Achtergrond

Gigantische thermosfles voor energietransitie

Overtollige zomerwarmte in een enorm ondergronds opslagvat met tienduizenden kubieke meters heet water om ’s winters honderden woningen te verwarmen met een rendement van 90 %. Volgens het jonge bedrijf Ecovat kunnen in 2050 tweeduizend van dit soort megathermosflessen 20 % van de woningverwarming verzorgen én het stroomnet stabiliseren.

Als alles volgens plan verloopt, gaat eind oktober de eerste spade bij zorgcomplex Het Dorp in Arnhem de grond in. De Nederlandse startup Ecovat gaat er een gigantische thermosfles met een doorsnede van 32 m ingraven die 500 appartementen het hele jaar van duurzame warmte en koude voorziet. In juni ging de Arnhemse gemeenteraad unaniem akkoord met het project. Het Dorp – bekend van de historische wervingsactie van Mies Bouwman in 1962 – is dringend aan vernieuwing toe en wordt de eerste commerciële manifestatie van het warmteopslagconcept van Ecovat.

Nederland staat voor de uitdaging om in hoog tempo van kolen, olie en gas over te stappen op duurzame energiebronnen. Om dat te bereiken moeten enerzijds de seizoenschommelingen in de productie van wind en zon worden opgevangen en is anderzijds forse netverzwaring nodig voor wanneer we massaal overschakelen op elektrisch rijden en elektrische woningverwarming. Het jonge bedrijf Ecovat denkt voor beide uitdagingen een oplossing te hebben. Netbeheerder Stedin roemde eerder ‘de haalbaarheid en de schaalbaarheid’ van het concept.

Een Ecovat is een vat-in vat: het water in het goed geïsoleerde binnenvat blijft daar en wisselt alleen warmte uit via een serie warmtewisselaars. Via een lokaal warmtenet kan het zo tot 1.500 woningen 100 % duurzaam verwarmen. In Uden staat een proefopstelling van 20 m diep en 15 m doorsnede met een binnenvat van 1.500 m³. Dat is te klein om commercieel interessant te zijn, maar dient wel om het concept te valideren. De proefopstelling haalt een rendement van 70 % over zes maanden, terwijl het Ecovat in Het Dorp 90 % zal halen en de nog grotere modellen, waarvan Nederland er 2.000 zou kunnen gebruiken, een rendement van 95 % halen.

De ene helft van de warmte voor een Ecovat wordt opgewekt door windstroom bij lage prijzen in te kopen en die met een warmtepomp (1 MWth) om te zetten in warmte; de andere helft komt van zonthermische panelen. Om uit de kosten te komen, moet het systeem in ieder geval drie laadcycli per jaar halen. Het systeem laadt namelijk ook in herfst, voorjaar en winter. Slimme software stuurt zowel het tijdstip van laden als de waterlaag in het vat. In het vat zitten afhankelijk van de grootte acht tot vijftien waterlagen van 3,6 m, die elk een verschillende temperatuur hebben. Warmer water stijgt namelijk op. Die stratificatie van warmtelagen is belangrijk om het water zo efficiënt mogelijk te verwarmen (en gepatenteerd). In iedere laag zitten warmtewisselaars die individueel zijn aan te sturen, waardoor er altijd relatief koud water te verwarmen is en relatief warm water te gebruiken.

De benodigde seizoensopslag voor een goed geïsoleerde doorsneewoning is volgens TNO 40 tot 60 m³. Zou het niet interessanter zijn het water in die opslag te vervangen door compactere stoffen met een hoge warmtecapaciteit? PCM’s, zoals paraffine, hebben anderhalf keer minder ruimte nodig en TCM’s zelfs vier keer minder ruimte. ‘Daar hebben we in het begin wel over nagedacht’, zegt Aris de Groot, directeur van Ecovat. ‘Maar water is goedkoop. Wij bouwen het Ecovat in het grondwater. Dus het water zit er al in. De warmtecapaciteit van water is met 4.187 J/kg echt al heel groot. Onderzoek wees erop dat PCM’s niet stabiel zouden zijn, terwijl onze systemen gegarandeerd vijftig jaar onderhoudsvrij zijn en waarschijnlijk honderd jaar mee kunnen. Tenslotte ontberen PCM’s de temperatuurstratificatie, waardoor ons stratificatiemodel minder goed zou werken.’

Strategische keuze voor de lange termijn

Frans Rooijers, directeur van onderzoeksbureau CE Delft, beschreef vorig jaar de gevolgen van massale elektrificatie van verwarming. ‘De opwarmcapaciteit is voor een cv-ketel op gas circa 10 kW gasvermogen, waarbij het gasnet dat kan leveren voor alle aansluitingen tegelijkertijd. Als dat met elektriciteit moet gebeuren, zelfs als woningen sterk geïsoleerd zijn, zal het elektriciteitsnet toch nog gemiddeld 5 kW extra moeten leveren, terwijl dat nu slechts is ontworpen voor 1,5 kW per aansluiting gelijktijdig.’ Recent onderzoek van de Deen Henrik Lund laat zien dat om de seizoenseffecten op te vangen met een smart all electric grid het elektriciteitsnet twee tot vier keer zwaarder zou moeten worden, terwijl energieopslag als gas of warmte zonder majeure infrastructurele investeringen mogelijk is. Volgens De Groot biedt Ecovat nu juist de mogelijkheid om huizen grotendeels elektrisch te verwarmen zonder dat netverzwaring nodig is.

In opdracht van Ecovat hebben de consultants van Berenschot becijferd dat de grootschalige uitrol van 2.000 Ecovaten in Nederland jaarlijks in totaal voor € 380 à 650 miljoen aan collectieve besparingen zou zorgen, doordat minder netverzwaring nodig is, er 3 GW minder back-up-capaciteit hoeft te zijn en de piekbelasting van het elektriciteitsnet 5 GW lager ligt. Twee grote elektriciteitscentrales voor back-up zouden overbodig zijn bij een Dunkelflaute – een periode van tien dagen waarbij het zowel koud, donker als windluw is, een fenomeen dat eens in de twee jaar voorkomt. ‘Nul op de meter is niet energieneutraal, vanwege de benodigde extra centrales. Onze technologie zorgt op systeemniveau voor minder investeringen’, zegt De Groot. ‘We moeten nu technische ontwerpen kiezen die passen bij onze strategische keuzes op de lange termijn.’

Aquathermie als panacee

Ecovat is niet de enige partij die nadenkt over warmte uit water. De schatting van de Unie van Waterschappen dat Nederland met 80 à 120 PJ uit aquathermie in een kwart tot 40 % van de warmtevraag van de gebouwde omgeving zou kunnen voorzien, kwam zelfs in het Klimaatakkoord terecht. De Nederlandse bodem is bij uitstek geschikt voor warmte-koude opslag (wko), die een rendement van 85 à 90 % haalt. Nederland telt al bijna 3.000 open en tienduizenden gesloten wko systemen. Ivo Pothof, expert duurzame energie bij Deltares en hoofddocent Smart Thermal Grids aan de TU Delft, heeft met onderzoeksinstituut KWR een voorstel ingediend om research te doen naar de haalbaarheid van grootschalige ondergrondse warmteopslag (GOWO), maar dan zonder thermosfles. Het gaat om ondergrondse bellen met water tussen 40 en 90 °. Nu is wko wettelijk gebonden aan een maximumtemperatuur van 25 °C. Pothof: ‘Als het technisch, economisch en ecologisch mogelijk is, zou het misschien de helft van de gebouwde omgeving kunnen verwarmen.’ Per bronnenpaar zou tot 5 PJ opgeslagen kunnen worden. Het is evenwel heel goed denkbaar dat onacceptabele gevolgen voor bodemorganismen of drinkwatervoorziening roet in het eten gooien. Pothof ziet meer mogelijkheden voor GOWO dan voor Ecovat: ‘Die tanks zijn relatief duur. En er zijn ander oplossingen met warmtepompen en poldergemalen.’ Hij ziet vooral mogelijkheden voor Ecovat in het oosten van het land, waar de bodem minder geschikt is voor wko. ‘Maar Ecovat is bestaande technologie en ik ben benieuwd naar de resultaten in Uden’, voegt hij toe.

Volgens De Groot van Ecovat kan zijn model wel degelijk rendabel zijn. Hij bouwt daarvoor aan bedrijfsmodellen waarmee hij zich als ‘energy service corporation’ (ESCO) door netbeheerders kan laten betalen voor het bieden van netstabiliteit met de Ecovaten. Dat is een belangrijk element in het businessplan. ‘Daarmee blijft de collectieve kostenreductie die wij verzorgen niet alleen een idealistisch verhaal, maar krijgt bedrijfsmatig zijn beslag.’ Op dit moment zijn netbeheerder Enexis en het Vlaamse onderzoeksbureau Vito aan het experimenteren met de proefopstelling van Ecovat in Uden om te spelen met systeemdiensten en dit soort financieringsmodellen te valideren. ‘Het is voor ons als Ecovat belangrijk om die principes te laten certificeren, want dat verlangen professionele en institutionele investeerders. Uiteindelijk hopen we ons model onder licentie ook door anderen te kunnen laten bouwen. We zijn daarom hard bezig al onze processen te standaardiseren.’ Om in 2050 daadwerkelijk 2.000 Ecovatsystemen in Nederland te hebben moeten er jaarlijks 75 gebouwd worden.

In Den Haag ligt er een uitgewerkt plan om aan de Trekvliet 3.000 woningen op een Ecovat aan te sluiten. In Duitsland loopt de aanvraag van de bouwvergunning voor een Ecovat voor een glastuinder die fossielvrij wil produceren. En bij Luik is de onderneming een project aan het uitwerken om een Ecovat te bouwen voor een eiland met 1.300 woningen in de Maas. Daarbij zouden de bewoners aandeelhouder worden van de ESCO die de systeemdiensten levert.

Energieopslag als laatste puzzelstuk

Bloomberg New Energy Finance (BNEF) verwacht dat de markt voor energieopslag zesmaal zal verdubbelen. Dus zal tussen nu en 2030 met 125 GW en 300 GWh de totale markt voor opslag volgens BNEF 64 maal zo groot zijn als nu. Opslag zou daarmee eenzelfde soort groeispurt doormaken als de markt in zonnepanelen van 2000 tot 2015 deed. Onlangs stelde Michael Lewis, de baas van energieconcern E.ON, dat niets minder dan een revolutie in energieopslag nodig om de klimaatdoelen van Parijs te halen. Hij noemde seizoensopslag ‘het laatste stukje van de energiepuzzel’.

Brits onderzoek in 2016 concludeerde al dat het opslaan van zonnestroom als warmte in een boilervat voordeliger was dan opslag in een batterij. Het probleem is dat bij opslag in kleine collectoren de verliezen groot zijn. Bij de opslag van heet water in een vat van 100 l gaat iedere week het warmte-equivalent van 1 m3 gas verloren, becijferde TNO. Warmtebatterijen zijn interessanter naarmate ze grootschaliger zijn.

Deel deze pagina
Abonnement

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers TW


Wilt u lid worden, een los nummer aanvragen of een adreswijziging doorgeven? Neem dan contact op met MijnTijdschrift (088-2266622). 

Of bekijk ons aanbod van abonnementen.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Vision & Robotics

Vision & Robotics is hét onafhankelijke vakblad voor machinebouwers, system integrators en eindgebruikers van productielijnen in de maak- en agro-/foodindustrie. 

Graag meer lezen over onderwerpen zoals robotica, sensoren, kunstmatige intellegentie en nog veel meer klik hier

Vision & Robotics heeft ook een nieuwsbrief! klik hier om je in te schrijven.

Naar boven