5e generatie warmtenetten: Ongekende mogelijkheden

Content EcovatArtikelen, Nieuws

Nu we in Nederland massaal van het aardgas af willen gaan, wordt veel verwacht van warmtenetten voor de gebouwde omgeving. Hoe gaan we de warmte infrastructuur goed inrichten? Hoe zorgen we ervoor dat we de juiste ontwerpkeuzes maken voor onze toekomstige warmtenetten?

Verduurzaming van de warmtevoorziening

Het Klimaatakkoord van Parijs (2015) betekent voor Nederland 80-95% reductie van de CO2-uitstoot in 2050 ten opzichte van 1990. De gebouwde omgeving is verantwoordelijk voor 32% van de Nederlandse CO2-uitstoot, vergelijkbaar met de uitstoot van de industrie (31%). De meeste huishoudens (95%) gebruiken aardgas voor verwarming, warm water en koken. Veel wordt verwacht van collectieve warmtevoorziening met warmtenetten. Zo noemt ook het Ministerie van EZK dat een groot deel van de nationale warmtebehoefte door collectieve warmtenetten kan worden geleverd: 20-50%. Warmtenetten kunnen effectief en grootschalig bijdragen aan het uitfaseren van aardgas als verwarmingsbron in de gebouwde omgeving. Maar er zijn de nodige uitdagingen te overwinnen waarbij de ontwerpkeuzes voor de korte termijn in de context van de lange termijn dienen te worden gemaakt. De complexiteit van deze ontwerpkeuzes kunt u globaal opsplitsen in 3 niveaus.

Het EERSTE NIVEAU betreft INVESTERINGEN IN GEBOUWEN; Een gebouwgerichte aanpak met beperkte maatregelen om het verbruik en de benodigde verwarmingstemperatuur te verlagen.

Het verbeteren van de bestaande woning naar Label B is daarbij het uitgangspunt. Met deze renovatie wordt de verwarmingstemperatuur verlaagd naar maximaal 50 graden.

Voor nieuwbouw woningen kan prima uit de voeten met een temperatuur van maximaal 40 graden. Voor renovatie is de isolatiegraad (en kwaliteit) van belang (thermografische foto’s), maar belangrijker is de zgn. luchtdichtheid van de woning (steekproef middels blowdoortest).

In dit kader is het leuk eens te rekenen aan de business case van een tochtband, u wilt niet weten hoe snel u die hebt terugverdiend!

Vaak wordt enkel gedacht aan isolatie maar door de woning goed luchtdicht te maken “vliegt de warmte niet zomaar naar buiten”. In dit kader is het leuk eens te rekenen aan de business case van een tochtband, u wilt niet weten hoe snel u die hebt terugverdiend.

Een gebouw kan, indien voldoende geïsoleerd, luchtdicht en voorzien van warmteterugwinning met maximaal 50 graden worden verwarmd en indien nodig met 18 graden worden gekoeld. Hiervoor gelden geen extreem hoge eisen en kosten. Een forse verbetering van de energie-efficiëntie en comfort van een bestaande woning is mogelijk met eenvoudige maatregelen zoals na-isolatie van dak, gevel en/of vloer, HR++ glas en balansventilatie met warmteterugwinning. De kosten bedragen ca. EUR 10.000 tot 15.000 euro per woning, waarvan een groot deel wordt terugverdiend door de energiebesparing. Tevens leiden deze maatregelen tot kwalitatieve verbetering en waardestijging van de woning.

Deze maatregelen tot kwalitatieve verbetering en waardestijging van de woning.

Het TWEEDE NIVEAU betreft een GEBIEDSGERICHTE AANPAK voor invulling van de resterende warmtevraag met behulp van grootschalige opslag, warmtepompen en een slim decentraal/regionaal netwerk, dat alle bronnen en gebruikers met elkaar verbindt.

In combinatie met een aansluiting op een laagtemperatuur 5de generatie warmte/koude netwerk, zoals Mijnwater met Ecovaten, kunnen woningen duurzaam worden verwarmd en gekoeld. De kosten voor een aansluiting op een dergelijk netwerk bedragen ca. 12.500 euro per woning.

Het DERDE NIVEAU betreft het vermijden van SYSTEEMKOSTEN. Het vermijden van systeemkosten nodig voor de resterende elektrische vraag door koppeling met beschikbaarheid van duurzame energie en vermijden van systeemkosten; Curtailment, netverzwaringen en piekcentrales. Inschatting van deze vermeden kosten op basis van studies geven aan dat deze kosten substantieel zijn en voorzover nu bekend ca. (-/-) 5.000 euro per woning bedragen.

Zie ook https://www.ecovat.eu/nieuws/minder-kosten-netverzwaring-en-piekcentrales-per-ecovat-project-a-17-tj-een-jaarlijkse-besparing-tussen-de-e-97-000-en-e-167-000/

Meest kosteneffectieve oplossing is een gecombineerde aanpak op Gebouw, het Gebied en het Vermijden van kosten op Systeemniveau. Om bovenstaande transitieroute over de drie niveaus geïntegreerd aan te pakken, zou regievoering door gemeentes in nauwe samenwerking met woning-eigenaren, zoals woningcorporaties, coöperatieve particuliere woningeigenaren en andere stakeholders gezamenlijk nodig zijn.

De kennis die bij alle stakeholders en marktpartijen aanwezig is kan worden ingebracht, zodat (financiële) haalbaarheid en draagvlak ontstaat. Tevens is het van belang dat er een model (bijv. ETM/Quintel of Mais/Vesta) is waarmee de ontwerpkeuzes over de 3 niveaus objectief door gemeentes gewogen kunnen worden opdat er vanuit systeemniveau een integrale kosten beoordeling (TCO) kan plaatsvinden. Immers uit onderzoek blijkt dat Gemeenten vaak verschillende ambitieniveaus of technische voorkeur hebben die invloed hebben op de vraag die gesteld wordt aan adviesbureaus. Daarin wordt geconstateerd dat vrijwel alle adviesbureaus instellingen kunnen aanpassen in het model om beleid tegemoet te komen. Door alle stakeholders te betrekken, die de lokale situatie kennen, kunt u starten met no-regret wijken en andere lokale kansrijke opgaven.

Evolutie van warmtenetten

Je hebt warmtenetten en warmtenetten. Om niet alles op één hoop te gooien is het goed wat dieper in te zoomen op warmtenetten.

Algemeen leeft bij de consument dat warmtenetten duur zijn. Dit komt met name doordat deze (oudere generatie) warmtenetten energetisch minder efficiënt zijn. Tevens is de onderliggende kosten structuur niet transparant. Bij 5e generatie warmtenetten ontstaan ongekende mogelijkheden, ook voor de aangesloten consumenten.

Klassieke warmtenetten – 3e Generatie

De huidige traditonele 3e generatie warmte/koude netwerken (in het Engels 3th Generation District Heating Grids afgekort als 3DHG) zijn centraal gestructureerd, waarbij van uit een centrale energiecentrale klanten worden voorzien van warmte en koude, veelal nog op basis van FOSSIELE BRONNEN zoals aardgas en olie op hoge temperatuur (>120 graden) of afvalverbranding.

Er is een mooie parallel te trekken tussen warmtenetten en de ontwikkeling van ICT

Er is een mooie parallel te trekken tussen de ontwikkeling van ICT. De huidige 3e generatie warmte/koude netwerk is te vergelijken met een Mainframe Computer uit het verleden.

De structuur van het 3e generatie warmte en koude netwerk is hiërarchisch met een transport- en distributienet, en laat zich goed ontwerpen en ontwikkelen met bestaande tools en technieken, volgens een seriële aanpak van planning-concept-ontwerp-engineering-deployment-operation.

In deze ontwikkeling wordt vaak op pieklast en worst-case scenario’s ontworpen, wat leidt tot relatief hoge CAPEX (Investeringen) en OPEX (onderhoudskosten): grote diameters van leidingen in netwerkinfrastructuur, bijbehorende pompvermogens voor transport en transportverliezen. Met name deze hoge kosten vormen een belemmering voor een goede business case.

Klassieke warmtenetten – 4e Generatie

De huidige traditionele 4e generatie warmte/koude netwerken (in het Engels 4th Generation District Heating Grids afgekort als 4DHG) zijn vaak centraal gevoed en decentraal gestructureerd, waarbij van uit een energiecentrale, ondersteund met decentraal ingevoede restwarmte van industrie, biomassa of AARDGASGESTOOKTE WKK installaties, klanten worden voorzien van warmte en koude op midden temperatuur (>70 graden). Er is een mooie parallel te trekken tussen de ontwikkeling van ICT. Het huidige 4e generatie warmte/koude netwerk is te vergelijken met een Workstation Computer uit het verleden.

De (4e) generatie warmtenetten bieden betere kansen om de voordelen van warmtenetten te behouden en de 3e generatie nadelen weg te nemen. De belangrijkste verdienste is dat de betaalbaarheid (CAPEX/OPEX), de duurzaamheid en de toekomstbestendigheid kunnen verbeteren.

Toch is de adoptie van 4e generatie warmtenetten in Nederland laag. Een belangrijke reden is dat de ingenieurs- en ontwerpbureaus die netten ontwerpen gebruik maken van ontwerpmethodes, die voor 4e generatie warmtenetten vaak niet toereikend zijn. Warmte verplaatsen over grote afstand op hoge(re) temperaturen is energetisch financieel niet efficiënt.

5e generatie warmtenetten – thermal smart grid

Inmiddels zijn er 5e generatie warmte/koude netwerken die gebruik maken van decentrale energiecentrales bij de eindgebruikers. Een voorbeeld hiervan is het Mijnwater warmte/koude netwerk.Wat gerealiseerd en geexploiteerd wordt in Heerlen. Deze kunnen via een slim netwerk direct warmte en koude met elkaar uitwisselen. Er is sprake van een thermische cloud.

Het 5e generatie warmtenet betreft de toevoeging van de elementen tijd (buffering) en intelligentie (Controlling). Buffering in gebouwen is beperkt. Het betreft enkel korte termijn buffering op uur en dag basis. Het gaat om optimale balancering van vraag en aanbod.

Intelligentie en opslag

5e Generatie warmtenetten worden ontworpen volgens het laag-exergie principe. De warmte in de decentrale clusters, met een temperatuur van 25 graden wordt met behulp van kleine warmtepompen in cascade, in temperatuur verhoogd naar de vereiste temperatuur voor ruimteverwarming, 40 graden max voor nieuwe gebouwen en 50 graden max. voor gerenoveerde gebouwen.

Temperatuur 40 graden max voor nieuwe gebouwen en 50 graden max voor gerenoveerde gebouwen.

Met behulp van individuele booster warmtepompen (zie onderstaande visual) in de woningen wordt de temperatuur verder verhoogd tot 65 graden voor de bereiding van warm tapwater. Hiermee wordt onnodige circulatie met bijbehorende warmteverliezen voorkomen. De installatie zijn tevens hybride, in staat om zich aan te passen aan wisselende temperaturen in het clusternetwerk die kunnen optreden door de toepassing van additionele restwarmtebronnen. De beschikbare energie kan daarbij zo passief als mogelijk worden hergebruikt.

Een intelligente laag is nodig om de procesbesturingssystemen aan te sturen. De intelligente controller is adaptief en voorspellend op basis van de verbruiksprofielen van de aangesloten gebouwen en beschikbaarheid van de duurzame bronnen. Daarbij maakt de controller gebruik van meerdere control strategieën zoals cell/cluster balancering gericht op optimaal hergebruik, piek/dal afvlakking van de vraag gericht op optimale inzet van de beschikbare duurzame bronnen en benutting van de netwerkcapaciteit en marktinteractie gericht op kosten en opbrengsten optimalisatie.

Met behulp van Ecovaten is buffering op gebiedsniveau voor de middellange en lange termijn mogelijk waarmee over een veel langer termijn de vraag kan worden uitgevlakt, de energie kan worden vastgehouden en (passief) hergebruikt. Ecovaten zijn multifunctionele buffers. De buffergrootte kan variëren tussen 20.000 en 100.000 m3. Ecovaten zijn thermisch gelaagde buffers, waarin meerdere temperatuur niveaus kunnen worden opgeslagen tussen 5 en 95 graden.

Het Ecovat wordt ingezet als buffer voor laagtemperatuur warmte uit het clusternet, maar ook als productiebuffer voor geproduceerde warmte door de warmtepompinstallatie tot een niveau van 60 graden. Met behulp van additionele hoog-temperatuur bronnen zoals zonthermisch, biomassa, restwarmte of overschotten van groene stroom op het elektriciteitsnet kan de temperatuur verder worden verhoogd tot 90 graden.

Primaire functie van het Ecovat is piek/dal uitvlakking afhankelijk van de grootte van het Ecovat kan hierdoor de aansluiting op het clusternet en de warmtepompcapaciteit sterk worden gereduceerd (-70%) omdat de warmtevraag over een grote periode kan worden uitgesmeerd, waarbij de momentane piekvraag vanuit het Ecovat kan worden geleverd.

Daarnaast kan het Ecovat worden ingezet voor opslag van restwarmte die vrij komt tijdens het koelen van de aangesloten gebouwen, maar ook additionele restwarmte of warmte uit duurzame bronnen. Deze warmte kan direct zonder gebruik van warmtepompen worden (her-) gebruikt ofwel passief. Het Ecovat kan ook worden ingezet als seizoensbuffer, om zoveel mogelijk warmtewinsten in de zomer (tijdens het koelen van de gebouwen en/of zonthermisch) op te slaan voor gebruik in de winter.

Het Ecovat maakt tevens autonoom bedrijf mogelijk, waarbij geen warmte wordt betrokken van het clusternet, maar uit het Ecovat. Tevens is autonoom bedrijf van het gehele clusternet mogelijk. In dat geval wordt de warmte uit het Ecovat terug geleverd aan het clusternet.

Samenvatting: 5de generatie warmtenetten: 10 voordelen op een rij

1. Duurzame thermische smart grid (Mijnwater – Ecovat)
2. Cloud structuur (3 besturingsniveau’s)
3. Uitwisseling (hergebruik; prosumers)
4. Buffering (tijd)
5. Meervoudige warmtebronnen (hybride)
6. Demand & supply side management (intelligentie)
7. Laag-exergetisch (LT-verwaming & HT-koeling)
8. Gasloos
9. Integreerbaar met elektrische (smart) grid CO2-emissie reductie: 80–100%
10. Reproduceerbaar voor andere Steden en Gemeentes: op basis van beschikbare blauwdruk