Kennisdossier: Warmtenetten

Dit kennisdossier bestaat uit twee delen. Het eerste deel is een uiteenzetting van de huidige markt en groeimogelijkheden. In het gedeelte, genaamd ‘Portfolioanalyse’ worden lopende en afgeronde innovatie projecten bij TKI Urban Energy op het gebied van warmtenetten uitgelicht.

De restwarmte die vrijkomt bijvoorbeeld bij de verbranding in elektriciteitscentrales, het verbranden van afval of biomassa, of bij het winnen van geothermie kan grote hoeveelheden water verwarmen. Dit vindt plaats via een warmtewisselaar. Het verwarmde water stroomt via een ondergronds leidingnet naar woonwijken. De consumenten kunnen het warmte water vervolgens (na overdacht via nog een warmtewisselaar in de afleverset) gebruiken voor de verwarming van de woning via radiatoren en/of vloerverwarming, of als warm water voor het douchen. Dit is schematisch weergeven in Figuur 1.

Momenteel is in Nederland ongeveer 4% van de woningen aangesloten op een groot warmtenet. Voorbeelden zijn:

• Warmtenet Rotterdam: hier wordt warmte uit energie-intensieve industrie die wordt bedreven in de Rotterdamse haven getransporteerd naar woonwijken in het centrum.
• Het warmtenet van de Gemeente Dordrecht gebruikt de warmte die vrijkomt bij het verbranden van restafval.
• In het Warmtenet Trendrapport is er een overzicht gemaakt van alle grote en kleine warmtenetten in Nederland. Tijdens het peiljaar (2017) waren er 12 grootschalige warmtenetten en ruim tweehonderd kleinere. In het trendrapport is verder onderzoek gedaan naar onder andere klanttevredenheid, toekomstverwachtingen en verdienmodellen per bron. 

Conventionele netten

De warmte wordt in conventionele systemen geleverd op tot wel 120°C aan de ingang van het net tot 90°C bij de eindgebruiker. Dit noemen we dan ook hogetemperatuur warmtenetten. De restwarmte levert doorgaans alleen de basiswarmte, in de winter zijn er gasgestookte hulpketels die de piekbelasting opvangen. Deze ketels zijn onderdeel van het warmtenetsysteem. Het warmtenet levert dus zowel de basiswarmte als de piekwarmte. De duurzaamheid van een warmtenet wordt vooral bepaald door hoe duurzaam de warmtebron zelf is. De warmteopwekking vindt op dit moment nog hoofdzakelijk plaats met fossiele brandstoffen, maar er wordt steeds vaker gekeken naar toepassingen van duurzame energiebronnen, die vaak een lagere temperatuur hebben, zoals bijvoorbeeld zonnewarmte en warmte uit oppervlaktewater.

De totale energieprestatie van een warmtenet is afhankelijk van: (1) de herkomst van de warmte en (2) het totale warmteverlies in het net. Deze twee punten zullen hieronder worden uiteengezet.

De herkomst van warmte

Een warmtenet is een asset. Één warmtebedrijf heeft de verantwoordelijkheid heeft voor de gehele keten: de productie van warmte, distributienetwerk en de levering aan de consument. Afnemers hebben hierdoor geen keuze in de leverancier van warmte. Hierdoor ontstaan er lokale monopolies. Bovendien hebben de huidige warmtenetten veelal één warmtebron, waarvan het gehele warmtenet dus van afhankelijk is.

PWC heeft in 2015 een studie gedaan naar de wenselijkheid van TPA (Third Party Access). TPA is een manier om netwerken open te stellen voor nieuwe aanbieders, zoals nu al gebruikelijk is in de elektriciteits- en gassector of in de telecomsector. Voor warmtenetten zou TPA met name bedoeld zijn om verschillende 'producenten' van (rest)warmte toegang te geven tot een warmtenet. 

In tegenstelling tot elektriciteit, is de productie van warmte is sterk locatieafhankelijk. Bij het vervoeren van warmte in hogetemperatuur warmtenetten treden grote verliezen op (ordegrootte van 10-40%). Warmte kan daardoor niet, of slechts na tussentijdse opwarming, over lange afstanden getransporteerd worden.

Het doel is om in 2050 nagenoeg geen CO2 meer uit te stoten, waardoor aardgas voor gebouwverwarmingen geen optie meer is. Verwarming door aardgas is echter wel relatief goedkoop. Overstappen op andere vormen van verwarming zoals met collectieve warmtesystemen, is daarom relatief duur. De kosten zijn zeker aanzienlijk als er nog een nieuw warmtenet moet worden aangelegd. 

De conclusies die in Duitsland en Zweden zijn getrokken ligt in lijn met wat hierboven staat beschreven: TPA op warmtenetten leidt tot technische problemen en hoge kosten. De conclusie van PWC voor de Nederlandse markt is dat bij kleine warmtenetten de gereguleerde invoeding niet efficiënt zal zijn vanwege gebrek aan afzet. Voor groot stedelijke warmtenetten nemen de invoedingsmogelijkheden toe. Het grootste voordeel daarvan is dat producenten meer zekerheid krijgen over de tarieven en voorwaarden waardoor het aantrekkelijker wordt om in te voeden. Daartegenover staat dat het kan leiden tot technische problemen (ketenoptimalisatie) en economische inefficiëntie (bijvoorbeeld overinvesteringen in het net).

Warmteverlies in een leiding 

Om meer inzicht te krijgen hoe er warmte verloren gaat in een pijpleiding van het warmtenet, wordt hieronder dieper ingegaan op de natuurwetenschappelijke principes achter warmteoverdracht. 

De warmteverliezen in het net zijn afhankelijk van de kwaliteit van de pijpleidingen, de samenstelling van de ondergrond en de te overbruggen afstand. Ter beeldvorming, het warmtenet van Rotterdam heeft leidingen die 26 km overbruggen.

Om iets te weten te komen over de warmteverliezen in een buis dient de situatie geanalyseerd te worden. Aangenomen kan worden dat de stroming in de buizen turbulent is, waardoor de temperatuur onafhankelijk is van de afstand r tot de z-as (lengte van de buis in horizontale richting). Verder zal de omgevings- en invoer temperatuur (redelijk) constant zijn, het water altijd een snelheid hebben waardoor kan worden aangenomen dat het temperatuurverloop in de media onafhankelijk is van tijd. Het probleem is dus stationair; de temperatuur is alleen afhankelijk van x.

Warmteverliezen kunnen worden bepaald aan de hand van de afkoelingswet van Newton: Φq=A·U·ΔT, waarbij A totale oppervlak (in m2) is waar warmteverlies plaats vindt, U de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt en ΔT het temperatuurverschil. Hierbij is U dus een weerstand die wordt bepaald door de weerstanden en diktes van alle lagen (bijvoorbeeld isolatie). De formule om de totale weerstand te bereken is analoog aan de wet van Ohm.

Als er wordt uitgegaan van een situatie met een geïsoleerde pijp en een bepaald oppervlakte zal een kleinere ΔT zal hier leiden tot een lagere warmte flux Φq. Dit betekent dat de drijvende kracht van warmte naar buiten minder wordt: er gaat minder warmte verloren. 

Samengevat: technisch gezien is de temperatuur van het water de belangrijkste factor voor warmteverlies in het net. Vanuit de praktijk blijkt dat warmtenetten op jaarbasis verliezen hebben van 20-30%. Dit komt onder andere doordat het leiding net het gehele jaar op temperatuur moet blijven, terwijl de afzet van voorjaar tot najaar minimaal is. Dit maakt dat er meer wordt gekeken naar verwarmingsnetten op lagere temperaturen. De verliezen zullen dan significant worden gereduceerd. 

Om optimaal gebruik te kunnen maken van energie-uitwisseling tussen gebouwen is het wenselijk dat de bebouwing in een bepaald gebied zo gevarieerd mogelijk is. Zo kan de warmte van de retourleiding van een oude G-label woningen met een hoog temperatuurniveau (40° C retourtemperatuur) gebruikt worden voor de verwarming van een moderne A-label woning, die voldoende heeft aan warmte van een laag temperatuurniveau (cascadering). Evenzo kan de retourtemperatuur bij verwarming (20° C) gebruikt worden voor koeling van processen (op een hoger niveau), bijvoorbeeld voor een datacentrum, supermarkt etc. Andersom is ook mogelijk, zoals het gebruik van de warmte in woningen die ontstaat bij de koeling van utiliteit. Hoe meer complementaire thermische bronnen, van welke vorm dan ook, hoe groter het potentieel van energie-uitwisseling.

Lage Temperatuur Verwarming (LTV)

Naast de conventionele netten zijn ook andere systemen mogelijk. Een rapport opgesteld door CE Delft voor het functioneel ontwerp van LT-warmtenetten heeft de variaties samengevat in onderstaande tabel.

Om in ruimtes een gewenste comforttemperatuur van rond de 20°C te bereiken is het ondoelmatig om een invoer temperatuur van 90°C te hanteren. In de meeste gevallen is een aanvoertemperatuur van 55°C voldoende, waardoor er veel minder energieverliezen optreden.

Van LTV wordt gesproken als de aanvoerwatertemperatuur niet hoger is dan 55°C. In de installatiepraktijk wordt ook wel onderscheid gemaakt in hoge temperatuur, midden temperatuur, lage temperatuur en zeer lage temperatuur verwarmingssystemen. De aanvoerwatertemperaturen zijn dan respectievelijk maximaal 90, 75, 55 en 30°C.

Volgens het rapport ‘Collectieve warmte naar lage temperatuur’ dat is opgesteld door Ecofys en Greenvis in 2016, zijn lage temperatuur netten interessant vanwege twee belangrijke ontwikkelingen:

• Aan de aanbodkant leiden CO₂-emissiedoelstellingen tot het uitfaseren van kolen- en gascentrales in de komende decennia. Deze conventionele bronnen van warmte zullen in de toekomst verdwijnen. Dit geldt ook voor de beschikbaarheid van warmte uit het verbranden van afval in AVI’s. Efficiëntere afvalverwerking en recycling leidt namelijk tot een reductie in afvalstromen.
• Aan de gebruikerskant neemt de warmtevraag per woning sterk af door energiebesparingsmaatregelen zoals isolatie en warmteterugwinning. Deze lagere warmtevraag maakt het mogelijk om met een minder hoge temperatuur te verwarmen en hiervoor lage temperatuur warmtebronnen te gebruiken. In tegenstelling tot de afnemende vraag voor ruimteverwarming neemt de vraag naar warm tapwater in absolute zin toe doordat men vaker per dag doucht en per douchebeurt meer warm water gebruikt.

Bij de ontwikkeling van nieuwe warmtenetten, in bijvoorbeeld nieuwbouwwijken, kan al in het ontwerp rekening gehouden worden met het temperatuurregime. Voor bestaande netten is het verlagen van de temperatuur een uitdaging. In bovengenoemd rapport worden verschillende transitiepaden beschreven voor een HT warmtenet naar een LT-net. Zij noemen de belangrijkste overwegingen in het kiezen van een van de paden de borging van voldoende warmtecapaciteit en het minimaliseren van de kosten. Voor de warmtebron is het relatief eenvoudig om de temperatuur te verlagen. Ook zullen duurzame energiebronnen op een (veel) lagere temperatuur warmte leveren dan de huidige fossiele bronnen. De grootste impact van de transitie ligt in het distributienet en bij de warmteafnemers.

Toch zijn er niet alleen maar voordelen te benomen. Bij LT-warmte is het temperatuurverschil tussen de aanvoer en de retour veelal kleiner, waardoor er een grotere diameter nodig is voor de warmteleiding. De warmte die uit warmtenetten komt die opereren op een temperatuur lager dan 40°C moet worden opgewaardeerd voor gebruik. Dit warme water geeft niet voldoende verwarmingscapaciteit voor ruimteverwarming. Voor warm tapwater is er een minimale wettelijke vereiste temperatuur van 55°C in verband met de legionella bacterie. Opwaardering wordt gedaan met bijvoorbeeld een warmtepomp.

Ook blijken de kosten nu nog hoog uit te kunnen vallen en bij vloer- en wandverwarming kan de lage opwarmsnelheid nadelig zijn voor het comfort niveau. Bij goed geïsoleerde woningen speelt dit probleem minder omdat daar de afkoeling gering is en geen nachtverlaging wordt toegepast.

Volgens de Analyse Projectportfolio, een rapport samengesteld door Ecofys (a Navigant company), is de verwachting dat warmtenetten op steeds lagere temperaturen zullen gaan opereren. Dat biedt kansen voor lokale bronnen. Duurzame bronnen leveren warmte doorgaans op lage temperaturen. Dit wordt onderbouwd door pilot- en demonstratieprojecten die nu lopen waarbij restwarmte wordt gebruikt uit andere bronnen zoals supermarkten, zwembaden en datacenters. Omdat duurzame bronnen op lagere temperatuur opereren, zijn lage temperatuur warmtenetten nodig. In deze ontwikkeling is daarom afstemming/samenwerking tussen warmtebedrijven en operators van duurzame bronnen nodig, eigenlijk al vanaf de planvormingsfase. 

Huidige nationale status

In 2018 zijn een aantal proeftuinen aangewezen in verschillende gemeenten die voorbeeld zijn voor aardgasvrije wijken. Van de aanvragen heeft het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties aan 27 gemeenten subsidie toegekend toe voor deze plannen. Van die 27 plannen zijn er 23 met een warmtenet, en drie geven aan de transitie te willen maken naar lage temperatuur. Hier ligt veel ruimte voor innovaties en opschaling van bestaande concepten.

Ecofys en Greenvis schrijven dat hoewel de ervaring met lage temperatuur warmtenetten in Nederland nog beperkt is, het duidelijk is dat de belangrijkste uitdagingen in de transitie niet alleen technische aard zijn maar met ook organisatorisch en financieel. Er zijn gecoördineerde maatregelen nodig bij zowel de opwek, distributie en afname. De kosten voor aanpassingen in bestaande woningen zijn aanzienlijk. Deze kunnen alleen rendabel zijn als er collectief en in de gehele keten wordt overgegaan op lage temperatuur verwarming. Daarbij is een grootschalige en projectmatige renovatie-aanpak nodig.

LTV in andere landen

In verschillende Europese landen, waaronder Engeland, Duitsland en Oostenrijk, worden LTV systemen dan ook al op meerdere plaatsen toegepast. In Zweden, Denemarken en Zwitserland is het zelfs verplicht. Denemarken is een belangrijk land op het gebied van de ontwikkelingen van netten.

In Aarhus (Lystrup, Denemarken) zijn sinds 2010 veertig ‘low-energy’ woningen en één gemeenschappelijk gebouw aangesloten op een lokaal laagtemperatuur warmtenet, die de woningen van zowel ruimteverwarming als warm tapwater voorziet. De temperatuur voor warm tapwater ligt rond de 45°C. Verder is er een verbinding met een midden temperatuur warmtenet die tijdens winterperiodes 80°C kan leveren. Dit lage temperatuurnetwerk is een voorbeeld van een van de transitiepaden die kan worden genomen: een LT net in een gescheiden deel van het HT-net.

In Ludwigsburg (Duitsland) ligt een cascade van het warmtenet. Het koppelt de warmte af van de retourleiding, en heeft een temperatuurregime van 40-20°C. Naast deze cascade is er zonthermie geïntegreerd in het net, en zijn er toekomstplannen om het hoofdnet te gaan voeden met geothermie als basislast. Dit lage temperatuurnet is een goed voorbeeld van het transitiepad “cascadering (multi-line networks)”. Dit houdt in dat verschillende bronnen met verschillende temperatuurniveau ’s worden gebruikt om te komen tot een optimale match van vraag en aanbod.

Een buitenlands LT-net dat de warmtebehoefte zo goed als alleen voorziet door zonnewarmte staat in Okotoks (Canada). De 2.293 m2 zonnecollectoren leveren warmte met een aanvoertemperatuur van 40°C. De levering van zonnewarmte is mogelijk gemaakt door twee typen warmteopslag. Voor dag/nacht is er opslag in watertanks en seizoensopslag wordt gedaan in een ondergrondse aquifer. Als back-up zijn er ook nog gasgestookte boilers aangesloten op het net. Onderstaand figuur geeft een schematische weergave van de situatie.

Koudenetten

Partijen in ongeveer vijf projecten zijn bezig met de ontwikkeling van zowel warmte- als koudenetten. Met een koudenet kunnen kantoren beschikken over een duurzaam airconditioning- en klimaatsysteem. In 2006 werd de eerste koudecentrale geopend rondom de Amsterdamse Zuidas. Hier werd koude onttrokken uit de diepste waterlaag van een nabijgelegen meer en verpompt naar kantoren en een ziekenhuis. De ontwerpers liepen tegen verschillende problemen aan, waaronder een tegenvallende koudevraag vanuit de kantoren.

Verwachting is dat de komende jaren de koudevraag toeneemt. W/E adviseurs hebben berekend dat de temperatuur op een warme zomerdag toeneemt, het aantal zomerse dagen (≥25°C) per jaar toenemen, behoefte naar koude groeit door airco's in trein/kantoor/auto en daarboven neemt de verstedelijking toe. Een koudenet zou een mogelijkheid zijn om duurzame koude te leveren. In de Analyse Projectportfolio van Ecofys wordt aangegeven dat er in de projecten aandacht is voor de ontwikkeling van koudenetten, maar dat deze vooralsnog veel minder groot is dan de warmtenetten.

Verdienmodellen

De warmtelevering van kleinverbruikers is geregeld in de Warmtewet (2013). Hierin is vastgelegd dat warmtelevering per gigajoule niet duurder mag zijn dan verwarmen met aardgas. Het verdienmodel van een (Z)LT-net toont verschillen ten opzichte van de conventionele HT-levering. Dit is doorberekend in het Vesta model door PBL. Het model berekent eerst de energievraag en lokale opwerk van de gebouwde omgeving. Daarna berekent het per gebied of de warmtedistributie beschikbaar en rendabel is. Hieronder staan de belangrijkste punten samengevat:

• Warmtebron: Grotere beschikbaarheid van (duurzamere) bronnen; dit leidt mogelijk tot concurrentie voor het aanbod.
• Distributienet: Door lagere temperaturen gaat minder warmte verloren, daardoor kan de economische afweging voor minder isolatie gunstiger uitvallen. De kostenbesparing van minder isolatie is echter beperkt. Daarnaast is het temperatuurverschil vaak kleiner tussen aanvoer en retour waardoor er meer debiet en dus grotere leidingen nodig zijn. Per saldo leidt dit gemiddeld naar verwachting niet tot andere investeringskosten in de netten vergeleken met HT-netten, omdat het grootste deel van de kosten gerelateerd is aan de werkzaamheden in de ondergrond.
• Transportkosten: Het energieverbruik voor pompen zal hoger zijn vanwege een lagere energieinhoud van het te transporteren water. Daar staat tegenover dat de gebouwen op een LT-warmtenet goed geïsoleerd moeten zijn waardoor er relatief weinig water getransporteerd hoeft te worden.
• Gebouwgebonden kosten: Voor LT-netten zijn de gebouwgebonden kosten hoger. Verwarmen met een laag temperatuurniveau (~30-35 °C) vereist dat de gebouwen voldoende moeten zijn geïsoleerd (energieschillabelniveau A+). Tevens zal in het gebouw / de woning een LT-afgiftesysteem nodig zijn en een installatie om de LT-warmte op te werken voor bijvoorbeeld warmtapwaterbereiding.
• Energierekening: Bij een HT-warmtenet worden de kosten per geleverde GJ warmte verrekend. Bij een LT-net moet dat conform de Warmtewet ook, maar wanneer de warmte nog individueel wordt opgewaardeerd naar een hogere temperatuur met een warmtepomp, bedraagt de geleverde warmte maar een beperkt deel van de warmtevraag. Het is denkbaar dat in het dergelijke geval van een (Z)LT-net met individuele warmtepompen, dit wordt verrekend via een hoog vastrecht (nu nog niet toegestaan), of dat de warmteleverancier ook eigendom is van de individuele warmtepompen.

Doorgaans is het financieel rendement van LT-warmte lager dan HT-warmte, maar heeft het een groter energiebesparingspotentieel en dus CO2-besparingspotentieel. Daarmee kan LT-warmte interessant worden als de CO2-besparing tot uiting kan komen in het verdienmodel.

Portfolioanalyse

Dit is het tweede deel van het kennisdossier over warmtenetten. In dit gedeelte worden lopende en afgeronde projecten binnen TKI Urban Energy op het gebied van warmtenetten uitgelicht. Er zijn veertien projecten gevonden binnen het projectportfolio die zich bezighouden op dit onderwerp. Geclusterd per thema worden deze hieronder kort beschreven.