De Warmte-batterij

Prof. Dr. Ir. Olaf Adan

De Warmtebatterij: lokale & verliesvrije opslag

Energie opslaan in huis. In een apparaat dat betaalbaar is, niet te groot en efficiënt. Die wens was al langer het onderwerp van menig onderzoek. Het bleef lange tijd toekomstmuziek. Maar professor Olaf Adan en zijn TNO - TU/e team zijn erin geslaagd. We spraken hem over het resultaat: de warmtebatterij; een compact apparaat op basis van thermochemie dat energie verliesvrij opslaat.

Water en zout als basis

De basis voor de warmtebatterij is een zoutcomposiet op basis van K2CO3 (kaliumcarbonaat) dat speciaal voor dit project is gemaakt. “Met een beetje geluk kwamen we hierop uit”, aldus Olaf zelf, “Maar vooral door lang en gericht ontwikkelen.” De composiet is geschikt is voor meervoudig cyclisch gebruik, oftewel: laden en ontladen. Het team screende alle mogelijke zouten om geschikte kandidaten te vinden. Daarna volgde veel onderzoek om tot deze versie te komen.

De batterij is een combinatie van de composiet en een reactortechnologie. Ook het ontwikkelen van een geschikte reactor bleek een uitdaging. Olaf: “Reactortechnologie is een zeer volwassen domein, met veel applicaties. Maar geen enkele variant was geschikt om de composiet optimaal te benutten.”  Olaf vertelt hoe ze toevallig de oplossing vonden: “We hadden een ‘aha-moment’ toen we met iets anders bezig waren. En dat zette ons op het spoor richting de uiteindelijke reactor. En zo hebben we nu een concept op basis van de twee meest voorkomende elementen op aarde: water en zout. Klinkt bedrieglijk eenvoudig, maar het is natuurlijk wel ongelofelijk complex.”.

De Warmte-batterij van Olaf Adan

Zo werkt de warmtebatterij

De basis is een thermochemisch principe op basis van twee componenten: waterdamp en een zouthydraat. Zodra waterdamp toegelaten wordt bij het zouthydraat, bindt het water zich aan het zout. Bij deze reactie ontstaat een nieuwe kristalvorm en komt er warmte vrij. En dat kun je omdraaien. Met warmte kun je dat nieuwe kristal weer splitsen in de oorspronkelijke ingrediënten. Je droogt het nieuwe kristal feitelijk. En zolang je die twee oorspronkelijke componenten gescheiden houdt is die warmte daarmee verliesvrij opgeslagen. De hoeveelheid warmte die deze batterij kan leveren is meer dan voldoende om een belangrijke bijdrage te leveren aan de energievraag van bijvoorbeeld een gemiddeld gezin in een gemiddelde woning.

“Natuurlijk spelen daarbij meerdere factoren een rol”, aldus Olaf. “Hoe groot is het gezin? Hoe goed is het huis geïsoleerd? En hoe groot is hun beroep op warm water? Maar als ze ons vragen hoeveel energie je kunt opslaan, is ons standaardantwoord dat een gemiddeld gezin met de grootte van het huidige prototype twee weken warm mee kan douchen.” De opslag is, dankzij het thermochemische principe, volledig verliesvrij. Het omzetten van elektriciteit of warmte naar opgeslagen energie in de batterij – de conversie – geeft wel wat energieverlies.

Multicyclisch gebruik voor maximale efficiëntie

Door het jaar heen laadt en ontlaadt de gebruiker het systeem continue. De keuze voor meerdere cycli per jaar is ingegeven door praktische beperkingen en kosten. “Stel dat je een batterij zou willen maken die je in de zomer één keer oplaadt en vervolgens de hele winter gebruikt, dan heb je heel veel zout nodig. En dus heel veel ruimte om dat zout op te slaan. Denk aan meerdere kubieke meters. En dat is natuurlijk heel onpraktisch. Want die ruimte is er gewoonweg niet in het allergrootste deel van de Nederlandse woningen. Zeker niet in ons typische rijtjeshuis of een appartement. Bovendien gebruik je dat hele volume maar één keer per jaar en dat is economisch inefficiënt, dus heel duur.”

Het is ook niet nodig, want tijdens een jaar is er voldoende energie beschikbaar om het zout te drogen en zo de batterij weer op te laden. “Hooguit in de winter zullen er periodes zijn dat dat even niet zo is. Maar dan praten we in extreme situaties - als zowel de zon niet schijnt als de wind niet waait- over een tijdsduur van maximaal twee weken. En dat is de periode die je met deze batterij goed kunt overbruggen.”, legt Olaf uit. Daarom heeft de batterij genoeg aan een paar honderd kilo zout genoeg. En dus ook aan een bescheiden opslag.

Ideale compagnon voor zonnepanelen en warmtepomp

Volgens Olaf biedt de warmtebatterij nog meer voordelen: “Je haalt straks meer uit je zonnepanelen en warmtepomp dankzij deze batterij. De energie uit zonnepanelen kan opgeslagen worden als warmte. En die blijft beschikbaar als de zon ondergaat of zich overdag niet laat zien.” Voor warmtepompen is de batterij een uitstekende compagnon. De warmtebatterij neemt dan een deel van de temperatuurverhoging door de warmtepomp voor zijn rekening, vooral als het buiten heel koud is. Daardoor gaat die warmtepomp veel efficiënter functioneren en hoeven we het elektriciteitsnet niet of veel minder te belasten.

In de toekomst: een koelkast voor warmte

Qua omvang is een typische warmtebatterij voor ‘standalone’ toepassing in een huis straks vergelijkbaar met een koelkast. Of met de unit van een gemiddelde hybride warmtepomp, bijvoorbeeld. De energiedichtheid is veel hoger dan die van de modernste, nu verkrijgbare elektrische huisbatterijen.  Maar het belangrijkste kenmerk is volgens Olaf de verliesvrije opslag: “Want daarmee kun je de energie onafhankelijk van tijd en plaats benutten. Je kunt het dus ook transporteren naar daar waar het meer nodig is.”  En ondanks deze indrukwekkende specificaties verwachten Olaf en zijn team dat zo’n unit voor heel veel huishoudens een goed betaalbare investering gaat zijn.

Warmte halen waar het al is

Een standalone unit in woonhuizen is een uitwerking voor de langere termijn. De focus ligt vooralsnog op de verplaatsbaarheid van de opgeslagen warmte. Olaf: “Die toepassing gaan we als eerste in de markt zetten. Daarmee introduceren we een geheel nieuw concept als alternatief voor warmtenetten. Het grote voordeel van onze technologie is dat we de warmte overal vandaan kunnen halen waar een overschot is, of waar warmte een restproduct is. Denk aan industrie en datacenters. We slaan de warmte op en transporteren het naar afnamepunten in wijken. Zo kunnen we woningen gaan voorzien van warmte.”

De warmtebatterij maakt op die manier energievoorziening flexibel en voor iedereen bereikbaar. Maar wat nog belangrijker is volgens Olaf: “We hoeven geen nieuwe warmtebronnen aan te leggen, zoals geothermische installaties of centrales op klassieke brandstoffen. De warmte die we gebruiken is er immers al. Het is restwarmte. Wij transporteren het via bestaande infrastructuur. Over het spoor en over de weg. Dus: geen graafwerk, geen open straten en geen complexe vergunningstrajecten. Dat maakt deze oplossing veel goedkoper, sneller en vooral groener.”

De batterij gaat zijn meerwaarde niet alleen bewijzen in residentiele toepassingen. Want hoe groter de unit, hoe meer energie die kan vasthouden. Dat maakt deze techniek ook geschikt voor industriële toepassingen. Met de warmtebatterij slaat het team dus twee vliegen in een klap: de techniek is zowel haalbaar als schaalbaar.

Het vizier op 2024

Olaf en zijn team werken samen met een aantal partijen uit de regio Eindhoven om de batterij zo snel mogelijk in productie te nemen. Daar hoefden ze niet lang over na te denken: “We hebben immers een geweldige maak-industrie, aangevuld met de nodige technische kennis, hier in de omgeving.” aldus Olaf. Het zout komt straks van een producent uit Duitsland. Olaf: “We gaan al snel pilots draaien in Frankrijk en Polen en we verwachten de eerste toepassing in woningen al in 2024.” Voor de warmtenet applicatie – onze huidige focus- starten we, samen met de chemische industrie, in 2023 op de Chemelot-campus in Limburg met een pilot.

 Steun projecten zoals dit. Doneer aan het fonds en help onderzoekers en studenten om antwoorden te vinden op de vragen van vandaag en morgen.