opslag in de bestaande
gebouwde omgeving
afstudeerverslag Erik Beeren
Brede Bachelor of Enginering deeltijd, 7 december 2015
Hanze Hogeschool Groningen
Begeleiding
R.Alberts (Hanze Hogeschool Groningen) R. van den Bosch (Ecovat)
P. Corzaan (Warmtestad) T. Wielema (Noorderplantsoenbuurt)
2
Voorwoord
Om klimaatveranderingen, die waarschijnlijk het gevolg zijn van de uitstoot van broeikasgassen, te helpen beperken moet er iets veranderen aan de manier waarop we nu in onze energievraag voorzien. Politici komen met steeds ambitieuzere klimaatdoelstellingen, die er op gericht zijn de CO2 uitstoot te verminderen. Naast doelstellingen van politici zijn er ook steeds meer initiatieven van onderop, van bijvoorbeeld
energiecoöperaties of buurtinitiatieven. Gezamenlijk probleem bij het realiseren van deze energie ambities, zijn de hoge investeringskosten die hiermee gepaard gaan. Een woning energieneutraal renoveren kost al snel €70.000,-- per woning. In plaats van te focussen op woningniveau is in deze studie vooral gekeken naar de energie-infrastructuur en de kostenconsequenties die daarmee samenhangen.
In samenwerking met de participanten Ecovat, Warmtestad (gemeente Groningen) en de
Noorderplantsoenbuurt zijn een aantal scenario’s ontwikkeld voor een duurzame levering van warmte. Vervolgens zijn de bijbehorende kosten in beeld gebracht, waarmee de haalbaarheid van de verschillende scenario’s afleesbaar wordt.
Dank gaat uit naar, Aris de Groot en Eugène van Bouwdijk Bastiaanse, van het bedrijf Ecovat, voor het ter beschikking stellen van de benodigde informatie over hun systeem. Speciale dank gaat uit naar Ruud van den Bosch, als trainee werkzaam bij Ecovat, voor het voorwerk dat hij heeft verricht in het kader van zijn eigen afstudeeronderzoek, en de betrokkenheid die hij toonde bij dit onderzoek. Verder wil ik Paul Corzaan en Hans Mulder van Warmtestad bedanken voor de ondersteuning en de input die zij boden tijdens de verschillende fases van het onderzoek. Zonder hen was de mogelijkheid van gebruik van geothermie voor de
Noorderplantsoenbuurt nooit aan de orde gekomen. Van de Noorderplantsoenbuurt wil ik Thomas Wielema hartelijk danken voor zijn tijd en input. Ik hoop dat de uitkomsten van dit onderzoek de Noorderplantsoenbuurt kunnen helpen bij hun zoektocht deze wijk voor 2024 energieneutraal te maken. Verder gaat speciale dank uit naar Ramon Alberts die met zijn netwerk en enthousiasme voor Ecovat een belangrijke rol heeft gepeeld in dit onderzoek. Ramon was degene die met het voorstel kwam om te onderzoeken in hoeverre Ecovat kan bijdragen om een wijk als de Noorderplantsoenbuurt op duurzame wijze van warmte te voorzien. Verder nog dank aan Tjardo Scholten van de University of Groningen en Willem Relou van het Ministerie van
Binnenlandse Zaken voor het beschikbaar stellen van informatie. Als laatste wil ik mijn vrouw, Carla van Hooff en dochter Michelle Beeren, bedanken voor de steun die zij mij tijdens de studie hebben gegeven en het geduld dat ze hebben opgebracht.
Ik hoop met dit onderzoek een bijdrage te kunnen leveren aan de discussie hoe de vermindering van CO2 uitstoot op een realistische wijze kan worden bewerkstelligd.
4
Samenvatting
Een relatief groot percentage, namelijk 10% van de Nederlandse energievraag, komt van de verwarming van huizen. Bij nieuwbouw is het energieverbruik door strenge milieuwetgeving al flink teruggebracht. Een groot deel van onze woningvoorraad is echter gebouwd in een tijd dat hier nog minder aandacht voor was en/of kennis niet voorhanden was om de EPC (energie prestatie coëfficiënt) van woningen laag te laten zijn. Om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen zullen ook plannen gemaakt moeten worden om dit deel van de woningvoorraad te verduurzamen. De kosten om een bestaande woning tot energienul woning te renoveren zijn echter hoog, ongeveer €70.000,-- per woning. Alternatief is om in plaatst van elke woning afzonderlijk energieneutraal te maken, de focus te leggen op het energieneutraal maken van de energievoorziening. Eén van de technieken die hiervoor in aanmerking komt is het aanleggen van een warmtenet gevoed met
duurzame energie, zoals zonnecollectoren, geothermie of restwarmte van andere processen. De focus in deze studie ligt op het gebruik van het warmtebuffersysteem Ecovat om binnen een warmtenet pieken en dalen in de warmtevraag op te vangen. Het Ecovat buffervat is een grote ondergrondse geïsoleerde watertank waarin water gestratificeerd op de gewenste temperatuur kan worden gebracht. Aan de hand van twee
concrete casussen in Groningen wordt gekeken hoe met de inzet van Ecovat buffervaten de uitstoot van CO2 kan worden beperkt en welke kosten dat met zich meebrengt. Om dit te onderzoeken is de dynamische warmtevraag van beide casussen in beeld gebracht middels een simulatiemodel. Aan de hand van deze simulatie is vervolgens gekeken hoe de wijken van warmte kunnen worden voorzien en hoeveel buffervaten nodig zijn om de warmteoverschotten uit de zomer op te slaan voor de wintermaanden. Dit is gebeurd aan de hand van een aantal configuraties (scenario’s).
De eerste casus betreft het inzetten van buffervaten in een nieuw aan te leggen geothermische
warmtenetwerk in Paddepoel en omgeving. Voor het geothermische netwerk bij Paddepoel zijn 4 scenario’s gesimuleerd. Eén met buffervaten, één zonder buffervaten (om te kunnen vergelijken) en twee waarbij het vermogen van de geothermische bron wordt opgevoerd door het inzetten van warmtepompen gecombineerd met bufferopslag. Uit de verschillende scenario’s komt de geothermische installatie zonder buffervaten als meest kostenefficiënte oplossing naar voren. De inzet van Ecovat in het warmtenetwerk leidt tot extra besparing op primair energie verbruik (geen bijstook van gas). Wanneer er meer woningen met een hoge temperatuurvraag (70-90) op het geothermische warmtenet moeten worden aangesloten, dan is het te overwegen een warmtepomp toe te voegen aan dit net. Met deze warmtepomp kan de retourtemperatuur naar de bron worden verlaagd waardoor er meer vermogen uit de geothermische bron kan worden gehaald. Wanneer de warmtepomp wordt gecombineerd met voldoende warmteopslag kan deze warmtepomp 365 dagen per jaar continue een vast vermogen aan warmte leveren. De capaciteit van de gehele configuratie neemt daardoor fors toe.
Tabel A overzicht scenario’s warmtebuffer in geothermisch netwerk Paddepoel en omgeving
Aantal Woonequivalenten (WE) Hoeveel geothermische energie bron Investeringskosten netwerk per WE Primair energiegebruik per WE investeringskosten per ton CO2 uitstootreductie1
geothermie zonder Ecovat 6.966 306.529.920 MJ € 7.077,23 23.802 MJ
€ 199,62 geothermie + 10 buffervaten Ecovat 6.270 212.780.023 MJ € 12.746,34 16.506 MJ € 263,41 geothermie + elektrische warmtepomp + 18 Ecovaten 11.580 464.525.280 MJ € 9.367,46 34.359 MJ € 507,36 geothermie + gas warmtepomp + 21 Ecovaten 14.520 438.553.645 MJ € 8.115,77 35.958 MJ € 562,33 huidige situatie 44.000 MJ
De tweede casus betreft de Noorderplantsoenbuurt en is voortgekomen uit een bewonersinitiatief dat zich inzet om de wijk in 2024 energieneutraal te laten zijn. In dit onderzoek wordt verkend hoe dit met behulp van een warmtenetwerk gevoed door duurzame energiebronnen en gecombineerd met buffervaten zou kunnen
5 worden gerealiseerd. Voor deze wijk zijn vijf scenario’s gesimuleerd met buffervaten van Ecovat. Voor het voeden van de vaten is gekeken naar geothermie (overschot uit Paddepoel), warmte geproduceerd met elektriciteit van de onbalansmarkt en zonnewarmte opgewekt met zonnecollectoren. Deze bronnen zijn op verschillende manieren gecombineerd in de vijf scenario’s, zie tabel hieronder. Voor de eerste twee scenario’s is er van uitgegaan dat Warmtestad in staat is voldoende warmte met een temperatuur van meer dan 90 0C te leveren aan de Noorderplantsoenbuurt. Bij de laatste drie scenario’s wordt warmte met een temperatuur van 70 0C afgenomen van het geothermisch warmtenet.
Tabel B overzicht scenario’s Noorderplantsoenbuurt (1320 WE)
Benodigd geothermische vermogen Temperatuur afgenomen geothermische netwerk Investeringskos ten netwerk per
WE Primair energiegebruik per WE Energierekening per jaar op basis van warmteprijs €0,02 per MJ*
Ecovat geladen met geothermie 2,40 MJ 100-70 € 10.075,01 20.440 MJ
€ 1.171,25 Ecovat geladen met geothermie,
zonnecollectoren en warmte uit onbalans energie
1,70 MJ 100-70 € 14.245,69 14.596 MJ
€ 834,17
Ecovat geladen met geothermie opgewaardeerd met gas
aangedreven warmtepomp (GWP)
1,32 MJ 70-40 € 12.295,35 36.421 MJ
€ 1.153,03
Ecovat geladen met warmte uit zonnecollectoren, onbalans energie en geothermische energie opgewaardeerd met GWP
0,84 MJ 70-40 € 14.760,84 24.300 MJ
€ 758,60
Ecovat geladen met warmte uit zonnecollectoren, onbalans energie en geothermische energie gebruikmakend van lagere temperatuur verwarming
1,70 MJ 70-40 € 17.457,37 13.726 MJ € 816,59
Uit het onderzoek naar de inzet van Ecovat in de Noorderplantsoenbuurt blijkt dat zonnecollectoren en de installatie voor de productie van warmte met elektriciteit van de onbalansmarkt zichzelf in ca. 6,5 jaar
terugverdienen (exclusief kosten Ecovat en warmtenet). Dit komt omdat met deze twee bronnen substantieel op energiekosten kan worden bespaard. Deze twee bronnen zijn echter niet voldoende om 60% van de wijk van warmte te voorzien, laat staan de hele wijk. De zonnecollectoren nemen veel ruimte in die in de wijk niet voor handen is. Daarnaast is het risicovol om geheel in te zetten op warmte opgewekt met elektriciteit van de onbalansmarkt (geen prijs zekerheid). Ook is het vermogen dat via de wanden van het vat kan worden overgedragen aan de warmtebuffer beperkt. De combinatie van Ecovat geladen met geothermie (restant Paddepoel) is energetisch gunstig een heeft een gunstig effect op de investeringskosten. De €70.000,-- die per woonequivalent nodig zou zijn om de woning tot energienul te renoveren kan worden teruggebracht tot €10.000,-- a €17.000,-- per WE. Door gebruik te maken van Ecovat kan de wijk met een relatief klein, maar continue geothermisch vermogen (debiet) volstaan. De kans dat Warmtestad geothermische warmte gaat leveren aan de Noorderplantsoenbuurt hangt namelijk onder meer af van het gewenste geothermisch vermogen en de gewenste temperatuur van het netwerk. Warmtestad heeft vooral ruimte op haar net voor afnemers van lagere temperaturen (70-40).
Voor Ecovat kan de casus van de Noorderplantsoenbuurt interessant zijn. Wanneer de
Noorderplantsoenbuurt met Warmtestad overeenstemming kan bereiken over de levering van warmte aan hun buurt, dan kan dit een duurzame en rendabele combinatie opleveren.
6
Voor het geothermische netwerk als geheel, is Ecovat relatief duur. Het zal onder meer afhangen, van hoe de gemeente Groningen denkt de uitstoot van CO2 verder te gaan beperken of de inzet van buffervaten voor seizoensopslag reëel wordt.
8
Inhoudsopgave
Voorwoord ... 2Samenvatting ... 4
Inhoudsopgave ... 8
1.
Inleiding ... 9
1.1
Achtergrond ... 9
1.2
Aanleiding voor het onderzoek ... 10
1.3
Doelstellingen ... 12
1.4
Onderzoeksvragen ... 13
2.
Achtergrond ... 14
2.1
Geothermie ... 14
2.2
Paddepoel ... 17
2.3
Noorderplantsoenbuurt ... 17
2.4
Ecovat ... 18
3.
Het model ... 21
3.1
De warmtevraag ... 21
3.2
Zonne-energie ... 22
3.3
Onbalansmarkt ... 23
3.4
Ecovat ... 24
4.
Energie analyse ... 26
4.1
De geothermische bron ... 26
4.2
Wijken rondom Paddepoel ... 30
4.3
Noorderplantsoenbuurt ... 34
5.
Kosten analyse ... 39
5.1
Geothermie in combinatie met Ecovat in de wijken rondom Paddepoel ... 39
5.2
Noorderplantsoenbuurt ... 41
6.
Conclusie ... 45
6.1
Geothermie in combinatie met Ecovat (Paddepoel en omgeving) ... 45
6.2
Noorderplantsoenbuurt in relatie tot Ecovat ... 46
6.3
Ecovat ... 47
Bijlage I ... 49
Bijlage II ... 50
Bijlage III ... 51
Bijlage IV (Heekeren, 2012) ... 52
Bijlage V ... 53
Bijlage VI ... 54
Bijlage VII ... 55
Bijlage VIII ... 56
Bijlage IX ... 56
Bijlage X ... 58
Literatuur ... 59
9
1. Inleiding
1.1 Achtergrond
De manier waarop we nu voorzien in onze energie behoefte is niet eindeloos vol te houden. De aanspraken die we maken op fossiele energiereserves zullen op den duur zorgen voor schaarste en vermoedelijk milieu problemen. Grote zorg is daarbij de uitstoot van CO2 in de atmosfeer. Zeer waarschijnlijk veroorzaakt deze het broeikas effect op de aarde, waardoor de temperatuur van de omgeving gaat stijgen. Klimaat evenwichten zullen daardoor gaan verschuiven, wat grote gevolgen kan hebben voor de leefbaarheid op aarde.
Naast dit milieu vraagstuk spelen ook geopolitieke ontwikkelingen een steeds belangrijkere rol. Internationale spanningen en stijgende brandstofprijzen doen Nederland beseffen dat een te grote afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, onze economie zeer kwetsbaar maakt.
Het besef dringt door dat er alternatieven voor fossiele brandstoffen moeten worden gezocht. Daar het probleem zich niet tot de landsgrenzen beperkt is er een internationale aanpak nodig. Eerste stappen in die richting zijn onder meer de Kyoto verdragen. Hierin hebben een groot aantal industrielanden zich verplicht om de uitstoot van broeikasgassen aan banden te gaan leggen. Nederland heeft zich verplicht om in 2020 18% minder broeikasgassen uit te stoten dan in 1990. Tot nu toe is het gelukt om met relatief beperkte
inspanningen de doelstellingen uit het Kyotoprotocol te halen. Mede geholpen door de economische crisis heeft Nederland de doelstellingen voor 2012, namelijk 6% minder uitstoot broeikasgassen, weten te halen. In het verlengde van de Kyoto verdragen heeft Europa extra doelstellingen geformuleerd op het gebied van duurzaam energie gebruik. Voor 2020 moet de uitstoot van CO2 met 20% zijn gereduceerd, moet de energie efficiëntie met 20% worden verbeterd en moet 20% van de opgewekte energie van duurzame bronnen komen. Wil Nederland aan deze doelstellingen voldoen, dan zullen meer inspanningen nodig zijn.
1.1.1 Technische achtergrond
Ca. 10% van het Nederlandse primaire energieverbruik komt van de verwarming van huizen en tapwater (zie bijlage I). Het overgrote deel van die warmte wordt nu nog opgewekt met behulp van hoogwaardige fossiele energiedragers, met name aardgas. Voor het verwarmen van tapwater en cv water kan echter worden
volstaan met relatieflage temperaturen (Max. 90°C). Een gasvlam heeft een temperatuur van ca. 800°C. Voor onze warmtevraag zou eenvoudig gebruik kunnen worden gemaakt van laagwaardige energiedragers en alternatieve energiebronnen zoals zonnewarmte (heat-pipe 200 C°) en geothermische warmte (ca. 120 C°).
1.1.2 Duurzame energie bronnen in relatie tot vraag en aanbod / opslag van energie
In principe is er voldoende duurzame energie in de vorm van wind-, zonne- en geothermische energie aanwezig om aan de energievraag van Nederlandse woningen te kunnen voldoen. Een probleem met wind- en zonne-energie is echter dat deze niet altijd voor handen is. Vraag en aanbod lopen niet synchroon. Met name in de winter is de warmtevraag erg groot en is de beschikbaarheid van met name zonne-energie beperkt. Met ander woorden; energie moet worden opgeslagen willen we goed gebruik kunnen gaan maken van duurzame energiebronnen. De opslag van grote hoeveelheden energie is echter technisch gezien erg lastig. Als wij daadwerkelijk willen overstappen op duurzame vormen van energieproductie zal ook flink moeten worden geïnvesteerd in de opslag van energie.
1.1.2 Duurzame energie in relatie tot kosten
Belangrijk bij het halen van de doelstellingen om de uitstoot van broeikasgas te beperken is om de kosten van zo’n operatie betaalbaar houden. Hoe minder kosten particulieren hoeven te maken en hoe minder ze in de toekomst hoeven te betalen, hoe groter de kans dat de doelstellingen die door de overheid zijn
10
1.2 Aanleiding voor het onderzoek
Directe aanleiding voor het onderzoek is een vraag van Ramon Alberts, docent aan de Hanze Hogeschool te Groningen. De gemeente Groningen heeft een subsidie-aanvraag bij de Europese Unie ingediend die betrekking heeft op het terugdringen van de CO2 uitstoot. Zoals eerder vermeld heeft Europa zich o.a. tot doel gesteld dat de uitstoot van CO2 in 2020 met 20% moet zijn teruggebracht. Om deze doelstellingen te kunnen halen zijn er tal van subsidies in het leven geroepen. The European Innovation Partnership for Smart Cities and Communities heeft onder andere het Lighthouse project opgezet. De structuur opzet van dit project staat weergegeven in onderstaande afbeelding.
afb 1.2 opzet lighthouse projects
Samen met Barcelona en een aantal andere steden heeft de gemeente Groningen zich opgegeven voor dit project. Groningen, Barcelona en deze andere steden zouden daarbij de rol van High-Level group op zich nemen. Het doel van het Lighthouse project was om een aantal concrete concepten als pilot te realiseren. Pilots die kunnen worden ingezet richting een duurzame energietransitie van buurten (smarthoods). De ingediende concepten moesten grondig worden onderzocht op zowel technische als financiële haalbaarheid. Eén van de voorgestelde projecten van de gemeente Groningen betrof het opslaan van warmte middels het hoge temperatuur opslagsysteem van het bedrijf Ecovat. Dit was in beginsel de aanleiding voor mijn
onderzoek. Ecovat is als stakeholder betrokken bij de subsidieaanvraag en de Noorderplantsoenbuurt is door de gemeente Groningen aangewezen als mogelijke proeflocatie omdat deze buurt zichzelf al tot doel heeft gesteld om in 2024 energie neutraal te zijn. De Noorderplantsoenbuurt is een wijk van rond 1900. Over het algemeen zijn de huizen er slechts geïsoleerd. Met de subsidie kan de helft van de investeringskosten van het project worden gedekt.
Inmiddels is bekend dat de subsidieaanvraag helaas niet is gehonoreerd. De casus blijft echter interessant voor nader onderzoek en uitwerking en is daarom onderwerp van mijn afstudeerproject. Hoofdidee achter deze studie is om in deze wijk vooral in te zetten op de levering van duurzame energie, en zo min mogelijk te veranderen aan de woningen zelf.
Naast de casus van de Noorderplantsoenbuurt heeft Warmtestad Groningen voorgesteld om ook nog onderzoek te doen naar een tweede project waarin Ecovat een mogelijke rol zou kunnen spelen. Naast de
11 Noorderplantsoenbuurt heeft namelijk ook de gemeente Groningen haar ambitie op het gebied van duurzame energie geformuleerd. Het streven van de gemeente is om in 2035 energie neutraal te zijn (lees geen gebruik te maken van fossiele brandstoffen). Om deze doelstelling te kunnen halen is de gemeente Groningen onder andere voor de wijk Paddepoel gestart met de voorbereidingen voor de aanleg van een geothermisch warmtenetwerk. Ook hier is gekozen voor een concept waarbij de woningen zelf zoveel mogelijk ongemoeid gelaten worden en met name de energievoorziening zelf wordt verduurzaamd. Zo kunnen de kosten van de energietransitie worden beperkt. De organisatie van dit project is in handen van het projectbureau
Warmtestad namens de gemeente Groningen.
1.2.1 Eerdere onderzoeken
Op het gebied van duurzaamheid vindt nu op tal van plaatsen onderzoek plaats. In relatie tot mijn eigen onderzoek wil ik met name twee onderzoeken aanhalen omdat deze nauwverwant zijn met mijn onderzoek en relevante deelaspecten al hebben onderzocht.
Eén van die onderzoeken is de afstudeerscriptie, “Modelling the effects of different renovation scenarios of appartments on the configuration of the Ecovat energy storage system” van (van den Bosch, 2015) (TU Eindhoven), gedaan in opdracht van Ecovat. Een belangrijke voorlopige conclusie die uit dat onderzoek kan worden getrokken, is dat het huidige Ecovat alleen als seizoensbuffer kan worden gebruikt wanneer wordt ingezet op lage temperatuur verwarmingssystemen. Verder komt uit die studie naar voren dat de elektriciteit van het net, afgenomen via onbalansmarkt, een goed en economische alternatief vormt als mogelijk
duurzame energiebron voor Ecovat.
Het tweede onderzoek, uitgevoerd door F.P.A. Boekema (Boekema, 2015) van de Universiteit Groningen, getiteld “The behaviour of a district heating network including storage and biomass generator connected to a geothermal well”, gaat in op de vraag hoe pieken in de warmtevraag, ontstaan door het dagritme van de gebruikers, kunnen worden opgevangen met een warmtebuffer. In dit onderzoek wordt geconcludeerd dat om de wijk Paddenpoel ook tijdens de ochtend- en avondpiek van voldoende warmte te kunnen voorzien, de watertank een minimale omvang van ca. 1500 m3 zou moeten hebben. Dit komt overeen met één klein Ecovat buffervat.
1.2.2 Probleemhouders
Ecovat wil een nieuw warmteopslagsysteem op de markt brengen. De mogelijkheden om Ecovat toe te passen zijn talloos. Om inzicht te krijgen in de eigenschappen van het product moeten veel verschillende scenario’s worden doorgerekend. Met behulp van die uitkomsten kunnen mogelijke toepassingsgebieden beter in kaart worden gebracht.
De bewoners van de Noorderplantsoenbuurt zijn op zoek naar manieren om hun doelstelling, in 2024 energieneutraal zijn, te realiseren. Om goede keuzes te maken is kennis van mogelijkheden die er op de markt worden aangeboden van essentieel belang.
Warmtestad BV is namens de gemeente Groningen bezig met de voorbereiding van grote investeringen voor de aanleg van een geothermisch warmtenetwerk. Wanneer de investeringen die Warmtestad BV moet maken kunnen worden teruggebracht, of kunnen worden verdeeld over meer consumenten, dan wordt het totale kostenplaatje voor de gemeente Groningen gunstiger.
1.2.3 Stakeholders
De probleemhouders zijn tevens de stakeholders in dit project. Om het project goed te kunnen laten slagen zullen zij informatie moeten aanleveren.
Ecovat levert de informatie over hun warmteopslagsysteem. Dit wil zeggen gegevens over capaciteit, vermogen en opbouw van het systeem.
12
De Noorderplantsoenbuurt levert voornamelijk gegevens van de buurt: aantallen en types van woningen, geschat energiegebruik, aantallen bewoners etc.
Warmtestad Groningen levert voornamelijk cijfers over het Geothermische netwerk dat ze willen aanleggen en gegevens over de wijk Paddepoel waar het geothermische warmtenet wordt aangelegd: Energievraag,
temperaturen, uitleg systeem, debieten, enz..
1.3 Doelstellingen
1.3.1 Noorderplantsoenbuurt in relatie toe Ecovat
De Noorderplantsoenbuurt heeft de ambitie geformuleerd om in 2024 energie neutraal te zijn. De
Noorderplantsoenbuurt is een wijk gebouwd rond 1900 met veel oude huizen die vaak slecht geïsoleerd zijn. In de bestaande woningvoorraad gaat ca. 78% van het energiegebruik op aan verwarming en aan warm tapwater. Tot nu toe wordt daar vooral aardgas voor gebruikt. Doel van het onderzoek is om te kijken of Ecovat gecombineerd met een aantal duurzame energiebronnen, op een voor de bewoners kostentechnisch interessante manier kan worden ingezet om de wijk op een duurzame manier van warmte te voorzien.
1.3.2 Geothermie in relatie tot Ecovat
Een geothermisch warmtenetwerk draait met een continu debiet. De hoeveelheid warmte die wordt geleverd is continu.De warmtevraag van huishoudens kent echter pieken en dalen. In het onderzoek van (Boekema, 2015) is al onderzocht hoe de dagelijkse piekvraag kan worden opgevangen door het inzetten van een buffervat. In mijn studie zal specifiek worden gekeken naar de buffercapaciteit om de winterpiek te
overbruggen. Vaak kent een winter maar één of twee echt koude maanden. Op onderstaande afbeelding is bijvoorbeeld het gasverbruik van blogger Paul Beelen in het jaar 2012 in beeld gebracht. Duidelijk is te zien dat in de maanden januari en februari het gasverbruik bijna dubbel zo hoog is als in de maanden november, december en maart. De piekvraag in de winter wordt in de huidige configuratie opgevangen met bijstook van gas. Als deze piek kan worden opgevangen met een buffersysteem zoals Ecovat, dan scheelt dat behoorlijk in de kosten voor gas. Daarnaast krijgt Warmtestad subsidie voor elke MJ duurzaam geproduceerde energie. Doordat in de zomermaanden het geothermisch netwerk niet alle warmte kwijt kan scheelt dat in subsidie-inkomsten. Doelstelling van mijn onderzoek is om het aantal vaten te bepalen dat nodig is om de winterpiek in de warmtevraag op te vangen.
Figuur 1.3.2 winterpiek in 2012 (P. Beelen)
13
1.4 Onderzoeksvragen
1.4.1 Noorderplantsoenbuurt in relatie toe Ecovat
• Kan de wijk “de Noorderplantsoenbuurt” van duurzaam opgewekte warmte worden voorzien waarbij gebruik wordt gemaakt van het hoge temperatuur warmteopslagsysteem Ecovat?
• Wat zijn de kosten van zo’n systeem en hoe verhouden deze zich tot alternatieve duurzame energiesystemen?
Deze vragen worden op basis van twee casussen uitgewerkt:
o Met een hoge temperatuur warmtenetwerk, waarbij aan de woningen zelf bijna niets hoeft te worden veranderd.
o Met een lage temperatuur warmtenetwerk, waarbij in de woningen een lage temperatuur verwarming en extra tapwater verwarming moet worden aangelegd.
1.4.2 Geothermie in relatie tot Ecovat
• Hoeveel hoge temperatuur warmtebuffers van Ecovat moeten in de wijk Paddepoel worden aangelegd om de winterpiek in de warmtevraag op te kunnen vangen?
• Hoeveel huishoudens kunnen er op dit warmtenetwerk worden aangesloten als de winterpiek wordt opgevangen door het warmteopslagsysteem van Ecovat?
14
2. Achtergrond
In dit hoofdstuk wordt achtergrondinformatie gegeven over het geothermisch netwerk in Groningen, Ecovat en over de twee wijken in Groningen, Paddepoel en Noorderplantsoenbuurt, die ik als casus gebruik in mijn onderzoek. Vervolgens wordt beknopt ingegaan op het onderzoek van Ruud van den Bosch, en dan met name op het onderdeel PVT-panelen in relatie tot Ecovat. De resultaten uit zijn onderzoek gebruik ik als basis voor mijn onderzoek. Tenslotte wordt beknopt ingegaan op de werking van de onbalansmarkt, een
marktprincipe waar Ecovat mogelijk voordeel uit zou kunnen halen.
2.1 Geothermie
De gemeente Groningen heeft de ambitie geformuleerd om in 2035 energie neutraal te zijn (Janssen, 2015). Dit is uitgewerkt in het uitvoeringsprogramma “Groningen geeft energie”. Eén van de pijlers om deze ambitie te halen is het realiseren van een 3 km diepe bron voor aardwarmte op Zernike. Op deze diepte bevindt zich een zandsteenlaag met zout water met een temperatuur van ca. 120 0C. Door via twee pijpen water door deze laag te pompen en 2 km verderop weer omhoog te pompen wordt het water opgewarmd en biedt het voldoende energie om ca. 8.000 woonequivalenten van warmte te voorzien. De warmte uit deze bron wordt via een warmtewisselaar afgegeven aan een stadsverwarmingsnetwerk dat hier speciaal voor wordt aangelegd. Dit warmtenetwerk zorgt er voor dat de warmte bij de afnemers kan worden afgeleverd. De afstand waarover warmte kan worden getransporteerd is niet oneindig groot. Vandaar dat voor de afzet van deze warmte in eerste instantie vooral in de directe omgeving naar afzetmogelijkheden wordt gezocht. Voor de eerste fase van het project wordt in eerste instantie gekeken naar de Noordwestelijke wijken Paddepoel, Selwerd, Concordia en het terrein van het Zernike Complex (Universiteit en Hanzehogeschool), in
onderstaande afbeelding geel aangegeven. In het vervolg van dit rapport worden deze wijken tezamen consequent met de naam Paddepoel aangeduid.
Afbeelding 2.1.a Locatie Noordwest Groningen (Mulder)
De totale kosten van de bron met bijbehorend warmtenetwerk zijn geraamd op 56,5 miljoen Euro (Bijlage II). Per woonequivalent zou dat neer komen op een investering van €7.062,-- Ter vergelijking: Renovatie van de woningen in deze wijken tot energienul woningen kost ca. €70.000,-- per woning. Met andere woorden, hoewel het hier om een flinke investering gaat, zijn de kosten per woonequivalent relatief laag. Ook uit andere onderzoeken blijkt geothermie een van de meest kosteneffectieve manieren te zijn om de reductie van CO2 uitstoot te realiseren. Ik citeer: “Vergelijkende studies tonen keer op keer aan, dat de kosten per [GJ] en/of de kosten van vermeden CO2 bijna altijd lager zijn dan andere duurzame opties - als de juiste condities qua
15 geologie en warmtevraag aanwezig zijn. De kosten van energie worden voor (zeer) lange tijd stabiel en voorspelbaar. De kosten van de geproduceerde warmte worden voor circa 70% bepaald door de kapitaalslasten van de investering in de bron” (Heekeren, 2012). Het door Warmtestad berekende totale aansluitvermogen van 8.000 woonequivalenten is 52 [MW]. 6,5 [kW] piekvermogen per woonequivalent. Omdat niet alle woningen een gelijktijdige warmtevraag zullen hebben, rekent Warmtestad met een
gelijktijdigheidsfactor van 0,75. De piekvraag waar Warmtestad van uitgaat is dan: 0,75*52 [MW] = 39 [MW]. Het geschatte geothermisch vermogen (P90) van de bron bedraagt 13,3 [MW]. Omdat bij een complex project als geothermie er altijd een onzekerheid aanwezig is, of berekende waardes in de praktijk ook worden
gehaald, wordt bij dit soort studies het zekerheidspercentage aangegeven dat een bepaalde waarde kan worden gehaald. P90 betekent in dit geval de kans op het halen van dit te leveren vermogen 90% is. Als we dit geothermisch vermogen van 13,3 [MW] afzetten tegen het gevraagde piekvermogen van 39 [MW] dan lijkt dat heel weinig (slechts 34% van de piekvraag). Omdat deze piekvraag slechts incidenteel zal optreden zal het totale aandeel energie uit de geothermische bron veel hoger zijn. Uit berekeningen van Warmtestad zou dit 60% van de energiebehoefte van de 8.000 woonequivalenten kunnen dekken. In onderstaande afbeelding is goed te zien, dat de piekvraag maar een klein gedeelte vormt van de totale energievraag. Verticaal is het vermogen aangegeven, het roze en paarse oppervlak geeft de hoeveelheid energie aan. Hoewel in dit
voorbeeld slechts 33% van de piekvraag met geothermie wordt gedekt, is het paarse vlak toch een stuk groter dan het vlak dat de energie bijdrage van de hulpketels aangeeft. In deze figuur is ook goed te zien dat zodra de vraag naar energie kleiner is dan het geothermische aanbod, de geothermische installatie minder energie kan afgeven. Het overaanbod in de zomer is bijna even groot als het tekort in de winter. De overtollige warmte kan worden opgeslagen of worden ingezet worden voor koeling met behulp van absorptie koelmachines. In onderstaande afbeelding voor de laatste optie gekozen.
Afbeelding 2.1.b Jaarbelastingduurkromme geothermische installatie (Heekeren, 2012)
Warmtestad krijgt voor elke [GJ] duurzaam geproduceerde warmte €5,-- subsidie. Deze subsidie is vastgelegd voor de komende 15 jaar. Voor Warmtestad is het daarom van belang om zoveel mogelijk duurzaam geproduceerde warmte te kunnen leveren. Om de gemiste inkomsten in de zomerperiodes te verkleinen is Warmtestad op zoek naar mogelijkheden om de warmte die in de zomer in principe over is, toch op een andere manier te kunnen gebruiken. Daarvoor zijn een aantal mogelijkheden die hieronder worden opgesomd:
• Opslag van overtollige warmte in de zomer (zie paragraaf 2.4);
• Gebruik van overtollige warmte voor koeling met behulp van absorptie koelmachines. Koelen met behulp van warmte is een nieuwe techniek. Hierbij wordt gebruik gemaakt van absorptie
koelmachines. Tegenover de geothermische bron ligt bijvoorbeeld een data centrum dat veel energie nodig heeft voor koeling van de processoren. Het warmte overschot in de zomer zou kunnen worden
16
ingezet voor extra koelcapaciteit in de zomer. De COP-waarde van dit soort koelmachines ligt rond de 0,5 (Heekeren, 2012). Voor de productie van 1 [MJ] koude is ca. 2 [MJ] aan warmte nodig;
• Aansluiten van gebruikers met een continu grote warmtevraag. In de buurt van de geothermische bron liggen ook een aantal industrieën met een continu hoge warmtevraag. Als een deel van deze warmtevraag in de zomer met geothermische warmte zou kunnen voorzien, dan scheelt dat in de totale CO2 uitstoot.
•
De focus van dit onderzoek ligt op de opslag van warmte in buffertanks.
Naast de vraag wat er gedaan wordt met de overtollige energie in de zomer, speelt bij geothermie in
combinatie met stadsverwarming nog een ander probleem. Het vermogen van de bron is o.a. afhankelijk van de retourtemperatuur in het warmtenet. Volgens gegevens van Warmtestad zal het vermogen van de bron, als de retourtemperatuur kan worden teruggebracht tot 350C, 16,6 [MW] zijn ipv 13.3 [MW] (P50). Bestaande cv installaties zijn echter uitgelegd op 900C-700C. Om het vermogen van de bron omhoog te brengen is Warmtestad op zoek naar mogelijkheden om de retour temperatuur omlaag te brengen. Daarvoor zijn de volgende mogelijkheden:
• Warmte pompen in het systeem plaatsen die een deel van het retourwater opwaarderen en de temperatuur van het resterende retourwater omlaag brengen;
• Woningen aanpassen op lage temperatuurverwarming zodat met een 700C-400C warmtenetwerk kan worden volstaan;
• Afnemers zoeken die voldoende hebben aan een 700C-400C warmte toevoer netwerk.
Het toepassen van warmtepompen in het systeem kan een serieuze optie zijn om het vermogen van de bron beter te benutten. Wellicht is deze optie goedkoper dan de woningen aanpassen op een lager temperatuur systeem. Woningen aanpassen aan een lager temperatuur systeem kan op twee manieren:
• Het vervangen van de bestaande radiatoren door radiatoren met een groter oppervlak. Dit is de goedkoopste manier;
• Door de woning uit te rusten met een lage temperatuur verwarmingssysteem zoals bijvoorbeeld vloerverwarming. Met dit systeem kan de warmtevraag ook naar beneden worden gebracht. Door het grote warmte oppervlak kan de luchttemperatuur in de woning naar beneden zonder dat dit ten koste gaat van het comfort. De kosten van vloerverwarming inclusief alle bijkomende kosten bedragen ongeveer €70,-- per m2.
Met een 700C-400C systeem kan ook prima het tapwater worden verwarmd. Minimum eis in verband met legionella is 650C. Mogelijke afnemers voor 700C-400C warmte zijn:
• Nieuwbouw projecten
17
2.2 Paddepoel
Paddepoel, Selwerd en Concordia liggen net iets ten zuidoosten van Zernike -de plek waar de geothermische bron wordt aangelegd. Alle drie zijn het grote uitbreidingswijken uit de jaren ‘60 en ‘70 van de vorige eeuw. In deze wijken staan relatief veel grote flat blokken, die veelal zijn voorzien van een collectief
verwarmingssysteem. Hierdoor zijn ze eenvoudig aan te sluiten op het warmtenetwerk. Bovendien is een groot deel van de woningvoorraad in eigendom van woningcorporaties, wat het maken van afspraken eenvoudiger maakt. Omdat er bij dit soort projecten nog een hoop onzekerheden zijn, wordt het project gefaseerd uitgelegd. In fase I, de opstart fase worden 3500 woonequivalenten aangesloten in de wijken Paddepoel, Selwerd en Concordia. In Fase 2 staat Vinkhuizen op het programma. Deze wijk ligt ten westen van Paddepoel. In onderstaande tabel is het energiegebruik van de wijken uit fase 1 in beeld gebracht. Het gemiddelde energiegebruik per woning bedraagt ongeveer 40 [GJ] uitgaande van een stookwaarde van aardgas van 31,669 [MJ/m3].
Tabel 2.2 Wijkgegevens bron CBS (Soetendal)
Totaal aantal huishoudens in de wijk Gemiddeld gasverbruik per woning Warmtevraag gemiddelde woning Warmtevraag wijk Paddepoel-noord 3250 1350 m2 41471 MJ 134779305 MJ Paddepoel-Zuid 2030 1300 m2 39935 MJ 81067256 MJ Selwerd 3840 1250 m2 38399 MJ 147450864 MJ Concordia 1050 1300 m2 39935 MJ 41931339 MJ Totaal 10170 39846 MJ 405228765 MJ
2.3 Noorderplantsoenbuurt
De wijk Noorderplantsoenbuurt is onderdeel van de Oranjebuurt en ligt aan de noordkant net buiten het oude stadscentrum van Groningen. De wijk is gebouwd na de invoering van de vestigingswet uit 1848 die een eind maakte aan de verdedigende rol van de vestingwerken die de stad omringden. In de wijk staan 2209
zelfstandige verblijfsobjecten geregistreerd. Het grootste deel van de woningvoorraad (1683 eenheden) is van voor 1940. Deze woningen zijn van goede kwaliteit, maar vaak slecht geïsoleerd. De wijk is zeer geliefd bij de bewoners. Aangenomen mag worden dat de meeste huizen die er nu staan, er over tweehonderd jaar nog steeds zullen staan. De wijk is compact van opzet en bestaat grotendeels uit gesloten bouwblokken. De woningdichtheid in de wijk is met 65 Woningen/ha hoog. De kwaliteit van de woonomgeving wordt voor een belangrijk deel bepaald door prettige straatprofielen, mooie bouwkundige en architectonische details zoals glas in lood ramen, en vaak elegante houten kozijn met enkel glas. Ongeveer de helft van de panden is in eigendom van de bewoners zelf. 274 woningen zijn van een woningbouwvereniging, en 571 woningen worden door particulieren verhuurd, waarvan een groot deel aan studenten. De buurt heeft een actieve
buurtvereniging en er bestaat veel bereidheid binnen de gemeenschap om zaken gezamenlijk op te pakken. De ambitie om in 2024 als wijk energieneutraal te zijn is daar een goed voorbeeld van.
De buurt heeft in 2014 de ambitie geformuleerd om in 2024 energie neutraal te zijn. Op woningniveau is zo’n project lastig te realiseren. De huidige energievraag, 43,0 [GJ/woning], kan worden teruggebracht door de woningen beter te isoleren en het gebruik van efficiëntere installaties. Tot energie neutraal renoveren kost echter veel geld. Renoveren tot energienul woning kost €70.000,-- per woning. Een bedrag dat voor de meeste mensen onhaalbaar is. Bovendien passen veel maatregelen die moeten worden genomen om de woning energiezuinig te makenniet goed bij dit soort oude huizen. Bijvoorbeeld het luchtdicht isoleren van oude woningen is vragen om vochtproblemen.
18
Door het project als wijk gezamenlijk aan te pakken, zijn er veel meer mogelijkheden om de ambitie van een energie neutrale wijk te realiseren. Behalve naar de energievraag kan ook naar de energievoorziening worden gekeken. Stel dat de wijk op duurzame wijze van energie kan worden voorzien, dan hoeft aan de vraagzijdein principe niets meer te gebeuren. Op woning niveau hoeft dan niets te worden aangepast. De wijk is met 65 woningen per hectare voldoende dicht bebouwd om bijvoorbeeld stadverwarming op een kosten efficiënte manier aan te leggen (bijlage IV). Ik citeer uit het rapport “geothermie in de gebouwde omgeving”: ” “De oudere stadswijken bestaan vaak uit relatief kleine woningen & gestapelde bouw. Veel van die woningen hebben een laag energielabel (relatief hoge warmtevraag). Door deze eigenschappen zullen dit soort wijken naar verhouding eerder rendabel zijn om aan te sluiten” (Heekeren, 2012).
Een wijk als het Noorderplantsoen, kent relatief veel particuliere eigenaren. Dit betekent dat elke eigenaar zelf kan beslissen of hij/zij deelneemt aan het project of niet. Een gefaseerde aanpak biedt dan misschien meer mogelijkheden om het project realiseerbaar te houden. In eerste instantie kan bijvoorbeeld worden ingezet op een duurzame energie voorziening c.q. infrastructuur voor de wijk. Niet iedereen zal direct willen aansluiten bij zo’n project. Stel dat 60% van de woningen in eerste instantie zich bij het project aansluit en dat de
infrastructuur hierop wordt uitgelegd. Zodra deze huizen dan ook op woning niveau maatregelen gaan treffen om de energievraag terug te brengen ontstaat er op het warmtenet ruimte voor nieuwe aansluitingen.
Eigenaren houden zo individueel de keuze, en op de lange termijn zou in principe iedereen op dit net kunnen worden aangesloten.
2.4 Ecovat
Ecovat is in 2013 is opgericht door Aris de Groot. In 2008 startte hij met een onderzoek naar mogelijkheden om een energienul-kantoor te realiseren. Uit dit onderzoek is uiteindelijk de gedachte ontstaan om warmte die je over hebt in de zomer in een groot watervat op te slaan om later te kunnen gebruiken in de wintermaanden. De hoofdgedachte is eenvoudig. Warmte met een hoge temperatuur wordt opgeslagen in een grote
ondergrondse watertank. Water heeft een grote warmtecapaciteit zodat er makkelijk veel energie kan worden opgeslagen. Hoe groter en het vat wordt gemaakt hoe kleiner de relatieve warmteverliezen zijn. Verder zal door de stratificatie van het warme water de kwaliteit van de warmte goed regelbaar zijn. Ecovat heeft laten uitrekenen dat voor hun kleinste vat met hoge temperatuuropslag (1500 [m3]), het warmteverlies over 6 maanden, tussen de zomer en de winterperiode, op ca. 10% uitkomt (Berkel, 2014). Een dergelijk rendement biedt mogelijk perspectief voor warmte opslag over de seizoenen heen. Uit mijn eerste berekeningen blijkt echter dat de warmtevraag van woningen en met name bestaande woningen zo groot is, dat als deze volledig gedekt zou moeten worden met seizoensopslag van zonne-energie, het buffervat en het aantal PVT panelen, wel erg groot zou moeten worden. Daarom is er gezocht naar alternatieven, om het vat ook in de winter op duurzame wijze te kunnen laden. Eén van de meest interessante mogelijkheden om het vat te laden is met behulp van elektriciteit ingekocht op de onbalansmarkt. Doordat er steeds meer duurzame energie op het elektriciteitsnet wordt aangeboden, ontstaan er soms overschotten. Op zulke momenten krijgen afnemers zelfs geld toe, als stroom wordt afgenomen. Minimale afname is 1[MW]. Voor een systeem als Ecovat biedt dat een uitgelezen kans. Zij kunnen immers grote hoeveelheden energie opslaan.
2.4.1 Ecovat en zonne-energie.
Ruud van den Bosch heeft in zijn onderzoek voor een appartementencomplex uit de jaren ‘50 gekeken naar verschillende scenario’s om deze appartementen in combinatie met Ecovat van duurzame warmte te voorzien. Door te variëren met renovatie scenario’s, het aantal PVT panelen, de grootte van het vat en hoge of lage temperatuurverwarming zijn acht verschillende scenario’s onderzocht.
PVT zonnepanelen zijn op dit moment de meest efficiënte zonnepanelen. Bij standaard PV panelen gaat het elektrisch rendement achteruit als de panelen warmer worden. Door de panelen met water te koelen gaat het elektrisch rendement omhoog en leveren de panelen behalve elektriciteit ook warmte. Per paneel (1,8m2) kan 165 [kWh/jaar] aan elektriciteit, en 1300 [kWh/jaar] aan warmte geleverd worden.
19 In onderstaande grafiek is een beknopt overzicht van de acht scenario’s te zien. Weergegeven is per
scenario, de warmtevraag, het aantal PVT panelen, de afmetingen van het vat, de temperatuur van het warmtenetwerk, en de verdeling van de toegevoerde energie. Het aandeel Zonne-energie in deze configuratie zit tussen de 16% en 18% (PVT warmte). De overige warmte wordt opgewekt met boilers (onbalans markt) en warmtepompen die deels gevoed worden met elektriciteit afkomstig van de PVT panelen.
Tabel 2.4.1 verschillende scenario’s met Ecovat naar (van den Bosch, 2015)
scenario's Ruud van den Bosch 1 2 3 4 5 6 7 6
warmtevraag per app. [MJ/jaar] 3105 6 3105 6 2581 3 2581 3 2581 3 2581 3 1720 9 1720 9 PVT panelen stuks 100 100 83 83 83 83 55 55 afmeting M L M L S M S M Tin [0C] 70 70 70 70 40 40 40 40 Tuit [0C] 50 50 50 50 30 30 30 30 Energie verdeling boiler % E onbalans 60% 69% 62% 70% 65% 71% 67% 72% PVT (warmte) % zonne-energie 17% 17% 16% 17% 19% 18% 18% 18% WP % warmtepompen 24% 15% 22% 13% 16% 11% 14% 10% Totaal 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Ecovat % warmteverlies 13% 14% 15% 14% 1% 4% 4% 7%
Het grootste deel van de energie die de PVT panelen leveren is thermische energie. Het thermisch rendement van de panelen is hoger als de panelen met water met een lage temperatuur worden gevoed. In deze
configuratie wordt voor de koeling van de PVT panelen water onder uit het buffervat gebruikt. Dit water mag niet verder dan tot 40C worden gekoeld omdat het anders zou gaan stijgen en gaan mengen met de warme bovenliggende lagen.In het model is uitgegaan van een temperatuur van 50C voor de koeling van de panelen. Om deze 50C in stand te houden zijn warmtepompen aan het systeem toegevoegd. De hele
systeemconfiguratie is zodanig geoptimaliseerd dat de PVT panelen voldoende kunnen worden gekoeld, zodat deze met een optimaal rendement energie leveren. In onderstaande afbeelding is de opzet van het systeem duidelijk te zien. De temperatuuropbouw van de verschillende lagen van boven naar beneden is 900C, 750C, 500C, 300C, 50C.
20
Afbeelding 2.4.1 Ecovat configuratie (van den Bosch, 2015)
De conclusie uit dit deel van het onderzoek is:
Voordeel van bovenstaande configuratie is dat je relatief veel zonne-energie kunt oogsten, nadeel is echter dat de warmteopslagcapaciteit van het vat flink wordt gereduceerd.
Stel dat we uit zouden gaan van scenario 2 waarbij geen extra energie besparende maatregelen aan de appartementen worden getroffen. Een jaarlijkse warmtevraag van 31.056 [MJ/jaar] per appartement. Totale warmtevraag voor 78 appartementen is (zie tabel 1): x 78 = 2.422.368 [MJ/jaar]. Hiervoor is een vat van 19.000 [m3] nodig (maat L). Als we deze gegevens vertalen naar de Noorderplantsoenbuurt dan krijgen we de volgende rekensom: De warmtevraag van 60% van de 2.200 woningen uit de Noorderplantsoenbuurt
bedraagt 43.000 [MJ] x 2.200 x 60% = 56.760.000 [MJ/jaar]. De totale capaciteit aan bufferopvang zou dan: (56.760.000 / 2.422.368) x 19.000 = 445.200 [m3] moeten zijn. Dat zijn 10 vaten van 43.000 [m3]. De kosten voor alleen de vaten zouden dan neer komen op €24.999.720,--. Per participant ongeveer een bedrag van €19.000,--. Daarbij moeten worden opgeteld de kosten van het warmtenetwerk en de verschillende installatie componenten. Bovendien is er binnen de wijk geen ruimte om 10 grote vaten onder te brengen.
Uitgangspunt:
In het vervolg van deze studie zal daarom worden gekozen voor een configuratie waarbij het vat zoveel mogelijk wordt gevuld met warmte. Dit heeft als consequentie dat de PVT panelen verder buiten de scope van dit onderzoek vallen. Voor opwekking met zonne-energie is gekozen voor vacuüm collector buizen i.c.m. heatpipe. Deze geven het beste rendement voor het produceren van warmte met hoge temperaturen.
2.5 De onbalansmarkt
Naast PVT panelen, wordt in de configuratie van R.v.d. Bosch het vat gevoed met warmte opgewekt door een weerstand die gebruik maakt van de onbalansmarkt. Het elektriciteitsnet in Europa is opgezet als een vrije energiemarkt. Dit betekent dat er een scheiding is aangebracht tussen energie aanbieders en het
transportnet. Als consument kun je kiezen tussen verschillende aanbieders van energie. Het
hoofdtransportnet in Nederland wordt beheerd door TENNET. Zij zijn verantwoordelijk voor het laten functioneren, voor het onderhoud van het net en voor de levering aan regionale distributienetten. In Nederland wordt de komende jaren flink ingezet op windenergie en zonne-energie. Deze vormen van energie kennen echter een grote fluctuatie. Het zal daarom steeds vaker voor komen dat er een overaanbod van energie op het net ontstaat. Voor de netbeheerder wordt het daarom belangrijk om manieren te vinden om meer flexibiliteit in het netwerk aan te brengen. Een van de producten die daarvoor in het leven is geroepen is de onbalansmarkt. Afhankelijk van het aanbod van energie op het net wordt per kwartier de prijs bepaald voor deze markt. Regelmatig komt het voor dat afnemers zelfs geld toe krijgen wanneer ze energie afnemen van het net. De onbalans prijs wordt op basis van computeralgoritmes vastgesteld. Er wordt gekeken naar de tendensen op het net, waarna de prijs per kwartier wordt bepaald. In de praktijk betekent dat, dat maximaal 40% van de tijd gebruik gemaakt kan worden van de wetenschap, hoeveel de energie gaat kosten over een kwartier (zie paragraaf 3.3)
Onduidelijk is hoe deze markt zich in de toekomst zal ontwikkelen. Bij een toename van wind- en zonne-energie op het net is het waarschijnlijkdat er vaker pieken op het net ontstaan. Tegelijkertijd, als meer partijen gebruik gaan maken van de onbalansmarkt, zullen de computeralgoritmes van de netbeheerder dit snel doorhebben en zal het een dempend effect hebben op de negatieve onbalansprijzen van energie. Het principe van Ecovat biedt in ieder geval wel een mooie kans om in korte tijd, op een redelijk gunstige manier, grote hoeveelheden energie van het net af te nemen, deze op te slaan, en dezeop het gewenste moment voor de verwarming van huizen in te zetten. Wat nog wel een bottleneck kan worden, zijn de hoge periodieke aansluitvergoedingen.
21
3. Het model
Om inzicht te krijgen in de warmteproblematiek van beide wijken is een simulatiemodel gebouwd waarin verschillende scenario’s kunnen worden doorgerekend. In het model wordt over een geheel jaar, van 1 mei tot 30 april, de energievraag van uur tot uur gesimuleerd. Er is voor deze opzet van het model gekozen omdat bij buffervaten juist het tijdsaspect een zeer belangrijke rol speelt. In de simulatie worden onder de warmtevraag (paragraaf 3.1), de zonneopbrengsten (paragraaf 3.2), de onbalansprijzen (paragraaf 3.3), Ecovat (paragraaf 3.4) en de gewenste opslagcapaciteit gesimuleerd.
3.1 De warmtevraag
Allereerst moet er gekeken worden naar de warmtevraag van de wijken. Omdat er geen nauwkeurige
gegevens over de energievraag in de casuswijken per uur zijn, is de mogelijke warmtevraag via een simulatie benaderd. Op basis van temperatuurgegevens, afkomstig van het KNMI locatie Eelde, is de winter van 2009-2010 gesimuleerd. Dit was een relatief koud jaar, en van dit jaar waren ook de onbalans prijzen en zonne-instraling gegevens voorhanden. De warmtevraag is opgedeeld in twee segmenten. 1. De hoeveelheid energie die nodig is voor ruimteverwarming en 2. de hoeveelheid energie die nodig is voor
tapwaterverwarming. De energie nodig voor ruimteverwarming is afhankelijk van het seizoen. De hoeveelheid warmte die nodig is voor tapwater blijft door het jaar heen vrij constant.
Qvraag = Qruimteverwarming + Qtapwater
De totale gemiddelde energievraag per woning per jaar is min of meer bekend. Het ene jaar is iets kouder dan het andere. Hiervoor is een correctie factor aangebracht. Voor de verdeling tussen Qruimteverwarming en Qtapwater is gebruik gemaakt van de gegevens uit het onderzoek “Energiegedrag in de woning”, “WoON2012”. In dit onderzoek is het energiegedrag van ca. 4200 willekeurige woningen onderzocht. Uit dit onderzoek kwam naar voren dat gemiddeld 83% van de warmte-energie wordt gebruikt voor ruimteverwarming en slechts 17% voor tapwater verwarming (jaar gemiddelde).
De verdeling van energie die nodig is voor de ruimteverwarming over het jaar, is bepaald door de buiten temperatuur af te trekken van de gewenste binnentemperatuur. Als het buiten kouder is dan binnen gewenst is, dan moet er gestookt worden. In de praktijk is het binnen meestal iets warmer dan buiten, zonder dat er direct gestookt hoeft te worden. Hier zijn een aantal factoren verantwoordelijk voor:
• De massa van het gebouw zorgt voor vertraging van het temperatuursverloop; • Interne warmteproductie (apparaten en mensen);
• De warmte uitstraling wordt binnenshuis sterk beperkt. •
Om deze effecten mee te nemen in de simulatie is er een Tcorrectie geïntroduceerd. De uiteindelijke formule ziet er als volgt uit:
Twarmtevraag = Tbinnen - Tbuiten - Tcorrectie
Door Twarmtevraag over een heel jaar bij elkaar op te tellen is het aantal graaduren berekend. Wanneer de totale warmtevraag voor ruimteverwarming wordt gedeeld door het aantal graaduren, kan de factor waarmee het aantal graaduren omrekenend worden naar de hoeveelheid [MJ]. De gewenste binnentemperatuur is bepaald op basis van enquêtegegevens uit het onderzoek WoON2012 (zie bijlage II).
Qverwarming = Twarmtevraag * factor
Voor de warmtevraag van tapwater is een soortgelijke methodiek gevolgd. Hier is over de uren van de dag een verdeling gemaakt van het gebruik van warm tapwater. Per dag zijn 24 eenheden te vergeven. Door deze
22
voor een heel jaar op te tellen is de totale energievraag in eenheden verkregen. Wanneer Qtapwater wordt gedeeld door dit aantal eenheden levert dit de omrekenfactor van eenheden naar [MJ]. De gegevens uit WoON2012 waren niet gedetailleerd genoeg om een warmtapwatergebruikverdeling op te stellen. De verdeling is daarom samengesteld, op basis van gemiddelden, waarbij er van uitgegaan is dat het meeste warme water ’s ochtends en ’s avonds wordt gebruikt (dan zijn de meeste mensen thuis en wordt er gedoucht en gekookt).
Per uur wordt de warmtevraag voor tapwater opgeteld bij de warmtevraag voor ruimteverwarming. Zo ontstaat een gedetailleerd beeld van de warmtevraag waarin duidelijk pieken en dalen voorkomen, die het gevolg zijn van gebruiksfactoren en omgevingstemperatuur. In onderstaande grafiek is de warmte vraag over de eerste 7 dagen van december 2009 weergegeven.
Grafiek 3.1 (simulatie model) warmtevraag eerste week december 2009
3.2 Zonne-energie
Om de potenties van zonne-energie te onderzoeken is in het model ook een simulatie gemaakt van zonnecollectoren. PVT panelen leveren weliswaar van alle zonnecollectoren het beste rendement op, de warmte die ze leveren heeft echter een lage temperatuur en moet met behulp van warmtepompen worden opgewaardeerd. In dit model is daarom gekozen voor vacuümbuis collectoren met heatpipe. Bij dit type collectoren wordt de zonnestraling geabsorbeerd in een buis, die het meest weg heeft van een thermosfles. Het warmteverlies aan de omgeving wordt daardoor tot een minimum beperkt. Met dit systeem kunnen temperaturen tot 200 0C worden gehaald. Door 6, 12, 18 of 24 buizen te combineren ontstaat een collector. De warmte wordt aan de bovenzijde via een heat-pipe afgegeven aan het water. Dit water wordt opgewarmd en kan worden gebruikt om het vat te laden.
Afbeelding 3.2.a vacuümbuis collector met heat-pipe
Omdat de buizen niet geheel tegen elkaar liggen is het oppervlak van de collector niet gelijk aan het effectief oppervlak. Bij grotere configuraties wordt 64% van het totale oppervlak gebruikt voor het absorberen van
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 [MJ /u ur ] tapwater ruimteverwarming
23 warmte. Het rendement van de collectoren kan worden bepaald met de volgende formule (Ouwehand, Papa, Gilijamse, & de Geus):
!!"##$!%"& = ! ∗ ! – !!∗ ! !!""#!"#$− !!"#$%&'# !! − !!∗ ! !"##$!%"&− !!"#$%&'# !!
Hierin is ! ∗ ! het optisch rendement van de collector, k1 de thermisch verliesfactor, k2 de stralingsverliesfactor en Gt is de totale globale straling gemeten op een horizontaal vlak. Voor Tcollector wordt in deze simulatie de gewenste temperatuur van de warmte die geleverd moet worden aangehouden. Voor Tomgeving wordt de buitenlucht temperatuur aangehouden. Het optisch rendement wordt door de fabrikant van de collectoren geleverd. De totale globale straling voor Eelde (Gt) is per uur in [J/(cm2.uur)] terug te vinden in de tabellen van het KNMI. Gt is opgebouwd uit directe en diffuse straling. Door de hellingshoek van de panelen te variëren zal de verhouding tussen directe en diffuse straling veranderen. Omdat dergelijke gedetailleerde gegevens per uur niet beschikbaar zijn, is er in deze simulatie voor gekozen de panelen in het horizontale vlak te simuleren. In de praktijk zullen de panelen onder een hoek moeten worden geplaatst omdat anders de natuurlijk circulatie van het transport medium in de heat-pipe tot stilstand komt. Het werkelijke rendement van de collectoren zal daarom iets hoger zijn dan wat in de simulatie wordt berekend. Dit komt doordat de
zonnestraling in Nederland altijd onder een hoek op aarde valt.
Afbeelding 3.2.b De hoeveelheid zonnewarmte per m2 is onder een hoek van 300 groter
De totaal geleverde energie per uur wordt nu berekend met de formule: !!"##$!%"& = !! ∗ !"#$$%"&#' ∗ !"##"$%&"#
Als de zonnestraling minder dan 200 [W/m2] is zullen de warmteverliezen van de collector groter zijn dan de warmteopbrengsten en is het rendement van de collector negatief. Daarom is er in de simulatie voor gekozen de collectoren uit te zetten zodra de zonnestraling onder de 200 [W/m2] komt.
3.3 Onbalansmarkt
De prijzen van de onbalans markt in de winter van 2009-2010 zijn per kwartier terug te vinden op de
internetsite van TENNET, de netbeheerder in Nederland. Zodra de prijs voor elektriciteit negatief is wordt, kan de boiler worden ingeschakeld om energie van het net af te nemen en, in ons geval, in buffervaten op te slaan. Nu is terug kijken altijd makkelijker dan vooruitkijken. De prijs per kwartier wordt pas halverwege het kwartier bepaald. Volgens het bedrijf “Scholt Energy Control” kan daarom slechts ca. 40% van de tijd dat de prijs negatief is effectief worden benut. Het totaal aantal uren dat de prijs voor elektriciteit op de
onbalansmarkt in 2010 negatief was, moet daarom worden vermenigvuldigd met een factor 0,4. De totale hoeveelheid togevoegd energie wordt berekend met de formule:
Qboiler = Pboiler * 0,4 * Σ (Tprijs,negatief)
24
3.4 Ecovat
Het warmtebuffervat Ecovat wordt in het model gevoed met het warmteoverschot van de wijk. Zodra er in de casus wijken een warmtetekort is wordt er warmte aan het vat onttrokken. De energiebalans per uur van de casus wijken wordt bepaald met de Formule:
dQwijk = Qin - Quit
Qin is de opgewekte energie en bestaat uit een optelsom van alle energievormen die worden ingezet. Qin = Qcollectore + Qboiler + Qgeothermie
Quit is de optelsom van de warmtevraag voor tapwater en ruimteverwarming. Quit = Qverwarming + Qtapwater
De totale hoeveelheid warmte die in het vat zit wordt berekend door van elk uur het warmte-overschot of warmte-tekort bij elkaar op te tellen en daar het warmteverlies van het vat van af te trekken. Dit wordt berekend met de formule:
Qvat = Σ(dQwijk – Qverlies)
Qverlies is het warmteverlies door de wanden van het vat. Dit wordt verderop in deze paragraaf verder uiteen gezet.
Voor de modellering van het temperatuurverloop van het vat is uitgegaan van twee temperatuurlagen die door stratificatie perfect van elkaar zijn gescheiden. De onderste laag is de koude laag. De temperatuur van deze laag is gelijk aan de retourtemperatuur van het warmtenet. Bij deze temperatuur kan het vat geen warmte meer afstaan aan het warmtenet. De bovenste laag heeft een hogere temperatuur en wordt bepaald door de aanvoertemperatuur van de warmtebronnen. Hoe groter het temperatuurverschil tussen Thoog en Tlaag hoe meer bruikbare warmte in het vat kan worden opgeslagen. Hiervoor is de volgende formule gebruikt:
Qvat = Avat * hwarm * cp,water * (Thoog – Tlaag)
Hierin is Avat het grondoppervlak van het vat, berekend met de formule π*r2, hwarm de hoogte van de warme laag en cp,water de soortelijke warmte van water (4168 [J/kg*K]). Voor de soortelijke massa van water is uitgegaan van 1000 [kg/m3]. Zodra de gegevens Qvat , Avat , cp,water en (Thoog – Tlaag) bekend zijn kan de hoogte van de hoge temperatuur laag per uur worden berekend en zichtbaar gemaakt worden in een grafiek.
Grafiek 3.4 overzicht temperatuur verdeling buffervat in de tijd (simulatie model)
Nu de hoogte van de scheidslijn tussen hoge temperatuur en lage temperatuur in het vat bekend is kan het warmteverlies worden uitgerekend. Het warmteverlies wordt uitgerekend met de formule:
25
Qverlies = Uwand * Awand * dT * 3600
Hierin geeft U-waarde het warmte verlies per seconde per graad Kelvin per m2 oppervlak aan. De eenheid van de U-waarde is [W/K.m2]. Awand is het oppervlak van de scheidingsconstructie tussen vat en omgeving. Hierbij horen ook de deksel en de bodem. dT is het temperatuurverschil tussen de temperatuur in het vat en de temperatuur in de bodem rondom het vat. Als omgevinstemperatuur wordt 12 0C aangehouden. Voor zowel het hoge temperatuur gedeelte als het lage temperatuur gedeelte kan nu het warmte verlies worden uitgerekend.
Qverlies,Thoog= Uwand * (Owand * hwarm + Adeksel) * dThoog * 3600
Qverlies,Tlaag= (Uwand * Owand * (hvat - hwarm) + Ubodem * Abodem) * dTlaag * 3600
De U-waarde wordt berekend met de formule Uwand = λisolatie/dis. Ecovat is rondom geïsoleerd met 30cm foamglass met een λ-waarde van 0,041 [W/m.K]. De warmteweerstand van beton en overgangsweerstanden zijn vanwege de lage waarden buiten beschouwing gelaten. Uwand = 0,041 / 0,3 = 0,137 [W/K.m2]. De U-waarde van de bodem van het vat is overgenomen uit het rapport over Ecovat (Berkel, 2014). Hierin wordt uitgegaan van een waterlaag van 3[m] met een λ-waarde van 0,6 [W/m.K].
Ubodem = 0,2 [W/K.m2].
Owand is de omtrek van de wand en kan berekend worden met de formule: 2*π*r, waarin r de straal van de cirkel is. Verder geldt: dThoog = Thoog – Tomgeving en dTlaag = Tlaag - Tomgeving. Per uur wordt vervolgens het warmte verlies berekend en van het warmteoverschot afgetrokken. Het percentage warmteverlies per jaar wordt berekend door de totale hoeveelheid warmteverlies van een jaar te delen door de totale hoeveelheid warmte die in het vat is gestopt. In formule vorm:
26
4. Energie analyse
In dit hoofdstuk zullen verschillende scenario’s, waarbij steeds gebruik wordt gemaakt van geothermische warmte, in het simulatiemodel worden onderzocht. In hoofdstuk 4.1 wordt eerst nader ingegaan op de capaciteit van de geothermische bron en de mogelijkheden die er zijn om die capaciteit verder te benutten. In hoofdstuk 4.2 wordt gekeken naar het aantal woonequivalenten dat op de bron kan worden aangesloten en het aantal buffervaten dat nodig is om voldoende overtollige warmte in de zomer op te kunnen slaan voor de koude wintermaanden. In hoofdstuk 4.3 wordt verder ingezoomd op de Noorderplantsoenbuurt.
4.1 De geothermische bron
De geothermische warmte wordt met behulp van water en een pomp uit de ondergrond gehaald. Dit opgepompte warme water staat zijn warmte via een warmtewisselaar af aan het stadwarmtenetwerk.
Afbeelding 4.1.1 principeschema geothermisch warmtenet
De temperatuur van het opgepompte water is 121 [0C]. Het water wordt met een debiet van 203 [m3/uur] uit de bron omhoog gepompt en weer terug gepompt. Het geothermisch vermogen van de bron kan worden
berekend met de formule:
P = qv * ρw * cw* ∆T
Hierin is ρw het soortelijk gewicht van water (1000 [kg/m3]), cw de soortelijke warmte van water (4186 [J/K*kg], qv het debiet waarmee het water wordt rondgepompt en ∆T het temperatuurverschil tussen het opgepompte water en het retour water. Op basis van deze gegevens kan de volgende grafiek worden berekend en samengesteld:
Afbeelding 4.1.2 Vermogen geothermische bron in relatie tot retour temperatuur water
- 5.000.000 10.000.000 15.000.000 20.000.000 25.000.000 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 geo th er m is ch ve rm o g en b ro n [W ] retour temperatuur [0C] vermogen bron [W}
27 Op basis van dit model kunnen de volgende gegevens worden afgeleid. Bij een retour temperatuur van 70 [0C] bedraagt het geothermisch vermogen ca. 12,0 [MW]. Bij een retour temperatuur van 35 [0C] bedraagt het vermogen 20,3 [MW]. Door de totale hoeveelheid energie te bereken die met deze bron kan worden geleverd, kan het aantal woonequivalenten worden uitgerekend dat met de geothermische bron in principe van warmte kan worden voorzien.
Qgeothermie = Pgeothermie * 3600 (aantal seconde per uur) * 7860 (aantal uren per jaar)
Het warmteverlies in het stadswarmtenetwerk bedraagt ca. 13% (Mulder). De effectief benutbare warmte-energie bedraagt:
Qeffectief = 0,87 * Qgeothermie
In de noordwestelijke wijken van Groningen bedraagt het gemiddelde warmte gebruik ca. 40
[GJ/woonequivalent]. Het aantal woonequivalenten dat verwarmt kan worden met geothermie kan nu worden berekend (bijlage V) en is afgebeeld in onderstaande grafiek.
Afbeelding 4.1.3 Aantal woonequivalenten in relatie de retour temperatuur
In bovenstaande grafiek is duidelijk de relatie te zien tussen de retourtemperatuur en het aantal woonequivalenten dat kan worden aangesloten op het geothermische netwerk.
Om woningen met een bestaande cv installatie op het warmtenet aan te kunnen sluiten moet de aanvoer temperatuur 90 [0C] zijn en is de retour temperatuur 70 [0C]. Omdat de geothermische warmte van de bron aan het stadswarmtenetwerk wordt afgegeven via een warmtewisselaar, zal het retourwater van de bron net iets warmer zijn dan het retourwater van het netwerk. Als het retourwater van het warmtenetwerk 70 [0C] is dan zal het water uit de bron niet veel verder dan tot 73 [0C] worden afgekoeld.
Volgens berekeningen van Warmtestad kunnen er zo’n 8000 (Mulder) woonequivalenten op het
warmtenetwerk worden aangesloten. Wordt de retourtemperatuur echter verlaagd, dan kunnen veel meer woningen worden aangesloten op dit netwerk. Bij een retour temperatuur van 35 [0C] kan het aantal zelfs oplopen tot bijna 14.000 woonequivalenten. In hoofdstuk 2.1 zijn al een aantal mogelijkheden aangegeven om de retourtemperatuur van het warmtenet naar beneden te krijgen. In dit hoofdstuk wordt aanvullend gekeken naar het inzetten van een warmtepomp in het netwerk en wat de consequenties daarvan zijn.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 aa n ta l w w o n eq u iv al en te n retour temperatuur [0C] aantal woonequivalenten
28
4.1.1 Warmtepomp in het geothermische netwerk
Met behulp van een warmtepomp kan de temperatuur van een deel van het retourwater naar beneden worden gebracht en kan de vrijgekomen warmte worden gebruikt om het overige deel van het retourwater te
verwarmen tot de gewenste temperatuur voor de warmteaanvoer. In blokschema ziet dat er als volgt uit:
Afbeelding 4.1.1a Principe warmtepomp in netwerk
Er wordt hier gekozen voor een 100-40 netwerk, een op zich gunstige verhouding, om het systeem verder door te rekenen. Als de retourtemperatuur van het netwerk 40 [0C] is dan kan de retour temperatuur van de bron naar 45 [0C]. In dat geval kan de bron een vermogen leveren van 17,9 [MW] (565.735 [GJ/jaar]) en 12.305 woningen van warmte voorzien (Bijlage V).
De efficiëntie van een dergelijke warmtepomp kan bepaald worden door COP uit te rekenen. De COP geeft de verhouding weer van de hoeveelheid energie die moet worden toegevoegd om een bepaalde hoeveelheid warmte te krijgen. Bij een ideale warmtepomp kan het rendement worden uitgerekend met onderstaande formule:
COPcarnot = Tcondensor [K] / (Tcondensor – Tverdamper).
Dit rendement wordt echter alleen gehaald bij een ideale compressiecyclus zonder verliezen. In de praktijk zijn er echter vele factoren die dit rendement nadelig beïnvloeden. De werkelijke COP wordt daarom gegeven door het Carnot rendement te vermenigvuldigd met een systeemrendement.
COP = ηsysteem* COPcarnot
Het systeemrendement ligt meestal tussen de 0,5 en 0,7 (Industrial Heatpumps). Om water van 70 [0C] te verwarmen tot 100 [0C] zal de condensor een temperatuur moeten hebben van meer dan 100 [0C]. Om het retourwater te kunnen koelen tot 40 [0C] zal de verdamper een lagere temperatuur moeten hebben dan 40 [0C]. Stel Tcondensor = 105 [0C] en Tverdamper = 35 [0C]. Het Carnot rendement kan nu worden berekend: COPcarnot = 378[K] / 70[K] = 5,4 COPwarmtepomp = 0,7 * 5,4 = 3,78
Het vermogen dat de bron levert bij een retour temperatuur van 45 [0C], bedraagt 17,9 [MW] (zie bijlage V). Dit vermogen moet via het warmtenet worden afgegeven aan de gebruikers. Een netwerk met 100-40 range heeft een dT van 60 [0C]. Daar de afnemers het retourwater slechts tot 70 [0C] afkoelen zal het direct
opneembaar/bruikbaar vermogen slechts (100-70) / (100-40) = 30/60 van het totaal vermogen bedragen. 19,7 / 2 = 8,95 [MW]. Het overige vermogen 17,9 – 8,95 = 8,95 [MW] = Pin moet door de warmtepomp worden opgewaardeerd tot bruikbare warmte.
De hoeveelheid elektrische energie die moet worden toegevoegd bedraagt dan:
Pelektrisch = Pgeleverd / COP Pgeleverd = Pin + Pelektrisch Pelektrisch = Pin / (COP – 1) = 3,22 [MJ/s]
WP bron 100 [⁰C] wijk 40 [⁰C] 100 [⁰C] 70 [⁰C] 70 [⁰C]
29 Indien voor een hogere aanvoertemperatuur gekozen zou worden, dan gaat de COP van de warmtepomp omlaag maar hoeft er minder energie door de warmtepomp te worden opgewaardeerd. Per saldo scheelt het weinig in het elektriciteitsgebruik. In onderstaande grafiek is dat duidelijk te zien (zie ook bijlage VI).
Afbeelding 4.1.1b Pelectrisch als functie van de aanvoer temperatuur van het warmtenet (bijlage VI)
Daarbij zijn de warmteverliezen in het warmtenet hoger bij een hogere aanvoertemperatuur. Volgens
gegevens van Warmtestad is bij een aanvoertemperatuur van 115 [0C] het warmteverlies 825 [kW] voor 6.590 woonequivalenten en bij 90 [0C] slechts 701 [kW].
Uitgangspunt:
In dit model is daarom gekozen voor de relatief lage aanvoer temperatuur van 100 [0C].
4.1.2 Gas aangedreven warmtepomp in het geothermische netwerk
Omdat er met de warmtepomp veel vermogen moet worden geleverd, zal in een aantal modellen gebruik worden gemaakt van een met gas aangedreven warmtepomp. Het carnot rendement zal hetzelfde blijven. Het mechanisch rendement van deze warmtepomp bedraagt 35%. Dat is minder dan bij de elektrische warmtepomp. De COP waarde bedraagt dan:
COP = COPcarnot * ηmechanisch = 5,4 * 0,35 = 1,89
Paandrijving = Pgeleverd / COP Pgeleverd = Pin + Paandrijving Paandrijving = 8,95 / (1,89 – 1) = 10,1 [MJ/s]
Van deze 10,1 [MJ/s] kan verder nog 50% worden omgezet in warmte. Samen met de geothermische installatie kan nu voor 26,5 [MW] aan vermogen worden geleverd:
17,9 + 10,1*(0,5 + 0,35) = 17,9 +10,1 * 0,85 = 26,5 [MJ/s]
Er kunnen hierdoor ca. 3000 meer woningen op het warmtenet worden aangesloten dan bij een elektrische pomp. 0,00 [MW] 2,00 [MW] 4,00 [MW] 6,00 [MW] 8,00 [MW] 10,00 [MW] 12,00 [MW]
