Thermische accu op basis van PCM als alternatief voor een boiler

Een thermische accu op basis van PCM is een alternatief voor een boiler. De thermische accu is heel veel kleiner dan een boiler en de stilstandverliezen zijn flink lager.

In de thermische accu is geen warm water opgeslagen, maar "warmte" en daarmee kan water opgewarmd worden wanneer dit door de thermische accu stroomt. Het opladen gebeurt met overtollige elektriciteit van de zonnepanelen of met een warmtebron zoals een warmtepomp.

Voor- en nadelen

• veel kleinere omvang dan een boiler met vergelijkbare hoeveelheid te leveren warm water
• betere isolatie, daardoor lagere stilstandverliezen
• veel hogere kosten dan een vergelijkbare boiler
• opwarmen van de thermische accu met elektriciteit is milieu onvriendelijk, een warmtepomp gebruiken is veel beter en zuiniger (COP=2,5)
• weinig producenten dus weinig keuze/concurrentie

Introductie

In een thermische accu zit een bepaald soort zout waar veel thermische energie (warmte) in opgeslagen kan worden. Het voordeel van zo'n thermische accu dat de omvang vele malen kleiner is dan een boiler met vergelijkbare warmte-inhoud.

In de thermische accu wordt warmte opgeslagen die later gebruikt kan worden zodra leidingwater voor bad, douche of keukenkraan nodig is. Wordt warm water gebruikt dan stroomt het koude leidingwater via een buizenstelsel door de thermische accu en wordt in de tussentijd opgewarmd, vergelijkbaar hoe dit in een cv-combiketel of doorstromer gebeurt.

De thermische accu vervult drie functies:

• laden van de accu met thermische energie (warmte)
• bewaren van thermische energie met zo'n laag mogelijk thermisch verlies
• ontladen van thermische energie door dit over te dragen aan koud leidingwater waardoor aan de uitgang warm water beschikbaar komt

Laden van de thermische accu

Het opwarmen van de thermische accu kan op twee manieren gebeuren. De eenvoudigste (makkelijke installatie) methode is dat gebruik wordt gemaakt van een elektrisch verwarmingselement in de thermische accu. De benodigde elektriciteit daarvoor kan afkomstig zijn van overtollige elektriciteit van zonnepanelen.

De tweede, methode is dat het zoutvat opgewarmd wordt door warm water dat door metalen leidingen stroomt die zich het zoutvat bevinden. Dit warme water is afkomstig van bijvoorbeeld een warmtepomp. Maar het kan natuurlijk ook een zonnecollector of cv-combiketel zijn.

Realiseer dat het opwarmen van water met elektriciteit heel milieu onvriendelijk en inefficiënt is want dan is de COP=1. Een warmtepomp, die ook op elektriciteit werkt, kan met dezelfde elektriciteit circa 2,5 keer meer warmte produceren. Want een warmtepomp heeft een COP van circa 2,5 bij productie van warm tapwater.

Bewaren van de opgeslagen thermische energie

De thermische accu is zeer goed geïsoleerd waardoor het weinig warmte weglekt, de zogenaamde stilstandverliezen. Die is bij een boiler met water behoorlijk groot, ondanks dat de boiler goed geïsoleerd is. Dat een boiler toch grote stilstandverliezen kent komt omdat de boiler een grote omvang heeft en over een groot oppervlakte warmte verliest.

Bij een thermische accu is die oppervlakte kleiner, dus alleen daarom al is het verlies kleiner. Het gebruik van een vacuüm ruimte als isolatie kan dit thermisch verlies sterk gereduceerd worden.

Afgeven van thermische energie voor het opwarmen van koud leidingwater

Door het zoutvat lopen meanderende metalen leidingen en vormen zo een warmtewisselaar. Door die leidingen stroomt leidingwater. Dat is koud als het de thermische accu binnen komt en zal, al stromend door de leidingen in het zoutvat, opgewarmd worden. Aan de uitgang komt direct bruikbaar warm water beschikbaar dat gebruikt kan worden voor een bad, douch of voor warm tapwater voor een keukenkraan.

Hoe is het mogelijk dat in zo'n kleine ruimte zoveel warmte opgeslagen kan worden?

Deze thermische accu werkt op basis van PCM, Phase Change Material, oftewel fase veranderend materiaal. Dat leggen we even uit. Iedere stof kent drie fases: vast, vloeibaar en gas.

Wil je een stof, bijvoorbeeld water of zout, in temperatuur laten stijgen met één graad Celsius dan is daarvoor een bepaalde hoeveelheid thermische energie (warmte) voor benodigd. Voor iedere stof is dat anders. Voor water is dat 4186 Joule^[1] per graad Celsius stijging per kilogram water. Of je nou het water verwarmd van 20 naar 21°C of van 78 naar 79°C, je hebt constant dezelfde hoeveelheid thermische energie (warmte) nodig (4186 Joule in het geval van water) voor die temperatuurstijging.

Maar nu komt de clou, als je een stof van fase wil laten veranderen, van vast naar vloeistof of van vloeistof naar gas, dan is daar een enorme hoeveelheid thermische energie voor benodigd.

Om je een gevoel te geven, wil je water van 99°C verwarmen tot 100°C (dan is het nog steeds een vloeistof en kookt het niet) dan is daar 4186 Joule voor benodigd. Maar wil je water van 100°C over laten gaan naar waterdamp (gasvorm), dan is dat een faseovergang en daar is in het geval van water, hou je vast, 2.256.000 Joule voor benodigd.

Zodra je aan water van 100°C thermische energie toevoegt, dan gaat water "koken". En koken is feitelijk dat water als vloeistof omgezet wordt in een gas. Voor het verdampen van 1 kilo (is 1 liter) water heb je dus 2.256.000 Joule nodig, dat is 539 keer meer energie dan om het water te verwarmen van 99 naar 100°C.

Door een stof in een andere fase te brengen, is dus een enorme hoeveelheid thermische energie benodigd. Laat je het gas teruggaan in een vloeistof (ook een faseovergang), dan komt exact dezelfde hoeveelheid thermische weer "vrij" die benodigd was voor de faseovergang van vloeistof naar gas. Dus als waterdamp van 1 kg water condenseert naar een vloeistof (van 100°C) dan komt 2.256.000 Joule vrij.

Ditzelfde geldt voor de overgang van vast naar een vloeistof of omgekeerd. Van deze eigenschap, dat een faseovergang veel thermische energie nodig heeft of juist afgeeft maakt men bij een thermische accu op basis van PCM (faseovergangen) gebruik.

Door het zout te verwarmen in de thermische accu zal het zout smelten, dus een faseovergang meemaken van vast naar vloeibaar. En dat kost dus enorm veel thermische energie. Je kan ook zeggen, de faseovergang herbergt veel thermische energie.

Tijdens het "laden" van de thermische accu zal het zout eerst warmer worden en op een gegeven moment gaan smelten. In het gesmolten zout zit dus een enorme hoeveelheid thermische energie. Die kan je weer terugkrijgen door koud water (die via metalen leidingen in contact staat met het gesmolten zout) op te laten warmen. Daarmee wordt de accu "ontladen".

Producenten van PCM thermische accu's

Op het moment van schrijven konden wij maar één fabrikant vinden die een PCM thermische accu levert en dat is Flamco. Nou ja, feitelijk is het een leverancier. Zover ons bekend wordt de thermische accu die Flamco levert gemaakt door Sunamp (sunamp.com).

Flamco levert de FlexTherm Eco in drie modellen: 3E, 6E en 9E die 85, 185 of 300 liter warm water leveren met een temperatuur van 40°C. De Flextherm Eco G2 in de modellen 3E, 6E, 9E en 12E die 105, 199, 301 of 436 liter warm water leveren van 40°C.

Interessante weetjes

Een HR-cv ketel maakt ook dankbaar gebruik van een faseovergang. Tijdens de verbranding van aardgas ontstaat er water (in aardgas zit methaan en dat reageert met zuurstof in de lucht tot water en kooldioxide: CH₄ + 2O₂ = 2H₂O + CO₂. Door de enorme temperatuur in de gasvlam zal het water omgezet worden in waterdamp (maar zal daardoor veel warmte onttrekken uit de vlam). Die waterdamp kan via condensatie weer omgezet worden in (condens)water. Tijdens het condenseren komt dezelfde hoeveelheid thermische energie weer vrij als hij destijds heeft onttrokken uit de verbranding. Die warmte komt te goede aan het opwarmen van de woning en daarom zal het rendement van die cv-ketel hoger zijn. In België worden niet voor niets deze ketels "condensatieketels" genoemd. In Nederland dus HR-ketels (Hoog Rendement ketel). De HR ketel ontleent zijn hogere rendement door de faseovergang van waterdamp naar condenswater.

De warmtepomp maakt ook zeer dankbaar gebruik van de faseovergang van het "koelmiddel", aan de warmte-opnemende zijde neemt de koelvloeistof warmte op en verandert van een vloeistof naar een gas en neemt daardoor veel thermische energie op. Aan de warmte-afgevende zijde van de warmtepomp gebeurt het omgekeerde: daar wordt de warmte afgestaan, dus daalt de temperatuur en daardoor wordt het gas weer vloeibaar. Tijdens die faseovergang komt evenveel warmte vrij als dit is opgenomen bij de bron.