Varmepumper blir stadig vanligere i private hjem. Men å lagre varmen de produserer har ikke vært mulig – før nå. Løsningen kommer nå fra forskere ved SINTEF og sveitsiske COWA Thermal Solutions:
– Tenk på det som et «varmebatteri», hvor varmen fra varmepumpa lagres og kan brukes senere. I praksis betyr dette at folk får mer ut av den lagrede varmen. Den blir enklere og mer behagelig å bruke, og energien blir samtidig brukt på en smartere måte, forteller forsker Galina Simonsen.
Hun er en del av teamet som har utviklet de nye termiske batteriene.
– Batteriene har høy virkningsgrad og lader og leverer varme raskt, slik at det blir lettere å dekke behovene. Som når flere skal dusje etter hverandre, eller du trenger varmtvann tidlig en kald morgen, sier Simonsen.
Løsningen vil også lønne seg for lommeboka fordi den gjør det mulig å lagre overskuddsvarme når strømmen er billig eller miljøvennlig produsert, og kan brukes når behovet for mer varme oppstår.
Forskerkollegene Martin Fossen og Galina Simonsen foran systemet som kan lagre overskuddsvarme fra varmepumper. Foto: Silje Grytli Tveten
Egenskapen ligger i salthydrater
Som kjent henter varmepumper energi fra omgivelsene: luft, jord eller vann, og transporterer varmen inn i boligen.
Men, i husholdninger og andre bygg vil varmebehovet variere, avhengig av bruksmønster, tid på døgnet, utetemperatur og værforhold. I dette prosjektet har forskerne arbeidet med å møte disse svingningene på en smartere måte.
– En varmepumpe som går konstant er både dyrt, energisløsende og kan føre til overbelastning av strømnettet. Med de nye batteriene kombineres varmepumper med lagring og smart fordeling av varme, forteller Galina Simonsen.
Først ute med løsning for privatpersoner
– Forskerteamet i SINTEF har samarbeidet tett med det sveitsiske firmaet COWA Thermal Solutions med å utvikle løsningen. Selv om termisk energilagring finnes fra før, er teamet blant de første som har klart å en løsning som er så effektiv at den er attraktiv for private hjem.
Hemmeligheten ligger i en kombinasjon av tekniske løsninger og materialer som heter salthydrater.
Studier av salthydrater i laboratoriet hos COWA Thermal Solutions. Foto: COWA Thermal Solutions
– I motsetning til tørr salt vi strør på maten, låser salthydrater vann inn i strukturen sin og oppfører seg unikt når de utsettes for varme, sier Galina Simonsen.
Stoffer som kan gjennomgå denne fysiske transformasjonen, fra smelting til størkning, tilhører en bredere gruppe materialer kjent som «faseendringsmaterialer».
Her kan du lese om Cartesian som har laget en liknende løsning for både oppvarming og nedkjøling av store bygg, basert på sol eller vindkraft:
– Tenk på de som svamper: Når de varmes opp til en viss temperatur, gjennomgår de en endring hvor de går fra fast til flytende og kan lagre varme. Når de kjøles ned, går de tilbake til fast form og frigjør den igjen, forteller Galina Simonsen.
– De kan lagre mye mer varme (energi) enn for eksempel vann, og holde på varmen over lengre tid, selv om temperaturen ikke endrer seg så mye.
Med andre ord: mer varme og mer stabile temperaturer.
Plassbesparende løsning
Salthydratene åpner altså helt nye muligheter for smarte og mer balanserte oppvarmingssystemer fordi oppvarmingen kan flyttes til tidspunkt med lavt energibehov.
– Salthydrater er ikke giftige, de er ikke brennbare og de er i tillegg relativt rimelige. Det gjør at de er et trygt og godt valg for bruk i private hjem. Varmelagring med salthydrater tar dessuten mindre plass enn en tradisjonell varmtvannstank, gjerne opptil fire ganger mindre, sier Galina Simonsen.
Om Sure2Coat prosjektet:
Arbeidet er gjort som del av det EU-finansierte prosjektet Sure2Coat og i tett samarbeid med det sveitsiske selskapet COWA Thermal Solutions og forskningspartnere. COWA har jobbet med å utvikle og forbedre salthydratene med nye tilsetningsstoffer, slik at materialene blir stabile og kan fungere i flere tiår uten å miste sine egenskaper. SINTEF har arbeidet med å forbedre selve effektiviteten i batteriene.
Tradisjonelle systemer har ofte lav virkningsgrad og kan bruke lang tid på å lade opp og gi varme til huset. Ved å bruke de tynne kjøleribbene har forskerne klart å øke virkningsgraden til de nye batteriene fra 65 til 85 prosent. Samtidig er ladetiden blitt redusert med over 70 prosent og tiden det tar å få ut varmen er kuttet med over 80 prosent.
Det EU-finansierte prosjektet Sure2Coat, som er et samarbeid mellom 14 partnere innen industri og forskning i 7 europeiske land. Prosjektet handler om å utvikle og ta i bruk nye eller forbedrede metoder for overflatebehandling og belegg på overflater til forskjellige typer metaller. Metodene er vist gjennom tre konkrete bruksområder: girkasse, gass-vann oppvarmer og latent varmelagring.
Gjennom prosjektet skal sluttbrukerne få redusert energibruk, materialforbruk, CO2-utslipp og forurensning i produksjonen. Målet er å bidra positivt til europeisk industri og EUs vekststrategi ved å integrere overflatebehandlingsmetodene inn i produksjonslinjen.
Bruker resirkulert aluminium
SINTEFs oppgave i prosjektet har vært å forbedre selve effektiviteten. Det vil si hvordan måten varme lagres og frigjøres på, i batteriene.
– Helt konkret har vi designet og testet en slags type kjøleribber som forbedrer varmeoverføringen i de termiske batteriene, forteller Galina.
Kjøleribbene er tynne metallstrukturer som er laget av resirkulert aluminium som er effektive varmelederbaner. Dette gjør at varmen fordeles raskt og jevnt gjennom salthydratet.
Forsker Galina Simonsen med kjøleribbene som brukes i løsningen. Foto: SINTEF
– Aluminium er et lett materiale, har god varmeledningsevne og er lett å forme. Bruken av det resirkulerte aluminiumet gjør dessuten at miljøavtrykket og kostnader reduseres, og bidrar til å fremme en mer sirkulær materialbruk.
Samtidig fører resirkulert aluminium med seg en utfordring: det kan inneholde urenheter som gjør det mer sårbart for korrosjon.
– Korrosjon er spesielt kritisk fordi salthydrater er tøffe mot aluminium, spesielt når det er urenheter til stede. Uten beskyttelse kan kjøleribbene degraderes over tid, ytelsen reduseres og levetiden for hele systemet kortes ned, forklarer Galina Simonsen.
For å løse dette har forskerne benyttet et type belegg, også kalt Plasma Electrolytic Oxidation, som danner et tynt, keramisk lag på overflaten av aluminiumet.
– Dette er lignende type belegg som brukes på non-stick panner og gir en veldig slitesterk og korrosjonsbestandig barriere, forklarer forskeren.
Har konstruert et baderom: I boksen i midten blir varme lagret i perioder med lavt energiforbruk og senere frigjort for å levere varmt vann til dusjen. Foto: SINTEF
