De Technische Universiteit experimenteert met Phase Change Materials in een oplossing, toegepast als koudemiddel in een conventionele koelinstallatie. Avontuurlijke installateurs zijn nodig om de techniek naar een hoger plan te tillen. 

Door Tijdo van der Zee

Phase Change Materials (PCM’s) vinden steeds vaker een toepassing in de gebouwde omgeving. Warmte die overdag wordt geproduceerd door computers, of menselijke activiteit, kan worden opgeslagen in PCM-plafonds, om later in de nacht weer vrij te komen. Bij de Technische Universiteit Delft wordt gewerkt aan PCM’s in een oplossing, zodat ze kunnen worden rondgepompt en kunnen dienen als koudemiddel in meer conventionele koelinstallaties.

In het oude lab van de werktuigbouwkundige faculteit staat sinds enkele jaren een proefopstelling met een dergelijke PCM-oplossing. De installatie is via snoertjes gekoppeld aan computers die de onderzoekers continu informatie doorgeven over de prestaties van het materiaal. Via kijkgaatjes in de buizen is het proces ook binnenin de installatie te volgen.

PCM’s zijn in zekere zin niks nieuws. Immers, ook normale airco’s zijn gebaseerd op het principe van faseverandering. Het koudemiddel wisselt hier van gasvormige staat naar een vloeistof en omgekeerd. In de PCM’s die in dit artikel worden besproken gaat het daarentegen om de faseverandering van een vloeistof naar de vaste vorm van het koudemiddel. Bij de TU Delft is gekozen voor een oplossing met zouthydraten, in dit geval zijn dat moleculen met de naam tetra-n-butylammonium bromide (TBAB), gehuld in een ‘jas’ van waterstof.

Deze hydraten worden onder omgevingsdruk in een zodanige oplossing gebracht met water dat een slurry ontstaat. Het woord zegt het eigenlijk al een beetje: een slurry is een vloeistof met daarin een bepaalde hoeveelheid gestolde stof. Vergelijk het met het ijsdrankje slush puppie. Het smeltpunt van deze oplossingen ligt, afhankelijk van het percentage opgelost hydraat, ongeveer tussen de 7 en 12 graden.

Op vijf november vond op de werktuigbouwkundige faculteit van de TU Delft in samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Vereniging voor Koude (KNVVK) een seminar plaats die de techniek van TBAB-slurries onder de aandacht bracht van geïnteresseerde installateurs. Eén van de sprekers was Irene de Sera, promovenda bij Carlos Infante Ferreira, professor koudetechniek en warmtepompen.

“TBAB-slurry is een uitstekend koudemiddel”, aldus De Sera, “Het heeft met een latente warmte van 193 kJ per kilo een veel grotere koudecapaciteit water. Dus je hebt voor hetzelfde koelvermogen veel minder koudemiddel nodig.” Ter illustratie gebruikt de Sera een voorbeeld van een airconditioning waarmee een vermogen van 5 kW gehaald moet worden. Wanneer in het koelsysteem water als koudemiddel wordt gebruikt, is er 0,24 kilo per seconde nodig. Bij TBAB-slurrys is dat veel minder. Van 0,17 kilo per seconde bij een oplossing van 20 procent, tot slechts 0,07 kilo per seconde bij een oplossing van 40 procent. Dit heeft uiteraard consequenties voor de buisdiameter – als de snelheid constant blijft -, die bij water 6 millimeter bedraagt, terwijl die bij de 40-procents oplossing bijna is gehalveerd tot 3,2 millimeter.

“Een ander voordeel is dat je met deze TBAB-slurry heel makkelijk koude kan opslaan. Je kan deze hydraten in oplossing maken en vervolgens laten staan voor later gebruik”, zegt De Sera. “Je kan dus makkelijk en goedkoop ‘s nachts deze koude opwekken, om hem de volgende dag te gebruiken.”

Bij het gebruik van slurries bestaat het gevaar dat de hydraten gaan klonteren, of aankoeken, waardoor het geheel dichtslibt. Om dit te voorkomen wordt in de testopstelling in het laboratorium gebruik gemaakt van twee koelers, waarbij de ene koeler een iets hogere temperatuur aanhoudt dan de andere. “In die warmere koeler smelten we de hydraten weer een beetje.” Uiteraard heeft een slurry andere fysische eigenschappen dan water. Dat blijkt bijvoorbeeld ook door de grote drukval die optreedt als de hydraten in de oplossing stollen. “Maar dit kan worden ondervangen door de hogere capaciteit van de slurry”, zegt De Sera. “En ondanks de hogere viscositeit blijft de slurry goed pompbaar. We hebben in onze opstelling zelfs flink wat bochtjes en t-stukken en die leveren geen problemen op.”

Er zijn meer fysische verschillen met water. Zo blijkt bij de generatie van slurry de warmteoverdrachtscoëfficiënt voor de slurry lager te liggen dan bij water. Dat betekent dat de generatorwarmtewisselaar groter moet zijn dan bij water als koudemiddel. “In geval van een standaard koelcyclus moet de verdamper een stukje groter zijn, en daarin is meegerekend dat je dankzij de hogere capaciteit minder slurry nodig hebt dan water”, zegt De Sera. De warmteoverdrachtscoëfficiënt bij het smelten van de slurry, dus bij de toepassing in het gebouw, ligt veel dichter bij die van water, dus daar kan de warmtewisselaar ongeveer even groot blijven.

Dat een TBAB-slurry koelsysteem kan werken is bewezen aan de andere kant van de wereld. In de Thaise hoofdstad Bangkok wordt sinds begin 2013 een kantoorgebouw met een vloeroppervlak van 28.800 vierkante meter gekoeld met TBAB-slurry, die door het bedrijf Japanse bedrijf JFE Engineering op de markt wordt gebracht onder de naam Neo White. Zover is het in Nederland nog lang niet. Ja, er staat een slurrygenerator in het laboratorium, maar die is niet aangesloten op een warmtewisselaar in een gebouw.

Die situatie is overigens al wel gesimuleerd, in de computer, door student Hicham Zak, die binnenkort op het onderwerp in Delft afstudeert. Hij liet berekeningen los op een fictief kantoorgebouw met 1920 vierkante meter vloeroppervlak gedurende tien hypothetische dagen in juli. Hij vergeleek koeling met water met koeling met TBAB-slurry op verschillende temperaturen (beide systemen met propaan als koudemiddel in het primaire systeem). Zijn conclusies liegen er niet om. Het ‘watersysteem’ dat werkte met een verdampingstemperatuur van 2 graden lag op een COP van 3.15. Met een TBAB-slurry in combinatie van een verdampingstemperatuur van 7 graden en gebruikmakend van nachtelijke hydraatgeneratie, ligt de COP op 7.04. Dit ondanks dat de pompen veel meer vermogen vragen om de dikkere slurry rond te pompen.

De presentaties bij de TU Delft waren zeer zeker bedoeld om de interesse te wekken van avontuurlijke installateurs. Zij zijn nodig om de techniek naar een hoger plan te tillen. Uiteraard zijn hier innovatiesubsidies voor beschikbaar. Vanuit Europa is er voor innovatie en ontwikkeling de komende zeven jaar 80 miljard euro vrijgemaakt. En anders dan bij het vorige subsidieprogramma, FP7, stelt de Europese Commissie nu heel duidelijk dat betrokkenheid vanuit het MKB (installateurs!) de kans op toekenning veel groter maakt.

Of deze techniek gaat aanslaan in de sector? Harry Schmitz, werkzaam bij OC Autarkis, heeft zijn bedenkingen. Zijn bedrijf levert PCM-plafonds, die toepassing vinden in onder meer datacentra en kantoren. “Ben ik onder de indruk van slurries ? Ja en nee”, zo laat hij aan GAWALO weten. “Zolang we klimaatinstallaties blijven bouwen met een koelwatertraject van 6 tot 12 graden met binnentemperaturen van 20 tot en met 23 graden, kunnen slurries concurrerend worden. Gaan we echter naar adaptieve hogere binnentemperaturen toe van maximaal 26 a 27 graden in de zomer, dan denk ik dat de huidige generatie slurries geen schijn van kans hebben.”

Schmitz verwijst naar NEN-EN 15251, waarin gesproken wordt over adaptieve binnentemperaturen. De maximale binnentemperatuur ’s zomers bedraagt daarin 26 graden met overschrijdingsuren 27 graden. “Nu heb ik begrepen dat TBAB een smelttemperatuur heeft van 6 a 7 graden. Maar m et die hogere temperaturen uit de NEN-EN 15251 ga je naar koelwatertemperaturen van 16 tot 19 graden. Dan hoeft de koelmachine niet meer diep door te koelen naar 6 graden Celsius maar nog maar naar 16 graden. De COP-waarde van de compressiekoeling verbetert daarmee enorm.”

Verschenen in Gawalo nov/dec 2014

Kunststof gasleidingen in de meterkast moeten voortaan voorzien worden van een beschermende mantelbuis. Deze maatregel is een eerste resultaat van het overleg tussen betrokken instanties na  een heftige meterkastbrand in een woning in Maassluis deze zomer. Over bestaande installaties is echter nog geen besluit genomen.

De nieuwe maatregel zal in december worden opgenomen in de praktijkrichtlijn NPR 3378-5 en NPR 3378-6, die de aanleg van gasleidingen na de gasmeter beschrijft. Volgens normeninstituut NEN betekent dit dat installateurs naar alle waarschijnlijkheid vanaf januari volgens het nieuwe voorschrift moeten werken.

Directe aanleiding voor de herziening van NPR 3378 is een meterkastbrand op 11 augustus in een nieuwbouwwoning (oplevering 2008) in de buurt Het Hoge Licht in Maassluis. Veiligheidsregio Rotterdam-Rijnmond onderzocht het gevaarlijke incident en maakte een reconstructie.

De brand ontstond door een slecht functionerende aardlekschakelaar, waardoor er plaatselijk een hoge weerstand was, wat weer zorgde voor oververhitting, waarna de groepenkast vlam vatte. Brandende delen uit de groepenkast vielen vervolgens op de kunststof PE-X-binnenleiding ( in dit geval van het merk Rehau Rautitan gas flex). Deze smolt, gas ontsnapte en vatte vlam.

Uitschuifbare mantel

Door de hitte zakten uiteindelijk ook de PVC-buitenmantel en de kunststof zegelkap van de aansluitleiding voor de gasmeter naar beneden, waardoor de PE-binnenleiding bloot kwam te liggen. Dit kon gebeuren doordat het een uitschuifbare mantel betrof, waardoor de buis makkelijker op maat te maken is. De strip die het uitgeschoven deel op zijn plek moest houden werd door de brandweer niet terug gevonden. In de PE-binnenleiding ontstonden twee gaten van ongeveer een centimeter doorsnede, waaruit het gas onder grote druk ontsnapte. Vanaf dit moment was er een groot risico op een gasexplosie. De brandweer wist echter op tijd het vuur te blussen en de gasleiding provisorisch met tape dicht te plakken.

Deze brand staat niet op zichzelf, melden de onderzoekers van Veiligheidsregio Rotterdam-Rijnmond in het rapport. Vorig jaar vond er in dezelfde veiligheidsregio in het dorp Rhoon een soortgelijke brand plaats. En “ook elders in het land zijn hiervan voorbeelden bekend”, zo stellen zij.

De installatie was aangelegd volgens de richtlijn NPR 3378-5. Hierin staat namelijk dat PE-X ‘bereikbaar weggewerkt’ moet zijn, in de grond verwerkt of weggewerkt in vloer, muur of onbereikbare ruimte, waarbij een vrij liggende leiding in een mantelbuis wordt beschouwd als een ‘weggewerkte bereikbare leiding’. Maar dit wegwerkvoorschrift geldt niet voor de meterkast.  “In de meterruimte mag de [PE-X, red.] buis in het zicht liggen en behoeft niet te zijn voorzien van een mantelbuis”.

Veiligheidsregio Rotterdam-Rijnmond vindt dit onacceptabel. “De praktijkrichtlijn houdt met deze uitzondering onvoldoende rekening met een brand die in de meterkast zelf ontstaat.”

Op 6 november kwamen de betrokken normcommissies, Netbeheer Nederland, Kiwa, Uneto-VNI en Brandweer Nederland samen om het geval te bespreken. Uitkomst is een bemanteling van de PE-X (of Multilayer) binnenleidingen in de meterkast. De partijen hebben ook afgesproken de zaak wat breder te gaan onderzoeken, waarbij “de risico’s voor en achter de meter in kaart worden gebracht”, aldus Arie de Jong, clustermanager Gas & Water bij NEN. “Dan nemen we echt alles mee.” Precieze data en onderzoeksvragen hebben de partijen echter nog niet vastgesteld.

Nieuwe gevallen

Volgens De Jong geldt de nieuwe richtlijn in eerste instantie alleen voor nieuwe gevallen. “Over bestaande gevallen hebben we nog geen ei gelegd.” Wat daarbij speelt zijn voornamelijk twee zaken. Ten eerste is het duur om een bestaande leiding een mantel wikkelen. “In nieuwe installaties zijn de meerkosten daarentegen verwaarloosbaar.” Een tweede probleem is dat NEN liever geen specifieke fabrikanten van brandwerend materiaal wil aanprijzen. De Jong: “We moeten het zo omschrijven dat niemand zich buitengesloten voelt.”

De Jong wil benadrukken dat mensen met een kunststof gasleidinginstallatie zich niet ineens veel zorgen hoeven te maken. “Het risico is beperkt. Dit is echt geen tikkende tijdbom. Ik kan me wel voorstellen dat het bewoners oplossingen willen zien.”

In de meterkast is de woningeigenaar verantwoordelijk voor de installatie achter de meter. De verantwoordelijkheid van de meter zelf en de aansluitleiding tot de meter ligt bij de netbeheerder. Ook netbeheerders mogen werken met kunststof leidingen. Zij werken met PE leidingen, maar die moeten wel voorzien zijn van een mantelbuis, die “in verreweg de meeste gevallen van PVC is gemaakt”, laat Martijn Boelhouwer van Netbeheer Nederland weten.

Kunststof gasleidingen zijn toegestaan vanaf 2001. Sinds die tijd zijn ruim 700.000 nieuwbouwwoningen opgeleverd. Op verzoek van Gawalo vroeg Netbeheer Nederland aan de netbeheerders het aantal woningen met kunststof gasaansluitingen. Bij elkaar gaat het om 263.653 stuks, zo blijkt.

Hoeveel woningen voorzien zijn van een kunststof binnenleiding is niet te achterhalen. Dick Reijman van Uneto-VNI: “Het is lastig om een indicatie te geven van het aantal kunststofleidingen in de meterkast, maar het zal al snel gaan om circa een half miljoen woningen. Kunststofleidingen zijn momenteel het meest gangbaar, maar percentages zijn lastig te geven.” Uneto-VNI laat verder weten achter de eerste uitkomsten van het overleg te staan.

Gepubliceerd in GAWALO 2012

In Duitsland loopt sinds ruim een jaar een grootschalige proef met een virtuele wkk-centrale: honderden micro-wkk’s bij particulieren die centraal aangestuurd kunnen worden, op momenten bijvoorbeeld dat door bewolking of windstilte lokaal geen duurzame energie voorhanden is. De recente aankondiging dat GasTerra en IT-bedrijf Oracle gaan samenwerken, kan een voorbode zijn van soortgelijke experimenten in Nederland.

Wellicht vonden de heren Eddie Jonker, IT program manager bij GasTerra, en Bastian Fischer, directeur van Oracle Utilities, elkaar bij de grote smart grid conferentie in oktober in Londen.

En waarom klikte het? Omdat GasTerra graag gas wil blijven verkopen en zich dus enthousiast op de markt van de micro-wkk’s stort (brandstofcel of conventionele HRe, dat moet nog blijken). En omdat Bastian Fischer bekend staat als ‘smart grid’-goeroe, die geen mogelijkheid onbenut laat om zijn geloof in slimme netten uit te dragen.

In het persbericht van Oracle wordt overigens geen gewag gemaakt van slimme netten, maar alleen over de ‘integratie  van de hele gasinfrastructuur in één systeem’. Tja, dat geloof ik wel. Verhoogde efficiëntie, beter overzicht, en dus beter kunnen inspelen op vraag en aanbod in de markt en minder fouten bij facturering. Maar in het oog springende nieuwigheden, daar hoop ik ook een beetje op.