Duurzame warmte gaat ondergronds

Full text

26 VV+ september 2017
verwarming
Warmtenetten bestaan uit een grote hoeveelheid leidingen
en pompen die warmte verplaatsen van een bron naar een
gebruiker. Hierbij wordt gebruikgemaakt van warmtewisse-
laars en water als transportmedium. Bij veel warmtenetten
is de levering vanuit de bron relatief constant. Denk hierbij
aan warmtekrachtcentrales, industriële restwarmte of
geothermie. De vraag is echter niet constant, maar varieert
zowel binnen een dag als de seizoenen.
Warmteopslag
Deze zogenaamde ‘temporele mismatch’ is te compen-
seren door gebruik te maken van warmteopslag. Martin
Bloemendal, onderzoeker bij het  Watercycle Research
Institute: ‘Zonder warmteopslag verzorgt het continue
aanbod, de baseload, de basis van de warmtevraag en
wordt de variabele vraag opgevangen door conventionele,
vaak fossiele, warmtevoorziening, waardoor een groot deel
van de continue warmteproductie niet wordt benut. Hoe
deze balans voor een warmtenet uitvalt is afhankelijk van de
manier waarop de totale warmtevraag zich verhoudt tot de
warmte die kan worden geleverd.’
Een complicerende factor in deze is ook de onzekerheid over
ontwikkelingen in de toekomst waardoor de verhouding tussen
vraag en aanbod kan veranderen. Aan de vraagzijde kunnen
bijvoorbeeld de isolatiewaarden van een woning stijgen en
zullen warmtenetten waarschijnlijk worden uitgebreid. Aan
de aanbodzijde bestaat onzekerheid over het voortbestaan
van de industrie of energiecentrales. Bovendien zullen de
aanbieders – de warmtebronnen – in de toekomst steeds
duurzamer worden. Waar met geothermische bronnen een
redelijk constant warmteaanbod kan worden gehandhaafd,
zullen andere duurzame warmtebronnen, zoals zonnewarmte-
collectoren, glastuinbouwoverschotten en eventueel power-
2-heat (2), bijdragen aan een variabeler warmteaanbod.
Tevens zal hierdoor het niet gelijktijdig optreden van aanbod
en vraag verder worden vergroot omdat een groter deel van
de beschikbare warmte juist in de zomer zal worden geprodu-
ceerd; maanden wanneer de vraag laag is.
De meerwaarde van (hogetemperatuur)warmteopslag voor warmtenetten
DUURZAME WARMTE GAAT ONDERGRONDS
Warmtenetten maken de distributie van indus-
triële restwarmte of duurzame warmte mogelijk.
De warmtevraag en het -aanbod sluiten in de tijd
echter niet goed op elkaar aan. Zo is de vraag
naar warmte het grootst in de winter, terwijl
productie van industriële restwarmte constant is
en die van duurzame zonnewarmte variabel en
vooral in de zomer plaatsvindt. Om die reden is er
onderzoek [1] gedaan naar tussentijdse warmte-
opslag in de bodem waarbij onder meer is geke-
ken naar hogetemperatuuropslag (). Het blijkt
dat ondergrondse zandlagen voldoende mogelijk-
heden bieden om de warmtenetten duurzamer,
robuuster en toekomstbestendiger te maken.
Tekst: ing. Marjolein de Wit-Blok, freelance journaliste.
Fotografi e: Ton Borsboom
VV06 26-31.indd 26 11-09-17 08:14

VV+ september 2017 27
E WARMTE GAAT ONDERGRONDS
Door deze onzekerheden en de sterke afhankelijkheid
van de warmtevragers waar het de beschikbaarheid van
voldoende warmte betreft, heeft grootschalige warmte-
opslag een belangrijke meerwaarde voor een robuuste
warmtelevering. Niels Hartog, senior onderzoeker bij
: ‘Denk hierbij ook aan het inzetten van de opslag als
back-upvoorziening voor situaties waarin de warmtebron
tijdelijk wegvalt of wanneer je de benodigde baseload wilt
verkleinen. Je maakt dan gebruik van de zogeheten redun-
dante warmte: warmte die beschikbaar is in de opslag,
maar normaal gesproken in een jaar niet wordt ingezet.
Door het gebruik van deze redundante warmte is het
niet nodig in deze specifi eke situaties conventionele, niet
duurzame, warmtebronnen aan te spreken.’
Ondergrondse opslag
Er zijn veel verschillende manieren om warmte tijdelijk op
te slaan (tabel 1). Opslag in de bodem blijkt een relatief
goedkope optie voor het opslaan van grote hoeveelheden
warmte. Bovendien bespaart ondergrondse opslag ruimte
bovengronds en zijn er in Nederland meer dan voldoende
geschikte bodemlagen voor dit doeleinde.
Bij het gebruik van de ondergrond voor warmteopslag
wordt water met een hogere temperatuur dan het omrin-
gende grondwater via putten geïnjecteerd in ondergrondse
OPSLAG IN DE BODEM
BLIJKT EEN RELATIEF
GOEDKOPE OPTIE VOOR
HET OPSLAAN VAN GROTE
HOEVEELHEDEN WARMTE
VV06 26-31.indd 27 11-09-17 08:14

28 VV+ september 2017
verwarming
zandlagen (aquifers) en weer onttrokken op het moment
dat er een verwarmingsbehoefte is. Deze toepassing van
de ondergrond is niet nieuw; in Nederland is er al meer dan
25 jaar praktijkervaring met ondergrondse wko-systemen,
waarvan er inmiddels zo’n 2.000 operationeel zijn.
Het grootste deel van die wko-systemen heeft een opslag-
volume tot 500.000 m3 terwijl enkele honderden systemen
een capaciteit bieden van enkele miljoenen m3. Hartog:
‘Vergis je niet in de grootte van deze ondergrondse opslag-
mogelijkheden. Deze opslagvolumes zijn tot duizend keer
groter dan de grootste bovengrondse warmteopslagsys-
temen. De warmtebuffer bij het stadsverwarmingsnet van
de Nuon warmtekrachtcentrale in Diemen heeft bijvoor-
beeld een capaciteit van 22.000 m3 en kan in de zomer tot
maximaal 16 uur warmte leveren. Dit wordt hoofdzakelijk
gedaan om te kunnen anticiperen op variabele elektriciteits-
prijzen, maar is dus geen optie om de seizoensgebonden
mismatch in warmtevraag te bufferen of een serieuze
back-up voor een wegvallende warmtevraag te bieden.’
Hogetemperatuuropslag
Hoewel de ondergrondse opslagvolumes bij wko-systemen
ten opzichte van bovengrondse varianten dus relatief groot
zijn, liggen de temperaturen waarbij de warmte wordt opge-
slagen (gewoonlijk <16 °C) vele malen lager dan bij de distri-
butie (en opslag) in een warmtenet. De bronnen voor huidige
duurzame warmteproductie voor warmtenetten leveren
namelijk warmte op een temperatuurniveau van 50 – 80 °C.
Ook toekomstige alternatieve en duurzame warmtebronnen
voor grootschalige warmtenetten, zoals zonnewarmte,
komen op een vergelijkbaar temperatuurniveau beschikbaar.
Om warmtenetten in combinatie met warmteopslag nog
duurzamer te maken, wordt onderzoek gedaan naar moge-
lijkheden om het water met een veel hogere temperatuur
op te slaan: hogetemperatuuropslag of . Dit onderzoek
is belangrijk omdat het vooralsnog niet is toegestaan om
water met deze temperaturen in de bodem op te slaan. Het
biedt echter wel de nodige voordelen.
Praktische bezwaren
Wettelijk gezien mag er in wko-systemen geen water met
een temperatuur hoger dan 25 °C worden opgeslagen.
Hierdoor is bij wko-systemen de additionele en significante
inzet van een warmtepomp nodig om aan de warmte-
vraag te kunnen voldoen. Een warmtenet met een buffer
die hogere temperaturen (> 30 – 100 °C) kan opslaan,
kan echter zonder toepassing van een warmtepomp de
gebouwen van nuttige warmte voorzien. Dit maakt de
warmtevoorziening duurzamer, omdat de voor de warm-
tepomp benodigde elektriciteit komt te vervallen. In
1. Deze badkuip-kromme is een voorbeeld van seizoensvariatie van
de warmtevraag gedurende een jaar en de temporele mismatch-
tussen het aanbod van en de vraag naar warmte. De bovenste
figuur toont het aanbod als constante baseload (bijvoorbeeld
restwarmte of geothermie), terwijl de onderste figuur hier duur-
zame variabele warmtebronnen aan toevoegt. Met warmteopslag
kan de beschikbare warmte optimaal worden benut door ook in de
piekvraag te voorzien. Warmteoverschotten kunnen als redun-
dante warmte worden opgeslagen als back-upvoorziening. Met
gelijke redundantie (16 procent) leidt de benutting van variabele
duurzame warmtebronnen in dit voorbeeld tot een reductie van de
benodigde baseload met 20 procent (2.500 naar 2.000 GJ).
capaciteit [MWh] vermogen [MW] aanleg kosten [€/kWh] efficiëntie [%]
phase change materials () 0,050 - 0,15 0,001 - 1 10 - 50 75 - 90
thermo chemical materials ()0,012 - 0,25 0,010 - 1 8 - 100 75 - 100
warmwateropties
- bovengrondse buffertank 500 - 5.000 0,1 - 5 0,50 - 3 75 - 90
- ondergrondse buffertank 500 - 5.000 0,1 - 20 0,50 - 10 75 - 90
- open bodemenergie  1.000 - 500.000 0,5 - 200 0,05 - 0,1 50 - 90
- open bodemenergie wko 10 - 100.000 0,2 - 40 0,10 - 0,4 75 - 95
Tabel 1: Eigenschappen verschillende opslagmedia voor warmte.
Toelichting tabel 1. De ’s en ’s kunnen op een vrachtwagen worden getransporteerd en zijn mede door de relatief korte opslagcycli
(uren/dagen) flexibel inzetbaar. Door de hoge energiedichtheid zijn deze direct toepaspaar in vloeren, muren en/of plafonds. De warmwa-
teropties zijn minder makkelijk te verplaatsen en hiermee geschikter voor langere opslagcycli (weken/maanden).
VV06 26-31.indd 28 11-09-17 08:14

VV+ september 2017 29
conventionele bodemenergiesystemen kan dit oplopen tot
60procent van het energiegebruik.
Met de koppeling van warmtenetten aan -systemen
is in het buitenland al beperkte praktijkervaring, zoals bij
de Rijksdag in Berlijn. Ook in Nederland zijn er, ondanks
de wettelijke beperking op maximale injectietemperatuur,
sinds de jaren tachtig al verschillende -pilots gereali-
seerd en zijn er tegenwoordig ook verschillende -sys-
temen operationeel.
Bloemendal: ‘De realisatie van nieuwe -systemen in
Nederland vindt vooralsnog kleinschalig plaats bij locaties
met een duidelijke netto warmtevraag. Om de risico’s voor
grondwaterkwaliteit en mogelijke drinkwaterproductie te
beperken, wordt de realisatie van recente -systemen
alleen toegestaan in brakke of zoute aquifiers. Dit type aqui-
fiers is in het grootste deel van de Nederlandse ondergrond
aanwezig op tien- tot honderdtallen meters diepte, vooral
in het westelijk deel. Recente realisaties van -systemen
in het Westland, Wageningen en Haarlem, tonen aan dat
er een groeiende ruimte is voor  met het oog op verdere
Het huidige Amernet maakt voor 95 procent gebruik
van warmtelevering vanuit centrale opwekking.
De verwachting is dat na 2024 deze centrale
warmtelevering 100 procent duurzaam kan worden
opgewekt. Hiervoor zijn drie mogelijkheden:
• Biomassa verbranden in aparte centrales;
• biomassa verbranden in de Amercentrale;
• gebruikmaken van de afvalwarmte van Attero en
restwarmte uit de industrie.
De biomassavarianten zijn in Geertruidenberg voorzien,
terwijl de afval- en restwarmte uit Moerdijk moet komen.
In dat laatste geval is een transportleiding van Moerdijk
noodzakelijk naar de huidige plek waar de leidingen naar
Breda en Tilburg worden gesplitst (figuur 2).
Ewald Slingerland, senior consultant bij Greenvis:
‘Het gaat hierbij om ruim 500 MW piekvermogen
aan warmte. Wanneer een of enkele grootschalige
opslagsystemen kunnen worden gerealiseerd op
strategische plekken in of rond Breda en Tilburg, is het
mogelijk het transportvermogen van de leiding vanuit
Moerdijk te verlagen.’
Een verlaging van 250 naar 125 MW betekent een
verlaging in investeringskosten van ongeveer 80 miljoen
euro (figuur 3). Dit geldt dus als investeringspotentieel
voor de grootschalige opslag van ruim 275.000 MWh
(≈ 1 PJ). Op basis van een temperatuurverschil in
opslag van 40 °C betekent dit een nuttige inhoud van
ongeveer 6 miljoen m3. De investeringsruimte voor
een grootschalig ondergronds warmteopslagsysteem
bedraagt in dit geval dus 10 tot 15 €/m3, wat
overeenkomt met 0,25 - 0,35 €/kWh. Op basis van
tabel 1 lijkt hier een dergelijk systeem dus rendabel te
exploiteren.
MW TH
[h]
~277.000 MWh
1
256
511
766
1021
1276
1531
1786
2041
2296
2551
2806
3061
3316
3571
3826
4081
4336
4591
4846
5101
5356
5611
5866
6121
6376
6631
6886
7141
7396
7651
79,6
8161
8416
8671
0
100
200
300
400
500
2. Weergave van de transportleiding van Moerdijk naar de
huidige plek waar de leidingen naar Breda en Tilburg worden
gesplitst.
Centrale verduurzaming van het Amernet
3. Voorbeeld jaarbelasting-
duurkromme warmtenet.
VV06 26-31.indd 29 11-09-17 08:14

30 VV+ september 2017
verwarming
verduurzaming van Nederland. Het is voor de ontwikkeling
van warmtenetten daarom van belang om de meerwaarde
van de toepassing van ondergrondse warmteopslag scherp
te krijgen evenals de benodigde randvoorwaarden waar-
onder deze optimaal kan bijdragen aan het functioneren
van een warmtenet.’
Hartog: ‘Een van de meerwaarden betreft het verduurzamen
van de gebouwde omgeving. Het gaat hierbij niet alleen om
goed geïsoleerde gebouwen – nieuwbouw, met systemen
op lagere afgiftetemperatuur, zoals vloerverwarming –
maar ook bestaande gebouwen. Dit laatste is een belangrijk
gegeven aangezien 80 procent van de woningen in 2050
er nu al staat. Met een relatief beperkte maatregel, zoals
het vervangen van bestaande radiatoren door lagetem-
peratuurradiatoren, kan de aanvoertemperatuur van zo’n
warmtenet naar 60 °C of lager, zonder dat er verregaande
isolatie en vloerverwarming in bestaande woningen hoeft te
worden toegepast. Dit kan voor een deel van de woningen
in Nederland een goede manier zijn om te verduurzamen.’
HTO in de praktijk
Om een ondergronds warmteopslagsysteem in combinatie
met een bestaand of te ontwikkelen warmtenet maximaal
te benutten wat betreft het overbruggen van de temporele
mismatch en de warmtebuffercapaciteit, zijn twee aspecten
van belang. Ten eerste is dat de capaciteit van de warmte-
opslag (MJ) en ten tweede het vermogen (MW) waarmee
warmte uit de ondergrondse opslag moet kunnen worden
geleverd. Beide hangen af van de grootte en aard van de te
voorziene warmtevraag.
De capaciteit voor warmtelevering uit een ondergrondse
warmteopslag wordt bepaald door het volume en het tem-
30.000 woningen verwarmen vanuit een HTO
Voor een woonwijk met de grootte van Leidsche Rijn (30.000 woningen) is in kaart gebracht hoe het systeem eruit
zou zien dat deze hele wijk vanuit een  van warmte kan voorzien en welke kosten hierbij horen. Er wordt uitgegaan
van twee verschillende gebieden in Nederland; een aquifer met beperkte dikte (30 m), zoals daadwerkelijk op de
locatie van Leidsche Rijn (Utrecht), en een dikkere aquifer van 100 m, zoals in Amsterdam (tabel 2).
Voor de energievraag is uitgegaan van 20 GJ per woning per jaar en een conservatief temperatuurverschil tussen
opslag- en retourbron van 20 °C, wat resulteert in een opslag volume van ruim 7 miljoen m3/a. Het aantal bronnen
dat nodig is wordt bepaald door het maximale piekvermogen dat nodig is om te kunnen leveren; hierbij is uitgegaan
van 2.000 vollast-uren aan warmtelevering.
In het buiteland, onder meer bij de Rijksdag in Berlijn, is al beperkte praktijkervaring met de koppeling van warmtenetten
aan -systemen.
Utrecht Amsterdam
dikte aquifer [m] 25 100
aantal doublets [-] 65 13
aanlegkosten [M€] 5 4
bovengronds ruimtebeslag ‘footprint’ [%] 0,4 0,1
Tabel 2. Vergelijking tussen twee verschillende gebieden.
VV06 26-31.indd 30 11-09-17 08:14

VV+ september 2017 31
4. Een voorbeeld van een wijk ter grootte van Leidsche Rijn
waar de huizen vanuit een  van warmte worden voorzien.
peratuurverschil van het onttrokken en weer in de bodem
geïnfiltreerde water. De opslagtemperatuur moet dus zo
hoog mogelijk zijn en de temperatuur van de retourbron zo
laag mogelijk om zoveel mogelijk energie uit te nutten. De
temperatuur van opslag en retour zijn vooral afhankelijk
van de warmtebron en de temperatuurtrajecten in de instal-
laties van de afnemers.
In de praktijk is op kleinere schaal de meeste ervaring
opgedaan met ondergrondse opslag bij temperaturen tot
100 °C, en enkele daarboven (gebruikmakend van de aan-
wezige hydrostatische druk bij ondergrondse opslag).
Vanzelfsprekend moeten de verliezen die bij warmteopslag
in de bodem optreden zo laag mogelijk zijn. Deze verliezen
treden op langs de randen van de opslag in de bodem. Bij
grootschalige opslag zullen deze warmteverliezen relatief
beperkt zijn omdat met toenemende grootte van de
warmteopslag het oppervlak van die randen in verhouding
kleiner wordt. Op basis van inzichten uit de Nederlandse
wko-praktijk en de relatief kleine -pilots zijn voor
grootschalige warmteopslag rendementen van rond de
90procent te verwachten.
Hartog: ‘Ter illustratie: bij een opslagtemperatuur tot 100°C
kan met een opslagvolume van meer dan 1miljoenm3
grondwater enkele maanden worden overbrugd op basis
van de eerder genoemde kentallen voor de warmtebuffer in
Diemen. Wko-systemen van deze omvangen komen veel-
vuldig voor in Nederland.’
Koppeling warmtenet
Voor een optimale koppeling van een ondergronds warm-
teopslagsysteem aan een warmtenet zijn er flink wat
afwegingen te maken. Hoe deze eruit zien is grotendeels
afhankelijk van warmtenet-specifieke condities. Zo blijkt
uit het verkennen van de investeringsafwegingen voor de
beoogde verduurzaming van het Amernet dat het opnemen
van ondergrondse warmteopslag bij de ontwikkeling van
een warmtenet tot significante reductie van de benodigde
leidingdiameters en vergroting van de investeringsruimte
leiden. Ook de optimale technische eigenschappen, zoals
temperatuurniveau, capaciteit en benodigd vermogen, zijn
locatie-afhankelijk. Deze volgen uit de eigenschappen van
aanbieders en afnemers van de warmte.
Verder vereist het bepalen van de locatie waar het opslag-
systeem wordt gekoppeld met het warmtenet aandacht,
evenals de vraag of het beter is om verschillende kleinere
opslagsystemen toe te passen of één grote.
Bloemendal: ‘De geschiktheid van de ondergrond varieert
op lokale, gemeentelijke schaal meestal weinig, maar kan
voor grotere regionale warmtenetten van invloed zijn op
de locatiekeuze voor een ondergrondse warmteopslag. Uit
een verkenning op basis van kentallen van de woonwijk
Leidsche Rijn blijkt bijvoorbeeld dat verschillen in lokale
eigenschappen van de ondergrond in de praktijk tot sig-
nificante verschillen kunnen leiden voor onder meer het
aantal benodigde doublets en de investeringskosten. Uit
de twee in de casestudies beschouwde scenario’s blijkt ook
dat ondergrondse opslag slechts een zeer klein deel van de
oppervlakte van het voorzieningsgebied nodig heeft.’ <<
Bronnen en verwijzingen
1. Hartog N., Bloemendal J.M., Slingerland E., Wijk A. van,
‘Duurzame warmte gaat ondergronds’, KWR/Greenvis, Nieu-
wegein/Utrecht, 2016.
Ondergrondse HTO: de voordelen
Ondergrondse warmteopslag met temperaturen
die aansluiten bij die van warmtenetten, lijkt
een belangrijke bijdrage te kunnen leveren aan
de mogelijkheid om warmtenetten duurzamer,
robuuster en toekomstbestendiger te maken.
Ondergrondse :
• Maakt warmtevoorziening flexibel: vraag en
aanbod kunnen eenvoudig met elkaar in evenwicht
worden gebracht.
• Kan grote hoeveelheden warmte opslaan; perioden
zonder of weinig warmteproductie door eventueel
het tijdelijk wegvallen van warmtebronnen, zijn
eenvoudig op te vangen.
• Verhoogt de efficiënte van warmteopslagsystemen:
hoge temperaturen maken de inzet van
warmtepompen overbodig waarmee de benodigde
elektriciteit (voor de werking van warmtepompen)
komt te vervallen.
• Is geschikt voor de opslag van warmte afkomstig van
duurzame warmtebronnen, zoals zonnecollectoren,
geothermische bronnen en Power-2-Heat.
VV06 26-31.indd 31 11-09-17 08:14