Thermochemische materialen voor langdurige en verliesvrije warmteopslag

WARMTEOPSLAG IN THERMOchemische MATERIALEN (TCM)

Voor warmteopslag kunnen verschillende technologieën gebruikt worden, waarvan het verwarmen van water op dit moment de meest gebruikelijke is. Het grootste nadeel van deze methode is het aanzienlijke warmteverlies over langere opslagperioden (weken of maanden). Om die reden wordt gezocht naar een andere methode waarbij warmte zonder verlies en met een redelijk hoge energiedichtheid kan worden opgeslagen en die liefst niet veel duurder is dan de huidige technologie. In theorie bieden thermochemische materialen hiervoor de oplossing. De reactie wordt getoond in afbeelding 1. Doordat de warmte wordt opgeslagen met behulp van een omkeerbare chemische reactie zal de warmte niet vrijkomen zolang de reactie wordt uitgesteld. Dit is eenvoudig te doen door water en zout gescheiden van elkaar op te slaan. Zodra het water en zout met elkaar in contact komen, vindt er een exotherme hydratatiereactie plaats waarbij de opgeslagen warmte vrijkomt.

TCM WARMTEOPSLAG

Bij Materials Solutions richten we ons op het doorgronden en ontwikkelen van TCM’s. Een belangrijk doel hierbij is het verkrijgen van een stabiele TCM met een redelijke verhouding tussen kosten en baten, zodat de prestaties van het materiaal en daarmee die van de warmtebatterij over alle cycli constant is. Doel van ons onderzoek is om de komende jaren de warmtebatterij verder te ontwikkelen zodat deze technologie het demonstratiestadium ontgroeit en geschikt wordt gemaakt voor huishoudelijke toepassingen. De belangrijkste vereisten hiervoor bevinden zich op materieel niveau:

• Bedrijfstemperaturen: leveren van kraanwater en huisverwarming
• Stabiele prestaties: > 1000 cycli
• Uitgangsvermogen: 1-10 kW per 10 kg
• Energiedichtheid: 0,5 - 1,5 GJ/m³
  (onder bedrijfscondities)

Binnen onze groep hebben we drie specifieke aandachtsgebieden voor de ontwikkeling van TCM’s aangewezen:

1. 1. READY-TO-USE TCM

TNO werkt aan de ontwikkeling van verschillende technologieën die antwoord moeten geven op de uitdagingen die de beschikbaarheid van een ready-to-use TCM nu nog in de weg staan. Van zouthydraten is aangetoond dat ze ongeschikt zijn voor gebruik in pure vorm. De prestaties van het materiaal voor warmteopslag lopen na elke cyclus terug doordat het materiaal uiteenvalt en de doordringbaarheid van het bed vermindert waardoor prestaties op systeemniveau onvoorspelbaar zijn. Voor het creëren van een stabiele TCM kunnen technieken als sproeidrogen, matrix-encapsulatie en drum coating gebruikt worden. De nadruk ligt op een praktische benadering, waarbij vooral de schaalbaarheid van laboratoriumschaal naar industriële schaal van belang is.

2. 2. FUNDAMENTEEL ONDERZOEK NAAR REACTIEMECHANISME

Zonder fundamentele kennis komt er geen technische doorbraak. Daarom werkt Materials Solutions nauw samen met onderzoeksgroepen van de Technische Universiteit Eindhoven aan de warmtebatterij in huis. Samen met de TU Eindhoven bestuderen we de reactiekinetiek, beginnend op de schaalgrootte van kristallen. Deze werkzaamheden omvatten modellering (d.w.z. COMSOL) van enkelvoudige kristallen, korrels en reactorbedden en experimenten op laboratoriumschaal (d.w.z. TGA/DSC en vacuüm TGA).

1. 3. ONTWIKKELING VAN NIEUWE REACTORCONCEPTEN

Aangezien de voorziene oplossing voor warmteopslag voor elke willekeurige toepassing zal bestaan uit een combinatie van een stabiel materiaal binnen een specifiek daarvoor ontworpen opslagreservoir, moeten materiaal en reservoir compatibel zijn. Dankzij de samenwerking tussen experts op gebied van reactoren en materiaalexperts kunnen eventuele beperkingen van reactoren en materialen in een vroeg stadium worden vastgesteld en weggenomen door aanpassingen in het ontwerp. Dit heeft al geleid tot enkele demonstratieopstellingen die de komende tijd verder ontwikkeld zullen worden.

Wilt u meer informatie of bent u geïnteresseerd in warmteopslag voor uw verwarmingssysteem? Neem dan contact op met Pim Donkers of Olaf Adan.