Sinds het conflict in Oekraïne is de noodzaak om huizen van gas te halen toegenomen. Een warmtebatterij met zout en water als eenvoudige componenten zou een snelle en grootschalige oplossing kunnen bieden voor meer dan drie miljoen huishoudens in Nederland - twee keer het doel dat de Nederlandse overheid heeft gesteld. Deze warmtebatterij, ontwikkeld door een consortium van de Technische Universiteit Eindhoven, TNO, spin-off Cellcius en industriële partners, is goedkoop, compact, verliesvrij en nu klaar voor de eerste praktijktests.

Met warmteopslag in woningen en door gebruik te maken van de enorme hoeveelheden industriële restwarmte die anders zou worden weggegooid, is deze batterij een potentiële gamechanger voor de energietransitie. Hier zijn vier redenen om opgeladen te worden voor de komst van deze innovatieve batterij.

1. De basis van de batterij is verbazingwekkend eenvoudig

Een eenvoudig experiment onthult meteen de essentie van de warmtebatterij. Vul een flesje met witte zoutkorrels, voeg een beetje water toe en het begint te sissen. Bovendien voelt de fles als bij toverslag meteen ongelooflijk heet aan. Olaf Adan heeft het experiment ontelbare keren gedemonstreerd, keer op keer geweldige toeschouwers.

Adan, TU/e-hoogleraar en hoofdonderzoeker bij TNO, staat aan de basis van de Eindhovense warmtebatterij, die in wezen draait om een ​​relatief oud thermochemisch principe:de reactie van een zouthydraat met waterdamp. "De zoutkristallen nemen het water op, worden groter en geven daarbij warmte af", zegt Adan. Vandaar de snel opwarmende fles.

Maar het omgekeerde is ook mogelijk. "Door warmte toe te voegen, verdamp je het water en 'droog' je het zout in feite, waardoor de zoutkristallen kleiner worden", legt Adan uit. Zolang er geen water bij dit droge zoutpoeder komt, wordt de warmte er altijd in opgeslagen. Dus, in tegenstelling tot andere soorten warmteopslag, gaat er niets verloren:de batterij is volledig verliesvrij.

Je kunt dit proces op de een of andere manier eindeloos herhalen en zo de basis leggen voor een warmtebatterij die warmte kan opslaan en later en op een andere plek kan gebruiken. Dit is een oplossing voor het fluctuerende aanbod van duurzame energie in woningen en gebouwen, en voor het doelmatig hergebruik van 'warmteverspilling' op een andere plek.

Hoewel het principe van de batterij misschien eenvoudig is, is de toepassing ervan in een batterij dat zeker niet. Wees getuige van het feit dat Adan hier al meer dan 12 jaar aan werkt. Zo is de keuze van het specifieke zoutmateriaal niet vanzelfsprekend. Er zijn duizenden bekende reacties van zouthydraten met water. Adan bestudeerde ze allemaal tot in detail en ontdekte uiteindelijk dat slechts een zeer beperkt aantal de juiste eigenschappen heeft voor gebruik in een batterij.

"Zo'n zoutkristal wordt groter en kleiner, er gaat voortdurend warmte in en uit. Er gebeurt dus iets met zo'n deeltje. Daardoor kan het snel desintegreren of samenklonteren met andere deeltjes. Je hebt dus een materiaal nodig dat je cyclisch kunnen blijven gebruiken", zegt Adan. Uiteindelijk kwamen hij en zijn team uit op kaliumcarbonaat als basis, een gemakkelijk te winnen zout dat in veel producten voorkomt, zoals voedsel, zeep of glas.

Dan heb je ook een apparaat nodig dat de potentie van dit materiaal ten volle benut. Als het in een huis moet passen, moet het compact zijn, en liefst ook betaalbaar en zeer efficiënt. "Je gaat dus allerlei reactorconcepten bekijken, bijvoorbeeld in een vacuüm of met open lucht, maar tot nu toe zonder succes", zegt Adan.

Uiteindelijk kwam Adan uit op het zogenaamde closed-loop systeem, een demonstrator waarvan hij in 2019 bouwde. Dit recirculatiesysteem bestaat uit onderdelen waaronder een warmtewisselaar, ventilator, verdamper/condensor en een boiler met zoutdeeltjes. Met 7 kWh was het ding nog steeds vrij minimaal - in theorie zou dit twee dagen verwarming kunnen leveren voor een typisch gezin van vier personen.

"Het zag er nog vrij basic uit, met bestaande, volwassen technologie, maar het stelde ons in staat om aan te tonen dat ons concept, hoe simpel het ook was, werkte." Bewijs waarmee Adan binnen het Europese consortium HEAT-INSYDE (waaronder TU/e, TNO, Caldic en partijen uit Frankrijk, België, Polen en Zwitserland) een Europese subsidie ​​van zeven miljoen euro voor verdere ontwikkeling heeft gewonnen. Het team ging vervolgens aan de slag om de demonstrator te 'upgraden' naar een prototype dat klaar is voor gebruik in de praktijk. Dit is nu bereikt.

2. De technologie is geoptimaliseerd voor gebruik in de echte wereld

Qua afmetingen is het nu gerealiseerde prototype waarschijnlijk vergelijkbaar met de demonstrator, maar daar houden de zichtbare overeenkomsten op. Het prototype ziet eruit als een soort grote kast met tientallen lockers, waar allerlei losse kabels uit de zijkant steken.

Verbazingwekkend genoeg vertegenwoordigt elk duo van kleine "lockers" een warmtebatterij die qua opslagcapaciteit overeenkomt met de hele, originele demonstrator. Het hele toestel bevat zo'n 30 "lockers", met een totale opslagcapaciteit van ruim 200 kWh. Adan relativeert het:"Dat staat gelijk aan twee volledig opgeladen Tesla's."

"We hebben de eerdere versie op talloze manieren geoptimaliseerd", legt Adan trots uit. "We hebben de afzonderlijke componenten, zoals de verdamper en warmtewisselaar, opnieuw ontworpen, de ruimte beter benut en andere materialen gebruikt." Inmiddels is de unit ook voorzien van bijvoorbeeld een meet- en regelsysteem, zodat je weet wanneer je moet opladen en hoeveel warmte er nog in het systeem zit.

De meeste toepassingen hebben niet zo'n grote batterij nodig. Daarom hebben we bewust gekozen voor die meerdere, kleine units die je naar believen kunt combineren; een modulair systeem dus. "Als je één grote bak zout hebt, moet je die in één keer gaan gebruiken. Dat is echt inefficiënt", zegt Adan. U kunt dus 'stukjes' van de batterij gebruiken, los van de rest.

Daarnaast bieden de losse units allerlei vormgevingsmogelijkheden, waardoor verschillende vormen en maten mogelijk zijn, afhankelijk van de gewenste praktijksituatie. Adan spreekt van een gebruikersgericht prototype. "Het is nog geen product, maar alles is nu klaar om voor het eerst getest te worden in een echte situatie."

En dat testen gaat later dit jaar van start, met de eerste pilots van de warmtebatterij in woningen. In vier huizen, twee in Eindhoven, één in Polen en één in Frankrijk, wordt een batterij van ongeveer 70 kWh geplaatst, genoeg om een ​​paar dagen zonder zon of wind mee te gaan.

Ook al zijn het 'slechts' vier huizen, Adan verwacht dat ze 'hier ontzettend veel van zullen leren'. Testen gaat bijvoorbeeld waardevolle input opleveren over wat er in de praktijk nog meer nodig is om de batterij op grote schaal toe te passen en wat de gebruiker ervan vindt. Moet er bijvoorbeeld een app zijn om de batterij te bedienen?

3. Warmtetransport cruciaal in energietransitie

Het idee waar het allemaal mee begon was de warmtebatterij als opslagmedium in woningen. Ondertussen kijkt het consortium echter ook naar warmteopslag in kantoorgebouwen, glastuinbouw of bijvoorbeeld elektrische bussen of luxe schepen.

Maar, realiseerden ze zich, als deze thermische batterij warmteverliesvrij kan opslaan, kan deze ook verliesvrij worden vervoerd. Er gebeurt immers niets anders met het droge zout zolang er geen water wordt toegevoegd. Dit is precies waar de thermische batterij het verschil kan maken, omdat andere vormen van warmtetransport, zoals door leidingen of faseovergangen, altijd verliezen opleveren.

Het consortium richt daarom ook de aandacht op industriële restwarmte als warmtebron, een soort 'warmteverspilling', zoals die als bijproduct in fabrieken of overtollige warmte uit datacenters ontstaat. Deze hitte is niet meer zo "heet"; bij temperaturen onder de 150 graden Celsius heeft het geen waarde voor de meeste industrie.

Voor woningen is dergelijke warmte echter zeer nuttig. Dergelijke temperaturen zijn ruim voldoende om je huis te verwarmen of een warme douche te nemen. Als industriële restwarmte kan worden gebruikt om huizen te verwarmen, heb je een win-winsituatie:huizen kunnen gasonafhankelijk worden gemaakt - een nog dringender noodzaak gezien de afhankelijkheid van (Russisch) gas - en CO₂ uitstoot zou worden verminderd.

Adan maakt een snelle berekening. "In Nederland hebben we zo'n 150 PetaJoule (een getal met 15 nullen) aan restwarmte uit de industrie per jaar. Daarmee zou je bijna 3,5 miljoen huishoudens van het gas kunnen halen, ruim twee keer de doelstelling van de Nederlandse overheid. namelijk 1,5 miljoen woningen gasloos in 2030."

Als je de locaties van de bronnen van industriële restwarmte en woningen op een kaart van Nederland legt, is de match volgens Adan redelijk goed. Er zit niet meer dan 30 kilometer tussen.

Dat is echter nog te veel voor warmtenetten, de methode waar de overheid nu op focust. "Warmteroosters gebruiken leidingen met water, dat koelt en beperkt dus je actieradius", legt Adan uit. "Bovendien hebben warmtenetten een fors investeringsrisico en moet het hele landschap worden opengebroken om ze te bouwen - geen aantrekkelijke optie."

Met een consortium met onder meer Cellcius (daarover straks meer), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside en SABIC, bereidt Adan daarom nu een praktijkproef voor om de warmtebatterij in te zetten voor hergebruik van industriële restwarmte. Restwarmte van de Chemelot Campus in Sittard-Geleen wordt afgevoerd naar zo'n vijftig woningen in de wijk in dezelfde gemeente.

Adan:“Met een warmteoplaadstation bij SABIC halen we warmte op en drogen het zout. Dit zout rijden we vervolgens per vrachtwagen naar een soort ‘transformatorhuis’ in de woonwijk, van waaruit de vijftig woningen via leidingen van warmte worden voorzien. We hoeven dus niet in de huizen zelf te zijn."

En ja, vrachtwagens gebruiken is niet klimaatvriendelijk, maar Adan kan iedereen geruststellen. "De uitstoot hiervan is verwaarloosbaar in vergelijking met de uitstoot die we besparen met dit warmtetransport. Verder willen we binnenkort overstappen op elektrische vrachtwagens."

De pilot gaat in de loop van volgend jaar van start, als de eerste vrachtwagens geladen met "energie" de weg op kunnen.

4. De stap naar valorisatie versterkt de ontwikkeling

Nu de technologie op het punt staat uitgerold te worden in de samenleving, zijn er ook op organisatorisch en financieel vlak stappen gezet. Zo werd eind 2020 spin-off Cellcius – de eerste gecombineerde spin-off van TNO en TU/e ​​– opgericht. “Formeel is het bedrijf opgericht op 11 van de 11e, zoals het hoort in Brabant”, lacht Adan, in een knipoog naar de datum van de traditionele start van Carnaval.

Het jonge bedrijf is nog klein, met op dit moment vijf mensen. Maar Adan verwacht dat ze tegen het einde van het jaar zijn gegroeid tot ongeveer 10 tot 15 mensen. "Bovendien krijgen we vanuit Eindhoven Engine veel studenten van allerlei opleidingen om op verschillende aspecten samen te werken."

Sinds de Europese subsidie ​​van zeven cijfers is er ook veel extra financiering binnengehaald om de realisatie van het aankomende pilotproject voor woningen mogelijk te maken. En dankzij recente investeringen van de Brabantse Ontwikkelings Maatschappij, Innovation Industries en het GoeieGrutten Impact Fonds is de laatste hand gelegd aan het financiële plaatje voor de pilot warmtetransport.

Nu Adan via Cellcius niet meer puur als onderzoeker betrokken is maar ook met één been in valorisatie staat, ziet hij hoe deze interactie een versterkend effect heeft op de technologie. "Omdat je nu echt aan een product werkt, roept dat weer nieuwe vragen op voor het grondwerk, de technologie. Dit is een prachtig voorbeeld van co-creatie en hoe je die cyclus kunt versnellen."

Ondanks de grote belofte van de technologie die hij tot zijn beschikking heeft, blijft Adan nuchter. "Hoewel het potentieel groot is, hebben we ook veel geweldige potentiële technologieën gezien die het niet hebben gehaald. Dus we blijven met beide benen op de grond staan ​​en doen dit stap voor stap. Ik doe hier maar voor één ding:het is mooi om een ​​bijdrage te kunnen leveren aan de energietransitie."