Thermo-akoestische motor pakt Amerikanen record af
Met een doelmatige warmtepomp kan de industrie haar restwarmte geschikt maken voor hergebruik. Het gaat in Nederland om de hoeveelheid energie die 1 miljoen huishoudens jaarlijks gebruiken. ECN bestudeerde de mogelijkheden voor een nieuw type warmtepomp zonder bewegende delen: de thermo-akoestische warmtepomp. Na een harde leerschool van zeven jaar behaalden ECN-onderzoekers onlangs een grote triomf: met hun thermo-akoestische motor, een hoofdbestanddeel van de gelijknamige warmtepomp, haalden ze 48 procent van het theoretisch maximale rendement, een wereldrecord. “De vorige recordhouders, de Amerikanen, zijn razend nieuwsgierig naar de details van ons onderzoek,” vertelt ECN-onderzoeker Simon Spoelstra trots.
Het niet kunnen benutten van de industriële restwarmte is al lange tijd bekend. De fabrieken missen een doelmatige warmtepomp die de temperatuur van hun medium flink verhoogt na afloop van het productieproces. Berekeningen wezen uit dat een thermo-akoestische motor met een rendement van 30 procent een verkoopsucces zal zijn. We hebben het hier over het theoretisch maximale rendement, ook wel Carnot-rendement genoemd. In 2000 begon de unit Efficiency en Infrastructuur van ECN met een onderzoek naar twee typen warmtepompen: de thermochemische en de thermo-akoestische. Spoelstra: “Als je vanaf nul begint is het beter om op twee paarden te wedden, dan is je kans op succes groter.” Met de thermo-akoestische versie is nu een groot succes geboekt.
De Thermo-Akoestische Warmtepomp (TAWP) kent geen bewegende delen en ziet er heel simpel uit. Van een TAWP is de thermo-akoestische motor het belangrijkste onderdeel. Groepsleider Spoelstra schatte in dat hij op basis van een Nederlandse uitvinding met vijf jaar wel een complete veldtest gerealiseerd zou hebben, maar dat viel tegen: “We borduurden voort op het ontwerp van Kees de Blok van de firma Aster, dat het voordeel had dat het gemakkelijk was te bouwen. Maar wat we ook probeerden, qua Carnot-rendement kwamen we nooit verder dan 15 procent!”
Terug naar de basis
In 2000 boekten de Amerikanen overigens al een groot succes met hun thermo-akoestische motor, door daarmee een Carnot-rendement van 36 procent te halen. Zij het dat dat record werd gehaald bij een temperatuur van 500 – 600 °C, terwijl ECN vooral werkt met de 140 °C van de industriële restwarmte. Ontevreden over de resultaten gooide Spoelstra in 2005 het onderzoek over een andere boeg. “Wij gingen ook werken met een hogetemperatuur-warmtemotor om het principe uitvoerig te bestuderen … terug dus naar de basis. De opgedane kennis en ervaring passen we vervolgens toe op de lagetemperatuur-motor die moet werken met de restwarmte.” Vanaf dat moment ging de ontwikkeling snel. Met als ultieme beloning het in 2008 behaalde Carnot-rendement van 48 procent.
Met die 48 procent zit ECN ruimschoots boven de target van 30 procent, het percentage waarbij de thermo-akoestische motor economisch haalbaar is. Dus zochten de onderzoekers contact met apparatenbouwers, om fabricagetechnische problemen op te lossen en te werken aan marktrijpe apparaten. Nu is er samenwerking met twee partijen: Bronswerk en Dahlman. Spoelstra: “ons streven is dat in 2010 een zogeheten benchscale van 10 kW gereed is om proef te draaien. En 2012 willen we een veldtest starten met een 100 kW-machine.”
Wereldwijd zijn er hooguit 100 mensen die zich bezighouden met thermo-akoestische motoren, en dat is lang niet allemaal even hoogstaand. ECN heeft in korte tijd een toppositie bereikt op dit terrein. “Acht jaar geleden wisten we nog niks van thermo-akoestiek, nu hebben we een wereldrecord,’” meldt de zichtbaar trotse Spoelstra. En dat legt ECN geen windeieren. “Voor een Europees onderzoeksproject op dit gebied zijn wij penvoerder.”
Gas kent geen slijtage
Spoelstra legt uit dat de warmtepomptechniek wordt toegepast in elke keukenkoelkast. Daarin pompt een compressor mechanisch een koelmiddel rond dat bij lage temperatuur warmte onttrekt ín de koelkast en die warmte bij hoge temperatuur aan de achterzijde weer afgeeft. Dat kan een TAWP ook, maar die gebruikt een laagfrequente geluidsgolf in een gas waardoor er geen compressor noch een milieubelastend koelmiddel nodig is. En dat golvende gas, bijvoorbeeld helium, kent geen enkele slijtage.
Warmte (liefst industriële restwarmte) brengt aan de ene kant van een dikke buis via een poreuze structuur het gas in een golfbeweging. Die golfbeweging is energierijk. Met die energie pompt het helium warmte van het ene medium (140 °C) naar het andere (180 °C), waardoor die laatste in temperatuur stijgt (190 °C). “Juist die flinke temperatuurlift van 50 graden maakt de thermo-akoestische warmtemotor zo aantrekkelijk”, aldus Spoelstra.
Hassan Tijani, gepromoveerd op thermo-akoestiek aan de TU-Eindhoven is bij ECN de pure deskundige op het gebied van de thermo-akoestische motor. Hij herinnert zich nog levendig het moment dat in het ECN-lab van Industrial Heat Technology de meetapparatuur plots opmerkelijk gunstige waarden toonden. “Er zijn wel twintig variabelen waarmee we rekening moeten houden, waarvan een deel elkaar bovendien ook weer beïnvloedt. Dus je hebt veel geduld nodig plus de gelegenheid om lekker door te werken. Afgelopen zomer was vrijwel iedereen op vakantie en kon ik heerlijk ongestoord experimenteren. Op zich prettig maar toen bleek dat we echt het wereldrecord hadden verbeterd, was er vrijwel niemand om het succes mee te delen!”
Spoelstra toont het e-mailtje van de Amerikanen waarin ze aangeven verrast te zijn. Ze zijn benieuwd naar de details en kijken reikhalzend uit naar onze publicatie om de details te vernemen. “Maar daarin vertellen we natuurlijk niet alles.”
Contact:
Simon Spoelstra
ECN Efficiency & Infrastructuur
Tel. 0224 – 56 4523
spoelstra@remove-this-part-ecn.nl
Info:
http://www.ecn.nl/publicaties/default.aspx?nr=ECN-RX--05-159
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nieuws/
