Wisselverwarming

Samen met studenten van de HvA heb ik meegedaan aan de Gasterraprijs. Hiervoor hebben we de publieksprijs gewonnen. We kwamen niet in aanmerking voor de juryprijs omdat ik niet van de HvA was maar van de UvA.

Het idee was om de wissels van de NS te verwarmen met heatpipes (thermosyphons) in de grond.

Hierbij de inzending:

 

  1. Title of your entry:

Passieve wisselverwarming met grondwarmte.

 

  1. The entry is based on results of scientific research carried out by:

 

Het idee betreft een project genaamd “energie uit onverwachte hoek” voor UvA natuurkunde studenten en HvA studenten elektrotechniek en werktuigbouwkunde onder begeleiding van ondergetekende van het Technologie Centrum van de FNWI.

Op wetenschappelijk gebied wordt het project getoetst door Dr. Peter Schall, docent thermodynamica bij het Institute Of Physics (IOP) van de FNWI.

 

 

 

  1. Description of the application:

Op een diepte van 1 meter of meer is de temperatuur van de grond het hele jaar door ongeveer 7°C. Een heatpipe is een extreem goed warmtegeleidende buis. De werking van een heatpipe is gebaseerd op verdamping en condensatie van een vloeistof in een afgesloten buis. Hierdoor is er een extreem goed warmtetransport mogelijk, ruim 1000 keer zo goed als massief koper. Het is bekend onder het “principe van Watt”.

Met heatpipes is het mogelijk passief warmte uit de grond te onttrekken, bijvoorbeeld ten gunste van verwarming van wissels van de spoorwegen. Passief is zonder toevoeging van extra energie.

Dit nieuwe type heatpipe werkt alleen met een warmtetransport van beneden naar boven.

De warmte wordt door de heatpipe verzameld en zal zorgen dat de bovenkant niet kouder is dan de onderkant. De kop van de buis zal dan altijd  minimaal de temperatuur aannemen van de grond op een meter diepte.

In het plaatje is een 4 m lange heatpipe te zien. Deze wordt bijna in zijn geheel in de grond gebracht. Het resultaat is hier onder te zien.

Op de linker foto de bovenkant van de heatpipe, op de rechter infrarood foto het bewijs dat de warmte naar boven komt. De buis is 6,9°C de luchttemperatuur was -7°C.

Door de heatpipe thermisch met een wissel te koppelen kan de wissel vorstvrij gehouden worden. Met dit hulpmiddel kan ProRail met heatpipes, de 5500 wissels gratis verwarmen en kan er jaarlijks 5.600.000 m³ aardgas en tegelijk 15,44 kton CO2 worden bespaard op basis van 1000 uur verwarming.

In het plaatje is te zien dat de wissels van prorail worden verwarmd. Hiervoor wordt ca 6 kW aan elektriciteit of gas voor gebruikt.

  1. Societal and/or commercial benefit?

    Which specific problem can be solved with your proposal?

Voor treinreizigers is het een grote ergernis dat de treinenloop erg afhankelijk is van neerslag in de winter. Prorail had in 2010 jaarlijks 5500 wissels te verwarmen in de winterperiode. 19 procent van het totaal jaarlijks energieverbruik van ProRail gaat naar wisselverwarming. Dit komt neer op 4.300.000 m³ aardgas en 10.000 MWh elektriciteit per jaar. Vanwege de warmere winterperiode in 2011 was het jaarlijks energieverbruik van 2011 lager dan 2010, maar laat alsnog enorme cijfers zien. Er gaat ruim 31% van het infra-energieverbruik op aan wisselverwarming (Energie Efficiencyplan 2011 – 2016). De economische voordelen zijn niet alleen voor de spoorbeheerder maar zeker ook voor de treinreizigers. De terugverdientijd voor prorail is door ons uitgerekend op minder dan 7,4 jaar.

 

  1.     Why is your idea innovative?

1 Het toepassen van zelf ontwikkelde heatpipes in combinatie met de wissels van ProRail is niet eerder toegepast. Het systeem is onderhoudsvrij. Heatpipes zijn inherent uitermate betrouwbaar.

2 De heatpipe kan ook bij andere toepassingen voor sneeuw en ijsvrije toepassingen zorgen. Denk bijvoorbeeld aan tramwissels die door Amsterdam, Rotterdam en Den Haag zijn verspreid. Ook het vorstvrij houden van fietsers- en voetgangersbruggetjes is een denkbare toepassing.

3 Heatpipes geleiden warmte zeker 1000 keer zo goed als massief koper en zorgen hiermee dat het een passief systeem is waarbij geen extra energie hoeft worden toegevoegd om de wissels te verwarmen.

 

  1.     Which application do you envisage?

Algemene toepassing op het vorstvrij houden van de wissels van het spoor of van trams.

 

  1. Is it possible to produce your idea on a large(r) scale at economic interesting costs?

Er is geen beperking in de toepassing. Wel is een voorwaarde dat de gemiddelde temperatuur van onder de grond duidelijk boven nul is. Het is dus niet bruikbaar in landen als Groenland of Noord-Rusland. In warme landen is het uiteraard niet nodig.