Inhoudsopgave
Over energiebronnen
Wanneer we olie, kolen, aardgas of hout verbranden, dan komt er energie vrij die je bijvoorbeeld kunt gebruiken om je huis te verwarmen. Olie, kolen en aardgas zijn ontstaan door resten van planten, noemen we daarom fossiele energie en daarvan is op aarde een eindige hoeveelheid aanwezig.
Energiebronnen als wind, waterkracht en zon worden beschouwd als “onbeperkt beschikbaar” en de stroom of warmte die we daarmee produceren beschouwen daarom als duurzaam. Duurzaam opgewekte stroom en warmte heeft als nadeel dat deze op hetzelfde moment gebruikt moet worden als ze geproduceerd wordt, anders gaat ze verloren:
- Neem je op een mooie zomerse dag onderweg met je elektrische auto, kan de door je zonnepanelen teveel opgewekte energie niet gebruikt worden om je auto op te laden.
- In de zomer kun je je huis koelen door warmte uit de lucht te halen met behulp van duurzame elektriciteit. Dan zou het mooi zijn als je die zomerse warmte van de zomer kunt gebruiken om in de winter je huis weer mee te verwarmen.
Om opgewekte energie te kunnen bewaren voor gebruik op een later moment, moeten we die energie overbrengen naar een andere soort drager van energie: duurzame opgewekte elektriciteit kan bijvoorbeeld gebruikt worden om waterstof te produceren.
Een ander nadeel van duurzaam opgewekte energie is dat het aanbod van wind en zon sterkt varieert, met grote pieken en dalen. Zo is er in de zomermaanden dagelijks een groot overschot aan zonnestroom:
In de wintermaanden is er juist een tekort aan zonne-energie.
Het gebrek aan zonne-energie in de winter wordt maar gedeeltelijk opgevangen door de dan gemiddeld hogere productie van windenergie:
Opslag van elektriciteit kan ingezet worden om de pieken en dalen in het elektriciteitsnet op te vangen. Men is volop bezig bestaande opslagmogelijkheden te benutten en nieuwe vormen te onderzoeken. Zo heeft bijvoorbeeld WeertEnergie heeft samen met SoltronEnergy en TNO een pilotproject opgezet om bij hun zonnepark een buurtbatterij te plaatsen.
Buffers
De traditionele term batterij of ook wel accu’s is bij iedereen welbekend. Er bestaan echter meer type opslagmogelijkheden. Wij spreken daarom vanaf nu in dit document over buffer. In onderstaande tabel worden op hoofdlijnen opslagmogelijkheden benoemd met eventueel verwijzingen naar meer informatie. Enkele technieken worden hierna verder toegelicht.
De opslagvermogens variëren van minder dan enkele kW tot 5MW en de toepassingen van de kleine schaal huis / wijk tot industriële toepassingen.
| Type buffer | Kenmerken | Voorbeelden |
| Elektrochemisch |
|
Industriële energieopslagsystemen (50 kWh tot 5 MWh) met 2de hands accu’s. Water gebaseerde accu’s. Waterstof-bromideflow batterijen Zeezout batterij. |
| Thermisch | In de bodem heerst op meer dan 2,7 meter diepte een vrijwel constante bodemtemperatuur van 10 tot 12 graden. Ga je nog veel dieper dan wordt het nog warmer en dan spreek je van geothermie. De bodem kan dus helpen je huis te verwarmen. Als door het onttrekken van warmte de bodem rondom het water afkoelt, heeft deze tijd nodig om weer op te warmen. Dat opwarmen kan ook zomers tijdens het koelen van je woning. | Onze aarde kun je zien als één grote opslagbuffer van warmte. Zie ook de Staalkaart Bodemwarmtepomp. Perslucht opslag |
| Thermochemisch | Kunstmatig aangelegde buffers, zoals ijsbuffers en thermochemische opslag. | Waterbuffers als Ecovat en LG Therma V IWT Energynest gemaakt van gerecycled beton en staal. Ammoniakbuffer. Dit zijn kleinschalige ammoniak fabrieken voor de conversie van wind- en zonne-energie naar ammoniak. Ammoniak kan ingezet worden als brandstof (boten en vrachtverkeer) of terug gekraakt worden naar energie. |
Op de website van hieropgewekt.nl/duurzame-warmteopslag staat een kennisdossier met informatie over verscheidene andere type buffers.
Verwarmen met ijs
Ja dat kan, inmiddels wordt dit op enkele plekken in Nederland al toegepast bij woningen. Systemen daarop gebaseerd bestaan al langer, maar werden vooral toegepast in grote gebouwen. Zo’n systeem maakt gebruikt van 5 duurzame bronnen: zon, lucht, aarde, water en ijs. Het omvat een zon-lucht collector, een betonnen (water/ijs)buffertank in de grond met twee warmtewisselaars, een warmtepomp en een warmteafgifte systeem.
Wanneer de zon-lucht collectoren niet voldoende energie kunnen leveren, schakelt de warmtepomp over naar de in de ijsbuffer opgeslagen energie. Daalt de temperatuur in de ijsbuffer onder het vriespunt, dan wordt deze faseovergang van water naar ijs benut voor verdere energiewinning – vandaar de naam ijsbuffer. Bij de overgang van water naar ijs komt evenveel kristallisatie-energie vrij als bij het omgekeerde proces – het ontdooien – nodig is.
Een ijsbuffer van 10m3 waterinhoud komt overeen met de energie van ca. 200 m3 aardgas.
Als een liter water met 1 K (Kelvin) wordt afgekoeld, dan komt 1,163 Wh energie vrij, net zoveel als nodig is om het te ontdooien. De warmte-energie wordt stap voor stap via de warmtepomp aan het reservoir onttrokken en het water wordt afgekoeld tot 0 °C. Het bevriezingsproces dat ontstaat bij verdere warmteonttrekking, is gewild aangezien de fasewisseling van water in ijs nog meer energie oplevert. De temperatuur blijft constant op 0 °C, maar er komt 93 Wh/(kgK) kristallisatie-energie vrij die door de warmtepomp kan worden gebruikt om het gebouw te verwarmen. Dit komt overeen met de energie die vrijkomt als water van 80 °C afgekoeld wordt tot 0 °C.
Wanneer 1 kg ijs in water verandert, komt er 334 kJ (of 93 Wh) aan energie vrij door het kristallisatieproces. En dat is weer voldoende om 1 liter water vanaf het kristallisatiepunt tot 80 °C te verwarmen. Deze thermische energie wordt opgeslagen, of direct ingezet als voeding voor een warmtepomp die zo zijn elektrisch verbruik van 1 kW opkrikt naar minstens 4 kW aan warmte.
Je berekent dan hoe groot die buffer moet zijn om aan de warmte en/of koudevraag van het gebouw te voldoen.
De werking van de ijsbuffer volgt de seizoenen: omdat het systeem uit twee ringen bestaat, kan het ’s zomers en winters van het faseverschil profiteren.
Op het dak vangen thermische panelen of liever nog PVT panelen de warmte van de omgevingslucht op. Deze warmte wordt opgeslagen in de ondergrondse buffer. Een warmtepomp brengt dit water op de gewenste temperatuur om het gebouw te verwarmen. Aan het eind van het stookseizoen wordt er alleen nog energie aan de buffer onttrokken, totdat er ijs ontstaat. Dit ijs koelt in de zomer het gebouw, de warmte van het gebouw wordt vervolgens in de winter weer gebruikt voor verwarming.
| Voordelen | Nadelen |
| In situaties waar de bodem niet of nauwelijks geschikt is voor wko-installaties. | Kans op kinderziekten |
| Een vergunning zoals bij WKO en gesloten bodemwisselaars zijn niet nodig. Alleen een reguliere bouwvergunning. Er geen gevaren voor grondwater. Het systeem kan dus ook worden toegepast in grondwater-beschermingsgebieden. | Duurder dan wko. |
| Een CoP-waarde tot 5 (dat wil zeggen dat met 1Kw energie 5 kW energie gemaakt kan worden). | Iets minder efficiënt dan een wko. |
| De CO2-belasting is (nagenoeg) nul. | |
Hoe zit het met onderhoud? |
Thermochemische opslag
Ijsbuffers zijn dus een nog ontwikkelende technologie. Een nadeel dat wel al bekend is dat de reservoirs behoorlijke ruimte opneemt. Thermochemische opslag is een andere opkomende technologie waar veel onderzoek naar wordt verricht om op kleinschalig niveau de opslag van warmte bij woningen mogelijk te maken. Het TNO definieert thermochemische opslag als volgt:
“Bij thermochemische opslag wordt extern verkregen warmte; bijvoorbeeld zonnewarmte, via een chemische reactie langdurig en verliesvrij in een systeeem opgeslagen. Deze warmte kan op ieder gewenst moment via dezelfde, maar omgekeerde chemische reactie door het systeem worden afgegeven aan de omgeving.” (TNO)
Vergelijkbaar met het verwarmen met ijs vang je uit de zon en lucht warmte op die geleid wordt naar een vat dat gevuld is met chemisch materiaal om daar de warmte in op te slaan om op een later punt te gebruiken. Het voornaamste voordeel is dat in vergelijking met water de omvang van het opslag kleiner kan zijn doordat de energiedichtheid van het materiaal hoger is.
Momenteel wordt er door verschillende partijen gezocht naar oplossingen zoals Solarfreezer die bezig is met de ontwikkeling van een bufferzak die in de kruipruimte geplaatst kan worden. Zij hebben al een aantal pilotprojecten staan waar de eerste resultaten al binnen van zijn. Flamco heeft de Flextherm Eco ontwikkeld. Dat is een compacte thermische batterij voor warm tapwater in het huishouden.
Netcongestie
Momenteel is door de grote opwek er veel problematiek rondom netcongestie. Overdag wordt teveel stroom gegenereerd door de grote hoeveelheid zonnepanelen. Waardoor omvormers kunnen afslaan en grootschalige projecten niet kunnen worden doorgezet zonder netverzwaring. ‘s Avonds wanneer er minder opwek is wordt juist weer meer stroom afgenomen dat duurzaam wordt opgewekt op het net.
CE Delft heeft namens de Rijksoverheid een onderzoek uitgevoerd over de rol die batterijen kunnen spelen bij de afnamecongestie. Helaas concludeerde het dat met het huidige beleid en de huidige technologie batterijen geen betrouwbare, schaalbare, uitvoerbare en betaalbare oplossing is voor het afnameprobleem. Er loopt ook nog een onderzoek die kijkt of batterijen een rol kunnen spelen bij de opwekcongestie. De conclusies worden in het najaar van 2023 verwacht.
Buurtbatterij
Buurtbatterijen klinken op papier als een goede oplossing voor de netcongestie. De overtollige stroom van de buurt wordt opgevangen en gebruikt door de buurt. De realiteit is echter lastiger. De opwek kan inderdaad opgeslagen worden, maar door de investeringskosten, het eigendom en de stroomprijzen zorgen er gezamenlijk voor dat de business case niet uitkomt. Hierdoor werken meeste buurtbatterijen eigenlijk smart, ze verkopen stroom op de energiemarkt wanneer de stroomprijzen hoog zijn en houden stroom vast wanneer de stroomprijzen laag zijn. Vaak zijn ‘buurtbatterijen daardoor ook minder voor de hele buurt en vaak meer voor de projectontwikkelaars of andere grote investeerders.
Meer informatie en kanttekeningen die komen kijken bij een buurtbatterij zijn te lezen in dit artikel over het project van WeertEnergie.
Voorbeelden
Onderzoek DWA
De DWA heeft een onderzoek uitgevoerd naar de financiële en technische haalbaarheid van warmteopslag voor woningen. De beweegreden voor het onderzoek ligt met name in de capaciteit van het elektriciteitsnetwerk. Het netwerk heeft momenteel niet de capaciteit om zowel warmte als elektriciteit te leveren aan de gebouwde omgeving. Momenteel lijkt het niet rendabel te zijn voor bewoners om zelf in warmteopslag te investeren. Wel liggen er kansen om op grotere niveau warmte op te slaan zoals bij bijvoorbeeld appartementencomplexen, maar daar moet nog onderzoek naar worden gedaan.
Basaltbatterij Ecodorp Boekel
In Ecodorp Boekel gaan ze gebruik maken van een basaltbatterij voor de opslag van warmte. Het project wordt ondersteund vanuit de provincie Noord-Brabant en de Europese Unie. Basalt dient een duurzaam alternatief te zijn voor huidige batterijen. De batterij is onderdeel van het CESAR systeem (Centralized Energy Storage And Recovery).
Kennemer Wonen
Vastgoedorganisatie Kennemer Wonen heeft in samenwerking met bedrijf iWell batterijen en zonnepanelen bij huurwoningen en appartementencomplexen aangelegd om te besparen op de stroomkosten. Dankzij de batterij blijft 65% van de stroom binnen de complexen en gebouwen terwijl zonder dit rond de 20% zou komen. Op die manier wordt ook de last op het elektriciteitsnetwerk beperkt.
Basisscholen Uden
Onder de basisscholen De Brinck en De Petteflet in Uden zit een groot waterbassin. Daarin wordt gedurende de zomer de warmte van de zonnecollectoren op het dak van de school opgeslagen. In de winter onttrekt de school warmte uit het bassin om de school te verwarmen, net zo lang tot het water ijs is. Het maken van ijs, levert extra veel energie op. Dat natuurkundige principe is het geheim van de ijskelder. In de zomer gebruikt de school het ijs uit het bassin om de school te koelen. Een gasaansluiting en airconditioning zijn overbodig, superzuinig dus. Het scheelt de school 20.000 euro aan stookkosten per jaar. Genoeg geld voor een halve juf of meester.
Bronnen en referenties
warmtepomp-weetjes.nl/ijsbuffer-systeem-warmtepomp
viessmann.nl/IJsbuffersysteem.pdf
vvplus.nl/artikelen/open/verwarmen-met-ijsbuffers-komt-op hier staan verschillende voorbeelden van ijsbuffer projecten en de kinderziekten die zij ervaarden.
wkotool.nl hier kan je bekijken wat de mogelijkheden zijn wat betreft bodemenergie in jouw omgeving.
