Warmtenetten, restwarmte en thermische warmtesystemen (TES)

Warmtenetten

Van de totale hoeveelheid energie die Nederland jaarlijks opsoupeert gaat ongeveer de helft naar de productie van warmte. Twintig procent daarvan is bestemd voor de industrie, bijvoorbeeld voor het maken van staal, en 10 procent voor de landbouw, zoals voor het verwarmen van kassen. Maar het grootste deel, zo’n 50 procent wordt door huishoudens verstookt.

Bij warmtenetten moet een duurzame warmtebron voorhanden zijn en liefst een hoge bebouwingsdichtheid anders wordt het veel te duur.
De afstand mag ook niet te lang worden anders komt het water koud binnen. 

De warmte kan komen van datathermie, zonthermie, geothermie, aquathermie, power to heat (warmte uit stroomoverschotten),  warmtekoudeopslag biogas of waterstof. 

In dichtbevolkte stadswijken zijn warmtenetten 30 procent goedkoper dan individuele warmtepompen en belasten ze het overvolle stroomnet niet.
Warmtenetten moeten verplicht in handen van de gemeenten komen want zij kunnen consumenten beschermen tegen grote prijsverschillen of tariefstijgingen van commerciële aanbieders.

In 2030 moeten al een half miljoen bestaande woningen op een warmtenet aangesloten zijn, en in 2050 al 2,6 miljoen.
Maar warmtenetten mogen niet meer in private handen liggen en moeten worden beheerd door gemeenten die eerlijke prijzen moeten doorrekenen.  

In 2021 zijn 415.000 huishoudens aangesloten op collectieve warmtenetten in Nederland. Binnen 9 jaar moeten dat 1,5 miljoen zijn. Ruim drie keer zoveel dus.

Hoe zou het eigenlijk moeten.

https://vimeo.com/478998345

Stedennetwerk G40, een samenwerkingsverband van de veertig grootste gemeenten, heeft minister Rob Jetten (Klimaat en Energie) verzocht zo snel mogelijk de koppeling tussen de tarieven van de gasprijs en de warmtenetten los te laten.

Volgens de G40 worden naar schatting 500.000 gebruikers van de warmtenetten vanwege de koppeling geconfronteerd met een te hoge energierekening door de sterk gestegen gasprijzen.

Warmtenetten voor wijken. Wat is slim?

Je kan warmtenetten voor wijken (uit de jaren zestig) vergelijken met dat ieder woning een lucht-warmtepomp krijgt. Dan blijkt dat de aanleg van een warmtenet op jaarbasis goedkoper is. De kosten van de all-electric oplossing liggen voornamelijk bij de investerings- en elektriciteitskosten van een luchtwarmtepomp, de benodigde verzwaring van het elektriciteitsnet en bij de gebouwisolatie.

In een vergelijking tussen de drie warmtenet-varianten komt de 70/40 variant als beste uit de bus. Daarbij gaat water van 70 graden het net in en komt terug in 40 graden. De winst zit met name in de extra kosten die gemaakt moeten worden om een 40/25 of 20/10-warmtenet werkend te krijgen. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om leidingen met een grotere diameter, of verwarmers voor warm tapwater.

Veel gemeenten bekijken nu per wijk welke oplossingen het handigste zijn. Volgens de onderzoekende partijen kan die wijk-voor-wijk-aanpak ten koste gaan van een goede aanpak op gemeentelijk niveau. Sommige wijken zijn te klein  voor de toepassing van duurzame energie als geothermie of restwarmte. Dat wil echter niet zeggen dat de toepassing niet geschikt is voor de gemeente. Een overkoepelende strategie op gemeente of regionaal niveau is dan ook noodzakelijk om evenwichtige warmteplannen voor naburige wijken te realiseren waarin de potentie van grote, duurzame warmtebronnen ook wordt meegenomen.

Hoeveel bespaar je dan?

De inzet van een warmtenet levert een CO2-besparing op. Die besparing kan in 2030 maximaal tachtig procent zijn; CO2-vrije energie is niet mogelijk. De CO2 die uitgestoten wordt, is afkomstig uit een warmtecentrale die de piekvraag opvangt. Deze centrale wordt door gas gevoed. Om 100% CO2 reductie te realiseren moet een duurzame oplossing gevonden worden voor de piekvraag en moet de elektriciteitsvoorziening nog duurzamer worden.

Bron Duurzaambedrijfsleven

Ectogrid

Ectogrid is een energiesysteem dat warmte en koude benut uit externe bronnen. Het bestaat uit een warme en een koude buis. Met behulp van pompen wordt het koude of warme water in de goede richting gepompt. Elk aangesloten gebouw heeft een installatie die de temperatuur afhankelijk van de behoefte verhoogt of verlaagt. Doordat gebouwen met elkaar verbonden zijn, wordt er zoveel mogelijk energie uitgewisseld. Hierdoor kan een hoop energie worden bespaard, tot wel 75 procent. Een ander voordeel is de digitale laag. Het dataplatform kijkt continu naar de slimste manier voor de verdeling van warmte en koude en het gebruik van energie. Ook wordt voorspeld wanneer de zon schijnt en wanneer het dus slim is om energie in de buurtbatterij op te slaan of vrij te geven.

Banen

 Restwarmte

Wat kan je allemaal doen met restwarmte (uit de industrie) of uit biomassa.

1. Restwarmte Pernis verwarmt 16.000 huishoudens

De Rotterdamse haven heeft genoeg restwarmte om 500.000 huishoudens en een deel van het kassengebied. Shell is de eerste raffinaderij in de Rotterdamse haven die nu restwarmte aan het warmtenet gaat leveren. In Rotterdam worden jaarlijks 16.000 huishoudens verwarmd met de restwarmte. 

Shell heeft de installaties gebouwd die het mogelijk maken om de restwarmte uit de raffinaderij af te voeren. Havenbedrijf Rotterdam zorgt voor het transport via de warmteleiding van Shell Pernis naar het bestaande warmtenet. Warmtebedrijf Rotterdam neemt de aansluiting op het bestaande warmtenet, het beheer, operatie, onderhoud en levering aan de lokale warmte distributeurs voor zijn rekening. Met het project is een totale investering van ongeveer € 16 mln gemoeid, waarvan het Havenbedrijf Rotterdam ongeveer € 8 mln voor zijn rekening nam.

2. Datathermie Datacenter als warmteleverancier

De vraag naar duurzame warmte neemt toe maar ook het aantal datacenters. De sector kan een duurzaamheidsslag maken door restwarmte beter in te zetten. Dat is de uitkomst van een onderzoek van Berenschot, dat in opdracht van de RVO werd uitgevoerd.

In Finland zijn de datacenters al wel volwaardige warmteleveranciers. Dat komt omdat het hergebruik van restwarmte daar wettelijk verplicht is. Daarbij maakt een hoge gasprijs de Finse businesscase gunstiger.

3. Agri-food bedrijf gebruikt restwarmte van de buren

Een restwarmtekoppeling tussen aardappelverwerker Lamb Weston / Meijer en Wiskerke Onions levert water van 60 graden Celsius via buizen naar het naastgelegen perceel van Wiskerke Onions. Daar wordt de warmte omgezet in lucht van 30 graden Celsius, waarmee de uien gedroogd worden.

4. Zwembad verwarmd met restwarmte uit fabriek

Aardappelproducent CêlaVita zet het warmte-overschot uit haar fabriek in Wezep in voor de verwarming van een nabijgelegen zwembad. 

De fabriek van CêlaVita loost dagelijks gezuiverd afvalwater met een temperatuur van ruim 30 graden Celsius in het riool. Door middel van riothermie wordt via warmtewisselaars energie teruggewonnen uit afvalwater in het rioolstelsel. De energie wordt vervolgens door zwembad De Veldkamp in Wezep gebruikt voor de verwarming van het zwembadwater.

5. Innovatieve hittepanelen voor staalindustrie

Bij de productie van staal of glas ontstaat restwarmte van hoge temperatuur, 700 tot 1.200 graden Celsius. Via hittepanelen wordt stralingstralingswarmte omgezet in elektriciteit en warm water.  Bron Duurzaambedrijfsleven

6. Warmte van oppervlaktewater (Thermische energie oppervlaktewater) TEO

Noord-Holland is omgeven door water. Dat kan gebruikt worden bij de opwarming van gebouwen via warmtekoudeopslag, warmtewisselaar en warmtepomp . Als men uitgaat van middentemperatuur warmtenetten in combinatie met een acceptabel warmtepomprendement, kunnen alle woningen vanaf bouwjaar 1860 verwarmd worden. Naarmate de afstand groter wordt is het moeilijk om het water op temperatuur te houden, omdat het water onderweg warmte verliest. Dan is het efficiënter om naar andere warmtebronnen te kijken.

7. Warmte van afvalwater en rioolslib (Thermische energie afvalwater) TEA 

Ook dit kan je inzetten bij de verwarming van huizen. 

8. Zonthermiepark (2022)

Op het zonthermiepark wordt straks door middel van zonnewarmte warm water gemaakt in Groningen. Zonthermie levert op dezelfde oppervlakte circa drie keer meer energie dan zon-pv. Bovendien legt het zonnepark geen beslag op de capaciteit van het elektriciteitsnet. Op Dorkwerd wordt daarnaast gebruik gemaakt van een vernieuwende vacuümtechniek om warmte te produceren. Hierdoor is het mogelijk om ook op minder zonrijke dagen relatief hoge temperaturen te produceren, tot wel 85 graden.

Het zonnepark wint voornamelijk warmte in de zomer. Door de warmte ondergronds op te slaan kan deze echter ook in de winter worden gebruikt. Ze maken daarbij gebruik van zogenaamde Aquifer Thermal Energy Storage, ofwel ATES. Hierbij wordt de warmte tot op 175 meter diep opgeslagen in twee ondergrondse waterdragende grondlagen. De nieuwe WarmteCentrale zorgt er voor dat de te leveren warmte altijd op de juiste temperatuur is en via het warmtenet bij de Groningse huishoudens wordt gebracht.

Voorbeelden

Amsterdam verbindt twee warmtenetten in haar stad

Elektrische boiler

Vattenfall wil een elektrische boiler bouwen met een vermogen van 150 megawatt (MW). De elektrische boiler kan alleen draaien als de geleverde stroom duurzaam is. Het mes snijdt aan twee kanten: door de boiler aan te zetten als er een teveel is aan veel zonne- en windstroom, hoeven windturbines en zonneparken op zulke momenten niet afgeschakeld te worden. Daarnaast is de stroomprijs dan laag. De warmte gaat naar inwoners van Amsterdam, Almere en Diemen. (2021). Klaar in 2024. 

Open warmtenet van Zaanstad

Zaanstad heeft een open netwerk. Aan de ene kant moesten fabrieken betalen om hun warmte af te voeren, maar verderop willen mensen douchen. ‘Open’ betekent dat er onafhankelijk netbeheer is, waarmee het toegankelijk is voor diverse warmtebronnen, - leveranciers en -afnemers. 

Bijzonder aan het Zaanse project is de publiek-private samenwerking tussen gemeente, netwerkbeheerder en de warmteleverancier met de verschillende afnemers als woningbouwcorporaties, verenigingen van eigenaren, nieuwbouwontwikkelaars én scholen. Dit heeft geleid tot een warmtenet waar de infrastructuur in publieke handen is. De bronnen en de warmteleverancier worden door de afnemers zelf gekozen.

In 2020 wordt een onderzoeksprogramma gestart van de warmtebron tot in de huiskamer. Van bedrijven als Shell, die de bodem van Nederland goed kennen, tot Eneco, die de energie bij mensen thuisbrengt en ten slotte gemeenten, die de burgers meekrijgen in het proces. 

Zie hier de kaart van Nederland met alle informatie over warmte in de ondergrond, van bedrijven ect. Ofwel de warmtekaart van Nederland. 

Aardgasvrije wijk Duinwijck, Vlieland in 2021

39 woningen aardgasvrij. In het wijkje lag al een warmtenet, maar dat werd gestookt met aardgas. Nu wordt warmte met behulp van zonnecollectoren van het dak gehaald. Aan de vraag naar warmte en warm tapwater wordt zowel in de zomer als in de winter voldaan omdat deze warmte rond de 70 graden circuleert door het warmtenet waardoor er altijd voldoende energie is voor beiden.

Als er vraag is naar warmte (in de zomer), dan wordt die warmte meteen gebruikt voor warm tapwater. Ook op zonnige dagen in de winter, wordt het warme water meteen gebruikt voor de verwarming. Als er op sommige dagen meer warmte van het dak komt dan nodig, dan wordt dat opgeslagen in de buffer. De zonnecollectoren maken dan dus warm water wat opgeslagen wordt in een zeer goed geïsoleerde soort waterzak, die dient als seizoensbuffer. De warmte die op deze manier wordt ‘opgespaard’ tijdens de zomermaanden, wordt vervolgens vooral in de wintermaanden gebruikt om de woningen van warmte te voorzien; denk aan de periode oktober tot begin januari.

Als de buffer niet voldoende capaciteit meer heeft wordt de buffer ingezet als bron voor een 100 kW hoge temperatuur warmtepomp; denk aan de periode januari tot en met maart. Iedere 10 minuten wordt in dit project een nieuwe afweging gemaakt met behulp van meet- en regeltechniek en wordt steeds de optimale combinatie automatisch bepaald.

Papierfabriek Smurfit Kappa en wijken in Roermond

In Roermond wordt al langere tijd gewerkt aan de oprichting van een warmtenet, onder de naam Slim Energienet Roermond (SER). Na onderzoek bleek vorig jaar dat het warmtenet technisch haalbaar is. Het warmtenet moet op termijn warmte en eventueel ook koude gaan leveren aan 1.200 tot 2.000 huishoudens. Later moeten ook kantoren en bedrijfsruimten worden aangesloten op het netwerk. Het energienet moet uiteindelijk een open en flexibele structuur krijgen waardoor in de toekomst meerdere aanbieders en afnemers kunnen worden gekoppeld.

Hoe je bewoners betrekt bij een warmtenet staat hier

Warmtenet en geotherie (zoals in Ypenburg)

Een gasloos warmtenet op basis van geothermie werkt met lagere temperaturen dan het huidige, gasgestookte warmtenet. Om in alle huizen toch dezelfde comfortabele warmte te krijgen, moeten woningen geschikt zijn voor lagere temperaturen en moet je ook het netwerk intelligenter maken. Dat kan door de warmteonderstations uit te rusten met sensoren voor druk, flow en temperatuur. Het is een lerend systeem. Ze hebben de ingangstemperatuur van het systeem al circa 15 graden kunnen verlagen. En straks kunnen ze pieken en dalen voorspellen, zodat ze de beschikbare warmte optimaal kunnen gebruiken. Daarnaast onderzoeken ze op welke wijze de installaties in een woning beter kunnen werken, met als doel lagere temperaturen op het warmtenet, minder energieverlies en meer comfort voor de klant.

Een van de ideeën vanuit de bewoners was dat alle mensen in de wijk straks met zonneboilers op hun woning wellicht hun eigen warmte kunnen opwekken, en overschotten via een slimme meter terugleveren aan het net. Op deze plek hebben we daarmee een kleinschalige pilot gehouden, anderhalf jaar lang. Het principe werkt, maar het levert nu nog te weinig op. Wie weet dat we het in de toekomst wel rendabel kunnen maken.

In 2020 wordt er een 12 megawatt thermisch vermogen (MWth) elektrodeboiler geplaatst. Deze ultra-efficiënte megaboiler neemt de plaats in van één van de huidige hulpwarmtegasketels en gaat vanaf medio 2020 warmte maken uit schone elektriciteit. De elektrodeboiler werkt heel snel en is in staat overschotten aan duurzame elektriciteit om te zetten in warmte. Inzet van de elektrodeboiler scheelt 700.000 kuub gas per jaar. Ook kan de elektrodeboiler piekopbrengsten van duurzaam opgewekte stroom uit zon en wind opslaan in de vorm van warm water. Zo benut Ypenburg straks zelfs het kleinste beetje duurzame energie optimaal.

Een locale totaaloplossing van Suwotec

De helft van de wereldwijde energievraag is bestemd voor verwarming. Een derde daarvan kan worden ingevuld met aardwarmte (ca.80 ^oC) De overige twee derde van die warmtevraag komt uit de zware industrie. Die heeft hogetemperatuurwarmte nodig voor bijvoorbeeld staalproductie en daarin kan aardwarmte (nog) niet voorzien.

De ondergrond in Nederland is heel geschikt voor boringen naar aardwarmte. Om alle woningen en gebouwen in Nederland met aardwarmte te kunnen verwarmen, zijn in totaal 600 aardwarmtedoubletten nodig (een set van twee samenwerkende aardwarmteputten). We hebben er in 2023 28 in Nederland. 

ABP gaat 45 miljoen beleggen in warmtenetten (2020)

o.a. in Ede en Almere.

Warmte uit waterbassin

Wijkje op Vlieland van het gas af waarbij de warmte komt uit groot geisoleerd waterbassin onder sportveld opgewarmd via zonneboilers.

De Delta Corridor (2022)

Delta Corridor, een bundel van vier pijpleidingen tussen de Rotterdamse haven, Chemelot en het Duitse Rijnland. Daar gaat onder meer groene waterstof, propeen en LPG doorheen naar Limburg en kan afgevangen CO2 vanuit Chemelot door terug voor opslag onder de Noordzee. Zo kan Chemelot verduurzamen.

Warmtestad

WarmteStad gebruikt een combinatie van technieken. In de nieuwe WarmteCentrale zorgen elektrische warmtepompen en warmtekrachtkoppelingen (WKK’s) dat de warmte op de juiste temperatuur naar de huizen en gebouwen wordt gebracht. Gasketels worden ingezet om in de piekvraag op écht koude winterdagen te kunnen voorzien. In de toekomstwordt dit groen gas, biogas of wellicht waterstofgas gaan gebruiken. Het gebruik van zon- en datathermie scheelt al 50 procent in de CO2-emissie. De doelstelling is om uiterlijk in 2035 volledig CO2-vrij warmte te kunnen produceren.

Industriële warmteopslag ofwel thermische energieopslag (TES)

Er zijn in de basis drie technieken om warmte op te slaan die in verschillende fase van volwassenheid zijn. Op volgorde van meest naar minst volwassen zijn dat:

Voelbaar; het opwarmen van zand, stenen, of andere massa
Latent; gebruik van materialen die een fase veranderen met temperatuur
Thermochemisch; via chemische reacties zoals bijvoorbeeld zout-oplossingen

In combinatie met hernieuwbare energie kan TES meer dan 50 procent van het huidige brandstofverbruik van industriële verwarming processen bij ijzer-, staal-, cement-, en chemische productie vervangen zonder deze processen fundamenteel te veranderen. Verder is er ook potentie voor bijvoorbeeld het verwarmen van huizen. Deze twee maatregelen kunnen samen het wereldwijde gasverbruik tot wel 40 procent terugdringen in 2050.

Om deze significante reductie te behalen, moeten we verschillende vormen van industriële warmteopslag, voelbaar, latent en thermochemische processen, combineren. 

1: Opslag met voelbare warmte
Voelbare warmteopslag is eenvoudig: verwarm materialen die een hoge warmteopslagcapaciteit hebben, zoals zand of zout, en gebruik deze warmte wanneer je het weer nodig hebt.

Temperatuurbereik: 0 tot 1.000 graden Celsius
Kosten: 0,10 tot 35 euro per kilowattuur
Mate van volwassenheid: commercieel bewezen.

B.v. Energynest (Noorwegen) dat HEATCRETE heeft ontwikkeld. Hiermee kunnen ze temperaturen tot 400 graden Celsius opslaan. Het Deense KraftBlock gebruikt gerecycled staal voor warmteopslag tot 1.300 graden. Antora (Verenigde Staten) werkt dan weer met geïsoleerde koolstof blokken tot wel 1.500 graden.

Het nadeel aan deze aanpak is dat opslag vluchtig is, vooral op hogere temperaturen. Dit maakt het minder interessant voor opslag op de langere termijn.

2: Latente opslag
Latente energieopslag maakt gebruik van de energie die opgeslagen wordt of vrijkomt als een materiaal een faseovergang doormaakt (bijvoorbeeld van vloeistof naar vast).

Temperatuurbereik: -100 tot 1.000 graden Celsius
Kosten: 60 tot 230 euro per kilowattuur
Mate van volwassenheid: technologie moet nog opschalen

B.v. Energy Dome in Italië, die warmte op kamertemperatuur opslaat in de vorm van vloeibare CO2. Als de druk afneemt, en de CO2 weer een gasvorm aanneemt, komt warmte vrij, en kan een turbine aangedreven worden. Een ander voorbeeld is MGA Thermal uit Australië. Dit bedrijf werkt met gesmolten legeringen die latente energie opslaan tussen vaste en vloeibare toestand.

Vergeleken met voelbare warmteopslag heeft latente warmteopslag een veel hogere energiedichtheid, waardoor minder ruimte nodig is voor dezelfde opslagcapaciteit. Daarnaast behoudt latente warmte een constante temperatuur, waardoor het meer geschikt is voor stabiele industriële processen.

Het is echter alleen effectief binnen een klein temperatuurbereik waarin de faseovergang plaatsvindt, en de specifieke materialen die nodig zijn, kunnen afhankelijk van de situatie zeldzaam en duur zijn.

3: Thermochemische opslag
Thermochemische opslag vangt warmte op uit de reactie tussen twee (of meer) stoffen die omkeerbaar is. Thermochemische opslag onderscheidt zich van meer klassieke batterijen en brandstoffen in dat de primaire input ook warmte is in plaats van een 'hogere' vorm van energie zoals elektriciteit of waterstof.

Temperatuurbereik: 50 tot 1.800 graden Celsius
Kosten: nog niet bekend
Mate van volwassenheid: vroege onderzoeksfase

B.v. Celcius dat in Nederland aan een zoutbatterij werkt die warmte genereert als er water aan toegevoegd wordt.