Den ser ut som en sølvfarget kontainer med et lite, rundt vindu på siden. Inn og ut av innretningen går det flere rør. Gjennom dette systemet fraktes varme inn – og etter hvert, ut igjen.
“Kontaineren” gjør det mulig å lagre energi på varme, solrike eller vindfulle dager – og henter den ut igjen på kalde. Teknologien bak løsningen baserer seg på det som kalles faseendringsmaterialer i kombinasjon med varmepumper.
Men energikilden kan være hva som helst; strøm fra solceller, spillvarme fra en fabrikk eller overskuddsenergi fra en vindturbin. Her, i ZEB-laboratoriet (Zero Emission Building) til SINTEF og NTNU, kommer energien som lagres fra solceller som dekker det meste av byggets tak og sørside.
Verdens vanligste faseendringsmateriale er vann
Men hva er så et faseendringsmateriale? Forskningsleder Alexis Sevault i SINTEF Energi forklarer:
I sin enkleste og mest kjente form er et faseendringsmateriale vann. Fordi vann kan bli til iskrystaller om det kaldere enn 0 grader celsius, blir flytende når temperaturen bikker opp, og endrer seg til damp når temperaturen nærmer seg 100. Vannet har altså evnen til å oppføre seg ulikt i ulike faser, og lagrer varme når det eksisterer i flytende form.
Alexis Sevault foran anlegget som fungerer som et biologisk varmelager. Foto: Karoline Ravndal Lorentzen
På “forskermunne” kalles slike materialer, som oppfører seg ulikt i ulike faser og som kan lagre varme, PCM; phase changing materials.
Det er flere faseendringsmaterialer som lagrer varme i flytende tilstand. Det som gjør dette interessant, og ikke minst praktisk i denne sammenhengen, er altså at de har et smeltepunkt som ikke er null.
Smelter på 37 grader celcius
På grunn av denne egenskapen, kan faseendringsmaterialer utnyttes som en “varmebank” – eller batteri om du vil. Den store sølvfargede boksen som er en del av ZEB-laboratoriet, inneholder et faseendringsmateriale som smelter ved kroppstemperatur.
– På innsida flyter 3 tonn biovoks, basert på en vegetabilsk olje som ikke egner seg til mat. I likhet med vann som blir til is, går voksen over til fast krystall-liknende form når den blir kaldt nok. For denne voksen er “kulde” temperaturer under 37 grader, sier SINTEF-forskeren og legger til:
– Men det finnes andre typer biovoks med ulike smeltetemperaturer, og det åpner for mange lignende bruksområder.
Fakta om biobatteriet:
Selve varmelagringskontaineren består av 90 prosent PCM. I tillegg inneholder den en varmeveksler som gjør det mulig å hente ut varmen som er lagret. Dette skjer ved hjelp av 24 såkalte puteplater som avgir varmen til prosessvannet som er energibæreren som tar varmen ut av lageret. Kombinasjonen med PCM og platene gjør at varmelager-konseptet er både kompakt og effektivt
Smarte molekyler
Tar vi en titt på innsiden av materialet, finner vi molekyler som oppfører seg svært økonomisk når det gjelder varme:
Materialets struktur gjør at molekylene henger tett sammen når materialet befinner seg i den faste fasen. Dette gjør de for å spare energi. De klynger seg rett og slett til hverandre og sitter i ro, ikke ulikt en gjeng forfrosne pingviner.
Når materialet smeltes, løses bindingene opp – og molekylene begynner praktisk talt å bevege seg. Energien blir det som kalles kinetisk. Jo mer varme som tilføres fra omgivelsene jo mer vibrerer molekylene, før de til slutt slipper bindingene til hverandre og kan vibrere fritt. Da har materialet endret fase – det har blitt flytende.
Og motsatt – når voksen går fra flytende til fast form vil molekylene slippe ut en stor del av den kinetiske energien til omgivelsene. De slutter å vibrere. Molekylene klynger seg igjen til hverandre for å spare energi – og blir til fast form, eller fast fase om du vil.
Dette skjer med molekylene i et PCM-materiale som brukes til varmelagring. Illustrasjon: Doghouse/Knut Gangåssæther.
Du har sikkert lagt merke til at akkurat det samme skjer med et stearinlys av voks eller parafin som blir glemt i et stuevindu når sola steker ute.
Bio-basert og vedlikeholdsfritt system
Det er altså denne effekten forskerne tar i bruk i den sølvfargede kontaineren. Energien som samles på solcellepanelene utenfor, ledes via en varmepumpe inn til det store “batteriet”. Og her danser molekylene fritt – fulle av energi i sin flytende form.
Når det blir behov for å hente ut energien, er det vann (i flytende form) som har jobben som “den praktiske energibæreren”: Kaldt vann sendes først gjennom varmelageret, og etter et kort opphold der kommer vannet ut igjen i oppvarmet versjon – før det setter kurs for radiatorene og ventilasjonsanlegget, det siste som oppvarmet luft, i bygget.
- Les mer om puteplater som varmeveksler her.
Godt fungerende løsning
Teknologien har nå vært i bruk som en del av oppvarmingssystemet i ZEB-laboratoriet i over et år.
Her i ZEB-laben til NTNU og SINTEF er det energi fra laboratoriets solcellanlegg som lagres som varme i “biobatteriet”. Energien skal varme opp bygget når det blir kaldere i været og sola ikke skinner. Foto: SINTEF
– Det PCM-baserte varmelageret leverer så god ytelse som ventet. Vi bruker så mye energi som mulig fra egenprodusert solenergi. I tillegg ser vi at denne løsningen er svært godt egnet til såkalt “peak shaving”:
Med å lade biobatteriet i forkant av de kaldeste timene på dagen, unngår bygningen å spise opp verdifull nettkapasitet mens resten av byen også har stort behov for strøm samtidig. Dette gir oss en fleksibilitet som også kan brukes til å utnytte svingninger i spotprisen – vi kan lade batteriet vårt når vi har tilgang på energi fra sol, spillvarme og vind, og hente ut effekten når strømprisen er høy forklarer SINTEF-forskeren.
I tillegg har det første året med drift gitt oss mengder med data som vi nå skal bruke til å optimalisere både designet på løsningen og hvordan vi bruker den for å få mest mulig effekt ut av systemet.
Egner seg best i industrien
Løsningen er altså langt mindre sofistikert enn batterier. Men den egner seg ikke for alle bygg: Investeringskostnadene er fremdeles høye fordi dette er ny teknologi. Ulempen er altså at den ikke er noe for “folk flest”. Foreløpig.
– Denne løsningen vil egne seg godt for industribygg, næringsbygg eller nabolag som kan dele på varmen. Og det beste er at dette er en teknologi som er nærmest vedlikeholdsfri. Det vil vare i minst 25 år, sier SINTEF-forskeren.
I tillegg jobber forskerne med smart styring, slik at effekten optimaliseres. Det betyr at systemet skal kommunisere med og styres etter omgivelsenes behov. I praksis betyr det at for eksempel værmeldinger og den varierende strømprisen vil få betydning for hvordan systemet utnyttes. Denne forskningen skjer i samarbeid med NTNU og er finansiert av FME-senter ZEN (Zero-Emission Neighbourhoods). Sammen med flere andre NTNU og SINTEF- institutter har forskerne etablert Gemini-senteret Termisk Energilagring.
Blir SINTEF-spinoff
Nå er forskerne som har utviklet “biobatteriet” – eller PCM-varmelageret på fagspråket, i ferd med å etablere et selskap som skal ta teknologien ut i markedet. Det skjer i samarbeid med SINTEFs eget støtteapparat for oppstartsselskap, SINTEF TTO.
– Etter flere måneder med testing i ZEB-laboratoriet ser vi for oss at vi trygt kan ta konseptet videre mot kommersialisering. Vi har også kommet i kontakt med flere sluttbrukere som er interessert i å få en pilot installert innen 2023-2024. Flere av disse er industriselskaper som kan gjøre det mulig å oppskalere konseptet, sier Alexis Sevault.
Fakta om ZEB-laboratoriet og PCM-varmelager:
ZEB-laboratoriet: Zero-emission building kontorbygg eid av NTNU og SINTEF, finansiert av NTNU, SINTEF, Forskningsrådet og ENOVA.
Laboratoriet inneholder følgende energiløsninger:
- Solenegianlegg: 180 kWp
- Lavvarme oppvarmingssystem basert på propan og luft-til-vann varmepumpe
PCM-varmelager:
- Varmelagringskapasitet: 200 kWh – som tilsvarer nok energi til å varme opp bygget i tre til fire dager i den kaldeste perioden av året.
- Inneholder tre tonn med biovoks-basert PCM som hr en smeltetemperatur på 37 grader celcius.
