Warmteopslag

Inhoud van deze pagina

De opslag van warmte in de gebouwde omgeving reduceert mogelijk drie problematische eigenschappen van onze toekomstige energievoorziening: een niet op de energieproductie afgestemde warmtevraag, een energietekort in de koudste weken van de winter en hoge kosten van het aanleggen van infrastructuur voor pieken als deze. Verschillende warmteopslagmethodes voor de gebouwde omgeving worden momenteel ontwikkeld en getest. Dit kennisdossier geeft een overzicht van de technologieën waar onderzoek naar wordt gedaan binnen het innovatieprogramma van TKI Urban Energy. Daarnaast werpen we een blik op de toekomst door te analyseren welke technologieën voor welke problemen een oplossing kunnen bieden. Er zijn KPI’s en streefwaarden opgesteld om richtlijn te geven aan de innovatie opgaven en deze beter te kunnen monitoren.

Ruim driekwart van alle energie die in de gebouwde omgeving wordt gebruikt is nodig voor ruimteverwarming, warmtapwater en koken. Momenteel wordt bijna 90% van deze warmte gemaakt door de verbranding van aardgas. Vanwege de CO2-uitstoot hiervan past dit niet in een duurzame toekomst en heeft het winnen van Gronings aardgas negatieve lokale gevolgen. Daarom heeft het kabinet haar intenties kenbaar gemaakt om de gaskraan versneld dicht te draaien.

Er zijn verschillende alternatieve duurzame energiebronnen die de rol van aardgas kunnen overnemen. De Nederlandse warmtevraag is sterk afhankelijk van het seizoen, wat een direct uitdaging vormt voor deze duurzame energiebronnen. Waar aardgas gemakkelijk op te slaan, te transporteren en lokaal te verbranden is, is voor duurzaam gewonnen elektriciteit en warmte opslag in grote hoeveelheden lastig. Dit terwijl de energieopbrengst van bronnen als de zon en de wind sterk fluctueert zowel met het dag/nacht ritme als het seizoens afhankelijk zijn. Samen vormt dit de eerste problematische eigenschap van ons toekomstige energiesysteem: een niet op de warmtevraag afgestemde duurzame energieproductie.

Een van de opties voor de verduurzaming van de warmtevoorziening in de gebouwde omgeving is het gebruik van warmtepompen die gebruik maken van elektriciteit om warmte van een warmtebron op te waarderen. Ook zijn er andere manieren om elektriciteit te gebruiken voor de productie van warmte, zoals met een elektrische kachel of infrarood panelen. Zodra een gedeelte van de warmteproductie wordt geëlektrificeerd, zal de elektriciteitsvraag vooral in de koude periodes groter worden. Naar verwachting kunnen duurzame energiebronnen voor een aantal weken per jaar niet genoeg energie leveren voor deze geëlektrificeerde warmteproductie, tijdens de zogenoemde ‘windloze winterweken’ ofwel de ‘Dunkelflaute’, waarin de productie van zonne-energie en windenergie erg laag is. Dit is een tweede problematische eigenschap van ons toekomstige energiesysteem: een energietekort in de koudste weken van de winter.

Om aan de grotere elektriciteitsvraag te kunnen voldoen moet het elektriciteitsnet in Nederland worden verzwaard. Deze dure maatregel moet voorkomen dat het net overbelast raakt met een (gedeeltelijke) uitval tot gevolg. Naast andere ontwikkelingen zoals de toename van elektrische auto’s en meer decentrale zon-PV of zonnewarmte systemen, vormt de deels geëlektrificeerde warmtevraag een potentiële bedreiging voor het elektriciteitsnet, vanwege de grotere pieken. Omdat deze geconcentreerd zijn in tijdstippen en seizoenis voor het grootste gedeelte van het jaar een grotere netcapaciteit niet nodig is. Dit is de derde problematische eigenschap van ons toekomstige energiesysteem: hoge kosten voor netverzwaring die is ingericht op de pieken van de warmtevraag. Een zelfde voordeel van beperking van de zwaarte van het net en installaties als warmte bij piekvraag uit opslag gehaald kan worden, speelt bij warmtenetten en gebouwinstallaties. Ook deze kunnen dan lichter worden uitgevoerd.

Warmteopslag: drie grote voordelen

Deze drie problematische eigenschappen van ons toekomstige energiesysteem vragen om slimme oplossingen. Een van de meest belovende oplossingsrichtingen is energieopslag. Waar elektrochemische energieopslag in het elektriciteitsnet op de onbalansmarkt een overduidelijk voordeel kan bieden, geldt dit ook voor warmteopslag in het afstemmen op van de energieproductie op de warmtevraag.

Warmteopslag voor de korte termijn biedt een oplossing voor de warmtevraag die fluctueert tussen nacht/dag en tussen dagen. Ten tijde van overvloedige elektriciteitsproductie kan energie worden opgeslagen in de vorm van warmte. Wanneer er warmte nodig is kan de opgeslagen warmte dan uit de warmteopslag worden onttrokken. Hierdoor heeft deze vorm van warmteopslag een dempende werking op de fluctuaties in het elektriciteitsnet, zoals te zien in onderstaand figuur.

de dempende werking van warmteopslag op de korte termijn op het elektriciteitsnet.

Naast de dempende werking die warmteopslag op de korte termijn kan hebben op het elektriciteitsnet, kan warmteopslag ook nuttig gebruikt worden voor de lange termijn. Met name zonne-energie is overvloedig aanwezig in de Nederlandse zomer, terwijl de warmtevraag met name in de winter groot is. Warmteopslag op de lange termijn maakt het mogelijk om de zomerwarmte in te zetten voor de warmtebehoefte in de winter. Dit principe is uitgebeeld in onderstaande figuren.

Een impressie van de seizoensgebonden fluctuatie in de warmtevraag en totale duurzame energieproductie in Nederland. Het (gedeelte van het) overschot aan energie in de zomer wordt opgeslagen in de vorm van warmte voor de winter.

De mogelijkheden om het overschot van warmte zowel op de korte als op de lange termijn op te slaan, kan ook gebruikt worden om de problematische ‘windloze winterweken’ door te komen. Naar verwachting zal er elke winter één of meerdere periodes van een aantal weken zijn waarin de duurzame energiebronnen niet toereikend zijn om voldoende elektriciteit en warmte te produceren. Warmteopslag kan slim worden ingezet om deze windloze winterweken door te komen. In onderstaand figuur is  dit grafisch weergegeven.

Een impressie van de seizoensgebonden fluctuatie in de warmtevraag en totale duurzame energieproductie in Nederland, met de 'winterloze weken' weergeven.

Het derde voordeel van de integratie van warmteopslag in het toekomstige energiesysteem is dat het de noodzaak van dure netwerkverzwaring wegneemt of beperkt. Wanneer warmteopslag de pieken in de warmtevraag kan wegnemen, hoeft de infrastructuur niet te worden verzwaard. Dit voordeel is vooral relevant voor netbeheerders en warmteleveranciers. Momenteel is dit voordeel nog lastig in een waarde uit te drukken, omdat de warmtevoorziening gebaseerd op gas geen dergelijke congestieproblematiek ervaart.

Methodes voor compacte warmteopslag

Er zijn verschillende vormen waarin warmte kan worden opgeslagen. De mogelijkheden om warmte op te slaan die in kleine schaal in woningen kan worden toegepast zijn:

  • Warmteopslag in water
  • Warmteopslag in fase overgangsmaterialen
  • Warmteopslag in thermochemische materialen
  • Warmteopslag door redox principes

Deze technieken worden hieronder in meer detail beschreven. Een aantal van bovengenoemde technologieën kan op termijn worden opgeschaald naar wijkniveau nadat de efficiencies en kostenreducties zijn behaald op kleine schaal. De grootschalige systemen kunnen zich richten op de seizoensopslag van warmte (overbruggen van langere perioden). Deze systemen kunnen naast seizoensopslag ook flexibiliteit leveren aan het elektriciteitsnet door middel van power-to-heat. Hiermee kunnen overschotten aan elektriciteit worden ingezet om via warmtepompen seizoen buffers te laden. Seizoensopslag kan ook helpen om warmte-infrastructuur te optimaliseren en daarmee de aanlegkosten te beperken.

Grootschalige opslag van warmte richt zich op schaalgroottes vanaf wijkniveau tot en met opslag ten behoeve van grote regionale warmtenetten. De huidige techniek om voor langere tijd warmte op te slaan wordt reeds toegepast in grootschalige bovengrondse buffers. Die worden toegepast om bijvoorbeeld bij energiecentrales warmte en elektriciteitslevering los te koppelen; zo wordt de inzet van de centrale meer flexibel. Onderstaande subsectie gaat hier verder op in.

Compacte vormen voor warmteopslag

Een van de meest voor de hand liggende opties is het gebruik van een warmwatervat, ook wel voelbare warmteopslag genoemd. Hierin kan bijvoorbeeld duurzame warmte uit zonnewarmte worden opgevangen. Het nadeel van warmwatervaten is dat ze relatief snel hun warmteverliezen (afhankelijk van de grootte) waardoor ze niet geschikt zijn voor warmteopslag voor een langere periode, bij groot volume, dan enkele weken. Daarnaast heeft een warmwatervat over het algemeen veel ruimte nodig voor toepassing in de gebouwde omgeving vanwege de lage energiedichtheid. Water met een temperatuur van ongeveer 90 °C heeft namelijk een effectieve energiedichtheid van ongeveer 0.25 GJ/m3 voor warmteopslag. Een portiekwoning gebouwd in de periode 1992-2005 (zie het overzicht voorbeeldwoningen van RVO) heeft voor een koudeperiode van 4 weken een warmtebehoefte van ongeveer 2 GJ, uitgaande van een jaarlijkse warmtevraag van ongeveer 25 GJ. Een warmwatervat zou dus een minimaal volume van 8 m3 moeten hebben, wat te omvangrijk is voor de plaatsing in een dergelijke woning. Grotere woningen en/of woningen uit een eerdere periode hebben een nog veel groter volume nodig.

Een tweede methode voor warmteopslag is het Warmte Koude Opslag (WKO) systeem. Warmte uit de zomermaanden wordt ondergronds opgeslagen en gebruikt als bron voor een warmtepomp in de winter, die door het gebruik van de warmtebron een hoge efficiëntie kan behalen. Dit systeem gebruikt een warmtepomp en dus elektriciteit tijdens de Dunkelflaute, wanneer elektriciteit juist schaars is en is niet overal toepasbaar.

Naast de genoemde voorbeelden zijn er drie andere warmteopslagmethodes die momenteel worden onderzocht binnen de TKI Urban Energy projecten. Deze drie methodes zijn: Thermochemische Materialen (TCM), Chemical Looping Combustion (CLC), Phase Change Materials (PCM). Deze verschillende methodes verschillen van elkaar in onder andere energiedichtheid, marktrijpheid, kosten en schaalgrootte.

Thermochemische opslag

Thermochemische Materialen (TCM) zijn in staat warmte op te nemen of af te geven als ze in contact komen met water. Het TCM geeft warmte af en reageert dus exotherm wanneer het in contact komt met waterdamp. Water adsorbeert op het TCM-oppervlakte of ondergaat een chemische reactie met het TCM, waarbij warmte vrijkomt. Na reactie met water bevindt het TCM zich in een gehydrateerde staat. Voorbeelden van adsorptiematerialen zijn zeolieten en silicagel, en voorbeelden van reactiematerialen zijn zouthydraten als Na2S·xH2O en MgCl2·xH2O.

Water kan aan het TCM onttrokken worden door warmte toe te voegen, waardoor het verdampt en van het TCM gescheiden kan worden. Het TCM is dan gedehydrateerd. Het principe van warmteopslag middels TCM is erg vergelijkbaar met batterijen, omdat de bruikbare energie in een chemische vorm wordt opgeslagen. Het principe van thermochemische opslag is visueel weergegeven in onderstaande figuren.  Ook is een overzicht van een volledig warmtesysteem weergegeven, met TCM-technologie als centraal systeemcomponent (bron).

TCM

Een warmtesysteem met warmteopslag in TCM bestaat in principe drie verschillende circuits. De warmte uit een warmtepomp of zonnecollector wordt tijdelijk opgeslagen in een (zonne)boiler. Vervolgens, wanneer er warmteoverschot is en de TCM niet (volledig) is gedehydrateerd, wordt deze warmte door de TCM-modules geleid waardoor deze verder dehydrateert. In het tweede circuit wordt het proceswater onttrokken van of aangevoerd naar de TCM-modules. De verdamper/condensator zorgt ervoor dat de waterdamp opgeslagen kan worden in het reservoir als vloeibaar water. De warmte die vrijkomt bij condensatie wordt opgevangen in een apart reservoir. Als er op een later tijdstip warmtevraag is, wordt een hoeveelheid warmte aan dit reservoir onttrokken om het proceswater te verdampen. Dit wordt in contact gebracht met het TCM, waar het adsorbeert of reageert. De warmte die daarbij vrijkomt wordt via de warmtewisselaar overgedragen aan water uit het derde circuit dat kan worden gebruikt voor ruimteverwarming of warmtapwater.

 

TCM

Zolang het TCM en het water gescheiden van elkaar bewaard worden, is de chemische energie verliesvrij opgeslagen. Daarmee is het systeem goed geschikt voor langetermijnopslag. De energiedichtheid op materiaalniveau kan een waarde bereiken van 3 GJ/m­3, vergeleken met 0.25 GJ/m3 voor warm water. Afhankelijk van de druk in het systeem en van het actieve materiaal kan tijdens ontladen warmte worden onttrokken op een temperatuur tot 65 °C, warm genoeg voor veilig warmtapwater. Tijdens ontladen wordt water opgewarmd dat direct in radiatoren kan worden geleid. Daarmee, en door de hoge dichtheid op materiaalniveau, is een TCM veelbelovend voor lokale warmteopslag in de gebouwde omgeving.

Hoewel het opslagmechanisme zelf verliesvrij is vinden er wel energieverliezen plaats. Na opladen, wanneer de TCM-modules gedehydrateerd zijn, is het TCM nog warm. Wanneer dit afkoelt gaat de energie overeenkomstig met de warmtecapaciteit verloren. Een soortgelijk verlies treedt op bij het ontladen: resterende warmte in het TCM, te lage temperatuur om te gebruiken voor ruimteverwarming, lekt weg en gaat verloren. Hierdoor is het rendement van een laad-ontlaadcyclus voor een systeem op basis van silicagel iets meer dan 90%. Wanneer het TCM-systeem zich binnen de gebouwde schil bevindt, wordt dit warmteverlies echter nuttig gebruikt. Verder is het systeem als geheel relatief complex door het reservoir dat nodig is om warmte te onttrekken om het proceswater te verdampen. De buitenlucht of een ondergrondse waterlaag kan fungeren als reservoir, en het systeem moet hier dus op worden aangesloten.

Huidig onderzoek richt zich naast optimalisatie van het opslagmateriaal vooral op het optimaliseren van het systeemontwerp. De energiedichtheid op materiaalniveau is veelbelovend, maar de energiedichtheid voor het systeem als geheel valt significant lager uit. Hoe compacter de componenten zijn en hoe groter de fractie TCM in het systeem, hoe groter de energiedichtheid van het systeem zal zijn. Een van de uitdagingen hierin is de relatief lage warmtegeleidingscoëfficiënt van het TCM, dat in korrels tussen de vinnen van een warmtewisselaar is gepakt. Hierdoor wordt de snelheid waarmee warmte kan worden onttrokken beperkt, en daarmee het maximale vermogen van het systeem. Door warmtewisselaars met fijnere vinnen te gebruiken kan een hoger vermogen worden bereikt, maar daarmee valt de energiedichtheid op systeemniveau lager uit. Andere routes om de warmtegeleiding te verbeteren is het TCM te omringen met een matrix van een materiaal met betere geleiding.

Een andere uitdaging is het garanderen van voldoende levensduur van het TCM. Bij de zouten vindt volumeverandering plaats wanneer water in de korrels wordt opgenomen, waardoor de korrels op den duur kunnen afbrokkelen en het contactoppervlak met de warmtewisselaar verbroken wordt. Het stabiliseren van de TCM korrels, bijvoorbeeld door encapsulatie of doping, is daarom ook een belangrijke onderzoeksrichting. Andere uitdagingen zijn het voorkomen van corrosie van de warmtewisselaar door contact met het reactieve TCM, en het beter op elkaar afstemmen van het design van verschillende componenten voor een efficiënter ruimtegebruik. In MERITS, een afgerond Europees project uit het FP7 subsidieprogramma, is een prototype systeem gebouwd met een opslagdichtheid op systeemniveau van 0.1-0.18 GJ/m3. Deze dichtheid kan theoretisch worden verhoogd tot 0.81 GJ/m3 door een aantal designoptimalisaties. In CREATE, een Europees project uit het H2020 subsidieprogramma, wordt dit systeem verder verbeterd en wordt een hogere energiedichtheid beoogd. In het gelijknamige project CREATE onderzoekt een Nederlands consortium onder leiding van TNO een warmtebatterij gebaseerd op het materiaal Na2S. De hoge energiedichtheid en de lage materiaalkosten zijn grote voordelen, maar de toxiciteit en daaraan verbonden risico’s maken dat op nadrukkelijke wens van de Europese Commissie naar alternatieve materialen wordt gezocht in vervolgonderzoek.

Chemical Looping Combustion

Van oorsprong is Chemical Looping Combustion (CLC) een technologie voor het stoken van fossiele brandstoffen in energiecentrales waarbij de vrijgekomen CO2 relatief gemakkelijk af te vangen is. Gezuiverde lucht wordt op hoge temperatuur van onderen over een gefluïdiseerd bed van metaaldeeltjes geleid, waardoor het metaal oxideert. Het uitlaatgas van dit proces is een gas op atmosferische druk, dat een hogere concentratie stikstof (N2) en lagere concentratie zuurstof (O2) heeft dan lucht. De metaaloxide deeltjes bewegen naar een tweede gefluïdiseerd bed, waar de brandstof (een koolwaterstofverbinding) overheen wordt geleid en het metaaloxide wordt gereduceerd. Hierbij ontstaat CO2 en H2O. Het water kan worden gescheiden door middel van condensatie, waardoor het wordt afgezonderd van CO2. Doordat de stromen van de oxidatie- en redox reactie nooit met elkaar in aanraking komen, is de scheiding van CO2 inherent en kan het dus worden opgevangen.

Het opslagprincipe van Chemical Looping Combustion. Door de invoering van H2 gas reageert het metaaloxide en blijven pure metaalplaten over. In de opslagfase wordt invoer en uitvoer hermetisch afgesloten. Tijdens het ontladen reageert zuurstof uit de gezuiverde lucht met metaal deeltjes, waarmee warmte vrijkomt.

CLC kan ook zonder fossiele brandstoffen worden gebruikt met het doel om warmte op te slaan voor een lange periode. Door een metaaloxide bed te reduceren met waterstofgas ontstaat metaal. Dit metaal kan later, wanneer warmteproductie nodig is, in contact worden gebracht met zuurstof uit de buitenlucht. Bij deze reactie tot metaaloxide komt warmte vrij waarmee de lucht opgewarmd kan worden, om vervolgens gebruikt te kunnen worden voor verwarming. Dit proces is visueel vormgegeven in bovenstaand figuur. Omdat waterstofgas met duurzaam opgewekte elektriciteit door een electrolyser uit water te produceren is, is er bij deze vorm van CLC geen CO2 uitstoot.

Een voordeel van dit systeem is dat de operatie relatief simpel is, op hoge procestemperaturen na. Elke hoeveelheid geproduceerde H2 gas kan direct over het metaaloxide bed worden geleid, dus het gas hoeft niet opgeslagen te worden. Daardoor leent dit systeem zich er goed voor uitsluitend gebruik te maken van de ‘overproductie’ van duurzame elektriciteit. Voor ontladen is slechts lucht nodig om over het metaalbed te leiden. Door een hogere luchtstroom toe te voeren wordt een groter verwarmingsvermogen geleverd. Dankzij deze flexibiliteit is het CLC-systeem geschikt voor warmteopslag en levering op korte en lange termijn. Omdat het systeem relatief gemakkelijk kan worden afgesloten van buitenlucht, vinden er tijdens opslag geen energieverliezen plaatsvinden.

In de COMPAS-projecten (COMPact energy storage by Alternative Storage methodology) wordt CLC toegepast voor warmteopslag. De energiedichtheid op materiaalniveau ligt nog hoger dan die van TCMs en kan een waarde bereiken van 6-12 GJ/m3, afhankelijk van het te gebruiken metaal. In het COMPAS-I project is een prototype systeem ontwikkeld met een energiedichtheid van bijna 3 GJ/m3. Hierbij moet vermeld worden dat de efficiëntie toeneemt bij hogere procestemperaturen door een beter omzettingsrendement van het metaalbed. De hoogste energiedichtheid is behaald bij een interne temperatuur van 700 °C, maar interne temperaturen zo laag als 175 °C zijn ook mogelijk. Hieruit blijkt de geschiktheid voor diverse toepassingen waaronder hoge temperatuur ruimteverwarming en warmtapwater. Ondanks dat soortelijke hoge temperaturen voorkomen in conventionele cv-ketels, is dit een aandachtspunt voor de ontwikkeling van het CLC systeem voor toepassing in de gebouwde omgeving.

In een serie van drie projecten wordt het COMPAS-concept getest vanaf laboratoriumopstelling tot systeemdemonstratie. In het COMPAS-I project, reeds afgerond, is een 100 Watt prototype gerealiseerd. In dit project zijn experimenten met verschillende metaalbedden uitgevoerd in een oven. In het nu lopende COMPAS-II project wordt het systeem opgeschaald en getest als autonoom systeem. Ook zal de business case verder worden uitgewerkt. In de derde en laatste fase wordt het systeem op relevante schaal gedemonstreerd.

Naast het opschalen zijn er nog een aantal uitdagingen. Ten eerste wordt tijdens ontladen van het systeem warme lucht geproduceerd en geen warm water. Dit is minder ideaal dan warm water om in te zetten voor ruimteverwarming of warmtapwater. Verder is het produceren van waterstofgas met een electrolyser relatief duur. Een alternatieve goedkopere manier wordt onderzocht die elektriciteitsoverschotten om kan zetten in H2 gas. Warmteopslag op basis van CLC is dus veelbelovend, maar bevindt zich nog in een vroeg onderzoekstadium.

Phase Change Materials (PCM)

PCM zijn materialen die een substantiële hoeveelheid warmte kunnen opnemen of afstaan in de faseverandering van vast naar vloeibaar en andersom. Dit opnemen en afstaan gebeurt bij dezelfde temperatuur, namelijk het smeltpunt van het materiaal. Wanneer het materiaal smelt, neemt het materiaal warmte op uit de omgeving en wordt de omgeving dus gekoeld. Wanneer het materiaal stolt, verwarmt het de omgeving juist.

De hoeveelheid energie die ervoor nodig is om het materiaal een faseovergang te doen ondergaan wordt ook wel de latente warmte genoemd. De latente warmte en de temperatuur waarbij de faseovergang gebeurt, is afhankelijk van het materiaal.

Binnen de gebouwde omgeving kunnen PCMs gebruikt worden om temperatuurfluctuaties tegen te gaan. Door gebruik te maken van PCM met een temperatuurtraject binnen comfortabele grenzen van een binnenklimaat, bijvoorbeeld 19-22°C, zorgt de integratie van PCM in een gebouw voor een effectief veel grotere warmtecapaciteit. Ter vergelijking: 1 kg PCM kan evenveel energie opslaan als 30 kg beton. Zeker in gebieden met een grote fluctuatie in dag- en nachttemperaturen heeft de integratie van PCMs een grote potentie om het energiegebruik voor verwarming en koeling te verminderen.

Deze technologie bevindt zich nog in het ontwikkelstadium. De grote potentie ervan is aangetoond en gevalideerd onder goed gedefinieerde omstandigheden in het lab. De technologie staat nu op het punt om het stadium te betreden van validatie in reële omstandigheden, geïntegreerd in het energie systeem. In essentie zijn er 3 elementen waarlangs verder ontwikkelingen plaats zal vinden:

  • Materiaal, met belangrijkste vragen in relatie tot verdere mechanische stabiliteit en verhoging vermogen bij grootschalige productie
  • Reactor: verdere prestatie optimalisatie en kostenreductie huidige reactorprincipes
  • Systeemintegratie: identificatie van de optimale configuratie(s) in het lokale en centrale energiesysteem en ontwikkeling van regel strategieën.

Binnen het innovatieprogramma van TKI Urban Energy doet het project INNO-PCM onderzoek naar de inmenging van Micro Encapsulated PCMs in de warmteoverdracht van zonnecollectoren in de gebouwde omgeving. Het beoogde resultaat is een grote stap in de efficiëntie van zonne-energie in nuttige warmte in de gebouwde omgeving. In  onderstaand figuur is visueel te zien hoe de twee principes kunnen worden gecombineerd.

De werking van een Micro Encapsulated PCM in het inno-PCM project.

Mogelijkheden voor grootschalige warmteopslag

Opslag van warmte in de ondergrond is één van de goedkoopste vormen van seizoensopslag. Bodemenergie is een al veel gebruikte techniek, waarbij warmte en koude wordt opgeslagen in de ondiepe ondergrond (<500m) met temperaturen beneden 25 à 30°C.

Voor verdere verduurzaming van het warmte systeem biedt ondergrondse warmteopslag met hogere temperaturen (met temperatuurniveaus hoger dan 30°C, oplopend tot 90 à 120°C) kansen: het financiële en energetische rendement verbetert. Dit kan in open systemen maar ook in gesloten systemen (zoals vormen van pithole storage).

Ondergrondse warmteopslag bij temperaturen hoger dan 40°C wordt echter nog zeer beperkt toegepast in Nederland. Met betrekking tot de techniek, de effecten, de robuustheid van de business case en het bijbehorende juridische kader zijn er belangrijke uitdagingen. Kennisontwikkeling, kennisdeling en ervaring is nodig voor een snellere en verantwoorde implementatie van ondergrondse warmteopslag in Nederland.

Grootschalige warmteopslag in water

Ondanks innovatieve andere methoden is het gebruik van water als opslagmedium geen verleden tijd. Zoals eerder vermeld verliezen warmwatervaten binnen een paar dagen een aanzienlijk deel van hun energie. De isolatieschil die nodig is om de warmte langer te kunnen bewaren is te dik om praktisch toepasbaar te zijn in gebouwen. Ook is het benodigde opslagvolume om een koude periode in de winter te overbruggen te groot voor de gebouwde omgeving. Energieopslag in warm water is dus vooral mogelijk voor de korte termijn en wanneer volume geen beperking is ook voor een langere termijn.

Warmteopslag ondergronds in de vorm van buffervaten bevindt zich ook in de demonstratiefase. Een andere toepassing is warmteopslag in oude kolenmijnen. Hierbij wordt mijnwater in oude kolenmijngangen ingezet als warmtebuffer voor het warmtenet. De technologie kan worden gekarakteriseerd als TRL 7-8.

Grootschalige thermische opslag is een belangrijker schakel voor seizoensopslag en kan veel flexibiliteit bieden aan warmtesystemen en zo hoge investeringskosten in nieuwe bronnen en nieuwe transportcapaciteit verlagen. De impact is dat de warmtetransitie waarschijnlijk tegen lagere systeemkosten kan worden gerealiseerd. Ook kan warmteopslag op langere termijn veel flexibiliteit bieden aan het elektriciteitsnet, bijvoorbeeld middels power-to-heat. De impact van het programma zal erop gericht zijn dat deze wordt gemaximaliseerd door hogere temperaturen mogelijk te maken, inpassing van opslag in energiesysteem te optimaliseren en kosten van opslag te verlagen.

Ecovat

Ecovat is een opslagvat voor warm water dat is ingegraven onder de grond. Het vat wordt modulair opgebouwd uit wandplaten. Door verschillende koppelstukken tussen de wandplaten te gebruiken kan de grootte van het vat gevarieerd worden, de typische hoogte en diameter is 20-30 meter. Eerst wordt een betonnen buitenvat geplaatst in een vooraf gegraven gat. Hierin wordt een geïsoleerd binnenvat geplaatst. Vervolgens wordt het vat gevuld met water. Met (lokale) overschotten elektriciteit kunnen warmtepompen of elektrische boilers koud water omzetten in warm water, dat door warmtewisselaars in de wand van het binnenvat loopt. 

Hierdoor warmt het water in het vat op, tot een temperatuur van 90°C. Het water in het vat zelf wordt niet verpompt. Warmtevraag wordt op dezelfde manier voldaan uit het vat. Doordat de stromingen van het water verwaarloosbaar klein zijn, kunnen er thermoclines in het vat worden aangebracht: waterlagen met een verschillende temperatuur. Op deze manier kan tijdens ontladen warmte worden afgetapt uit de laag met het juiste temperatuurniveau, zodat het exergieverlies minimaal is. Ecovat kan worden toegepast als middel om het net te balanceren op wijkniveau. Zelfsturende en zelflerende software regelt de energiestromen op basis van weersvoorspellingen en het actuele energieaanbod om maximale besparingen te realiseren. Bij lokale overschotten of lage elektriciteitsprijzen wordt elektrische energie omgezet in warmte. Zo wordt op de meest rendabele momenten energie opgeslagen om later in te zetten. 

Een groot voordeel van Ecovat is dat het fysieke systeem geen bewegende onderdelen bevat en daardoor zeer beperkt slijt. De verwachte levensduur van een vat is daarom meer dan 50 jaar. Door het geïsoleerde binnenvat vindt slechts circa 10% energieverlies plaats in 6 maanden tijd, afhankelijk van de grootte van het systeem. De modulaire opbouw in het bouwproces is gestandaardiseerd en efficiënt. Verder is het een veilig systeem met bekende bouwmaterialen, zonder giftige chemicaliën of gevaarlijk hoge temperaturen en heeft het een minimale visuele impact. De grond boven Ecovat kan nuttig gebruikt worden voor openbare doeleinden, zoals parkeerplaatsen of openbaar groen. De beperkte energiedichtheid van water is geen belemmering aangezien het ruimtebeslag ondergronds is. Een nadeel aan het systeem is dat de aanleg van een warmtenet vereist is om warmte te kunnen leveren. Onderstaand figuur geeft een schematisch overzicht van het hele Ecovat systeem.

Ecovat is zich aan het voorbereiden op grootschalige uitrol. Zo heeft Ecovat recent een productielocatie in bedrijf genomen. Dat het concept veelbelovend is blijkt uit de recent gewonnen Flex Challenge en in 2017 de Flexcon Energy Startup Challenge.  

Ecovat systeem

Innovatie opgaven

Binnen kleinschalige en grootschalige opslag van warmte zijn nog diverse onderwerpen waar  innovatie nodig zijn. Deze visie is ontwikkeld met behulp van het opstellen van Meerjarig Missiegedreven Innovatieprogramma voor duurzame warmte en koude in de gebouwde omgeving (MMIP 4). In dit document zijn de kennis- en innovatieopgaven opgesteld om een missie te helpen realiseren die vragen om een langjarige commitment en programmatische aanpak. Om de opgaven concreet te maken en te kunnen monitoren zijn KPI’s met streefwaarden opgesteld.

Voor warmtebatterijen, kleinschalige warmteopslag voor huishoudelijk verbruik, zijn onderstaande KPI’s en streefwaarden opgesteld.
Opslag principe

Systeem energie dichtheid (GJ/m3)

initieel

Systeem energie dichtheid (GJ/m3) na 2 weken

Prijs

(€/MJ)

Opslag verlies

Water opslag (1000 L)[1]

0,1-0,3

0,04-0,10

5

5-10 % per dag

PCM[2]

0,15-0,25

0,05-0,09

75

5-10 % per dag

TCM[3]

0,5-1

0,5-1

5-25

<1%

CLC3

0,5-5

0,5-5

 

<1%

 

Voor de grootschalige systemen zijn de doelen voor de komende 5 en 10 jaar samengevat in onderstaande tabel.

Systeem KPI

Doel 2025

Doel 2030

Kosten (€/GJ)

8 - 12

6 - 10

Operationele kosten (€/GJ)

n.v.t.

n.v.t.

Opslagcapaciteit ((MW)

8 - 10MW

15 - 35 MW

Beleidskader

Warmteopslag in provinciaal beleid opgenomen

In provinciaal beleid geëvalueerd en aangescherpt

 

Bij verdere ontwikkeling van opslag technieken zoals PCM, TCM en CLC kunnen die ook dienen en worden toegepast voor grootschalige seizoensopslag. De innovatie opgave ligt voor de komende 5-10 jaar nog om deze methoden geschikt en levensvatbaar te maken voor huishoudelijke toepassingen.

Conclusies

Om de duurzame energievoorziening betrouwbaar en betaalbaar te houden in een toekomst die meer afhankelijk wordt van duurzame energiebronnen, is het inpassen van lokale warmteopslag op huishoudelijk en grootschalig nodig. De windloze winterweken vormen een grote uitdaging voor een het toekomstige Nederlandse energiesysteem. Daarnaast moeten verschillende energiestromen zoals elektriciteit en warmte aan elkaar gekoppeld worden om de grote seizoensgebonden overschotten en tekorten op elkaar af te kunnen stemmen. Ook moet duurzame warmte gewonnen en opgeslagen worden uit/in thermische bronnen uit de aarde.

Warmteopslag kan hierin een cruciale rol spelen. Er zijn verschillende technologieën in ontwikkeling, zowel op gebouw- als op wijkniveau. Gebaseerd op de vooruitgang van de afgelopen jaren en de verwachte verdere verbeteringen in kostprijs en prestaties kan gesteld worden dat opslagtechnologieën als TCM, CLC en Ecovat over tien jaar ook in huishoudens hun intrede kunnen doen. Specifieke toepassingsgebieden fungeren hierin als startmotor om de markt voor warmteopslag, met bijbehorende marktpartijen als fabrikanten, installateurs en consumenten, vorm te geven. Ook kan er verwacht worden dat binnen denkbare termijn warmte kan worden opgeslagen op hogere temperatuur niveaus.  Met onderzoek naar bodemrisico en het herzien van de juridische kaders zal deze techniek uitrollen binnen Nederland en een versnelling aanbrengen in de voorziening van duurzame warmte in het energiesysteem.

Over TKI Urban Energy

De Topsector Energie biedt jaarlijks 100 miljoen euro subsidie aan projecten en onderzoek op het gebied van energie-innovaties. Op basis van de innovatieagenda stelt TKI Urban Energy jaarlijks een innovatieprogramma op voor het daaropvolgende kalenderjaar. Dit doet zij in nauwe samenwerking met gerenommeerde bedrijven en kennisinstellingen die op dit gebied actief zijn. TKI Urban Energy is een onafhankelijke stichting met drie hoofddoelen: kennisdisseminatie, consortiumvorming en programma-ontwikkeling voor duurzame energie innovaties. Wilt u meer te weten komen over de visie en de aandachtspunten van TKI Urban Energy?Of heeft u een innovatieproject dat binnen een van onze programma’s past? Dan komt u wellicht in aanmerking voor subsidie. Kijk hier voor een overzicht de uitstaande Urban Energy tenders. Een totaaloverzicht van de subsidies binnen het werkgebied van de TKI Urban Energy vindt u hier.

Dit kennisdossier is onder verantwoordelijkheid van TKI Urban Energy tot stand gekomen. BBij vragen over het document of indien een toelichting wordt gevraagd, kan contact opgenomen worden met:

  • Rik te Raa          @email
  • Julia de Geus     @email

 

[1] Op basis van 1000 L van IntraClima
[2] Op basis van systeem Flamco (op basis van prijs van Technische Unie)
[3] TCM en CLC zijn inschattingen op basis van huidige R&D prototypes.