De stijgende gasprijzen maken het aantrekkelijk om de cv-ketel thuis te vervangen door een warmtepomp. Dit stimuleert de ontwikkeling van warmtepomptechnologie. Zo komt over een paar jaar waarschijnlijk een nieuw model op de markt dat geluidsgolven gebruikt om warmte te produceren. Deze thermo-akoestische warmtepomp heeft een aantal voordelen waardoor hij een goed alternatief kan zijn voor de gangbare warmtepompen die gebruikmaken van dampcompressietechnologie.
In 2050 moeten bijna zeven miljoen woningen en een miljoen andere gebouwen aardgasvrij zijn. Naast warmtenetten kunnen warmtepompen daar een belangrijke rol in spelen. De gangbare dampcompressie-warmtepompen, waarbij een koudemiddel verdampt en condenseert waardoor het systeem - als het om een luchtwarmtepomp gaat - warmte aan de lucht onttrekt en binnen afgeeft, zijn flink duurzamer dan cv-ketels. Ze werken het best in goed geïsoleerde woningen met lagetemperatuur-verwarming, waardoor er soms eerst verbouwd moet worden.
TNO en spin-off Blue Heart Energy denken dat ze de warmtepomptechnologie nog aantrekkelijker kunnen maken. Samen hebben ze een thermo-akoestische warmtepomp ontwikkeld die werkt op basis van geluidsgolven in een drukvat met heliumgas. Dit heeft een aantal voordelen ten opzichte van de huidige dampcompressie-technologie. Zo levert thermo-akoestische technologie gemakkelijker hoge temperaturen en is het – in tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden – stiller. Blue Heart Energy belooft een geluidsvermogen (lwa) van minder dan 30dB.
Bovendien is er geen schadelijk koudemiddel nodig. “De gangbare warmtepompen werken met koudemiddelen die brandbaar en giftig kunnen zijn, en bijdragen aan het broeikaseffect als ze ontsnappen uit het systeem”, vertelt Jan-Aiso Lycklama à Nijeholt van TNO. “De thermo-akoestische warmtepomp heeft dat probleem niet, omdat hij werkt met helium.” Helium is een veilig en milieuvriendelijk inert gas.
/i/2005414764.png?f=imagenormal)
Lopende geluidsgolf door helium
De thermo-akoestische warmtepomp die TNO en Blue Heart Energy hebben ontwikkeld, bestaat uit een afgesloten drukvat met daarin 50 bar heliumgas. Hierin zitten twee elektrisch aangestuurde zuigers die tegenover elkaar staan en samen een drukgolf opwekken. Geluidsgolven zijn drukgolven, en hier draait het systeem op. “De twee zuigers bewegen tegen elkaar in, waardoor ze elkaars trillingen gedeeltelijk uitdempen en het systeem stil is”, vertelt Roelof Schuitema van Blue Heart Energy.
Dit systeem jaagt als een soort subwoofer de drukgolf de zogeheten helium-loop in. “Dat is letterlijk een lusvormige set buizen”, zegt Schuitema. “Door de vorm van die lus en de onderdelen kunnen we een lopende drukgolf creëren.” Die lopende drukgolf zorgt ervoor dat het heliumgas het ene moment wordt samengedrukt met ongeveer 2,5 tot 3 bar, bovenop de standaard 50 bar, waardoor de temperatuur van het gas stijgt. Even later expandeert het gas met diezelfde drukamplitude en daalt de temperatuur. Ondertussen verplaatst de drukgolf zich door het systeem.
De lopende golf doet zijn werk in het thermo-akoestische hart van de helium-loop. Dat bestaat uit drie onderdelen: een koude warmtewisselaar, een warme warmtewisselaar en daartussenin een regenerator, oftewel een soort warmtespons. De koude warmtewisselaar is thermisch verbonden met de buitenlucht en de warmte warmtewisselaar met het verwarmingssysteem van de woning, zoals de vloerverwarming of radiatoren, en de voorziening voor tap- en douchewater.
De lopende golf zorgt ervoor dat de geluidsgolf het heliumgas bij de warme warmtewisselaar samendrukt, waardoor de temperatuur daar stijgt en de warmte, via de warmtewisselaar, kan worden afgegeven aan de woning. Dan verplaatst de lopende golf het samengedrukte gaspakketje door de regenerator naar de koude warmtewisselaar, waar het expandeert. Onderweg heeft het gas een deel van zijn warmte afgestaan aan de regenerator en door de expansie koelt het nog verder af, waardoor het energie kan opnemen uit de koude warmtewisselaar. Vervolgens verplaatst de lopende golf het pakketje gas door de regenerator, terug naar de warme warmtewisselaar. Onderweg neemt het in de regenerator de eerder afgestane warmte weer op. Eenmaal bij de warme warmtewisselaar wordt het gas opnieuw samengedrukt en begint het riedeltje opnieuw.
“De truc zit hem erin dat je het samendrukken, verplaatsen en expanderen ontkoppelt zodat het niet tegelijkertijd plaatsvindt”, vertelt Schuitema. “Natuurkundig gezien is dat een faseverschuiving tussen de snelheid en de druk van het gas. Dat creëren wij door de eigenschappen van de onderdelen in de helium-loop, zoals de weerstand van de warmtewisselaars, op elkaar af te stemmen. Met simulatiesoftware bepalen we vervolgens een optimale druk, een optimale geluidsgolf en een optimale frequentie waarmee de golf heen en weer beweegt. Daarop stellen we dan het zuigersysteem, dus de driver, af.”
Volgens Schuitema zit de grootste magie in de regenerator; het stukje poreuze, warmte-absorberende materiaal dat dienstdoet als warmtebuffer. “Zonder de regenerator heb je geen rendabele warmtepomp omdat je dan niet genoeg energie kunt verpompen.”
De simpelste regenerator is een staalsponsje. Dat is poreus genoeg om het heliumgas door te laten en heeft wat warmtecapaciteit. Voor de warmtepompen hebben TNO en Blue Heart Energy dat principe geoptimaliseerd. Zij werken met regeneratoren die bestaan uit stapeltjes van metalen gaasjes of een blokje van kriskras gerangschikte metalen vezeltjes. Hiervoor gebruiken ze een materiaal met een slechte elektrische geleidbaarheid, zoals roestvast staal, zodat er geen kortsluiting ontstaat.
Flexibel temperatuurbereik
Tijdens de hele cyclus van compressie, verplaatsing en expansie blijft het helium in het thermo-akoestische systeem gasvormig. Het werkt dus niet met faseovergangen tussen een gasvormige en vloeibare vorm van een koudemiddel, zoals gangbare dampcompressie-warmtepompen dat doen. “Daarom is de techniek niet afhankelijk van de fase-overgangstemperatuur, waardoor hij efficiënter is en minder verliezen heeft bij hogere temperaturen”, zegt Joachim Koot van TNO.
"Deze warmtepompen zijn geschikt voor bestaande woningen die niet goed geïsoleerd zijn en hogetemperatuur-
“Dat betekent dat deze warmtepompen relatief gemakkelijk hoge temperaturen bereiken, met een iets beter rendement dan dampcompressie-warmtepompen bij die temperaturen hebben”, zegt Koot. “Dat maakt de technologie geschikt voor bestaande woningen die niet goed geïsoleerd zijn en hogetemperatuur-verwarming hebben.” Van hogetemperatuur-verwarming is sprake als het water dat door de radiatoren stroomt, verwarmd is tot een temperatuur tussen de 60 en 80 ˚C. Hoge temperaturen zijn ook nodig voor het tapwater, dat tot boven de 55 ˚C moet worden verwarmd.
verwarming hebben"
“Met de warmtepomp van Blue Heart Energy kan je in principe van -20 ˚C naar 80 ˚C pompen”, zegt Lycklama à Nijeholt. “Maar dat is duur, tenzij je uitzonderlijk goedkope stroom hebt. Net als bij gangbare warmtepompen is het rendement namelijk het hoogst als het verschil tussen de temperatuur van de bron, zoals de buitenlucht, en de aanvoertemperatuur van het verwarmingssysteem zo klein mogelijk is.”
Industrie en woningen
De voordelen van een systeem zonder schadelijke koudemiddelen - die door Europese wetgeving deels worden uitgefaseerd - en een flexibel temperatuurbereik zorgden ervoor dat de focus in Nederland eerst lag op de ontwikkeling van thermo-akoestische warmtepompen voor de industrie, vertelt Lycklama à Nijeholt. In de industrie kunnen de temperaturen die voor verschillende processen nodig zijn namelijk sterk verschillen.
Dat onderzoek begon ongeveer twintig jaar geleden in Petten, bij Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN, sinds 2018 onderdeel van TNO). “Wij zagen het model waar ECN destijds aan werkte en het bleek dat je het vrij compact kunt maken. Toen dachten we: waarom zou je het dan niet geschikt maken voor de woningbouw?”, vertelt Schuitema. Zo begon de samenwerking die ruim vijf jaar geleden uitgroeide tot de spin-off Blue Heart Energy.
“Blue Heart Energy heeft een licentie bij TNO voor de ontwikkeling van de techniek tot een vermogen van 100kW. Dat maakt hun systemen vooral geschikt voor de gebouwde omgeving, en dan met name woningen en niet al te grote kantoorpanden”, zegt Lycklama à Nijeholt. TNO werkt in Petten nog steeds verder aan de ontwikkeling van een thermo-akoestische warmtepomp voor de industrie. “Zo ontwikkelen we een systeem dat geschikt is om stoom te produceren tot 180 ˚C. Dat onderzoek is in volle gang. Vervolgonderzoek richt zich op het vergroten van de capaciteit en het verhogen van de stoomtemperatuur tot 250 ˚C”, zegt Lycklama à Nijeholt. “We hebben een labscale testunit met een bereik van -40 tot +150 ˚C. Bij die extreme temperaturen moet je er – net als bij de warmtepomp voor thuisgebruik – wel rekening mee houden dat het rendement daalt.”
/i/2005414766.png?f=imagenormal)
“Blue Heart Energy richt zich vanaf het begin al op woningbouw”, zegt Schuitema. “Dat betekent dat we ons focussen op temperaturen die geschikt zijn voor in woningen, en op een modulerend thermisch vermogen van 1 tot 6kW. Ook werken we aan een productontwerp dat gericht is op massaproductie.”
In elke Blue-Heart-unit gaat een paar liter helium. Betekent dit dat het bedrijf, gezien de doelstelling van massaproductie, tegen problemen aanloopt als de heliumschaarste optreedt waar soms voor gewaarschuwd wordt? Schuitema maakt zich geen zorgen: “Als we honderdduizenden units per jaar zouden gaan leveren, is de hoeveelheid helium die we nodig hebben minder dan 2 procent van wat er jaarlijks in de wereld verhandeld wordt. Bovendien zijn we niet met helium getrouwd. Vanwege de gunstige thermische eigenschappen heeft het de voorkeur, maar we kunnen ook werken met argon, stikstof of een gasmengsel.”
Blue Heart Energy inside
Het product waar Blue Heart Energy aan werkt, is geen complete warmtepomp. “Wat wij ontwikkelen, is een soort tank die in de behuizing van de huidige warmtepompen past. Binnenin zitten heliumgas, zuigers met bijbehorende motoren en het thermoakoestische hart”, zegt Schuitema. “Aan de buitenkant zitten een stekker en een externe printplaat voor de regeling, en er komen vier buizen uit: twee voor het aansluiten van de bron en twee voor het aansluiten van de woning.”
Dit product wil Blue Heart Energy business-to-business gaan leveren aan de warmtepompfabrikanten zoals Viessmann, Bosch, NIBE en Remeha, die nu systemen bouwen met een dampcompressie-hart. Schuitema: “Zij maken er dan een volledige warmtepomp van met een circulatiepomp, een aansluiting naar de woning, regeling richting een kamerthermostaat, eventueel een interne boiler, enzovoort.”
Aan de buitenkant zal een warmtepomp van Blue Heart Energy er dus hetzelfde uitzien als de huidige warmtepompen. Schuitema: “Waarschijnlijk komt er een sticker op met ‘Blue Heart Energy inside’, zoals de ‘Intel Inside’-stickers die aangeven dat er een Intel-processor in je computer zit.”
Blue Heart Energy zit nu midden in het ontwikkelproces en is bezig met testen van een prototype. Schuitema: “Dat is echt een testapparaat dat niet is dichtgelast maar met bouten in elkaar zit, zodat we de binnenkant kunnen bekijken. Er zijn namelijk nog wat verbeterslagen die we willen maken.” Het plan is om over een aantal maanden te gaan testen in het lab van TNO in Delft, waar verschillende omstandigheden nagebootst kunnen worden. In het stookseizoen van 2024-2025 zullen er veldtesten plaatsvinden in woningen. Daarvoor wil Blue Heart Energy gaan samenwerken met woningbouwcoöperaties.
Wie enthousiast geworden is over de thermo-akoestische warmtepomp, moet dus nog even geduld hebben. Je huis opgeven als proefwoning of je aanmelden voor een wachtlijst is niet mogelijk, zegt Schuitema. “We willen uiteindelijk aan warmtepompfabrikanten gaan leveren. Met een aantal daarvan zijn we nu in gesprek.”