Hvordan et nyt varmebatteri hurtigt kan gøre millioner af hjem gasfri

Behovet for at tage huse fra gas er steget lige siden konflikten i Ukraine. Et varmebatteri med salt og vand som simple komponenter kunne give en hurtig og storstilet løsning for over tre millioner husstande i Holland – det dobbelte af det mål, som den hollandske regering har sat. Dette varmebatteri, der er udviklet af et konsortium af Eindhoven University of Technology, TNO, spin-off Cellcius og industrielle partnere, er billigt, kompakt, tabsfrit og nu klar til de første virkelige tests.

Med varmelagring i boliger og ved at udnytte de enorme mængder industriel spildvarme, der ellers ville blive smidt ud, er dette batteri en potentiel game-changer for energiomstillingen. Her er fire grunde til at blive ladet op for ankomsten af ​​dette innovative batteri.

1. Grundlaget for batteriet er utroligt simpelt

Et simpelt eksperiment afslører straks essensen af ​​varmebatteriet. Fyld en lille flaske med hvide saltkorn, tilsæt lidt vand og det begynder at syde. Desuden føles flasken som ved et trylleslag øjeblikkeligt utrolig varm. Olaf Adan har demonstreret eksperimentet utallige gange, fantastiske tilskuere igen og igen.

Adan, TU/e-professor og hovedforsker ved TNO, er kernen i Eindhovens varmebatteri, som i bund og grund drejer sig om et relativt gammelt termokemisk princip:et salthydrats reaktion med vanddamp. "Saltkrystallerne absorberer vandet, bliver større og afgiver i den forbindelse varme," siger Adan. Derfor den hurtigt opvarmende flaske.

Men det omvendte er også muligt. "Ved at tilføre varme fordamper du vandet og 'tørrer' i bund og grund saltet og reducerer dermed størrelsen af ​​saltkrystallerne," forklarer Adan. Så længe der ikke kommer vand til dette tørre saltpulver, lagres varmen altid i det. Så i modsætning til andre typer varmelagring går der intet tabt:Batteriet er helt tabsfrit.

Du kan gentage denne proces i det uendelige, på den ene eller den anden måde, og derved skabe grundlaget for et varmebatteri, der kan lagre varmen og bruge den på et senere tidspunkt og et andet sted. Dette er en løsning til det svingende udbud af vedvarende energi i boliger og bygninger og til hensigtsmæssig genbrug af 'varmeaffald' et andet sted.

Selvom princippet om batteriet kan være enkelt, er det bestemt ikke at anvende det i et batteri. Vær vidne til, at Adan har arbejdet på dette i over 12 år. Eksempelvis er valget af det specifikke saltmateriale ikke indlysende. Der er tusindvis af kendte reaktioner af salthydrater med vand. Adan studerede dem alle meget detaljeret og opdagede i sidste ende, at kun et meget begrænset antal har de rigtige egenskaber til brug i et batteri.

"Sådan en saltkrystal bliver større og mindre, varme går ind og ud hele tiden. Så der sker noget med sådan en partikel. Det betyder, at den hurtigt kan gå i opløsning eller klumpe sammen med andre partikler. Så du skal bruge et materiale, som du kan fortsætte med at bruge cyklisk," siger Adan. I sidste ende slog han og hans team sig på kaliumcarbonat som basis, et salt, der let kan udvindes, og som kan findes i mange produkter, såsom mad, sæbe eller glas.

Så har du også brug for en enhed, der vil udnytte potentialet i dette materiale fuldt ud. Hvis det skal passe ind i et hus, skal det være kompakt, og gerne også overkommeligt samt højeffektivt. "Så man begynder at se på alle slags reaktorkoncepter, såsom i et vakuum eller med fri luft, men uden held til dato," siger Adan.

Til sidst kom Adan frem til det såkaldte lukkede kredsløb, som han byggede en demonstrator af i 2019. Dette recirkulerende system består af komponenter, herunder varmeveksler, ventilator, fordamper/kondensator og en kedel med saltpartikler. Ved 7 kWh var sagen stadig ret minimal – i teorien kunne dette give opvarmning til en typisk familie på fire i to dage.

"Det så stadig ret grundlæggende ud med eksisterende, moden teknologi, men det gav os mulighed for at demonstrere, at vores koncept, så enkelt som det var, fungerede." Beviser, der gjorde det muligt for Adan inden for det europæiske konsortium HEAT-INSYDE (herunder TU/e, TNO, Caldic og parter fra Frankrig, Belgien, Polen og Schweiz) at vinde et europæisk tilskud på syv millioner euro til videreudvikling. Holdet gik derefter i gang med at 'opgradere' demonstratoren til en prototype klar til brug i praksis. Dette er nu opnået.

2. Teknologien er optimeret til brug i den virkelige verden

I forhold til dimensioner er den prototype, der nu er blevet realiseret, nok at sammenligne med demonstratoren, men det er her, de synlige ligheder slutter. Prototypen ligner et slags stort skab med snesevis af skabe, med alle mulige løse kabler, der stikker ud af siden.

Utroligt nok repræsenterer hver duo af små "skabe" et varmebatteri, der matcher hele den originale demonstrator med hensyn til lagerkapacitet. Hele enheden indeholder omkring 30 "skabe" med en samlet lagerkapacitet på over 200 kWh. Adan sætter det i perspektiv:"Det svarer til to fuldt opladede Teslaer."

"Vi har optimeret den tidligere version på utallige måder," forklarer Adan stolt. "Vi redesignede de enkelte komponenter, såsom fordamper og varmeveksler, udnyttede pladsen bedre og brugte andre materialer." Samtidig indeholder enheden også et måle- og styresystem, for eksempel, så du ved, hvornår du skal lade op, og hvor meget varme der er tilbage i systemet.

De fleste applikationer kræver ikke så stort et batteri. Det er derfor, vi bevidst valgte de mange små enheder, som du kan kombinere efter eget ønske; et modulært system, med andre ord. "Hvis du har én stor beholder med salt, skal du begynde at bruge det hele på én gang. Det er virkelig ineffektivt," siger Adan. Så du kan bruge 'bits' af batteriet adskilt fra resten.

Derudover tilbyder de separate enheder alle former for designmuligheder, hvilket gør forskellige former og størrelser mulige, afhængigt af den ønskede praktiske situation. Adan taler om en brugerorienteret prototype. "Det er endnu ikke et produkt, men alt er nu klar til at blive testet for første gang i en virkelig situation."

Og den test starter senere i år, med de første piloter af varmebatteriet i boliger. Et batteri på omkring 70 kWh vil blive installeret – nok til at holde et par dage uden sol eller vind – i fire hjem, to i Eindhoven, et i Polen og et i Frankrig.

Selvom det "kun" er fire boliger, forventer Adan, at de vil "lære uhyggeligt meget af det her." For eksempel vil test give værdifuldt input til, hvad der ellers er nødvendigt i praksis for at anvende batteriet i stor skala, samt hvad brugeren synes om det. Skal der for eksempel være en app til at betjene batteriet?

3. Varmetransport er afgørende i energiomstillingen

Ideen, der startede det hele, var varmebatteriet som lagringsmedie i boliger. I mellemtiden kigger konsortiet dog også på varmelagring i kontorbygninger, væksthusgartnerier eller for eksempel elbusser eller luksusskibe.

Men, indså de, at hvis dette termiske batteri kan opbevare varmetabsfrit, kan det også transporteres tabsfrit. Der sker jo ikke andet med det tørre salt, så længe der ikke tilsættes vand. Det er netop her, det termiske batteri kan gøre forskellen, fordi andre former for varmetransport, såsom gennem rør eller faseovergange, altid løber op i tab.

Konsortiet fokuserer derfor også deres opmærksomhed på industriel restvarme som varmekilde, en slags "varmespild", som det, der genereres som et biprodukt på fabrikker eller overskudsvarme fra datacentre. Denne varme er ikke så "varm" længere; ved temperaturer under 150 grader Celsius har det ingen værdi for de fleste industrier.

Til boliger er sådan varme dog meget nyttig. Sådanne temperaturer er mere end tilstrækkelige til at opvarme dit hjem eller tage et varmt brusebad. Hvis industriel restvarme kunne bruges til at opvarme boliger, har du en win-win situation:boliger kunne gøres uafhængige af gas - et endnu mere presserende behov i betragtning af afhængigheden af ​​(russisk) gas - og CO₂ emissioner ville blive reduceret.

Adan laver en hurtig udregning. "I Holland har vi omkring 150 PetaJoule (et tal med 15 nuller) restvarme fra industrien om året. Det ville gøre dig i stand til at tage næsten 3,5 millioner hjem fra gassen, hvilket er mere end det dobbelte af den hollandske regerings mål, nemlig 1,5 millioner huse gasfri i 2030."

Hvis du overlejrer placeringen af ​​kilderne til industriel restvarme og boliger på et kort over Holland, siger Adan, at matchen er rimelig god. Der er ikke mere end 30 kilometer imellem dem.

Det er dog stadig for meget for varmenet, den metode regeringen nu fokuserer på. "Varmegitter bruger rør med vand, som køler og derfor begrænser din aktionsradius," forklarer Adan. "Derudover har varmenet en stor investeringsrisiko, og hele landskabet skal brydes op for at bygge dem - ikke en attraktiv mulighed."

Med et konsortium, der inkluderer Cellcius (mere om det om et øjeblik), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside og SABIC, forbereder Adan derfor nu et virkeligt testforsøg for at bruge varmebatteriet til genbrug af industriel restvarme. Restvarme fra Chemelot Campus i Sittard-Geleen vil blive transporteret til omkring 50 boliger i nabolaget i samme kommune.

Adan:"Med en varmeladestation hos SABIC opsamler vi varme og tørrer saltet. Dette salt kører vi så i lastbil til et slags 'transformerhus' i boligområdet, hvorfra de halvtreds boliger forsynes med varme via rør. Så vi skal ikke være i selve hjemmene."

Og ja, det er ikke klimavenligt at bruge lastbiler, men Adan kan berolige alle. "Emissionerne fra dette er ubetydelige i forhold til de emissioner, vi sparer med denne varmetransport. Desuden ønsker vi snart at skifte til elektriske lastbiler."

Piloten skal starte i løbet af næste år, hvor de første lastbiler læsset med "energi" kan køre på vejen.

4. Overgangen til valorisering styrker udviklingen

Nu hvor teknologien er ved at blive rullet ud i samfundet, er der også taget skridt på den organisatoriske og økonomiske side. For eksempel blev spin-off Cellcius – det første kombinerede TNO og TU/e ​​spin-off – grundlagt i slutningen af ​​2020. "Virksomheden blev formelt grundlagt den 11. den 11., som det skal være i Brabant," griner Adan, i et nik til datoen for den traditionelle start på Carnaval.

Den unge virksomhed er stadig lille med fem personer i øjeblikket. Men Adan forventer, at de er vokset til omkring 10 til 15 personer ved udgangen af ​​året. "Fra Eindhoven Engine får vi også mange studerende fra alle slags studier til at samarbejde om forskellige aspekter."

Siden den syvcifrede europæiske bevilling er der også sikret en masse yderligere midler til at muliggøre realiseringen af ​​det kommende boligpilotprojekt. Og takket være de seneste investeringer fra Brabant Development Corporation, Innovation Industries og GoeieGrutten Impact Fund er der lagt sidste hånd på det økonomiske billede for varmetransportpiloten.

Nu hvor Adan gennem Cellcius ikke længere er involveret rent som forsker, men også har en fod i valorisering, ser han, hvordan denne interaktion har en forstærkende effekt på teknologien. "Fordi du nu virkelig arbejder på et produkt, som igen genererer nye spørgsmål til grunden, teknologien. Dette er et vidunderligt eksempel på samskabelse, og hvordan det giver dig mulighed for at accelerere den cyklus."

På trods af det store løfte om den teknologi, han har til sin rådighed, forbliver Adan jordnær. "Selvom potentialet er stort, har vi også set mange store potentielle teknologier, der ikke har nået det. Så vi vil holde fødderne på jorden og tage det her et skridt ad gangen. Jeg er kun med på det her for én ting:det er fantastisk at kunne bidrage til energiomstillingen."