Warm douchen met een enorme batterij

Technologie

De aardgasboiler moet de komende decennia plaatsmaken voor klimaatvriendelijkere verwarming. In Delft wordt daarom gewerkt aan een soort batterij die zonnewarmte kan opslaan in de woning.

Huub Keizers opent op het terrein van technologie-instituut TNO in Delft de Foto’s David van Dam

Er staat een grijze zeecontainer op het terrein van technologie-instituut TNO in Delft. De metalen deur aan de zijkant kraakt als ingenieur Huub Keizers hem opentrekt. Zilveren buizen verschijnen, en acht langwerpige zwarte vaten. Het hele ding hierbinnen is een zogeheten warmtebatterij, zegt Keizers, die het onderzoeksprogramma Energie voor de Gebouwde Omgeving leidt. Het basisprincipe van het apparaat is simpel: in de zomer slaat hij warmte op, in de wintermaanden levert hij die terug. Het is een van de mogelijke opvolgers van de aardgasboiler, die nu nog ruim 90 procent van de Nederlandse huishoudens verwarmt. Maar die boiler zal de komende decennia plaats moeten maken voor klimaatvriendelijkere opties.

En naarmate de energievoorziening meer op zonne- en windenergie steunt, zal de behoefte aan dag- of seizoensopslag groeien. Want het waait niet altijd, en niet altijd schijnt de zon. Terwijl er dan toch elektriciteit en warmte nodig kan zijn.

„Dit exemplaar is een eerste prototype”, zegt Keizers in de container. „Hij is net opgeleverd.” Het is het resultaat van een vierjarig Europees project, waarin kennisinstellingen en bedrijven uit onder meer Spanje, Polen, België en Nederland hebben samengewerkt. De komende jaren zal de batterij verbeterd worden. Keizers verwacht er, op termijn, veel van.

Dat doet ook Ivo Opstelten, lector Nieuwe Energie in de Stad aan de Hogeschool Utrecht, en niet betrokken bij het TNO-project. „Ik schat dat het apparaat medio deze eeuw in circa 1,5 miljoen huishoudens gebruikt zal worden”, zegt Opstelten, die tevens verbonden is aan de vereniging Stroomversnelling. Dat is weer een van de honderd partijen (naast gemeenten en netbeheerders) die vorige week een manifest ondertekenden om de circa 8 miljoen huishoudens in Nederland rond 2030 aardgasvrij te hebben.

In Delft legt Keizers meer in detail uit hoe de warmtebatterij werkt. Bovenop de zeecontainer staan vier zonnecollectoren. Het zijn platen, opgebouwd uit buizen, waar water doorheen stroomt. ’s Zomers warmt het zonlicht het water in die buizen op tot zo’n 80 graden Celsius. Het opgewarmde water loopt naar de acht vaten van de warmtebatterij. Die vaten hebben elk twee van elkaar gescheiden reservoirs. Het onderste is een watervat. In het bovenste zit een warmtewisselaar, bezaaid met speciale korrels. Als het hete water door de warmtewisselaar stroomt, draagt het een deel van zijn warmte over op de korrels. Die zijn gevuld met een zouthydraat, in dit geval natriumsulfide. Een zouthydraat heeft een kristalrooster waarin water kan worden opgenomen, of afgesplitst. Dit is afhankelijk van de temperatuur. ’s Zomers warmt het zouthydraat op, en splitst het water af. Dat water wordt opgevangen in het onderste vat. Is er warmte nodig – vooral in de winter – dan wordt er vanuit dat onderste vat weer water bij het zouthydraat gelaten. Bij die reactie komt warmte vrij.

De warmtebatterij heeft een groot voordeel: nauwelijks energieverlies. Dat is anders bij alternatieven waarbij de warmte maandenlang wordt opgeslagen in water. Zoals in Denemarken. Daar wordt geëxperimenteerd met uitgegraven, afgedekte reservoirs, zegt Keizers.

Hij loopt wat verder de container in, en wijst naar een buffervat. Het is tussen de zonnecollectoren en de warmtebatterij geplaatst. „Met die buffer dek je in de zomer je behoefte aan warm water”, zegt Keizers. En je hoeft je in de winter geen zorgen te maken dat de warmtebatterij de woning niet snel genoeg warm krijgt. Ook daarin voorziet het buffervat.

Keizers schat dat het ’s zomers enkele weken duurt om de warmtebatterij maximaal te ‘laden’. Vervolgens moet hij in principe voldoende capaciteit hebben om de hele winter door warmte te leveren. Zowel voor het verwarmen van een huis, als voor warm tapwater.

Batterij onder het gazon

Zover is het nog niet. Het net opgeleverde prototype levert omgerekend 0,2 gigajoule per kubieke meter aan energie. De vraag van een gemiddeld huishouden ligt nu jaarlijks op 50 gigajoule (GJ), waarvan 40 GJ (80 procent) naar het verwarmen van het huis en het tapwater gaat, en 10 GJ naar elektriciteit. Die cijfers worden overigens veel hoger als gekeken wordt naar het verbruik dat nodig is om aan die gemiddelde huishoudelijke vraag te voldoen. Dat kom je op 75 GJ, 45 voor warmte en 30 voor elektriciteit. Met name bij de productie en levering van elektriciteit vanaf centrales naar huishoudens treden grote verliezen op.

Wil je met de huidige warmtebatterij een huis verwarmd krijgen, dan heb je een exemplaar van honderden kubieke meters nodig. Wie heeft die ruimte?

Maar de batterij wordt de komende jaren verbeterd. En woningen raken ook steeds beter geïsoleerd, zegt David Smeulders, hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven, die met TNO samenwerkt aan de warmtebatterij. „We mikken op huizen die straks op jaarbasis 15 gigajoule aan warmte vragen, waarvan 10 in de winter”, zegt Smeulders. Als de capaciteit van de batterij omhoog gaat naar 1 à 1,2 GJ/m3 dan zou je met een volume van 10 m3 of minder toe kunnen. „Dat zou je in de kruipruimte kwijt kunnen, onder het gazon, of onder het trottoir voor het huis.”

Smeulders richt zich in zijn onderzoek op het zouthydraat. Daar kan nog wel het een en ander aan verbeterd worden, zegt hij. In het prototype is natriumsulfide gebruikt. Maar, zegt hij, misschien is de energiedichtheid te vergroten door het te mengen met een ander zouthydraat. „We kijken bijvoorbeeld naar calciumchloride, strooizout”, zegt hij. Verder is er nog weinig bekend over de stabiliteit van zouthydraten. Hoeveel cycli van op- en ontladen kunnen ze doorlopen zonder aan stabiliteit te verliezen? „We hebben nu heel veel studenten die dat bij allerlei zouthydraten uitzoeken.” Smeulders’ groep doet ook onderzoek naar manieren om zouthydraten stabieler te maken, door ze bijvoorbeeld in een matrix te gieten.

Huub Keizers van TNO kijkt naar het hele systeem, en ziet ook daar nog genoeg mogelijkheden voor verbetering. Zo kan de warmtewisselaar compacter, zegt hij. En de korrels zouthydraat kunnen slimmer gestapeld worden.

Smeulders verwacht de warmtebatterij straks vooral in de laagbouw te zien. „Voor hoogbouw wordt het lastig, want dan heb je grotere volumes nodig.” Maar volgens Opstelten valt dat wel mee. Hij ziet juist in de hoogbouw kansen. „Appartementen hebben een relatief lage warmtevraag”, zegt hij. Onder andere omdat gestapelde woningen elkaar verwarmen. Bovendien zijn er volgens Opstelten voor hoogbouw weinig alternatieven.

Smeulders zegt dat er hoe dan ook te weinig aandacht is voor duurzame warmte. „Het gaat altijd over elektriciteit, over zonnepanelen en windturbines. Terwijl tachtig procent van de energievraag in huizen en kantoren naar warmte gaat. Pak dat nou eindelijk eens aan!”