Koel warmtenet

Een van de afspraken in het Klimaatakkoord is dat in 2050 alle gebouwen in Nederland (ruim 7 miljoen woningen en 1 miljoen gebouwen) van het aardgas af zijn en duurzame energie gebruiken of opwekken ^[1]. De hoogwaardige energiebron aardgas (hoge exergie) zal zo verdwijnen als bron om in de laagwaardige energievraag van gebouwen te voorzien. Een koel warmtenet (KoWaNet of thermisch uitwisselingsnet) kan een betaalbaar en duurzaam alternatief voor verwarming met aardgas zijn met koeling erbij als bonus.

Samenvatting[bewerken]

De kern van een koel warmtenet is:

dat de vragen naar warmte en koude tussen gebouwen kunnen worden uitgewisseld
dat lokale laag waardige duurzame bronnen tot 50⁰C ingezet worden voor de laagwaardige vraag
dat het netwerk vraaggestuurd en gedecentraliseerd is. De gewenste temperatuur wordt zo dicht mogelijk bij de eindgebruiker geproduceerd
dat het thermische net een synergetisch effect heeft met het elektriciteitsnetwerk
dat alle lokale bronnen van (zeer) lage temperatuur, , maximaal benut kunnen worden, om tot een minimale input van hoogwaardige energiedragers (o.a. elektriciteit) en bovenal van fossiele bronnen te komen

Het technisch en financieel ontwerp van KoWaNetten (ook 5e generatie warmte- en koudenetten genoemd) kent andere ontwerpregels dan traditionele warmtenetten van hoge temperatuur. Hoge temperatuur netten zijn gedimensioneerd op het centraal produceren van warmte om te kunnen voldoen aan de individuele piekvraag. KoWaNetten gaan uit van een match (‘uitwisseling’) tussen vraag en aanbod van warmte en koude en zetten decentrale opwekking en opslagtechnieken in voor een optimaal ontwerp en minimalisering van de extern benodigde energie.

Een KoWaNet rendeert optimaal:

indien de energie uitwisseling optimaal is;
de gewenste temperatuur aan het einde van de thermische keten wordt geproduceerd
door het zo klein mogelijk maken van de benodigde thermische vermogens door isolatie, kierdichting, ventilatie en slimme buffering en
door afstemming van vraag en aanbod. Dit vraagt om een integrale spijtvrije aanpak. De hiervoor benodigde investeringen zijn voor rekening van de gebouweigenaren.

Definitie[bewerken]

Een ‘KoWaNet’ (koel warmtenet) is een bi-directioneel thermisch netwerk met temperaturen grotendeels onder de 30 graden en maximaal 50 graden. Met deze netten kan tegelijk gekoeld en verwarmd worden, waardoor maximale uitwisseling tussen terug geleverde koude en warmte van verschillende gebouwfuncties plaats vindt. De gewenste temperatuur wordt geproduceerd door decentrale warmtepompen bij de gebruiker (gebouw of woning).
Anders dan bij een traditioneel warmtenet, heeft het ‘KoWaNet’ geen gedefinieerde toevoer- en een retourleiding, maar een gedefinieerde warme en koude leiding, waarbij zowel de warme als de koude leiding van het net als toevoer of retour wordt gebruikt, afhankelijk van de vraag.
De energie uitwisseling van warmte en koude leidt tot een zeer lage benodigde input van externe energie, van zowel warmte, koude als ook elektriciteit. Indien de warmte- en koudevraag niet in balans zijn, kunnen KoWaNetten aanvullend gevoed worden met bronnen zoals restwarmte (bijv. uit riool, datacenters, supermarkten, ijsbanen, industrie), zonnewarmte (bijv. zonnecollectoren, PVT), en geothermie.
Een KoWaNet is daarmee hetzelfde als een 5e generatie warmtenet zoals ook toegelicht en gedefinieerd door Boesten et al, 2019 (7)
Een groot verschil tussen een 4e en 5e generatie warmtenet is dat bij een 4e generatie warmtenet de warmte centraal wordt opgewaardeerd tot de benodigde temperatuur, terwijl bij een 5e generatie sprake is van decentrale opwekking bij de gebruiker. Hierdoor kunnen bij een 5e generatie warmtenet de retour warmte en koude worden uitgewisseld op een ZLT niveau, en kunnen ook alle bronnen vanaf dit temperatuurniveau worden benut.

Technisch Ontwerp[bewerken]

Inleiding[bewerken]

Voor duurzame en aardgasvrije warmtelevering in de gebouwde omgeving bestaan verschillende alternatieven. Een warmtenet – waarbij warm water via leidingen naar de gebouwen wordt getransporteerd - is een van de oplossingen, waarbij er een grote verscheidenheid aan soorten warmtenetten bestaat.

Traditionele warmtenetten werken met centrale opwekking en het distribueren van midden of hoge temperatuur warmte (meestal ca 70 graden of hoger) via het leidingnetnetwerk. Een KoWaNet daarentegen werkt altijd met een zo laag mogelijke netwerk temperatuur, in principe nooit hoger dan de beschikbare warmtebron, en het ophogen/verlagen van de temperatuur decentraal vindt plaats door warmtepompen bij de afnemer (gebouw of woning).

Door de decentrale opwekking op gebouw niveau is bij een KoWaNet gelijktijdig verwarming en koeling mogelijk met een 2-pijps netwerk. Bij een MT of HT net met centrale opwekking is een 4-pijps systeem nodig om eveneens koeling te kunnen leveren.

Figuur 1. Transport van warmte en koude in koel warmtenet

Hierbij is gelijktijdige levering van koeling en verwarming mogelijk aan de aangesloten gebouwen, waardoor in feite warmte wordt ‘uitgewisseld’ tussen vragers van warmte en aanbieders van warmte ofwel vragers van koude. De vragers van warmte leveren koude aan de vragers van koude en vice versa.

Koele warmtenetten kunnen worden gevoed met duurzame, lage temperatuur warmtebronnen. Veel duurzame bronnen en echte restwarmte is namelijk beschikbaar op temperaturen grotendeels onder de 30°C. Te denken valt aan bronnen als riool, datacenters, supermarkten, ijsbanen en industrie, zonnewarmte (bijv. zonnecollectoren, PVT) of ondiepe geothermie. Koele warmtenetten zijn de beste manier om de lokaal beschikbare lage-temperatuurbronnen te benutten én om de beschikbare (retour-) koude en -warmte binnen een gebied te kunnen uitwisselen. Ook kan gebruik gemaakt worden van in de nabijheid aanwezige bronnen met hogere temperaturen. Feitelijk is elke vrager van warmte of koude tevens een leverancier ofwel bron van koude of warmte en daarom ‘prosument’ genoemd.

Temperatuurniveaus[bewerken]

De (gekozen) temperatuurniveaus [ME1] in het koele warmtenet bepalen of het mogelijk is om passief te verwarmen of koelen en/of additionele actieve verwarming of koeling nodig is.

Op basis van de indicatieve temperaturen voor direct (passief) of actief verwarmen en koelen kunnen een aantal typische temperatuurniveaus voor warmtenetten worden onderscheiden:

Direct koelen (passief) en actief verwarmen – 2-pijpssysteem T koele leiding 8 - 12⁰C | T warme leiding <24⁰C
Actief koelen en direct verwarmen - 2-pijpssysteem T warme leiding 35-45⁰C | T koele leiding = T warme leiding – 10K
Actief koelen en actief verwarmen – 2-pijpssysteem T koele leiding 12-17⁰C | T warme leiding 20-30⁰C
Direct en actief koelen en verwarmen - 3 pijpssysteem T koele leiding 12-17⁰C | T warme leiding 30-40⁰C | T retour leiding 20-25⁰C
Direct koelen en verwarmen –4 pijpssysteem; hierbij zijn warmtelevering en in het net gescheiden; er kan wel centraal worden uitgewisseld eventueel.

Warmtelevering: T warme leiding >ca 40 ⁰C | T koele leiding = T warme leiding – 10K
Koudelevering: T koele leiding 8 - 12⁰C | T warme leiding <24⁰C

In een flexibel systeem is een combinatie en/of afwisseling van de bovenstaande varianten ook mogelijk.

Basisvariant KoWaNet[bewerken]

De basis KoWaNet configuratie is gebaseerd op maximale uitwisseling en benutting van alle beschikbare (rest-) warmtebronnen. Dat vereist een systeem waarbij de temperaturen in het systeem kunnen variëren al naar gelang de beschikbare bronnen en tegelijk de beschikbare temperaturen optimaal benut worden. Dit betekent dat zowel passief als actief koelen en verwarmen kan voorkomen in een KoWaNet, afhankelijk van de op dat moment beschikbare bronnen. Dit is mogelijk door bij elke klantaansluiting een warmtepomp te gebruiken én via een bypass systeem ook passieve benutting van het net mogelijk te maken. Dit is verder beschreven in het Technisch Handboek.

Er is gekozen voor een netwerktemperatuur tot maximaal 50⁰C, omdat de aanleg van het net dan nog uitvoerbaar is zonder expansielussen. Daarnaast ligt het potentieel van onbenutte industriële afvalwarmte vooral bij temperaturen tussen 20⁰C en 35⁰C, met uitschieters tot 50⁰C. De temperatuur van de warmtevraag bij goed geïsoleerde woningen ligt eveneens onder de 50⁰C.

Dit systeem is schematisch weergegeven in Figuur 2.

Naast het uitwisselen van de warmte- en de koudevraag, kunnen de volgende warmte- en koudebronnen worden ingevoed.

Datacenters en overige ZLT warmtebronnen
Lage temperatuur zonnewarmte
Bronnen op omgevingstemperatuur, zoals:
- oppervlaktewater (TEO) (warmte in de zomer, koude in de winter)
- buitenlucht (eveneens warmte in de zomer, koude in de winter)

Warmtebronnen met een hogere temperatuur zijn toegestaan. In principe mag de temperatuur van de warme leiding ook omhoog. Door de passieve koeling waarvan de retour ook op de warme leiding terecht komt, vermengt de hogere temperatuur restwarmte echter met een lagere temperatuur. Hierdoor kan het temperatuurniveau van de warme bron dus niet optimaal benut worden (exergievernietiging). Daarnaast moeten de warmtepompen voor verwarming dan zo worden ontworpen en ingesteld dat de retour op de koude leiding onder een maximaal te bepalen temperatuur blijft zodat directe (passieve) koeling gewaarborgd is. Indien er een significante hoeveelheid warmte op hogere temperatuur beschikbaar is (aanbod > vraag), is het temperatuurniveau dat uitgaat van passief koelen niet optimaal. In dat geval is het aan te bevelen om actief te koelen en direct (passief) te verwarmen.

Decentrale energiecentrale [bewerken]

Een KoWaNet systeem gaat uit van een 2-pijps basis infrastructuur met flexibele temperaturen < 50⁰C, zoals hierboven beschreven. Aan deze warme en koude leidingen zijn decentrale energiecentrales gekoppeld, die de temperatuur naar het juiste niveau opwaarderen. De decentrale energiecentrales bestaan uit één of meer warmtepompen, schakelvaten, een uitwisselstation met het netwerk, distributiepompen, en (decentrale) procesbesturing, eventueel verbonden met een intelligente controller en aanvullende thermische opslag.

De decentrale energiecentrale kan zich bevinden op het niveau van elke gebruiker of op gebouw-, wijk-, of sectorniveau. Daarnaast kan bij een energiecentrale op gebouw- of wijkniveau worden gekozen voor verschillende temperatuurniveaus van het distributienet in het gebouw. In Figuur 3 zijn drie mogelijkheden weergegeven:

Configuratie 1: Energiecentrale (WP + opslag + controller) bij de eindgebruiker.
Configuratie 2: Energiecentrale (WP + opslag + controller) op gebouwniveau.
Configuratie 3: Energiecentrale (WP + opslag + controller) op gebouwniveau, op basis van een 4-pijps distributienet op gebouwniveau, met HT warmte (> ca 65⁰C) in de warme leidingen.

De keuze voor de plaatsing van de decentrale energiecentrale is het resultaat van een afweging tussen energieprestatie, kosten en ruimtegebruik.