Warmte opwekken met gekleurde coatings op gevelbeplating

Dankzij de ontwikkeling van gekleurde coatings die de energie in onzichtbaar licht benutten, zijn esthetisch verantwoorde zonnecollectoren mogelijk geworden. Het geveloppervlak kan nu ook voor warmteopwekking gebruikt worden, zonder lelijke zwarte collectoren.

Het dak lijkt in de toekomst het domein te worden van het PV-paneel en de opwekking van elektriciteit. Als het aan het Envision-project ligt, zal de gevel gebruikt worden voor de opwekking van warmte. Dankzij de ontwikkeling van nieuwe coatings zijn binnenkort warmtecollectoren in elke gewenste kleur en elk patroon verkrijgbaar.

In plaats van de traditionele zwarte panelen kan nu de warmte worden gewonnen uit esthetisch verantwoorde gevelbekleding. De mogelijkheid om de collectoren te combineren met bestaande warmtepomptechnieken zorgt voor een goede derde optie naast bodemlus warmtepompen en luchtwarmtepompen.

Envision

Envision is een samenwerking van een consortium van negen partijen en is onderdeel van het EU Horizon 2020 programma. Het project heeft vier technieken voor energieopwekking bij elkaar gebracht met als doel een totaalconcept te ontwikkelen dat elke vierkante meter van een gebouw benut voor energieopwekking. Zodoende kunnen gebouwen niet alleen energieneutraal worden, maar zelfs energiepositief.

Vier technieken

Het project betreft de vier volgende technieken: PV-cellen in glasoppervlaktes, warmteopwekking via glas, warmteopwekking via zonnecollectoren en warmteopwekking via gevelpanelen. Bij laatstgenoemde techniek is dr. ir. Bart Erich, onderzoeker bij TNO, nauw betrokken. Hij hield zich met name bezig met de ontwikkeling van coatings die het mogelijk maken zonnecollectoren van een andere kleur te voorzien dan zwart, zonder dat het rendement te laag wordt.

Geveloppervlakte voor warmtewinning

“Het idee achter het project is als volgt: in de toekomst gaan we alle daken vol leggen met PV. Dan blijft de gevel over als oppervlakte voor warmtewinning. Uiteraard wil je dan een zo onzichtbaar mogelijke oplossing hebben, zodat de collectoren niet in negatieve zin opvallen”, legt Erich uit. “Systemen voor warmteopwekking bestaan al, maar het probleem is dat die collectoren zwart zijn en niet iedereen zit te wachten op zwarte gevels – dit geldt voor zowel architecten als gebouweigenaren. De reden waarom de collectoren nu alleen in zwart verkrijgbaar zijn, is dat het de enige kleur is die het volledige spectrum aan zonlicht absorbeert.”

Volledige spectrum

Met het volledige spectrum bedoelt Erich niet alleen het zichtbare deel van het licht. Het lichtspectrum is namelijk breder dan wat wij met het blote oog kunnen waarnemen.

“Vijftig procent van het zonlicht is zichtbaar en vijftig procent niet. Een oppervlak heeft kleur omdat dat oppervlak het licht van die kleur weerkaatst. Dus: een rood oppervlak reflecteert rood licht en absorbeert de andere kleuren van het zichtbare deel. Maar het onzichtbare deel wordt ook gereflecteerd. Gevolg is dat gekleurde oppervlaktes een groot deel van het volledige spectrum aan zonlicht weerkaatsen. Hierdoor is de warmte-absorptie ten opzichte van zwarte oppervlaktes vaak veel lager, waardoor gekleurde collectoren normaal gesproken niet mogelijk zijn.”

Near Infrared

Om die kleuren toch geschikt te maken voor warmteopwekking, moet de absorptie van het onzichtbare licht beter worden. Namens TNO heeft Erich, in samenwerking met Akzo Nobel, zich specifiek gericht op het deel van het onzichtbare licht dat ‘nabij-infrarood’ of ‘near infrared’ (NIR) wordt genoemd. Dit deel is ongeveer verantwoordelijk voor 50% van de energie in zonlicht.

Pigmenten

Om de energie in NIR te kunnen benutten hebben de onderzoekers een slimmigheid toegepast. “De truc is dat er allerlei soorten pigment zijn die een bepaald deel van het spectrum absorberen. Het is ons gelukt pigmenten aan kleuren toe te voegen die NIR absorberen, maar verder geen invloed hebben op de reflectie van het zichtbare deel van het licht. Ze gedragen zich eigenlijk als zwart voor het deel van het licht dat we niet zien”, zegt Erich.

“Voor de donkere kleuren was dat relatief eenvoudig. Maar vooral voor de lichte kleuren was het lastig om de juiste pigmenten te vinden. Hiervoor hebben we samen met Akzo Nobel een hele screening gemaakt.”

Maar het resultaat mag er wezen: “Gewoon wit absorbeert bijvoorbeeld maar 2% van de zonnestraling. Met de toevoeging van het juiste pigment hebben we de absorptie kunnen verbeteren. De collector geeft voor deze kleur wit uiteindelijk een rendement van rond de 35%. Wij zien naar de toekomst nog ruimte dit verder te verbeteren, zodat wij nog dichter tegen het theoretisch maximum kunnen komen. Al met al een behoorlijke toename van het rendement dus.”

Met de aangepaste coatings is het mogelijk om gevels te voorzien van warmtecollectoren in allerlei kleuren en motieven én een hoog rendement te halen.

Gevelbeplating

Het gevelsysteem waar de coating op toegepast gaat worden, is ontwikkeld samen met Emergo. Het systeem bestaat uit gevelbeplating met leidingen die de warmte transporteren naar een warmtepomp binnenshuis.

Hoewel het gevelbeplatingsysteem met bekleding nog in een woning gedemonstreerd moet worden, laten de testen tot nu toe een uiterst positief beeld zien.

“Het systeem kan op jaarbasis de zoninstraling in een zuidgevel van ongeveer 3 GJ aan energie per vierkante meter benutten”, zegt Erich. “De maximale opbrengst geldt voor een zwarte kleur en zuidoriëntatie. Kies je bijvoorbeeld voor rood, zoals wij gedaan hebben, dan heb je zo’n 15% rendementsverlies van de collectoren ten opzichte van zwart. Een gemiddelde nieuwbouwwoning heeft ongeveer in totaal 14 GJ aan warmte nodig. Dat betekent dat je, ongeacht de kleur, voor een nieuwbouwwoning met 10 à 20 m2 klaar bent.”

Derde optie voor warmtepompen

De collectoren kunnen aangesloten worden op bestaande warmtepomptechnologie. Dus met buffervat en warmtepompunit binnenshuis. De combinatie van gevelpanelen en een warmtepomp kan daarmee een concurrent voor de luchtwarmtepomp en de bodemlus worden.

“Het is eigenlijk de derde optie ten opzichte van wat er nu op de markt is. En die optie is economisch interessant omdat je hiervoor niet de bodem in moet – wat kostbaar en niet overal mogelijk is – en omdat het systeem geen geluid produceert zoals een luchtwarmtepomp. Bovendien haalt het hogere rendementen bij lage temperaturen, omdat het gebruikmaakt van zonlicht in plaats van de omgevingstemperatuur.”

Renovatie

Met de gewenste combinatie van duurzame energie en esthetiek hoopt het Envision-project de weg vrij te maken voor warmteopwekking op het geveloppervlak van de bestaande woningvoorraad. Maar ook Erich erkent dat voor de renovatiemarkt de eerste stap toch het verbeteren van de woningisolatie is. “Maar, afhankelijk van de testresultaten van dit systeem, kan blijken dat de isolatiestap misschien wel minder groot hoeft te zijn dan nu het geval is.”

Opslag van energie

Zoals bij alle systemen die energie opwekken met de zon, is opslag van energie nog een uitdaging. Het meeste zonlicht is er immers in de zomer, terwijl we in de winter de meeste energie nodig hebben.

“Dat blijft een probleem en daar zal wel een oplossing voor moeten komen in de vorm van een accu of warmtebatterij. Een buffervat met water is niet geschikt om warmte op lange termijn op te slaan. Je moet dan toch denken aan lokaal opslaan van energie, individueel of op wijkniveau. In Italië doen we nu proeven met het terugleveren aan warmtenetten. Dat gebeurt op particulier niveau in Nederland nog niet, maar als dit een oplossing is, dan wordt warmteopslag eenvoudiger omdat je dat op grotere schaal kunt doen.”

Praktijktest appartementen

Het Envision-project heeft meerdere testopstellingen verspreid over Europa. Zo staan er opstellingen van de verschillende technieken in Frankrijk, Italië en Nederland. De echte praktijktest van de gekleurde collectoren zal in Nederland plaatsvinden.

Er liggen plannen om een appartementengebouw met 24 appartementen te voorzien van de gevelpanelen, in combinatie met PV-cellen in het glas. “De vraag die we met deze test willen beantwoorden is welke rendementen de systemen daadwerkelijk in de praktijk hebben.” De keuze voor een appartement in plaats van grondgebonden woningen is geen toeval. “We kiezen juist hiervoor omdat appartementsgebouwen lastig energieneutraal te maken zijn. Dit komt omdat ze een relatief gering geveloppervlak hebben in relatie tot het aantal woningen.” Naar verwachting zal de praktijktest in 2020 plaatsvinden.