Isobare expansiemotor heeft alleen restwarmte nodig

De startup Encontech ontwierp een zeer efficiënte warmte gedreven pomp die al werkt op een warmtebron van zeventig graden Celsius. Hoewel de isobare expansiemotor al langer bestaat, modificeerden de oud Universiteit Twente-onderzoekers Glushenkov en Kronberg de bestaande ontwerpen. De wetenschappers verbeterden niet alleen de efficiency, maar losten ook problemen met afdichting en slijtage op. Encontech is een van de kandidaten voor de Industrial Energy Enlightenmentz-verkiezing  2019. 

Een isobaar proces is een toestandsverandering van een bepaalde hoeveelheid materie waarbij de druk niet verandert, maar een of meer andere grootheden wel. Een voorbeeld hiervan is lucht in een cilinder met een vrij beweegbare zuiger waar warmte aan wordt toegevoerd. Door de temperatuurstijging neemt het volume toe maar de druk niet. Twee voorbeelden van een isobare expansiemotor zijn de Worthington stoompomp en de Bush thermocompressor. Beide motoren stammen nog uit het stoomtijdperk, hebben een zeer eenvoudig en robuust ontwerp en worden nog steeds toegepast.

Isobare expansiemotor

Encontech keek met name naar het ontwerp van de Bush thermocompressor en bracht hier modificaties in aan. Ze gebruikten een algemeen bekend koudemiddel (R134a) en testten de motor met temperaturen tussen de vijftig en negentig graden Celsius die direct langs het warme deel van de motor werd geleid. Dat resulteerde in een zeer stabiele slag met een behoorlijke efficiency. Net als bij veel thermische toepassingen stijgt de efficiency met de temperatuur. Bij een temperatuur van tweehonderd tot zeshonderd graden Celsius zou zelfs een efficiency van twintig tot vijftig procent van de Carnot efficiency mogelijk zijn.

Ontzilten

Patrick Bliek van Encontech legt uit dat de IEE van de inzet van een organic rankine cycle (ORC) kan overnemen als de temperaturen te laag worden. ‘Het voordeel van een IEE is dat de druk constant blijft waardoor het bij het geringste temperatuurverschil al zijn werk kan doen. Dit biedt met name voordelen in opstellingen waar je de pomp direct kan gebruiken voor het verpompen van een medium. We testen de motor bijvoorbeeld nu in Qatar waar we zonnewarmte gebruiken om zeewater te ontzilten. De warmte drijft de pomp aan, die de druk opbouwt  die nodig is voor de omgekeerde osmose. De pomp heeft geen problemen met temperatuurvariaties en gaat in dat geval alleen iets langzamer werken.

Koeling

Maar ook voor de omzetting van warmte in koeling of elektriciteit zou de IEE kunnen worden ingezet. Denk bijvoorbeeld aan diepe aardwarmtebronnen. In de zomer is doorgaans nauwelijks behoefte aan de warmte. Waarom zou je deze dan niet omzetten in koeling of zelfs in stroom? We kunnen de motor ook inzetten bij een constante temperatuur. Dat biedt heel wat mogelijkheden voor het benutten van lage temperatuurbronnen. Maar ook voor het efficiënt omzetten van warmte in stroom of koude,  zelfs op vriestemperatuur.’

Partners

Nu het principe van de motor is bewezen, er is een werkende demonstrator op de UT-campus, zoekt Encontech naar – bij voorkeur Nederlandse – industriële partners die mee willen in de ontwikkeling van specifieke toepassingen. Het apparaat is schaalbaar van enkele kilowatts tot twee a drie megawatt per cilinder, die ook in serie geplaatst kunnen worden. Bliek: ‘Je kunt de expansiemotor inzetten als pomp, compressor of zelfs als aandrijving van schepen of locomotieven en dat in temperatuurranges van zeventig tot zeshonderd graden Celsius. Het lijkt me dat er genoeg toepassingen voor zijn te vinden. We kunnen dat echter niet alleen.’