WARMTEPOMPEN  
Install Magazine 967 – februari 2020

Zonder compressor of koelmiddel

Alternatieve werkingsprincipes voor warmtepompen

Om een antwoord te bieden op de klimaatverandering, kijkt men uit naar alternatieve processen om de warmtepomptechniek op een andere leest te schoeien. Zowel het magnetocalorisch als het elastocalorisch effect zijn al langer bekend, maar worden nu interessanter omdat ze voordelen hebben tegenover de conventionele werkingsprincipes. Toestellen op basis van deze eigenschappen van bepaalde metalen, hebben namelijk geen compressor nodig. Een DKV-studiedag in Ulm (Duitsland) ging op deze kwestie in. Gezien men er in geslaagd is om passende materialen te ontwikkelen, verwacht de branche dat dit principe ook voor massaproductie kan worden toegepast.

Stijgende interesse voor alternatieven

Felix Welsch, wetenschappelijk medewerker voor intelligente materiaalsystemen en specialist in elastocalorische verwarming aan de Universiteit Saarland beaamt het: “De interesse is immens. We krijgen aanvragen voor airconditioning in gebouwen en in voertuigen, vooral dan in combinatie met elektromobiliteit. Dat gaat van mobiele airconditioners voor in huis of op kantoor in de zomer tot de verwarmingsinstallaties. Iedereen is wakker geschoten. We werken nu aan concepten voor de massamarkt.”

Net als magnetocalorisch koelen, waarover in de jaren 70 al publicaties verschenen over mogelijke toepassingen in de koeltechniek, leidde de elektrocalorische techniek tot nu toe een eerder sluimerend bestaan. De materiaalproblemen waren te complex en de mogelijke markt was te klein voor de staalproducenten om te investeren in deze tak van metallurgie. Het warmtepomplandschap werd beheerst door traditionele systemen met een compressorcyclus.

De toestand is ondertussen totaal anders. Thema’s zoals klimaatverandering, CO₂-uitstoot, energie-efficiëntie, GWP en de afbouw van zowel kernenergie als steenkoolcentrales hebben ertoe geleid dat men naar nuluitstoot alternatieven zoekt om de huidige verwarmingstechniek binnen afzienbare tijd te vervangen.

Een warmtepomp, geen warmtegenerator

Bij deze concepten draait alles om warmtetransport. Dit principe wordt wel meer toegepast in de sector van hernieuwbare energie. Ook een gangbare warmtepomp is geen warmtegenerator in strikte zin; er wordt immers geen chemisch gebonden energie van stookolie, steenkool of gas omgezet in warmte. En warmtepomp, integendeel, doet niets anders dan warmte, bijvoorbeeld uit de bodem, te transporteren naar de woonkamer, waarbij de temperatuur wat verhoogd wordt. De verhoging van de temperatuur, bijvoorbeeld van 283 K naar 303 K, en de opname en afgifte van de warmte, gebeuren klassiek door middel van een compressor die een cyclus met faseverandering van het koelmiddel aandrijft. Het verdampen en condenseren zorgen daarbij voor de omzetting van de energie.

Het kan echter ook zonder deze specifieke componenten. Een energie-intensieve faseovergang kan ook in vaste stoffen plaatsvinden zoals metaal of keramiek, en dan hebben we het niet over bekende fenomenen zoals smelten of stollen. De fenomenen in kwestie treden echter niet van nature op bij kamertemperatuur. Staalproducenten zijn er nu in geslaagd om de temperatuur waarbij deze overgang plaatsvindt, te laten dalen tot een niveau waarop het bruikbaar is voor verwarmingstoepassingen. Voor deze faseovergang is dan nog alleen een aanzet nodig. Daarvoor moet ofwel een magnetisch veld opgewekt worden (magnetocalorisch) of een mechanische spanning (elastocalorisch).

Verandering van de spin van elektronen

Magnetocalorische materialen warmen op onder invloed van een magnetisch veld, en koelen af als dat veld weer verdwijnt. Het opmerkelijke daarbij is dat die materialen afkoelen tot een lagere temperatuur dan de begintemperatuur van het proces. Dat heeft te maken met wijzigingen aan de elektronen in het materiaal, als het ware een faseovergang in de spin van de elektronen. Het effect wordt geactiveerd door het magneetveld. De energie die ervoor nodig is, wordt onttrokken aan de omgeving. Dat verklaart het koeleffect. Zodra het magneetveld verdwijnt, komt de opgenomen energie weer vrij. Die energie kan dan gebruikt worden voor verwarming. De verliezen die zoals bij elk proces optreden, worden gedekt door de elektriciteit. Zonder de stroom van het magneetveld zou het materiaal dus niet tot onder de begintemperatuur afkoelen. Voor een nuttig effect mogen de opwarming en de afkoeling natuurlijk niet in dezelfde ruimte gebeuren. In de praktijk roteert het materiaal zodat het telkens in en uit het magnetisch veld gebracht wordt.

De moeilijkheid bestaat erin om een legering te vinden die hoge temperaturen genereert bij de zwakke magneetvelden die door permanente magneten worden opgewekt. Elementen zoals lanthaan, gadolinium, nikkel, mangaan of ijzer komen in aanmerking. Voor een maximaal effect moet de legering echter zeer zuiver zijn. Bovendien mag de verandering in spin van de elektronen niet alleen bij één zeer precieze temperatuur gebeuren. Een warmtepomp neemt namelijk energie op uit de omgeving. Dat gebeurt via de onderkoelde zijde van het materiaal, waarbij de energie latent wordt opgeslagen door de verandering in de elektronenstructuur. In de praktijk blijft de brontemperatuur nooit exact dezelfde. Daarom komen er voor commerciële toepassingen alleen materialen in aanmerking waarbij dit effect optreedt binnen een vrij brede temperatuurzone.

Magnetocalorische materialen reageren echter slecht op wisselende temperaturen. Meestal werken ze alleen maar goed in een vrij nauwe temperatuurzone van enkele graden Celsius. Als warmtebron komt dus eerder een stabiele omgeving zoals geothermie in aanmerking. Buitenlucht, waar er aanzienlijke temperatuurverschillen kunnen optreden, is dan minder geschikt.

Behalve de kwaliteit speelt ook de beschikbaarheid van het materiaal een rol. Gadolinium is bijvoorbeeld ideaal als materiaal, maar is erg zeldzaam, zodat massaproductie uitgesloten is.

Bovendien kan er met dit principe slechts een beperkt temperatuursverschil gerealiseerd worden. Het Fraunhofer instituut voor fysische meettechnieken IPM bouwt daarom een warmtepompcascade: een serieschakeling van cellen met materialen met telkens een andere reactietemperatuur. Daarbij wordt gebruik gemaakt van een intern warmtemedium, dat bij elke stap met 2 tot 5°C opgewarmd wordt.

Concrete toepassingen

Sommige toepassingen zijn al als serieproduct op de markt. BASF biedt al sinds ongeveer vijf jaar Quice aan, een metaallegering op basis van ijzer en mangaan, die ontwikkeld werd in het kader van een project met de Nederlandse TU Delft. Andere ondernemingen en instellingen experimenteren ook met verschillende legeringen. Volgens IPM zou voor verwarming een COP tussen 6 en 8 haalbaar zijn bij marktrijpe toestellen.

Het interessante aan magnetocalorische warmtepompen is dat men zo toestellen kan ontwerpen zonder roterende delen of schadelijke koelmiddelen, met een rendement dat tot 30% hoger ligt dan een traditioneel systeem. Dat heeft ook de interesse van huisvestingsmaatschappijen gewekt. Zo heeft de huisvestingsmaatschappij Deutsche Wohnen geïnvesteerd in de start up Wirmag voor de productie van magnetocalorische warmtepompen. Het assortiment zal vijf modellen omvatten met vermogens van 3 tot 30 kW. De COP zou 5 bedragen. Deutsche Wohnen is de tweede huisvestingsmaatschappij in Duitsland, met een portfolio van 163.000 woningen en 2.600 commerciële gebouwen.

Twee procent uitzetting volstaat

Het elastocalorisch effect lijkt op het magnetocalorisch principe, omdat het eveneens een methode is om te verwarmen en koelen door middel van vaste stoffen in plaats van met vloeistoffen. In plaats van een verandering in spin van de elektronen, treedt er hier echter een wijziging van de kristalstructuur van het materiaal op. Nemen we het voorbeeld van nikkel-titanium. Bij temperaturen lager dan 360°C (de Curie-temperatuur van nikkel) veranderen de magnetische eigenschappen. De kubisch vlakgecentreerde austenitische structuur gaat over in een metastabiele martensitische structuur. Door middel van speciale legeringen en het toepassen van een snelle afkoeling van het materiaal is men er nu in geslaagd deze temperatuur van 360°C aanzienlijk te verlagen. Zo kan men wisselen tussen een austenitische en een martenstische srtuctuur bij kamertemperatuur, door gebruik te maken van de spanningen door uitzetting en inkrimping. De energie voor deze structuurwissel wordt aan de omgeving onttrokken. Bij dit proces wordt twintig tot dertig keer meer energie aan de omgeving onttrokken en weer afgegeven dan de mechanische energie de nodig is om het proces op te starten. Op dit vlak is het elastocalorisch effect duidelijk performanter dan het magnetocalorisch.

Een ander voordeel: in een lage-energiewoning met balansventilatie kan men het elastocalorisch principe gebruiken om een bodem-lucht of lucht-lucht warmtepomp aan te drijven die de toevoerlucht opwarmt voor ze in de woning terecht komt. De buitenlucht kan als warmtebron gebruik worden, over een vrij breed gamma van luchttemperaturen.

Op weg naar praktische toepassingen

Op dit ogenblik laat de stand van techniek nog niet toe om elastocalorische of magnetocalorische warmtepompen te bouwen die de concurrentie op de markt met traditionele technieken kunnen aangaan. Bekende constructeurs volgen deze ontwikkelingen echter op de voet, voorzover ze al niet zelf met de techniek experimenteren. De warmtepomp van de toekomst moet voldoen aan vier criteria: hoog rendement bieden, milieuvriendelijk zijn qua klimaat en de ozonlaag, een goede prijs-kwaliteitverhouding hebben en tenslotte plug&play te installeren zijn. Compressorloze warmtepompen zijn duidelijk efficiënt, en omdat er geen koelmiddel nodig is, vervalt de problematiek van schadelijke uitstoot. Dat laatste is een belangrijk voordeel. Nu schakelt men over op koelmiddelen zoals R32. Dat heeft echter nog altijd een GWP van ongeveer 700. Naarmate er meer en meer warmtepompen verkocht worden, betekent dat nog altijd een aanzienlijke totale uitstoot, gerekend in CO₂-equivalent, terwijl de toegelaten hoeveelheden steeds lager worden in het kader van F-gassenverordening. Als bijvoorbeeld de verkoop van warmtepompen verviervoudigt, terwijl het GWP van de koelmiddelen slechts gehalveerd wordt, stoot men vrij snel op het plafond. Daarvoor is men op zoek naar alternatieven. Als men dus economisch haalbare plug&play toestellen volgens dit principe kan produceren, wacht hen een mooie toekomst.

Bewerking: Alex Baumans

www.ipm.fraunhofer.de

www.uni-saarland.de