Onderzoeker baant weg voor compacte warmtepomp

Met een absorptiewarmtepomp kan warmte aan een medium worden onttrokken, en tegen zeer hoog rendement elders op een meer gewenste plaats weer worden afgegeven. Probleem is echter dat de pompen duur zijn en veel ruimte in beslag nemen. Natuurkundige Reinder Wassenaar maakt de weg vrij voor meer compacte pompen.

Een campingkoelkastje lijkt een eenvoudig apparaat, dat aan de binnenzijde warmte onttrekt waardoor het biertje koud blijft en deze warmte aan de achterzijde weer afgeeft. Bij nadere beschouwing gaat het om een redelijk ingewikkeld proces van stof- en warmte-overdracht waarbij de zogenaamde absorptiewarmtepomp centraal staat. In zo’n pomp wordt door een verdamper warmte opgenomen doordat een vloeistofmedium tot gas verdampt. In een condensor wordt deze warmte vervolgens weer aan de omgeving afgegeven, waardoor de gassen weer in vloeistofvorm overgaan.

De truc van de absorptiewarmtepomp is dat met een zeer hoog energetisch rendement warmte kan worden verplaatst. Er valt veel energie mee te besparen. ,,Je kunt een verdamper bij wijze van spreken in een rivier hangen, en de daardoor onttrokken warmte een eindje verderop benutten”, vertelt Reinder Wassenaar van de sectie Koudetechniek en Klimaatregeling van Werktuigbouwkunde. Wassenaar promoveerde begin november op onderzoek naar de absorptiewarmtepomp.

Onderzoekers van Wassenaars sectie leverden al eerder staaltjes van intrigerende energiebesparing met behulp van warmtepompen. In Botswana werd een door de zon aangedreven koelmachine gebouwd, waarin vaccins fris werden gehouden, terwijl een dergelijke machine in Soedan voorkwam dat groente en fruit voortijdig gingen rotten. Ook in de procesindustrie vindt overtollige warmte met behulp van absorptiewarmtepompen nieuw en nuttig emplooi, terwijl in een stadsverwarmingsproject in Rotterdam een energiecentrale in de zomer zelfs zijn warmte afgeeft aan de installaties om koude te produceren. In een enkel kantoor zorgen de warmtepompen ervoor dat de warmte zowel wordt gebruikt voor verwarming van de ruimten, als voor de koeling van de computerafdeling.

Ingenieus is voorts de warmtetransformator waarmee in een fabriek zonder verdere hulpmiddelen restwarmte van circa honderd graden celsius kan worden gesplitst in een deel van twintig graden celsius (dat in een koeltoren wordt geloosd) en even groot deel dat kan worden opgewerkt tot maar liefst 150 graden. Deze hoogwaardige energie kan zonder mankeren worden hergebruikt in het produktieproces. Zowel in een proefproject bij de Hoogovens in IJmuiden als in een chemische fabriek in Delfzijl is een dergelijke transformator geïnstalleerd.
Duur en groot

De absorptiewarmtepomp dateert al van de vorige eeuw. opmerkelijk is dat de vinding telkens tot ontwikkeling komtwanneer de energieprijzen stijgen. ,,Dat was in de jaren twintig zo, en ook in de jaren zeventig, na de energiecrises, zagen we hernieuwde belangstelling opbloeien”, vertelt Wassenaar.

Als het aan Wassenaar ligt, zouden er in Nederland veel meer van dergelijke warmtepompen worden geïnstalleerd. ,,Het grote voordeel van de absorptiewarmtepomp is dat je er enorme rendementen mee kan bereiken, veel meer dan de populaire hoge rendementsketel bijvoorbeeld”, zo legt hij het voordeel uit. Maar ja, de nadelen tellen zwaarder. Tot nog toe zijn dergelijke warmtepompen ontiegelijk duur en groot. Wie zijn huis zou willen verwarmen moet minstens twee keer zoveel ruimte inleveren voor de pomp. En door de hoge aanschafkosten, duurt het veel langer om het ding af te schrijven. Zonneboilers of HR-ketel zijn daardoor in het voordeel.

Toch zou door Wassenaars onderzoek de ontwikkeling van kleinere, goedkopere pompen in het verschiet kunnen liggen. Wassenaar ontwikkelde namelijk een tweetal modellen waarmee het opnemend vermogen van de absorber kan worden voorspeld. Het eerste model beschrijft de overdrachtsverschijnselen tussen damp en vloeistof op de gangbare grote logge buizen. Met een tweede model kan worden voorspeld hoe damp en vloeistof zich gedragen op compacte opppervlakken die met behulp van groeven en vinnen aan een effectievere werking worden geholpen.
Terugverdienen

Met Wassenaars model is het voor het eerst gelukt het absorberend vermogen van de compacte opppervlakken in de pomp te beschrijven, en dat alles in betrekkelijke korte rekentijd. ,,Ontwerpers van absorptiewarmtepompen zouden er hun voordeel mee kunnen doen”, zegt Wassenaar. ,,Er zou een nieuwe generatie kleinere en goedkopere pompen kunnen worden gefabriceerd, waardoor we meer aan energiebesparing zouden kunnen doen”, zegt de kersverse doctor enthousiast.

Toch ziet Wassenaar de komende jaren nog geen tientallen pompen over de toonbank gaan. ,,Voorlopig heeft de hoge rendementsketel de strijd gewonnen, omdat die zichzelf sneller terugverdient.” Bovendien heeft het kabinet flink gekort op vernieuwend onderzoek naar energiebesparing, en eveneens zal de ontwikkeling van een nieuwe generatie pompen op basis van Wassenaars model niet worden bespoedigd doordat er in Nederland zich zegge en schrijve slechts één bedrijf bezighoudt met de absorptiepompenbusiness.

In Japan is dat wel anders. ,,Daar gaat men zeer efficiënt met energie om omdat men zelf geen fossiele energie heeft. Japan heeft bovendien een landklimaat, waardoor in de zomer veel behoefte is aan koeling, terwijl de winter om veel verwarming vraagt”, legt Wassenaar uit. ,,In Japan wordt de warmtepomp daarom ook dubbel toegepast: met een druk op de knop verzet je de kleppen, waardoor de pomp in plaats van te koelen warmte gaat produceren, of andersom.” Misschien zal daarom eerder in Japan op basis van Wassenaar’s model worden gewerkt aan nieuwe compacte absorptiewarmtepompen, die dan over enige jaren als Hitachi’s en Kawasaki’s op de Nederlandse markt verkrijgbaar zijn.

Toen Wassenaar twaalf jaar geleden met het onderzoek naarenergiebesparing in aanraking kwam, zag hij als bevlogen medewerker grote mogelijkheden. Nu, eenmaal doctor, weet hij dat de wereld zich niet zo snel laat veranderen. ,,Onderzoek is slechts een klein facet. Grillige factoren als economie en politiek bevinden zich buiten bereik van een eenvoudig onderzoeker. Toch is er nu wiskundig gereedschap, waarmee een nieuwe generatie absorptiewarmtepompen in het verschiet liggen.”