12 okt. 2021
3 minuten
In Duitsland gaat 55 procent van het eindverbruik van energie naar verwarming en koeling. Veel warmte wordt echter ongebruikt afgevoerd omdat deze niet wordt gegenereerd wanneer dat nodig is. Thermische opslag met behulp van zeolietmateriaal zorgt ervoor dat warmte gedurende lange tijd kan worden opgeslagen zonder verlies. Onderzoekers van Fraunhofer werken nu aan een significante verbetering van de thermische geleidbaarheid van zeolieten.
Op veel daken bevinden zich tegenwoordig zonnecollectoren die huizen van warm water voorzien. Dit werkt best goed in de zomer; de warmtevraag piekt echter in de winter wanneer woningen verwarming nodig hebben. Warmteopslag moet dus een deel van de overtollige warmte kunnen opslaan voor later gebruik. Traditioneel worden hiervoor grote watertanks gebruikt; In deze tanks wordt water verwarmd en de warmte wordt dan direct als warmte opgeslagen. Het probleem met deze methode is dat er grote volumes nodig zijn en ondanks goede isolatie gaat er ook warmte verloren. Thermochemische opslag daarentegen maakt het mogelijk om in de zomer geproduceerde thermische energie te bewaren voor gebruik in de koude winter.
Zeolieten zijn zo’n opslagoplossing. In tegenstelling tot water slaan zeolieten de warmte niet direct op – in plaats daarvan verwijdert de warmte het water dat in het materiaal is opgeslagen. In energetische toestand zijn zeolieten dus volledig droog; omgekeerd, wanneer waterdamp door de pellets wordt geleid, komt er warmte vrij. Het voordeel hiervan is dat de energie niet wordt opgeslagen in de vorm van verhoogde warmte maar in de vorm van een chemische toestand. Hierdoor gaat er bij langdurige opslag geen warmte verloren. Er is één nadeel: zeolieten hebben een slechte thermische geleidbaarheid, wat het overbrengen van de warmte van de warmtewisselaar naar het materiaal en terug moeilijk maakt.
Coaten met aluminium
Een team van onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam en Plasma Technology FEP heeft dit probleem nu opgelost. "We hebben de zeolietpellets gecoat met aluminium – dit verdubbelde de thermische geleidbaarheid na slechts de eerste poging zonder de wateradsorptie en desorptie negatief te beïnvloeden. Op dit moment streven we ernaar om dit vijf tot tien keer te verhogen door de coatings aan te passen", zegt projectmanager Heidrun Klostermann.
Hoewel dit relatief eenvoudig klinkt, brengt het in feite aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Dit betekent dat voor een liter korrels met een korrelgrootte van vijf millimeter, ongeveer tienduizend van deze kleine korrels gelijkmatig met aluminium moeten worden bedekt. Voor een korrelgrootte van één millimeter komt dit neer op één miljoen korrels met een totale oppervlakte van 3,6 m2. Hoe kleiner de korrel, hoe uitdagender het proces. Kleinere korrels verhogen echter ook de specifieke vermogensdichtheid van thermische opslagsystemen. Om voldoende thermische geleidbaarheid te bereiken, moet de laag ook tientallen micrometers dik zijn – voor vacuümcoatingprocessen is dit een stuk dikker dan de norm.
Toch hebben de onderzoekers deze uitdagingen overwonnen. Hiervoor keken ze naar thermische verdamping, waarbij aluminiumdraad continu in vacuüm op een verwarmde keramische plaat wordt gevoerd, waar het aluminium wordt verdampt en als een laag aluminium op de korrels wordt afgezet. De pellets moeten voortdurend in een vat worden gecirculeerd, zodat ze allemaal gelijkmatig worden bedekt. "De grootste moeilijkheid was om de korrels te coaten terwijl ze rondrollen en om ervoor te zorgen dat de coating voldoende gelijkmatig werd aangebracht", zegt Klostermann. "De uitstekende samenwerking van onze ingenieurs, natuurkundigen en fijnmechanica was de belangrijkste troef om ons te helpen dit te bereiken."
Zeolieten zijn niet alleen een goede methode voor thermische opslag: ze kunnen ook helpen bij het leveren van koeling voor huishoudelijk gebruik naast zonnecollectoren en voor mobiele toepassingen. In bedrijfsvoertuigen zou de warmte die verloren gaat van de aandrijfeenheid bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor airconditioning als onderdeel van een thermochemische cyclus. Vanuit het oogpunt van de onderzoekers vormen de hybride materialen die hiervoor worden gebruikt, nieuwe uitdagingen. Als gevolg hiervan zoeken de wetenschappers naar versterking van hun banden met materiaalontwikkelaars en systeemingenieurs uit onderzoek en industrie, in de hoop oplossingen te ontwikkelen voor de flexibele levering van verwarming en koeling.
Anderen lazen ook
