Met geluidsgolven warmte of kou creëren (en zo de energietransitie versnellen)

Van alle energie die we er elk jaar in Nederland doorheen jagen, gebruiken we ongeveer de helft voor warmte. Daarvan wordt weer de helft in de gebouwde omgeving gebruikt. Dat tikt aan, vooral met de huidige hoge gasprijzen. Niet zo gek dus dat warmtepompen steeds populairder worden. De huidige exemplaren komen het best tot hun recht in goed-geïsoleerde woningen met een laag-temperatuur-afgiftesysteem. En zij zijn zeer effectief: qua duurzaamheid laten zij gasgestookte cv-ketels ver achter zich.

Belangrijke rol bij energietransitie

Voor warmtepompen is er een belangrijke rol weggelegd. Zij kunnen de energietransitie versnellen en onze gezamenlijke CO₂-uitstoot flink omlaag brengen. Belangrijk dus dat zoveel mogelijk mensen voor een warmtepomp kiezen. Om die optie nog aantrekkelijker te maken, hebben TNO en spin-off Blue Heart Energy een thermo-akoestische warmtepomp ontwikkeld. Dat is een warmtepomp die op basis van geluidsgolven werkt. En dat heeft meerdere voordelen. Zo haalt hij op eigen kracht hogere temperaturen dan de bestaande warmtepompen en zijn er geen schadelijke koudemiddelen nodig. Daarbij is hij fluisterstil, wat ook prettig is voor de buren.

Het thermo-akoestische principe in vogelvlucht

De thermo-akoestische warmtepomp werkt op basis van een zeer sterke geluidsgolf in een afgesloten drukvat (gevuld met 50 bar helium). Die geluidsgolf ontstaat dankzij een zuiger die met een frequentie van 100 Hz oscilleert (van deze sterke geluidsgolven is buiten het apparaat overigens niets te horen: het apparaat is juist opvallend stil). Vervolgens verplaatst die geluidsgolf warmte van een lage naar een hogere temperatuur. Dat gebeurt in vier stappen: expansie, verplaatsing, compressie en verplaatsing terug.

Tijdens de expansie daalt de temperatuur van het gas en neemt het gas in de koude warmtewisselaar warmte op. Vervolgens gaat het gas via de regenerator naar de warme warmtewisselaar. Hier wordt het gas gecomprimeerd, stijgt de temperatuur en wordt de eerder opgenomen warmte afgegeven aan de warme warmtewisselaar. Tenslotte beweegt het gas weer terug en is de cyclus gesloten.

Hoe het begon

Dat het mogelijk is om met geluidsgolven warmte op te wekken, is geen nieuwe ontdekking. In de negentiende eeuw waren de thermo-akoestische principes al bekend. “Vooral in de VS is er in de vorige eeuw veel onderzoek naar dat natuurkundige verschijnsel gedaan. Maar dat was nog op hoog academisch niveau. Zo’n twintig jaar geleden besloten wij om te gaan onderzoeken in hoeverre het mogelijk is geluidsgolven in te zetten voor industriële warmtevoorziening”, blikt Jan-Aiso Lycklama à Nijeholt terug.

Als researcher en projectmanager bij Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN, sinds 2018 onderdeel van TNO) was hij vanaf 2010 betrokken bij het verkennen van praktische toepassingen van thermo-akoestiek. “Destijds hebben we weliswaar veel kennis en ervaring op dit vlak opgedaan, maar tot concrete toepassingen is het toen niet gekomen.”

Ondernemer gezocht

Fast forward naar 2015. Michiel Hartman heeft een fabriek voor elektrische fietsen als hij in een nieuwsbrief van ECN leest dat er serieuze plannen zijn om thermo-akoestische principes toe te passen in warmtepompen voor woningen.

“Ik deed navraag en het werd me snel duidelijk dat ze op zoek waren naar een ondernemer die met de nodige hulp van TNO een compact en gebruiksvriendelijk apparaat zou ontwikkelen en op de markt brengen. Nadat ik me een paar maanden in de werking van thermo-akoestiek had verdiept, was ik ervan overtuigd dat deze technologie echt voor een doorbraak kan zorgen. Dus ik wilde die ondernemer graag zijn!”

Aan de slag

In 2016 was het zover. In ruil voor aandelen en licenties ontving Hartman van TNO alle benodigde rechten en patenten. Met zijn bedrijf, Blue Heart Energy, vestigde hij zich in Alkmaar. Vervolgens ging hij met een team van techneuten aan de slag, waarbij er bijna dagelijks contact is met specialisten van TNO. Stap voor stap ontstond de Blue Heart, het apparaat waar vandaag de dag een werkend prototype van bestaat.

Grondig testen in geavanceerde klimaatkamer

2022 staat in het teken van het optimaliseren van het systeem. Daarbij speelt het nieuwe Bouwinnovatie Lab van TNO in Delft een belangrijke rol. “We hebben een zeer geavanceerde klimaatkamer waarbij we de Blue Heart onder verschillende en dynamische omstandigheden kunnen testen”, zegt Joachim Koot die bij TNO onderzoek doet naar gebouwfysica en zodoende veel expertise heeft opgebouwd op het vlak van installatietechniek.

“Met die klimaatkamer kunnen we meetopstellingen maken die de realiteit heel dicht benaderen. De prestaties in het laboratorium kunnen zo een goed beeld geven van hoe het apparaat het straks bij de mensen thuis zal doen. Niet alleen in statische condities, zoals de normen voorschrijven, maar ook bij dynamische temperatuurveranderingen die representatief zijn voor het praktijkgebruik. In die klimaatkamer kunnen we in korte tijd alle seizoenen voorbij laten komen en bijvoorbeeld ook een koude winterdag simuleren.”

“De informatie die we op die manier ophalen, helpt in de eerste plaats Michiel en zijn team om de werking van hun apparaat te optimaliseren”, vervolgt Joachim. “Daarnaast hebben fabrikanten en monteurs die informatie nodig om het apparaat goed af te kunnen stellen en optimaal gebruik te maken van de unieke eigenschappen van de thermo-akoestische warmtepomp. Belangrijk, want hoe beter de Blue Heart is afgesteld, hoe meer energie er dankzij dat apparaat kan worden bespaard en hoe lager de CO₂-uitstoot.”

Snel in Nederlandse woningen

In 2023 komen de eerste Blue Heart-apparaten in Nederlandse woningen te staan. Daarbij ligt de focus nog op het valideren van de testresultaten. Dus halen de apparaten in de praktijk inderdaad dezelfde prestaties als in de klimaatkamer van TNO? En welke feedback van de bewoners helpt om het apparaat te verbeteren? Vervolgens zal de productie steeds verder opgevoerd worden. Maar waarschijnlijk zitten we dan al wel in 2024.

Meteen de grens over

Aangezien Blue Heart straks een onderdeel wordt van de warmtepompen van fabrikanten die in heel Europa actief zijn, zal deze nieuwe technologie meteen een internationale klantengroep bereiken. Een enorm marktpotentieel dus. En dat is niet alleen goed nieuws voor Blue Heart Energy en TNO, maar ook voor iedereen die zich zorgen maakt over het klimaatprobleem en die elke versnelling van de energietransitie aanmoedigt.

De voordelen van Blue Heart

Stap voor stap ontstond de Blue Heart, het apparaat waar vandaag de dag een werkend prototype van bestaat. Hij is…

• Compact: past in een ruimte van 55 x 55 x 55 centimeter.
• Doordat er twee oscillatoren aan boord zijn, die allebei in tegengestelde richting bewegen, ontstaan er wel de benodigde geluidsgolven terwijl er buiten de warmtepomp bijna geen geluid te horen is. De twee geluidsbronnen werken dus samen als een noise-cancelling-systeem. Daardoor blijft het geluid onder de 30 decibel, wat vergelijkbaar is met het geluid van een koelkast.
• 100 procent schoon. Het systeem werkt met heliumgas en er zijn verder geen koudemiddelen nodig.
• Afgezien van de twee zuigers zijn er geen bewegende onderdelen. Het apparaat heeft een levensduur van meer dan 15 jaar.
• Efficiënt: de 6kW die de module als output heeft, bereikt hij met een opvallend laag energieverbruik. Modules zijn ook makkelijk modulair te combineren waardoor er eenvoudig grotere vermogens mogelijk zijn.
• Makkelijk te installeren: warmtepompfabrikanten kunnen het apparaat makkelijk aan hun systeem toevoegen.
• Ook geschikt om te koelen. Als de waterstroom in het apparaat de andere kant op gaat, krijgt de Blue Heart ook een airco-functie.

Meer weten over de ontwikkeling van warmtepompen of de klimaatkamers in het Bouwinnovatie Lab? Neem contact op met Joachim Koot: [email protected].

Meer weten over de mogelijkheden van thermo-akoestiek? Neem contact op met Jan-Aiso Lycklama à Nijeholt: [email protected].