De Universiteit Eindhoven en TNO werken al jaren aan een warmtebatterij op basis van zouten. Een interessant concept dat goede kans maakt om een bescheiden rol te spelen in de warmtetransitie tot een aardgasvrije gebouwde omgeving.

Opslag van warmte in droge zoutkristallen

Zoutkristallen van verschillende soorten zout nemen in vochtige lucht watermoleculen op in hun kristalrooster. Dit natuurlijke effect werkt ook de andere kant op. In hete en droge lucht geven de gehydrateerde zoutkristallen de watermoleculen weer af. Ondernemende onderzoekers aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben op basis van dit principe een warmtebatterij ontwikkeld. In 2016 werd een groot Europees onderzoeksproject voor de warmtebatterij afgerond. De vakpers pikte het concept op als een ‘unieke, verliesvrije batterij voor seizoensopslag‘. In 2019 beschreef het Algemeen Dagblad de vinding uit Eindhoven als een superbatterij. In 2020 was het een belofte voor de energietransitie. Deze maand volgde opnieuw een golf van positieve pers. In de Volkskrant las ik dat het systeem 3 tot 6 miljoen (van de ruwweg 8 miljoen) Nederlandse woningen van het gas af kan halen. Volgens Trouw zou de vinding de energietransitie wel eens rap kunnen versnellen.

Een warmtewisselaar, ventilator en condensor zijn bewezen componenten, en kaliumzout is geen kostbaar materiaal. Dat er na 12 jaar ontwikkeling nog geen warmtebatterij te koop is, is geen aanbeveling. Het suggereert dat realiseren van het op het oog simpele systeem in de praktijk toch complex is.

Als je een buffervat met water opstookt tot 90 graden dan koelt het snel af, ook al is het goed geïsoleerd. Als je zo’n buffer ’s middags opwarmt om de volgende ochtend te douchen, is dat warmteverlies prima te overzien. Als er meerdere dagen of zelfs maanden tussen het opslaan en gebruiken van de warmte zit, blijft in de warmwaterbuffer nauwelijks warmte over.

Opslag van warmte voor onbepaalde tijd

Het grote voordeel van warmteopslag in zout is dat het ‘verliesvrij’* is. Een tweede voordeel dat veel genoemd is, is dat deze vorm van opslag relatief compact is. Een kubieke meter droog zout bevat ruwweg evenveel energie als 40 kuub aardgas, of als 3 à 4 kuub water opgestookt tot 90 graden. Een derde voordeel zijn de relatief beperkte kosten. Per opgeslagen eenheid energie kost de opslag van warmte in zout ruwweg een tiende van de opslag van elektriciteit in thuisaccu’s. Voor een warmtebatterij waar een huishouden 2 weken mee zou kunnen douchen, werd eerder een richtprijs van €3.000 tot €6.000 genoemd. Voor de doorontwikkeling van deze toepassing bood de Europese Unie €7 mln subsidie. Inmiddels gelooft Olaf Adan, hoogleraar aan de TU/e en medeoprichter van Cellcius, echter meer in een grootschaliger toepassing. Met transport van zout over de weg kan zijn concept industriële afvalwarmte eenvoudig de woonwijk inbrengen. Een lokaal warmtenet brengt de warmte dan vervolgens naar aangesloten woningen.

Adan in Trouw: “Dat heeft veel meer slagkracht dan die individuele batterijen. Het is absoluut het vermelden waard dat energie die is vastgelegd in het zout voor onbepaalde tijd behouden blijft, maar het systeem is groter dan alleen het zout. De communicatie van de TU/e en TNO gaat helaas knap slordig om met de term ‘verliesvrij’. Dat werkt onvermijdelijk ook door in de berichtgeving in de kranten en vakmedia.

Om het zout te drogen is hete lucht van rond de 90 graden Celsius nodig. Tijdens het drogen warmt ook het zout op tot deze temperatuur. Als het drooggemaakte zout niet snel gebruikt wordt om te verwarmen, koelt het af en gaat dit deel van de toegevoerde energie op korte termijn verloren. De soortelijke warmte van kaliumcarbonaat is bijna 2x zo hoog als van water, en het soortelijk gewicht 2,4x zo groot.

Als het droge zout water opneemt, geeft het systeem een temperatuur af die aanzienlijk lager ligt dan de ruwweg 90 graden benodigd voor het drogen. In een publicatie in uit 2018 beschreven Adan en collega’s dat het kaliumzout bij hydrateren een temperatuur van 33 tot 45 graden afgeeft. Te laag voor legionellaveilige bereiding van douche- of afwaswater. In de Volkskrant spreekt de hoogleraar nu van ongeveer 65 graden. Dat zou wel net aan genoeg zijn voor warm tapwater.

Uitgaande van industriële restwarmte is verlies van zeg 20 of 40% van de input geen groot bezwaar. Transporteren van het zout van een industriële warmtedump naar een woonwijk (en terug), vergt echter wel degelijk energie die ons geld en CO2-uitstoot kost. Gehydrateerd kaliumcarbonaat weegt 2,4 ton per kubieke meter. Een vrachtwagen kan dan zo’n 15 tot 20 kuub zout - ruwweg 700 kuub aardgasequivalent - per rit transporteren.

De leidingen van het warmtenet in de wijk verliezen een deel van de uit het zout toegevoerde energie voordat deze warmte aan de aangesloten woningen geleverd wordt. Over de hele keten zal het energetisch rendement over de duim misschien 70% zijn.

Voor individuele woningen biedt de warmtebatterij geen complete oplossing. Er blijft sowieso een warmtepomp, zonneboiler of andere aardgasvrije warmtebron nodig om het systeem op te laden. Ook is het geen beste oplossing voor tochtige woningen. Om niet onnodig veel binnenruimte op te offeren aan zout, wil je sowieso ook investeren in goede isolatie, kierdichting en ventilatie.

Uitgaande van 700 kuub aardgasequivalenten per vracht zal een warmtenet jaarlijks zo’n 2 vrachtwagens zout per aangesloten adres verbruiken. Voor een wijk met 200 woningen is dat over het jaar een vracht per dag. Maar dat is een gemiddelde, in een strenge winterweek zullen vrachtwagens af en aan rijden. Om de vrachten te beperken, wil je ook hier investeren in het verlagen van de warmtebehoefte bij aangesloten adressen. En vermoedelijk is een alternatieve warmtebron voor de basislast aantrekkelijker dan alles op zout. Bijvoorbeeld geothermie, een datacenter of een collectieve warmtepomp.

Al met al is het mij niet gelukt om een situatie te bedenken waarin het concept van Cellcius overduidelijk beter is dan alle andere bewezen toepassingen voor het verwarmen van huizen. Zonder doorslaggevende selling points verwacht ik niet dat de warmtebatterij de energietransitie rap kan versnellen. Daarom acht ik de kans ook uitermate klein dat 3 tot 6 miljoen woningen later deze eeuw gebruikmaakt van zout als warmtedrager. Jammer omdat het bewoners, corporaties en renovatiepartijen verwart. De warmtetransitie is al uitdagend genoeg, en had zeker niet nóg een valse heilige graal nodig.

De al te enthousiaste claims zijn ook jammer omdat ze negatief afstralen op het mooie wetenschappelijke werk en de toekomst van Cellcius. Opslag van warmte in zout is in potentie wel degelijk een interessante toevoeging aan de gereedschapskist voor de warmtetransitie. Het is alleen niet de beste uitvinding sinds gesneden brood. Ook als straks 30.000 woningen gebruikmaken van deze innovatie, is dat waardevol.

Zoutwaterbatterijen: een duurzaam alternatief?

In de laatste jaren is het namelijk gelukt om energie op te slaan in zout water accusystemen. Je kunt de zoutwater accu’s nu al in Nederland kopen via een erkend dealer zoals wij van het offgridcentrum.nl. Maar de huidige levertijd is zo 2-3 maanden na bestelling. Zoutwater accu’s zijn namelijk per kWh aan opslag goedkoper dan lithium. Daarnaast zijn kun ze niet overladen worden en zitten er geen giftige stoffen in. Alle componenten voor deze accu zijn 100% natuurlijk, veelvoorkomend in onze eigen bodem en kunnen ook in Europa gewonnen worden.

Een zoutwater accu biedt een efficiënt en milieuvriendelijk alternatief op de klassieke thuisbatterij. Bovendien is de productie van dit apparaat aanzienlijk minder belastend voor het milieu. Een zoutwaterbatterij gaat langer mee dan een lithium-ionbatterij of loodzuurbatterij. Je kunt je zoutwaterbatterij volledig ontladen zonder invloed op de opslagcapaciteit. Een lithium-ionbatterij bevat stoffen die explosief en brandversnellend zijn. Natuurlijk vormt dat, bij een correcte installatie en aansluiting, geen dreiging. Toch is de zoutwaterbatterij de meest veilige keuze.

Zoutwaterbatterijen zijn niet bepaald compact. Het gaat om grote, zware batterijen die misschien wel diep ontladen, maar ook heel wat ruimte in beslag nemen. Gelukkig zijn er ook stapelbare zoutwaterbatterijen op de markt. Wie regelmatig verschillende energievretende apparaten tegelijk gebruikt, moet goed op de capaciteit letten. Heb je een vrij hoog piekverbruik en kies je voor energieopslag met zout water? Kies dan voor een grotere opstelling. De kosten per kWh aan opslagcapaciteit zijn (op dit moment) nog niet veel lager voor zoutaccu’s.

Een zoutwateraccu heeft, met gemiddeld 20 jaar, een zeer lange levensduur. Zowel lithium-ionbatterijen als loodzuurbatterijen bevatten schadelijke stoffen, giftige chemicaliën en zware metalen. Zowel de productie als het afvoeren van die batterijen vormt een grote belasting voor het milieu. Loodaccu’s zijn de goedkoopste optie, maar gaan aanzienlijk minder lang mee. Een eenvoudige zoutwaterbatterij van 12 Volt met een capaciteit van 56 kWh is al te vinden voor een kleine € 900.

Batterij Type Levensduur Milieu impact Kosten
Zoutwaterbatterij Gemiddeld 20 jaar Minder belastend Relatief goedkoop
Lithium-ionbatterij Kortere levensduur Meer belastend Duurder
Loodzuurbatterij Kortere levensduur Meer belastend Goedkoopste

Met een thuisbatterij kun je de voordelige stroom die overdag wordt opgewekt bewaren voor tijden waarin de stroomkosten stijgen. Hoewel het in ons klimaat niet mogelijk is om volledig onafhankelijk te worden, kan een zoutwaterbatterij je een maximale onafhankelijkheid van circa 70% bieden.

Saltes: Warmte opslaan in gesmolten zout

Saltes zet die elektriciteit om in warmte en levert die vervolgens aan de industrie. ‘Industriële warmte is goed voor zo’n 20 procent van de wereldwijde vraag naar energie’, vertelt Stroes. ‘In voedingsmiddelenfabrieken wordt dat bijvoorbeeld in de vorm van stoom gebruikt. Wij koppelen de momenten van elektriciteitsafname en van warmtelevering los.’

‘Als de energieprijzen laag zijn zetten we als het ware een heel grote elektrische verwarmer aan’, legt Stroes de technologie uit. ‘Daarmee verhitten we het opgeslagen zout tot de maximale temperatuur, in ons geval zo’n 500 graden Celsius. Vergelijk het met hoe een frituurpan olie opwarmt. Als een fabriek die warmte nodig heeft, wordt die weer aan het zout onttrokken.’ Het proces is zeer efficiënt, benadrukt hij. Van de energie die erin gaat, komt 90 tot 95 procent er ook weer uit. ‘Zie het als een heel grote thermoskan vol koffie. Je hebt altijd wel een beetje warmteverlies, maar de koffie blijft toch warm.’

Anders dan water is zout geschikt om warmte met temperaturen boven de 100 graden op te slaan. Het is ongevaarlijk en in grote voorraden aanwezig. Er zijn dan ook al energiecentrales die spiegels gebruiken om zonlicht op een zoutkolom te richten, waardoor het zout smelt en geleidelijk warmte afgeeft. De ThermalPod heeft de grootte van een klein gebouw en een opslagcapaciteit van 26 megawattuur, vergelijkbaar met zo’n vijfhonderd elektrische auto’s. Stroes: ‘Met één systeem kun je een hele fabriek van warmte voorzien.’ Ook dat is een verschil met zoutbatterijen waarin elektriciteit wordt opgeslagen. Die hebben een lagere energiedichtheid dan lithiumbatterijen, wat ze weinig aantrekkelijk maakt voor grootschalige toepassingen. De warmtebatterij van Saltes is dat wel.

Doordat de batterij energie afneemt op het moment dat die heel goedkoop is omdat de zon schijnt en de wind waait, kunnen bedrijven hun energiekosten flink verlagen. Bovendien hoeven zonne- en windparken niet meer te worden afgeschakeld bij een overschot aan productie. Nutting, want het afgelopen kwartaal werd er net zo veel stroom weggegooid als 800.000 huishoudens in een jaar gebruiken.

TNO en TU Eindhoven: Warmtebatterij op basis van waterdamp en zout

TNO en de TU Eindhoven ontwikkelden een warmtebatterij die werkt met waterdamp en een zouthydraat. Door deze twee componenten bij elkaar te brengen, ontstaan nieuwe zoutkristallen. Bij dit proces komt warmte vrij. Als je opnieuw warmte in het systeem brengt, zoals de energie van zonnepanelen, dan komen water en zout weer los van elkaar en houdt het zoutkristal de warmte vast. Zolang je beide componenten gescheiden houdt is die energie verliesvrij opgeslagen.

“De uitdaging was om een geschikte zoutcompositie te maken die bleef functioneren bij herhaald (multicyclisch) gebruik. Stabiel in alle opzichten”, zegt Adan. “Dat is gelukt. We verwachten dat de batterij minstens twintig jaar meegaat, als je batterij eens per maand geheel op- en ontlaadt, maar waarschijnlijk gaat deze veel langer mee. We maken in de basis gebruik van kaliumcarbonaat. Een veel voorkomend zout en makkelijk te produceren. Je maakt het door kaliumloog met CO2 te binden. Je stopt er dus CO2 in, maar het materiaal is uiterst simpel te recycleren of te hergebruiken.” Naast dit opslagmateriaal is er een apparaat (de batterij) nodig. Een nieuw principe werd daarvoor ontwikkeld, dat uit vier componenten bestaat: een ventilator, warmtewisselaar, verdamper/condensor en reactorvat.

AQUABATTERY: Energie opslaan in zout water

Het in 2014 opgerichte AQUABATTERY ontwikkelde een batterij die hernieuwbare energie kan opslaan in zout water. Op deze manier wordt het opslaan van energie veilig - lithium-ionen kunnen verbranden bij oververhitting - door gebruik te maken van goedkope, duurzame en niet-schaarse materialen zoals keukenzout en water. Deze voordelen garanderen langdurige en grootschalige opslag van duurzame energie.

De stationaire batterij bestaat uit twee eenheden: een vermogensmodule met membraanstapels en een opslageenheid van watertanks. Tijdens het laadproces stroomt zout water door membranen, waar het wordt gescheiden in zuur en base - die elk in een aparte tank terechtkomen. Bij het ontladen van de batterij worden de twee stromen gecombineerd en gaan ze opnieuw door het membraan, waardoor hernieuwbare elektriciteit wordt opgewekt. Bovendien is de oplossing schaalbaar, zodat energieopslag gedurende lange tijd mogelijk is - tussen 8 en 100 uur. “Door de omvang van de reservoirs en het watervolume te vergroten, neemt de opslagduur toe”, benadrukt Goosen. “Daarom maken we het flexibel voor elke benodigde toepassing en opslagduur, door onze vermogensmodule te combineren met waterreservoirs van verschillende groottes”, voegt Cen toe.

Het systeem van AQUABATTERY bestaat uit membraanstapels die in een 40-ft zeecontainer zijn geplaatst en via leidingen met de waterreservoirs zijn verbonden. Daarom is het goed geschikt voor stationaire toepassingen - zoals de opslag van overtollige stroom uit zonne- of windparken. De tafelzout- en wateraccu valt onder de categorie stroomaccu’s, in het Engels een flowbattery. Een stroombatterij is een batterij waarbij twee vloeistoffen, gescheiden door een membraan, elektrochemische reacties ondergaan.

Vanaf de allereerste experimenten in een garagebox zijn talloze uren van onderzoek en experimenten aan het idee gewijd. Het eerste concept was het opladen en ontladen met behulp van zoet en zout water. Het bedrijf schakelde vervolgens over op de huidige oplossing op basis van zuur om de prestaties te verbeteren en begon te experimenteren met verschillende membraanstapels. In 2017 zette AQUABATTERY zijn eerste pilot op in de Green Village van de Technische Universiteit Delft. Drie jaar later maakte de batterij een reis naar het eiland Pantelleria, Italië, en werd hij getest in een plaatselijke elektriciteitscentrale. Vorig jaar werd het systeem getest in de rioolwaterzuiveringsinstallatie van de Nederlandse stad Gorinchem, die zelf opgewekte hernieuwbare elektriciteit uit een zonnepark gebruikt.

SuperHeat-project: PCM-batterij met verbeterde energiedichtheid

In het SuperHeat-project wordt een PCM-batterij (Phase Change Material) ontwikkeld met een verbeterde energiedichtheid, zonder lekkages en waarvan de kwaliteit stabiel is. Met deze PCM-technologie moet er een efficiënte en betaalbare zoutbatterij worden ontwikkeld.

Vier jaar geleden begon het project Smartheat, waar een materiaal is ontwikkeld dat gebruikt kan worden voor warmteopslag. In SuperHeat wordt dat materiaal gebruikt om verder te gaan met de ontwikkeling van een PCM-batterij met verbeterde efficiëntie.

Die techniek - waarbij een gelpack de energie van warm water opneemt en later weer kan afgeven - is vergelijkbaar met de techniek van de SuperHeat-batterij. De batterij bevat een gel die voor 98 procent bestaat uit een zoutmengsel van azijn en baking soda. “Het is een simpele oplossing. En als je weet hoe je met de verhoudingen van water en zout moet spelen, kan je de eigenschappen aanpassen.”

Probleem bij een oplossing van zout en water is dat het zout na enige tijd gaat zinken. Om te zorgen dat het zout goed gemixt blijft en de batterij dus goed blijft werken is er een polymeer toegevoegd, dat is waar de andere 2 procent van de batterij uit bestaat. “Het is een gelstructuur, waarvan de vorm hetzelfde blijft, ook in de vloeibare staat”, vertelt Mehrali. “Je kan het ondersteboven houden en het beweegt niet.”

De SuperHeat-batterij moet drie belangrijke voordelen hebben, vertelt Mehrali. “Eén is dat de vorm hetzelfde blijft in de vaste en vloeibare fase. Zodat je geen lekkages in het systeem hebt, een probleem dat veel voorkomt bij andere PCM-batterijen.” “Tweede is een materiaal gebruiken dat hoge energiedichtheid heeft en ook kostenefficiënt is. Het zout is goedkoop vergeleken met andere materialen met dezelfde toepassing”, zegt Mehrali. “En het derde voordeel is elektrische triggering. Dat betekent dat je de vrijheid hebt om te kiezen wanneer je de warmte vrijlaat”, legt Mehrali uit. Er kan een deel van de warmte gebruikt worden, terwijl het andere deel gewoon blijft opgeslagen in de batterij. Ook kan de snelheid van de afgifte worden bepaald door meer of minder elektrodes toe te voegen.

Tenslotte is ook cyclability een belangrijk aspect van het project, volgens Mehrali. “Het materiaal moet consistent presteren gedurende veel cycli op van opladen en ontladen, dus de efficiëntie behouden bij de overgang van vast naar vloeibaar en weer terug.”

labels:

Zie ook: