Hernieuwbare energieproductie is vrijwel geheel gericht op de generatie van elektriciteit. Maar we hebben meer energie nodig in de vorm van warmte, en die kunnen zonnepanelen en windturbines slechts indirect en relatief inefficiënt produceren.

Zonneboilers slaan de conversie naar elektriciteit over en leveren hernieuwbare warmte op een directe manier, zonder energieverliezen. Veel minder bekend is dat “warmtemolens” hetzelfde kunnen doen in een winderig klimaat: ze zetten hernieuwbare energie direct om in warmte, zonder dat er elektriciteit aan te pas komt.

Warmte versus elektriciteit

Thermische energie wordt gebruikt voor heel wat industriële processen en voor het verwarmen van water en gebouwen. Globaal gezien is de vraag naar warmte ongeveer een derde van de totale primaire energieproductie, terwijl de vraag naar elektriciteit slechts een vijfde bedraagt. ¹ In gematigde of koude gebieden ligt het aandeel thermische energie nog een stuk hoger.

Bijvoorbeeld in Nederland is warmte goed voor 38-57% van het primaire energieverbruik, afhankelijk van de weersomstandigheden en de berekeningsmethode. Meer dan zestig procent daarvan betreft temperaturen beneden de 100 graden celsius. ²³ Kijken we alleen naar het huishoudelijk energieverbruik in Nederland, dan loopt het aandeel van warmte op tot ongeveer 75% van het totaal. ⁴

Ondanks het enorme belang van warmte in de totale energievraag speelt het gebruik van hernieuwbare energiebronnen nauwelijks een rol. De belangrijkste uitzondering op globaal niveau is het traditionele gebruik van biomassa voor koken en verwarming – maar in geïndustrialiseerde landen wordt zelfs biomassa meestal ingezet voor de productie van elektriciteit in plaats van warmte.

Directe versus indirecte warmteproductie

Elektriciteit geproduceerd door windturbines, zonnepanelen of biomassacentrales kan worden omgezet naar warmte op een indirecte manier, door het gebruik van een elektrisch verwarmingstoestel, een elektrische boiler of een elektrische warmtepomp. Het resultaat is warmte opgewekt door windenergie, zonne-energie, of biomassa.

Zon en wind kunnen echter ook op een directe manier in warmte worden omgezet, zonder dat er eerst elektriciteit moet worden geproduceerd – en hetzelfde geldt uiteraard voor biomassa. Dat is goedkoper, efficiënter en duurzamer dan indirecte warmteproductie.

Warmteproductie is goedkoper als wind- of zonne-energie niet eerst in elektriciteit wordt omgezet.

Het directe alternatief voor het photovoltaïsche zonnepaneel is de thermische zonnecollector, een technologie die dateert uit de negentiende eeuw. Het bekendste en in dit verhaal meest relevante voorbeeld is de zonneboiler, die een zeer hoog rendement heeft. Een zonneboiler produceert warmte met een efficiëntie die twee tot drie keer hoger is dan wanneer zonne-energie eerst in elektriciteit wordt omgezet. Geen enkele andere hernieuwbare energiebron levert zoveel energie per vierkante meter oppervlak. ⁵

Het directe alternatief voor windturbines dat iedereen kent is de ouderwetse windmolen, die tenminste tweeduizend jaar oud is. De traditionele windmolen brengt de kinetische energie van de wieken rechtstreeks over naar de as van een machine, bijvoorbeeld voor het zagen van hout of het malen van graan. Maar een mechanische windmolen kan ook op een directe manier warmte produceren – al weet bijna niemand dat. Zelfs het Internationaal Energie Agentschap neemt de technologie niet op in haar overzicht van methodes voor warmteproductie. ¹

Hoe werkt een warmtemolen?

De “warmtemolen” zet de kinetische energie van de wieken direct om in warmte door het opwekken van wrijving in water. In zijn oorspronkelijke vorm maakt de warmtemolen daarbij gebruik van een zogenaamde “waterrem” of “Joule machine”. ⁶⁷⁸

In essentie is een warmtemolen een door de wind aangedreven mixer (de waterrem) in een goed geïsoleerde opslagtank gevuld met water. Door de wrijving tussen de moleculen van het water wordt mechanische energie rechstreeks omgezet in thermische energie. Het warme water kan dan door het huis worden gepompt voor centrale verwarming en voor de productie van warm water.

De joule machine werd oorspronkelijk bedacht als een meetinstrument. James Joule bouwde het in de jaren 1840 voor zijn beroemde meting van het mechanische equivalent van warmte: één calorie komt overeen met de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 kubieke centimeter water met 1 graad celsius op te warmen. ⁹

In essentie is een warmtemolen een door de wind aangedreven mixer (de waterrem) in een goed geïsoleerde opslagtank gevuld met water

Het meest fascinerende aan de warmtemolen is dat hij in principe honderden of zelfs duizenden jaren geleden had kunnen worden gebouwd. De technologie vereist heel eenvoudige materialen: hout en/of metaal.

Maar hoewel het mogelijk is dat de warmtemolen al eerder werd gebruikt, duikt de eerste referentie naar de technologie pas op in de jaren 1970 tijdens de oliecrisis, met name in Denemarken. ⁶ De Denen waren in grote mate afhankelijk van ingevoerde olie voor verwarming, zodat de verstoring van de toevoer heel wat gezinnen in de kou zette.

Omdat Denemarken toen al een sterke cultuur kende voor de zelfbouw van elektriciteit producerende windturbines op boerderijen, begonnen de Denen windmolens in te zetten voor warmteproductie. Een deel van die installaties volgde het indirecte pad van warmteproductie: elektriciteit van een windturbine werd omgezet naar warmte door middel van een elektrische verwarming. Maar een aantal knutselaars ontwikkelde warmtemolens.

Goedkoper en efficiënter

Directe warmte produceren is goedkoper, duurzamer en efficiënter dan het omzetten van door wind of zon geproduceerde elektriciteit in warmte door middel van elektrische verwarmingstechnologie. Daar zijn twee redenen voor. Ten eerste zijn warmtemolens minder complex dan windturbines. De productie en installatie ervan vraagt dus minder kapitaal en minder energie en grondstoffen, terwijl hun levensduur toeneemt.

De kost van thermische energieopslag ligt 60-70% lager dan de kost van elektrische energieopslag.

Er is geen nood aan een elektrische generator, een transformator of een versnellingsbak. Dat bespaart niet alleen kapitaal en energie maar ook gewicht, zodat de toren minder stevig moet worden gebouwd. De kost van thermische energieopslag ligt bovendien 60-70% lager dan de kost van chemische batterijen. ¹⁰ Ten tweede kan het direct omzetten van wind in warmte energie-efficiënter zijn dan wanneer de energie eerst naar elektriciteit wordt omgezet in een generator. Dat betekent dat er minder zonne- en windcentrales nodig zijn om een bepaalde hoeveelheid warmte te leveren.

De warmtemolen adresseert dus de belangrijkste nadelen van hernieuwbare energiebronnen: enerzijds hun lage vermogensdichtheid en anderzijds hun onvoorspelbare output. Warmteopslag is in tegenstelling tot elektriciteitsopslag een haalbare kaart met bestaande technologie, en de hogere efficiëntie van de energieproductie maakt dat er twee tot drie keer minder windmolens (en dus plaats en grondstoffen) nodig zijn om een bepaalde hoeveelheid warmte te leveren.

Directe warmteproductie maakt ook het gebruik van kleinere windmolens aantrekkelijker. Uit tests is gebleken dat kleine, elektriciteit producerende windturbines erg inefficiënt zijn en niet altijd evenveel energie opleveren dan de productie ervan heeft gekost. Worden ze evenwel ingezet voor directe warmteproductie, dan neemt de ingebedde energie af terwijl de efficiëntie, de energieopbrengst en de levensduur toenemen.

Tests van Deense warmtemolens

De Deense warmtemolen uit de jaren zeventig van de twintigste eeuw was een relatief kleine machine, met een rotordiameter van ongeveer zes meter en een hoogte van ongeveer twaalf meter. In de jaren tachtig werden grotere warmtemolens gebouwd. De meeste molens maakten gebruik van houten wieken. In totaal zijn er tenminste een dozijn verschillende molens gedocumenteerd, zowel zelfbouw als commerciële modellen. Er werd in de meeste gevallen gebruik gemaakt van tweedehands auto-onderdelen en andere afgedankte materialen. ^{6 11}

De Calorius type 37 – een relatief kleine molen met een rotordiameter van 5 meter en een hoogte van 9 meter – werd als enige warmtemolen officieel getest en produceerde 3.5 kilowatt warmte bij een windsnelheid van 11 meter per seconde (6 Beaufort). Van 1993 tot 2000 bouwde de Deense firma Westrup in totaal 34 warmtemolens die op dit ontwerp waren gebaseerd, en in 2012 waren daar nog 17 van in gebruik. ⁶

Een veel grotere warmtemolen (7,5m rotordiameter, 17m hoog) werd in 1982 gebouwd door de gebroeders Svaneborg, en verwarmde het huis van een van de broers (de andere koos voor een windturbine en elektrische verwarming). De machine produceerde tot 8 kilowatt warmte volgens niet-officiële metingen. ⁶

Later in de jaren 1980 bouwde Knud Berthou de meest geavanceerde warmtemolen tot op de dag van vandaag: de LO-FA. In andere molens gebeurde de warmteproductie aan de voet van de toren – er was een mechanische verbinding van de rotor naar de waterrem beneden. Maar in de LO-FA werd alle mechaniek voor de energieomzetting naar de top van de toren verhuisd. De onderste tien meter van de twintig meter hoge toren werden gevuld met 15.000 liter water in een geïsoleerd reservoir. Bijgevolg kon het warme water letterlijk uit de windmolen worden getapt. ⁶

In totaal zijn er tenminste een dozijn verschillende molens gedocumenteerd, zowel zelfbouw als commerciële modellen

De LO-FA was ook de grootste warmtemolen ooit gebouwd, met een rotordiameter van 12 meter. De warmteopbrengst van de molen werd geschat op 90 kilowatt bij een windsnelheid van 14 m/s (7 Beaufort). Dat lijkt overdreven veel in vergelijking met de andere warmtemolens, maar de energieopbrengst van een windmolen neemt meer dan evenredig toe met de rotordiameter en de windsnelheid. Bovendien was de wrijvingsvloeistof in de waterrem geen water maar hydraulische olie, die tot een veel hogere temperatuur kan worden opgewarmd. De warmte van de olie werd vervolgens via een warmtewisselaar naar het waterreservoir overgebracht. ⁶

Hernieuwde interesse in de warmtemolen

De interesse in warmtemolens herleefde een aantal jaren geleden – al gaat het voorlopig slechts om een handvol wetenschappelijke artikels. In een studie uit 2011 schrijven Duitse en Britse wetenschappers dat “afgelegen huishoudens in noordelijke regio’s eerder thermische energie vragen dan elektriciteit, en dat daarom de windmolens in deze streek geen elektriciteit maar warmte moeten leveren”. ⁷

De onderzoekers leggen de werking van de warmtemolen uit en berekenen ook de optimale prestaties van de technologie: rotatiesnelheid en koppel van zowel windrotor als waterrem moeten overeenkomen om de maximale efficiëntie te bereiken. Bijvoorbeeld, voor de kleine Savonius windmolen (0,5 m rotor diameter, 2 meter hoog) die de onderzoekers als model gebruiken, werd uitgerekend dat de diameter van het schoepenrad 0.388m moet zijn.

De onderzoekers voeren vervolgens simulaties uit bij verschillende windsnelheden over een periode van vijftig uur. Hoewel de Savonius windmolen door zijn lage snelheid niet erg geschikt is voor de productie van elektriciteit, blijkt het wel een uitstekende producent van warmte te zijn. De erg kleine windmolen produceert tot 1 kilowatt warmte bij een windsnelheid van 15 m/s (7 Beaufort). [7] Een studie uit 2013 die gebruik maakt van een prototype, berekent de efficientie van het systeem op 91%. ⁸

Het stormt niet altijd, en dus is de gemiddelde windsnelheid van minstens even groot belang. Een studie uit 2015 onderzoekt de mogelijkheden van warmtemolens in Litouwen, een klein en koud Baltisch land dat afhankelijk is van dure ingevoerde fossiele brandstoffen voor de productie van warmte. ¹²

De onderzoekers berekenen dat bij de gemiddelde windsnelheid in het land (4 m/s of 3 Beaufort), de opwekking van 1 kW warmte een windmolen vereist met een rotor diameter van 8.2 meter. Ze vergelijken dit met de warmtevraag van een energie-efficiënt nieuw gebouw verwarmd volgens de huidige comfortnormen, en concluderen dat een warmtemolen 40-75% van de warmtevraag kan dekken, afhankelijk van het energielabel van het gebouw.

Warmteopslag

Ook de gemiddelde windsnelheid wordt niet altijd gehaald, en dus heeft elke warmtemolen warmteopslag nodig – zoniet is er alleen maar verwarming als het waait. Een kubieke meter water (1 ton, 1.000 liter) kan tot 90 kilowatt-uur warmte opslaan, wat ruwweg overeen komt met één tot twee dagen warmte voor een huishouden van vier personen.

Genoeg warmteopslag voor een week vereist dus zeven kubieke meter water in een goed geïsoleerd reservoir, echter zonder rekening te houden met warmteverliezen (“zelfontlading” van de warmtebatterij). De Deense warmtemolens beschikten daarom over reservoirs van 10.000 tot 20.000 liter water. ⁶¹¹

De combinatie van zonneboiler en warmtemolen verkleint de nood aan energieopslag.

Een warmtemolen kan ook worden gecombineerd met een zonneboiler, die gebruik maakt van hetzelfde opslagsysteem. In dit geval wordt het mogelijk om een relatief betrouwbare warmte-installatie te bouwen zonder een al te grote opslagtank, omdat de kansen op de directe warmtevoorziening toenemen.

Het nut van alleen maar een zonneboiler is in onze streken relatief beperkt. Er is veel meer zonne-energie beschikbaar tijdens de zomer, terwijl de winter de grootste vraag naar warmte kent. De warmtemolen en de zonneboiler zijn dus complementaire technologieën in gebieden met een wisselvallig klimaat.

De mechanische warmtepomp

De meest recente en uitgebreide studies over warmtemolens (2016, 2018) vergelijken verschillende vormen van directe warmteproductie met verschillende vormen van indirecte warmteproductie voor temperaturen beneden de honderd graden. In dit geval maken de warmtemolens niet langer gebruik van een joule machine: dit nieuwer type warmtemolen produceert warmte met een mechanische warmtepomp of een hydrodynamische “motorrem” of “uitlaatrem”. ¹¹³

Een mechanische warmtepomp is simpelweg een warmtepomp zonder elektrische motor – in plaats daarvan is de rotor van de windmolen rechtstreeks verbonden met de compressor(en) van de warmtepomp. Er vindt dus een energieconversie minder plaats, en dat bespaart ruim 10% energie in vergelijking met de combinatie windturbine en elektrische warmtepomp. De hydrodynamische motorrem wordt beschouwd als een onontwikkelde technologie voor verwarming, maar ze wordt op grote schaal toegepast als extra remsysteem in zware voertuigen.

Directe-indirecte-warmteproductie

Net zoals een joule machine zet een hydrodynamische motorrem kinetische energie om in warmte zonder de tussenkomst van elektriciteit, en kan ze een temperatuur tot honderd graden behalen. De motorrem en de mechanische warmtepomp hebben dezelfde voordelen als de joule machine, in de zin dat ze een stuk lichter, kleiner, en goedkoper zijn dan een elektrische generator. Wel is er in dit geval een versnellingsbak nodig omdat deze machines een hogere rotatiesnelheid vereisen.

De studie vergelijkt warmtemolens gebaseerd op een motorrem en een mechanische warmtepomp met indirecte warmteproductie door middel van een elektrische boilers en een elektrische warmtepomp. Ze vergelijkt deze vier benaderingen voor drie verschillende schaalgroottes: een kleine windmolen gericht op het verwarmen van een autonoom huishouden, een grote windmolen voor het verwarmen van een dorp, en een windmolenpark voor het verwarmen van een kleine stad. De vier verwarmingsconcepten worden gerangschikt op basis van hun jaarlijks kapitaalkosten en operationele kosten, gebaseerd op een levensduur van twintig jaar.

Over de hele levensduur beschouwd is de combinatie van warmtemolen en mechanische warmtepomp goedkoper dan een gasboiler

Voor een “off the grid” huishouden is het direct koppelen van een mechanische windmolen aan een mechanische warmtepomp de goedkoopste optie, terwijl de combinatie van een elektrische windturbine met een elektrische boiler twee tot drie keer duurder is. Alle andere concepten zitten daar tussenin. De combinatie van warmtemolen en mechanische warmtepomp is even duur of goedkoper dan een gasboiler voor de typische prestaties van kleine windmolens, die over een periode van een jaar gemiddeld 12-22% van hun maximale vermogen leveren.

De indirecte weg, waarbij de elektriciteit van een kleine windturbine wordt gebruikt door een elektrische warmtepomp, vereist daarentegen een “capaciteitsfactor” van tenminste 30% om in prijs te kunnen concurreren met een gasboiler, en dat is weinig realistisch in de meeste omstandigheden.

Decentrale warmteproductie

Ook voor grotere systemen is de combinatie van mechanische windmolen en mechanische warmtepomp de goedkoopste optie – maar grotere systemen hebben ongeveer drie keer lagere investeringskosten dankzij de voordelen van schaalgrootte. Grotere windmolens hebben een hogere capaciteitsfactor (16-40%) dan kleine windmolens, en het resultaat is dat nog grotere kostenbesparingen kunnen worden gerealiseerd.

Maar grotere systemen hebben ook een nadeel. Het opslaan van warmte mag dan efficiënter zijn dan het opslaan van elektriciteit, maar het transport van warmte is minder efficient dan het transport van elektriciteit.

De wetenschappers berekenen de transportverliezen voor de combinatie van mechanische windmolens en mechanische warmtepompen en concluderen dat de maximum afstand die kostenefficient kan worden overbrugd onder optimale windomstandigheden 50 km bedraagt. ^{1 13}

De warmtemolen is dus per definitie het best geschikt voor decentrale energieproductie, waarbij warmte wordt geleverd aan een enkel huishouden of –.optimaal – aan een gemeenschap of een industrieterrein. Van zodra het systeem groter wordt, moet energie in de vorm van elektriciteit worden getransporteerd, en dan heeft het direct opwekken van warmte geen zin meer.

Verblind door elektriciteit

Warmtemolens worden ook onderzocht voor de productie van hernieuwbare elektriciteit, hoofdzakelijk omdat ze in vergelijking met batterijen een veel goedkopere en ook duurzamere oplossing bieden voor de opslag van de opgewekte energie. In deze systemen wordt warmteproductie niet als doel gezien, maar als middel voor elektriciteitsproductie. Daarbij wordt gebruik gemaakt van een stoomturbine. Het opslagsysteem is identiek aan dat van een thermische zonnecentrale, maar de zonnecollectoren zijn vervangen door warmtemolens. ¹⁴

Omdat er hogere temperaturen nodig zijn om efficient elektriciteit te produceren met een stoomturbine, gebruiken deze systemen geen Joule machine of hydrodyamische motorrem, maar een ander type voertuigrem die temperaturen haalt van 600 graden celsius (de “eddy current heater”). Maar hoewel deze technologie wel degelijk geld en energie kan besparen in vergelijking met energieopslag in elektrische batterijen, is ze aanzienlijk duurder en minder duurzaam dan het gebruik van warmtemolens voor een directe warmteproductie.

Het omzetten van opgeslagen warmte in elektriciteit is hooguit 30% efficient, wat betekent dat twee derde van de windenergie verloren gaat. Directe warmteproductie maakt het dus mogelijk om drie zoveel CO2 en fossiele brandstoffen te besparen met evenveel windmolens, die bovendien goedkoper en duurzamer te bouwen zijn. Bovendien kan de eddy current heater ook worden ingezet voor het produceren van directe warmte met hogere temperaturen, zodat het potentieel van de warmtemolen in de industrie nog groter wordt.

Bronnen: