Warmtebatterijen: Een revolutionaire oplossing voor energieopslag en -distributie

Inleiding

De energietransitie is een van de grootste uitdagingen van de 21e eeuw. Terwijl landen over de hele wereld streven naar duurzame energieopwekking en -gebruik, blijven traditionele systemen zoals warmtenetten en gasgebruik in de woningbouw een belangrijke rol spelen. Echter, deze systemen hebben tal van beperkingen, waaronder hoge investeringskosten, beperkte bereikbaarheid en energieverliezen bij transport. Daarom is het onderzoek naar alternatieve oplossingen van essentieel belang. De warmtebatterij, ontwikkeld door een onderzoeksteam van de Technische Universiteit Eindhoven en TNO, biedt een veelbelovende, innovatieve oplossing voor de efficiënte en verliesvrije opslag en distributie van industriële restwarmte. Deze technologie is op dit moment in de vroege fase van implementatie, maar heeft het potentieel om een game-changer te worden in de energietransitie en de woningbouwsector. In dit artikel wordt de werking van de warmtebatterij uitgelegd, worden de voordelen vergeleken met bestaande technologieën en wordt het potentieel voor toepassing in Nederland en Europa beoordeeld.

Wat is een warmtebatterij en hoe werkt ze?

Thermochemische opslag met faseovergang

De warmtebatterij maakt gebruik van een thermochemisch proces waarbij warmte opgeslagen wordt in zoutkristallen via een faseovergang. In tegenstelling tot traditionele warmteopslagmethoden, zoals het opslaan van warmte in vloeistoffen of vaste stoffen, gebruikt de warmtebatterij een unieke vaste-vaste faseovergang. Dit betekent dat het zoutkristal overgaat van een droog hydraat naar een hydraat met waterkristallen, zonder dat er een vloeistof- of gasfase ontstaat. Deze overgang is omkeerbaar, waardoor het kristal meerdere keren kan worden opgeladen en ontladen.

Het proces begint met het verwarmen van droog zoutkristal, waardoor waterdamp erin wordt opgenomen en een nieuwe vaste kristalvorm ontstaat. Deze reactie genereert warmte, die vervolgens kan worden gebruikt voor verwarming. Wanneer het kristal opnieuw verwarmd wordt, wordt het water eruit ‘gestookt’ en keert het kristal terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Dit maakt de warmtebatterij geschikt voor cyclische toepassing, wat essentieel is voor langdurige energieopslag.

Composiet en reactor

Het zoutkristal dat wordt gebruikt in de warmtebatterij is een speciaal ontworpen composiet, waarbij kaliumcarbonaat (K₂CO₃) de belangrijkste component is. Deze composiet moet niet alleen stabiel zijn, maar ook in staat om onder variërende omstandigheden talloze malen de faseovergang te doorlopen. Daarnaast moet de reactie efficiënt verlopen bij lage temperaturen, zodat de warmtebatterij geschikt is voor toepassing in de woningbouw en andere sectoren.

De reactor, ontworpen door Cellcius, de startup die uit de onderzoeksgroep is ontstaan, vertaalt de chemische eigenschappen van het composiet naar een praktische toepassing. Het systeem is slim, betaalbaar en efficiënt, waardoor het mogelijk is om warmte op te slaan en op te wekken zonder dat er fossiele brandstoffen of elektriciteit nodig zijn.

Voordelen van de warmtebatterij

Verliesvrije opslag en distributie

Een van de grootste voordelen van de warmtebatterij is dat er geen energieverliezen optreden bij opslag en distributie. Traditionele warmtenetten verliezen aanzienlijk aan efficiëntie door transportverliezen, vooral op grotere afstanden. De warmtebatterij overbrugt dit probleem door de warmte op te slaan in een vaste stof en deze op de gewenste locatie en op het gewenste moment te gebruiken. Hierdoor is het mogelijk om warmte op te slaan en op te wekken zonder dat het nodig is om directe toegang te hebben tot een warmtebron.

Flexibiliteit en toepasbaarheid

De warmtebatterij biedt een hoge mate van flexibiliteit. In tegenstelling tot warmtenetten, die grote investeringen vergen en jarenlang functioneren moeten om rendabel te zijn, kan de warmtebatterij snel worden ingezet in verschillende contexten. Het is bijvoorbeeld mogelijk om warmtebatterijen op te schalen van klein tot groot en in zowel dichtbevolkte steden als dunbevolkte regio’s te gebruiken. Dit maakt de technologie geschikt voor een breed spectrum van toepassingen, variërend van woningbouw tot industriële toepassingen.

Geringe investeringsrisico’s

Warmtenetten vereisen grote investeringen in infrastructuur, zoals leidingen en distributienetwerken. Deze investeringen zijn vaak afhankelijk van de langdurige beschikbaarheid van een warmtebron, wat het risico op financiële verliezen verhoogt. De warmtebatterij daarentegen kan zonder dure infrastructuur worden ingezet en is niet afhankelijk van continue warmtevoorziening. Dit maakt de technologie aantrekkelijk voor investeerders en overheden die op zoek zijn naar risicobegrenzende alternatieven.

CO₂-reductie

De warmtebatterij maakt gebruik van industriële restwarmte, die in het verleden vaak verloren ging. In Nederland is sprake van 150 petajoules aan industriële restwarmte per jaar, wat theoretisch voldoende is om minstens drie miljoen huishoudens te verwarmen. Door deze warmte op te slaan en te gebruiken voor het verwarmen van woningen, kan er een aanzienlijke CO₂-reductie worden behaald. De warmtebatterij vermindert het gebruik van fossiele brandstoffen en elektriciteit, waardoor ze een belangrijke bijdrage kan leveren aan de energietransitie.

Vergelijking met warmtenetten

Investeringen en rendement

Warmtenetten zijn traditioneel een belangrijk instrument voor de verduurzaming van de woningbouw, maar ze hebben hun beperkingen. Het aanleggen van een warmtenet vereist niet alleen grote investeringen in infrastructuur, maar ook een langere looptijd tot rendement. De partij die het netwerk aanlegt draagt een aanzienlijk investeringsrisico, omdat het netwerk gedurende vele jaren functioneren moet om rentabel te worden. Daarnaast is het nodig dat de warmtebron gedurende die periode consistent blijft leveren. Dit is niet altijd gegarandeerd, vooral gezien de toekomstige veranderingen in industriële processen.

De warmtebatterij biedt een alternatieve aanpak. Omdat het geen grote infrastructuur vereist en flexibel kan worden ingezet, zijn de investeringsrisico’s lager. Bovendien kan de warmtebatterij worden ingezet op momenten dat er nog geen warmtenet is, waardoor woningen al snel van duurzame warmte voorzien kunnen worden.

Aanloopverliezen en klantgroei

Een ander nadeel van warmtenetten is dat er bij aanvang vaak sprake is van aanloopverliezen. Het is namelijk moeilijk om voldoende klanten aan te trekken bij het starten van een warmtenet. Dit betekent dat de investeringen in leidingen en distributienetwerken niet direct worden terugverdiend. De warmtebatterij kan hier een oplossing bieden. Aangezien de technologie in kleine schaal kan worden ingezet, is het mogelijk om geleidelijk warmtebatterijen te implementeren in woningen of woningcomplexen. Hierdoor kan er vroegtijdig begonnen worden met CO₂-reductie, zonder afhankelijk te zijn van het aanleggen van grote warmtenetten.

Afstand en locatie

Warmtenetten zijn beperkt in hun bereik. De straal waarbinnen het rendabel is om restwarmte te transporteren, is doorgaans beperkt tot enkele kilometers. Dit betekent dat warmtenetten meestal alleen rendabel zijn in dichtbevolkte gebieden die dichtbij een warmtebron liggen. De warmtebatterij daarentegen is niet afhankelijk van transportafstand. De warmte kan opgeslagen worden waar het warmtebatterij systeem geïnstalleerd is, zonder dat er sprake is van transportverliezen. Dit maakt de technologie geschikt voor zowel stedelijke als landelijke toepassingen.

Toekomstperspectieven en economische impact

Leidende rol voor Nederland

Het feit dat de warmtebatterij in Nederland is ontwikkeld, biedt het land een unieke kans om een leidende rol te spelen in deze technologie. De onderzoekers en de startup Cellcius zien hierin een groot potentieel voor economische activiteit en inkomsten. Door de technologie op te schalen en wereldwijd te exporteren, kan Nederland een belangrijke bijdrage leveren aan de energietransitie wereldwijd.

Daarnaast biedt de warmtebatterij een aanzienlijke besparing op investeringen in isolatie, warmtepompen en andere duurzame oplossingen. Voor een woning die van gas af moet, wordt de investering in alternatieve oplossingen vaak geschat op meer dan 40.000 euro. De warmtebatterij biedt een kostenefficiëntere oplossing, die minder ruimte inneemt en die sneller kan worden geïmplementeerd.

Potentieel voor de energietransitie

De warmtebatterij kan een game-changer worden in de energietransitie. Omdat de technologie gebruik maakt van bestaande industriële restwarmte, is er geen extra opwekking nodig. Dit maakt het mogelijk om snel schaal te maken en miljoenen huishoudens van duurzame warmte te voorzien. Bovendien is de technologie compatibel met bestaande infrastructuur, wat de implementatie verder versnelt.

De technologie is ook geschikt voor tijdelijke toepassingen, zoals in nieuwbouwprojecten waar het warmtenet nog niet beschikbaar is. In zulke gevallen kan de warmtebatterij als tijdelijke oplossing dienen, tot het warmtenet is aangelegd. Dit maakt de technologie flexibel en toepasbaar in verschillende stadia van het bouw- en renovatieproces.

Kritische evaluatie van de technologie

Technische beperkingen

Ondanks de veelbelovende resultaten, zijn er ook technische beperkingen. De warmtebatterij moet bijvoorbeeld cyclisch gebruikt kunnen worden, wat betekent dat het composiet tientallen of honderden keren de faseovergang moet kunnen doorlopen. Daarnaast moet de reactie plaatsvinden onder variërende omstandigheden, zoals verschillende temperaturen en luchtvochtigheid. Hierbij moet er een bovengrens worden gerespecteerd, omdat zouten boven een bepaalde temperatuur kunnen smelten en hun structuur verliezen.

Een ander technisch probleem is de maximale luchtvochtigheid. De zoutkristallen moeten in aanraking komen met waterdamp om de reactie in gang te zetten, maar te hoge vochtigheid kan ervoor zorgen dat de kristallen in oplossing gaan, net zoals gips. Dit betekent dat er een precieze balans moet worden gevonden tussen de hoeveelheid vocht en de structuur van het kristal.

Economische haalbaarheid

De warmtebatterij is momenteel in de ontwikkelingsfase en moet nog op schaal worden geïmplementeerd. De kosten van productie en implementatie zijn nog niet volledig duidelijk, maar de onderzoekers stellen dat de technologie kostenefficiënter is dan traditionele oplossingen. De economische haalbaarheid van de warmtebatterij hangt onder andere af van de schaalbaarheid van de productie en de prijsontwikkeling van de benodigde materialen.

Aanvullende technologieën

De warmtebatterij is geen vervanging voor andere duurzame technologieën, zoals warmtepompen of geothermie. In plaats daarvan kan de warmtebatterij als aanvullende oplossing dienen. Dit is ook het standpunt van Olaf Adan, een van de onderzoekers. Volgens hem is het niet om of-of, maar om en-en. Om de energietransitie te realiseren, moeten alle beschikbare middelen worden ingezet. De warmtebatterij kan hierin een belangrijke rol spelen, maar niet de enige oplossing zijn.

Conclusie

De warmtebatterij biedt een revolutionaire oplossing voor de efficiënte en verliesvrije opslag en distributie van industriële restwarmte. De technologie maakt gebruik van een thermochemisch proces met een vaste-vaste faseovergang, waardoor warmte kan worden opgeslagen zonder dat er transportverliezen optreden. In vergelijking met warmtenetten, die grote investeringen en beperkte bereikbaarheid vereisen, biedt de warmtebatterij een flexibele en kostenefficiënte oplossing. Het is mogelijk om de technologie op te schalen en in verschillende contexten te gebruiken, variërend van stedelijke gebieden tot dunbevolkte regio’s.

De warmtebatterij kan een belangrijke bijdrage leveren aan de energietransitie en de CO₂-reductie in de woningbouwsector. De technologie maakt gebruik van bestaande industriële restwarmte, waardoor er geen extra opwekking nodig is. Daarnaast is de warmtebatterij geschikt voor tijdelijke toepassingen, zoals in nieuwbouwprojecten, en biedt ze een kostenefficiënte alternatieve oplossing voor isolatie, warmtepompen en andere duurzame technologieën.

Nederland heeft een unieke kans om een leidende rol te spelen in de ontwikkeling en implementatie van de warmtebatterij. Door de technologie op te schalen en wereldwijd te exporteren, kan het land een belangrijke bijdrage leveren aan de energietransitie wereldwijd. De warmtebatterij is momenteel in de ontwikkelingsfase en moet nog op schaal worden geïmplementeerd, maar het potentieel is groot. Met de juiste investeringen en samenwerking tussen overheid, industrie en onderzoek is het mogelijk dat de warmtebatterij de energietransitie versnelt en een game-changer wordt in de duurzame woningbouwsector.

Bronnen

1. Eindhovense warmtebatterij kan industriële restwarmte verliesvrij benutten