Wat is de potentie van zonnekoeling?

Misschien wel de meest voor de hand liggende combinatie: ­pv-panelen en airconditioning.

Koelcel als buffer

Afgelopen zomer onderzocht DLV Advies, een adviesbureau voor de land- en tuinbouw, in hoeverre pv-installaties de tuinbouwsector kunnen helpen bij het koelen van hun producten. Veel tuinbouwbedrijven hebben koelcellen die met name in de zomer hard moeten werken om hun producten tegen bederf te beschermen. Omdat zonne-energie alleen overdag en vooral op zonnige dagen beschikbaar is, richtte het onderzoek zich op het gebruik van de koelcel als buffer. DLV Advies analyseerde de draaiuren van een mechanisch koelsysteem en daaruit bleek dat het maandverbruik gemiddeld genomen gelijk is aan de maandproductie van de zonnepanelen. Op een zonnige dag in mei slaat deze koeling tien keer aan. In totaal draait het systeem twaalf uur: twee uur voor en tien uur na 12.00 uur.
‘Dat is logisch’, zegt Harrie Versluis, projectleider Bouw bij DLV Advies. ‘Het duurt immers even voordat de warmte van buiten naar binnen is gedrongen. Gevolg is dat tegen de tijd dat de koeling veel uren maakt, er nog maar weinig zonne-energie beschikbaar is. Op zo’n zonnige dag zou de koeling eigenlijk eerder moeten aanslaan: op het moment dat de zonnepanelen energie beginnen te produceren. Dan kunnen de benodigde twaalf koeluren volledig met zelf opgewekte zonne-energie worden uitgevoerd. Het stroomnet als buffer zou dan niet nodig zijn en de teler zou zich het verschil tussen de in- en verkoopprijs, inclusief transportkosten en energiebelasting, kunnen besparen. Daarnaast gebruiken de compressor en condensor minder stroom als de koeling ’s ochtends eerder aangaat, omdat het dan buiten nog koeler is.’

‘Op zonnige dag zou koeling eerder -moeten -aanslaan bij -tuinbouwbedrijven’

Tijdig terugkoelen

Maar wat gebeurt er op een bewolkte dag? DLV zag dat op een bewolkte dag in mei de panelen maar de helft van de energie produceren die ze op een zonnige dag opleveren. Daar staat tegenover dat de energiebehoefte ook lager is. Als de zon niet schijnt, heeft een koelcel minder last van instralingswarmte. Op zo’n bewolkte dag moet de koeling 10 uur draaien: 20 procent minder dan op een zonnige dag. In vergelijking met de zonnige dag is er dan een tekort aan energie van 30 procent, waardoor de temperatuur in de koeling wat oploopt. Volgens Versluis hoeft dit geen probleem te zijn. ‘De invloed van de iets hogere temperatuur op de kwaliteit van het product is gering. Het is wel slim om de partij op een zonnige dag iets verder te kunnen terugkoelen, waardoor de koeling op een bewolkte dag minder hoeft te draaien.’
Bij een kantoorgebouw of woning zouden we hetzelfde kunnen doen. Zeker als we de installatie combineren met een slim energiemanagementsysteem dat op basis van weerberichten de installatie kan aansturen. Het iets verder terugkoelen op een zonnige dag is vooral voordelig bij bedrijven waar de koeling gemiddeld alle energie nodig heeft die de zonnepanelen opwekken. Bedrijven – en dat geldt ook voor woningen en gebouwen – die een variabele prijs krijgen voor hun geleverde energie, hebben ook veel voordeel bij extra terugkoelen, omdat op een heel zonnige dag de verkoopprijs van stroom laag is. Dan gebruik je tenslotte liever zoveel mogelijk eigen stroom. Eerder de koeling aanzetten in combinatie met verder terugkoelen op een zonnige dag kan dus een financieel voordeel opleveren en het net ontlasten. De besturing van het systeem moet dan wel weten wat het aanbod is van zonne-energie op de dag zelf en de volgende dag. Ook moet de besturing weten hoe ver het de temperatuur mag laten teruglopen. Het moet natuurlijk wel comfortabel blijven.

Overtollige warmte kan men prima benutten om mee te koelen.

Koelen met zonnewarmte

Behalve zonnestroom uit pv-panelen kunnen ook zonthermische systemen als bron voor koeling fungeren. Zonthermische panelen of collectoren verzamelen zonnewarmte die via een absorptie- of adsorptiekoelmachine en een koelmiddel koude lucht produceren. Dergelijke systemen zijn vooral efficiënt in warme en zonnige gebieden en zijn minder afhankelijk van elektriciteit. Dus als de ruimte op het dak voor pv-systemen of de netcongestie spelbreker zijn om elektriciteit voor airco’s te leveren, dan is zo’n concept mogelijk een passend alternatief. Het nadeel van absorptie- of adsorptiekoelmachines is dat het wat complexere installaties zijn, die wat meer onderhoud vereisen. Ook de hoeveelheid zonne-energie die nodig is om deze systemen effectief in te zetten is vaak groter dan bij pv-systemen.
Bij koeling met zonabsorptie maakt men gebruik van zonnecollectoren, zoals een parabolische trog of buiscollectoren, die de zonne-energie opvangen en een thermodynamische cyclus aandrijven. Dit proces omvat doorgaans een oplossing van water en lithiumbromide, of een ander absorberend middel in combinatie met een koelmiddel. Absorptiekoelers vormen het middelpunt van dit systeem en benutten warmte om koeling te genereren.

Cruciale verschillen

Het kenmerk van absorptiekoelers is dat ze met twee vloeistoffen werken: via de ‘absorptie’ van een koudemiddel in een vloeistof. Deze techniek kennen we uit koelkasten en maakt gebruik van warmte om een absorptievloeistof – vaak ammonia – te laten verdampen. De faseverandering zorgt voor daling van de temperatuur. Het is effectief, maar er is ook sprake van veel energieverlies door het rondpompen van vloeistoffen.
In tegenstelling tot absorptiesystemen maakt zonadsorptiekoeling gebruik van vaste sorptiematerialen zoals silicagel. Adsorptiekoeling gebruikt dus een vloeistof en een vaste stof: hier gebeurt ‘adsorptie’ van een koudemiddel in een vaste stof. Ze adsorberen dus de koelmiddeldampen, vergelijkbaar met hoe een spons water opzuigt. Wel is het lastiger om een continu proces te bereiken, maar voordeel is dat adsorptiekoelmachines goed kunnen werken met warmte van lage temperatuur en lage voltages. Ideaal dus voor koppeling aan zonnecollectoren. Een nadeel zijn de hoge kosten.
Het adsorptieproces creëert een koelend effect terwijl het systeem wisselt tussen adsorptie- en desorptiefasen, vaak aangedreven door thermische zonne-energie. Bij hoge druk en hoge temperatuur condenseert het koudemiddel en bij lage druk en lagere temperatuur verdampt het koudemiddel. In plaats van veel elektriciteit gebruikt adsorptiekoeling warmte met een temperatuur van 60 tot 80 °C. De drukverhoging wordt bereikt door de natuurkundige bindingskracht tussen silicagel en water. De efficiëntie van adsorptiekoelmachines is vooral aantrekkelijk voor gebouwen die niet op het elektriciteitsnet zijn aangesloten of waar een aansluiting door netcongestie problematisch is.

Combinatie tussen koelsystemen en zonnewarmte economisch vaak erg interessant

Economisch en praktisch

Ook de combinatie tussen koelsystemen en zonnewarmte is economisch vaak erg interessant. Niet alleen omdat warmteaanbod en koudevraag veelal gelijktijdig optreden, maar bovendien produceren zonnecollectoren op warme dagen meestal meer warmte dan voor bijvoorbeeld warm tapwater nodig is. De overtollige warmte kan men dus prima benutten om mee te koelen. Overigens zijn deze koeltechnieken ook goed te combineren met een warmtenet, (micro-)WKK of restwarmte. Er is slechts een kleine hoeveelheid elektriciteit nodig voor het rondpompen van de vloeistof.
Een praktisch voorbeeld van deze vorm van koeling levert het bedrijf SolabCool. Het principe van de technologie in het SolabCool-systeem is gebaseerd op ‘solid sorption’, zoals het bedrijf dit noemt. Zij maken daarbij gebruik van de hygroscopische eigenschappen van de vaste stof (solid) die een vloeistof kan opnemen (sorption), oftewel adsorptiekoeling. Dit proces vindt plaats in het hart van de SolabCool, waar de ‘vaste stof sorptie-warmtepomp’ ontstaat. Het toestel heeft twee cilindervormige kamers. In elke kamer zit een vaste-stofbed, een condensor en een verdamper. Om koeling te kunnen leveren, is er een proces van laden en ontladen nodig.

Een airco of warmtepomp moet je onderhouden en soms na vijftien of twintig jaar vervangen.

Adsorptieproces

Dat proces start met silicagel dat verzadigd is met water. In het laadproces gebruikt men zonnewarmte (thermische energie) om het water van de silicagel te desorberen. Er ontstaat waterdamp dat naar de condensor stroomt, waar het condenseert. De condensatiewarmte wordt overgebracht naar een buitenunit waar het wordt afgevoerd. Zo wordt de SolabPump, zoals het centrale deel van het systeem heet, geladen tot alle silicagel droog is en het water volledig is gecondenseerd.
Na dit laadproces bevat de SolabPump droog silicagel, met een zeer laag watergehalte. Door dit proces gaat de temperatuur in het systeem omlaag. Daardoor is ook een lage druk ontstaan, waardoor warmte kan worden onttrokken. Deze warmte onttrekt het systeem uit een koelcircuit in het gebouw. Door deze warmteoverdracht wordt een ruimte gekoeld. De SolabPump wordt ontladen wanneer de silicagel weer verzadigd is met water. Temperaturen zullen dan terugkeren naar hun oorspronkelijke waarden. Vanaf dit punt kan het proces opnieuw beginnen. Omdat de SolabPump met (zonne)warmte van relatief lage temperatuur (60 - 95 °C) kan werken, ontstaat een kostenefficiënte koeling.

Passievere koelmethoden

Adsorptiekoeling heeft met absorptiekoeling gemeen dat de geleverde prestaties niet heel hoog zijn, als je het vergelijkt met traditionele airco’s. Maar het energiegebruik is dan weer lager. Richting de toekomst vindt er ook onderzoek plaats om passief te koelen met ‘droogmiddelen’, oftewel phase change materials’. Zo ontstaat de mogelijkheid om op een nog energiezuiniger manier gebouwen (af) te koelen. Dr. Alejandro Prieto Hoces schreef een paar jaar terug in zijn proefschrift ‘Coolfacade – architectural integration of solar cooling strategies in the building envelope’, dat koeling door middel van droogmiddelen ‘een ongekend alternatief’ is.
Deze vorm van koeling maakt gebruik van stoffen zoals silicagel. Feitelijk een stof zoals je die ook aantreft in de kleine zakjes in de verpakkingen van nieuwe elektronica. Door absorptie van vocht uit de lucht gaat ook de ruimtetemperatuur naar beneden. Zou je daaraan een verdampingsunit koppelen, dan versterk je het effect. Zonne-energie kun je dan weer gebruiken om de droogmiddelen te regenereren. Beperking van deze techniek is dat je wel in een relatief vochtig klimaat moet zitten, omdat je vocht aan de lucht moet onttrekken. In hele droge, woestijnachtige omgevingen werkt dit niet of heel moeilijk.

PCM-buffer

In het verlengde van deze passieve methode wordt er op dit moment op de Green Village in Delft een dergelijk systeem getest. Zo vertelt Bert van Dorp, directeur van Orange Climate, dat ze naast het zogeheten Co-Creation Centre een nieuwe vorm van luchtbehandeling beproeven. In een prefab klimaattoren, die Orange Climate plaatste, bevindt zich een grote PCM-buffer met faseovergangsmaterialen.
‘Simpel gezegd houdt het in dat we warmte en koude opslaan in een groot blok kunstmatig ijs. De resultaten zijn ongelofelijk’, zegt Van Dorp. ‘Als we ’s nachts de ventilatie aanzetten om koude in de buffer te laden, en die koude overdag inzetten, blijkt dat wel tien keer efficiënter dan koelen met een warmtepomp. Niet alleen realiseren we hiermee gratis koeling, het is ook nog eens een heel duurzame oplossing. Een airco of warmtepomp moet je onderhouden en soms na vijftien of twintig jaar vervangen. Maar met een PCM-buffer kun je zo veertig jaar vooruit.’

Tekst: Rob van Mil
Fotografie: iStock