De wereldwijde toename van de energievraag en de klimaatverandering maken de geleidelijke afschaffing van fossiele energie onvermijdelijk. Ook vragen de huidige geopolitieke ontwikkelingen om snelle oplossingen. Een bouwsteen die nog ontbreekt, zijn methoden voor de langetermijnopslag van overtollige hernieuwbare energie. Bestaande methoden voor de opslag van overtollige energie hebben ernstige nadelen. Met batterijen is de opslagcapaciteit te klein. Als je zonne-energie omzet in waterstof, kan die meestal niet lang worden opgeslagen. Aan het Instituut voor procestechniek, milieutechniek en technische biowetenschappen van de TU Wien is nu een nieuw type chemische warmteopslag uitgevonden dat daar verandering in zou kunnen brengen.
De kern van het opslagsysteem voor chemische warmte-energie is een schaalbare suspensiereactor waarin overtollige warmte wordt gebruikt om een vast materiaal voor warmteopslag te activeren. Vergelijkbaar met de opslag van elektriciteit in een batterij, kan de opgeslagen warmte in de suspensiereactor worden vrijgegeven wanneer dat nodig is.
Gebruik van restwarmte
Een chemische warmteaccumulator van dit type vereist temperaturen die liggen tussen 70 en 200 graden Celsius. Dit maakt de methode bijzonder geschikt voor energie-intensieve industrieën – en vooral voor industriële installaties waar afvalwarmte wordt geproduceerd.
Dat temperatuurbereik is gebruikelijk in bijna alle industrieën – van de cement- tot de papier- en pulpindustrie tot verwarmingsinstallaties, afvalverbranding en energiecentrales, legt professor Franz Winter van het Instituut voor procestechniek, milieutechniek en technische biowetenschappen van de TU Wien uit. Hij vervolgt: “Wanneer in industriële installaties hogere temperaturen worden gegenereerd, worden deze meestal gebruikt. Maar afvalwarmte van een temperatuurbereik van 70 tot 200 graden Celsius gaat meestal ongebruikt verloren.”
In industriële installaties worden meestal hogere temperaturen gebruikt. Maar afvalwarmte van een temperatuurbereik van 70 tot 200 graden Celsius gaat meestal ongebruikt verloren.
Professor Franz Winter, TU Wien
Als warmte wordt gebruikt om chemische reacties op gang te brengen, dan worden energierijke chemische verbindingen gevormd die omgekeerd kunnen worden om de energie weer vrij te maken. Dit is een functie die een dergelijk chemisch warmteopslagsysteem in staat stelt grote hoeveelheden energie op te slaan voor een vrijwel onbeperkte tijdsduur. Dit betekent dat energie die in de zomer is opgeslagen, in de winter kan worden gebruikt om het gebouw te verwarmen.
Chemische reactie
Er zijn verschillende chemische reacties die voor dit doel kunnen worden gebruikt. Aan de Technische Universiteit van Wenen bijvoorbeeld wordt boorzuur, een vaste stof, gemengd met olie. Het heterogene oliemengsel wordt in een reactor gebracht waarvan de wand wordt verwarmd tot een temperatuur tussen 70 en 200 graden Celsius. De hitte veroorzaakt een chemische reactie en het boorzuur wordt omgezet in booroxide. Daarbij komt water vrij.
Wat overblijft is een olieachtige booroxidesuspensie die in tanks kan worden opgeslagen. Om de chemische reactie om te keren en de opgeslagen warmte vrij te geven, wordt opnieuw water aan de suspensie toegevoegd. Dit sluit de thermochemische cyclus en kan opnieuw worden opgestart door warmte toe te voegen. Professor Winter: “In het laboratorium hebben we aangetoond dat veel laad- en ontlaadprocessen op deze manier zonder problemen mogelijk zijn.”
Naast boorzuur kunnen ook andere chemicaliën worden gebruikt. Ook gehydrateerde zouten zijn onderzocht. Boorzuur en gehydrateerde zouten combineren verschillende voordelen tegelijk: zij zijn goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar, betrekkelijk onschadelijk en kunnen gedurende een willekeurige periode worden opgeslagen. Bovendien zijn ze stabiel gedurende vele cycli en zorgt de gebruikte olie voor een optimale warmteoverdracht.
Chemische warmteopslag
Het grote voordeel van de uitvinding ligt in de mogelijkheid tot langdurige opslag van warmtehoeveelheden die anders gewoon verloren zouden gaan. En in het vraaggerichte gebruik ervan. Professor Winter is ervan overtuigd dat dit systeem voor chemische warmteopslag een belangrijke vooruitgang betekent en de komende jaren toepassing zal vinden.
De reactortechnologie kan gemakkelijk worden opgeschaald van kleine huishoudelijke toepassingen – zoals verwarming en sanitair water – tot industriële schaal. Waarbij het nog niet bekend is hoe klein het mag zijn om nog zin te hebben. Ook de precieze efficiëntie van het proces kan op dit moment niet worden geraamd en zal afhangen van de wijze waarop de chemische warmteopslag wordt gekoppeld aan andere technologieën.
Proces-optimalisatie
Bij industriële installaties gaat het er altijd om het gehele proces te optimaliseren. Zo zal de grootte van de suspensiereactor afhangen van het toepassingsgebied – en het proces moet worden aangepast aan de specifieke warmtehoeveelheden en temperaturen – en van het type energietechnologische apparatuur dat reeds aanwezig is.
Bovendien is er behoefte aan een opslagfaciliteit voor de korte termijn om doorlopend warm water te leveren en een opslagfaciliteit voor de lange termijn om de warmte van de zomer naar de winter te brengen. Daarom moet er een totaalconcept voor de oplossing komen dat zo goed mogelijk in het systeem is geïntegreerd om aan alle eisen te voldoen, aldus professor Winter. Daarom zal hij de technologie samen met industriële partners intensief blijven onderzoeken om na te gaan hoe het systeem het best en het efficiëntst kan worden toegepast.
Zuinig en klimaatvriendelijk
Een ander voordeel van dit type van chemische warmteopslag is dat het milieuvriendelijk is. De energieopslag is emissievrij. Bovendien gaat het gepaard met lage materiaalkosten. Dit komt doordat de suspensie – het heterogene mengsel van boorzuur, olie en water – gedurende vele laad- en ontlaadprocessen kan worden gebruikt – en vele jaren of langer meegaat.
De vereiste temperaturen van 70 tot 200 graden Celsius kunnen ook worden bereikt met zonnecollectoren en geothermische energie. Het team wil ook het onderzoek op dit gebied voortzetten in samenwerking met deskundigen. Het onderzoeksteam wil dit jaar de basis leggen voor verdere ontwikkeling en heeft er alle vertrouwen in dat het binnen twee tot drie jaar de stap kan zetten van het laboratorium naar de continue fabriek.
