Nieuwe methode voor thermochemische warmte opslag
Thermochemische warmte opslag is een betrekkelijk nieuwe techniek om warmte op te slaan, die ondertussen reeds een aantal kleine toepassingen heeft gevonden in ons dagelijkse leven. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de zogenaamde handwarmertjes die gevuld zijn met natriumacetaat: deze bevatten een oververzadigde, zuivere oplossing van deze stof waarbij het kristallisatieproces wordt opgestart door een metalen plaatje te plooien in het warmertje. De vloeistof kristalliseert dan en geeft haar warmte af. Door het te verwarmen, wordt het witte poeder dat ontstaan is, weer vloeibaar en kan men het na afkoeling bewaren tot het moment dat men weer het metalen plaatje plooit om de kristallisatie in gang te zetten. Dit kan onmiddellijk na het opladen zijn, maar ook pas na weken, maanden of jaren. Hierin schuilt de kracht van het systeem want geen enkele geïsoleerde tank of thermos is in staat om warmte oneinding lang vast te houden tot op het moment dat men de warmte echt nodig heeft.
Op dit moment zijn er ook een aantal experimentele toepassingen die deze vorm van warmte opslag op grotere schaal gebruiken voor het verwarmen van onderandere huizen, serres, kantoren etc. Vooral in Nederland lijkt het onderzoek naar deze opslagtechniek aardige vorderingen te maken waar een aantal prototypes van dergelijke systemen gebouwd zijn. Doch een echte doorbraak is er vooralsnog niet gekomen doordat enerzijds het 'toevoegen' van de warmte aan het medium en anderzijds het weer vrijmaken van de chemisch gebonden warmte nog een probleem zijn.
Om zelf een bijdrage te leveren aan dit onderzoek, heb ik een aantal systemen uitgewerkt die thermochemische warmte opslag eenvoudiger en efficiënter maken, en op deze manier voor een doorbraak kunnen zorgen. De systemen omvatten een 'mobiele' en een 'statische' versie. Hieronder volgt de beschrijving met tekeningen:
1. Statische versie
Het toestel bestaat uit een aantal compartimenten die gevuld zijn met dezelfde natriumacetaatoplossing uit de handwarmertjes in
hydraatvorm. Het metalen plaatje dat het kristallisatieproces opstart door geplooid te worden, is vastgemaakt aan een
stalen of ijzeren staafje dat evenwijdig loopt met een elektromagneet. Tevens is er een meetsonde ingebracht die de
elektrische weerstand van het natriumacetaat meet. De weerstand wordt uitgedrukt in Siemens of microsiemens. Wanneer de stof vloeibaar is, zal de weerstand van de stof veel
lager zijn dan wanneer ze gekristalliseerd is. Een computerchip die verbonden is met de EC- meter, kan hierdoor
nagaan of de tank is 'opgeladen' of niet wanneer er warmte wordt gevraagd. De computerchip is immers zodanig geprogrammeerd dat hij alle gemeten waarden beneden x Siemens als 'opgeladen' interpreteert. Indien hij geladen is én er wordt warmte gevraagd, wordt er een
elektrisch stroompje naar de elektromagneet gestuurd. Hierdoor zal het stalen staafje naar de elektromagneet buigen
waardoor het metalen plaatje wordt geplooid en de kristallisatie/warmteafgifte begint net zoals in de handwarmertjes. Via een plaatwarmtewisselaar
die in de tank is ingebouwd, wordt de warmte dan aan een waterleiding afgegeven die het naar de verbruiker brengt
(centrale verwarming, douche, vloerverwarming,...). Een tweede plaatwarmtewisselaar die in de tank is ingebouwd, is
verbonden met de leiding van de zonnecollector (of welke warmtebron dan ook) waardoor de tank weer kan worden opgeladen.
Hieronder zie je een schema van de bouw van een dergelijk compartiment:
De compartimenten zijn op elkaar gebouwd en maken deel uit van een vertikaal opgestelde 'tank'.
Ieder compartiment bevat een EC meetsonde, een elektromagneet met metalen plaatje en twee warmtewisselaars (voor opladen en ontladen). Wanneer er warmte
wordt gevraagd, wordt één van de opgeladen compartimenten geactiveerd waarbij de scheiding tussen de
compartimenten ervoor zorgt dat niet de hele tank in één keer uitkristalliseert bij een korte stookbeurt. De chip die de
elektromagneten in elk compartiment 'bestuurt' is zodanig geprogrammeerd dat de compartimenten steeds van boven
naar onder worden ontladen en omgekeerd om op te laden. Dit omdat warmte stijgt en de kristallen uit de ontladen
compartimenten bovenin een isolerende werking hebben zodat er minder warmteverlies is. Het van onder naar boven
opladen zorgt ervoor dat de kristallen in het eerstvolgende ontladen compartiment eventuele restwarmte hebben
opgenomen van het onderliggende compartiment en het laden dus sneller verloopt. Een dergelijke tank komt er ongeveer zo uit te zien:
Merk op dat een volledig opgeladen tank zich als een gewone zonneboiler gaat gedragen met vloeistof. De vloeibare
oplossing kan dus op zich ook nog eens worden verwarmd bij warmte overschot op zeer zonnige dagen. Je krijgt dus
als het ware een tweede lading zodat de warmtecapaciteit een stuk groter wordt. Men kan ervoor kiezen om tijdens de zomer deze 'fysische' warmte te gebruiken en de 'chemische warmte' als reserve om langere koudeperioden te overbruggen. Dit kan eventueel in de computerchips worden ingebouwd zodat je het systeem in een zomer en winterstand kan zetten waarbij de elektromagneet wordt 'geblokkeerd' in de zomerstand. Het volledige systeem zou op volgende wijze kunnen ingebouwd worden in een bestaand verwarmingscircuit:
2. Mobiele versie
Doordat dit systeem de warmte voor eeuwig kan vasthouden, mag een versie die met 'oplaadbare batterijen' werkt niet
ontbreken. De natriumacetaatoplossing bevindt zich in een tankje dat de vorm heeft van een batterij en
bovengenoemde elementen bevat (elektromagneet, EC- sonde en twee warmtewisselaars). De zonnecollector is
verbonden met een adapter die op de leiding van een centrale verwarming, vloerverwarming of kraan/douche is
gemonteerd. Deze adapter bevat net als de batterij twee warmtewisselaars, maar deze zijn zodanig gebouwd dat als
men de batterij in de adapter steekt, de wisselaars van de batterij in de wisselaars van de adapter schuiven. Zo kan de
batterij worden opgeladen en ontladen. In een alternatieve versie kan de batterij van een scharnier worden voorzien waarbij deze wordt opengeklikt, over de warmtewisselaar van de adaptor wordt geschoven, en weer dichtgeklikt. De batterij kan de vorm hebben van een echte penlightbatterij en gemarkeerd
worden met een plus- en minpool om ze juist in de adapter te kunnen steken, dit omdat de mensen met dergelijk
systeem al lang vertrouwd zijn. Batterijen kunnen bijvoorbeeld in formaten van 10, 20 of 30 liter worden uitgebracht.
De adapters kunnen voor één of meerdere batterijen worden uitgebracht naargelang de benodigde capaciteit voor de
verwarming.
Onderstaande (sterk vereenvoudigde) schetsen tonen een mogelijke opstelling dat van deze batterijen gebruik maakt volgens het principe van de batterij met scharnieropening:
1. Uitzicht van een ongeopende batterij:
2. Het openen van de batterij:
3. Binnenkant van een volledig geopende batterij:
4. Schematische voorstelling van het volledige systeem met adaptor en verwisselbare batterijen:
Dit systeem is zeer laagdrempelig want men hoeft enkel een adapter op de warmwaterleiding te monteren, en een set
batterijen erbij te kopen. Telkens men budget heeft, kan men batterijen bijkopen (de batterijen kunnen oneindig keer
worden geladen en ontladen) tot men op een gegeven moment genoeg batterijen in huis heeft om tijdens de winter
uitsluitend te kunnen verwarmen met de warmte die men er voorbije zomer heeft ingestoken. Reeds lange tijd voor het zover is, zal men echter de brandstofrekening zien dalen, doordat men een steeds groter aandeel van de huisverwarming uit opgeslagen zonnewarmte kan halen. Er kunnen ook
batterijen worden uitgebracht die met andere hydraatverbindingen werken, dit omdat natriumacetaat ongeveer 54
graden oplevert bij ontlading terwijl men in verband met de Legionellabakterie in sommige toepassingen hogere
temperaturen nodig heeft. Bepaalde hydraatverbindingen kunnen tot 70 of 90 graden gaan bij ontlading.
