To our Podcasts

Warmte Opslag Met Phase Change Materialen

Warmte is 60% van onze energie behoefte. We gebruiken meer energie in de vorm van gas voor warmte dan electriciteit.

Waarom heen ‘PCM’ onder de vloer, en: wat is dat, een PCM?

Warmt opslaan kan op verschillende manieren. De eenvoudigste manier is om iets op te warmen en dan goed te isoleren. Dat gebeurde al eeuwen met koude, in ijskelders werd ijs in de winter opgeslagen en doordat koude lucht beneden blijft en erg goed isoleert was er de hele zomer ijs.

Als je warmte wil opslaan is er een goed medium, namelijk water. Water houdt veel warmte vast en kan in tanks worden opgeslagen. Praat je over hogere temperaturen (omdat de warmte opwekking met zon tot temperaturen van 150  graden Celsius kan leiden) dan word olie aangeraden. In de praktijk blijkt olie echter lastig omdat het degradeert en vooral in gesloten warmte systemen voor lekkage e.d. kan zorgen. Er zijn echter alternatieven voor warmte buffering en opslag, en dat zijn zogenaamde fasematerialen.

(bron)

Materialen slaan warmte op omdat de moleculen waaruit ze bestaan sneller gaan bewegen. Soms gebeurt het dat ook de manier waarop moleculen georienteerd zijn, of in elkaar gevouwen veranderd door toenemende warmte, als een veer die gespannen wordt. Daarbij overwinnen ze bv. compressie krachten en die krachten persen de beweging soms ook weer uit het materiaal als de temperatuur daalt. Meestal vinden dit soort moleculaire herschikkingen plaats op de faseovergangen (bv ijskristal naar vloeibaar water). Materialen die die eigenschap hebben worden daarom Phase Change Materials genoemd of PCMs. Er is eigenlijk helemaal niks speciaal aan PCM’s, de naam benadrukt alleen dat ze een energetisch interessante fase overgangen hebben.

Links een PCM, rechts gedestilleerd water, het PCM koelt veel langzamer af

Fase overgangen verschillen dus in de hoeveelheid energie die deze vergen. Water is een vloeistof tot 100 graden, en dan opeens een gas. Dat komt omdat bij 100 graden de onderlinge aantrekkigskracht van water en de tegenwerking van de bovenhangende lucht het aflegt tegen de snelheid van de watermoleculen, waardoor deze kunnen ontsnappen en waterdamp worden. Water veranderd darentegen in ijs als de moleculen zo traag worden dat de aantrekkingskrachten van een kristal structuur het winnen.

"Cooper Natural Resources will raise its off-list sodium sulfate prices by $10 per ton for material in bulk hopper trucks and cars, and $15 per ton for product in bags and supersacks."(bron)

…of je koopt het voor 17,70 Euro/Kilo  (bron)

In de buurt van de fase overgangen is dus een ongeziene strijd aan de gang in materialen. Sommige materialen hebben nog andere overgangen, namelijk tussen verschillende kristalconfiguraties. Er is dan een overgang tussen de ene configuratie waarin moleculen sneller bewegen dan in een andere. Het nette aan deze materialen is dat ze vaak zonder hun structuur te verliezen warmte kunnen opslaan en afgeven.

Check ook de Trombe Muur

Zouten zijn prima materialen als PCM. Hun fase overgang van vast naar vloeibaar is bruikbaar, maar ook hebben sommige zouten configuratie overgangen (zo zal ik het hier noemen). Keukenzout is prima en wordt gebruikt als opslag in zonnecentrales, alleen smelt het bij nogal hoge temperaturen. Je kunt zouten echter mengen om de smelt temperatuur te verlagen (net als zout in water de smelt temperatuur ofwel het vriespunt van water verlaagt). Zouten zijn niet duur, kosten 80 Euro per ton oid afhankelijk van waar het om gaat.

Voorbeeld Natrium Fosfaat

Natrium fosfaat is een zout, de naam klinkt chemisch maar dat doet keukenzout ook als je het bij de juiste naam zou noemen, namelijk Natriumchloride. Een andere naam voor Natrium fosfaat is ook Glaubersalt, omdat de Nederlands/Duitse mr. Glauber het zout in 1625 ontdekte.

Lage temperatuur

Glauber Zout kan op twee manieren worden gebruikt voor warme opslag. Bij lage temperaturen (tot 40 graden) heeft het een hoge capaciteit rond de 32 graden. Dus als de temperatuur stijgt van 20 naar 40 graden blijft dit proces een tijd hangen rond de 32 graden omdat dan veel warmte wordt geabsorbeerd voor een fase overgang.

Een patent op een zonverwarmde ventilatie. Is goed te combineren met PCM

32 graden is een handige temperatuur voor ruimte verwarming. Overdag kan het zout worden opgeladen met zonlicht en zo hoeft er ‘s avonds niet zoveel gestookt te worden. Het volume Glauberzout ivm water is maar 1/3, dus er kan ook meer warmte in een kleinere ruimte worden opgeslagen.

"The use of an active solar combisystem incorporating PCM has tremendous potential for reducing the impact of residential buildings on the environment and can help in the long overdue move to dwellings that are more sustainable."

Glauber zout en andere zouten kunnen ook in bouwmateriale en muren worden verwerkt. Met een paar procent zout door de mix kan de warmte opslag capaciteit sterk toenemen. Wegen met Glauberzout onder het asfalt blijven zo gratis ijsvrij. Er zijn wellicht ook toepassingen in de tuinbouw.

Hoge temperatuur

Glauberzout heeft nog een fase overgang rond de 150 graden celcius. Dan is het nog vaste stof, maar dan kan het ook een aanzienlijke hoeveelheid warmte opslaan. Dit is zo effectief dat er stoomlocomotieven hebben bestaan die in plaats van kolen en water een blok zout aan boord hadden. Door de hoge temperaturen moet het wel goed worden geisoleerd. De capaciteit van een olie warmte opslag kan dus worden vergroot door er blokken zout in te plaatsen. Deze mogen niet lekken.

Innovatief

Hoge temperatuur opslag maakt restwarmte vervoerbaar, dus een treintje met thermoskannen van de haven naar een stadsverwarmings station is niet eens lastig te realiseren. Er is zelfs nagedacht over het opvangen van de warmte dan auto’s voor gebruik naderhand. De enrgie in benzine en diesel in auto’s wordt maar voor 30% benut.

Stoom Temparatuur Warmte Opslag

Zoek je nu op de term ‘Heat battery’ dan kom je allemaal afleidende artikelen tegen over een enorme innovatie op dit gebied van het MIT. Maar innovatie is wederom niet nodig. Hier een patent uit 1957. En hieronder een foto van een groep die dit soort batterij gebruikt om de stoom opslag capaciteit van een zonnegenerator te vergroten.

Een olie tank waarin blokken PCM geplaatst werden (bron)

Er zijn zelfs treinen mogelijk geacht die geen brandstof in de locomotief meenamen, maar PCM materiaal dat met warmte was opgeladen. Stoom met externe bron is misschien ook interessant voor vrachtvervoer, aangezien opladen zeer weinig tijd kost ivm electrisch, het een zeer veilige techniek is ook zonnewarmte kan worden benut.

A fireless steam locomotive could operate with both an accumulator containing saturated water under high pressure as well as a PCM container system. Both systems may be mounted on to the same extended locomotive frame, or the two systems may be mounted in a garratt layout. A steam line from the accumulator’s steam dome would first pass through the PCM container system where it would be superheated, before returning to the accumulator inside the steam line. (bron)

Het is bij hogere temperaturen lastiger om warmte vast te houden. Maar ter overbrugging van dag naar avond is het geen probleem. Deste warmer de uitgangs temperatuur, deste veelzijdiger het gebruik kan zijn.

NaOH

Een andere optie is Natronloog, een oplossing van Natrium Hydroxide. Dit is een base die warmte opslaat als je hem droogt en afgeeft als hij oplost. Een systeem waarbij in de zomer water uit het NaOH wordt verdampt (mbv zonnewarmte) en in de winter wordt toegevoegt creert een eenvoudige low tech warmte batterij. Dit is een 6 keer zo efficient opslag systeem ivm water (bron).

Met NaOH kan ook bij hoge temperaturen warmte worden opgeslagen, het concept van de Thermkeep. Deze opslag methode slaat warmte op bij een temperatuur van ongeveer 320 graden, maar kan verhitting tot 675 graden verdragen.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *