Adsorptiewarmtepomp

Waar de cv-ketel al helemaal is uitontwikkeld, kan de warmtepomp nog grote slagen maken. In 2023 komt er een nieuw soort warmtepomp op de markt die werkt op basis van adsorptietechnologie. Fabrikant Cooll werkte meer dan tien jaar aan de ontwikkeling ervan. IZ sprak met CEO Stefan van Uffelen (zie foto).

Het begon allemaal in 2003. De universiteit Twente kreeg een aanvraag binnen van ruimtevaartorganisatie ESA om een trillingsvrije koeler voor -270 graden Celsius te ontwikkelen, die onderhoudsvrij zou zijn en geen bewegende delen zou bevatten. De technologie die hieruit voortkwam, vormt in feite de basis van de nieuwe warmtepomp. Daarom heet het bedrijf ook Cooll.

Marktkansen
In eerste instantie wilden de initiatiefnemers een systeem ontwikkelen voor duurzame verwarming en koeling op basis van de adsorptietechnologie. Uit onderzoek bleek dat de koelingstoepassing markttechnisch lgezien astig was, omdat het een toepassing is voor buitenlandse markten, maar dat de verwarmingstoepassing erg interessant is. In 2009 hebben Johannes Burger, Stefan van Uffelen en Robert Jan Meijer toen Cooll opgericht.

Testen
In 2018 is het eerste wandtoestel ontwikkeld. Deze opstelling heeft inmiddels twee winters het eigen hoofdkantoor verwarmd. In de winter van 2020- 2021 is voor het eerst een woning in Uden verwarmd met een stand alone opstelling inclusief meetapparatuur en veiligheidssystemen.
Momenteel bouwt het team van Cooll aan de versie van de warmtepomp zoals die in een eerste beperkte oplage in 2022 op de markt komt. Deze wordt komende winter in een aantal woningen getest.

Impact maken
De warmtepomp werkt op basis van gas. Dat klinkt als een anachronisme, nu we juist bezig zijn om massaal van het gas af te gaan. Van Uffelen: “Van het gas af is echt een hype. In feite draaien al die elektrische warmtepompen op de stroom die gemaakt wordt in traditionele energiecentrales. Op die manier verschuift in feite alleen maar het gebruik van fossiele brandstoffen. Wij willen echt impact maken en kunnen dat ook met onze adsorptiewarmtepomp.”

Warmtepomptechnologie
Hoe werkt de Cool warmtepomp dan precies? Daarvoor is het zinvol om eerst nog eens wat dieper te duiken in de warmtepomptechnologie in het algemeen. Zoals bekend haalt een warmtepomp warmte uit de lucht, de bodem of het grondwater. Hiervoor gebruikt hij stroom, maar veel minder dan bij elektrisch verwarmen zonder warmtepomp het geval is. In feite werkt een warmtepomp als een omgekeerde koelkast. Hij voert geen warmte af, maar haalt juist warmte van buiten naar binnen.

Varianten
Warmtepompen worden ingedeeld op basis van hun warmtebron. De lucht/water-warmtepomp haalt middels een buitenunit warmte uit de buitenlucht. De warmte wordt overgedragen aan een koudemiddel en in een binnenunit doorgegeven aan het verwarmingssysteem. De andere luchtgebonden variant, een ventilatiewarmtepomp, kan de vervuilde, warme lucht die wordt afgevoerd gebruiken. Zo’n model is echter alleen geschikt als er mechanische ventilatie aanwezig is in de woning.

Grondgebonden systemen
De water/water-warmtepomp haalt warmte uit het grondwater. Voor deze warmtepompen worden twee putten geboord. Uit de ene haalt de pomp warmte omhoog, het afgekoelde water gaat weer de bodem in via de andere put. Om de warmtebalans van de bron te herstellen, moet je de woning in de zomer koelen met de warmtepomp (hij werkt dan omgekeerd). De bodem/water-warmtepomp haalt warmte uit de bodem via buizen die gevuld zijn met een vloeistof. Meestal is het een verticale buis diep in de grond, maar ook soms met een stelsel van horizontale buizen niet heel diep onder de grond. De warmte die de vloeistof opneemt wordt via een warmtewisselaar afgegeven aan het verwarmingscircuit.

Hybride warmtepomp
Heel kort door de bocht kunnen we wel stellen dat de elektrische, luchtgebonden warmtepomp vooral opgang maakt in de nieuwbouw. In de bestaande bouw zien we vooral de hybride warmtepomp aan populariteit winnen. In dat geval komt er naast de reeds aanwezige Hr-ketel een luchtgebonden warmtepomp te staan. Alleen voor het verwarmen van tapwater en het verwarmen van de woning tijdens extreem koude dagen, springt de Hr-ketel bij.

Adsorptietechnologie
Cooll’s adsorptiewarmtepomp bevat een vergelijkbare continue cyclus als een normale elektrische warmtepomp. Compressie van het koudemiddel vindt nu echter plaats met een door warmte aangedreven adsorptiecompressor in plaats van een elektrisch-mechanische compressor. De benodigde warmte is hiervoor afkomstig uit een brander.

Werking
De adsorptiecompressor bestaat uit twee drukvaten gevuld met hoogwaardige actieve kool die cyclisch worden verwarmd en afgekoeld; een complete cyclus duurt ongeveer 10 minuten. Tijdens verwarming van zo’n drukvat (tot ongeveer 180 °C) wordt het koudemiddel onder hoge druk uit het adsorptiemateriaal geperst en via een passief ventiel naar de hogedrukzijde van de warmtepomp geleid. Het koudemiddel condenseert in de condensor en geeft daar zijn warmte af aan het verwarmingscircuit van de woning (op bijvoorbeeld 60 °C), waarna de druk van het koudemiddel wordt verlaagd via het expansieventiel. Het koudemiddel verdampt weer in de verdamper bij een lage temperatuur (bijvoorbeeld 0 °C van de buitenlucht) en neemt zo energie op uit de koude omgeving.

Volgende stap
Daarna stroomt het koudemiddel via een passief ventiel naar het andere drukvat dat op de begintemperatuur staat (60 °C in dit voorbeeld), waarbij het koudemiddel weer aan het adsorptiemateriaal adsorbeert. Na ongeveer 5 minuten draait de functie van de twee drukvaten om en zo ontstaat een continu proces. Ten opzichte van een standaard verbrandingsketel zit de winst in de extra warmte die via de verdamper en de condensor beschikbaar komt. Voor de productie van warm tapwater switcht de driewegklep, analoog aan een Hr-ketel, en wordt de cyclus versneld. “Daardoor gaat het vermogen omhoog en het rendement omlaag”, vertelt Van Uffelen. “Het beste resultaat behaal je met een compact buffervat erbij.”

Bestaande woningen
De adsorptiewarmtepomp is uitermate geschikt voor bestaande woningen, vertelt Van Uffelen. “Je kan de bestaande afgiftesystemen en thermostaat blijven gebruiken.” Bovendien hoeft de woning niet eerst extra te worden geïsoleerd om er zeker van te zijn dat het comfortniveau behouden blijft. “Met deze adsorptiewarmtepomp behalen we een 30% hoger rendement dan met een Hr-ketel. Dat kunnen we nog naar 50% tillen door ook gebruik te gaan maken van de binnenlucht of radiatoren te vervangen door een LT-vloerverwarmingssysteem.” En daar zit ‘m ook de impact die Cooll wil hebben met hun warmtepomp. Een hoger rendement impliceert immers minder gasgebruik.

Ruimtebeslag
De adsorptiewarmtepomp bestaat uit één unit van ongeveer 50 kg die 40 x 50 cm meet. Dat is vergelijkbaar met een Hr-ketel. “We willen een compactere versie ontwikkelen die 47 cm diep is, dan kan het systeem ook de kast in.” De doorvoer door het dak valt iets groter uit dan bij een Hr-ketel het geval is met 2 pijpen die elk een diameter hebben van 25 centimeter. Het geluidsniveau is vergelijkbaar met een Hr-ketel, zegt Van Uffelen. “Er zijn geen bewegende delen.” Ook het inregelen verloop op een vergelijkbare manier als bij een Hr-ketel. “Er is dus geen extra kennis nodig.”

Concurrentie
De voordelen ten opzichte van een Hr-ketel zijn dus duidelijk. Maar hoe zit het met de twee andere grote concurrenten in de bestaande woningbouw: de HT- en de hybride warmtepomp? “De Hoge Temperatuur warmtepomp bestaat uit twee units en heeft dus meer ruimte nodig. Bovendien is het maar de vraag of die dezelfde rendementen behaalt onder alle omstandigheden. Een HT-warmtepomp heeft ongeveer tweemaal zoveel warmte van buiten nodig vergeleken met de gaswarmtepomp. Dat is dus een fundamenteel lastige uitdaging. Wat betreft de hybride variant; ook die heeft meer ruimte nodig dan de adsorptiewarmtepomp, bovendien krijg je daar te maken met energie- en gasprijzen. Dat zijn twee variabelen die kunnen fluctueren. Tot slot gaat het om een complexe technologie die zeker de nodige kennis vereist van de installateur op het gebied van inregelen.”

Gas
De adsorptiewarmtepomp kan zowel op aardgas, biogas als waterstof draaien, vertelt Van Uffelen. “Voor biogas moet alleen de branderinstelling worden veranderd. Waterstof is ook geen issue, even de vlamdetectie en controls wijzigen en je kunt aan de slag. In principe willen we in 2023 een versie op de markt brengen die al ‘waterstof ready’ is.”

Servicen
Ook het onderhoud is eenvoudig en vergelijkbaar met een Hr-ketel, vertelt Van Uffelen. “Denk aan de driewegkleppen controleren en dergelijke. Alleen het elektrische deel zit wat dieper in het toestel vanwege de hoge temperatuur en de dakdoorvoeren zijn natuurlijk net iets anders.”

Belangstelling
Over gebrek aan belangstelling hoeft de gedreven ondernemer niet te klagen. Zowel de reguliere als vakmedia hebben al de nodige aandacht besteed aan de adsorptiewarmtepomp. En voordat Cooll daadwerkelijk de markt betreedt zijn er al 55 exemplaren verkocht. “Het gaat om uiteenlopende klanten, van woningcorporaties tot bij wijze van spreken eigenaren van monumenten. Wij verwachten stevig door te groeien. Temeer daar wij nog in tegenstelling tot de hr-ketel en bestaande warmtepompen een enorme potentie hebben om ons systeem door te ontwikkelen.” 