TECHNIEK  
Cool and Comfort 86 – september 2020

Thermo-akoestische warmtepompen. Revolutie op til?

Bij onze Noorderburen zetten twee bedrijven hard in op innovatieve thermo-akoestische warmtepompen. Het ene plaatst nu de eerste installaties, het andere is nog bezig aan ontwikkeling en hoopt binnen enkele jaren met een eigen uitvoering op de markt te komen. Volgens sommigen zal het thermo-akoestische concept een revolutie ontketenen. Of het zo’n vaart zal lopen, zal de toekomst uitwijzen.

Door Koen Vandepopuliere

De firma’s Blue Heart Energy en SoundEnergy pakken uit met twee verschillende uitvoeringen van thermo-akoestische warmtepompen. Blue Heart Energy werkt daarvoor samen met de Nederlandse kennisinstelling TNO. Daar is ir. Jan-Aiso Lycklama à Nijeholt Projectmanager Sustainable Process Technology. Hij geeft een woordje uitleg over hun systeem. “We hebben een drukvat met daarin het werkmedium: helium. In dat vat wekken we een golf op”, begint hij. ”Nu heeft geluid in ons dagelijkse leven erg lage vermogensniveaus. Maar omdat we met druksystemen werken van typisch 50 bar en een akoestische fluctuatie van 2,5 bar, krijgen we een hoge vermogensdichtheid. Een voordeel daarvan is dat we het systeem klein kunnen maken. Hoe werkt het dan verder precies? Wel, bij TNO maken we gebruik van een lineaire motor. Het betreft twee zuigers die lineair, maar tegengesteld bewegen. Het is dus een elektrisch gedreven thermo-akoestische warmtepomp. Die zuigers werken als een soort subwoofer -een type luidspreker- waarmee het systeem die drukfluctuatie van 2,5 bar krijgt.”

Twee warmtewisselaars

De kern van het systeem bestaat uit twee warmtewisselaars: een koude en een warme, met daartussen een regenerator: die bestaat uit poreus materiaal waar het geluid makkelijk doorheen gaat. Lycklama à Nijeholt: “In het algemeen heeft een akoestische golf een drukfluctuatie tot gevolg, maar ook een verplaatsingsamplitude, een beweging dus. Het betreft een oscillerende beweging in combinatie met een oscillerende druk. Van beide maken we gebruik in die thermoakoestische kern. Dat gaat dan via vier stappen: een stap waarbij je expandeert, dan gaat de druk omlaag, gevolgd door een verplaatsing, een compressie en weer een terugverplaatsing. Tijdens die stappen wordt de warmte verplaatst van de koude naar de warme warmtewisselaar.”

Hij beschrijft de stappen wat diepgaander: “De expansiestap van de akoestische golf gebeurt in de koude warmtewisselaar. Doordat het helium expandeert, wordt het kouder. Daardoor neemt het warmte op van de koude warmtewisselaar. Die warmte komt van buiten. Het helium neemt die warmte op en transporteert die, door de regenerator, in de richting van de warme warmtewisselaar. In die regenerator wordt het helium verder opgewarmd. Dan is de warmte van de koude warmtewisselaar en uit de regenerator bij die warme warmtewisselaar aangekomen. En dan vindt de compressie plaats. Dat betekent dat het helium nog verder in temperatuur omhoog gaat. Op dat moment wordt nog warmte afgegeven op hogere temperatuur, bijvoorbeeld 50 of 80 °C, aan die warme warmtewisselaar. Die voert de warmte naar buiten toe, naar het cv-systeem bijvoorbeeld. Als laatste stap wordt dat heliumpakketje terug verplaatst, vanaf de warme warmtewisselaar naar de koude warmtewisselaar. Op dat moment wordt het gaspakketje weer gekoeld, omdat er een temperatuurgradiënt zit in die regenerator. Met die vier stappen, in het hart van het systeem, is de cyclus gesloten.”

Voordelen

Lycklama à Nijeholt ziet veel voordelen in het nieuwe systeem: “Een van de belangrijkste is dat het werkmedium, helium in ons geval, een milieuvriendelijk koudemiddel is. Het is niet brandbaar en is gewoon een inert gas. De regelgeving wat betreft de werkmedia wordt alsmaar strenger. Dat betekent dat we een steeds groter voordeel krijgen met onze technologie ten opzichte van de bestaande compressiewarmtepomp. Ander voordeel is dat een thermoakoestische warmtepomp een heel groot temperatuurbereik aankan. Je kan het apparaat gebruiken voor diepe koeling, tot -20°C, maar je kan het ook gebruiken om warmte op te pompen van nul naar 140°C, van buitenlucht naar het cv-systeem bijvoorbeeld. Of van 10°C buitenlucht naar 80°C tapwater. Dat kan allemaal met hetzelfde apparaat. Je hoeft je werkmedium, je koudemiddel niet aan te passen. Dat is eveneens een groot voordeel ten opzichte van bestaande compressiewarmtepompen, waar je je koudemiddel moet afstemmen op de temperatuur die je wenst. Een derde voordeel is dat de compressor -die zuigers – dermate zijn uitgebalanceerd dat heel weinig geluid ontstaat. Onze warmtepomp is daardoor heel stil. Tenslotte is die goed moduleerbaar, dus je kan ook heel goed op deellast draaien. Dat is heel makkelijk realiseerbaar door eenvoudig de stroom en spanning te verlagen.”

Voorgangertechnologie

Compleet nieuw is het concept niet: “Deze technologie, met die bewegende dubbele zuigers, wordt al jaren toegepast in cryogene toepassingen, met de pulsbuiskoelers. Die staan bekend als robuust, dus ik verwacht ook voor onze oplossing heel goed gedrag wat dat betreft. Het is een duurzaam apparaat dat weinig onderhoud nodig heeft.”

En hoe zit het met de efficiëntie? “We mikken op vijftig procent van het Carnotrendement. De huidige compressiewarmtepompen op de markt hebben volgens mij ook ongeveer die waarde. Maar waar mensen nog het best naar zouden kijken, is naar de total cost of ownership: hoeveel geld ben je kwijt over de hele levensduur van je product? Dat betekent dat je product goedkoop moet zijn en een goede COP moet hebben, maar ook dat je moet rekening houden met de steeds strengere regelgeving met bijvoorbeeld werkmedia.”

TNO ontwikkelt dit apparaat samen met firma Blue Heart Energy, die het binnen enkele jaren op de markt wil brengen.

Blue Heart & SoundEnergy

Dan was er nog die andere firma: SoundEnergy. Zij pakt uit met een concept dat in essentie gelijkaardig is aan dat van TNO-Blue Heart. De thermoakoestische kern, dus het pompeffect over de kern van het systeem, tussen de koude en warme warmtewisselaar, met de regenerator ertussen, is hetzelfde. Kees de Blok is een van de oprichters van SoundEnergy, en is vandaag zijn CRO: “Belangrijk verschil is dat het akoestische vermogen bij ons niet elektrisch wordt opgewekt maar met warmte. De combinatie gedraagt zich hierdoor als een koeler die direct wordt aangedreven door rest- of zonnewarmte. Hiervoor is dan ook geen elektriciteit nodig, behalve dan voor enkele circulatiepompen die de koude transporteren. Omdat op die manier een veel groter akoestisch vermogen kan worden opgewekt dan met een elektrische aandrijving – met luidspreker – is er geen praktische beperking in koelvermogen. Ons systeem levert bij 200°C aandrijftemperatuur een koelvermogen van 25 kilowatt. Er wordt gewerkt aan een grotere versie met vermogen van meer dan 100 kilowatt.”

De koppeling tussen het aandrijfdeel (warmtemotor) en warmtepomp wordt bij SoundEnergy gevormd door een (ring)resonator, een soort klankbuis. De lengte daarvan bepaalt de frequentie van de opgewekte akoestische golf. Hij kan behoorlijk lang zijn. Daardoor is het apparaat groter dan dat van TNO-Blue Heart Energy. SoundEnergy’s THEAC-25, bijvoorbeeld, heeft twee warmtemotoren en twee warmtepompunits in een ring met een diameter van bijna vier meter, bij een hoogte van 0,6 meter. Die kan ook uitgevoerd zijn in een U-vorm die in een container past: zo een model is getest in combinatie met de strobrander van een graandrogerij in Polen. Bij TNO-Blue Heart Energy, daarentegen, wordt de resonantie van het systeem niet door een lange buis verzorgd, maar door een zuiger en een mechanische veer. De massa van de zuigers en de veerconstante zorgen ervoor dat het hele systeem in resonantie komt. Die installatie is kleiner: klein genoeg om een plekje te krijgen bij een gewoon huishouden.

Beide systemen gebruiken als werkmiddel een inert gas met een GWP-waarde van nul. Bij TNO-Blue Heart Energy is dat helium, bij SoundEnergy argon of een ander inert gasmengsel. En allebei zijn ze opmerkelijk stil, wat natuurlijk een verassing is voor systemen die op basis van geluidsgolven werken.

Er zijn nog enkele markante verschillen tussen beide uitvoeringen. Zo gebruikt SoundEnergy relatief hoge temperatuur restwarmte om akoestische energie te produceren. Die moet heter zijn dan 160°C als die warmte zich in een vloeistof bevindt, of heter dan 250°C als het gaat over een (uitlaat)gas. Daarmee produceert een tweede thermoakoestische kern koude. Het is dus een warmtegedreven systeem. TNO-Blue Heart Energy, daarentegen, kiest voor de optie het systeem elektrisch aan te drijven.

Door het gebruik van warmte verbruikt de oplossing van SoundEnergy zeer weinig elektriciteit. Zijn THEAC-25, bijvoorbeeld, bevat drie pompen en een koelsysteem die samen ongeveer twee kilowatt elektriciteit verbruiken. De oplossing van TNO-Blue Heart Energy verbruikt ongeveer een kwart van de geleverde warmte aan elektriciteit. Voor een huishouden is dit een à twee kilowatt aan elektrisch vermogen.

Op naar de markt

SoundEnergy richt zich op de markt van bedrijven die restwarmte op hoge temperatuur ter beschikking hebben en elders willen koelen, bijvoorbeeld een productiehal of kantoorruimtes. Een andere doelgroep is de scheepvaart, met koeltoepassingen tot -25°C. TNO-Blue Heart Energy, daarentegen, richt zich vooral op de consumentenmarkt. Haar systeem dient vooral om huizen te verwarmen, al kan het ook koelen.

SoundEnergy staat wat de vermarkting betreft iets verder dan TNO-Blue Heart Energy. De Blok: “We hebben inmiddels een aantal systemen geleverd. Dit voorjaar wordt er nog een geïnstalleerd, bij een koffiebrander. Die zal de warmte van het koffiebrandproces gebruiken voor het koelen van de nieuwbouw.”

TNO-Blue Heart Energy is nog niet zo ver. Zij realiseren nu de eerste units die ze over een jaar willen testen in een living lab: een gesimuleerde omgeving. Maar in beide gevallen gaat het over groepen hardwerkende durvers die, heel misschien, op termijn de HVAC-R-markt grondig zullen veranderen. De toekomst zal het uitwijzen.

“We mikken op vijftig procent van het Carnotrendement. Maar waar mensen nog het best naar zouden kijken, is naar de total cost of ownership.”

“Onze combinatie gedraagt zich als een koeler die direct wordt aangedreven door rest- of zonnewarmte.”