Zout en water, het zijn twee simpele elementen, maar met de juiste toepassing kunnen ze de energie- en warmtetransitie een eind op weg helpen. Warmte365 sprak Olaf Adan, principal scientist bij TNO, hoogleraar technische natuurkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven én CSO van Cellcius, het bedrijf dat industriële restwarmte gebruikt voor het verwarmen van huizen doormiddel van een warmtebatterij.

Al twaalf jaar werkt Adan aan een uitstootvrije manier om huizen te verwarmen. Met de warmtebatterij is een verliesvrije vorm van warmteopslag in het leven geroepen. Restwarmte uit de industrie of uit datacentra kan voor een langere tijd in de batterij worden opgeslagen. En de twee meest voorkomende elementen liggen ten grondslag van deze technologie: zout en water.

De zout en water-techniek
Adan laat twee flesjes zien: één met water, en één met zout. “Kijk”, zegt Adan, “ik heb energie meegenomen”.  Adan ligt toe: “Wanneer je een beetje water toevoegt aan het zouthydraat, wordt het zo warm dat je het flesje door de reactie van de twee elementen al vrij snel niet meer kan vasthouden.”

Adan vertelt verder: “Wanneer zout en waterdamp bij elkaar worden gevoegd komt er dus energie in de vorm van warmte vrij. Het water verbindt zich aan het kaliumcarbonaat (zout) in een kristalvorm. Maar dit proces kan ook worden omgedraaid. Het water kan ook uit het gevormde kristal worden gestookt waardoor je de twee originele componenten overhoudt.”

Met deze technologie kan een oplaadbare batterij worden gemaakt. Wanneer de batterij wordt opgeladen wordt het zout gedroogd, bij het ontladen van de batterij wordt waterdamp toegevoegd waardoor warmte vrijkomt.

 Zolang de twee componenten gescheiden blijven en het zout droog blijft, kan de warmte worden opgeslagen zonder enige vorm van verlies. “Je kan het feitelijk oneindig opslaan”, aldus Adan. Volgens Adan is het zeer realistisch dat het zout droog blijft door het apparaat wat om de batterij heen zit. “Zolang het onder de 4 procent relatieve luchtvochtigheid blijft, kan je het heel lang opslaan.”

“Naast dat je de warmte verliesvrij kan opslaat, kan de warmte ook verliesvrij worden getransporteerd.” Adan laat het flesje nogmaals zien. “Ik had dit net zo goed mee kunnen nemen naar Zuid-Afrika, en dan had het dezelfde energie behouden.”

Samenwerking TNO en TU Eindhoven
Adan is samen met zijn oud-promovendus Pim Donkers oprichter van de start-up Cellcius, wat begon als een samenwerking tussen TNO en TU Eindhoven. Aan de TU Eindhoven werd het zout waarin energie kan worden opgeslagen bestudeerd. Ondertussen werkte TNO aan een systeem om dat materiaal ten volle te kunnen benutten. Op beide fronten zijn doorbraken gerealiseerd, waardoor Cellcius drie jaar geleden van de grond kon komen. Adan noemt het “een voorrecht om op het kruispunt tussen wetenschap en de toepassing van wetenschap te staan”.

Zout en waterdamp als warmtepomp
Bij het mixen van zout en water ontstaat er een warmtepompeffect. Adan legt uit dat waterdamp van een bepaalde temperatuur wordt toegevoegd aan het zout. Hierdoor ontstaat er een 40 graden Celsius hogere temperatuur. De afgiftetemperatuur hangt af van de temperatuur van de waterdamp.

Volumes
Maar hoeveel zout is er dan nodig om zoveel huizen te verwarmen? Adan vertelt: “Het systeem is modulair opgebouwd, wat betekent dat het systeem op verschillende schaalniveaus in verschillende groottes te gebruiken is. Cellcius denkt nu aan een systeem waarbij een container met zoutmodules 3.000 kilowattuur kan dragen. De container kan worden opgeladen aan de ene kant, en na transport weer ontladen worden aan de andere kant.”

Volgens Adan zijn als eerste de typische jaren ‘60 en ‘70 appartementen interessant voor de toepassing, omdat ze een hoge warmtevraag hebben en vaak al voorzien zijn van een distributiesysteem. Bij een appartementencomplex van vijftig appartementen kan één container naar verwachting genoeg zijn om de huishoudens een week lang volledig van energie te voorzien, dit hangt echter van veel factoren af, wat momenteel in pilots wordt onderzocht.

Adan ziet daarnaast ook veel potentieel in een situatie waarbij de warmtebatterij de pieklast van de warmtevraag bediend. Bijvoorbeeld in combinatie met een centrale warmtepomp, die daardoor efficiënter functioneert. Hierdoor zijn geen zwaardere elektrische aansluitingen op het net nodig. Op deze manier kan een groter segment worden bediend met één container en kunnen we dus sneller van het gas af.

Toepassing
De restwarmte kan in theorie temperaturen tot 150 graden Celsius benut worden, maar ook veel lager. In de toekomst verwacht Cellcius zelfs restwarmte van 50 graden Celsius te kunnen gebruiken. Door het warmtepompeffect kan dan een hogere afgiftetemperatuur afgegeven worden voor warm tapwater en verwarming. Deze toepassing kan worden ingezet voor lage temperatuursystemen zoals het verwarmen van huizen, kantoren, kassen of douchewater.

Warmtenetten op basis van industriële warmte zijn niet nieuw in Nederland, bij de huidige systemen vindt echter veel warmteverlies plaats. “Daardoor kan de warmte alleen dicht bij de bron gebruikt worden. Doormiddel van de Cellcius toepassing kan de warmte op elk punt worden opgehaald en op elke afstand daarvan worden afgegeven”, aldus Adan.

Uitdagingen
Adan vertelt dat het project ook een aantal uitdagingen kent: “We hebben eerst de uitdaging om de pilots te realiseren, dat is de belangrijkste opgave, om te laten zien dat het in praktijk werkt en de wensen van de klant beantwoordt. Daarnaast heeft het systeem direct schaalgrote nodig, wat betekent dat er veel investeringsmiddelen nodig zijn.

Ook de ontwikkeling van de warmtemarkt is mogelijk een uitdaging voor het project. De warmtemarkt is enorm in beweging, waardoor er veel onzekerheid is, bijvoorbeeld over wet- en regelgeving en prijsontwikkelingen.”

De ontwikkeling van Cellcius warmtebatterij speelt zich af op de warmtemarkt waar, in tegenstelling tot de elektrische markt, nog geen gesocialiseerde markt bestaat. Er is nog veel discussie rondom de nieuwe warmtewet. Eén van  cruciale parameters in de discussie is: wat wordt de prijs per gigajoule warmte die wordt geleverd? De prijs is momenteel op gas gebaseerd en zal komende tijd gaan stijgen. Daarnaast is het ook onbekend in hoeverre de mate van CO2-emissies door Europese regels zich gaat vertalen in de prijs.

De toekomst van de warmtebatterij
De eerste generatie van het systeem is bijna klaar voor de eerste pilots, maar volgens Adan zit er genoeg ontwikkelingsperspectief in de technologie. Cellcius sleutelt op twee manieren aan de ontwikkeling. Ten eerste ambieert Cellcius het dragermateriaal (zout) naar een hogere energiedichtheid en vermogen te ontwikkelen. Daarnaast kan de efficiëntie van het systeem ook nog toenemen.

De businesscase voor de Cellcius batterij laat zien dat het systeem een concurrerende rol kan spelen in de warmtetransitie, en kan bijdragen aan het versnellen van de warmtetransitie. De pilots waar Cellcius mee bezig is moeten dit in de praktijk gaan laten zien. Enerzijds moeten de pilots laten zien dat het systeem werkt en de verbeterpunten van het systeem blootgeven,  en anderzijds hoe een tevreden klant wordt gegarandeerd. Het gaat in het proces dus om meer dus dan alleen techniek. Afhankelijk van de beschikbare middelen en het succes van de pilots hoopt Cellcius in 2026 om met de uitrol van de eerste systemen te beginnen.

Adan sluit zijn verhaal af: “Met deze oplossing zetten we een stap richting wereldwijde CO2-reductie en dat is uiteindelijk de drive die erachter zit. We hebben geen tijd te verspillen. Het grootste risico dat we lopen is dat we géén risico nemen om technologie vooruit te helpen.”