Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Warmtemolens: Verwarm je huis met windenergie

Zon en wind kunnen op een directe manier in warmte worden omgezet, zonder dat er eerst elektriciteit moet worden geproduceerd. Dat is goedkoper, efficiënter en duurzamer dan indirecte warmteproductie.

image

Illustratie: Rona Binay voor Lowtech Magazine.

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

image

Prototypes van warmtemolens, gebouwd door Esra L. Sorensen in 1974. Foto door Claus Nybroe. Bron: 11

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.

image

Tekening van een verwarmingssysteem gebaseerd op een warmtemolen. Bron: 7

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.

image

Tekening: de warmtegenerator van een warmtemolen. Bron: 7

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.

image

Een warmtemolen met joule machine, gebouwd aan het Deense Instituut voor Landbouwtechnologie in 1974. Foto door Ricard Matzen. Bron: 11

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

image

Een Calorius warmtemolen die tot 4 kilowatt warmte produceert. Foto: Nordic Folkecenter, Denemarken.

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.

image

De warmteopbrengst van een kleine Savonius windmolen. Bron: 7

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

image

Een warmtemolen met een waterrem in de voet van de toren. De molen werd gebouwd door Jorgen Andersen in 1975 en stond in Serritslev. Foto door Claus Nybroe. Bron: 11

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.

image

Dezelfde windmolen als op de foto erboven, van onde bekeken. De as naar de waterrem is duidelijk zichtbaar. Bron: 6

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

image

Diverse vormen van warmteproductie onderzocht in studie 13.

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.

image

Water brake windmill developed by O. Helgason (left), water brake with variable load system (right). Images from “Test at very high wind speed of a windmill controlled by a water brake”, O. Helgason and A.S. Sigurdson, Science Institute, University of Iceland.” Bron: 6

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

image

Een “eddy current heater”. Bron: 8

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]when solar thermal is used for power production.

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.

Kris De Decker

Reacties

Marieke

Wederom interessant artikel, dank je wel, Kris! Ik hou nogal erg van multifunctionaliteit… Is het technisch mogelijk om warmtemolen en windmolen-voor-elektriciteit te combineren in één molen? En zo ja, is dat qua efficiëntie interessant?

Martin

Wat wordt ik toch altijd weer blij met al die artikelen in Lowtech magazine. Telkens gaat het weer bruisen wat nog meer mogelijk is samen met hetgeen in het gehele magazine is beschreven.

(Te) graag vertel ik erover aan mijn omgeving, die het met moeite kan behappen (kan aan mij liggen) binnen hun in het algemeen eenzijdige wereldbeeld, zoals over de energie transitie.

Begrijpende lezers en schrijvers moeten eigenlijk onze regeringen en werkgevers ongevraagd mogen informeren/adviseren tenminste voor het aangaan van onbevangen discussies over de onderwerpen.

Hoe krijgen we al die mensen nu zover dat ook zij eens gaan nadenken, wat de mogelijkheden zijn.

Lowtech magazine is voor hen al een brug te ver, als je alleen maar wilt zitten aan een ‘klimaat vergadertafel’.

Henk Hubert

Prachtig artikel. Helaas is het bij ons in Limburg maar minimale windkracht. Toch moeten we ons bezinnen op alternatieve energie die ook per huishouden wordt opgewekt. Niet meer afhankelijk zijn van multinationals die de prijzen maken en niet met het milieu bezig zijn.

Hubert Steyns

Hallo Kris,

Wederom een goed artikel hoe wij andere energiebronnen moeten gaan gebruiken om aan onze (basis)-behoefte te blijven voldoen. Geen technicus zijnde vraag ik me af of de z.g. Bosman wind-watermolentjes een bruikbare oplossing zouden zijn om warmte op te wekken volgens de directe methode.

Deze 5 tot 7 meter hoge molentjes hebben een capaciteit van 90m3/uur bij een opvoerhoogte van plm. 60cm bij een tandwielverhouding van 3:1 en 4 wieken met een directe overbrenging. Een groter exemplaar met een tandwielverhouding van 4:1 en 8 wieken zou wellicht een heel eind komen.

De firma Bakker in IJlst (Friesland) maakt deze wind-water molentjes sinds 1911 nog steeds en zij worden intens gebruikt om in natuurgebieden water niveaus op peil te houden.

Groet, Hubert.

Joris

Is er ooit bestudeerd of het interessant is om een warmtepomp aan te drijven door een windturbine? Warmtepompen hebben een efficiëntie van X3 of x4. Dan wordt het helemaal makkelijk om je huis te verwarmen met wind.

kris de decker

@ Marieke

Dat kan in principe, maar het lijkt me niet zo’n goed idee. Van zodra je de elektrische componenten weer introduceert, verlies je het voordeel van lagere investeringskosten. Als je zowel warmte als elektriciteit wil, lijkt de keuze voor een windturbine interessanter. Als de batterij vol is, wordt de door wind opgewekte elektriciteit gebruikt om water te verwarmen. Maar dan ga je wel een veel grotere windmolen moeten plaatsen, want deze aanpak is een stuk minder energie-efficiënt. Twee verschillende molens is ook een optie.

@ Hubert

Interessant, die molentjes lijken mij inderdaad prima geschikt voor warmteproductie.

Hier is de link trouwens: https://www.bosman-water.nl/nl/producten/pompinstallaties/b4-windwatermolen/

@ Joris

Zie het artikel. De combinatie van een mechanische windmolen met een mechanische warmtepomp is inderdaad een zeer effectief en duurzaam verwarmingssysteem.

Jij bedoelt een windturbine + elektrische warmtepomp, maar als je de elektrische generator uit de windturbine haalt, en de elektrische motor uit de warmtepomp haalt, dan heb je een nog veel goedkoper, efficiënter en duurzamer systeem.

kris de decker

@ Martin

Ik begrijp wat je bedoelt. Het probleem met de huidige klimaat- en energiediscussie is inderdaad dat er binnen een bepaald kader wordt gedacht, terwijl dat kader precies het probleem vormt.

Een wereldbeeld veranderen vraagt tijd en wie het probeert wordt in het beste geval genegeerd of belachelijk gemaakt. In het slechtste geval beland je op de brandstapel.

Het klassieke boek over dit thema is “The structure of scientific revolutions”, Thomas Kuhn, 1962.

Niek Vermeulen

Prachtig verhaal. Blijft de vraag waarom deze oude techniek niet doorzet. De overheid en installateurs willen iedereen aan de warmtepomp. Een ramp voor wie zijn huis niet optimaal heeft geïsoleerd. Het verhaal is dat je de energie met PV op je dak zelf kunt opwekken. Maar in de winter is het rendement van zonnepanelen belachelijk laag en de warmtevraag groot.

Accu’s dan? Die zijn vervuilend en voorlopig hooguit geschikt om het verschil tussen dag en nacht op te vangen, niet om de seizoenen uit te vlakken. Het schoon stoken van hout (stenen kachels en droog hout!) gebruikt de energie in de tijd dat die nodig is.

Maar er is een nieuwe ontwikkeling en daar zou ik via Lowtech best meer over willen lezen: de zonnepanelen die waterstofgas produceren! Waterstof kun je opslaan en in de winter verstoken. Deze vinding van de Uni Leuven kwam in het nieuws. De claim was dat je zowel elektra als warmtevraag van een gezin zou kunnen dekken met 20 panelen. En 20 erbij voor de elektrische auto. Wanneer die claim klopt, is dat wereldnieuws!

Je kunt individueel waterstofgas produceren en verstoken wanneer het nodig is. Dan bereik je een echte waterstofrevolutie, die ons verlost van CO2-uitstoot, want die vindt bij verbranding van waterstofgas niet plaats. Ik zou graag de mening van Chris over die vinding lezen.

kris de decker

@ Niek

Blijft de vraag waarom deze oude techniek niet doorzet

Dat is niet de vraag. Het is een technologie die iedereen vergeten was. En de reden is uiteraard de overvloedige toevoer van goedkope fossiele brandstoffen.

Maar er is een nieuwe ontwikkeling en daar zou ik via Lowtech best meer over willen lezen: de zonnepanelen die waterstofgas produceren!

Afwachten, zou ik zeggen. Zoals met elke andere vinding wil ik een wetenschappelijk artikel zien. Hoeveel energie gaat erin, hoeveel energie komt er uit. Hoe wordt de berekening afgebakend, wat wordt er wel of niet in rekening gebracht. Op basis van een nieuwsbericht kan ik dat allemaal niet beoordelen.

Dat ze naar eigen zeggen met eenvoudige materialen werken, klinkt alvast goed. Maar ze vergelijken het rendement met fotovoltaïsche zonnepanelen. In vergelijking met directe zonnewarmte (zonneboiler) of een warmtemolen is de efficiëntie van de warmteproductie bedroevend. En in een huishouden is de vraag naar warmte veel groter dan de vraag naar elektriciteit.

Een uitvinding van eigen bodem wordt in de nationale media altijd uitvergroot. In buitenlandse media is er over de “revolutionaire” uitvinding voor zover ik kan achterhalen helemaal niks te lezen. Enige scepsis is dus op zijn plaats, zeker in het huidige politieke klimaat waarin politici wanhopig op zoek zijn naar “oplossingen” (en wetenschappers naar onderzoeksfondsen).

Maar zoals gezegd: pas als er een grondige studie over verschijnt, kan ik er over oordelen. Dit is niet meer dan een eerste indruk.

Rob De Schutter

Hmm, als stadsbewoner moeilijk toe te passen tenzij een dergelijk ontwerp te combineren zou zijn met of warmtepomp en of Joule machine…(?) Maar m’n intuïtie zegt me dat het vermogen te laag zal zijn. Wat denkt lowtech?

Rob

https://goo.gl/images/oacMtM

Hubert Steyns

Begripsverwarring!

Ik denk dat we de begrippen en waar ze voor bedoeld zijn goed uit elkaar moeten houden. Als we praten over een wind-watermolen dan komt daar geen electriciteit aan te pas. De transmissie naar wat dan ook, een waterpomp, een warmtepomp, een hevelpomp geschiedt zuiver mechanisch en/of met een versnellings c.q. vertragingsbak. De schakeling is dan van de molen-as naar de warmtepomp-as via een drijfstang. Bij dit geheel is geen electriciteit vereist. Dat is wat ik bedoelde met warmte opwekken volgens de directe methode.

Ter aanvulling nog een link voor een wind-watermolen: http://www.bakker-ijlst.nl/windwatermolen

Groet, Hubert.

kris de decker

Ik heb een paar kleine aanpassingen aan het artikel gemaakt om duidelijker te maken dat de warmtepomp altijd de efficiëntste optie is. Hier en daar lijk ik te zeggen dat de warmtemolen in zijn oorspronkelijke vorm (met waterrem) efficiënter is dan de elektrische warmtepomp, maar dat is natuurlijk niet zo. Het is de warmtemolen met mechanische warmtepomp die efficiënter is dan de windturbine met elektrische warmtepomp.

kris de decker

Lezer Cor Bouman stuurde deze interessante link door over de “vortex warmtegenerator”:

https://dermotwhelanconstruction.com/teplovye-generatory-dlja-otoplenija#

Herman Vanmunster

Beste Kris,

De aangehaalde efficiëntie van 91% slaat volgens mij op het rendement van de eddy current heater, niet op het hele systeem. De studie in [8] bedoelt dus: de efficiëntie waarmee de mechanische energie van de rotatie-as van de warmtemolen omgezet wordt in nuttige warmte (zij hebben in hun studie trouwens een DC motor gebruikt om de rotatie van de molenas aan te drijven).

Je schrijft echter dat de efficiëntie van ‘het systeem’ 91% bedraagt. Dit is volgens mij dus een beetje misleidend. Een windturbine heeft een rendement van 35%..45%. Dit wil zeggen dat 35%..45% van de hoeveelheid beschikbare kinetische energie van de aanstromende luchtmassa (wind) kan omgezet worden in ‘nuttige’ kinetische energie van de as van de windturbine.

Hiervan wordt dan 91% omgezet in bruikbare warmte. Het nuttige rendement bedraagt dus 31,8…41%. Generatoren die de kinetische energie van de as van de molen omzetten in elektriciteit behalen een gelijkaardig rendement waardoor elektrische turbines even efficiënt zijn als warmtemolens.

Het nadeel van de elektrische variant is - zoals je zelf schrijft - inderdaad dat hij complexer (en duurder) is dan de puur mechanische variant, maar het grote voordeel is dat de opgewekte elektriciteit voor heel diverse toepassingen gebruikt kan worden, terwijl de toepassing van de warmtemolen beperkt is tot warmteproductie.

(PS: Het is ook makkelijk in te zien waarom een windmolen of -turbine geen hoog rendement van 90% kan behalen: in dat geval zou bijna alle bewegingsenergie uit de lucht (wind) gehaald worden, waardoor de lucht vlak voor en achter de turbine zo goed als stil zou komen te staan. Die ‘prop’ stilstaande lucht zou dan door de vers aanstromende wind moeten weggeduwd worden, waardoor die lucht snelheid verlies en het rendement bijgevolg daalt…)

kris de decker

@ Herman

Het systeem” is inderdaad nogal vaag. Het klopt dat een windmolen niet alle energie uit de wind kan halen. Maar je kan “het systeem” ook afbakenen door het mechanische vermogen van de windmolen als startbasis te nemen. Voor het vergelijken van elektrische en mechanische aandrijving is het verlies dat jij noemt niet relevant, want het is voor beide opties gelijk.

Ik heb het onderzoek nog eens bekeken en het is me niet 100% duidelijk of de onderzoekers ook het energieverlies in de mechanische windmolen meerekenen. Maar die is 98% efficient — dezelfde efficiëntie als de kettingaandrijving van een fiets. Het verlies van de elektrische motor moet niet worden meegeteld, want die simuleert in het experiment een mechanische windmolen (met joule machine of eddy current heater).

Maar inderdaad: de efficiëntie van beide opties is gelijk (ongeveer 90%) en het enige voordeel van de mechanische optie is dat er energie (en geld) wordt bespaard bij de productie van de windmolen.

Een mechanische windmolen met mechanische warmtepomp is wel efficienter dan een windturbine met elektrische warmtepomp, omdat er in dat geval nog een extra verlies optreedt in de motor van de (elektrische) warmtepomp.

Jacob

Bij traditionele molen De Hersteller in Sint Johannesga (Nederland) is geprobeerd rechtstreeks warmte op te wekken. Helaas liep men tegen technische problemen aan. Bij constant toerental werkte het systeem prima maar bij hogere toeren (windvlagen) raakten onderdelen overbelast. Voor watermolens zou het systeem mogelijk wel bruikbaar zijn. Zie pagina 10 van het verslag verduurzaming op http://www.molendehersteller.nl/Wordpress/verslag/ Conclusie is eigenlijk dat systemen voor windmolens sterk wisselende toerentallen en vermogens aan moeten kunnen doordat de wind zo onregelmatig is. Dat geldt des te meer voor kleine molens want hoe lager hoe wisselvalliger de wind. Daar moet ook bij rendementsberekeningen rekening mee gehouden worden.

Martijn Reneman

Voor ‘eddy current’ is een goed Nederlands woord nl. ‘wervelstroom’.

roland

@: “de vraag naar elektriciteit slechts een vijfde” - Met de omzettingsverliezen is het aandeel veel groter en groeiend, terwijl het aandeel lage temperatuur warmte daalt.

@: “in geïndustrialiseerde landen wordt zelfs biomassa meestal ingezet voor de productie van elektriciteit in plaats van warmte.” - Biomassa wordt steeds meer ingezet voor het warmtenet en voor WKK (bij)stook dus voor stroom EN warmte,dit mede afhankelijk van het sturend subsidiebeleid.

kris de decker

@ roland

Neen, de omzettingsverliezen worden mee in rekening gebracht.

kris de decker

@ Jacob

Dank voor de link, zeer interessant. Toch stel ik me vragen bij de conclusie, die ook niet overeenkomt met de ervaring in Denemarken.

Vroegere windmolens hadden allerlei systemen om met windvlagen om te gaan. Zo werd de afstand tussen de maalstenen continu aangepast aan de kracht van de wind. Dus in plaats van de overbrenging heel sterk te maken, zoals zij als enige mogelijkheid suggereren, zou je toch ook een automatisch werkend mechanisch systeem kunnen gebruiken dat de windvlagen opvangt? Wel complexer dan bij een watermolen, dat klopt.

Een andere mogelijke verklaring voor de afwijkende conclusie is dat de Nederlandse windmolen een paar eeuwen ouder is dan de modernere windmolens die door de Denen werden gebruikt.

roland

De 20% voor elektriciteit - [3] figuur 1 - is ZONDER de omzettingsverliezen.

kris de decker

@ roland

Wat bedoel je met [3]? In het artikel verwijs ik immers naar referentie [1].

roland

Nederland is te zien als “gematigd” gebied

Gisèle

Hier ontbreekt het gegeven, dat er onvoldoende wind ter beschikking is los daarvan de minder infrastructuur impact van cilinder windmolens

Peter

Hallo Kris, bedankt voor dit interessante artikel en de moeite om alle informatie zo overzichtelijk te rangschikken.

Ik ben in de ban geraakt van de warmtemolen en heb er even over nagedacht en heb de volgende conclusie getrokken:

  1. Als je in de kustprovincies woont waar regelmatig een wind staat met windkracht 3 of hoger, dan is een warmtemolen, die zelfgemaakt is en deels opgebouwd uit gebruikte materialen een erg leuk en groen middel om je huis te verwarmen (in combinatie met bijv. een zonnecollector).

  2. Het commercieel produceren en verkopen van kleine (5kw) warmtemolens in een stedelijke omgeving als bijvoorbeeld Utrecht is waarschijnlijk (met ons huidige contraproductieve, corrupte financiële systeem) zinloos omdat de kosten te hoog oplopen en er niet genoeg wind staat.

  3. Het bouwen van relatief grote lowtech warmtemolens van bijvoorbeeld 200 tot 500kW aan de randen van woonwijken en industrieterreinen, die vervolgens via een soort stadsverwarming de buurt van warmte voorzien, lijkt me wel een goed plan!

Ik ben zeker geen expert omtrent deze discussie, dit is mijn conclusie na er even over gefantaseerd te hebben.

Groetjes,

Peter

P.a van duijn

Als je met een windmolen’een rol aandrijft’die weer op een plaat rolt’door de wrijving ontstaat warmte is daar een toepassing voor’of is het niet mogelijk?

P.a van duijn

Ik heb zitten denken als het op de manier kan zoals beschreven in mijn vorige mail kan je de plaat gedeeltelijk in reservoir met water te plaatsen’en op die manier het water te verwarmen’of genereert de plaat dan niet genoeg warmte?

Machteld

Beste Kris, Ik heb met veel interesse het artikel gelezen en ben op zoek gegaan op internet. Waar kan ik in godsnaam een warmtemolen vinden die direct aangesloten kan worden op de cv? De meeste producenten en verkopers spreken steeds van een windmolen die electriciteit aanmaakt om zo te verwarmen, maar dat is het dus niet. Ik heb een cv op mazout die ik zou willen ombouwen naar windenergie.

stephan

Vooral mis ik de meest efficiente werking van een Eddy-current verwarmingselement. bij welke snelheid? welke magneten? hoe te plaatsen? Hoe produceer ik met zo min mogelijk materiaal de meeste warmte? goedkoop & efficient. Dat is natuurlijk een hele studie op zich. Leuk onderzoeksvoer voor de werktuigbouwer.

Bronnen:


  1. Nitto, Dipl-Ing Alejandro Nicolás, Carsten Agert, and Yvonne Scholz. “WIND POWERED THERMAL ENERGY SYSTEMS (WTES)”. 

  2. Warmte en koude in Nederland, Agentschap NL, Ministerie van Economische Zaken, 2013. 

  3. Monitoring Warmte 2015, ECN & CBS, April 2017. 

  4. Energieverbruik door huishoudens, 1990-2016. Compendium voor de Leefomgeving. 

  5. Smil, Vaclav. Power density: a key to understanding energy sources and uses. MIT Press, 2015. 

  6. The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. Met name hoofdstuk 13 (“Water brake windmills”, Jorgen Krogsgaard) en hoofdstuk 16 (“Consigned to Oblivion”, Preben Maegaard). 

  7. Chakirov, Roustiam, and Yuriy Vagapov. “Direct conversion of wind energy into heat using joule machine.” Fourth International Conference on Environmental and Computer Science (ICECS 2011), Singapore, Sept. 2011. 

  8. SMALL WIND ENERGY SYSTEM WITH PERMANENT MAGNET EDDY CURRENT HEATER BY ION SOBOR, VASILE RACHIER, ANDREI CHICIUC and RODION CIUPERCĂ. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IAŞI. Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi Tomul LIX (LXIII), Fasc. 4, 2013 

  9. Joule’s experiment: An historico-critical approach, Marcos Pou Gallo Advisor. 

  10. Integration of Thermal Energy Storage into Energy Network, Sharyar Ahmed, 2017 

  11. Selfbuilders, Winds of change website. 

  12. Černeckienė, Jurgita, and Tadas Ždankus. “Usage of the Wind Energy for Heating of the Energy-Efficient Buildings: Analysis of Possibilities.” Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering 10.1 (2015): 58-65. 

  13. Cao, Karl-Kiên, et al. “Expanding the horizons of power-to-heat: Cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems.” Energy 164 (2018): 925-936. 

  14. Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. 

454.54KB