Zonnebuizen en elektrische energie

[Supermario16]

Afgelopen zomer zijn we verhuist naar onze nieuwbouwwoning, die geheel voorbereid is op enkele snufjes die mijn vader zelf ontwikkeld en ontworpen heeft. Een onderdeel hiervan een is een geavanceerde besturing van een warmwater installatie (laagtemperatuur vloerverwarming door het hele huis, elektronische temperatuurregeling per ruimte, in iedere ruimte sensoren in de vloer / muur om alles te kunnen meten, etc...)

Twee maanden geleden hebben we de buizen op het dag gelegd, en sinds die tijd is hij bezig om het systeem af te stellen. We hebben een boiler van 400 liter in de garage die de warmte van het dak bevat. Als de temperatuur van deze boiler boven de 65 graden komt, schakelt er een systeem in werking die de warmte uit de boiler, naar een ondergrondse tank van 4000 liter pompt. Op deze manier willen we de warmte die van het dak afkomt (vooral in de zomer) op kunnen slaan. Daarnaast ligt er nog een kleinere tank (uit mijn hoofd 2500 liter) waar via een grondwater pomp koud water in kunnen opslaan (en met in het achterhoofd een temperatuursverschil te kunnen creëren).

Nu komt het, mijn vader had het idee om die warmte uit de tank te gaan gebruiken om elektrische energie op te wekken, zonder verder echt te onderzoeken of dit ook wel echt mogelijk was (hij ging er meer vanuit dat dit op de een of andere manier wel moest kunnen). Nu is het inderdaad mogelijk met het Seebeck effect elektrische energie op te wekken vanuit een temperatuursverschil tussen twee radiotoren. De efficiëntie van de componenten die gebruik maken van dit Seebeck effect is echter zo laag, en het temperatuursverschil moet zo hoog zijn, dat dit voor ons niet iets oplevert.

Het probleem is nu dus, dat we een hoop warmte capaciteit op het dak hebben liggen, waar we niet meer mee kunnen doen als het zwembadje van de buren vullen op een mooie zomerse dag, terwijl we eigenlijk terug willen gaan leveren door middel van stroom productie.

Nu heb ik zelf uiteraard ook al wat rond gezocht, verschillende innovatieve bedrijven aangeschreven (waar overigens nooit reactie op komt) en gekeken naar een stirlingmotor, maar al deze oplossingen zijn het eigenlijk niet.

Hebben jullie toevallig nog ervaringen om op een rendabele manier toch elektrische energie op te wekken, of om de warmte op een andere manier nuttig te kunnen gebruiken?

[wouter.N]

Lekker handig om eerst met een project te beginnen en dan pas af te vragen of het technische wel mogelijk is
Maar nee, dit is niet mogelijk. Beste manier om elektrische energie op te wekken zijn PV-panelen

[ Voor 30% gewijzigd door wouter.N op 27-06-2012 10:25 ]

[DrivinUCrazy]

De warmte opslaan in de grond (aardwarmte?) waarna je het in de winter weer gebruikt om je huis te verwarmen?
Zo lever je weliswaar niets terug, maar je bespaart wel op energie.

Geen idee of dit op een dergelijke kleine schaal ook werkt trouwens, maar het is misschien het uitzoeken waard?

[Henk007]

Thermo-elektrische stroomproduktie bij deze kleine temperatuurverschillen is onrendabel.
Dus de warmteopslag zal je enige winst zijn met dit project.
Wikipedia: Thermische zonne-energie

[Supermario16]

DrivinUCrazy schreef op woensdag 27 juni 2012 @ 10:27:
De warmte opslaan in de grond (aardwarmte?) waarna je het in de winter weer gebruikt om je huis te verwarmen?
Zo lever je weliswaar niets terug, maar je bespaart wel op energie.

Geen idee of dit op een dergelijke kleine schaal ook werkt trouwens, maar het is misschien het uitzoeken waard?

Als we in de winter de temperatuur in de tank(s) op +/- 30-35 graden kunnen houden zouden we warmte genoeg hebben om de vloerverwarming te laten draaien, dat is ook niet het probleem. Het gaat meer om meer rendement te halen uit de energie die er in de zomer uitkomt.

@Wouter.N: Achteraf gezien hadden we beter de helft minder buizen kunnen pakken, en dit op moeten vullen met PV panelen. Ik ben ervan overtuigd dat er in de toekomst mogelijkheden komen om toch iets met die warmte te gaan doen, maar daar schieten we nu niets meer op natuurlijk (er zijn namelijk best wel een hoop bedrijven die er onderzoek naar doen om dat Seebeck effect beter onder controle te krijgen).

[Henk007]

Wikipedia: Thermoelectric effect

The voltage created by this effect is of the order of several microvolts per kelvin difference. One such combination, copper-constantan, has a Seebeck coefficient of 41 microvolts per kelvin at room temperature

Op die theoretische basis kun je echt geen wonderen verwachten.

[storeman]

De energetische kwaliteit van warmte is nu eenmaal bedroevend. Ik verwacht daar in de nabije toekomst ook geen schokkende veranderingen in, wellicht dat we het nu niet snappen hoe het wel kan, maar dat gaat de komende 20 jaar ook niet schokkend en betaalbaar veranderen, verwacht ik.

[NovapaX]

Ik denk dat je moet zoeken naar een methode om de installatie die je hebt gewoon goed in te zetten voor warmte, er zijn hier genoeg mensen met leuke ideeën!

Hoeveel buizen heb je liggen nu dan?
En hoe groot is het huis? En hoe goed is het geïsoleerd? Op passiefhuis-niveau mag ik hopen?

[ Voor 38% gewijzigd door NovapaX op 27-06-2012 10:59 ]

[Supermario16]

NovapaX schreef op woensdag 27 juni 2012 @ 10:58:
Ik denk dat je moet zoeken naar een methode om de installatie die je hebt gewoon goed in te zetten voor warmte, er zijn hier genoeg mensen met leuke ideeën!

Hoeveel buizen heb je liggen nu dan?
En hoe groot is het huis? En hoe goed is het geïsoleerd? Op passiefhuis-niveau mag ik hopen?

Het huis staat net een jaar, en voldoet dus aan de nieuwste isolatie-eisen. Tevens ligt er een speciale vloerverwarming in die de warmte sneller afgeeft aan de tegels.

De vaatwasser hangt al aan het systeem en de wasmachine zijn plannen voor (aansluitingen zijn al verzorgd).

Totaal aantal buizen is overigens 120. 400 liter boiler, 4000 liter opslag warmwater, 2500 liter opslag koudwater.

[ Voor 7% gewijzigd door Supermario16 op 27-06-2012 13:20 ]

[NovapaX]

De nieuwste isolatie-eisen zijn niet zo hoog helaas.... en zeker niet passief-niveau.
Zoals ik het nu kan beoordelen is er niet echt goed doorgerekend en gepland.... en dat is jammer want de intentie was er zeker. En bij nieuwbouw en het beschikbare budget (want dat was er ook zo te zien) had je een prachtig duurzaam huis kunnen bewoning.

Je moet jezelf even af gaan vragen wat je wilt bereiken.... Wil je uiteindelijk 'zelfvoorzienend' zijn? Of wil je gewoon zoveel mogelijk uit het systeem halen wat je nu hebt zonder al te veel te investeren.
Gaat het om besparen of gaat het om duurzaamheid? (die twee zijn redelijk aan elkaar verbonden, maar uit financieel oogpunt is de intentie compleet anders)

Meest voor de hand liggende wat ik nu kan bedenken:
Je kan met die 120 buizen denk ik redelijk aan de complete warmtebehoefte van je huis voldoen, waardoor een gasaansluiting overbodig is... voorwaarden en afhankelijkheden zijn dan wel:
- Lage warmtebehoefte: Zeer goede isolatie, Douche-wtw, Balansventilatie met WTW.
- Goed geïsoleerde opslagvaten
- goed ingeregeld systeem

Als niet aan goede isolatie of een WTW systeem is gedacht dan is het vanuit het oogpunt van duurzaamheid en energiebesparing helaas volledig verkeerd aangepakt.

Maar laat je niet uit het veld slaan! De intentie is er! En bovendien is er blijkbaar ook al een infrastructuur aanwezig waar nog heel veel uit te halen is.
Zet anders eens wat bouwtekeningen en foto's online zodat we veel beter weten waar we het nou eigenlijk over hebben, en in kunnen schatten waar eventuele kansen liggen.

[ Voor 13% gewijzigd door NovapaX op 27-06-2012 14:21 ]

[Supermario16]

Bedankt voor je antwoord. Ik ga vanavond even wat informatie verzamelen thuis.
(Voor het idee, mijn vader heeft alles verzonnen, ik probeer hem wat informatie aan te reiken waarmee hij weer verder kan. Hij denkt met veel dingen dat hij het wiel opnieuw uit moet vinden )

Overzicht:
* WTW balansventilatie;
* Douche WTW niet aanwezig (zal ook wel lastig worden achteraf);
* Hele huis voorzien van dimbare ledverlichting als hoofdverlichting. Schatting totaal stroomverbruik bij 100% led verlichting: +/- 120 watt;
* Laagtemperatuur vloerverwarming (onderverdieping speciale vloer, isolatie van onder, afgifte van warmte boven, tegels. Boven vloerbedekking op verwarmde vloer);
* "Hotfill" vaatwasser en wasmachine (m.b.v. mengkraan);
* In iedere ruimte diverse temperatuursensoren (digitaal vloer meting, analoog vloer aansturing, digitaal ruimte meting);
* Exacte isolatie waarden weet ik niet, mijn oom heeft als opzichter gefungeert tijdens de Bouw en hij wist dat dit belangrijk was, dus ik ga er even vanuit dat dit volgens huidige standaarden in de bouw is gebeurt;
* Warmwater tank in de grond is een melktank, standaard geisoleerd met 10cm wandisolatie + 10cm isolatie aan de buitenkant;
* Inregelen van het systeem zijn we dus mee bezig, onder andere:
- Bewegingssensoren bij warmwater tappunten, zodat warmwater vanuit de garage naar huis getransporteerd kan worden bij beweging op deze sensoren (dan hoeft de ketel niet aan te slaan om het eerste beetje te verwarmen);
- Spelen met regeling van overpompen van boiler naar warmwatertank in de grond;
- Aanpassen regeling ketel t.b.v. warmhouden interne boiler (zijn extra sensoren in Ketel aangebracht, weet even niet precies hoe dit in zijn werk gaat);

Koper:

Warmwater tank, afgelopen week:

Huis (in aanbouw toen):

Garage met het opleggen van de buizen (totaal 4 sets dus):

Boiler afgelopen week: (oranje lijntje ga ik navragen, rest is afhankelijk van positie sensor in tank)

[ Voor 78% gewijzigd door Supermario16 op 27-06-2012 15:01 ]

[Juup]

Je zou theoretisch een stoommachine of stoomturbine kunnen maken met een stof waarvan het kookpunt net boven kamertemperatuur ligt zoals Freon-11.

Je condenseert de freongassen dan met je koudwater, dat daarmee opwarmt tot iets onder je kookpunt.
Dit water kun je dan weer opslaan en gebruiken voor verwarming in de winter.

Rendement: laag.
Complexiteit: hoog.
Fun-factor: hoog.

Edit: Ammoniak bij hogere druk is misschien handiger.

[ Voor 13% gewijzigd door Juup op 27-06-2012 15:23 ]

[Henk007]

Juup schreef op woensdag 27 juni 2012 @ 15:15:

Rendement: laag.

Inderdaad:

Wikipedia: Carnot cycle

en dan vooral het maximale rendement:

(T in Kelvin uiteraard)

Bovendien kun je de energie (arbeid) die je eruit haalt nooit 100% omzetten in elektrische energie.

[ Voor 11% gewijzigd door Henk007 op 27-06-2012 22:48 ]

[Paul C]

Theoretisch kun je inderdaad stroom maken van die warmte, maar het is niet veel en het is niet praktisch.

Jammer dat er niet wat meer is nagedacht voordat er is gedaan. De intentie was klaarblijkelijk goed en het budget ook. Dat had een huis kunnen worden waar verwarming overbodig/nihil was geweest. Als je daar niets van weet, lijkt het me een veilige aanname dat dit helaas niet zo is.

Beste optie nu:
Proberen zoveel mogelijk warmte uit die zonneboiler nuttig te maken.
Zonnepanelen op het dak en een warmtepomp voor de rest.

Verder zal er aan je Isolatie nu niet veel meer te verbeteren zijn, maar heb je een luchtdichtheidmeting gedaan? Die is namelijk wel te verbeteren en belangrijk bij het toepassen van WTW-balansventilatie.

[RemcoDelft]

Gezien het maximale Carnot-rendement zou ik geen moeite doen om hier elektriciteit uit te krijgen. 't Is misschien niet eens genoeg om je pompen te rechtvaardigen.
4 kuub opslag "voor de winter" is wat weinig, ik las ooit dat (orde-grootte) "4 bij 4 bij 4 meter" genoeg zou zijn om de winter door te komen, een geisoleerde kelder dus. Omdat je nog geen 10% hiervan benut, zet het niet aan.

[Paul C]

Als de temperatuur van deze boiler boven de 65 graden komt, schakelt er een systeem in werking die de warmte uit de boiler, naar een ondergrondse tank van 4000 liter pompt.

Dit is trouwens erg inefficiënt.

Soweiso ben je de warmte 2x rond aan het pompen, maar dat is nog niet het ergste. Doordat je de warmte uit de kleine boiler pas begin te pompen naar de tweede boiler als deze 65C is, moeten je collectoren warmer zijn dan dat. Collectoren worden echter minder efficiënt naar mate ze warmer worden (meer warmteverlies voordat het bij de boiler is). Dit effect is heel significant. De truck is dus om je warmte op zo'n laag mogelijke temperatuur te verzamelen en gebruiken. Daarom is ZLTV ook zo belangrijk. Er zijn zelfs mensen die helemaal geen moeite doen om een kleinere voorraad warm tapwater aan te houden en meteen voor verwarming gaan op ZLTV temperaturen, omdat ze daar meer gas mee besparen (door het hogere collectorrendement) dan wanneer ze zouden proberen om warm tapwater te produceren.

Dus: Eerst een boiler van 65C opwarmen en met die boiler weer een grote koelere boiler verwarmen is ontzettend inefficiënt.

[Supermario16]

pcmadman schreef op donderdag 28 juni 2012 @ 21:31:
[...]

Dit is trouwens erg inefficiënt.

Soweiso ben je de warmte 2x rond aan het pompen, maar dat is nog niet het ergste. Doordat je de warmte uit de kleine boiler pas begin te pompen naar de tweede boiler als deze 65C is, moeten je collectoren warmer zijn dan dat. Collectoren worden echter minder efficiënt naar mate ze warmer worden (meer warmteverlies voordat het bij de boiler is). Dit effect is heel significant. De truck is dus om je warmte op zo'n laag mogelijke temperatuur te verzamelen en gebruiken. Daarom is ZLTV ook zo belangrijk. Er zijn zelfs mensen die helemaal geen moeite doen om een kleinere voorraad warm tapwater aan te houden en meteen voor verwarming gaan op ZLTV temperaturen, omdat ze daar meer gas mee besparen (door het hogere collectorrendement) dan wanneer ze zouden proberen om warm tapwater te produceren.

Dus: Eerst een boiler van 65C opwarmen en met die boiler weer een grote koelere boiler verwarmen is ontzettend inefficiënt.

Daar zul je wel gelijk in hebben (verlies is altijd hoger bij hogere temperaturen), maar in de zomer (Als je geen gebruik maakt van ZLTV, en de temperatuur op het dak kan oplopen tot 80 graden) werkt dit goed hoor. Als je namelijk de temperatuur in beide tanks gelijk houdt, krijg je een lagere temperatuur, waardoor de ketel voor tapwater nog bij moet springen. We hebben het systeem nog niet in de winter gebruikt (dus ook niet geconfigureerd), dus misschien dat we bij lagere opbrengst de temperatuur wel sneller in de grote tank moeten dumpen, dat is eigenlijk een goed idee! Ik zal dit eens voorstellen, de mogelijkheden zijn er in ieder geval (kwestie van instelling aanpassen).

[yzf1kr]

- Bewegingssensoren bij warmwater tappunten, zodat warmwater vanuit de garage naar huis getransporteerd kan worden bij beweging op deze sensoren (dan hoeft de ketel niet aan te slaan om het eerste beetje te verwarmen);

Werkt het warmwater systeem met een ringleiding? Anders zie ik het nut niet helemaal hiervan.


Zoals al eerder gezegd, er zit een goede basis in, maar ik denk dat jullie je aanpak helemaal om moeten gooien.

Wat ik zou doen is een 2e bovengrondse tank plaatsen, deze opwarmen tot 80 graden met je buizen en voor je tapwater gebruiken. En de retourleiding door je 2e tank/ondergrondse tank laten lopen en daar de overgebleven warmte gebruiken voor je vloerverwarming.

Verwarmingsketel alleen gebruiken om je tapwatervat op temperatuur te krijgen mochten de collectoren niet genoeg meer kunnen leveren. En ik neem aan dat je met dit aantal buizen wel voldoende warmte hebt om in de winter je vloerverwarming op temperatuur te houden


.

[ Voor 49% gewijzigd door yzf1kr op 29-06-2012 12:04 ]

[Supermario16]

yzf1kr schreef op vrijdag 29 juni 2012 @ 11:37:
[...]


Werkt het warmwater systeem met een ringleiding? Anders zie ik het nut niet helemaal hiervan.


Zoals al eerder gezegd, er zit een goede basis in, maar ik denk dat jullie je aanpak helemaal om moeten gooien.

Wat ik zou doen is een 2e bovengrondse tank plaatsen, deze opwarmen tot 80 graden met je buizen en voor je tapwater gebruiken. En de retourleiding door je 2e tank/ondergrondse tank laten lopen en daar de overgebleven warmte gebruiken voor je vloerverwarming.

Verwarmingsketel alleen gebruiken om je tapwatervat op temperatuur te krijgen mochten de collectoren niet genoeg meer kunnen leveren. En ik neem aan dat je met dit aantal buizen wel voldoende warmte hebt om in de winter je vloerverwarming op temperatuur te houden


.

We hebben inderdaad een boiler bovengronds, en een tank ondergronds. Dus ook hier hoeven we fysiek niets voor aan te passen, is meer de configuratie. Maar opzich ook dit een goed idee!

[Verwijderd]

Jammer dat niet vooraf sommetjes als het thermodynamisch maximaal haalbare Carnot rendement ( bij 87 graden vs 17 graden ca 20 pct, in een 'ideaal systeem' zonder wrijvingsverliezen e.d.) gemaakt zijn. Maar hoewel warmte bij dergelijke temperaturen voor mechanische energie weinig nut heeft, hebben we er in Nederland nog altijd genoeg van nodig in de winter, de kunst is alleen efficiënte opslag.

Een optie om in je tank meer energie op te kunnen slaan voor in de winter (en dus je zomerse warmteoverschot in elk geval een deel van de winter te kunnen gebruiken) is het gebruik van faseveranderende materialen. Of simpel gezegd, spul dat smelt in de buurt van je gewenste opslagtemperatuur, de faseverandering is goed voor een flinke warmte opslag. Een kandidaat hiervoor is paraffine, dat verkrijgbaar is met smelttemperaturen variërend van net boven kamertemperatuur tot 68 graden Celsius (smeltpunt is afhankelijk van de polymeerketenlengte.) Het wordt o.a. al in gipsplaten en ondervloeren toegepast om de warmtecapaciteit van een gipsplaat wandje op te trekken naar die van een betonnen wand. Zo warmt een huis niet te snel op en kun je 's nachts de erin opgeslagen warmte weer eruit ventileren.
Om de bestaande tank te kunnen benutten dacht ik aan kunstof bollen waarin de paraffine zit opgeslagen, de bolvorm maakt mogelijk dat het water er nog tussendoor kan stromen voor de warmteoverdracht en het kunststof voorkomt dat je pompen verstopt raken met parafine. Als de boldiameter klein genoeg is kun je de bollen via de vulopening toevoegen, dan moet je alleen nog iets als een korffilter bedenken om te voorkomen dat ze je tank uitgepompt kunnen worden of de uitstroom opening blokkeren.

Even snel wat rekenwerk:
aanname bolpakking: 65 procent (max theoretisch is 74pct, maar zeker in een cylindervorm zie ik dat nog niet snel gehaald worden), levert een paraffinevolume van 2600L. Bij een dichtheid van ca 900 kg/m3 is dat goed voor 2340 kg. Daarnaast bevat je vat nog 1400 kg water met warmtecapaciteit 4,2kJ / kgK.
Paraffine heeft een warmtecapaciteit van ca 2.5 kJ / kgK (en.wikipedia lemma 'paraffin' geeft:2.14-2.9) en een smeltwarmte van ca 200 kJ/kg.
Het simpelste syteem maakt rechtstreeks gebruik van de opgeslagen warmte in de vloerverwarming. Gewenst is 35 graden.
Stel, je kunt gedurende de zomer het vat opwarmen tot een optimistische 80 graden, dan hebben we een bruikbare temperatuur opslagrange van 45 graden. Dat is een opslag van:
-water: 4,2*1400*45=264,6MJ
-paraffine: 2,5*2340*45= 263,25MJ met daarbovenop de smeltwarmte á 200*2340=468MJ
totaal aan 'bruikbare' warmtecapaciteit is dan 996 MJ.
Als we rekenen met een voor een vrijstaand huis laag(?) gasverbruik voor verwarming van 1000 m³ dan is dat (35MJ*1000)=35000MJ.
De factor 35 die we tekort komen kan worden verkleind met behulp van een warmtepomp zodat ook temperaturen lager dan 35 graden voor verwarming benut kunnen worden, maar toch zul je zelfs in dit optimistische scenario nog flink wat gas bij moeten stoken, of de warmtepomp op je grondwaterput aansluiten.
Wat nog wel zo is, is dat ook gedurende het stookseizoen er nog warmte binnenkomt in je systeem. Dit heb ik niet meegenomen in de berekening omdat je dit voornamelijk zult gebruiken voor warm tapwater en verder waarschijnlijk wegvalt tegen de onvermijdelijke warmteverliezen van een tank van 80 graden.

De winst in de toepassing van paraffine is bij bovenstaand optimistisch scenario (80 graden opslag) overigens beperkt, met puur water haal je dan 756 MJ, dankzij de hoge warmtecapaciteit van water. Bij een realistischer begintemperatuur is de winst van paraffine natuurlijk groter (bij 70 graden is het 761MJ voor p+w vs 420MJ w, bij 60 graden 668 vs 252).
Dan de kosten, die zijn lastig in te schatten, maar een snelle blik op alibaba leert dat prijzen van bulkparaffine tussen de 800 en 1500 dollar per ton liggen. Reken dus al snel op een 2000 euro aan paraffine, voor een besparing van een paar euro per jaar (vergeleken met puur water in je tank).

Voor maximaal comfort in de zomer kun je trouwens je koudwatertank gebruiken als vloerkoeling, eventueel met de warmtepomp ertussen om je opslagtemperatuur en koelcapaciteit te verhogen. De warmte die je hierin opslaat (mits goed geïsoleerd) is ook weer goed voor zo'n 150-200 MJ aan verwarming in de winter.

Conclusie:
koop liever een warmtepomp om het maximale uit je warmteopslag te halen (en daarna uit je 'grondwatertank' of zelfs de lucht via het circuit van de zonnecollectoren) dan dat je de tank volstopt met paraffine.
Tot zover deze vingeroefening in warmteopslag. De ruimtetechnisch nog efficiëntere chemische warmteopslag (vb warmteopslag in zeoliet is 4x zo compact als water, vraagt wel hogere temperaturen) laat ik bij gebrek aan inpasbaarheid en vermoedelijk financiëel rendement graag aan anderen over...