Hoe de Eindhovense warmtebatterij miljoenen woningen snel gasvrij kan maken

Met warmteopslag in woningen en het benutten van de enorme hoeveelheden industriële restwarmte die anders wordt weggegooid is deze batterij een potentiële ‘gamechanger’ voor de energietransitie. We geven je vier redenen om je op te laden voor de komst van deze innovatieve batterij. 

1. De basis van de batterij is verbluffend simpel

Uit een eenvoudig proefje wordt de essentie van de warmtebatterij direct duidelijk. Een klein flesje gevuld met witte zoutkorreltjes, een beetje water erbij en het begint te sissen. Alsof het magie is, voelt het flesje bovendien direct ontzettend heet aan. Olaf Adan heeft het proefje al talloze keren gedemonstreerd en altijd weer zijn de toehoorders verbluft.

Adan, TU/e-hoogleraar en hoofdonderzoeker bij TNO, staat aan de basis van de Eindhovense warmtebatterij. Die in essentie draait om een relatief oud thermochemisch principe: de reactie van een zouthydraat met waterdamp. “De zoutkristallen nemen het water op, worden groter en hierbij komt warmte vrij”, zegt Adan. Vandaar het sterk opwarmende flesje.

Maar omgekeerd kan ook. “Door warmte toe te voegen, verdamp je het water eraf en ‘stook je het zout in feite droog’. De zoutkristallen worden weer kleiner”, legt Adan uit. Zolang er geen water bij dit droge zoutpoeder komt, blijft de warmte hierin altijd opgeslagen. Er gaat – in tegenstelling tot andere soorten warmteopslag – dus niets verloren: de batterij is volledig verliesvrij.

Dit proces kun je eindeloos herhalen, de ene of de andere kant op. En daarmee heb je een basis voor een warmtebatterij die warmte kan opslaan, om het op een later moment – en op een andere plaats – weer te kunnen gebruiken. Een oplossing dus voor het fluctuerende aanbod van hernieuwbare energie in woningen en gebouwen, en om ‘warmteafval’ op een andere plek weer nuttig hergebruiken.

“Het oogde nog vrij basic, met bestaande, volwassen technologie, maar we konden hiermee wel aantonen dat ons concept, hoe simpel ook, werkte.

Het principe van de batterij mag dan eenvoudig zijn, het toepassen ervan in een batterij is dat zeker niet. Getuige het feit dat Adan hier al ruim twaalf jaar mee bezig is. Zo is de keuze van het specifieke zoutmateriaal niet vanzelfsprekend. Er zijn duizenden reacties bekend van zouthydraten met water. Adan bestudeerde ze allemaal tot in groot detail, om te ontdekken dat er uiteindelijk maar een zeer beperkt aantal de juiste eigenschappen heeft voor in een batterij.

“Zo’n zoutkristalletje wordt groter en kleiner, er gaat voortdurend warmte in en uit. Dus er gebeurt wat met zo’n deeltje. Dat kan daardoor snel uit elkaar vallen, of samenklonteren met andere deeltjes. Je hebt dus een materiaal nodig dat je cyclisch kunt blijven gebruiken”, legt Adan uit. Uiteindelijk kwam hij met zijn team uit op kaliumcarbonaat als basis, een makkelijk te delven zout dat je in veel producten terugvindt, zoals in voedsel, zeep of glas.

Dan heb je ook nog een apparaat nodig dat het potentieel van dit materiaal ten volle benut. Als het in een huis moet passen, dient het compact te zijn. Liefst ook betaalbaar, en met een hoog rendement. “Dan ga je naar allerlei reactorconcepten kijken, onder meer met vacuüm of met open lucht, maar dat bleef zonder succes”, zegt Adan.  

Uiteindelijk kwam Adan tot het zogeheten ‘closed-loop systeem’, waarvan hij een demonstrator bouwde in 2019 (zie afbeelding hier rechts). Een recirculerend systeem, bestaande uit onder meer een warmtewisselaar, ventilator, verdamper/condensor en een ketel met zoutdeeltjes. Met 7 kWh was het ding nog vrij minimaal – in theorie zou een typisch gezin van vier personen hiermee twee dagen kunnen rondkomen met warmte.

“Het oogde nog vrij basic, met bestaande, volwassen technologie, maar we konden hiermee wel aantonen dat ons concept, hoe simpel ook, werkte. Bewijs waarmee Adan binnen het Europese consortium HEAT-INSYDE (met o.a. TU/e, TNO, Caldic en partijen uit Frankrijk, België, Polen en Zwitersland) een Europese subsidie van 7 miljoen euro kon binnenslepen voor de verdere ontwikkeling. Vervolgens ging het team aan de slag om de demonstrator te ‘upgraden’ tot een prototype die klaar was voor de praktijk. Dat is intussen gelukt.

2. De technologie is geoptimaliseerd voor de praktijk

Qua afmetingen is het inmiddels gerealiseerde prototype wellicht vergelijkbaar met de demonstrator, maar daarmee houden de zichtbare overeenkomsten dan ook op. Het prototype oogt als een soort grote kast met tientallen lockers, waarbij allerlei losse kabels uit de zijkant steken.

Verbazingwekkend genoeg vertegenwoordigt elk duo van kleine ‘lockers’ een warmtebatterij die qua opslagcapaciteit overeenkomt met de gehele, originele demonstrator. Het gehele apparaat bevat zo’n 30 ‘lockers’, met een totale opslagcapaciteit van ruim 200 kWh. “Dat is vergelijkbaar met twee volgeladen Tesla’s”, brengt Adan het in perspectief.

“Op talloze manieren hebben we de eerdere versie geoptimaliseerd”, vertelt Adan trots. “De losse onderdelen, zoals de verdamper en warmtewisselaar hebben we herontworpen, we hebben de ruimte beter benut en andere materialen gebruikt.” Ook bevat het apparaat intussen een meet- en regelsysteem, om bijvoorbeeld te weten wanneer je kunt laden en hoeveel warmte nog in het systeem zit.

De meeste toepassingen behoeven niet zo’n grote batterij. Daarom is bewust gekozen voor die meerdere, kleine units die je naar believen kunt combineren; een modulair systeem dus. “Als je één grote bak met zout hebt, dan moet je die in één keer gaan gebruiken. Dat is heel inefficiënt”, aldus Adan. Daarom kun je ‘stukjes’ van de batterij gebruiken, apart van de rest.

Daarnaast bieden de losse units allerlei mogelijkheden voor het ontwerp, om te spelen met verschillende vormen en groottes, afhankelijk van de gewenste praktijksituatie. Adan spreekt van een user-oriented prototype. “Het is nog geen product, maar alles is nu klaar om voor de eerste keer in een praktijksituatie te kunnen testen.”

En dat testen gaat later dit jaar van start, met de eerste pilots met de warmtebatterij in woningen. In vier woningen – twee in Eindhoven, één in Polen en één in Frankrijk – zal een batterij van ongeveer 70 kWh geïnstalleerd worden – voldoende om een paar dagen zonder zon of wind te kunnen overbruggen.

Ook al zijn het ‘slechts’ vier woningen, Adan verwacht dat ze hier “verschrikkelijk veel van gaan leren”. Zo gaat de proef waardevolle input opleveren wat er verder in de praktijk nodig is om de batterij op grote schaal toe te passen. Maar ook wat de gebruiker ervan vindt. Moet er bijvoorbeeld een app komen om de batterij te bedienen?

“In Nederland hebben we ongeveer 150 PetaJoule aan restwarmte uit de industrie per jaar. Daarmee kun je bijna 3,5 miljoen woningen van het gas af halen."

3. Warmtetransport is cruciaal in de energietransitie

De warmtebatterij als opslagmedium in woningen, met dat idee begon het ooit allemaal. Maar intussen kijkt het consortium ook naar bijvoorbeeld warmteopslag in kantoorgebouwen, glastuinbouw of bijvoorbeeld elektrische bussen of luxe schepen.

Maar, zo realiseerden ze zich, als je met deze warmtebatterij warmte verliesvrij kunt opslaan, kun je het ook verliesvrij transporteren. Immers, met het droge zout gebeurt verder niets zolang er geen water bij komt. Juist daarin zou de warmtebatterij wel eens het verschil kunnen maken, want andere vormen van warmtetransport – zoals door leidingen of door faseovergangen – hebben altijd te maken met verliezen.

Het consortium richt de aandacht daarom nu ook op industriële restwarmte als warmtebron – een soort ‘warmte-afval’. Het gaat dan bijvoorbeeld om warmte die in fabrieken als bijproduct ontstaat of overtollige warmte uit datacenters. Deze warmte is niet meer zo ‘warm’; met temperaturen onder de 150 graden Celsius heeft het voor de meeste industrie geen waarde meer.

Voor woningen is zulke warmte echter zeer bruikbaar. Voor het verwarmen van je huis of warm douchen zijn zulke temperaturen ruimschoots voldoende. Als je industriële restwarmte zou kunnen benutten voor het verwarmen van woningen sla je twee vliegen in één klap: woningen kunnen van het gas af – door de afhankelijkheid van (Russisch) gas een nog urgentere wens – en de CO2-uitstoot wordt verminderd.

Adan rekent even snel voor. “In Nederland hebben we ongeveer 150 PetaJoule (een getal met 15 nullen) aan restwarmte uit de industrie per jaar. Daarmee kun je bijna 3,5 miljoen woningen van het gas af halen. Dat is ruim twee keer de ambitie van de Nederlandse overheid, namelijk 1,5 miljoen woningen van het gas af in 2030.”

Leg je op een kaart van Nederland de locaties van bronnen van industriële restwarmte en woningen over elkaar heen, dan matcht dat volgens Adan redelijk goed. Er zit maximaal 30 kilometer tussen.

Dat is echter nog steeds te veel voor warmtenetten, de methode waar de overheid nu vooral op in zet. “Warmtenetten gebruiken leidingen met water, dat afkoelt en dus je actieradius beperkt”, zegt Adan. “Bovendien hebben warmtenetten een fors investeringsrisico en moet het hele landschap open worden gebroken om ze aan te leggen – geen aantrekkelijke optie.”

Met een consortium van onder meer spin-off Cellcius (zodadelijk meer hierover), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside en SABIC is Adan daarom nu de voorbereidingen aan het treffen voor een praktijkproef voor de inzet van de warmtebatterij voor hergebruik van industriële restwarmte. Hierbij zal restwarmte van de Chemelot Campus in Sittard-Geleen worden getransporteerd naar een vijftigtal woningen n de buurt in dezelfde gemeente.

Adan: “Met een warmteoplaadpunt bij het bedrijf SABIC halen we warmte op en drogen we het zout. Met vrachtwagens rijden we dit zout vervolgens naar een soort ‘transformatorhuisje’ in de woonwijk, vanwaar de vijftig woningen via leidingen van warmte worden voorzien. We hoeven dus niet in de woningen zelf te zijn.”

En inderdaad, het gebruik van vrachtwagens is niet klimaatvriendelijk, maar Adan kan iedereen geruststellen. “De uitstoot die dat geeft is verwaarloosbaar vergeleken met de uitstoot die we met deze warmtetransport besparen. Daarbij willen we snel overstappen naar elektrische vrachtwagens.”

In de loop van volgend jaar zou de pilot moeten starten en kunnen de eerste vrachtwagens volgeladen met ‘energie’ de weg op.

4. De stap naar valorisatie versterkt de ontwikkeling

Nu de technologie op het punt staat om in de maatschappij uit te rollen, zijn ook aan de organisatorische en financiële kant stappen gezet. Zo is eind 2020 een spin-off opgericht, Cellcius – de eerste spin-off van TNO en TU/e samen. “Op de 11^e van de 11^e is het bedrijf formeel opgericht, zoals het hoort in Brabant”, lacht Adan.

"Ik zit hier maar voor één ding in: het is fantastisch om een bijdrage te kunnen leveren aan de energietransitie.”

Het jonge bedrijfje is nog klein, met momenteel vijf mensen. Maar Adan verwacht dat ze aan het einde van het jaar naar ongeveer 10 tot 15 mensen zijn gegroeid. “Ook krijgen we vanuit Eindhoven Engine veel studenten aangereikt die aan stukjes meewerken, vanuit heel diverse opleidingen.”

Sinds de Europese miljoenensubsidie is er ook veel additionele financiering binnengehaald, waarmee de komende pilot in woningen gerealiseerd kan worden. En dankzij recente investeringen van de Brabantse Ontwikkelings Maatschappij, Innovation Industries en het Impactfonds GoeieGrutten is ook het financiële plaatje voor de pilot rond warmtetransport inmiddels rond.

Nu Adan via Cellcius niet alleen meer puur als onderzoeker bezig is, maar ook met één been in de valorisatie staat, ziet hij de versterkende cirkel die deze wisselwerking heeft op de technologie. “Omdat je nu echt met een product bezig bent, levert dat weer nieuwe vragen op voor het fundament, de technologie. Dit is een prachtig voorbeeld van co-creatie en hoe je daarmee die cyclus kunt versnellen.”

Ondanks de grote belofte van de technologie die hij in handen heeft, blijft Adan nuchter. “De potentie is weliswaar groot, maar we hebben ook veel grote potentiële technologieën gezien die het niet gered hebben. We blijven daarom met onze voeten in de realiteit staan en doen dit stap voor stap. Ik zit hier maar voor één ding in: het is fantastisch om een bijdrage te kunnen leveren aan de energietransitie.”