Verwarmen met ijs

U leest het goed. Het is mogelijk om uw bedrijf te verwarmen met ijs. Wij moesten ook 2 keer lezen toen we voor de eerste keer kennis maakten met het SolarEis concept. Om de werking van het systeem en de mogelijkheden in de land- en tuinbouw te ontdekken gingen we langs bij Jan Hoogmartens van Viessmann België en Harm Flintrop van SolarEis Benelux.

Wanneer het concept aan ons wordt uitgelegd wordt het al snel duidelijk dat het SolarEis concept verschillende technologieën combineert en op elkaar laat inspelen. Het systeem bestaat hoofdzakelijk uit 5 onderdelen: een zon/lucht absorber, een ijsbuffer, een warm water buffer, een warmtepomp en tenslotte een sturing die het ganse concept meet en regelt. (Zie figuur1)

Figuur 1: SolarEis concept

Warmtepomp

Centraal in het concept staat een warmtepomp. Een klassieke warmtepomp is ondertussen al een goed ingeburgerd concept, voornamelijk in de woningbouw en kantoorfaciliteiten. Een warmtepomp haalt warmte op lage temperatuur uit de buitenlucht, grond of water en zal deze door de toevoeging van elektrische energie opwaarderen naar nuttige warmte op een hogere temperatuur. Gemiddeld gezien zal zo’n installatie 75% van de nuttige energie gratis uit de omgeving halen, en 25% moet elektrisch toegevoegd worden. Of anders gezegd, als we één eenheid elektriciteit aan het systeem toevoegen, halen we er vier eenheden warmte uit. De Seasonal Performance Factor (SPF) geeft het rendement van de warmtepomp weer over het ganse stookseizoen.

Het rendement van een warmtepomp is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de natuurbron en de gewenste eindtemperatuur. Wanneer dit verschil kort bij elkaar ligt, moet er maar een beperkte hoeveelheid elektriciteit toegevoegd worden en kunnen er SPF’s tot 6 gehaald worden. Een voorbeeld is een warmtepomp in de varkenshouderij die als bron het centraal luchtkanaal heeft. De bron heeft een temperatuur van bv. 20 à 25°C, en als afgifte is er de vloerverwarming van 40°C. De warmtepomp moet dan zelf maar een opwaardering van 15°C realiseren.
Wanneer er een groot temperatuurverschil is tussen bron en afgifte, zal de warmtepomp veel energie moeten toevoegen om de eindtemperatuur te halen. Denk maar aan de lucht/water systemen in woningen die in de winter bij -5°C de natuurwarmte moeten gaan opwaarderen. De warmtepomp moet dan een temperatuurstijging van 50°C realiseren. De SPF zal dan hoogstens 2,5 bedragen. Een warmtepomp is financieel gezien enkel interessant wanneer e prijsverhouding tussen elektriciteit en klassieke verwarmingsbronnen zoals aardgas of stookolie lager is dan de SPF die voor het desbetreffende systeem te verwachten is. Met de huidige dure elektriciteitsprijzen en de lage prijs van fossiele brandstoffen zijn er momenteel niet veel situaties waar een klassieke warmtepomp rendabel is.

Keuze van warmtebron

Om een warmtepomp toch rendabel te krijgen, moeten we ervoor zorgen dat de SPF zo hoog mogelijk is. En het is net hier waar de innovatie van het SolarEis concept plaatsvindt. Het SolarEis concept combineert 5 gratis beschikbare natuurlijke energiebronnen die ervoor zullen zorgen dat de warmtepomp een bron kan aanspreken met een zo hoog mogelijke temperatuur. De gebruikte natuurlijke bronnen zijn zon, lucht, aarde, water en ijs.

De energie uit de zon en lucht wordt opgenomen door een zon/lucht absorber (figuur 2). Een zon/lucht absorber is anders dan een zonnecollector. Een zonnecollector warmt kleine hoeveelheden water op tot temperaturen van 90°C. Dat is niet de bedoeling van de zon/lucht absorber, deze maakt enorme hoeveelheden “warm” water met een temperatuur tussen 0 °C en 10 °C.  Indien het gebouw geen warmtevraag heeft, zal de opgenomen warmte opgeslagen worden in een ondergrondse  ijsbuffer (figuur3) om deze op een later moment te gebruiken. De ijsbuffer is een groot betonnen bak in de grond dat afhankelijk van de toepassing een inhoud kan hebben van 10 m³ (woning) tot 1.000m³ (kantoorgebouwen). Deze ijsbuffer varieert van volledig bevroren tot water van 10°C.

Maar hoe kunnen we nu verwarmen met ijs? Om ijs te doen smelten is er warmte nodig. Omgekeerd komt er dezelfde hoeveelheid warmte vrij als water bevriest. Deze hoeveelheid energie staat gekend als de kristallisatiewarmte. Deze kristallisatiewarmte geeft dus weer hoeveel energie er wordt uitgewisseld met de omgeving als een stof een faseovergang ondergaat. Er is evenveel energie nodig om 1 kg ijs te smelten dan om 1 kg water van 0°C naar 80°C te verwarmen. Door een warmtewisselaar van de warmtepomp in de ijsbuffer te plaatsen kan de energie uit het ijs of water “gezogen” worden.

Werking tijdens de seizoenen

De cyclus van de seizoenen zal het gebruik van regeneratieve bronnen bepalen. In de zomer zal het warmteoverschot van de absorbers gestockeerd worden in het water van de ijsbuffer. Er zijn nauwelijks warmteverliezen in de ijsbuffer doordat het water maximum 10°C warm wordt, en doordat de ijsbuffer ingegraven zit in de grond die altijd een vaste temperatuur van 8 à 10°C heeft. De aarde draagt op deze wijze ook bij aan het systeem. Bij de start van het stookseizoen zal de sturing bepalen waar ze het beste zijn warmte vandaan kan halen om te kunnen verwarmen. Zo is het een samenspel tussen het ijsbuffer en de zon-/lucht absorbers. Daar waar de temperatuur het beste is voor het gebouw zal hij die gebruiken. Na een aantal weken in het stookseizoen zitten zal de ijsbuffer meer en meer aangesproken worden en zal het watertemperatuur gedaald zijn van 10°C tot het vriespunt. Wanneer het water effectief begint te bevriezen komt er een enorme hoeveelheid warmte vrij die voldoende is om het gebouw het ganse seizoen van warmte te voorzien. Tegen het einde van de winter zal de ijsbuffer quasi volledig bevroren zijn. In de lente zal het proces zich beginnen om te keren. Er is een tijd geen verwarming nodig in het gebouw. De warmte van de zon/lucht absorber wordt gebruikt om de ijsbuffer te regenereren. Naarmate het nog warmer wordt heeft gebouw nood aan passieve koeling. Het ijswater wordt gebruikt om het gebouw te koelen. De warmte zal uit het gebouw verdwijnen en gestockeerd worden in de ijsbuffer. Zodanig wordt deze weer opgeladen voor het volgende stookseizoen.

Toepasbaarheid in land- en tuinbouw

In de Benelux zijn er een tiental projecten waar er een SolarEis concept in geïnstalleerd. Deze projecten zijn momenteel hoofdzakelijk gericht op woningen en kantoorfaciliteiten. Er zijn momenteel nog geen toepassingen in de land- en tuinbouw. Wij zien echter ook mogelijkheden voor een aantal deelsectoren van de land- en tuinbouw. We zijn dan ook op zoek naar gemotiveerde bedrijfsleiders waar we een pilootinstallatie kunnen plaatsen.

Voor meer info of voor aanmeldingen kan u terecht bij Laurens Vandelannoote (laurens.vandelannoote@innovatiesteunpunt.be).

Copyright Boerenbond ‘Management en techniek 1 sept 2017’