De techniek rondom warmtepompen blijft vorderingen maken. Dit jaar komt naar alle waarschijnlijkheid de eerste thermo-akoestische warmtepomp voor de residentiele sector op de markt. Echter is hiermee de kous nog niet af. Er wordt verder onderzoek gedaan naar hoe deze techniek kan worden ingezet om meerdere woningen en appartementen te verwarmen door een thermo-akoestische warmtepomp te ontwikkelen die aangesloten kan worden op warmtenetten.

Deze thermo-akoestische warmtepomp wordt ontwikkeld door TNO, Howden Thomassen Compressors BV, Linthorst Techniek, ZTS en Blauwe Feniks. Warmte365 sprak met Jan-Aiso Lycklama à Nijeholt, researcher en projectmanager bij TNO, over de ontwikkelingen op het gebied van de thermo-akoestische warmtepomp.

Wat is een thermo-akoestische warmtepomp?
Een thermo-akoestische warmtepomp is een warmtepomp waarbij er geluidsgolven worden gebruikt om een gas de comprimeren en uit te laten zetten. Ondanks dat hier geluid wordt gebruikt is een thermo-akoestische warmtepomp vaak stiller dan een traditionele compressie warmtepomp. Dit komt doordat de geluidsgolven die worden gebruik zich in een drukvat bevinden en heel laag in het audiospectrum zitten (tussen de 20 en 100 hertz).

Het gas dat voor de thermo-akoestische warmtepomp wordt gebruikt is helium. Traditionele warmtepompen gebruiken momenteel nog vaak schadelijke F-gassen als koudemiddel. In een thermo-akoestische warmtepomp hoef je deze gassen niet te gebruiken. Lycklama à Nijeholt: “Waterstof zou eigenlijk een beter gas zijn omdat het een lichter gas is en ruim beschikbaar is, maar het is voor ons duurder om mee te werken in het lab. Vanwege noodzakelijke veiligheidsmaatregelen daarom hebben we gekozen voor helium. In principe zou je elk gas kunnen gebruiken.”

Om te fungeren als verwarmingsbron heeft een thermo-akoestische warmtepomp wel een (duurzame)warmtebron nodig. De thermo-akoestische warmtepomp wordt elektrisch aangedreven en pompt warmte uit deze bron van een lage naar hoge temperatuur om hiermee wooneenheden van warmte te voorzien. Voor industriële toepassing kan zelfs warmte van 180 graden Celsius worden geleverd door de warmtepomp. Er bestaan ook andere projecten die met dezelfde techniek gebruik maken van industriële warmte.

Doel van het onderzoek van TNO is om te bekijken of bestaande warmtenetten of blokverwarming met een centrale gasketel of gasmotor als warmtevoorziening versneld en goedkoper kan worden verduurzaamd door deze te vervangen door een thermo akoestische warmtepomp. Door de hoge warmteleveringstemperatuur van de thermo akoestische warmtepomp hoeven de aangesloten wooneenheden niet extra geïsoleerd te worden en kan gebruik worden gemaakt van het bestaande verwarmingssysteem.

Hoe werkt de thermo-akoestische warmtepomp?
De geluidsgolf in de warmtepomp wordt geproduceerd door een heen en weergaande zuiger van de zuigercompressor. De compressor wordt elektrisch aangedreven. Lycklama à Nijeholt, legt de werking van de thermo-akoestische warmtepomp uit aan de hand van vier stappen.

In de eerste stap is het heliumgas in een koude warmtewisselaar aanwezig. De geluidsgolf zorgt er voor dat de druk in het gas daalt en het heliumgas zet uit en de temperatuur daalt.

Vervolgens neemt het heliumgas warmte op van de relatief warmere koude warmtewisselaar en verplaatst zich door een regenerator, “een poreuze structuur die warmte tijdelijk buffert”, licht Lycklama à Nijeholt toe. Hier warmt het heliumgas op.

Hierna neemt te druk doormiddel van de geluidsgolf toe waardoor het volume van het heliumgas verkleind, ook wel compressie genoemd. Hierdoor stijgt de temperatuur van het heliumgas en kan het  warmte afgeven aan de warme warmtewisselaar.

Als laatste stap keert het helium weer terug naar de startpositie. Hierbij geeft het heliumgas resterende warmte weer af aan de regenerator en keert het terug in de oorspronkelijk staat.

Waarom moet een thermo-akoestische warmtepomp worden ingezet?
Ondanks dat de thermo-akoestische warmtepomp die op een warmtenet kan worden aangesloten nog in ontwikkeling is, stelt Lycklama à Nijeholt dat ze in de toekomst een belangrijke rol kunnen gaan spelen in het verwarmen en verkoelen van met name appartement blokken.

Lycklama à Nijeholt: “Een thermo-akoestische warmtepomp functioneert onder bepaalde condities veel beter dan een pressiewarmtepomp. Dat kan in een gebouwde omgeving een voordeel geven. Een thermo-akoestische warmtepomp kan namelijk goed overweg met afkoelende en opwarmende stromen. De COP [Coefficient Of Performance] wordt daardoor niet negatief beïnvloed, en dat is heel anders bij een compressiewarmtepomp. Die levert eigenlijk maar op één temperatuur zijn warmte, dus op de hoogste temperatuur. En ook aan de verdamperkant (de lage temperatuurkant) absorbeert die ook alle warmte op één temperatuur.”

Dit houdt in dat de thermo-akoestische warmtepomp bij verschillende omstandigheden nog steeds efficiënt kan worden ingezet. Door deze brede inzetbaarheid verwacht Lycklama à Nijeholt dat het uiteindelijk goedkoper wordt om thermo-akoestische warmtepompen te produceren omdat standaard units worden geproduceerd.

Waar kan een thermo akoestische warmtepomp worden ingezet?
In 2024 gaat een pilot thermo-akoestische warmtepomp van Blue Heart Energy in productie voor de residentiele markt. TNO blijft in samenwerking onderzoek doen naar het potentieel van thermo-akoestische warmtepomp voor verduurzaming van warmtenetten.

Het idee hierbij is dat de warmtepomp kan worden ingezet om al bestaande warmtenetten te kunnen verduurzamen en op een schaalbare manier de efficiëntie te kunnen verhogen. Hiervoor zijn appartementencomplexen en huisblokken het meest interessant omdat hierbij met een thermo-akoestische warmtepomp in een keer bestaande wooneenheden tegen lage kosten kunnen worden verduurzaamd, legt Lycklama à Nijeholt uit.

“In oudere appartementen complexen en huizenblokken zijn al vaak warmtenetten aangelegd maar is na isoleren kostbaar en de benodigde verwarmingstemperatuur hoog. Het is een logische stap om de thermo-akoestische warmtepomp eerst hierop toe te gaan passen”, aldus Lycklama à Nijeholt.

Ondertussen blijft TNO door ontwikkelen aan de thermo-akoestische warmtepomp. Lycklama à Nijeholt: “We zijn pas een tijdje bezig. Dus we moeten nog veel kinderziekten eruit halen. Op papier kunnen we een hele hoge COP halen, maar dit moeten we nog aantonen. Het hoge rendement is nog niet op deze schaal aangetoond. Dat is de belangrijkste ontwikkelingsstap.”

"De onderwerpen waar het project zijn veel in het nieuws, zoals het warmtenet en blokverwarming. Het raakt aan energiearmoede, een belangrijk maatschappelijk thema. Het is interessant dat je een technologie kunt ontwikkelen die hieraan kan bijdragen, om energie en verwarming betaalbaarder en duurzamer te maken. Duurzame warmte uit vrijmaken uit duurzame bronnen is de belangrijkste stap in dit project. De maatschappelijke relevantie en nieuwe mogelijkheden maken het voor mij zeer interessant onderwerp", vertelt Lycklama à Nijeholt.