Grootschalige en compacte warmteopslag

Inhoud van deze pagina

Het klein- en grootschalig opslaan van warmte-energie zou een belangrijke schakel kunnen zijn in de energietransitie in de gebouwde omgeving. Er worden momenteel verschillende technieken voor warmteopslag 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 opslagtechnieken voor welke toekomstige uitdagingen een oplossing kunnen bieden.

Ruim driekwart van alle energie die in de gebouwde omgeving wordt gebruikt is nodig voor ruimteverwarming, warm tapwater en koken. Momenteel wordt bijna 90% van deze warmte gemaakt door de verbranding van aardgas. Omdat aardgas een fossiele brandstof is waarbij CO2 vrijkomt bij verbranding, en vanwege de negatieve lokale gevolgen van het winnen van Gronings aardgas, is in het klimaatakkoord is afgesproken dat in 2050 de gebouwde omgeving “aardgasvrij” moet zijn. In 2030 moeten de eerste 1,5 miljoen huishoudens al van het gas af zijn.

Er zijn verschillende alternatieve duurzame energiebronnen die de rol van aardgas kunnen overnemen. De Nederlandse warmtevraag is sterk afhankelijk van het seizoen, wat een directe uitdaging vormt voor deze duurzame energiebronnen, die vaak niet constant beschikbaar zijn. De energieopbrengst van bronnen als de zon en de wind fluctueert sterk, zowel over de dag als over seizoenen. Het grootschalig opslaan van duurzaam opgewekte elektriciteit is lastig, wat het interessant maakt om te kijken naar warmteopslag.

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 infraroodpanelen. Zodra een gedeelte van de warmteproductie wordt geëlektrificeerd, zal de elektriciteitsvraag groter worden, met name in de koude periodes. In die periode is er niet altijd duurzame energie beschikbaar. Vooral tijdens zogenaamde ‘windloze winterweken’ of ‘Dunkelflaute’, is de productie van zonne- en windenergie zeer laag. In een volledig duurzaam energiesysteem zal de energie tijdens deze periodes uit een vorm van opslag moeten komen, die eerder is ‘opgeladen’ met duurzame elektriciteit of warmte.

Een derde uitdaging in het toekomstige energiesysteem waarvoor warmteopslag een oplossing zou kunnen zijn is de beperkte netcapaciteit. Zeker in combinatie met andere elektrificatie-ontwikkelingen, zoals elektrische auto’s en inductiekookplaten, zal op sommige plekken het elektriciteitsnet niet berekend zijn op warmtepompen of andere all-electric verwarmingstechnieken. Om de toegenomen elektriciteitsvraag en piekbelasting aan te kunnen zal een deel van het elektriciteitsnet in Nederland moeten worden verzwaard. Echter is deze verzwaring van elektriciteitsnetten in sommige gevallen alleen nodig voor de piekuren tijdens het winterseizoen. Het grootste deel van het jaar is een grotere netcapaciteit waarschijnlijk niet nodig, waardoor het uitbreiden van de netcapaciteit voor de warmtevraag relatief kosten-inefficiënt is. Wanneer warmte tijdens de piekuren uit opslag kan worden gehaald in plaats van het elektriciteitsnet, zouden in sommige gevallen kostbare netverzwaringen bespaard kunnen blijven.

1. De voordelen van warmteopslag

De uitdagingen van ons toekomstige energiesysteem vragen om slimme oplossingen. Een veelbelovende oplossingsrichting is energieopslag.
 

Op korte tijdschalen, zoals dag-nacht en enkele dagen, kan warmteopslag een oplossing bieden voor de fluctuerende energievraag en -aanbod. Ten tijde van overvloedige duurzame elektriciteitsproductie kan energie als warmte worden opgeslagen. Als er warmte nodig is en de energieproductie is te laag, kan de opgeslagen warmte 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.

Ook op een langere termijn, zoals over de seizoenen, kan warmteopslag een oplossing bieden. Met name zonne-energie is overvloedig aanwezig in de Nederlandse zomer, terwijl de warmtevraag juist groot is in de winter. 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.

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 Dunkelflaute door te komen. Naar verwachting zullen elke winter wel één of meerdere periodes van een aantal weken zijn waarin 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.

Het derde voordeel van de integratie van warmteopslag in het toekomstige energiesysteem is dat het de noodzaak van dure netwerkverzwaring zou kunnen wegnemen of beperken. Wanneer warmteopslag de pieken in de warmtevraag kan wegnemen, zal in sommige gevallen de elektriciteitsinfrastructuur niet verzwaard hoeven te worden. Dit voordeel is vooral relevant voor netbeheerders en warmteleveranciers.

2. Technieken voor kleinschalige warmteopslag

Er zijn verschillende vormen waarin warmte kleinschalig kan worden opgeslagen, zodat het bijvoorbeeld in woningen kan worden toegepast. De technieken voor compacte warmteopslag zijn:

  • Warmteopslag in water
  • Warmteopslag in thermochemische materialen (TCM)
  • Warmteopslag in faseovergangsmaterialen (PCM)
  • Warmteopslag door redox principes (zoals chemical looping combustion CLC)

Deze technieken worden hieronder in meer detail beschreven. Een aantal van bovengenoemde technologieën kan op termijn ook worden toegepast als grootschalige warmteopslagtechnieken, bijvoorbeeld voor opslag op wijkniveau.

2.1 Voelbare warmteopslag in water

Bij voelbare warmte betekent simpelweg dat een materiaal (voelbaar) warmer wordt. Hoeveel energie in een materiaal kan worden opgeslagen hangt af van de soortelijke warmtecapaciteit. Deze eenheid geeft aan hoeveel energie per kg materiaal nodig is om het materiaal één graad in temperatuur te laten stijgen. Water heeft een zeer hoge warmtecapaciteit en is heel goedkoop, waardoor het zeer geschikt is voor warmteopslag, in een warmwatervat. Hierin kan bijvoorbeeld duurzame warmte uit zonnewarmte worden opgevangen. Het nadeel van warmwatervaten is dat ze relatief snel hun warmte verliezen (afhankelijk van de grootte). Hierdoor zijn ze bij kleine volumes niet geschikt voor warmteopslag voor een langere periode. Wanneer er naast warm tapwater (boiler) ook warmte moet worden opgeslagen voor ruimteverwarming neemt een watervat al snel veel ruimte in beslag. 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 koude periode van 4 weken een warmtebehoefte van ongeveer 2 GJ, uitgaande van een jaarlijkse warmtevraag van ongeveer 25 GJ. Een warmwatervat die in deze periode alle warmte moet leveren, zou dan een minimaal volume van 8 m3 moeten hebben, wat te omvangrijk is voor de plaatsing in een dergelijke woning.

Een tweede methode voor voelbare warmteopslag in water 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 duurzame elektriciteit juist schaars is. Ook is het niet overal toepasbaar. Daarentegen levert het “opladen” van een dergelijk systeem in de zomermaanden wel juist duurzame koeling voor woningen en andere gebouwen.

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.

2.2 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 water verdampt en van het TCM gescheiden kan worden. Het TCM is dan gedehydrateerd en stabiel. Het principe van warmteopslag middels TCM is erg vergelijkbaar met batterijen, omdat ook hier 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).


 

Een warmtesysteem met warmteopslag in TCM bestaat in principe uit 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.

 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 het ontladen wordt water opgewarmd dat direct in radiatoren kan worden geleid. Daarmee, en door de hoge dichtheid op materiaalniveau, zijn TCM’s veelbelovend voor lokale warmteopslag in de gebouwde omgeving.

Hoewel het opslagmechanisme zelf verliesvrij is, vinden er wel energieverliezen plaats. Na het 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 naar schatting iets meer dan 90%. Wanneer het TCM-systeem binnen de gebouwde schil geïnstalleerd is, wordt dit warmteverlies echter toch gebruikt voor ruimteverwarming en is dus niet per se verloren energie. 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. In 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 en verbeteren van de energieprestaties van de TCM korrels, bijvoorbeeld door encapsulatie of doping, is daarom ook een belangrijke onderzoeksrichting. In het project ME4TES wordt gewerkt aan een model dat het gedrag van TCM kan voorspellen. 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 project CCO Pilot (volgend op CCO Proto en CREATE) ontwikkelt een Nederlands consortium onder leiding van TNO een warmtebatterij gebaseerd op het materiaal natriumsulfide (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.

2.3 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 redoxreactie nooit met elkaar in aanraking komen, is de scheiding van CO2 inherent en kan het dus worden opgevangen.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. Dit maakt CLC potentieel geschikt voor diverse toepassingen waaronder ruimteverwarming en warmtapwater. Ondanks dat soortgelijke hoge temperaturen voorkomen in conventionele cv-ketels, zijn veiligheid en de hoge temperatuur wel aandachtspunten voor de ontwikkeling van het CLC systeem voor toepassing in de gebouwde omgeving.

In een serie van twee 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 COMPAS-II project is het systeem opgeschaald en getest als autonoom systeem.  De COMPACT projecten zijn als input gebruikt in het Europese project ‘SCORES’, waar een consortium onder leiding van TNO werkt aan een combinatie van verschillende technieken voor energiebesparing, - opwek en -opslag, waaronder CLC.

Naast het opschalen is er nog een aantal uitdagingen. Ten eerste wordt tijdens het ontladen van het systeem warme lucht geproduceerd en geen warm water. Voor ruimteverwarming of warmtapwater moet door de warme lucht dus eerst nog water worden verwarmd. Verder is het produceren van waterstofgas met een electrolyser relatief duur en inefficiënt. Van duurzame elektriciteit eerst waterstof produceren, en dat als warmte-energie opslaan met CLC, is per definitie minder efficiënt dan de elektriciteit direct om te zetten in warmte (via bijvoorbeeld een boiler, heater of warmtepomp). Het grote voordeel van CLC is dat het, net als TCM’s, verliesvrije opslag is over langere periodes. Warmteopslag op basis van CLC zou in de toekomst veelbelovend kunnen blijken, maar bevindt zich nog in een vroeg onderzoekstadium.

2.4 Phase Change Materials (PCM)

PCMs 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 PCMs met een temperatuurtraject binnen comfortabele grenzen van een binnenklimaat, bijvoorbeeld 19-22°C, zorgt de integratie van PCMs in een gebouw voor een effectief veel grotere warmtecapaciteit. Ter vergelijking: 1 kg PCMs kan evenveel warmte-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 drie elementen waarlangs verdere 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 is in het project INNO-PCM onderzoek gedaan 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 de omzetting van zonne-energie in nuttige warmte in de gebouwde omgeving. In  onderstaand figuur is visueel te zien hoe de twee principes kunnen worden gecombineerd. In het Solar Freezer project is een warmtebuffer voor in een kruipruimte ontwikkeld, die gebruik maakt van de latente warmte die vrijkomt bij het bevriezen van vloeibaar water.

3. Technieken voor grootschalige warmteopslag

Grootschalige warmteopslag gaat over het opslaan van warmte voor meerdere woningen tot hele wijken. Door de schaalgrootte is grootschalige warmteopslag vaak geschikt voor het overbruggen van seizoenen. Ook kunnen deze systemen naast seizoensopslag mogelijk 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.

3.1 Grootschalige warmteopslag in de bodem

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. Een bijzonder voorbeeld van een warmte-koudeopslag is in de volgelopen kolenmijnen in Heerlen, waar Mijnwater warmte en koude opslaat in het water in de mijnen.

Voor verdere verduurzaming van het warmtesysteem 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).

Echter wordt ondergrondse warmteopslag bij temperaturen hoger dan 40°C 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. In het project WINDOW en WarmingUP wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van warmteopslag in de ondergrond.

3.2 Grootschalige warmteopslag in vaten

Ondanks innovatieve andere methoden is het gebruik van water als opslagmedium geen verleden tijd. Zoals eerder vermeld verliezen warmwatervaten op woningniveau binnen een paar dagen een aanzienlijk deel van hun energie. Grootschalige opslag verliest al veel minder energie dan in kleine vatten. Bovengronds wordt dit bijvoorbeeld toegepast als buffer bij een restwarmtebron voor een warmtenet. Wanneer de bron tijdelijk wegvalt, kan het warmtenet nog uit de buffer worden voorzien van warmte.

Ondergronds kan warmte ook worden opgeslagen in buffervaten. Deze technologie bevindt zich in de demonstratiefase. Ecovat is een Nederlands bedrijf dat een ondergronds warmteopslagvat voor warm water heeft ontwikkeld, en zich voorbereid op grootschalige uitrol. Het gaat om zeer goed geïsoleerde vaten met een diameter van 20-30 meter waarin warm water tot 90°C kan worden opgeslagen. Door de goede isolatie en grote afmetingen kan het vat in de zomer worden opgeladen en met geringe verliezen (ca. 10% over 6 maanden) het koude seizoen overbruggen.  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. Ecovat heeft recent een productielocatie in bedrijf genomen. In 2018 won Ecovat de Flex Challenge en in 2017 de Flexcon Energy Startup Challenge

De onderstaande afbeelding geeft een schematische weergave van de rol van Ecovat in een wijk-energiesysteem.

Daarnaast kunnen technieken uit het hoofdstuk ‘kleinschalige warmteopslag’ zoals in thermochemische materialen ook worden toegepast op grotere schaal. Door de relatief hoge kostprijs van dergelijke materialen wordt het echter nog niet in grootschalige toepassingen gebruikt.

Innovatieopgaven

Binnen kleinschalige en grootschalige opslag van warmte zijn nog diverse onderwerpen waar innovaties 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 (Key Performance Indicators) met streefwaarden opgesteld. Het hele MMIP kunt u hier vinden.

Voor warmtebatterijen en 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)

0,1-0,3

0,04-0,10

5

5-10 % per dag

PCM

0,15-0,25

0,05-0,09

75

5-10 % per dag

TCM

0,5-1

0,5-1

5-25

<1%

CLC

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

 

Daarnaast kunnen in de toekomst PCMs, TCMs en CLC ook worden ingezet voor grootschalige seizoensopslag, al is daar nog veel ontwikkeling en kostenreductie voor nodig.

Conclusies

Om de energievoorziening betrouwbaar en betaalbaar te houden in een toekomst die meer afhankelijk wordt van duurzame energiebronnen, gaan zowel groot- als kleinschalige warmteopslag een belangrijke rol spelen. De belangrijkste voordelen van warmteopslag zijn:

  1. Het koppelen van seizoensgebonden energietekorten en -overschotten voor een gebalanceerd energiesysteem;
  2. Het voorkomen dat de piekvraag van elektriciteit door warmtepompen hoge netverzwaringskosten veroorzaakt, en
  3. Duurzame warmte leveren tijdens dunkelflautes wanneer er geen duurzame energiebronnen beschikbaar zijn.  

Er zijn verschillende technologieën in ontwikkeling, zowel op gebouw- als op wijkniveau. Omdat warmteopslag een onmisbare schakel is in een duurzaam energiesysteem, ligt het in de lijn der verwachting dat de totale warmteopslagcapaciteit de komende jaren een vlucht gaat nemen. Specifieke toepassingsgebieden kunnen fungeren 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 temperatuurniveaus.  Met onderzoek naar bodemrisico en het herzien van de juridische kaders kan deze techniek in Nederland 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. Bij vragen over het document of indien een toelichting wordt gevraagd, kan contact opgenomen worden met: