Bodemenergiesystemen worden vaak gebruikt om energie te besparen. De warmtepomp van dergelijke systemen verbruikt echter nog steeds veel elektriciteit. Het WKO-'triplet'-systeem vermijdt het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp door warmte en koude op het gewenste temperatuurniveau op te vangen en in de grond op te slaan met (bijvoorbeeld) zonnecollectoren en droge koelers.

Download hier de PDF van dit artikel.

Ongeveer 25 tot 40 procent van alle energie die we in Nederland gebruiken, is nodig voor het koelen en verwarmen van gebouwen [1]. In de gebouwde omgeving kan dus veel energie worden bespaard. De laatste tijd is hier veel aandacht aan besteed door de energievoorziening te verduurzamen [2], [3]. In de Nationale Energieagenda [4] staat dat in 2050 geen aardgas meer wordt gebruikt voor de verwarming van gebouwen. In dit artikel wordt gekeken naar een nieuwe techniek die daaraan kan bijdragen.

Door de variatie in seizoenen hebben gebouwen in Nederland in de zomer een warmteoverschot waardoor er gekoeld moet worden, terwijl er in de winter warmtetekort is en wij onze gebouwen verwarmen. Afhankelijk van de eigenschappen van het gebouw en de variaties in weer en seizoen, is de warmtevraag in de winter vrijwel nooit exact gelijk aan het overschot in de zomer. Maar over een heel jaar blijft er een beperkte netto vraag naar verwarming of koeling, wat maar een klein deel is van wat we nodig hebben in de winter en de zomer. Door tijdelijk warmte en koude op te slaan kunnen we het energieverbruik voor verwarming en koeling dus aanzienlijk verminderen. In Nederland gebeurt dit al veelvuldig door middel van WKO (WKO) of aardwarmtesystemen. De toepassing ervan is de afgelopen decennia sterk toegenomen onder invloed van steeds strengere eisen aan de energieprestatiecoëfficiënt (EPC) van nieuwbouw (Figuur 1).

Figuur 1. Ontwikkeling aantallen WKO-systemen en de EPC-eis voor nieuwbouw

Hierdoor is er in Nederland meer dan 25 jaar praktijkervaring met deze aardwarmtesystemen, waarvan er inmiddels zo'n 2.200 in ons land operationeel zijn [5]. De meeste van die systemen

heeft een opslagvolume tot 500.000 m3, enkele honderden systemen hebben een opslagcapaciteit van enkele miljoenen kubieke meters (zie figuur 2) [6]. Door in de praktijk beter rekening te houden met de verliezen die optreden door warmtegeleiding en afspoeling kan het rendement waarmee koude en warmte worden teruggewonnen sterk worden verbeterd. Op deze manier kan de diepte waarover wordt opgeslagen worden geoptimaliseerd [6]. Als het gebruik van een warmtepomp overbodig wordt, levert dit een aanzienlijke energiebesparing op (afbeelding 3) ten opzichte van conventionele WKO-systemen (afbeelding 4).

Figuur 2. Frequentieverdeling van vergunde opslagcapaciteiten van de 434 WKO-systemen in 5 provincies [6]

Figuur 3. Efficiëntie van een conventioneel WKO-doublet [7]

Figuur 4. Totaal energieverbruik, CO2-uitstoot en pompdebieten voor conventionele energievoorziening (fossiel), conventioneel WKO-systeem (doublet, met warmtepomp) en een WKO-tripletsysteem (zonder warmtepomp) [7]

Bij conventionele WKO-systemen is vooral de toepassing van koeling voordelig: de koeling kan direct vanuit de koude grondwaterbron plaatsvinden. De Coëfficiënt of Performance (COP, een quotiënt van geleverde en gebruikte energie) van dit type koeling varieert van 10 tot wel 30, een aanzienlijke verbetering ten opzichte van een koelmachine, die een COP van ongeveer 3 heeft. in het grondwater wordt slechts een beperkte temperatuursprong gemaakt. Als een gebouw gekoeld moet worden tot circa 20°C, kan het grondwater niet per definitie boven circa 18°C ​​worden verwarmd zonder extra energie toe te voegen. Maar met het opgeslagen warme grondwater van maximaal 18°C ​​is verwarmen in de winter nog niet mogelijk. Daarom wordt er gebruik gemaakt van een warmtepomp die de temperatuur opvoert van 18°C ​​naar 40-45°C. Dit is efficiënter dan verwarmen met een gasboiler.

Deze huidige toepassing van WKO is dan ook al een flinke verbetering ten opzichte van conventionele koelmachines en ketels. Deze systemen verbruiken echter nog steeds vrij veel energie: de warmtepomp verbruikt ongeveer 60% van alle energie die nodig is in zo'n WKO-systeem [8]. Door de warmte bij 40°C of meer in de grond op te slaan is een warmtepomp niet meer nodig, wat de warmtevoorziening verder verduurzaamt.

De energie die is opgeslagen in de bronnen van een WKO-installatie is direct gekoppeld aan de vraag naar warmte en koude. Bij het koelen wordt warmte opgeslagen voor het volgende seizoen en vice versa. Omdat er gebruik wordt gemaakt van een warmtepomp, is de temperatuur van de warme bron niet zo belangrijk. Maar bij verwarming direct uit de warme bron wordt ook de kwaliteit van de warme bron belangrijk.

De temperatuur van de koudebron is zowel voor WKO als WKO-triplet van belang, omdat deze zorgt voor directe koeling. De kwaliteit van de koudebron is dan essentieel. Maar ook zonder warmtepomp (die zorgt voor de lage temperatuur van de koudebron in het WKO-systeem) is de kwaliteit van de koudebron belangrijk.

Als het gebouw wordt verwarmd tot een temperatuur van 20°C, kan de temperatuur van het water dat hiervoor wordt gebruikt nooit laag genoeg zijn om in de zomer direct in de koudebron te gaan voor koeling. Hiervoor is een temperatuur nodig van maximaal 10°C en bij voorkeur nog lager. Als het buiten koud genoeg is, kan het water dat terugkomt uit het gebouw via droge koelers op het dak gekoeld worden tot de gewenste koudebrontemperatuur (circa 5°C). Er zullen echter periodes van het jaar zijn waarin verwarming nodig is, maar het buiten niet koud genoeg is om de gewenste koudebrontemperatuur te bereiken. In dergelijke perioden is een bufferbron nodig om besmetting van de koudebron te voorkomen. Als het buiten koud genoeg is, kan het water uit de bufferbron alsnog worden opgepompt om af te koelen en in de koudebron worden opgeslagen.

In de zomer geldt een vergelijkbare situatie. Het gebouw wordt gekoeld tot circa 20°C, waardoor de temperatuur van het gebruikte water nooit hoog genoeg kan zijn voor opslag in de warme bron. Als de zon voldoende schijnt, kan het retourwater direct worden opgewarmd tot de gewenste temperatuur met zonnewarmtecollectoren op het dak, voordat het wordt opgeslagen in de hete bron. Als de zonnecollectoren niet voldoende warmte produceren, is tijdelijke opslag in de bufferbron weer nodig totdat er voldoende warmte kan worden geproduceerd.

In plaats van een warmtepomp zijn dus extra voorzieningen nodig om het extra warmte- en koelvermogen op een duurzame manier op te vangen. Daarnaast is er een derde grondwaterbron nodig, die als buffer kan dienen tussen de koude en de warme bron, namelijk een WKO-tripletsysteem (Figuur 5).

Figuur 5. Schematische weergave van een WKO-tripletsysteem zonder warmtepomp

Voor een goede inpassing van een ondergronds warmteopslagsysteem in een bestaand of te ontwikkelen gebouw zijn bij het ontwerp twee aspecten van belang. Ten eerste het vermogen van de warmteopslag (in megajoules, MJ) en ten tweede het vermogen (in megawatt, MW) waarmee warmte uit de ondergrondse opslag moet kunnen worden geleverd. Beide zijn afhankelijk van de omvang en aard van de warmtevraag. Het vermogen voor warmtelevering uit een ondergrondse warmteopslag wordt bepaald door het volume en het temperatuurverschil van het onttrokken en weer in de bodem geïnfiltreerde water. De bewaartemperatuur moet daarom in de warme bron zo hoog mogelijk zijn en in de koude bron zo laag mogelijk. Deze optimalisatie hangt vooral af van de bron van (omgevings)warmte/koude en de temperatuurtrajecten in de installaties van de klanten.

Het spreekt voor zich dat de verliezen die optreden bij warmteopslag in de bodem zo klein mogelijk moeten zijn. Deze verliezen treden op langs de randen van de opslag in de bodem. Bij grootschalige opslag zullen deze warmteverliezen relatief beperkt zijn, omdat bij toenemende omvang van de warmteopslag het oppervlak van die randen relatief kleiner wordt [6]. Op basis van inzichten uit de Nederlandse WKO-praktijk en de relatief kleine pilots met opslag op hoge temperatuur, kunnen rendementen van ongeveer 70-90% worden verwacht voor grootschalige warmteopslagsystemen. Water met een temperatuur hoger dan 25°C mag juridisch gezien niet worden opgeslagen in WKO-installaties. Gezien de doelstellingen voor duurzame energie staan ​​de provincies positief tegenover proefprojecten met opslag op hogere temperatuur.

Afhankelijk van de exacte omstandigheden is het ook mogelijk om tijdens het koelen of verwarmen gelijktijdig uit de bufferbron te pompen. Dit kan handig zijn om extra koelvermogen op te slaan in de koudebron tijdens verwarming als de buitentemperatuur laag is. Gelijktijdig pompen van water in de bufferbron is ook mogelijk. Zo kan er een deelstroom naar de bufferbron gestuurd worden als het niet koud genoeg is om de energiestroom vanuit het gebouw weer volledig af te koelen naar de gewenste koudebrontemperatuur. Soortgelijke situaties kunnen zich ook voordoen tijdens het koelen. Of deze optreden hangt af van de klimatologische omstandigheden en de capaciteit van de droge koelers en zonnecollectoren. Om al deze verschillende bedrijfsomstandigheden mogelijk te maken, is een hydraulische koppeling nodig tussen de verschillende bronnen en systeemcomponenten. Met regelkleppen kan dan worden geregeld welke componenten bijdragen aan de uitwisseling van energie, schematisch weergegeven in figuur 6.

Figuur 6. Werkingsprincipe van een WKO-triplet in de winter, waarin koude wordt opgeslagen uit zowel de warme bron als de bufferbron [7]

Door de zonnecollectoren en droge koelers kan ook de energieopslag worden losgekoppeld van de energievraag van het voorgaande seizoen. Je hoeft alleen maar te zorgen dat er voldoende energie wordt opgeslagen voor het komende seizoen en eventuele tekorten en overschotten kunnen in de bufferbron worden opgevangen. Afhankelijk van de gebouwkenmerken en de weersituatie ontstaat er een warmteoverschot of -tekort in de bufferbron.

De in deze beschrijving genoemde bronnen voor warmte en koude kunnen ook worden vervangen door alternatieve bronnen. In plaats van thermische zonne-energie kan ook restwarmte van nabijgelegen industrie worden gebruikt om de warme bron op de gewenste temperatuur te krijgen, of oppervlaktewater voor koude. De bufferbron kan alleen worden weggelaten als beide bronnen gegarandeerd beschikbaar zijn.

Hoe hoger de temperatuur van het opgeslagen water, hoe meer gebouwen van verschillende typen en leeftijden de technologie kunnen gebruiken. Terwijl WKO-systemen vooral in nieuwbouw kunnen worden toegepast, zorgt de hogere opslagtemperatuur ervoor dat ook oudere, minder goed geïsoleerde gebouwen kunnen worden verwarmd, die niet geschikt zijn voor lagetemperatuurverwarming. Met een (beperkte) isolatiemaatregel kan de aanvoertemperatuur van de warmtelevering van een dergelijk bestaand gebouw worden teruggebracht tot 60 °C of lager. Dit scheelt in veel gevallen een flinke verbouwing. Voor een deel van de gebouwen in Nederland zou dit een goede manier kunnen zijn om te verduurzamen. En dat is hard nodig, want de belangrijkste duurzaamheidsuitdaging zit in de bestaande bouw. Dit zijn miljoenen gebouwen.

Om een ​​ondergronds warmteopslagsysteem optimaal te koppelen aan de voorzieningen om warmte en koude in een gebouw op te vangen, zijn veel afwegingen nodig. Hoe deze eruitzien is grotendeels afhankelijk van de energievraag van het gebouw, de eigenschappen van de bestaande installatie en het klimaat. Voor een fictief kantoorgebouw van 50.000 m2 BVO is op basis van vijf jaar klimaatdata voor De Bilt (2011-2015) inzicht gegeven in de totale kosten (total cost of ownership, TCO) voor een conventionele, een doublet WKO en een WKO. een tripletsysteem zijn. Hiervoor werden de energiestromen in en uit elke put bepaald met een tijdsresolutie van 1 week, zodat ook het energieverbruik van de circulatie/putpompen kon worden bepaald. Op basis van de benodigde energievraag is bepaald hoeveel drycoolers en zonnecollectoren nodig zijn en welke investering daarmee gemoeid is. De belangrijkste gehanteerde kengetallen zijn weergegeven in Tabel 1, de resultaten zijn weergegeven in Figuur 4.

De resultaten laten zien dat een tripletsysteem qua business case vergelijkbaar is met een WKO-systeem, maar dat de uitstoot lager is. Naast de energiekosten zijn de exploitatiekosten gebaseerd op 5 procent van de investeringskosten per jaar. In totaal is ongeveer 2.000 m2 zonnepanelen nodig en het vermogen van de droge koeler die nodig is om voldoende koude op te vangen moet groter zijn dan 1 MW.

Omdat de warmtevraag groter is dan de koelvraag, laat figuur 7 zien dat er structureel meer water uit de bufferbron moet worden gehaald om in de zomer voldoende water te kunnen bergen. Het verloop in de bufferbron volgt dus nauw dat van de koudebron. Als het wordt gebruikt voor koeling, moet warmte worden opgeslagen in de hete bron. Omdat het debiet voor afkoeling dan niet voldoende is, moet tegelijkertijd ook de tussenbron worden aangesproken. De zonnecollectoren en droge koelers slaan tot 20 procent meer thermische energie op dan de verwachte jaarlijkse warmte- en koudevraag om te kunnen reageren op variaties in de seizoenen. De grootte van de droge koeler en het aantal zonnepanelen is zo gekozen dat de hoeveelheid opgeslagen energie in elke bron in de gesimuleerde periode van 5 jaar nooit minder dan nul is. Doordat de gemiddelde temperatuur over de jaren 2011-2015 sterk stijgt, zien we ook een onbalans in de warme bron. Er wordt veel meer opgeslagen dan teruggewonnen. In het vijfde jaar wordt voor het eerst de gewenste 20 procent overcapaciteit in de warme bron bereikt. In de wintermaanden wordt de tussenbron vaak ingezet als dag/nachtbuffer. Als het overdag warmer is dan 4°C, kan er onvoldoende koude worden afgezogen voor opslag in de koudebron. 's Nachts is het kouder en kan de bufferbron weer worden geloosd. In de zomer is dit geen probleem, omdat er ook tijdens de koeling de meeste zon is, zodat directe/gelijktijdige warmte kan worden opgeslagen.

De resterende benodigde elektriciteit kan ook worden opgewekt met zonnepanelen (photovoltaics, PV) om een ​​volledig duurzaam systeem te verkrijgen.

Figuur 7. Resultaat testcase 50.000m3 kantoor. a) thermische energie (MWh), b) Volumes (m3), c) onttrekkingstemperatuur (°C) [7]

Dit artikel geeft een eerste overweging van de mogelijke werking van een WKO-tripletsysteem. Een dergelijk systeem lijkt een veelbelovende techniek. Nadere uitwerking van de volgende aspecten is nodig om de haalbaarheid verder te evalueren:

We hebben enkele richtlijnen voor het reageren op onze artikelen. Klik hier om het te bekijken.

Interessant artikel? Laat jouw reactie achter.

KNW AGENDA & EVENEMENTEN KNW REVIEW KNW NIEUWS KNW THEMA GROEPEN

WORD LID INLOGGEN - KNW LEDEN

Heeft u een vraag voor KNW?

Klik hier voor de details van het KNW-bureau

Op de hoogte blijven van al het waternieuws?

Op de hoogte blijven van al het waternieuws?

Schrijf je nu in voor de nieuwsbrief Twee keer per week houden we je op de hoogte van al het Waternieuws.