sluiten

Inloggen

Log hieronder in met uw gebruikersnaam en wachtwoord.

Deze ontvangt u van ons bij het afsluiten van een (proef)abonnement.

Nog geen inlog? meld u gratis aan


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een (proef)abonnement?.
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice:

sluiten

Welkom bij de Kennisbank Duurzame Energie

Om de uitgebreide informatie op de kennisbank te kunnen lezen heeft u een inlogcode nodig. Deze ontvangt u bij het afsluiten van een abonnement.

Waarom de Duurzame Energie-kennisbank

  • Kennis van experts altijd beschikbaar
  • Antwoorden, oplossingen en tools
  • Toevoegen van eigen notities mogelijk
  • Praktijkcases, veelvuldig aangevuld Bekijk de voorbeelden
  • Handige formules en interactieve berekeningen. Bekijk de voorbeelden
Neem nu een abonnement >

Abonnement € 275,- per jaar, ieder moment opzegbaar. Meer over een abonnement op Duurzame Energie

Inloggen voor abonnees


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een abonnement?
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice: 088 58 40 888
Of stuur een e-mail naar: klantenservice@vakmedianet.nl

Chemische warmteopslag

Een vorm van energieopslag is chemische warmteopslag. Door gebruik te maken van een omkeerbare reactie (reversibel) is het mogelijk warmte op te slaan.

Om de heengaande reactie C → A + B (dissociatie) plaats te laten vinden, moet een hoeveelheid warmte worden toegevoegd. Bij het vormen van het reactieproduct A + B → C + warmte (associatie) komt de reactiewarmte weer vrij. In onderstaande figuur staat dit schematisch.

Principe chemische warmteopslag

Het principe van chemische opslag van warmte. Opslagvoorzieningen en reactoren zijn gescheiden weergegeven, maar zijn in werkelijkheid vaak dezelfde voorziening.

 

Bron: Duurzame Energietechniek; ir. J. Ouwehand, ir. T.J. Papa, dr. W. Gilijamse, drs. J. de Geus, drs. J. de Wit, 2014

Toepassingen van chemische warmteopslag

Er zijn diverse chemische stoffen waarbij thermische opslag uitstekend mogelijk is. Een belangrijke randvoorwaarde is echter dat het systeem eenvoudig moet zijn, gemakkelijk en natuurlijk niet te duur in het gebruik. Om die reden wordt bij veel toepassingen gebruikgemaakt van hydratatiereacties, reacties waarbij water in een stof kan worden opgenomen of afgestaan. Bij dit opnemen of afstaan wordt ook veel latente warmte opgeslagen of afgestaan. Deze systemen doen sterk denken aan de latente warmteopslagsystemen met de gehydrateerde zouten. Daarbij gaat het echter om een mengstof in een kristallisatie-/dekristallisatiereactieproces terwijl bij chemische opslag sprake is van twee fysiek gescheiden stoffen. Nauw verwant aan deze thermochemische systemen zijn de fysisorptiereacties (waarbij water ‘vastplakt’ aan een stof) van water met bijvoorbeeld silicagel of bepaalde zeolieten.

 

Belangrijke parameters zijn ook hier opslagcapaciteit en -dichtheid, temperatuurniveau, toxiciteit en andere milieuaspecten van de stoffenparen, snelheid en omkeerbaarheid van de reactie, massa- en warmteoverdracht en mechanische en chemische stabiliteit.

 

Net als bij de latente opslagsystemen liggen de netto opslagdichtheden tussen de 250 en 4000 kJ/kg, dus opnieuw een orde van grootte hoger dan bij warmteopslag met behulp van water. Bij chemische opslagsystemen, waar dus daadwerkelijk doorlopende chemische reacties plaatsvinden, is de bruto opslagdichtheid soms wel 10 keer lager dan de netto waarde. Dit komt doordat veel chemische warmteopslagsystemen veel groter worden door hun beveiliging en randapparatuur dan alleen het reactorgedeelte van de warmteopslagreactie.

 

Men onderzoekt momenteel veel van de stoffenparen die voor chemische opslag van warmte kunnen worden gebruikt. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de stoffenparen van thermochemische opslagsystemen die als kansrijk worden beschouwd.

stoffenparen voor thermochemische opslagsystemen

Een aantal stoffenparen waarnaar veel onderzoek wordt verricht in het kader toepasbaarheid voor thermochemische opslagsystemen.

 

Silicagel

Van silicagelkristallen bestaan diverse typen die alle gebaseerd zijn op SiO2-kristallen (kwartskristallen) die gemakkelijk waterabsorberend zijn gemaakt. Ze worden al lange tijd toegepast voor het op peil houden van de luchtvochtigheidsgraad in de leefomgeving. In warme streken worden verven daarom vaak aangemengd met silicagel. Een bijkomend effect is het thermische effect: bij opname van water komt warmte vrij, scheiden kost warmte.

 

Bij toepassing voor warmteopslag mengt men silicagel met waterhoudende zouten. De toepassing van het boraxzout Na2[B4O5(OH)4].8H2O) lijkt op dat van Glauberzout Na2SO4.10H2O bij de latente warmteopslagsystemen. Het nadeel van Glauberzout is dat het niet geheel oplost in zijn eigen kristalwater: bij dissociatie blijft zo’n 15% over in (niet-gehydrateerde) zoutkristalletjes. Het gevolg is dat de vice versa verlopende reactie op den duur achteruitgaat en daarmee tevens de thermische opslagcapaciteit.

 

Borax

Borax (overigens geconditioneerd met allerlei geleermiddelen) vertoont dit verschijnsel niet of in geringe mate. Ook mengsels van borax en Glauberzout worden momenteel op diverse plaatsen onderzocht.

 

SWEAT

Het meest veelbelovend lijkt de stof Na2S.nH2O te zijn. ECN heeft veel energie gestoken in de ontwikkeling daarvan (SWEAT-project, onderstaande figuur). Dit is een voorbeeld van een anorganisch hydraat, een systeem dat water op kan nemen en weer afstaan.

 

Hierbij wordt gebruikgemaakt van de omkeerbare absorptiereactie:

 

Na2S + nH2O ⇔ Na2S.nH2O + warmte

 

Het systeem werkt als een soort vaste stof absorptiewarmtepomp. Het laden vindt plaats door toevoer van warmte aan de accumulator (het waterdampabsorberende zout) waardoor het water in dampvorm het zout verlaat. De waterdamp condenseert in de condensor rechts in onderstaande figuur. Opslag vindt plaats door scheiding van het zout en het water. Bij ontladen wordt deze scheiding verbroken en er komt warmte vrij in de accumulator. De verdamper onttrekt juist warmte van lage temperatuur uit de omgeving (koudeproductie, zie figuur).

SWEAT -principe

Het SWEAT -principe (Salt Water Energy Accumulation and Transformation).

 

De Sweat-technologie heeft haar potentieel duidelijk bewezen: de proefnemingen bij het ECN zijn erg positief verlopen. Het grootste probleem is de sterke corrosiviteit van het Na2S-zout. Daardoor is marktintroductie tot nu toe nog niet van de grond gekomen.

 

TCA-systeem

Een enigszins vergelijkbare technologie is het zogenoemde TCA-systeem (TCA staat voor ThermoChemische Accumulatie). Het is ontwikkeld en gepatenteerd door het Zweedse bedrijf Climate Well AB.

 

Ook hier wordt warmteopslag gerealiseerd in hygroscopisch zout. Een eenvoudig voorbeeld (zie onderstaande figuur) laat zien hoe dit werkt. In de vacuümruimte staan twee schaaltjes, één met water en één met LiCl-zout. In het rechterschaaltje verdampt het water; dat kost warmte en dat schaaltje zal dus afkoelen. Het hygroscopische zout onttrekt het water aan de lucht. Bij dit proces* komt juist warmte vrij en het linker schaaltje wordt warmer. Deze warmte kan worden gebruikt.

 

Het is niet zo dat bij het opnemen van water door een zout altíjd warmte vrijkomt. Dit is wel zo als de hydratatie-enthalpie groter is dan de kristallisatie-enthalpie. Deze enthalpieën hangen af van de soort zout en van de hoeveelheid opgenomen water.

 Principe van TCA

Principe van TCA door verdamping van water en hydratatie aan zout.

 

Indien er – omgekeerd – warmte wordt toegevoegd aan het zout, dan verdampt het water uit het zout en condenseert het op een koelere plek. Het resultaat is een soort warmtepomp die warmte of koude kan leveren vanuit een variabele energiebron (zoals zonne-energie). Deze energie kan daardoor later gebruikt worden, als er vraag naar is en als het aanbod laag is.

 

Onderstaande figuur geeft een TCA-eenheid zien zoals deze in de praktijk functioneert.

TCA-eenheid in de praktijk

TCA-eenheid in de praktijk.

 

Er zijn twee compartimenten. Bij het opladen wordt warmte aan de reactortank toegevoegd (links in bovenstaande figuur) om de vloeibare zoutoplossing te drogen. Het hierbij vrijgekomen vocht wordt naar het bovenste compartiment (de condensator-/evaporatortank) getransporteerd en condenseert daar op de warmtewisselaar. Ook wordt de vloeibare zoutoplossing, na te zijn gefilterd, uit de zoutoplossing omhoog gepompt naar de sproeiarm bovenin de reactortank (comp. 1). Het water in de oplossing verdampt voor een deel op het warmtewisselend oppervlak en dan wordt het eveneens naar de condensator-/evaporatortank (boven in de figuur) getransporteerd waar het op de warmtewisselaar condenseert. Het zout in de oplossing slaat deels neer en stroomt naar beneden, terug de vloeibare oplossing in, die steeds meer zoutkristallen bevat.

 

Bij het ontladen pompt de condensator-/evaporatorpomp water over de warmtewisselaar boven in het vat, waar het verdampt en de warmtewisselaar afkoelt en kan worden gebruikt om een woning te koelen. Als het water in de onderste tank aankomt, komt bij absorptie van vocht door het zout warmte vrij, die gebruikt kan worden om een woning te verwarmen. Omdat het hele systeem in een 6 tot 60 mbar vacuüm is geplaatst, kookt water al bij ongeveer 6 °C. Dit verdampen wordt door het hygroscopische zout in stand gehouden; het zal vocht uit de lucht blijven absorberen totdat het is verzadigd.

 

Eén TCA-eenheid, zoals hiervoor beschreven, is niet voldoende om constant energie op te slaan en te leveren. Door twee TCA-eenheden aan elkaar te koppelen, kan dat wel: de ene wordt dan opgeladen terwijl de andere zich ontlaadt.

 

Zeolieten

Weer een andere mogelijkheid voor chemische warmteopslag vinden we met zogeheten zeolieten. Ze kunnen zoals gezegd gemakkelijk warmte opnemen en afstaan. Zo absorbeert een zeoliet waterdamp in een reactie waarbij warmte vrijkomt (exotherm) en om de waterdamp weer vrij te maken is warmte nodig. Een probleem is echter dat de meeste natuurlijke zeolieten een optimale werking hebben bij temperaturen hoger dan circa 100 °C. Daarom maakt men voor warmteopslag gebruik van industrieel gefabriceerde zeolieten. De firma Vaillant heeft een gasgestookte warmtepomp ontwikkeld die met zeolietkorreltjes is uitgerust. Het rendement is tot circa 30% hoger dan conventionele systemen en is inmiddels wereldwijd gepatenteerd.

 

Een voorbeeld is een schoolgebouw in München (onderstaande figuur). De warmteopslag wordt geladen in een periode van aanbod bij een temperatuur van 130 °C (’s nachts, weekend) en afgestaan als daar vraag naar is. De capaciteit bedraagt ongeveer 100 kW gedurende 14 uur.

Thermofysische/chemische warmteopslag met zeoliet

Thermofysische/chemische warmteopslag met behulp van zeoliettoepassing in een schoolgebouw (Schölkopf, 1994).

Gerelateerd aan Chemische warmteopslag