNO.
Ontwikkeling en werking
De mogelijkheid om dit idee verder uit te werken, kreeg Erich met het Envision project van de EU dat van 2017 - 2022 liep en werd gecoördineerd door TNO (zie kader). TNO ging aan de slag met de ontwikkeling van een warmteabsorberende coating in samenwerking met AkzoNobel. En omdat er een duidelijke focus lag op gevels, is tevens het bedrijf Emergo – specialist in prefab bouwcomponenten – in het project betrokken.
De grootste uitdaging was om ervoor te zorgen dat de coating de NIR-straling zou absorberen. Uiteindelijk is dit gelukt door speciale pigmenten aan kleuren toe te voegen die inderdaad deze eigenschap hebben, maar verder geen invloed hebben op de reflectie van het zichtbare deel van het licht. Met andere woorden: een rood paneel blijft rood, maar ondertussen wordt het onzichtbare deel van het zonlichtspectrum grotendeels geabsorbeerd alsof het een zwart oppervlak betreft.
Ir. Hendrik-Jan Weggeman, algemeen directeur van Emergo Business Partners: ‘De focus op kleuren is bij de ontwikkeling van een gevelsysteem oprecht belangrijk. Zoals eerder opgemerkt zitten architecten, maar ook ‘de markt’, niet altijd te wachten op een volledig zwarte gevel en is het dus belangrijk een oplossing te ontwikkelen die te integreren is naar de esthetische wensen van de verschillende partijen.’
Het vinden van geschikte pigmenten voor donkere kleuren was relatief eenvoudig, maar voor lichtere kleuren bleek dit lastiger. AkzoNobel heeft daarom een complete screening gemaakt met als eindresultaat een coating die in staat is om in een witte variant rond de 35 procent van de zonnestraling te absorberen. Ten opzichte van de gangbare 2 procent voor conventionele witte coatings betekent dit een aanzienlijke rendementsverbetering.
Erich: ‘Met de coating zoals we deze nu in handen hebben, kunnen we gevelpanelen creëren die in een zuidgevel op jaarbasis ongeveer 3 GJ aan warmte per m2 kunnen oogsten. Deze maximale opbrengst geldt voor een zwart paneel en zuidoriëntatie; rode panelen leveren een rendementsverlies op van ongeveer 15 procent. Dit is een relatief klein verschil, terwijl gekleurde panelen alsnog véél meer energie absorberen dan mogelijk is met een zwart zonnepaneel.’
Praktijk
Na vele proeven op laboratoriumschaal werd de beslissing genomen de coating serieus door te ontwikkelen tot een marktrijp product. Emergo en TNO vormden hiertoe een joint-venture waar Erich als CTO verantwoordelijk is voor de technische doorontwikkeling van het product dat de naam Calosol kreeg.
Een eerste trial werd uitgevoerd door een gymzaal in Almere te voorzien van fraaie in verschillende tinten groengekleurde panelen. Ten opzichte van standaard gymzalen waarin een combinatie van een warmtepomp en pv-panelen is toegepast, bleken de panelen met Calosol-coating een jaarlijkse energiebesparing van 30 procent op te leveren. Een serieuze besparing en hiermee een prima uitgangspunt om verder praktijkonderzoek te doen.
Weggeman: ‘Met deze trial werd aangetoond dat het absorberen van het NIR-licht in de praktijk het beoogde rendement oplevert en dat het bovendien mogelijk is die warmte efficiënt in te zetten voor gebouw- en tapwaterverwarming. Esthetisch en duurzaam is een gouden combinatie.’
De eerste praktijkproeven bij woningen zijn uitgevoerd in een project in Eindhoven.
Woningbouw
De potentie van het gevelsysteem gaat echter verder dan afzonderlijke sportgebouwen. Grotere stappen zijn te maken in de woningbouw waar zo’n 60 procent van de gebruikte energie opgaat aan verwarming. Erich: ‘Wanneer je met zonne-energie een groot deel van de warmtevraag kunt dekken – of zelfs helemaal – dan levert dit een mooie businesscase op, zeker bij renovaties. Uiteindelijk zullen in de komende jaren renovaties op brede schaal nodig zijn om de meer dan 80 procent van de woningen in de EU die vóór 1990 zijn gebouwd én slecht geïsoleerd, te upgraden. Daarvoor zijn verschillende mogelijkheden. Je kunt kiezen voor een warmtepomp die draait op lucht of een bodemlus, maar ook voor een kleurig gevelsysteem. Alles om de ongeveer 1,5 miljoen woningen voor 2030 van energielabel E, F of G af te halen.’
De eerste praktijkproeven bij woningen zijn uitgevoerd in een project in Eindhoven. Hierin onderging een aantal jaren ’60-woningen een uitgebreide renovatie waarbij onder meer is geïsoleerd, energiebesparende installatietechniek is aangebracht (waaronder pv-panelen en een warmtepomp) én het Calosol-gevelsysteem. Weggeman: ‘Het project in Eindhoven was voor ons een echte reality-check omdat je hier te maken hebt met bestaande woningbouw waarin bovendien mensen wonen. Het dwong ons wat dat betreft ook om na te denken over de praktische toepasbaarheid. Hoe kun je een dergelijk gevelsysteem toepassen met zo min mogelijk overlast voor de bewoners?’
Tuinhuisje
Voor één woning in Eindhoven was geen bouwvergunning aangevraagd en kon de gevel niet worden aangepast. ‘We hebben van de nood een deugd gemaakt. Als oplossing werd besloten om voor die woning een soort tuinhuisje te ontwikkelen met op het schuine dak zonnepanelen en op de verticale vlakken gevelelementen. Het huisje zelf is als berging te gebruiken en heet daarom toepasselijk warmtewin-berging. Naast warmtewinning biedt hij ook plaats aan de warmtepomp en de rest van de technische installatie. Door het prefab karakter zijn warmtewin-bergingen heel snel, met minimale impact voor woning én bewoners te plaatsen. Dit is een unieke energie-renovatieoplossing’, vertelt Weggeman.
‘De gevelpanelen kunnen in een zuidgevel op jaarbasis ongeveer 3 GJ aan warmte per m2 oogsten’
Resultaat
Zowel de gevelelementen op de woningen als de speciale warmtewin-berging presteerden boven verwachting. De woningen in Eindhoven (van woningcorporatie Sint Trudo) die tijdens het onderzoeksproject werden verduurzaamd, ontvingen na afloop zelfs het begeerde energielabel A++++. Erich: ‘En dat terwijl per woning maar 15 m2 aan gevelcollectoren is toegepast, verdeeld over de voor- en achtergevel. Een mooie uitkomst die bovendien onze berekeningen ondersteunt dat een gemiddelde nieuwbouwwoning ongeveer 14 GJ aan warmte nodig heeft en hiermee met 10 tot 20 m2 gevelpanelen zou uitkomen.’
Niet onbelangrijk is dat deze woningen nog niet eens maximaal waren geïsoleerd. Dit betekent dat de gevelpanelen wellicht een dermate grote bijdrage kunnen leveren aan het dekken van de warmtevraag, dat complexe isolatiewerkzaamheden kunnen worden beperkt of mogelijk achterwege kunnen blijven.
Toekomst
Met deze succesvolle praktijkvoorbeelden staat de wereld open voor de joint venture om het gevelconcept daadwerkelijk op de markt te zeten. Hiervoor worden op dit moment gesprekken gevoerd met vooral woningbouwcorporaties die allemaal bezig zijn met het verduurzamen van hun woningvoorraad en geïnteresseerd zijn in een gestandaardiseerde totaalaanpak.
Enrich: ‘Bovendien zijn we uiteraard ook bezig met het maximaliseren van de mogelijkheden. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het delen van warmte met een aantal woningen of misschien zelfs een hele straat. Een concept dat de oplossing nog aantrekkelijker maakt voor woningcorporaties. Dit jaar zien we vooral als een opstartjaar waarin het systeem bij meerdere bouwprojecten wordt geïntroduceerd.’
Weggeman vult aan: ‘Onze ambitie is om over vijf jaar jaarlijks honderden woningen en tientallen grotere panden van het systeem te voorzien en zo een bijdrage te leveren aan een duurzame samenleving.’
Envision project
Het Envision project is een grootschalig project dat zich tot en met 2022 richtte op het ontwikkelen van oplossingen die het volledige oppervlak van gebouwen gebruiken voor het winnen van zonne-energie en -warmte. Geen onlogische focus. Er staat namelijk 60 miljard m2 aan onbenutte geveloppervlakken in de Europese Unie. Een even grote hoeveelheid dakoppervlak is beschikbaar, waar het opwekken van zonne-energie verder is uit te breiden.
Uiteindelijk focuste het Envision-project zich dan ook een compleet renovatieconcept waarbij innovatieve oplossingen voor het winnen van warmte en elektriciteit uit zonnestraling zijn ontwikkeld. Ontwikkeling vond in vier fases plaats:
• de ontwikkeling van esthetische gevelelementen die zonnewarmte absorberen en pv-oplossingen voor plaatsing in glas,
• de ontwikkeling van een flexibel, modulair gevelconcept met een ‘click-on’ montagesysteem,
• de integratie en interactie tussen de warmtewin- en energiewinsystemen met bestaande netwerken en warmtesystemen op zowel gebouw- als netwerkniveau,
• een demonstratie van Envision-technieken op ware grootte in huizen in Helmond en Eindhoven, kantoorgebouwen in Enschede en Bischofshofen (Oostenrijk), gekoppeld aan een warmtenetwerk in Genova (Italië).
De praktijkdemonstraties laten zien hoe breed toepasbaar de ontwikkelde technieken zijn. Van huizen en flats tot kantoorpanden en in verschillende klimaatscenario’s. Daarbij is tevens gelet op de kosten, het installatiegemak, de onderhoudsbehoefte en de impact op de bewoners.
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Calosol
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.