Goedkope warmte uit een omgekeerde koelkast

Duurzame energie

Ongeveer 38 procent van de totale energieconsumptie van de Europese Unie komt voor rekening van het verwarmen van gebouwen en proceswarmte in de industrie. Geschat wordt dat zo’n 30 procent van de proceswarmte geschikt is voor hergebruik. Dit is 12 procent van de totale energieconsumptie. Warmte-energie gaat gewoonlijk verloren, maar kan worden hergebruikt door warmtepompen. Dit zijn apparaten die zoals de naam al zegt warmte van de ene plaats naar de andere stuwen. In feite het principe van een omgekeerde koelkast: op de ene plaats wordt het kouder, op de andere warmer.

Het rendement van warmtepompen is hoog, en ze vormen dus mogelijk een duurzame warmtebron. De bestaande pompen hebben echter een te lage efficiency en kunnen geen hoge temperaturen bereiken. Toch kan minder warmte voordelig uitpakken.

,,Als je een kopje water van 10 graden Celsius wil verwarmen naar 35 graden, dan kan dit met een bron van 90 graden. Dit gaat immers lekker snel”, legt Itard uit. Zij studeerde natuurkunde in Frankrijk en specialiseerde zich in de energietechnologie. In 1989 werd zij aio bij de vakgroep klimaatregeling en koudetechniek van de faculteit Werktuigbouwkunde.

Haar onderzoek naar warmtepompen draait om exergie, een maat voor de kwaliteit van energie. Itard: ,,Als je daar naar kijkt, dan kun je het kopje water beter verwarmen met een bron van 40 graden. Die heeft minder exergie dan een bron van 90 graden, en er gaat dus minder kwaliteit verloren.”
Schoorsteen

Een warmtepomp kan een rendement van meer dan honderd procent halen. Bij een conventioneel systeem, zeg een cv-ketel, wordt aardgas verbrand om water te verwarmen. Een deel van de warmte verdwijnt door de schoorsteen, en het rendement is dan minder dan honderd procent. Om warmte te verplaatsen gebruikt een conventionele warmtepomp echter elektrische energie. Deze wordt omgezet in warmte en draagt zo bij aan de verwarming. Zo komt er meer uit dan je er in stopt, en is het rendement dus meer dan honderd procent.

Dit principe is al sinds de vorige eeuw bekend: een vluchtige stof neemt warmte op door te verdampen, en geeft die bij een hogere druk weer af door te condenseren. Dit heeft tot twee verschillende soorten warmtepompen geleid. Bij de compressiewarmtepomp wordt de drukverhoging verzorgd door een elektrisch aangedreven compressor. Bij de absorptiewarmtepomp wordt de verdampte stof opgenomen in een vloeistof, met een pompje op druk gebracht en daarna door hitte uit de vloeistof verdreven.

Het rendement van de compressiewarmtepomp is hoog, maar de compressor vraagt veel dure elektrische energie. Het absorptietype scoort slechter maar kan gebruik maken van afvalenergie uit de industrie.
Mengsel

De natte compressie-resorptiewarmtepomp, Itards onderzoeksobject, voegt de voordelen van beide principes samen en laat de nadelen achterwege. Itard onderzocht wat het effect is van een koelmiddel met twee componenten: water en ammoniak. In koelkasten en conventionele warmtepompen maakt men meestal gebruik van één koelmiddel waardoor de verdamping en condensatie plaats vinden bij één temperatuur.

Een mengsel kan hier voordeel bieden. Zo heeft water een grote verdampingswarmte en kan dus veel warmte transporteren. Doordat water een hoge soortelijke dichtheid heeft is het echter moeilijk samen te drukken. Voor ammoniak geldt het omgekeerde. Maar beide componenten zouden samen de nadelen kunnen oplossen.

Bij verdamping zal ammoniak het eerst verdampen en wordt het mengsel rijker aan water. Hier komt de exergie om de hoek kijken. Itard: ,,Stel, je gebruikt de warmtepomp voor het verwarmen van het water van je centrale verwarming. Als je dat water nu in tegenstroom langs het water-ammoniak mengsel voert, dan blijft het verschil in temperatuur klein. Het mengsel koelt namelijk af en het water warmt op. Het exergieverlies is dus kleiner. Wel duurt het door het kleine temperatuur-verschil langer voordat de warmte is overgedragen.”

Het verdampen van het water-ammoniak mengsel is hierbij het voornaamste probleem. Dit wordt namelijk moeilijker naarmate er meer ammoniak verdampt is; water heeft tenslotte een hoog kookpunt. Om energie te besparen wordt nu meestal afgezien van het verdampen van het laatste restje water. Als het al gebeurt dan wordt de vloeistof afgescheiden van het gas, een dure en onelegante oplossing.
Ellende

In Itards warmtepomp worden vloeistof en gas echter samen naar de compressor geleid, vandaar de term natte compressie. Goede compressoren bestaan nauwelijks omdat deze niet goed tegen vloeistoffen bestand zijn. Het idee van natte compressie bestond al langer maar is nooit met succes uitgevoerd. In Duitsland heeft een opstelling bestaan die slechts 200 uur heeft gedraaid en in Hongarije is het onderzoek stopgezet door geldgebrek. Itard: ,,Dat heeft veel ellende veroorzaakt. Alleen in Japan hadden ze een goede vloeistof-gascompressor. De schoepen ervan zijn gemaakt van keramiek. Toen wij deze uitprobeerden bleek echter dat de keramiek van de schoepen ammoniak opnam, waardoor deze opzwollen en vastliepen. We hebben ze in een oven gelegd waardoor ze weer slonken, maar het probleem bleef bestaan.” In haar opstelling is daarom gebruik gemaakt van een compressor met een laag rendement en weinig vermogen, maar die wel bleef lopen.
Fout

Itards onderzoek richtte zich vooral op de vraag of natte compressie wel de gewenste voordelen bood. Het bleek dat de prestaties bij natte compressie hoger worden naarmate het te verwarmen medium meer in temperatuur moet stijgen, en de afgiftetemperatuur dichter ligt bij die van de bron. Natte compressie biedt de meeste voordelen als de laatste gelijk zijn. De relatieve toename van de prestaties is dan meer dan dertig procent.

Een mooi resultaat. Deze week begint daarom een vervolgonderzoek in samenwerking met de universiteit van Nancy, dat wordt gefinancierd door de Europese Unie. Dit moet een compressor opleveren die wel helemaal aan de eisen voldoet. Desondanks is de verdediging van Itards proefschrift, die 16 februari zou plaatsvinden, uitgesteld. Eén van de begeleiders wees haar namelijk op een fout in het model. ,,Uiteindelijk blijkt het rendement bij bepaalde warmtecycli twee keer zo groot”, verklapt Itard. ,,Ik besloot het proefschrift daarom te herschrijven. Ik heb toch geen haast om te promoveren, en dit is natuurlijk een zeer positief punt.”

Duurzame energie

Ongeveer 38 procent van de totale energieconsumptie van de Europese Unie komt voor rekening van het verwarmen van gebouwen en proceswarmte in de industrie. Geschat wordt dat zo’n 30 procent van de proceswarmte geschikt is voor hergebruik. Dit is 12 procent van de totale energieconsumptie. Warmte-energie gaat gewoonlijk verloren, maar kan worden hergebruikt door warmtepompen. Dit zijn apparaten die zoals de naam al zegt warmte van de ene plaats naar de andere stuwen. In feite het principe van een omgekeerde koelkast: op de ene plaats wordt het kouder, op de andere warmer.

Het rendement van warmtepompen is hoog, en ze vormen dus mogelijk een duurzame warmtebron. De bestaande pompen hebben echter een te lage efficiency en kunnen geen hoge temperaturen bereiken. Toch kan minder warmte voordelig uitpakken.

,,Als je een kopje water van 10 graden Celsius wil verwarmen naar 35 graden, dan kan dit met een bron van 90 graden. Dit gaat immers lekker snel”, legt Itard uit. Zij studeerde natuurkunde in Frankrijk en specialiseerde zich in de energietechnologie. In 1989 werd zij aio bij de vakgroep klimaatregeling en koudetechniek van de faculteit Werktuigbouwkunde.

Haar onderzoek naar warmtepompen draait om exergie, een maat voor de kwaliteit van energie. Itard: ,,Als je daar naar kijkt, dan kun je het kopje water beter verwarmen met een bron van 40 graden. Die heeft minder exergie dan een bron van 90 graden, en er gaat dus minder kwaliteit verloren.”
Schoorsteen

Een warmtepomp kan een rendement van meer dan honderd procent halen. Bij een conventioneel systeem, zeg een cv-ketel, wordt aardgas verbrand om water te verwarmen. Een deel van de warmte verdwijnt door de schoorsteen, en het rendement is dan minder dan honderd procent. Om warmte te verplaatsen gebruikt een conventionele warmtepomp echter elektrische energie. Deze wordt omgezet in warmte en draagt zo bij aan de verwarming. Zo komt er meer uit dan je er in stopt, en is het rendement dus meer dan honderd procent.

Dit principe is al sinds de vorige eeuw bekend: een vluchtige stof neemt warmte op door te verdampen, en geeft die bij een hogere druk weer af door te condenseren. Dit heeft tot twee verschillende soorten warmtepompen geleid. Bij de compressiewarmtepomp wordt de drukverhoging verzorgd door een elektrisch aangedreven compressor. Bij de absorptiewarmtepomp wordt de verdampte stof opgenomen in een vloeistof, met een pompje op druk gebracht en daarna door hitte uit de vloeistof verdreven.

Het rendement van de compressiewarmtepomp is hoog, maar de compressor vraagt veel dure elektrische energie. Het absorptietype scoort slechter maar kan gebruik maken van afvalenergie uit de industrie.
Mengsel

De natte compressie-resorptiewarmtepomp, Itards onderzoeksobject, voegt de voordelen van beide principes samen en laat de nadelen achterwege. Itard onderzocht wat het effect is van een koelmiddel met twee componenten: water en ammoniak. In koelkasten en conventionele warmtepompen maakt men meestal gebruik van één koelmiddel waardoor de verdamping en condensatie plaats vinden bij één temperatuur.

Een mengsel kan hier voordeel bieden. Zo heeft water een grote verdampingswarmte en kan dus veel warmte transporteren. Doordat water een hoge soortelijke dichtheid heeft is het echter moeilijk samen te drukken. Voor ammoniak geldt het omgekeerde. Maar beide componenten zouden samen de nadelen kunnen oplossen.

Bij verdamping zal ammoniak het eerst verdampen en wordt het mengsel rijker aan water. Hier komt de exergie om de hoek kijken. Itard: ,,Stel, je gebruikt de warmtepomp voor het verwarmen van het water van je centrale verwarming. Als je dat water nu in tegenstroom langs het water-ammoniak mengsel voert, dan blijft het verschil in temperatuur klein. Het mengsel koelt namelijk af en het water warmt op. Het exergieverlies is dus kleiner. Wel duurt het door het kleine temperatuur-verschil langer voordat de warmte is overgedragen.”

Het verdampen van het water-ammoniak mengsel is hierbij het voornaamste probleem. Dit wordt namelijk moeilijker naarmate er meer ammoniak verdampt is; water heeft tenslotte een hoog kookpunt. Om energie te besparen wordt nu meestal afgezien van het verdampen van het laatste restje water. Als het al gebeurt dan wordt de vloeistof afgescheiden van het gas, een dure en onelegante oplossing.
Ellende

In Itards warmtepomp worden vloeistof en gas echter samen naar de compressor geleid, vandaar de term natte compressie. Goede compressoren bestaan nauwelijks omdat deze niet goed tegen vloeistoffen bestand zijn. Het idee van natte compressie bestond al langer maar is nooit met succes uitgevoerd. In Duitsland heeft een opstelling bestaan die slechts 200 uur heeft gedraaid en in Hongarije is het onderzoek stopgezet door geldgebrek. Itard: ,,Dat heeft veel ellende veroorzaakt. Alleen in Japan hadden ze een goede vloeistof-gascompressor. De schoepen ervan zijn gemaakt van keramiek. Toen wij deze uitprobeerden bleek echter dat de keramiek van de schoepen ammoniak opnam, waardoor deze opzwollen en vastliepen. We hebben ze in een oven gelegd waardoor ze weer slonken, maar het probleem bleef bestaan.” In haar opstelling is daarom gebruik gemaakt van een compressor met een laag rendement en weinig vermogen, maar die wel bleef lopen.
Fout

Itards onderzoek richtte zich vooral op de vraag of natte compressie wel de gewenste voordelen bood. Het bleek dat de prestaties bij natte compressie hoger worden naarmate het te verwarmen medium meer in temperatuur moet stijgen, en de afgiftetemperatuur dichter ligt bij die van de bron. Natte compressie biedt de meeste voordelen als de laatste gelijk zijn. De relatieve toename van de prestaties is dan meer dan dertig procent.

Een mooi resultaat. Deze week begint daarom een vervolgonderzoek in samenwerking met de universiteit van Nancy, dat wordt gefinancierd door de Europese Unie. Dit moet een compressor opleveren die wel helemaal aan de eisen voldoet. Desondanks is de verdediging van Itards proefschrift, die 16 februari zou plaatsvinden, uitgesteld. Eén van de begeleiders wees haar namelijk op een fout in het model. ,,Uiteindelijk blijkt het rendement bij bepaalde warmtecycli twee keer zo groot”, verklapt Itard. ,,Ik besloot het proefschrift daarom te herschrijven. Ik heb toch geen haast om te promoveren, en dit is natuurlijk een zeer positief punt.”