Als bedrijf bestaat Cellcius BV pas een paar maanden. Maar de mensen achter deze spinoff van TNO en TU Eindhoven zijn al veel langer bezig met de doorontwikkeling van de warmtebatterijtechnologie naar een eerste volwaardig product én de commercialisering ervan in verschillende markten. Olaf Adan startte zijn wetenschappelijke zoektocht naar oplossingen voor warmteopslag als een van de manieren om de gebouwde omgeving energieneutraal te maken al in 2008. “Warmte bepaalt driekwart van de vraag naar energie. En die vraag is niet alleen elektrisch op te lossen.”
Adan schreef mee aan het kader voor de Europese Commissie waarbinnen innovatie plaats moest vinden om CO2-vrij te kunnen stoken. Maar hoe doe je dat dan? Met collega-onderzoekers Henk Huinink (TU/e) and Pim Donkers (TNO) ging hij op zoek naar oplossingen.
Duidelijk was dat de energie zelf uit de zogeheten hernieuwbare bronnen zoals zon en wind zou moeten komen. Maar de zon schijnt daarvoor niet elke dag voldoende, en er zijn periodes dat het dan ook niet waait. Voor die dagen, wellicht zelfs weken, moeten huishoudens dus wind- en zonne-energie kunnen opslaan in een batterij zodat ze die op donkere windstille dagen en nachten kunnen benutten. Belangrijke voorwaarde daarbij was de betaalbaarheid voor een gemiddeld huisgezin, want anders gaat niemand erop over. Daarbij moet de installatie zo compact zijn dat je hem kwijt kunt in een normale woning. De warmtebatterij kan worden opgeladen door een warmtebron zoals een zonnecollector of een warmtenet, al dan niet met geothermie. Het kan ook met elektriciteit, bijvoorbeeld afkomstig van zonnepanelen of andere groene elektriciteit, maar die moet dan wel eerst weer in warmte worden omgezet. ”Daarbij is het belangrijk je te realiseren dat onze batterij warmte levert als energiebron en dus geen elektriciteit levert”, aldus Olaf Adan.
Kaliumcarbonaat
De oplossing vond het team van Adan, Donkers en Huinink in de toepassing van kaliumcarbonaat. Als water bindt aan dit zout dan ontstaat er warmte. Die warmte kan via een warmtewisselaar water een boiler opwarmen tot de gewenste temperatuur voor ruimteverwarming of warm tapwater. Het opladen (dus warmte opslaan) loopt via het omgekeerde proces. Door warmte toe te voeren aan het zout wordt het water uit het zout gedreven.
 De warmtebatterij bestaat uit vier essentiële componenten: 1. Een warmtewisselaar om warmte toe te voeren (opladen van de batterij) of af te nemen (ontladen van de batterij); 2. Een condensor/verdamper-eenheid om waterdamp te onttrekken (bij het opladen van de batterij droog je het zout weer en je voert de vrijkomende waterdamp af via de condensor) of toe te voegen (bij het ontladen van de batterij, dus het produceren van de warmte); 3. Een eenvoudige ventilator, om de lucht in het systeem te circuleren; en 4. Een opslagunit waarin de reactie van zout en waterdamp plaatsvindt en waar dus warmte vrijkomt of wordt opgeslagen. De warmtewisselaar die de vrijgekomen warmte afgeeft is aangesloten op een watervat en het systeem dat de warmte afgeeft aan de gebruiker. |
Het proces zelf werkt eenvoudig. Via een kraanwaterleiding komt er water in de verdamper. De waterdamp wordt met een gesloten en recirculerende luchtstroom naar het zout in het reactorvat gebracht. Het deel van het vat waarin het zout zit is gesloten. Dat blijft er na de reactie dus inzitten. De warmte die vrijkomt bij de reactie wordt met de gedroogde lucht naar de warmtewisselaar gevoerd die het water in de boiler direct opwarmt.
De grondstof is dus kaliumcarbonaat. Adan: “Deze grondstof is de basis voor een zoutcomposiet dat we ontwikkeld hebben, deeltjes met een bepaalde vorm en grootte. Een composietdeeltje bevat dus nog meer stoffen, die er voor zorgen dat het deeltje blijvend zijn functie goed verzorgt en we kunnen blijven opladen en ontladen zonder dat het kapot gaat. Dan pas kun je een oplaadbare batterij maken.” Welke stoffen zijn toegevoegd voor dat optimale, blijvende en stabiele resultaat, dat vertelt hij niet. Dat is het geheim van de smid waarmee Cellcius de markt voor warmte wil veroveren.
Proeven in woonwijken
Medio 2022 starten proeven met de zoutbatterij in woonwijken in Eindhoven, in Frankrijk (in de Provence) en in Polen. “We testen in drie verschillende landen omdat je daar verschillende klimaten hebt en er grote verschillen zijn in gebruik”, zegt Huinink. “We willen rekening kunnen houden met de lokale cultuur, waarbinnen sommige apparaten in het energiesysteem thuis sterk af kunnen wijken. Zo zullen bij de een meer zonnecollectoren gebruikelijk zijn, bij de ander zal juist een warmtenet belangrijk zijn.”
Polen heeft een relatief koud landklimaat, Frankrijk in de Provence een warm mediterraan klimaat en Nederland heeft een gematigd zeeklimaat. “We zoeken uit hoe de warmtebatterij in al deze verschillende omstandigheden het best kan functioneren.”
De vraag is vervolgens hoe Adan de toepassing van de zoutbatterij in de praktijk voor zich ziet. Voor een woning of gebouw met zonnepanelen of kleine windturbines op het dak spreekt dat voor zich. Daar zet je de batterij ergens neer waar je ook een wasmachine zou plaatsen, bijvoorbeeld. Die zou ongeveer dezelfde omvang kunnen hebben, maar dat hangt vooral af van de behoefte. “Het ligt er maar net aan hoeveel energie je wilt opslaan”, zegt Adan. “Dat is weer afhankelijk van hoe groot de vraag naar energie is en welke periode je wil overbruggen. Voor een typisch 4-persoons gezin in een standaard rijtjeswoning heeft een batterij van een wasmachineomvang genoeg warmte in zich om 2 weken lang te kunnen voorzien. Die 2 weken staan typisch voor de meest ongunstige situatie dat de zon niet schijnt en de wind niet waait.”
Schaalbaarheid
Adan somt de voordelen nog eens op: “We kunnen veel energie in een klein volume kwijt. Meer dan de beste electrische thuisopslag en veel meer dan in water. Daardoor kun je opslag klein maken, wat van belang is als je het in de beperkte ruimte wil inpassen. We slaan als enige energie echt verliesvrij op. Daardoor kun je lange periodes overbruggen, in tegenstelling tot water dat afkoelt, en in tegenstelling zelfs tot elektrische opslag in thuisbatterijen.”
Ook over de schaalbaarheid maken de Eindhovense onderzoekers zich geen zorgen. “Het kan klein, in woningen; groter in collectieve oplslag in flats, nog groter op wijkniveau, of het grootst in industriële toepassingen voor lage temperatuur restwarmte. Het is simpelweg een kwestie van meer zout voor meer vermogen en meer capaciteit.”
De zoutbatterij is een van de vier iconische projecten van het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems. EIRES is in 2020 opgericht door de TU/e. Andere projecten zijn de ontwikkeling van metal fuel, de ontwikkeling van goedkope electrolyzers. Ook worden er digitale modellen ontwikkeld (digital twins) om inzicht te krijgen in de beste keuze voor nieuwe technologieën die tijdens de energietransitie ontwikkeld worden. De keuze daaruit moet voor 2050 gemaakt worden.
Dit artikel is onderdeel van een serie over de activiteiten van EIRES. Lees hier alle tot nu toe gepubliceerde artikelen.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
