Energieoverschotten efficient opslaan met Power-2-Heat

Welke mogelijkheden bestaan er voor de opslag?

Het onevenwicht tussen het aanbod aan hernieuwbare energie (o.a. via zonnepanelen) en de vraag naar elektriciteit is bekend. Nu met de intrede van de digitale meter ook de terugdraaiende teller onder vuur is komen te liggen, dringt de zoektocht naar efficiënte opslagmogelijkheden zich op. Naast batterijen laten ook Power-2-Heat (P2H of PtH)-oplossingen toe om elektrische energie op te slaan en op een later tijdstip te gebruiken. Enkele van die toepassingen zijn vandaag al op de markt.

Principe achter Power-2-Heat

Power-2-Heat (P2H) is een containerbegrip. Het omvat alle technieken om elektriciteit om te zetten naar warmte en stoom. Hoewel zo’n omzetting een energetisch verlies met zich meebrengt, kan het wel een interessante piste vormen om energieoverschotten zo efficiënt mogelijk op te slaan.

Een tweede motivatie om P2H-oplossingen te overwegen, is bevoorradingszekerheid of onafhankelijkheid van het energienetwerk. Het is altijd zaak om een zo hoogwaardig mogelijke valorisatie te realiseren om de rendabiliteit van dergelijke oplossingen te garanderen. Momenteel vallen ze nog zeer duur uit. De komst van o.a. de digitale meter kan ze natuurlijk een stuk interessanter maken.

Waar kan P2H dan interessant zijn?

P2H-oplossingen zijn een ideaal instrument om energie te bufferen. Zonnepanelen met een digitale meter zijn het meest actuele voorbeeld van de toepassing van P2H. De opgewekte energie die niet meteen verbruikt kan worden, wordt dan opslagen als warmte om niet verloren te gaan. Industriële P2H-projecten, waarbij op grote schaal hernieuwbare energie (zon, wind, water) wordt geoogst om bijvoorbeeld warmtenetten te voeden, kregen al vorm.

Power-2-heat zal pas doorbreken wanneer het rendabeler is, of wanneer de urgentie aan bedrijfszekerheid het haalt.

Residentiële toepassingen beginnen nu ook op te komen. Intelligente regelingen in warmtepompen, bijvoorbeeld, kun­nen bij een overschot aan elektriciteit al autonoom de opslagtemperatuur van het buffervat of de comfort­temperatuur in huis verhogen. In dat geval doet de gebouwschil dienst als thermische opslag. Hoewel de technologie er dus zeker al is, staan concrete toepassingen vooralsnog in hun kinderschoenen. Heat-2-poweroplossingen staan daarentegen al een stuk verder. Afvalverbrandingsovens zijn daarvan het meest bekende voorbeeld. Die zetten de warmte die ontstaat tijdens de verbranding om naar groene energie. In principe zou men dus ook technisch kunnen evolueren naar systemen die de energie omzetten in warmte en weer terug in energie. Opgelet: technisch is het misschien mogelijk, maar ook bij die tweede transformatie zal er weer energie verloren gaan.

Welke uitdagingen zijn er nog?

P2H is brandend actueel is en er gebeurt bijzonder veel onderzoek rond, maar dat vertaalt zich echter nog niet in de praktijk. Dat heeft alles te maken met het kostenplaatje. De elektriciteit waarvan vertrokken wordt, zal een hogere economische waarde hebben dan de warmte die overblijft na de transformatie.

Ook aan de opslag zelf zijn er echter kosten verbonden. Power-2-heat zal dus pas doorbreken wan­neer het rendabeler is of de urgentie aan bedrijfs­zekerheid de overhand neemt. Daarnaast is er de uitdaging om alle toestellen met elkaar te laten communiceren, ongeacht het type en merk. Er zijn nog geen standaarden en protocollen ontwikkeld om een uniforme communicatie uit te bouwen. Dat zal cruciaal zijn om de toestellen die energie kunnen ontvangen in huis (wasmachine, vaatwas …) intelligent aan te sturen.

mogelijkheden voor opslag

Elektroboiler

De meest eenvoudige opslagmogelijkheid voor P2H-systemen is een elektroboiler. De elektroboiler, een voorraadtank met elektrische weerstand, zal het energieoverschot gebruiken om voor sanitair wam water te zorgen of om het gebouw te verwarmen.

Tijdens de afgelopen ISH-beurs toonden fabrikanten reeds verschillende toestellen die in­geschakeld worden wanneer elektriciteit op het net dreigt te belanden. Die toestellen kunnen een mooi rendement voorleggen: 95% van de energie zal in het water blijven. Wel moet er voldoende ruimte aanwezig zijn om een groot genoeg volume te kunnen neerzetten. Het is ook de goedkoopste manier om energie in warmte om te zetten, al ligt de verbruikskost wel hoger.

Warmtepompboiler

De installatiekosten zullen bij een warmtepompboiler een stuk hoger liggen, maar het verbruik daarentegen lager: waar een traditionele boiler 1 kWh elektriciteit nodig heeft om 1 kWh warmte te creëren, kan een warmtepompboiler tot 3 kWh klimmen.

De werking van een dergelijke boiler is ver­gelijkbaar met de werking van een lucht/water-warmtepomp. Een warmtepompboiler gebruikt over het algemeen energie uit de lucht om het sanitair water op te warmen, maar hij kan ook worden aangesloten op zonnepanelen.

De energie van die zonnepanelen drijft een compressor aan. De lucht wordt door middel van een ventilator door een verdamper gestuurd. Het koelmiddel in de verdamper neemt de warmte uit de lucht op en verdampt. Vervolgens worden de temperatuur en de druk van het koelgas in de compressor verhoogd. Na de compressor komt het hete koelgas via een warmtewisselaar in contact met het koud sanitair water. Het geeft zijn warmte af aan het sanitaire water, waardoor het condenseert. De druk en de temperatuur worden verlaagd via een expansieventiel. Het proces kan opnieuw beginnen.

Dankzij de uitstekende isolatie koelt het water niet snel af en vraagt het slechts een minimum aan energie om het water op temperatuur te houden.

Faseverschuivende materialen

Het nadeel aan de hierboven besproken oplossingen is dat ze een relatief groot volume aan water nodig hebben – al is dat natuurlijk wel een goedkoop opslagmedium. Een alternatief dat niet gehinderd wordt door volume, zijn faseverschuivende materialen (PCM).

Toestellen met faseverschuivende materialen doen eigenlijk dienst als compacte warmte­batterij. Anorganisch zout, bijvoorbeeld, zal wanneer het opgewarmd wordt tot 70 °C, helemaal vloeibaar zijn. Zodra er vraag is naar warm tapwater, koelt het zout weer af. De vrijgekomen warmte-energie wordt af­gegeven aan warmtewisselaars die met water gevuld zijn en die het sanitair warm water genereren. Op die manier fungeren ze als een thermisch laadstation dat elektriciteit direct omzet in warmte en opslaat voor warmtevoorziening. Daarvan zijn nu al goed werkende modellen op de markt.

PCM’s kunnen oneindig vaak worden ‘op­geladen en ontladen’. Dankzij de hoge warmteopname en -afgifte en de geringe warmteverliezen zijn ze snel en efficiënt. Dergelijke toestellen zullen qua afmetingen in elke woning passen.

De oplossing kan zowel residentieel als indus­trieel dienen. Hoe lager de temperatuur van het afgiftesysteem zal zijn, des te meer men uit hetzelfde volume kan halen.

Thermobatterij

Themobatterijen worden meer en meer toe­gepast, vooral industrieel dan. In zijn op­geschaalde vorm gaat het dan over een warmtenet. Dat doet vooral dienst om overschotten niet verloren te laten gaan en pieken in de vraag op te vangen. Het voordeel van thermobatterijen is dat ze voor langere tijd warmte kunnen opslaan.

De eerste varianten maakten gebruik van ruthenium, een zeldzaam en dus duur materiaal, waardoor het moeilijk commercieel toepasbaar bleek. Onderzoekers gingen op zoek naar een alternatief. Een daarvan is een combinatie van nanobuizen en azobenzeen, waarmee men dezelfde energiedichtheid als van een lithium-ionbatterij kan bereiken. Daarmee kunnen dan gebouwen van verwarming worden voorzien of kan men in de indus­trie stoom produceren.

De meest veelbelovende technologie is misschien wel waterstof, vooral omdat de opslag van waterstof verschillende seizoenen kan overbruggen

Waterstofboilers

De meest veelbelovende technologie is misschien wel waterstof, vooral omdat de opslag van waterstof verschillende seizoenen kan overbruggen. Dat lukt vooralsnog niet met de hierboven besproken technologieën.

Een tweede troef van waterstof is dat het – mits een aantal kleine aanpassingen – via het gasnet getransporteerd kan worden. Fabrikanten beginnen ook al schoorvoetend met waterstofboilers op de markt te komen. De toestellen werken volgens het principe van elektrolyse. De energie uit hernieuwbare bronnen dient om water via elektrolyse om te zetten in waterstof. Dat kan vervolgens worden opgeslagen in verschillende vormen.

Met een katalytische verbrander kunnen waterstof en zuurstof uit de omgevingslucht spontaan een watermolecule vormen en tegelijkertijd warmte afgeven. Via een reeks warmte­wisselaars kunnen dan de installaties voor sanitair warm water of verwarming worden gevoed. Voor een maximaal rendement van de verbrander en een maximaal comfort voor de gebruiker wordt in eerste instantie gekeken naar stralingsinstallaties met lage temperatuur. Met waterstof zijn er vooral meer mogelijkheden om weer elektriciteit te gaan produceren op het gewenste moment, bijvoorbeeld met behulp van brandstofcellen.

De modernste condensatieketels kunnen overigens al werken op een gasmengsel met 20% waterstof. Daardoor wordt meteen al een besparing van 8% op de CO₂-uitstoot gerealiseerd. 

Met dank aan: ACV, Bosch, Flamco Group, Remeha, Van Marcke en Viessmann