Als een modern woonhuis zijn benodigde warmte voor de wintermaanden moet opslaan in een geïsoleerd vat water, zou het daarvoor ongeveer 70 m3 water nodig hebben. Nee, als opslagmedium scoort warm water niet bepaald hoog als het gaat om de hoeveelheid warmte per kubieke meter. “Maar water scoort wel hoog als het gaat om beschikbare hoeveelheid en veiligheid in gebruik, stelt Herbert Zondag van ECN Efficiency & Infrastructuur. “Wij zoeken naar materialen die ook goedkoop en veilig in gebruik zijn, maar die per volume-eenheid meer warmte kunnen bevatten en geen isolatie nodig hebben. Die materialen slaan de warmte niet op in voelbare vorm (temperatuurverhoging) maar als chemische energie.”
Gelukkig zijn die er: zouthydraten. Dat zijn zouten die water opnemen in hun kristalrooster. Als je zulke zouten in contact brengt met waterdamp hecht een aantal watermoleculen aan zo’n zoutmolecuul. De reactie gaat gepaard met veel vrijkomende warmte per mol en is geheel omkeerbaar. In de zomer benut je de warmte van een zonneboiler om de watermoleculen van het zout te scheiden, waarna water en zout gescheiden worden opgeslagen. In de winter draai je het proces om en zorgt de koppeling van water aan het zout voor warmte.
Compacte warmteopslag
Al in 2004 rapporteerde ECN dat zouthydraten heel geschikt zijn voor thermochemische opslag van (zonne)warmte. Het bijzondere is dat niet de warmte wordt opgeslagen, maar het gedehydrateerde zout. Daarvoor is geen isolatie nodig en je hebt er tien keer minder van nodig dan water. Dat maakt deze ThermoChemische Materialen (TCM) zo geschikt voor de seizoensopslag van warmte.
Per 1 januari 2009 is een internationale groep onderzoekers onder leiding van ECN gestart met gezamenlijk onderzoek aan compacte warmteopslag, waaronder TCM. Daarnaast werkt een groep binnen ECN verder aan de ontwikkeling van een prototype. “We hopen aan het eind van dit jaar een werkend schaalmodel van de reactor te presenteren,” meldt Herbert Zondag voorzichtig. Het onderzoek naar TCM staat letterlijk in de kinderschoenen, wereldwijd. De materialen hebben veelbelovende warmte-eigenschappen, maar ook een paar heel lastige kenmerken. En Zondag weet dat die niet een-twee-drie zijn opgelost.
De geleiding van warmte door zouthydraten is een mooi voorbeeld van waar de ECN-ers mee te kampen hebben. Zondag: “Vloeibare zouthydraten presteren op dat gebied beter dan vaste zouthydraten. Maar die vloeibare zijn heel corrosief en gevaarlijk. Die wil je niet in huis hebben. Wij maken het onszelf moeilijk door te willen werken met een stof die goedkoop en onder alle omstandigheden ongevaarlijk is. Dan is de spoeling dun, maar deze randvoorwaarden zijn nu eenmaal essentieel bij gebruik in de gebouwde omgeving.” ECN kiest daarom voor poedervormige zouten, zoals calciumchloride (een zout dat ook wel wordt gebruikt als strooizout). Door de lage piekvermogens laten de ECN-onderzoekers zich niet uit het veld slaan. Zondag: “Dan plaatsen we een kleine waterboiler die langzaam door de TCM wordt verwarmd. Tijdens het douchen geeft de boiler vlot zijn warmte af aan het douchewater. En na het douchen zorgt opname van waterdamp door het zout weer voor een nieuwe langzame opwarming van de boiler.”
In dit stadium zijn de onderzoekers vooral bezig met het onderzoeken van het gedrag van het materiaal onder de omstandigheden waaronder je het wilt gebruiken. “Denk daarbij aan de snelheid waarmee de reactie plaatsvindt, de temperatuur die je kunt halen of de mate waarin het poeder samenklit in het vat als gevolg van zijn eigen gewicht. Door alle belangrijke parameters in kaart te brengen, kunnen we in het vervolg sneller beoordelen of een materiaal geschikt is.”
Geïntegreerde of afzonderlijke reactor
Bij thermochemische opslag zijn er twee soorten systemen mogelijk; een systeem waarbij de reactie zich in het opslagvat afspeelt, of een systeem waarbij de reactie plaatsvindt in een aparte reactor. Het eerste systeem is eenvoudiger van opzet, maar het tweede werkt sneller en efficiënter. Zondag: “Beide opties worden onderzocht. Hier bij ECN doen we als enige ter wereld onderzoek naar een aparte poederreactor voor thermochemische warmteopslag.”
Onlangs verscheen een rapport over een onderzoek naar concepten van reactors voor TCM. ECN experimenteerde met een poederreactor, TNO met een reactor voor een suspensie van kleine poederdeeltjes in een inerte vloeistof. Hier lag de nadruk vooral op de eigenschappen van de reactor: hoe kan ik zo efficiënt mogelijk de meeste waterdamp toevoeren en warmte onttrekken aan de chemische reactie. Daarbij bleek – zoals verwacht – dat poeder minder goed warmte geleidt. Bij suspensies bleek dat het damptransport problematischer is en dat problemen kunnen ontstaan door het uitzakken van de suspensie. Beide opties worden op dit moment verder onderzocht binnen het samenwerkingsverband Building Future van TNO en ECN.
