Koelen met geluid

Het klinkt futuristisch, maar is al mogelijk. De Enschedese start-up SoundEnergy ontwikkelde een systeem waarmee het mogelijk is om te koelen met geluid. Dat is duurzaam, onderhoudsvriendelijk en financieel aantrekkelijk.
Hebben we er een nieuwe concurrent voor de warmtepomp bij?

De koelingsbehoefte in de gebouwde omgeving neemt alsmaar toe. Voor een deel heeft dat te maken met klimaatverandering. Maar ook, ironisch genoeg, doordat we steeds betere woningen en utiliteitsgebouwen neerzetten.

Hete zomers

Iedereen zal zich nog wel de warme maanden van 2019 herinneren. Er waren drie extreem warme perioden: eind juni, eind juli en eind augustus. Tijdens de hitte in juli werd de hoogste temperatuur sinds het begin van de metingen in Nederland waargenomen: 40,7 °C in Gilze Rijen op 25 juli. En ook deze zomer schoot het kwik naar nieuwe hoogtes. In augustus hadden we een hittegolf die meer dan een week duurde en waarbij een temperatuur van 34,6 °C werd aangetikt. Het KNMI was niet verbaasd. Onderzoeker Sybren Drijfhout schreef in 2018 al in Nature Communications dat ons waarschijnlijk vier extra hete zomers stonden te wachten. Met de opwarming van de aarde zullen we daar vaker mee te maken krijgen.

Meer isolatie

Tegelijkertijd isoleren we steeds beter onze woningen en utiliteitsgebouwen. Dat past binnen de filosofie van de Trias Energetica om eerst de energievraag zoveel mogelijk te beperken, voordat we het restant gaan invullen met duurzame en fossiele energie. Door die hoge RC-waardes warmen woningen en utiliteitsgebouwen al snel op als het zonnetje zich laat zien en de bezetting hoog is. Dat wordt nog eens versterkt door de toename van elektrische apparatuur in de gebouwde omgeving.

Oplossing

De vraag is dan hoe we al die woningen en utiliteitsgebouwen op een duurzame wijze kunnen koelen. SoundEnergy ontwikkelde een nieuwe oplossing voor dit vraagstuk. Hun apparaat oogt als een abstract kunstwerk. Het is ovaalvormig en bestaat uit vier cilinders die onderling worden verbonden door een buis. Dit systeem wordt gevoed met restwarmte. Die kan afkomstig zijn uit verschillende bronnen. Zolang de temperatuur maar, bij voorkeur, tussen de 200°C - 300°C zit. “Je kunt dan bijvoorbeeld denken aan industriële processen”, licht Herbert Berkhout toe, de directeur van SoundEnergy. Hij probeert de werking van het systeem uit te leggen, wat nog een behoorlijke uitdaging is.

Thermo-akoestiek

Het ontwerp is namelijk gebaseerd op een wetenschapstak die in vakkringen thermo-akoestiek heet, een interdisciplinair vakgebied waarin kennis uit werktuigbouwkunde, akoestiek, thermodynamica en aerodynamica samenkomen. “Ik denk dat maar een paar dozijn mensen op de wereld écht begrijpt hoe ons apparaat werkt”, zegt Berkhout. Niet omdat het apparaat zo ingewikkeld is, maar vanwege die ongebruikelijke mengvorm van disciplines.

Werking

“Heel kort door de bocht zetten we restwarmte om in koeling door middel van geluidsgolven. Dat doen we door eerst warmte om te zetten in een geluidsgolf en daarna de geluidsgolf om te zetten in een temperatuursprong naar beneden.” In de buizen en vaten zit een gasmengsel (stikstof). Dat gas wordt verwarmd met de restwarmte op een zodanige manier dat op een specifiek punt in een drukvat de druk wordt verhoogd. “Vergelijk het met een steen die je in het water gooit en een rimpeling veroorzaakt”, zegt Berkhout. De kunst is nu om die rimpeling als het ware voort te zetten.

Koudeproductie

Die rimpeling is in dit geval een geluidsgolf. Door het gas in de buis van een koude naar een warme omgeving te laten stromen, zodat de boel eerst krimpt en dan weer uitzet, dijt de rimpeling als het ware uit. Van de vier cilinders doen er twee dienst als zo’n geluidsgolfversterker. Is de afstand tussen die cilinders precies goed, dan kan de golf zichzelf in stand houden. Wil je de energie gebruiken om te koelen, dan heb je twee cilinders nodig waarin zich het omgekeerde proces plaatsvindt. In concreto: waar de energie wordt onttrokken, zodat de rimpeling een krimpende beweging maakt. Die onttrokken warmte laat vervolgens een water-glycol circuit afkoelen, dat bijvoorbeeld naar een LBK loopt.

Conversietechnologie

De THEAC-25 is kortom geen koudeopwekker, maar zet warmte om in koude. We hebben het hier dus over conversietechnologie. Om de pompen en dergelijke van het systeem te laten draaien is circa 2 kW nodig. De koude wordt via een wisselaar afgegeven aan een balansventilatiesysteem. In essentie wordt er dus gekoeld met lucht. Daarbij is het mogelijk om de temperatuur maximaal 6 graden omlaag te brengen.

Omvang

De ring van het apparaat is 50 cm hoog, het onderstel heeft een diameter van 4 meter. Dat maakt de THEAC-25 vooral interessant voor de utiliteit en industrie en niet voor de reguliere woningbouw. Daarvoor zou eerst een compactere versie moeten worden ontwikkeld.

Installatie

Voor de installatie van het apparaat moet de installateur circa 1,5 dag uittrekken. “Stel dat hij onze ‘containerversie’ ergens neerzet en restwarmte wil onttrekken aan een schoorsteen. Dan moet hij een economizer plaatsen in de schoorsteen, een leiding trekken naar de container en een leiding naar de LBK voor de koude-afgifte”, legt Berkhout uit.

Terugverdientijd

Voor een THEAC-25 betaalt een klant ongeveer het dubbele van een reguliere oplossing. Daar staan wel een aantal voordelen tegenover. Ten eerste is het apparaat onderhoudsarm. “Er zitten geen compressoren of andere bewegende delen in, die kapot kunnen gaan en regulier onderhoud nodig hebben”, licht Berkhout toe. Hij adviseert wel om het apparaat 1x per jaar te inspecteren en dan de pakkingen en de druk in de vaten te controleren. Daarnaast is de terugverdientijd gunstig, volgens de berekeningen van SoundEnergy moet de klant denken aan ongeveer 7 jaar. “Uiteraard afhankelijk van zijn koelingsbehoefte.” Niet slecht voor een systeem dat volgens de fabrikant zeker 30 jaar mee kan.

Toekomst

De toekomst ziet er rooskleurig uit. De aanvragen stromen binnen. Dat heeft deels te maken met de reeds genoemde klimaatveranderingen en betere isolatie van gebouwen. Maar er zijn meer factoren in het spel. “De THEAC-25 gebruikt minder energie dan een warmtepomp, dat is zeker een Selling Point. Bovendien wordt de industrie steeds meer aangespoord via wetgeving en richtlijnen om nuttig gebruik te maken van restwarmte.”
Het is nu afwachten geblazen wanneer er een variant van het systeem verschijnt voor de woningbouw 