Bij allerlei industriële én natuurlijke processen ontstaat laagwaardige warmte, waar nu zelden iets mee gebeurt. Een machine uit Enschede kan deze warmte omzetten in beweging. Dat maakt bijvoorbeeld een waterpomp op zonnewarmte mogelijk.
Op allerlei plekken verdwijnt er warmte de lucht of het oppervlaktewater in. Warmte die we nog best ergens voor hadden willen gebruiken, zeker in een tijd waarin energiebesparing steeds belangrijker wordt.
Bij het bedrijfje Encontech in Enschede, voortgekomen uit de Universiteit Twente, hebben ze daar een oplossing voor bedacht: een warmtemotor die een temperatuurverschil tussen een warme en een koude bron gebruikt om beweging te genereren.
Die warmtebron kan van alles zijn: zonlicht dat een zonnecollector opwarmt of warm water dat met geothermie uit de grond is gepompt. Of restwarmte van de industrie: heet gas of heet water waar een bedrijf niets meer mee kan, maar waar nog een hoop energie in zit. Zonde om die door de schoorsteen de atmosfeer in te jagen.
Dankzij nieuwe maaktechnieken, zoals geavanceerde vormen van lassen en 3D-printen, kunnen we warmtewisselaars maken met een hogere efficiëntie
Haalbare kaart
Twee uit Rusland afkomstige ingenieurs, Alexander Kronberg en Maxim Glushenkov, gingen bij Encontech aan de slag met een bestaand idee: de zogeheten isobaric expansion engine. Dit is een cilinder van metaal met een zuiger erin die extern wordt aangedreven. In de cilinder zit een vloeistof.
Aan de bovenkant van de motor geeft de warmtebron zijn warmte af aan deze vloeistof, die daardoor verdampt en enorm uitzet (zie de figuur hieronder). Aan de koudere kant van de motor condenseert de damp. Verdamping en condensatie generen drukpulsen waardoor in de motor een deel van de vloeistof door de damp wordt verplaatst ten behoeve van arbeid. De zuiger gaat weer omhoog en het hele verhaal begint opnieuw.
De arbeid die de (vloeistof in de) motor kan verrichten, kun je voor allerlei nuttige toepassingen gebruiken. In een waterpomp op zonnewarmte bijvoorbeeld, handig op afgelegen locaties waar geen elektriciteitsnet is. Of voor het ontzilten van zeewater. Daarbij wordt zeewater door een membraan geperst. Zoet water blijft over, het zout blijft achter.
Dit principe is al decennialang bekend, maar de toepassing ervan is nu pas een haalbare kaart. ‘Een machine volgens dit principe aan de praat krijgen was pakweg dertig jaar geleden niet mogelijk geweest’, vertelt Glushenkov. ‘Een belangrijk probleem was de efficiëntie van warmtewisselaars, die lange tijd niet hoog genoeg was. Pas met de komst van nieuwe maaktechnieken, zoals geavanceerde vormen van lassen en 3D-printen, zijn er warmtewisselaars te vervaardigen met een hogere efficiëntie. We hebben dit soort innovatieve technieken dan ook hard nodig.’
Verhoogd rendement
Bij een temperatuur van de werkvloeistof van 90 graden Celsius ligt de druk in de isobaric expansion engine rond de 60 bar. Bij hogere temperaturen kan deze oplopen tot honderden bars. Anders dan bij andere types warmtemotoren maakt de machine van Encontech maar één slag per 1 à 2 seconden. Dat is te danken aan het feit dat hij werkt met een vloeistof (waar bijvoorbeeld een stirlingmotor gas gebruikt) die steeds ongeveer dezelfde druk houdt; dat is letterlijk wat ‘isobaar’ betekent.
Daardoor verricht de warmtemotor per slag veel meer arbeid dan andere warmtemotoren. Bij die motoren gaan de bewegende delen zo snel heen en weer dat wrijving en afdichting een rol spelen, zegt Glushenkov. En dat heeft allerlei nadelige gevolgen, zoals de noodzaak tot smering, slijtage en een korte levensduur. De Encontech-machine heeft daar geen last van. In de isobaric expansion engine zijn verschillende werkvloeistoffen te gebruiken, waarbij koolwaterstoffen de meest voor de hand liggende categorie vormen.
‘Denk aan propaan of butaan, of aan de koelmiddelen die in airco’s worden gebruikt’, zegt Glushenkov. ‘Wat je kiest, hangt een beetje af van de toepassing en dus van de gebruikte temperatuur en druk.’ In bijzondere gevallen kan de werkvloeistof zelfs dezelfde zijn als de vloeistof die je wilt verplaatsen door te pompen. ‘Dit maakt de machine goedkoper, want je hoeft in een dergelijk geval geen membraan aan te brengen tussen de werkvloeistof en de vloeistof die je wilt verpompen.’
MEER LEZEN OVER DE OOGSTER VAN RESTWARMTE?
Het volledige verhaal over de isobaric expansion engine vind je in het septembernummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.
Openingsfoto: Laboratoriumversie van de isobaric expansion engine van Encontech, een machine die restwarmte kan omzetten in beweging.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.