opslag van zonne-energie in roestvrijstalen boiler

start-up ontwikkelt nieuw type boiler met grote opslagcapaciteit

In juni is de start-up Newton Energy Solutions begonnen met het leveren van een nieuw type boiler, waarin ongeveer acht keer zoveel energie kan worden opgeslagen als in conventionele boilers en ook nog veel langer. De NEStore, zoals de nieuwe boiler heet, is bedoeld voor het opslaan van zonne-energie in de vorm van warmte in huizen en gebouwen. Als er maar genoeg van zijn, zal het landelijk elektriciteitsnet bij een overschot aan zonne-energie minder snel overbelast raken.

gesloten systeem

Volgens Pavol Bodiš, CEO van Newton Energy Solutions, is bij de ontwikkeling van het apparaat inspiratie opgedaan in de chemische procestechnologie. "Een conventionele boiler doet denken aan een batchreactor met onderin een verwarmingselement dat de gehele inhoud op een bepaalde temperatuur brengt. Bij de NEStore heeft het verwarmen meer weg van de werking van een flowreactor."

Het geheim van het nieuwe apparaat zit hem in het afwijkend ontwerp: een dubbelwandig roestvrijstalen vat van drie centimeter dik met een vacuüm tussen de wanden – vergelijkbaar met een stalen thermoskan – plus het gebruik van een warmtewisselaar. Anders dan bij een gewone boiler die rechtstreeks warm water levert voor douchen of baden, is de nieuwe boiler een gesloten systeem. Heet water van 100 tot 110 °C van bovenuit het vat stroomt door een warmtewisselaar die onder het vat is geplaatst, draagt daar warmte over, koelt daarbij af tot bijvoorbeeld 20 °C en komt daarna onderin het vat terecht. Water van buiten van bijvoorbeeld 12 °C stroomt langs de andere kant van de warmtewisselaar en wordt opgewarmd tot 50 °C, wat een geschikte temperatuur is om te mengen met koud water bij het douchen.

Koffiezetapparaat

Als de zonnepanelen op het dak stroom leveren of de elektriciteitsprijs voldoende laag is, begint het vat met opwarmen. Onder het vat zit behalve de warmtewisselaar en een expansievat ook een verwarmingselement, bestaande uit een verwarmde buis. Daarin wordt het koude water afkomstig van de bodem van het vat verhit, waarna het als heet water via een buis naar boven stroomt en bovenin het vat terechtkomt, vergelijkbaar met de werking van een koffiezetapparaat voor filterkoffie.

Na verloop van tijd bevindt zich bovenin nog steeds water van 110 °C en daaronder water van steeds lagere temperatuur tot 20 °C op de bodem. Mengen hoeft niet en is zelfs niet gewenst, want de warmteoverdracht in de warmtewisselaar verloopt veel beter bij een hoog temperatuurverschil en dus met heet water dat bovenuit het vat komt.
Er treedt geen convectie op, ook al is de temperatuur van het water bovenin veel hoger dan op de bodem. Het warme water heeft een lagere dichtheid en blijft daardoor bovenin zitten. Hooguit vindt wat warmtetransport naar beneden plaats via diffusie en de roestvrijstalen wand. "Het kan dagen duren voordat het temperatuurprofiel lineair is", verzekert Bodiš.

"Een conventionele boiler doet denken aan een batchreactor; bij de NEStore heeft het verwarmen meer weg van de werking van een flowreactor"

meer thermische energie

Voordeel van de aanwezigheid van heet water bovenin is ook, dat er op ieder moment genoeg warmte is om de douchen. Daarnaast bevat water van 110 °C natuurlijk ook meer energie dan water van 60 °C in een conventionele boiler. Dankzij de hogere temperaturen kan er meer thermische energie in de NEStore worden opgeslagen. Bovendien is de isolatie van het apparaat 20 à 30 keer beter ter opzichte van een gewone boiler, waardoor het warmteverlies beperkt blijft tot 1% à 2% per dag, terwijl dit bij gewone boilers met purschuimisolatie 20% à 30% per dag is. Daar komt bij dat gewone boilers een verwarmingselement onderin het vat hebben die tijdens het verwarmen een convectiestroom op gang brengt, die de warmte verspreidt over het hele volume. Wil er tapwater van 50 °C beschikbaar zijn, dan moet het hele volume dus op 50 °C gebracht en gehouden worden, wat bijdraagt aan het energieverlies.
"Bij onze boiler blijft de temperatuur bovenin constant. Daardoor is er genoeg warmte beschikbaar om anderhalf uur na elkaar te douchen", aldus Bodiš.

Grote opslagcapaciteit

De NEStore kost circa € 5.000, een gewone boiler ongeveer € 1.500, beide exclusief btw. "Maar de capaciteit van onze boiler is acht keer zo groot", zegt Bodiš. Het vat van de NEStore heeft een diameter van 60 centimeter en is met een capaciteit van 20 kilowattuur 1,6 meter hoog en met een capaciteit van 30 kilowattuur 2 meter hoog.
Opslaan van zonnestroom in batterijen kan natuurlijk ook, maar volgens Bodiš kosten die met een vergelijkbare opslagcapaciteit € 20.000 à 25.000. "Die leveren bij brand grote problemen op. Met ons vat van roestvrij staal kan weinig gebeuren."

Dat de nieuwe boiler grotendeels uit roestvrij staal is opgebouwd, betekent ook dat hiervoor in Europa geen exotische grondstoffen geïmporteerd hoeven te worden. Bovendien is staal volledig recyclebaar.

Newton Energy Solutions is een spin-off van TNO, dat zich aanvankelijk richtte op een warmtebatterij op basis van faseovergangen van bepaalde chemische stoffen. "Maar consumenten zijn huiverig voor apparaten, als ze weten dat er twee ton chemicaliën in zitten. Dat maakt het lastig om die batterijen te verkopen. Daarom zijn we op een gegeven moment overgestapt op het concept van een dubbelwandige roestvrijstalen boiler", verklaart Bodiš, die eerder bij TNO aan deze ontwikkelingen werkte.

                      

opschaling Productie

In juni heeft Newton Energy Solutions certificering ontvangen voor de toepassing van het apparaat in combinatie met zonnepanelen en in juni is de eerste NEStore boiler geplaatst. In juli volgen er meer. Later zal daar ook de certificering voor koppeling aan zonnecollectoren en warmtepompen bijkomen. Het bedrijf telt nu 8 mensen. Bij de productie zijn 15 mensen van partnerbedrijven betrokken.

In de rest van het jaar zullen in Nederland en Duitsland nog zo'n honderd apparaten geïnstalleerd worden. In het najaar hoopt het bedrijf de financiering rond te hebben voor het uitbreiden van de productie naar 10.000 stuks per jaar. De productie en de kwaliteitscontrole zijn overigens uitbesteed aan hierin gespecialiseerde bedrijven. Newton Energy Solutions doet alleen de productontwikkeling en verkoop. Doel is op den duur minstens 100.000 boilers per jaar te leveren.

Overschot aan zonne- en windenergie opslaan

In principe kan een groot aantal van deze nieuwe boilers een groot deel van het overschot aan zonne-energie in de zomer opslaan in de vorm van warmte en zodoende het elektriciteitsnet ontlasten. "Stel dat een miljoen huizen in Nederland uitgerust zijn met een NEStore van 20 kilowattuur, dan zouden die in totaal 20 gigawattuur kunnen opslaan, gelijk aan de energie die de zonneparken op de Noordzee met een gezamenlijk vermogen van in totaal 20 gigawatt rond 2035 in een uur produceren."

"Hoe snel het met de verkoop zal gaan, hangt onder andere af van de komst van een normering voor energieopslag. Op het ogenblik telt energieopslag niet mee in de berekening van energielabels voor huizen en gebouwen, waardoor een stimulans voor de aanschaf ontbreekt. Ook werkt de salderingsregeling voor eigenaren van zonnepanelen niet mee", legt Bodiš uit.

Hij pleit ervoor dat de overheid er in het belang van de energieopslag toe overgaat elektriciteit dynamisch te belasten, zodat de heffing bij een overschot aan elektriciteit laag is en bij een tekort hoog. Bodiš: "Innovatie loopt nu eenmaal vooruit op wetgeving, dus we moeten even geduld hebben. Duidelijk is in elk geval dat ons product een grote bijdrage kan leveren aan de energietransitie."