Geen elektriciteitspieken en minder CO2-uitstoot dankzij de warmtebatterij!

In de transitie naar een toekomstbestendig en duurzaam energiesysteem, wordt sterk ingezet op hernieuwbare energiebronnen met variabele opwekpatronen, zoals bijvoorbeeld zonnepanelen. Tegelijkertijd groeit de vraag naar elektriciteit bij gebouwen door de inzet van bijvoorbeeld warmtepompen voor verwarming. Hierdoor ontstaat er in de zomermaanden een overschot en in de winter een tekort aan duurzame elektriciteit uit zonnepanelen. In de winter betekent dit dat er nog relatief veel “grijze” stroom nodig is voor de verwarming van gebouwen. Om de onbalans in het energienet te voorkomen, is het van groot belang dat de duurzame opwek beter aansluit op de vraag.

Één van de oplossingen is om juist in de zomermaanden de warmte te produceren die in de winter nodig is voor de verwarming van gebouwen. Dit kan door warmtenetten te voorzien van seizoensopslag in watervoerende lagen of grote tanks in de bodem. In de zomer wordt het overschot aan duurzame elektriciteit m.b.v. warmtepompen en bijvoorbeeld PVT-panelen omgezet in warmte en in de bodem opgeslagen. Dit wordt ook wel power-to-heat genoemd. In de winter wordt de warmte weer aan de bodem onttrokken. Warmtenetten worden hierbij getransformeerd tot “open” warmtenetten, waarbij de afnemer ook de leverancier wordt van warmte. De totale kosten voor warmte zullen dalen en de verduurzaming en een betere balans binnen het energie-infrastructuur kan toenemen.

Onderzoek warmteopslagsystemen energieneutrale woonwijken

Merosch heeft onderzocht welke warmteopslagsystemen technisch en financieel haalbaar zijn voor toepassing in nieuwe energieneutrale woonwijken. Als casus is gekeken naar een nieuw te bouwen woonwijk. Interessant aan deze casus is dat de nieuw te bouwen woonwijk in meerdere fasen wordt ontwikkeld, waardoor we de impact van de schaalgrootte op het uiteindelijke type warmteopslag konden toetsen. Per fase zijn aan de hand van daadwerkelijk gerealiseerde projecten 4 typen warmteopslagsystemen onderzocht:

1. Open grondwatersysteem (ATES)
2. Gesloten bodemwarmtewisselaars (BTES)
3. Ondergrondse gesloten buffer (PTES)
4. Geïsoleerde opslagtank (TTES)

De temperatuur in de warmteopslagsystemen varieert van ca. 30°C in ongeladen toestand tot ca. 50°C in geladen toestand.

Waarom onderzoek naar warmteopslag?

De gebouwinstallatie (bovengronds) bestaat voor dit onderzoek uit een centrale luchtwarmtepomp die tegelijk kan koelen en verwarmen. In de zomer wordt tijdens het koelen van de woningen de vrijgekomen warmte niet aan de buitenlucht afgegeven, maar deze wordt rechtstreeks aan het warmteopslagsysteem geleverd. Uit beschikbare data blijkt dat er vrijwel altijd een overschot is aan zonnestroom op momenten dat energieneutrale gebouwen een koelvraag hebben. Het actief koelen met de luchtwarmtepomp en passief verwarmen met de warmteopslag is daardoor aanzienlijk duurzamer (minder CO2-uitstoot en lagere operationele kosten) in vergelijking met actief verwarmen en passief koelen (zoals het geval is bij conventionele WKO-installaties).

Conclusies onderzoek

De conclusies van het onderzoek naar warmteopslag hebben we hieronder weergegeven:

• Dankzij warmteopslag wordt vraag en aanbod van duurzame energie beter in balans gebracht waardoor pieken op het elektriciteitsnet afnemen
• Met de toepassing van warmteopslag zal het tekort aan duurzame elektriciteit in de winter afnemen, waardoor de afhankelijkheid van fossiele back-up zal afnemen en de CO2-uitsoot lager uitvalt in vergelijking met warmtepompsystemen zonder warmteopslag
• Warmteopslag met een BTES-systeem is met name interessant wanneer deze volledig onder een nieuw te realiseren gebouw kan worden gerealiseerd. Het BTES-systeem moet namelijk aan de bovenzijde zeer goed geïsoleerd worden om warmteverlies naar de omgeving te beperken. In het open veld zou deze isolatielaag erg duur worden.
• Het warmteverlies naar de omringende bodem is met name in “open” warmteopslagsystemen (ATES) een aandachtspunt. Het warmteverlies neemt in verhouding af met de omvang van de opslag waardoor ATES met name geschikt is vanaf ca. 1.000 woningen. ATES kan overigens ook in bestaande woonwijken worden toegepast.
• Bij toepassing in energieneutrale nieuwbouw zijn de totale levensduurkosten van warmteopslag (o.b.v. BTES of ATES) vergelijkbaar met traditionele warmte- en koude opslagsystemen. Zodra er een variabel elektriciteitstarief wordt gehanteerd zal warmteopslag gunstiger uitvallen.
• Het opslaan van warmte in zeer grote waterbassins (PTES/TTES) is in verhouding tot ATES en BTES heel erg duur als de bassins nog aangelegd moeten worden. Tevens is hier veel constructiemateriaal voor nodig. Deze variant houdt de warmte wel zeer goed vast en wordt daarom alleen geadviseerd als de waterbassins al aanwezig zijn.
• De meerkosten van PTES/TTES in verhouding tot ATES en BTES worden lager naarmate de omvang van de opslag toeneemt. Op grote schaal, bijvoorbeeld bij toepassing in grote warmtenetten, kan PTES/TTES wel interessant zijn als goedkope vorm van warmteopslag.
• Door power-to-heat met warmteopslag op grote schaal toe te passen, is het mogelijk om netverzwaring te voorkomen. In sommige gevallen kan deze oplossing zelfs goedkoper zijn dan netverzwaring.

Casa Aqua Soest

Inmiddels heeft Merosch een project gevonden (Casa Aqua Soest) om warmteopslag toe te gaan passen. Het betreft een kleinschalig woningbouwproject, waarbij er een gesloten buffersysteem wordt toegepast (zie afbeelding). In dit geval extra duurzaam vanwege het gebruik van een bestaand wateropslag bassin. Als het project is gerealiseerd en het warmteopslag systeem draait, delen we onze inzichten in efficiëntie en energiestromen.