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

Latente warmteopslagsystemen

De naam voor deze opslagsystemen komt van het feit dat ze niet gebruikmaken van voelbare warmte (met een tastbaar temperatuurverschil), maar van de zogeheten latente warmte.

 

Zo geeft waterdamp van 100 °C heel veel latente warmte af als deze condenseert naar water van 100 °C, en hetzelfde geldt (hoewel met minder latente warmte) voor de overgang van water naar ijs bij 0 °C. We noemen deze warmte latente warmte, omdat ze vrijkomt of opgenomen wordt terwijl de temperatuur gelijk blijft. Voor latente warmteopslag is water minder geschikt: het kookpunt is te hoog en het smeltpunt is te laag.

 

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

Fasetransformatiematerialen

In de verwarmingstechniek maakt men gebruik van andere zogeheten fasetransformatiematerialen (in het vervolg: FTM’s, Engels: Phase Change Materials, PCM’s). Het gaat hierbij bijna altijd om de latente warmte behorend bij de faseovergang van vloeibaar naar vast (gas naar vloeibaar kan wel, maar levert minder op vanwege de geringe massa en warmtecapaciteit van gassen – en werken met gassen onder hoge druk maakt de installaties te kostbaar).

 

Het smelten van stoffen kost veel warmte en bij het stollen komt die warmte weer vrij. Om die reden is bij energieopslagtoepassingen met latente warmtedragende stoffen een veel hogere specifieke energiedichtheid haalbaar dan met gewone voelbare warmte. Simpel gezegd: met smelten en stollen van stoffen is veel meer warmte gemoeid dan met bijvoorbeeld 10 of zelfs 25 °C temperatuurstijging van eenzelfde hoeveelheid stoffen. Dit resulteert bij latente warmteopslag in een veel kleiner volume (een factor 5 à 10) dan bij voelbare warmteopslag.

 

Dit voordeel is vooral interessant indien warmte slechts over een temperatuurtraject van enkele graden kan worden opgeslagen (zie onderstaande figuren); de kracht van FTM’s vinden we dus vooral bij kleine temperatuurtrajecten terug. Hierbij kan men denken aan koudeopslag, opslag van tapwater en warmteopslag in combinatie met gebruik van warmtepompen, WKK, enzovoort.


vergelijking van warmteopslag in water en een FTM met een smelttemperatuur van 29 °C

Een vergelijking van de warmteopslag in water en een FTM met een smelttemperatuur van 29 °C. Zo’n stof kan een paraffinesoort zijn met de Tsmelt rond 29 °C.

Vergelijking warmteopslagcapaciteit latente warmte (FTM) met voelbare warmte (water) over een kleine temperatuursprong

Vergelijking warmteopslagcapaciteit latente warmte (FTM) met voelbare warmte (water) over een kleine temperatuursprong. De FTM, gehydrateerd natriumacetaat heeft een smelttemperatuur van ongeveer 56 °C.

Beschrijving fasetransformatiematerialen

FTM’s zullen vooral daar toegepast worden waar een klein temperatuurtraject, een beperkt inbouwvolume of een beperkte vloerbelasting beschikbaar of mogelijk is.

Daarnaast kan er door de vrijwel constante temperatuur met een constant vermogen geladen en ontladen worden, wat de regeling van een buffer eenvoudiger maakt.

 

Afhankelijk van het temperatuurniveau van de warmte- of koudevraag moet een geschikte FTM worden gezocht met een bijpassende smelttemperatuur. Daarnaast is nog een aantal andere eigenschappen van het materiaal van belang:

  • smelt- en soortelijke warmte van de FTM;
  • warmtegeleiding van het materiaal;
  • volume- en dichtheidsveranderingen tijdens laden en ontladen van FTM’s;
  • stol-, kristallisatie- en smeltgedrag en natuurlijk giftigheid en chemische stabiliteit.

 

De FTM’s die we gebruiken, kunnen in twee hoofdgroepen worden opgesplitst: organische (paraffines, polymeren) en anorganische (meestal zouthydraten, zoals het al vermelde gehydrateerde natriumacetaat). Een vergelijking van deze materialen staat in onderstaande tabel.

Vergelijking van enkele eigenschappen van de twee belangrijkste groepen FTM’s

Vergelijking van enkele eigenschappen van de twee belangrijkste groepen FTM’s [ECN].

 

Het valt op dat zouthydraten een vrijwel constante smelttemperatuur vertonen, terwijl organische FTM’s – afhankelijk van de verdeling van de ketenlengte – een aanmerkelijk breder overgangsgebied (smelt-/stoltraject) hebben. De smelttemperatuur voor paraffines neemt lineair toe met de ketenlengte (onderstaande figuur).

 

De warmtecapaciteit van paraffines is meestal wat hoger dan die van zouthydraten. De warmtecapaciteit van zouthydraten stijgt met de graad van hydratatie, maar een hogere hydratatiegraad gaat veelal gepaard met ontmengingverschijnselen (incongruent smelten).

 

De warmtegeleiding in vaste vorm van zouten is veel beter dan van paraffines, in vloeibare vorm zijn de verschillen kleiner. De dichtheid van zouthydraten ligt hoger dan de dichtheid van paraffines. De beperkende factor voor het thermisch laadvermogen is bij zouten de kristallisatiesnelheid. Bij paraffines is dit de warmtegeleiding. Paraffines hebben nauwelijks last van onderkoeling4, zouthydraten echter wel. Meestal voegen we daarom additieven aan de zouthydraten toe; die zorgen dat kristallisatie gemakkelijker begint.

 

Vanwege de corrosiviteit, de hygroscopische werking en de ontmengingverschijnselen kunnen zouthydraten het beste met additieven in een container worden ingekapseld. Hierdoor wordt tevens een oppervlak gecreëerd voor de warmte-uitwisseling bij het thermisch laden en ontladen van de FTM.

 

Heel belangrijk is de wijze waarop men de warmte in- en uitvoert. Voor de warmteoverdracht is een bepaald temperatuurverschil nodig dat grotendeels bepaald wordt door de toepassing. Bij een warmtepomp is vanwege het systeemrendement (de CoP) slechts een klein temperatuurverschil DT acceptabel, terwijl een WKK-toepassing meestal een ruimer temperatuurtraject toelaat.

 

Naast het temperatuurverschil is het beschikbare warmtewisselend oppervlak belangrijk. Dit bepaalt immers mede het laad- en ontladingsvermogen. De toepassing bepaalt de warmtevraagperiode en het benodigde vermogen en daarmee de warmte-inhoud en dus het volume van de buffer. Bij een dag/nachtcyclus bijvoorbeeld zijn laad- en ontlaadtijden van ongeveer 6 uur acceptabel, in andere gevallen is dat te lang.

 

FTM’s worden vaak in dunne of dikkere buizen ingekapseld. De gewenste ontlaadtijd en het beschikbare temperatuurtraject voor de warmteoverdracht bepalen de buisdiameter (zie onderstaande figuur). Voor ontlaadtijden van 6 uur is door de beperkte warmtegeleiding in paraffines en de ontleding van zouthydraten een verplaatsing van het smeltfront mogelijk van ongeveer 20 mm. Fabrikanten leveren deze FTM’s dan ook meestal ingekapseld in containers (buizen, soms ook bolletjes, blikken) die in diameter niet veel groter zijn.

Verband tussen T bij warmteoverdracht, buisdiameter en laad- ontlaadtijd voor zouthydraat FTM’s

Verband tussen T bij warmteoverdracht, buisdiameter en laad- /ontlaadtijd voor zouthydraat FTM’s.

Voorbeelden FMT’s

Ingekapselde/verpakte FTM’s

Ingekapselde zouthydraat-FTM’s worden meestal kant-en-klaar geleverd met daaraan toegevoegd additieven voor een stabiel cyclisch gedrag en tegen onderkoeling. Inkapseling is overigens vaak gewenst om corrosieve werking van het zout binnen de installatie te voorkomen. Macro-inkapseling wordt al een aantal jaren commercieel toegepast voor zouthydraten geschikt voor koudeopslag. De laatste jaren is ook een breder assortiment voor warmteopslag verkrijgbaar.

 

De keuze van de inkapseling is zodanig dat de warmtegeleiding optimaal is voor de toepassing. Het omhulsel moet echter tevens de uitzetting van het FTM opvangen. Daarvoor wordt vaak gebruikgemaakt van een luchtkamer. Dat betekent dat het omhulsel dus niet voor de volle 100% is gevuld met FTM. De temperatuurbestendigheid van het materiaal moet hoger ligger dan het werkingsgebied van de FTM.

 

De kosten worden niet zozeer door het materiaal bepaald, maar vooral door de ontwikkelings- en productiekosten voor de opslag in containers. De kosten liggen op dit moment op ongeveer € 65,- per kWh voor kleine series. Bij massaproductie kunnen deze kosten nog flink dalen.

 

Er zijn FTM’s met diverse omhulsels op de markt verkrijgbaar. Zo maakt de Zweedse firma Climator kleine aluminium zakjes. Toepassingen vinden we bijvoorbeeld in de koeling van transformatorinstallaties, laptops, telecomtoepassingen.

De firma Cristopia produceert bolvormige capsules (zogeheten nodulen) van HDPE gevuld met een eutectisch zout (zie onderstaande figuur). Door de vorm is het eenvoudig om tanksystemen te vullen met de bolletjes.

Nodule van Cristopia; het fase-transformatiemateriaal is een gehydrateerd zout

Nodule van Cristopia; het fase-transformatiemateriaal is een gehydrateerd zout.

 

Het is ook mogelijk gesloten buizen te vullen met FTM en te omstromen in een tanksysteem. Een derde mogelijkheid is om het zout in een tanksysteem op te slaan en een netwerk van kleine buisjes te laten zorgen voor de warmtewisseling. Deze oplossing wordt toegepast door de Duitse firma Schneider (onderstaande figuur).

natriumacetaatsysteem

Schematische weergave van het natriumacetaatsysteem.

 

Het voordeel van deze oplossing is een grote warmteopslagcapaciteit; nadeel is dat kristallisatie onderin de bodem moet worden voorkomen. Dat kan op diverse manieren: met behulp van periodiek werkende circulatiepompen, additieven toevoegen aan het zout, enzovoort.

 

Warmteopslagtanks

Bij dit systeem maakt de firma Schneider gebruik van een opslagsysteem gevuld met gehydrateerd natriumacetaat (CH3COONa.3H2O). De tank is voor ongeveer 95% met natriumacetaat gevuld. Een synthetische olie wordt rondgepompt door een groot aantal, vlak bij elkaar gelegen buisjes (zie onderstaande figuur) om te zorgen voor de warmteoverdracht naar het fasetransformatiemateriaal. Tijdens het ontladen wordt in het FTM een kristalmassa gevormd, die een goede doorstroming van het transportmedium garandeert.

 

De warmteoverdracht verloopt eveneens goed, omdat er geen warmte door een wand hoeft worden overgedragen. Een warmtewisselaar gemaakt van een niet-corrosief metaal draagt hierbij de warmte over. Het systeem is met cellulose geïsoleerd. De temperatuur van de faseovergang (ongeveer 55 °C) is uiterst geschikt. Het systeem is inmiddels in zes types commercieel verkrijgbaar en men kan kiezen voor een glasvezelversterkte of RVS-tank met een maximum temperatuurniveau van 70 of 110 °C. De afmetingen variëren van een brutovolume van 1,8 tot 4,5 m3 bij een netto volume van 0,35 tot 1,94 m3. De isolatie van het systeem neemt ongeveer 60% van het nuttige volume in. Het systeem wordt toegepast in de industrie, utiliteitsbouw en is eveneens geschikt voor de glastuinbouw.

 

In plaats van natriumacetaat kan voor dergelijke systemen ook gewerkt worden met Glauberzout (Na2SO4.10H2O). Deze stof heeft het smeltpunt rond 23 °C en is daarom geschikt voor toepassingen in de woningbouw. Door toevoeging van kaliumchloride kan men de fasetemperatuur iets verhogen.

 

De Duitse firma Reenergie heeft een Powertank (onderstaande figuur) ontwikkeld die bestaat uit een aantal cellen gevuld met paraffine.

gebruik van de powertank van Reenergie

Weergave van het gebruik van de powertank van Reenergie. Rechts de (paraffinegevulde) powertank.

 

Het idee bij gebruik in een passievezonne-energiewoning is geïllustreerd in onderstaande  figuur. Overdag smelt de paraffine; ’s nachts stolt deze stof weer naarmate er warmte aan wordt onttrokken.

de Reenergie FTM-vat (powertank) in een PZE-woning

Integrale voorstelling van de Reenergie FTM-vat (powertank) in een PZE-woning.

Linksboven staat de zonnecollector, rechtsboven radiator en vloerverwarming, linksonder een warmtewisselingstank en rechtsonder staat een kleine unit voor elektrische bijverwarming.

 

De installatie is leverbaar met een opslagvolume van 360 en 720 liter. De warmtecapaciteit bedraagt per 15 °C respectievelijk 85 en 170 kWh, ruim voldoende voor verwarming gedurende de nacht.

 

Het installatieschema is uiteraard veel ingewikkelder. De belangrijkste technische gegevens onderstaande tabel.

Belangrijkste kentallen van de powertank

Belangrijkste kentallen van de powertank.

 

Het Reenergiesysteem werkt goed in een dag- en nachtcyclus. In seriegebruik is eventueel ook een veel langere periode (1 tot 2 weken) te overbruggen.

GaLiSol

Het GaLiSol (Gaseous-Liquid-Solid)-opslagsysteem is een dynamisch opslagsysteem voor latente warmte. Warmteaccumulatie en interne warmte-uitwisseling worden bewerkstelligd door gebruik te maken van drie aggregatiefases (vandaar ook de naam).

 

Het gewenste temperatuurverschil wordt bepaald door de warmte van de gebruikte opslag- of warmtetransportmedia. Het opslagsysteem is opgebouwd uit drie componenten:

  • fasetransformatiemateriaal,
  • warmtetransportmedium en
  • additieven om invloed uit te oefenen op het vormen van kristallen.

 

Het werkingsprincipe is gebaseerd op een ingenieuze wisselwerking tussen het warmtetransportmedium, dat van vloeibaar naar gasvormig kan overgaan en de FTM, die van vast naar vloeibaar kan veranderen. Door de toepassing van smelt- én verdampingswarmte komt men aan een groter warmte-uitwisselingsvermogen.

 

Systemen op basis van GaLiSol zijn te koop maar zijn qua prijs momenteel nog niet commercieel interessant.

Overige toepassingen FTM

De ontwikkeling van FTM’s voor diverse toepassingen is in volle gang. In het onderstaande noemen we de belangrijkste toepassingen.

 

FTM in auto’s

Op meerdere plaatsen onderzoekt men de mogelijkheden van opslag van warmte vande motor op te slaan in FTM’s om voor een volgende rit koelwater en olie snel op te warmen.

 

Voordelen zijn een lagere uitstoot van schadelijke stoffen in de verbrandingsgassen, een snellere opwarming motor en passagiersruimte en dus meer comfort.

 

Zonnecollector

Bij een grote paprikakwekerij in Turkije zijn met een drietal zonnecollectoren tests gedaan met een bijzonder opslagmedium: twee van de drie collectoren waren gevuld met 44 matzwarte celluloid tafeltennisballetjes gevuld met respectievelijk CaCl2.6H2O (Ts = 27,22 °C) en Glauberzout aangevuld met kaliumchloride (Ts = 32 °C). Langs de collectoren wordt lucht geblazen om de warmte te onttrekken.

 

Bij toepassingen in de kasbouw moet de fasetemperatuur overeenkomen met de optimale groeitemperatuur van de geteelde gewassen.

Toepassingen FTM in de bouw; passieve warmte- en koudeopslag

In een aantal opzichten is het gunstig om de thermische massa van woningen te verhogen. Gezien vanuit het oogpunt van energie is het voordeel dat pieken in warmteen koudevraag in woningen en utiliteitsgebouwen gemakkelijker op te vangen zijn.

 

De eenvoudigste weg is het vergroten van de gebouwmassa en gebruikmaken van voelbare warmte. Voorbeelden van gebouwen met een grote gebouwmassa zijn oude kerken, kastelen en kelders, waar de temperatuur het hele jaar bijna constant kan zijn. Voor een constante temperatuur moet de verhouding bouwmassa en volume van het gebouw zo groot mogelijk zijn. Daarnaast is een goede warmteoverdracht nodig van binnenlucht naar bouwconstructie (en vice versa). Inmiddels is de optie aanwezig – en relevant – om gebruik te maken van FTM’s met een smelttemperatuur rondom de menselijke comforttemperatuur.

 

Deze materialen kunnen ook worden verwerkt in bouwmaterialen. FTM’s zijn zeer geschikt om temperatuurschommelingen in een gebouw te beperken. In de zomer neemt het materiaal overdag de warmte op en door ’s nachts te ventileren wordt de warmte weer afgegeven.

Zo kan bespaard worden op investerings- en energiekosten van koelmachines. In de rest van het seizoen neemt het bouwmateriaal, geïmpregneerd met FTM, passieve zonne-energie op, zodat de verwarmingskosten beperkt kunnen worden. Deze FTM’s gecombineerd met bouwmaterialen zijn zeer geschikt voor muren en plafonds in de bestaande bouw en in de nieuwbouw.

 

De specifieke warmtecapaciteit van bouwmaterialen bedraagt ongeveer 1 kJ/kg ⋅ K, wat gelijk is aan 4 kJ/kg over het traject 20-24 °C. Het toevoegen van ongeveer 10% FTM met een smeltwarmte van 200 kJ/kg bij 22 °C geeft in het traject van 20‑24 °C een verhoging van de warmtecapaciteit van 4 naar 24 kJ/kg en zelfs 4% FTM extra geeft al een toename van de thermische massa met een factor 3!

 

Passieve koeling van gebouwen door bijvoorbeeld nachtventilatie is zinloos zonder voldoende thermische massa. FTM’s kunnen de thermische massa, zoals zojuist aangegeven, in het comfortgebied sterk verbeteren met een zeer beperkte massatoename. De verwarmings- en koelingsvraag – en daarmee de installatiekosten en variabele kosten – kunnen door het balanceren van de thermische belastingen over een dag/nachtcyclus door het toepassen van FTM’s sterk worden beperkt.

 

Gebruik van gehydrateerde zouten is bij toepassing in bouwmaterialen niet zo gemakkelijk. Ze zijn uitstekend mengbaar, maar de mechanische eigenschappen van de bouwmaterialen worden door deze FTM’s soms ongunstig beïnvloed. Omgekeerd heeft de aanwezigheid van bouwmaterialen zoals gips, poriso of cement weinig invloed op de werking van FTM’s.

 

De organische FTM’s hebben enkele eigenschappen waardoor ze wel geschikt zijn voor toepassing in bouwmaterialen. De bestanddelen smelten gelijkmatig, onderkoeling is nauwelijks een probleem, ze zijn chemisch stabiel en ze zijn goed in diverse materialen te impregneren.

 

Nadelen zijn de iets hogere kosten, de brandbaarheid en uitdamping, de geur van sommige organische FTM’s is niet prettig en er kan een te grote volumeverandering optreden bij een faseovergang. Bouwmaterialen met daarin FTM’s verwerkt, zijn al jaren commercieel verkrijgbaar. In de markt echter zijn de FTM’s nog bepaald niet ingeburgerd. Dit heeft te maken met een zeker conservatisme, maar ook met de garantiebepalingen van 10 jaar of meer die in de bouwwereld inmiddels gebruikelijk zijn. De ervaring met dit soort materialen is vaak nog vrij recent.

 

Constructieve nadelen kunnen worden vermeden door de materialen in te kapselen in microcapsules. Deze micro-ingekapselde FTM’s zijn capsules met een diameter van 15 tot enige honderden mm, gevuld met organisch FTM-materiaal en een stevige schaal (vaak HDPE). Ze zijn goed verwerkbaar en hebben een hoge warmteoverdracht.

Doorsnede van een micro-FTM

Doorsnede van een micro-FTM. De diameter is ongeveer 15-100 mm.

 

Het inkapselen is feitelijk een fysisch/chemisch proces. De organische FTM zelf bestaat meestal uit een waterafstotende stof zoals koolwaterstof, paraffine en wassen met een ketenlengteverdeling die ze een geschikt smelttraject geeft. Dit is afhankelijk van de toepassing, maar zal in de meeste gevallen rondom de comforttemperatuur liggen.

 

FTM’s worden, zoals al aangegeven, ook in andere materialen toegepast. Voorbeelden daarvan zijn koelvloeistoffen, verven en coatings, vloerbedekking, beschermende kleding, koeling en beschermingsmaterialen van elektronica.

 

De laatste tijd wordt er ook veel aandacht besteed aan toepassing van zeolieten (Gr.: zeo-lithos, kokende (ziedende) stenen). Zeolieten zijn zelfgehydrateerde (vaak natuurlijke) mineralen die een bepaalde hoeveelheid kristalwater bevatten. Een voorbeeld van een natuurlijke zeoliet is tufsteen, een licht, vulkanisch gesteente. Zeolieten zijn goed toepasbaar in bouwmaterialen of zelfs als bouwmaterialen. In combinatie met bouwmaterialen kan de warmtecapaciteit van de constructie sterk worden verhoogd.

 

De eigenschap van zeoliet om water op te kunnen nemen en af te staan, is een voorbeeld van een thermochemisch systeem. Kijkend naar de water-zeolietabsorptie, dan kunnen is de vergelijking als volgt in tevullen:

 

AB (Gehydrateerd zeoliet) + warmte ↔A (Zeoliet) + B (Waterdamp)

 

Het onderdeel chemische warmteopslag gaat verder in op de werking van zeolieten.