Een warmtebatterij op basis van zout en water van de TU Eindhoven, TNO en het bedrijfsleven is klaar voor de eerste praktijkproeven. Waarom kan dit een ‘gamechanger’ worden in de energietransitie?
“Het principe van de warmtebatterijbatterij mag dan eenvoudig zijn, het toepassen ervan in een batterij is dat zeker niet”
De noodzaak om woningen van het gas te halen is sinds de oorlog in Oekraïne groter dan ooit. Een warmtebatterij met zout en water als simpele bestanddelen kan een snelle en grootschalige oplossing bieden voor ruim drie miljoen huishoudens in Nederland – twee keer de Nederlandse overheidsambitie. Deze warmtebatterij, in ontwikkeling door een consortium van TU/e, TNO, spin-off Cellcius en bedrijven, is goedkoop, compact, verliesvrij en nu klaar voor de eerste praktijktests.
Met warmteopslag in woningen en het benutten van de enorme hoeveelheden industriële restwarmte die anders wordt weggegooid is deze batterij een potentiële ‘gamechanger’ voor de energietransitie.
1. De basis van de batterij is verbluffend simpel
Uit een eenvoudig proefje wordt de essentie van de warmtebatterij direct duidelijk. Een klein flesje gevuld met witte zoutkorreltjes, een beetje water erbij en het begint te sissen. Alsof het magie is, voelt het flesje bovendien direct ontzettend heet aan. Olaf Adan heeft het proefje al talloze keren gedemonstreerd en altijd weer zijn de toehoorders verbluft.
Adan, TU/e-hoogleraar en hoofdonderzoeker bij TNO, staat aan de basis van de Eindhovense warmtebatterij. Die in essentie draait om een relatief oud thermochemisch principe: de reactie van een zouthydraat met waterdamp. “De zoutkristallen nemen het water op, worden groter en hierbij komt warmte vrij”, zegt Adan. Vandaar het sterk opwarmende flesje.
Maar omgekeerd kan ook. “Door warmte toe te voegen, verdamp je het water eraf en ‘stook je het zout in feite droog’. De zoutkristallen worden weer kleiner”, legt Adan uit. Zolang er geen water bij dit droge zoutpoeder komt, blijft de warmte hierin altijd opgeslagen. Er gaat – in tegenstelling tot andere soorten warmteopslag – dus niets verloren: de batterij is volledig verliesvrij.
Dit proces kun je eindeloos herhalen, de ene of de andere kant op. En daarmee heb je een basis voor een warmtebatterij die warmte kan opslaan, om het op een later moment – en op een andere plaats – weer te kunnen gebruiken. Een oplossing dus voor het fluctuerende aanbod van hernieuwbare energie in woningen en gebouwen, en om ‘warmteafval’ op een andere plek weer nuttig hergebruiken.
“Het oogde nog vrij basic, met bestaande, volwassen technologie, maar we konden hiermee wel aantonen dat ons concept, hoe simpel ook, werkte.
Het principe van de batterij mag dan eenvoudig zijn, het toepassen ervan in een batterij is dat zeker niet. Getuige het feit dat Adan hier al ruim twaalf jaar mee bezig is. Zo is de keuze van het specifieke zoutmateriaal niet vanzelfsprekend. Er zijn duizenden reacties bekend van zouthydraten met water. Adan bestudeerde ze allemaal tot in groot detail, om te ontdekken dat er uiteindelijk maar een zeer beperkt aantal de juiste eigenschappen heeft voor in een batterij.
“Zo’n zoutkristalletje wordt groter en kleiner, er gaat voortdurend warmte in en uit. Dus er gebeurt wat met zo’n deeltje. Dat kan daardoor snel uit elkaar vallen, of samenklonteren met andere deeltjes. Je hebt dus een materiaal nodig dat je cyclisch kunt blijven gebruiken”, legt Adan uit. Uiteindelijk kwam hij met zijn team uit op kaliumcarbonaat als basis, een makkelijk te delven zout dat je in veel producten terugvindt, zoals in voedsel, zeep of glas.
Foto: Vincent van den Hoogen
Uiteindelijk kwam Adan tot het zogeheten ‘closed-loop systeem’, waarvan hij een demonstrator bouwde in 2019. Een recirculerend systeem, bestaande uit onder meer een warmtewisselaar, ventilator, verdamper/condensor en een ketel met zoutdeeltjes. Met 7 kWh was het ding nog vrij minimaal – in theorie zou een typisch gezin van vier personen hiermee twee dagen kunnen rondkomen met warmte.
“Het oogde nog vrij basic, met bestaande, volwassen technologie, maar we konden hiermee wel aantonen dat ons concept, hoe simpel ook, werkte.” Bewijs waarmee Adan binnen het Europese consortium HEAT-INSYDE (met o.a. TU/e, TNO, Caldic en partijen uit Frankrijk, België, Polen en Zwitersland) een Europese subsidie van 7 miljoen euro kon binnenslepen voor de verdere ontwikkeling. Vervolgens ging het team aan de slag om de demonstrator te ‘upgraden’ tot een prototype die klaar was voor de praktijk. Dat is intussen gelukt.
2. De technologie is geoptimaliseerd voor de praktijk
Qua afmetingen is het inmiddels gerealiseerde prototype wellicht vergelijkbaar met de demonstrator, maar daarmee houden de zichtbare overeenkomsten dan ook op. Het prototype oogt als een soort grote kast met tientallen lockers, waarbij allerlei losse kabels uit de zijkant steken.
Verbazingwekkend genoeg vertegenwoordigt elk duo van kleine ‘lockers’ een warmtebatterij die qua opslagcapaciteit overeenkomt met de gehele, originele demonstrator. Het gehele apparaat bevat zo’n dertig ‘lockers’, met een totale opslagcapaciteit van ruim 200 kWh. “Dat is vergelijkbaar met twee volgeladen Tesla’s”, brengt Adan het in perspectief.
“Op talloze manieren hebben we de eerdere versie geoptimaliseerd”, vertelt Adan trots. “De losse onderdelen, zoals de verdamper en warmtewisselaar hebben we herontworpen, we hebben de ruimte beter benut en andere materialen gebruikt.” Ook bevat het apparaat intussen een meet- en regelsysteem, om bijvoorbeeld te weten wanneer je kunt laden en hoeveel warmte nog in het systeem zit.
De meeste toepassingen behoeven niet zo’n grote batterij. Daarom is bewust gekozen voor die meerdere, kleine units die je naar believen kunt combineren; een modulair systeem dus. “Als je één grote bak met zout hebt, dan moet je die in één keer gaan gebruiken. Dat is heel inefficiënt”, aldus Adan. Daarom kun je ‘stukjes’ van de batterij gebruiken, apart van de rest.
Daarnaast bieden de losse units allerlei mogelijkheden voor het ontwerp, om te spelen met verschillende vormen en groottes, afhankelijk van de gewenste praktijksituatie. Adan spreekt van een user-oriented prototype. “Het is nog geen product, maar alles is nu klaar om voor de eerste keer in een praktijksituatie te kunnen testen.”
En dat testen gaat later dit jaar van start, met de eerste pilots met de warmtebatterij in woningen. In vier woningen – twee in Eindhoven, één in Polen en één in Frankrijk – zal een batterij van ongeveer 70 kWh geïnstalleerd worden – voldoende om een paar dagen zonder zon of wind te kunnen overbruggen.
Ook al zijn het ‘slechts’ vier woningen, Adan verwacht dat ze hier “verschrikkelijk veel van gaan leren”. Zo gaat de proef waardevolle input opleveren wat er verder in de praktijk nodig is om de batterij op grote schaal toe te passen. Maar ook wat de gebruiker ervan vindt. Moet er bijvoorbeeld een app komen om de batterij te bedienen?
“In Nederland hebben we ongeveer 150 PetaJoule aan restwarmte uit de industrie per jaar. Daarmee kun je bijna 3,5 miljoen woningen van het gas af halen.”
Foto: Vincent van den Hoogen
3. Warmtetransport is cruciaal in de energietransitie
De warmtebatterij als opslagmedium in woningen, met dat idee begon het ooit allemaal. Maar intussen kijkt het consortium ook naar bijvoorbeeld warmteopslag in kantoorgebouwen, glastuinbouw of bijvoorbeeld elektrische bussen of luxe schepen.
Maar, zo realiseerden ze zich, als je met deze warmtebatterij warmte verliesvrij kunt opslaan, kun je het ook verliesvrij transporteren. Immers, met het droge zout gebeurt verder niets zolang er geen water bij komt. Juist daarin zou de warmtebatterij wel eens het verschil kunnen maken, want andere vormen van warmtetransport – zoals door leidingen of door faseovergangen – hebben altijd te maken met verliezen.
Het consortium richt de aandacht daarom nu ook op industriële restwarmte als warmtebron – een soort ‘warmte-afval’. Het gaat dan bijvoorbeeld om warmte die in fabrieken als bijproduct ontstaat of overtollige warmte uit datacenters. Deze warmte is niet meer zo ‘warm’; met temperaturen onder de 150 graden Celsius heeft het voor de meeste industrie geen waarde meer.
Voor woningen is zulke warmte echter zeer bruikbaar. Voor het verwarmen van je huis of warm douchen zijn zulke temperaturen ruimschoots voldoende. Als je industriële restwarmte zou kunnen benutten voor het verwarmen van woningen sla je twee vliegen in één klap: woningen kunnen van het gas af – door de afhankelijkheid van (Russisch) gas een nog urgentere wens – en de CO2-uitstoot wordt verminderd.
Adan rekent even snel voor. “In Nederland hebben we ongeveer 150 PetaJoule (een getal met 15 nullen) aan restwarmte uit de industrie per jaar. Daarmee kun je bijna 3,5 miljoen woningen van het gas af halen. Dat is ruim twee keer de ambitie van de Nederlandse overheid, namelijk 1,5 miljoen woningen van het gas af in 2030.”
Leg je op een kaart van Nederland de locaties van bronnen van industriële restwarmte en woningen over elkaar heen, dan matcht dat volgens Adan redelijk goed. Er zit maximaal dertig kilometer tussen.
Dat is echter nog steeds te veel voor warmtenetten, de methode waar de overheid nu vooral op in zet. “Warmtenetten gebruiken leidingen met water, dat afkoelt en dus je actieradius beperkt”, zegt Adan. “Bovendien hebben warmtenetten een fors investeringsrisico en moet het hele landschap open worden gebroken om ze aan te leggen – geen aantrekkelijke optie.”
Met dank aan de TU/E
