Als je het hele jaar door over duurzame warmte wilt beschikken, moet je ervoor zorgen dat je een voorraadje achter de hand hebt. Maar hoe doe je dat op de meest efficiënte en duurzame manier? Een impressie van de mogelijkheden.

Rijkert Knoppers, in: Gwalo, juni/juli 2018

Maar liefst 2650 met de zon meedraaiende spiegels concentreren het zonlicht op de centrale ontvanger in een 140 meter toren. Bij deze Gemasolar-installatie, vlakbij het Spaanse Sevilla, bereikt een vloeibare zoutmassa onder invloed van de zon een temperatuur van 565 graden. Het zout zet vervolgens water om in stoom voor de stoomturbines, die zo op duurzame wijze elektriciteit opwekken. Maar wat doe je als de zon niet schijnt? Daar heeft de Spaanse eigenaar Torresol wat op gevonden! Door meer zout te laten verwarmen dan overdag nodig is, en dit op te slaan in goed geïsoleerde tanks kan de zonne-installatie tot vijftien uur na zonsondergang nog steeds elektriciteit blijven produceren. Dat betekent 24 uur per dag stroomproductie, wereldwijd een unicum! De elektriciteit is genoeg voor 27.000 huishoudens.
Het gebruik van zout als opslagmiddel is een goed voorbeeld van hoe je warmte op kunt slaan, stelt de website van het informatieplatform over duurzame energie De Groene Energie Maatschappij: behalve zout zijn er ook andere verschillende vloeistoffen en/of materialen geschikt, zoals water, synthetische oliën en steenachtige materialen, waaronder beton of kiezelsteen.

Open opslagsystemen

Naast de keuze van het opslagmateriaal maakt De Groene Energie Maatschappij onderscheid tussen open en gesloten opslagsystemen. Tot de open opslagsystemen behoort bijvoorbeeld de seizoensgebonden thermische energie opslag, zoals koude-warmteopslag (KWO) of warmte-koudeopslag (WKO) in een watervoerende bodemlaag of in grotten.
Bij gesloten opslagsystemen gaat het bijvoorbeeld om opslag van water en stoom in gesloten opslagtanks. Ook het opslaan van gesmolten zout in een opslagtanks valt onder deze categorie. Ook bij de gesloten systemen kan sprake zijn van een seizoensgebonden opslag, bijvoorbeeld in de vorm van een KWO met een gesloten systeem, zoals een buizenstelsel in de grond. Kleine geïsoleerde opslagtanks zijn soms onder een woning te plaatsen, grotere formaten zijn in staat om meerdere woningen of soms zelfs een gehele woonwijk van koude en warmte te voorzien. Een voorbeeld hiervan is het Ecovat, dat werkt met het ‘vat-in-vat principe’.

Ecovat

Het in Veghel gevestigde Ecovat heeft een soort grote ondergrondse thermosfles voor de opslag van warmte voor de omringende woningen ontwikkeld. Het kleinste model Ecovat heeft een diameter van 30 meter en is 30 meter diep. Het vat is gemaakt van beton, waarbij gerecycled glas gebruikt is als isolatiemateriaal. Het idee is om water in de zomer te verwarmen tot bijvoorbeeld 95 graden, en de opgeslagen warmte in de winter te gebruiken voor de verwarming van minimaal 200 tot circa 1000 woningen per systeem. ‘Dit zijn de minimale afmetingen van ons opslagsysteem, we hebben voor deze afmetingen gekozen, omdat je voor een relatief groot volume minder oppervlakte nodig hebt,’ vertelt directeur Aris de Groot. ‘Dus één groot buffervat is per kubieke meter efficiënter dan een aantal kleine opslagvaten. Overigens hebben we hier in Uden wel een nog kleiner proefmodel geïnstalleerd van 13 meter doorsnee en een diepte van 20 meter. Maar dit vat van 1500 kubieke meter gebruiken we om het functioneren in beeld te kunnen brengen. Tot nu toe komen de prestaties overeen met onze verwachtingen.’ Een van de opvallende technische bijzonderheden is dat op verschillende hoogtes in het vat horizontale warmtewisselaars zijn aangebracht. Dit maakt het mogelijk om de warmtehuishouding per laag heel direct te regelen.
Hoe de opslag van warmte gebeurt ligt voor de hand. In de zomer zorgen elektrisch aangedreven warmtepompen of vlakke plaat zonnecollectoren voor het opwarmen van water. Vervolgens dragen warmtewisselaars door geleiding de warmte van het warme water over aan het water in het binnenste vat. In de winter onttrekt de retourleiding van het warmtenet via een warmtewisselaar aan het vat, waarna het opgewarmde water via het warmtenet de warmte aan de aangesloten woningen overdraagt. Als de buitentemperatuur bijvoorbeeld 15 graden is, dan hoef je geen water van 40 graden op te pompen om een gebouw te verwarmen: dan is 25 graden genoeg, aldus informatie van Ecovat. ‘Er zijn nu concrete plannen om in Het Dorp in Arnhem ons Ecovat L-model te gaan toepassen,’ aldus De Groot. ‘Er zijn daar een aantal zorgappartementen en commerciële appartementen in aanbouw, die overigens allebei een verschillend verbruiksprofiel zullen hebben. Uiteindelijk zullen daar naar schatting 450 woningen komen, die een aansluiting op het Ecovat zullen krijgen.’ Ook bij een groot glastuinbouwcomplex in Duitsland zijn plannen voor toepassing van het opslagvat, terwijl in België zowel bij bouwprojecten in Luik als in Antwerpen belangstelling is voor deze techniek.

IJsbuffer

In het buitenland is de techniek al langer toegepast maar in ons land is de techniek nog maar relatief kort geleden voor het eerst toegepast: de ijsbuffer.  Een dergelijk thermisch opslagsysteem bestaat uit een met water gevulde betonnen cilinder die in de bodem is geplaatst. In het reservoir bevinden zich spiraalvormige warmtewisselaarbuizen. Als er vraag naar warmte is onttrekt een warmtepomp warmte aan het water, de temperatuur van het water daalt hierbij tot min nul graden C, met ijsvorming tot gevolg. In de zomer vindt de verwarming van het ijs plaats met behulp van op het dak geplaatste zon-luchtabsorbers, waarna de cyclus weer opnieuw kan beginnen. Voor een eengezinswoning kan een ijsbuffer van tien kubieke meter waterinhoud evenveel energie leveren als ca. 120 liter stookolie, stelt Viessmann, een van de leveranciers van ijsbuffers.  ‘Wij zijn als adviesbureau betrokken geweest bij twee projecten, in totaal zijn er inmiddels in ons land naar schatting tien ijsbuffersystemen gerealiseerd,’ vertelt Louis Wakkerman, projectleider/adviseur installaties bij ABT, een adviesbureau dat onder meer in Velp is gevestigd. ‘De techniek is ongeveer in 2010 ontwikkeld in Duitsland, daar zijn inmiddels al 400 tot 500 ijsbuffers toegepast.’ In ons land is onder meer het in Elst gevestigde Solareis actief, dat bij de Kloostertuin Brakkenstein in Nijmegen een buffervat van 765 kubieke meter installeerde voor de verwarming van 100 appartementen. Ruim 140 zon-lucht absorbers leveren de warmte voor het systeem. ‘Financieel gezien is een ijsbuffer duurder dan een WKO-systeem, maar daar staat tegenover dat het rendement van een ijsbuffer veel hoger ligt dan een WKO,’ vertelt Wakkerman. ‘Een belemmerende factor is verder dat de Nederlandse wet- en regelgeving niet veel ruimte laat voor innovatieve ideeën. Als je nieuwbouw gaat plegen moet je met EPC-berekeningen aantonen dat je op energiegebied bepaalde waardes haalt. Maar bij een nieuw product heb je die data nu eenmaal nog niet beschikbaar. Hierdoor krijg je een nieuw product maar moeilijk geïntroduceerd.’

IJszak

Een vergelijkbaar thermisch opslagsysteem, dat eveneens gebruik maakt van de faseovergang van water, is de SolarFreezer. De SolarFreezer maakt gebruik van een bufferzak met daarin warmtewisselaars en van thermische collectoren die op het dak verscholen zijn achter PV panelen. Als er te weinig thermische energie beschikbaar is van de thermische collectoren op het dak, dan maakt de water-water warmtepomp gebruik van de warmte in de bufferzak. Zodra er warmte over is op het dak, dan verdwijnt dat in de bufferzak. De warmtepomp kan op deze manier de ruimte- en tapwaterverwarming het gehele jaar door verzorgen. De ijszak met een oppervlak van 4 bij 6 meter en een hoogte van 0,5 meter past in de kruipruimte van de meeste woningen. ‘We hebben sinds afgelopen zomer  al zeven systemen toegepast. De meest interessante periode was eind februari, toen we temperaturen hadden van -10 graden. Alle systemen hebben uitstekend gefunctioneerd,’ vertelt general manager Jacques Mathijsen. ‘Een standaard systeem is uitgerust met een warmtepomp van 6 kW, voor de meeste woningen is dit groot genoeg om te verwarmen zonder stookkosten.’ Mathijsen voegt daaraan toe dat de woningen aan drie eisen moeten voldoen: ze moeten goed geïsoleerd zijn met een Rc van minimaal 4, ze moeten voorzien zijn van lage temperatuurverwarming en er moet een kruipruimte van voldoende grootte beschikbaar zijn. ‘Het enige dat de klant ziet is de warmtepomp, die zich in de technische ruimte bevindt,’ aldus Mathijsen. ‘De warmtepomp beschikt over een 180 liter boiler, de thermische collectoren bevinden zich op het dak achter standaard PV panelen van 1 bij 1,6 meter en een hoogte van 4 centimeter.’ De SolarFreezer is momenteel als product op de markt verkrijgbaar.

Chemische opslag

Dat de ontwikkeling rond thermische opslagmethoden volop in ontwikkeling is, blijkt uit een recent onderzoek bij de afdeling Chemistry and Chemical Engineering van de Zweedse Chalmers universiteit. Een aantal parabolische spiegelspiegels concentreren hier het zonlicht op een glazen absorberbuis. Binnen de reactorbuis verandert de organische verbinding norbornadiene (C₇H₈) onder invloed van warmte in quadricyclane, dat dezelfde chemische formule (C₇H₈) heeft. Bij de omgekeerde chemische reactie door toevoer van warmte komt de opgeslagen warmte weer vrij. Dit zogeheten moleculair zonthermisch (MOST) systeem bestaat uit twee boven elkaar geplaatste zonnecollectoren, de bovenste collector is in gebruik voor de chemische opslag van zonne-energie, de onderste zonnecollector dient voor het verwarmen van water. Aangetoond is inmiddels dat het chemisch opslagsysteem meer dan 140 opslag- en ontladingscycli kan doorstaan zonder merkbare degradatie. ‘We onderzoeken momenteel verschillende strategieën om deze toepassing op de markt te brengen,’ stelt professor Kasper Moth-Poulsen. ‘Het tijdschema hangt af van de specifieke toepassingen en van het punt of we de juiste samenwerkende partijen kunnen interesseren.’ Volgens Moth-Poulsen zijn opslagmethodes voor zonne-energie in chemische verbindingen aantrekkelijk omdat de chemische energie op een erg compacte manier te bewaren is. Afgelopen december 2017 vroeg Moth-Poulsen patent aan voor een nieuwe technische verbetering, waardoor het mogelijk is om de opgeslagen energie jarenlang te kunnen bewaren. ‘We zijn er ook in geslaagd om ons systeem vloeibaar te maken onder hulp van oplosmiddelen, met een energiedichtheid van meer dan 0,5 MJ per kilo,’ schrijft Moth-Poulsen in een e-mail. ‘We zijn nu begonnen met proefnemingen in de buitenlucht, waarbij we een installatie van 900 vierkante centimeter gebruiken.’ Het zal nog wel enkele jaren duren voordat de vinding van de Chalmers  universiteit op de markt verkrijgbaar zal zijn.