Innovaties in warmteopslag

De huidige mogelijkheden voor warmteopslag

Bij duurzame energie-opwekkers, zoals zonnepanelen, zonnecollectoren of windturbines is het lastig om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Ze wekken bijvoorbeeld heel veel energie op op momenten dat er nauwelijks vraag is. Of laten het juist afweten als er een grote energievraag is. Door energie op te slaan zijn we niet afhankelijk van vraag en aanbod.

Energieopslag in batterijen

Er bestaan al batterijoplossingen waarmee huiseigenaren de door hun zonnepanelen opgewekte stroom kunnen opslaan. De Tesla Powerwall bijvoorbeeld, een oplaadbare ‘huisbatterij’. Maar de huidige batterijen hebben een vrij lage energiedichtheid. Hiermee is het moeilijk om grote hoeveelheden energie in een kleine ruimte op te slaan. Ook zijn ze minder geschikt om grotere periodes te overbruggen. Daarnaast kunnen ze alleen elektrische energie opslaan. Dat betekent bijvoorbeeld dat de overtollige warmte van zonnecollectoren helaas alsnog verloren gaat.

Warmteopslag in water

Ook zijn er al boilerachtige systemen om warmte op te slaan. Die werken prima om een korte periode te overbruggen. Maar ze kunnen niet de in de zomer opgewekte stroom van zonnepanelen voor langere tijd opslaan en die in de winter weer gebruiken voor warmte. Dan is het water al te veel afgekoeld. Daarbij is het niet bepaald een compacte oplossing. Voor grote capaciteiten vereist deze vorm van opslag namelijk een groot watervat.

We werken al een tijdje aan het verbeteren en doorontwikkelen van deze toch wel vrij klassieke opslagmethode. Met succes. Bij het opslaan van warmte in water heb je weliswaar altijd te maken met warmteverlies. Maar door de toepassing van een nieuwe technologie is het wel mogelijk om dat warmteverlies aanzienlijk te beperken. Dat is dus goed nieuws.

Compacte warmteopslag

Compacte warmteopslag is in de energietransitie nodig om woningen op grote schaal klimaatneutraal te verwarmen. Klimaatneutraal verwarmen kan alleen met een duurzame energiebron. Daarbij heb je te maken met seizoensafhankelijke invloeden op zonne- en windenergie. De compactheid is belangrijk omdat het ook in de huidige woningen moet passen. Daarom werken we aan nieuwe technieken om grote hoeveelheden warmte langdurig in een compacte warmtebatterij op te slaan. Compacte batterijen zijn verliesvrij tijdens de opslagperiode.

Energie terugleveren

Nu er steeds meer zonnepanelen op de Nederlandse daken liggen, wekken we ook steeds meer zonnestroom op. In ons land geldt er momenteel nog een salderingsregeling: als je met je zonnepanelen stroom produceert, kun je die terugleveren aan je energiebedrijf. Die opgewekte hoeveelheid kWh trekken ze af van je verbruik.

En produceer je met je zonnepanelen op een gegeven moment meer dan je verbruikt? Dan krijg je een terugleververgoeding. Die vergoeding verschilt per energieleverancier, maar ligt in de regel lager dan de kWh-prijs die je betaalt als je stroom afneemt.

Steeds grotere pieken in het elektriciteitsnet

De salderingsregeling maakt het gebruik van zonnepanelen economisch zeer interessant. Maar nu heel veel mensen daar gebruik van maken, krijgen netbeheerders een steeds grotere uitdaging om de pieken in het elektriciteitsnet aan te kunnen.

Maar zeker ook omdat er in de Noordzee steeds meer grote windparken komen, die op een winderige dag ook enorme hoeveelheden elektriciteit opwekken. Nu worden windturbines en zonneparken uitgeschakeld tijdens een piekaanbod. Daar moet dus snel een oplossing voor komen. Want die duurzaam opgewekte energie speelt juist de hoofdrol in de energietransitie.

Lokale warmteopslag

Inmiddels is wel duidelijk dat we zonder opslagmogelijkheden altijd een mismatch tussen vraag en aanbod van energie zullen hebben. Daarom moeten we nu echt stevig inzetten op het opslaan van energie. Lokale opslag van warmte is daarbij een speerpunt. Als je dat toepast in woningen en gebouwen, komt er een betere balans tussen de vraag en de lokaal geproduceerde energie. Hiermee krijgt het elektriciteitsnet minder pieken te verwerken.

Thermochemische warmteopslag

Met sommige zouten kun je met water een chemische reactie opwekken waarbij warmte vrijkomt. Dit is zeker geen nieuw inzicht. En dat het mogelijk is om dat proces om te keren door er weer warmte aan toe te voegen was ook al lang bekend. Het mooie daarbij is dat er gedurende de periode van opslag geen energieverlies optreedt.

Dat maakt warmtebatterijen die gebaseerd zijn op dit principe heel geschikt om langere periodes te overbruggen. Het overschot aan zonne-energie van de zomer kunnen we zo dus bijvoorbeeld in de winter gebruiken om de woning te verwarmen. Ook handig: zo’n systeem met thermochemie kan geladen worden met zowel warmte als elektriciteit.

Vergevorderde technologie

Er wordt al decennialang onderzoek gedaan naar warmteopslag op basis van thermochemie. Maar het bleef lastig om een apparaat te ontwikkelen dat compact, robuust en betaalbaar is. En dat daarbij ook nog geschikt is om zich keer op keer te laten laden en ontladen. Maar de afgelopen 10 jaar zijn er op dat vlak enorme stappen gezet.

Zowel in Eindhoven (in samenwerking met TU/e) als in Delft hebben we samen met partners technologieën ontwikkeld die een toekomst met thermochemische warmteopslag een stuk dichterbij brengen. Er zijn nog wel wat aandachtspunten.

Maar beide technologieën zijn al in een vergevorderd stadium en het ziet ernaar uit dat de eerste compacte warmtebatterijen op basis van thermochemie binnen enkele jaren op de markt zullen komen. Waarschijnlijk in 2024, en misschien wel eerder.

Warmteopslag in metalen

Qua energiedichtheid en efficiëntie zou warmteopslag in metalen ook interessant kunnen zijn voor toepassing in de gebouwde omgeving. Metaal oxideert als er zuurstof bij komt. Dat oxidatieproces kun je weer terugdraaien als je er onder bepaalde omstandigheden waterstof aan toevoegt. Dat is, heel kort door de bocht, het principe achter warmteopslag in metalen. Een voorbeeld is de Redox-HEAT-batterij.

Warmteopslag in metalen is wel een uitdaging. Er worden bij deze vorm van warmteopslag namelijk temperaturen van ruwweg 400 tot 1000 graden Celsius gebruikt. Door deze grotere temperatuur-ranges kan de opslagdichtheid aanzienlijk hoger zijn dan in water tot 100 graden.

Deze technologie zit momenteel nog midden in de onderzoeksfase. We hebben het proces inmiddels onder de knie, maar het is nog de vraag of dit principe daadwerkelijk kan worden toegepast in een warmtebatterij. Ook is nog niet duidelijk of een dergelijke batterij in de bebouwde omgeving of in een industriële toepassing het best tot zijn recht komt. Dit onderzoek bevindt zich dus nog in een vrij pril stadium.

Slimme energienetwerken

In Nederland worden er smart grids ontwikkeld. Deze energienetwerken laten processen die niet aan een tijd gebonden zijn, plaatsvinden op momenten dat er juist een overschot aan energie is. Bijvoorbeeld het laten draaien van een wasmachine of het opladen van een elektrische auto als de zon volop schijnt. Dat helpt zeker om pieken in het elektriciteitsnetwerk te voorkomen. En we dragen dan ook volop bij aan het verder verbeteren van dit soort slimme energienetwerken.