Tot nu toe was het een uitdaging om de energie op te slaan die we opwekken als de zon schijnt en de wind waait. Maar onderzoekers van een laboratorium in Trondheim in Noorwegen zijn erin geslaagd om dit te doen - en volledig zonder enige vorm van geavanceerde batterijtechnologie.

Van de buitenkant ziet het eruit als een zilverkleurige container met een klein rond venster dat in de zijkant is uitgesneden en verschillende pijpen die naar binnen en naar buiten leiden. Warmte wordt eerst in het systeem gezogen en na een tijdje weer afgegeven.

Deze "container" maakt het mogelijk om op zonnige en winderige dagen opgewekte warmte-energie op te slaan en weer vrij te geven als het kouder wordt. De technologie die het systeem aandrijft, is gebaseerd op zogenaamde "phase change materials" (PCM's) in combinatie met warmtepompen.

De bron van de energie kan van alles zijn:elektriciteit opgewekt door zonnepanelen, restwarmte van een fabrieksgebouw of overtollige energie van een windturbine. Hier, in het ZEB-laboratorium (Zero Emission Building) dat wordt beheerd door SINTEF en NTNU, wordt de energie voor opslag gehaald uit de zonnepanelen die het grootste deel van het dak en de zuidgerichte gevel van het gebouw bedekken.

Water is 's werelds meest voorkomende faseovergangsmateriaal

Maar wat is een faseovergangsmateriaal? Alexis Sevault is Research Manager bij SINTEF Energy Research en legt het graag uit.

In feite is water een faseovergangsmateriaal in zijn eenvoudigste en meest bekende vorm. Het kan in ijskristallen veranderen als de temperatuur onder nul graden Celsius daalt, vloeibaar worden als de temperatuur stijgt en in stoom veranderen als het de 100 graden nadert. Water heeft ook het vermogen om zich in verschillende fasen anders te gedragen en, belangrijker nog, kan warmte in vloeibare vorm opslaan.

Wetenschappers noemen faseveranderende materialen, of PCM's, materialen die zich in hun verschillende fasen anders gedragen en die ook warmte kunnen opslaan.

Er zijn veel PCM's die in vloeibare vorm warmte kunnen opslaan. Wat deze materialen in deze context interessant en vooral praktisch maakt, is dat hun smeltpunt niet nul graden is.

Smeltpunt:37 graden Celsius

Door deze eigenschap kunnen PCM's worden gebruikt als zogenaamde "warmtebanken". Met andere woorden, als batterijen. In het grote zilverkleurige bakje in het ZEB-laboratorium zit een PCM dat smelt bij lichaamstemperatuur.

"Het apparaat bevat drie ton vloeibare biowax op basis van een plantaardige olie die niet als voedsel kan worden gebruikt", zegt Sevault. "Op dezelfde manier dat water in ijs verandert, wordt de was een vast, kristallijn materiaal wanneer het voldoende koud wordt. 'Koud' voor deze specifieke was betekent onder de 37 graden," zegt hij, en voegt eraan toe:

"Maar er zijn andere soorten biowax die verschillende smeltpunten hebben, die allemaal kansen bieden voor veel vergelijkbare toepassingen."

Slimme moleculen

Als we de biowas in detail bekijken, zien we dat deze is opgebouwd uit moleculen die zich zeer zuinig gedragen op het gebied van warmte.

Om energie te besparen, schikken de moleculen zich zeer dicht bij elkaar wanneer de biowas in de vaste fase is. Ze clusteren dicht bij elkaar en blijven relatief stil, vergelijkbaar met een zwerm koude pinguïns op een ijsschots.

Terwijl het materiaal smelt, worden de bindingen die de moleculen bij elkaar houden losgemaakt en beginnen ze te bewegen met wat we kinetische energie noemen. Naarmate er meer warmte uit hun omgeving wordt aangevoerd, worden de moleculen meer opgewonden. Ten slotte worden ze verlost van hun banden en kunnen ze vrij en onafhankelijk trillen. Wanneer dit gebeurt, is de biowax van fase veranderd en vloeibaar geworden.

En het tegenovergestelde is waar. Wanneer de was verandert van een vloeistof in een vaste stof, geven de moleculen een groot deel van hun kinetische energie af aan hun omgeving. Ze stoppen met trillen en beginnen weer samen te clusteren om energie te besparen. De was wordt dan weer een vaste stof.

Biogebaseerd en onderhoudsvrij

Dit is het fenomeen dat onderzoekers uitbuiten in de zilveren container. De energie die wordt verzameld door de externe zonnepanelen van het gebouw wordt via een warmtepomp naar de grote 'batterij' geleid en hier kunnen de biowax-moleculen naar hartelust dansen - vol met hun vloeibare energie.

Wanneer het tijd is om de energie te onttrekken, krijgt vloeibaar water de taak van de 'praktische energiedrager'. Allereerst wordt koud water door het warmteopslagsysteem gestuurd. Na korte tijd wordt het nu verwarmde water uit het apparaat afgevoerd en naar de radiatoren en het ventilatiesysteem geleid, waardoor verwarmde lucht aan het gebouw wordt geleverd.

Een effectief, functioneel systeem

Deze technologie wordt nu al meer dan een jaar gebruikt als onderdeel van het verwarmingssysteem van het ZEB Laboratorium.

"Het op PCM gebaseerde warmteopslagsysteem levert precies de prestaties die we verwachtten", zegt Alexis Sevault. "We maken zoveel mogelijk gebruik van de zelfgeproduceerde zonne-energie van het gebouw. ​​We merken ook dat het systeem zeer geschikt is voor het zogenaamde 'peakshaving'", zegt hij.

"Door de bio-batterij op te laden voor de koudste delen van de dag, voorkomen we dat het gebouw waardevolle stroom van het elektriciteitsnet verbruikt op momenten dat ook de rest van Trondheim een ​​grote vraag heeft", zegt Sevault. "Dit biedt ons een mate van flexibiliteit die ook kan worden gebruikt om fluctuaties in de spotprijs te benutten. We kunnen onze batterij opladen wanneer we toegang hebben tot energie van zon, wind en afvalwarmte, en output onttrekken wanneer de elektriciteitsprijs hoog is ," hij legt uit.

Bovendien heeft het eerste jaar van exploitatie grote hoeveelheden data opgeleverd die onderzoekers nu gaan gebruiken om zowel het ontwerp als de werking van het systeem te optimaliseren, zodat er zoveel mogelijk output kan worden geëxtraheerd.

Het meest geschikt voor industriële toepassingen

Het systeem is dus veel minder geavanceerd dan een traditionele batterij, maar het is niet geschikt voor alle gebouwen. Als nieuwe technologie blijven de investeringskosten hoog. Het nadeel is dat zo'n systeem niet voor iedereen werkt. Op dit moment althans niet.

"Dit systeem zal ideaal zijn voor industriële en kantoorgebouwen, en in buurten waar de warmte kan worden gedistribueerd", zegt Sevault. "Het beste is dat de technologie vrijwel onderhoudsvrij is. Hij gaat minstens 25 jaar mee", zegt hij.

Ook werken de onderzoekers aan de ontwikkeling van slimme regelsystemen met als doel de output te optimaliseren. Hiermee kan het systeem als geheel inspelen op en worden geregeld in overeenstemming met de behoeften van zijn omgeving. Dit betekent in de praktijk dat de manier waarop het systeem wordt geëxploiteerd kan worden gestuurd door factoren als weersvoorspellingen en fluctuaties in de elektriciteitsprijs. Dit onderzoek wordt uitgevoerd door SINTEF in samenwerking met NTNU. Samen met vele andere onderzoeksafdelingen binnen NTNU en SINTEF hebben de onderzoekers een Gemini Center opgericht met de naam Thermal Energy Storage.

Een spin-off van SINTEF

De onderzoekers die het "biobatterij" of PCM-warmteopslagsysteem hebben ontwikkeld zoals de experts het noemen, zijn nu bezig met het opzetten van een bedrijf met als doel de technologie te commercialiseren. Dit gebeurt in samenwerking met SINTEF's interne opstartondersteuningsdivisie, SINTEF TTO.

"We voorzien dat we na enkele maanden testen in het ZEB-laboratorium het concept veilig kunnen beginnen op zijn reis naar commercialisering", zegt Sevault. "We hebben ook contact gelegd met veel eindgebruikers die geïnteresseerd zijn in een pilotsysteem in 2023 of 2024. Veel van dit zijn industriële bedrijven die de middelen hebben om het concept op te schalen", zegt hij. + Verder verkennen

Inzicht in faseovergangsmaterialen voor thermische energieopslag