Phase Change Materials (PCM) zijn materialen die warmte kunnen opslaan en vrijgeven bij het veranderen van vast naar vloeibaar en andersom. De techniek heeft potentie voor warmteopslag, maar staat nog in de kinderschoenen. Omdat warmteopslag een belangrijke rol gaat spelen in het energiesysteem van de toekomst wordt er op verschillende plekken met PCMs geëxperimenteerd en onderzocht wat ze kunnen betekenen voor de warmtetransitie.

Het inzetten van ijs om thermische energie op te slaan is geen nieuw idee: al meer dan tweeduizend jaar geleden bouwde men “ijshuizen” om in hun koelbehoeften in de zomer te voorzien.

Met de komst van de elektrische koelkast werd een kelder vol enorme ijsblokken overbodig, maar de kans dat we weer ijs in onze tuinen gaan begraven is nog niet helemaal weg. Omdat we op piekmomenten steeds grotere overschotten aan duurzame stroom opwekken, zijn er nieuwe vormen van opslag nodig. En omdat de capaciteit voor het opslaan van elektriciteit (in accu’s) nog beperkt is en het elektriciteitsnet aan zijn limiet zit, is warmteopslag een aantrekkelijk alternatief waar het technisch kan.

Zodoende wordt er met verschillende manieren geëxperimenteerd om overschotten aan energie in de vorm van warmte op te slaan. Steeds meer huizen met warmtepompen installeren ook buffervaten, die energie vasthouden in de vorm van warm water. Dat kan dan later weer worden ingezet als er een warmtevraag is.

Een ander voorbeeld van zo’n techniek zijn Phase Change Materials (PCMs), of faseovergangsmaterialen. Je kunt hierbij denken aan een ijsbuffer onder het huis (of de tuin). PCMs hebben in potentie veel opslagcapaciteit, maar brengen ook uitdagingen met zich mee en zijn nog relatief onbewezen op schaal. Wat weten we al wel van deze techniek en wat kan het bijdragen aan de warmtetransitie?

Latente warmte
Warmteopslag met PCMs maakt gebruik van een concept dat ‘latente warmte’ wordt genoemd. Hierbij gaat het om de hoeveelheid energie die nodig is om een materiaal van vast naar vloeibaar of andersom te laten gaan.

Naast de thermische energie (voelbare energie) in een container met warm water of warme lucht, vereist een faseovergang van bijvoorbeeld ijs naar water extra energie. In een blok ijs zit naast de thermische energie van het ijs dus ook nog deze ‘latente’ energie opgeslagen, die vrijkomt als het smelt.

Viessmann, producent van ijsbuffers, laat dit in de onderstaande grafiek zien. Daaruit valt af te lezen dat bij de faseovergang van water naar ijs 93 wattuur per kilogram materiaal vrijkomt, terwijl de temperatuur constant blijft op 0 graden Celsius. Die hoeveelheid energie komt overeen met de energie die vrijkomt als water van 80 graden Celsius wordt afgekoeld naar 0 graden. Zo zit in een relatief klein temperatuurbereik (rond het smeltpunt) heel veel energie opgeslagen.

Opslagsystemen met PCMs benutten dit fenomeen om efficiënt warmte op te slaan. In hun Kennisdossier Warmteopslag schrijft de Topsector Energie:

“Door gebruik te maken van PCMs met een temperatuurtraject binnen comfortabele grenzen van een binnenklimaat, bijvoorbeeld 19 tot 22 graden Celsius, zorgt de integratie van PCMs in een gebouw voor een effectief veel grotere warmtecapaciteit. Ter vergelijking: 1 kilogram PCMs kan evenveel warmte-energie opslaan als 30 kilogram beton.”

Ijsbuffers
Het belangrijkste onderdeel van een opslagsysteem met PCMs is meestal een ijsbuffer. In het geval van het systeem van Viessmann is dit bijvoorbeeld een betonnen container, die gevuld wordt met water en wordt begraven in de bodem.

De ijsbuffer is gevuld met spiraalvormige warmtewisselaarbuizen die door de gehele hoogte van de container lopen. Daardoor loopt een vloeistof waarmee het systeem de warmtepomp warmte onttrekt aan de buffer dat langzaam verandert in ijs.

Vakblad Warmtepompen wijst erop dat de ijsvorming in het buffervat zorgvuldig gecontroleerd moet blijven: “Pas als al het water is veranderd in ijs, daalt de temperatuur verder. Het is de bedoeling dat dit niet gebeurt. Daar is de grootte van een buffer op berekend. Een regeling bewaakt de ijsvorming. Er mag geen grote ijsklomp ontstaan, anders kunnen de betonnen wanden scheuren. Leveranciers spreken over een gecontroleerde manier van ijs maken.”

Dit systeem kan in theorie efficiënter zijn dan een typisch buffervat. De integratie van PCMs heeft volgens Topsector Energie dan ook “een grote potentie om het energiegebruik voor verwarming en koeling te verminderen”, met name in gebieden met een grote fluctuatie in dag- en nachttemperaturen. Daarbij is het vanwege de hoge effectieve latente warmtecapaciteit in het bijzonder geschikt voor gebruik “binnen lichte, op hout gebaseerde, bouwtechnieken zoals hout skeletbouw (HSB) of kruislaaghout (KLH of CLT)”.

Uitdagingen en kinderziektes
Momenteel worden warmteopslagsystemen met PCMs nog maar op weinig plekken toegepast. Wel worden ze in het factsheet Warmte van het Nationaal Programma Regionale Energiestrategie (RES) genoemd als veelbelovend alternatief, waarvan de toepassing nog in ontwikkeling is.

Een van de bekendere projecten met ijsbuffers zijn een groep van 21 woningen in Goes (Zeeland), uitgevoerd door woningcorporatie RWS in samenwerking met leverancier Solareis. Echter, dit project had nog wel te maken met wat opstartproblemen, toen bleek dat het systeem onnauwkeurig was afgestemd en de huizen in de zomer te warm werden. Dat probleem is ondertussen opgelost en de huurders gecompenseerd voor de extra verwarmingskosten.

De RES schrijft in het factsheet Warmte dan ook dat er voor PCMs nog een aantal uitdagingen zijn om te overwinnen. “Voor zowel PCM als TCM zijn de hoge kosten, de materiaalkeuze en de complexiteit van het beheer de grootste uitdagingen waaraan gewerkt wordt”, stelt het rapport. “Deze technologieën zijn voornamelijk interessant op een individueel niveau, bijvoorbeeld in gebouwen, of in industriële processen.”

Meer experimenten nodig
Hoewel de potentie van PCMs voor warmteopslag dus reëel is, zijn de beperkingen dat ook. Zoals bij elke technologie, zal de adoptie van PCMs voor een groot deel afhangen van hoe de alternatieven zich ontwikkelen.

Topsector Energie beschrijft warmteopslag als “een onmisbare schakel” in een duurzaam energiesysteem en verwacht dan ook dat het de komende jaren meer aandacht gaat krijgen. Daarmee ligt het in de lijn der verwachting dat er ruimte komt voor nieuwe technieken om zich te bewijzen.

Een warmteopslagsysteem met PCM zou een efficiënte manier kunnen zijn om thermische energie op te slaan, in de juiste situaties. Echter, momenteel weerhouden de hoge kosten en de complexiteit de techniek nog van grootschalige adoptie.

Voordat we weer op grote schaal ijs onder de grond gaan begraven zal er dus nog veel moeten worden geëxperimenteerd met PCM-systemen. Pas dan zal blijken of PCMs en ijsbuffers echt de warmtetransitie vooruit gaan helpen, of dat de techniek door het ijs zakt.