Vraagsturing in warmtenetten WarmingUP project 6D

Vraagsturing in warmtenetten

WarmingUP project 6D

Marijke Menkveld en Koen Straver, TNO Sandra Wijnant, Saxion

Michael Schreuders, Erasmus Universiteit Rotterdam

Vraagsturing in warmtenetten 2/55

Vraagsturing in warmtenetten

Auteurs: Marijke Menkveld, Koen Straver, Michael Schreuders, Sandra Wijnant 2 maart 2021

Reviewer: Richard van Leeuwen

Met dank aan de partners in WarmingUP:

Deltares, Eneco, Ennatuurlijk, Vattenfall, HVC, SVP, Firan, Capturam, Gemeente Utrecht, Gemeente Amsterdam, Gemeente Rotterdam, Greenvis en Rijkswaterstaat

Dit project is uitgevoerd als onderdeel van het Innovatieplan WarmingUP. Dit is mede mogelijk gemaakt door subsidie van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) in het kader van de subsidieregeling Meerjarige Missiegedreven Innovatie Programma’s (MMIP), bij RVO bekend onder projectnummer TEUE819001.

WarmingUP geeft invulling aan MMIP-4 – Duurzame warmte en koude in gebouwde omgeving en levert daarmee een bijdrage aan Missie B – Een CO2-vrije gebouwde omgeving in 2050.

Projectnummer TNO: 060.43187 Keywords

Maart/2021©

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevens bestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door

fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Vraagsturing, demand side management, verlagen retourtempratuur, piekvraag verlagen

Jaar van publicatie 2021

Meer informatie Marijke Menkveld T 06 10311903

E marijke.menkveld@tno.nl

Vraagsturing in warmtenetten 3/55

Management Summary

Project 6D Warming Up

Vraagsturing in warmtenetten kan de kosten voor exploitatie van bestaande warmtenetten en het ontwerp van nieuwe warmtenetten verlagen en bijdragen aan de verduurzaming van warmtenetten.

Maar de vraag is hoe werkt vraagsturing in warmtenetten in de praktijk? Hoe kunnen warmteleveranciers of bewonerscollectieven de gebruikers zo ver krijgen dat ze mee gaan doen? Is het effectief om dat via variabele tarieven te doen? Welke sturingsknoppen heb je nog meer? Project 6D beoogt een overzicht te maken van verschillende mogelijkheden voor vraagsturing in warmtenetten en kansrijke opties in pilots te testen in de praktijk.

Wat is vraagsturing?

De warmtebedrijven onderscheiden bij vraagsturing: het verlagen van de piekvraag en het verlagen van de retourtemperatuur.

De pieken in de warmtevraag in warmtenetten zijn er tussen 6 en 10 uur ’s ochtends en 16 en 20 uur

’s avonds. Deze pieken wordt veroorzaakt doordat de woning wordt opgewarmd na een nacht niet gestookt te hebben of bij thuiskomen na een werkdag en door warm tapwater (veelal douchen). In de winter zijn deze pieken het hoogst, maar ook in andere seizoenen is er piekvraag. Slecht geïsoleerde woningen hebben een hogere piekvraag voor ruimteverwarming dan goed geïsoleerde woningen. Die piekvraag zou je kunnen wegnemen door een warmtebuffer in de woning, door na- isolatie of door de vraag te sturen naar buiten een piekmoment, bijvoorbeeld door eerder in de ochtend te beginnen met opwarmen of op andere momenten te douchen. We richten ons in dit project vooral op het sturen van de vraag, omdat een warmtebuffer of na-isolatie extra investeringen vergen.

Warmtebedrijven willen in het kader van vraagsturing ook de retourtemperatuur bij gebruikers verlagen. In warmtenetten wordt warm water via leidingen naar de afleverset van gebruikers gepompt. Het stadswarmtewater stroomt door de afleverset en de radiatoren van de gebruiker(direct systeem) of er wordt warmte in een warmtewisselaar uitgewisseld tussen het stadswarmtewater en het radiatorwater van de gebruiker (indirect systeem). Door de afname van warmte door gebruikers koelt het stadswaterwater af. Een issue is dat het water te warm terugkomt.

Waarom vraagsturing in warmtenetten?

Minder piekvraag heeft verschillende voordelen voor het warmtenet. Door een lagere piekvraag (maximale warmtevraag per uur) kan de volumestroom (hoeveelheid stadswarmtewater per uur) in het warmtenet lager zijn en is minder pompenergie nodig. Ook kan de aanvoertemperatuur lager zijn, waardoor er minder warmteverliezen zijn in het net, gasgestookte hulpketels minder hoeven worden ingezet. Met een lagere piekvraag en minder inzet van hulpketels kunnen duurzame bronnen een groter deel van de warmtevraag leveren, daarmee neemt de CO2-reductie van het warmtenet toe. Een ander voordeel van een lagere piekvraag is dat er capaciteit over blijft om het warmtenet uit te breiden. Voor het ontwerp van een nieuw warmtenet zou een lagere piekvraag betekenen dat pijpen met een kleinere diameter kunnen worden gebruikt, wat kosten bespaard.

Een lagere retourtemperatuur leidt ook tot minder warmteverliezen in het net. Als gevolg hiervan is er een groter temperatuurverschil in het net (bij gelijkblijvende aanvoertemperatuur) waardoor een kleinere volumestroom (hoeveelheid stadswarmtewater per uur) voldoende is om de zelfde hoeveelheid warmte te leveren. Hierdoor is minder pompenergie nodig. Door een lagere retourtemperatuur is meer warmtewinning mogelijk uit een duurzame bron met een lagere temperatuur.

Vraagsturing in warmtenetten 4/55 Deze voordelen van vraagsturing voor de exploitatie van het warmtenet zijn zowel relevant voor bestaande warmtenetten met een hoge aanvoertemperatuur als voor nieuwe warmtenetten met een lagere aanvoertemperatuur. Vraagsturing werkt voor beide type netten hetzelfde.

Verschillende mogelijkheden vraagsturing

Er zijn verschillende mogelijkheden voor vraagsturing in warmtenetten. Grofweg is er een scheiding tussen vraagsturing door de warmteleverancier in het warmtenet (centrale sturing) en vraagsturing door de gebruiker zelf (decentrale sturing). Samen met het beoogde effect op de warmtevraag (lagere piekvraag of een lagere retourtemperatuur) zijn er na inventarisatie 4 mogelijkheden gedefinieerd:

1. Piekvraag verlagen via centrale sturing: Een gebruiker krijgt een slimme thermostaat die op afstand is uit te lezen door de warmteleverancier. Met regeltechniek kan de warmteleverancier de piek verlagen door een woning iets eerder op te warmen in de ochtend of de warmtelevering kort te onderbreken. De gebouwmassa dient dan als thermische opslag met als randvoorwaarde dat de binnentemperatuur in de woning niet meer dan een 0,5 °C lager is dan de thermostaatinstelling. Praktijkvoorbeelden zijn het slimme warmteproject van Eneco in Utrecht en toepassing van de STORM controller door Ennatuurlijk en in het ’mijn waterproject’ in Heerlen.

2. Piekvraag verlagen via decentrale sturing: Een gebruiker krijgt of heeft een slimme thermostaat en wordt via variabele tarieven die tijdens piek en daluren verschillend zijn gestimuleerd om buiten de piek te stoken of te douchen of de gebruiker wordt via communicatie met andere argumenten gestimuleerd de piekvraag te verlagen (bijvoorbeeld om op een koude winterdag geen nachtverlaging toe te passen). Er zijn geen praktijkvoorbeelden gevonden van dit concept.

3. Retourtemperatuur verlagen via centrale sturing: De warmteleverancier meet de retourtemperatuur bij een gebruiker en als deze te laag is, dan wordt met regeltechniek de stroomsnelheid van het water in de radiatoren van de gebruiker verlaagd. Deze optie kan in combinatie met piekvraag verlagen via centrale sturing worden toegepast (zie mogelijkheid 1), dat gebeurt ook in het slimme warmte project van Eneco.

4. Retourtemperatuur verlagen via decentrale sturing: De warmteleverancier meet de retourtemperatuur bij de gebruiker en koppelt dit terug aan de gebruiker en geeft een bonus als de retourtemperatuur voldoende laag is. De warmteleverancier geeft de gebruiker informatie over het waterzijdig inregelen van zijn radiatoren (zorgen dat de stroomsnelheid laag genoeg is) en doet een aanbieding om een installateur te sturen die dat kan uitvoeren.

De bonus zou moeten zorgen dat de kosten voor de installateur snel worden terugverdiend.

Er zijn praktijkvoorbeelden in Denemarken. Een alternatief is dat de warmteleverancier gaat afrekenen op de flow (hoeveelheid stadwarmtewater) in plaats van op warmte. Daarmee ontstaat er vanzelf een incentive om het stadwarmtewater zoveel mogelijk uit te koelen.

Het betekent evengoed dat een warmteleverancier de gebruiker moet helpen met informatie en een aanbieding voor een installateur. Afrekenen op de flow gebeurt in het warmtenet van Hamburg.

Lessen uit vraagsturing via variabele tarieven in elektriciteitsnetten

Omdat variabele tarieven, zoals een onderscheid tussen piek- en daltarieven, bij warmtenetten in de praktijk niet voorkomt, hebben we in literatuur gekeken wat er bekend is over pilots met variabele tarieven in elektriciteitsnetten. Daaruit komen de volgende lessen die mogelijk ook bruikbaar zijn bij vraagsturing via variabele tarieven in warmtenetten:

• Het aantal verschillende prijsniveaus per dag moet beperkt zijn en de precieze prijzen moeten voor langere periodes worden vastgesteld (maximaal één update per maand).

• Daarnaast moeten de piekperiodes kort duren (maximaal een paar uur).

Vraagsturing in warmtenetten 5/55

• Het verschil tussen dal- en piektarieven moet voldoende groot zijn. Wat goed werkt in pilots met vraagsturing elektriciteit is wanneer de elektriciteitsprijs tijdens de piek een factor 2 tot 4 keer hoger is dan het daltarief. Het effect op de piekvraag is hoger als er niet alleen piek- en dalprijzen zijn tijdens dagelijkse piekuren maar ook een specifiek tarief geldt voor incidentele pieken. Bij elektriciteit is dat het moment met veel elektriciteitsvraag of weinig aanbod uit zon- en wind energie, bij warmte zou dat bijvoorbeeld kunnen zijn op een koude winterdag.

• Het effect op de reductie van de piekvraag is hoger, wanneer de vraagsturing als reactie op variabele tarieven waar dat kan en wenselijk is geautomatiseerd wordt met regeltechniek ten opzichte van pilots waar dat niet gebeurt.

Bij warmtenetten moeten warmtebedrijven zich qua tarieven houden aan het wettelijk kader en de maximale tarieven die worden vastgesteld door de ACM. Het idee van piek/daltarieven past daar niet in, want de tarieven mogen wel lager maar niet hoger zijn. Het is wel mogelijk alternatieve tariefstructuren te onderzoeken. Als een warmtebedrijf een pilot wil doen met variabele tarieven, dan moet het toestemming vragen bij de ACM.

Als gebruikers kiezen voor variabele tarieven en de vraagsturing is succesvol, dan dalen de inkomsten voor een warmtebedrijf. Dit kan alleen wanneer hier evenredige financiële voordelen tegenover staan voor het warmtebedrijf door vraagsturing. De waarde van vraagsturing voor het warmtebedrijf bepaalt hoe groot de financiële incentive voor vraagsturing richting gebruikers kan zijn.

Uit onderzoek blijkt overigens dat bewoners zich niet alleen laten motiveren door financiële incentives, maar ook door bijvoorbeeld sociale vergelijkingen met de buurt en bespaarde CO2

uitstoot. Onderzoek laten tevens zien hoe het ontwerp en het type informatie dat wordt aangeboden bij vraagsturing aangepast kan worden na evaluatie door gebruikers, om zo het gebruik ervan te verhogen. Gebruikers kijken niet louter vanuit economisch perspectief naar variabele tarieven. Als variabele tarieven niet aansluiten bij de dagelijkse routines en gedragingen van gebruikers, dan zal het effect van variabele tarieven tegenvallen.

Aanbevelingen voor verder onderzoek in Warming Up

Er zijn nog weinig praktijkvoorbeelden van vraagsturing in warmtenetten. Daardoor zijn er nauwelijks empirische data over de effecten van vraagsturing in een warmtenet en de ervaringen van gebruikers, een kwantificering van kosten en baten van vraagsturing ontbreekt. We stellen daarom twee aanbevelingen voor:

1 Vier pilots uitwerken in een projectplan

Laten we vier pilots voorbereiden en uitwerken tot een projectplan. De 4 pilots betreffen de 4 mogelijkheden van vraagsturing zoals hierboven beschreven: piekvraag verlagen via centrale sturing, piekvraag verlagen via decentrale sturing, retourtemperatuur verlagen via centrale sturing en retourtemperatuur verlagen via decentrale sturing. In de maanden september/oktober 2021 kan dan worden besloten welke pilots de deelnemers aan Warming Up daadwerkelijk willen uitvoeren. De pilots richten zich op vraagsturing bij woningen.

In het rapport zijn de contouren van de pilots geschetst, maar we willen deze samen met de warmtebedrijven verder uitwerken. In de eerste fase gaat het dan om de kwantificering van de financiële waarde van vraagsturing voor een warmtebedrijf. De financiële baten van vraagsturing voor een warmtebedrijf kunnen gebruikt worden om een gebruiker te verleiden aan vraagsturing mee te werken. Uit de enquête en focusgroepen (aanbeveling 2) moet duidelijk worden hoe groot de incentive moet zijn om een substantieel deel van de gebruikers te verleiden.

Vraagsturing in warmtenetten 6/55 In de tweede fase van de uitwerking maken we een concreet projectplan van wat er nodig is om een pilot uit te voeren: welke hardware en software is er nodig, hoeveel gebruikers heb je minimaal nodig om een pilot te doen, wat zijn de te verwachten kosten en baten voor het warmtebedrijf en gebruikers, welke activiteiten omvat de pilot en wat is de doorlooptijd en beoogde planning daarvan en hoe ziet de begroting van de pilot eruit.

2 Onderzoek naar motivatie gebruikers

Parallel aan het uitwerken van de pilots willen we onderzoek doen naar de bereidheid van gebruikers om aan vraagsturing mee te werken. Om effect te merken moet een groot deel van de gebruikers meedoen en is het dus belangrijk hoe de gebruikers dit beoordelen. Dat zullen we doen via een enquête of focusgroepen of beide. We maken daarbij gebruik van een

marktonderzoeksbureau.

Vraagsturing in warmtenetten 7/55

Inhoudsopgave

1 Inleiding 9

1.1 Aanleiding 9

1.2 Vraagstelling project 6D Vraagsturing warmte 9

1.3 Leeswijzer 10

2 Beoogde effecten van vraagsturing op de warmtevraag in warmtenetten 11

2.1 Verschillende vormen van vraagsturing 11

2.2 Tapwater en ruimte verwarming 12

2.3 Effecten van vraagsturing op het warmtenet 13

2.4 Technische maatregelen en afstemming met gebruikers om vraagsturing mogelijk te

maken 17

3 Mogelijkheden voor vraagsturing 21

3.1 Variabele tarieven 21

3.2 Smart home technology 23

3.3 Regeltechniek 24

3.4 Communicatie 26

3.5 Buffer in de woning 26

3.6 Ontzorging energiebesparende maatregelen 27

4 Lessen uit vraagsturing elektriciteit via variabele tarieven 28 4.1 Samenvatting Lessen uit vraagsturing elektriciteit met variabele tarieven voor

vraagsturing in warmtenetten 28

4.2 Variabele tarieven: vier verschillende tariefstructuren 29 4.3 Effect van variabele tarieven op het elektriciteitsverbruik 31 4.4 Andere motivaties dan prijsprikkels en typen feedback die motiveren tot

energiebesparing 36

5 Vraagsturing vereist actieve rol gebruikers 39

5.1 Mensbeeld “Resource Man” 39

5.2 Actieve rol gebruikers bij vraagsturing 40

5.3 5.3 Co creatie van vraagsturing met gebruikers 41

6 Evaluatie verschillende mogelijkheden voor vraagsturing in warmtenetten 43

6.1 Variabele tarieven 43

6.2 Smart home technologies 45

6.3 Regeltechniek 46

6.4 Communicatie en ontzorging 47

7 Conclusies en aanbevelingen 48

7.1 Conclusies 48

Vraagsturing in warmtenetten 8/55

7.2 Aanbevelingen 50

Vraagsturing in warmtenetten 9/55

1 Inleiding

1.1 Aanleiding

Aanleiding voor project 6D binnen Warming Up is de verduurzaming van warmtenetten en kostenreductie in de aanleg en exploitatie van warmtenetten.

Ook in Nederland wordt door de warmtebedrijven, gemeenten en bewonerscollectieven ingezet op verduurzaming van de warmtebronnen in een warmtenet. Warmte van aardgasgestookte

elektriciteitscentrales of warmte/kracht installaties past niet in het idee van aardgasvrije wijken. De warmtebedrijven zoeken daarom naar mogelijkheden om hun warmteproductie te verduurzamen met biomassa, restwarmte, geothermie, aquathermie of zonthermie. Een duurzame

warmteproductiefaciliteit voor een warmtenet wordt niet gedimensioneerd op de piekvraag in het warmtenet, omdat het niet rendabel is een relatief dure warmtebron te dimensioneren op een lage bedrijfstijd. De piekvraag wordt ingevuld met een hulpwarmtecentrale, die nu vrijwel altijd

aardgasgestookt is. Vraagsturing kan helpen de piekvraag te verlagen en maximaliseert zo de bijdrage van duurzame warmteproductie en de CO2 reductie van het warmtenet.

Vraagsturing kan ook de operationele kosten van warmtenetten verlagen of capaciteit vrijmaken voor uitbreiding van bestaande warmtenetten.

1.2 Vraagstelling project 6D Vraagsturing warmte

In thema 1 van Warming Up worden tools voor het ontwerp van warmtenetten ontwikkeld en getest waarin vraagsturing ook wordt meegenomen. Maar de vraag is hoe vraagsturing in warmtenetten werkt in de praktijk. Hoe kunnen warmteleveranciers of bewonerscollectieven de gebruikers zo ver krijgen dat ze mee gaan doen? Is het effectief om dat via variabele tarieven te doen? Welke sturingsknoppen heb je nog meer?

Project 6D beoogt een overzicht te maken van verschillende mogelijkheden voor vraagsturing in warmtenetten. Naast variabele tarieven, kan het bijvoorbeeld ook gaan om sturing via

regeltechniek in de woning of energiebesparende maatregelen zoals na-isolatie. We hebben daarbij ook gekeken naar praktijkvoorbeelden in binnen- en buitenland.

Daarnaast geven we in dit rapport een advies over de meest kansrijke opties van vraagsturing in warmtenetten. Om te komen tot de meest kansrijke opties voor vraagsturing kijken we naar effectiviteit van de vraagsturing, de kosten en baten voor warmteleveranciers en gebruikers en aspecten voor gebruikers die belangrijk zijn voor een aanvaardbare toepassing.

Beoogd wordt in project 6D vraagsturing concepten te ontwerpen samen met gebruikers. Het proces van gezamenlijke ontwikkeling verhoogt het draagvlak en geeft inzicht in te verwachten reacties vanuit verschillende gebruikersperspectieven. Daarom hebben we ook informatie verzameld over de reactie van gebruikers op vraagsturing en suggesties hoe een ontwerp samen met hen kan plaatsvinden.

Vraagsturing in warmtenetten 10/55

1.3 Leeswijzer

In hoofdstuk 2 bespreken we de beoogde effecten van vraagsturing op het warmtenet en geven daarbij aan welke mogelijkheden voor vraagsturing er zijn.

In hoofdstuk 3 beschrijven we de verschillende mogelijkheden van vraagsturing en benoemen daarbij de praktijkvoorbeelden die we hebben gevonden.

Omdat er veel meer studies en pilots zijn gedaan rond vraagsturing via variabele tarieven bij elektriciteit dan bij warmtenetten, geeft hoofdstuk 4 een overzicht van de ervaringen met vraagsturing bij elektriciteit via variabele tarieven.

Beoogd wordt in project 6D vraagsturing concepten te ontwerpen samen met eindgebruikers. Dat verhoogt het draagvlak en geeft inzicht in te verwachten reacties vanuit verschillende

gebruikersperspectieven. Hoofdstuk 5 gaat in op de rol van eindgebruikers bij vraagsturing.

In hoofdstuk 6 beschrijven we de evaluatie van de verschillende mogelijkheden van vraagsturing om te komen tot een advies van de meest kansrijke opties.

Hoofdstuk 7 vat de conclusies nog eens samen en geeft aanbevelingen voor het vervolg van het project.

Vraagsturing in warmtenetten 11/55

2 Beoogde effecten van vraagsturing op de warmtevraag in warmtenetten

Om warmtenetten verder te optimaliseren wordt in dit project onderzoek gedaan naar de

mogelijkheid voor vraagsturing. Dit hoofdstuk behandelt diverse concepten van vraagsturing en de te nemen maatregelen en beschrijft de beoogde effecten van vraagsturing op de vraagsturing van warmtenetten. Allereerst wordt in paragraaf 2.1 ingegaan op verschillende vormen van

vraagsturing. Paragraaf 2.2 bespreekt het verschil tussen warmtevraag voor warm tapwater en ruimteverwarming. Paragraaf 2.3 beschrijft de beoogde effecten van die verschillende manieren van vraagsturing op het warmtenet. Daarbij worden technische en gedragsmaatregelen beschreven om die vraagsturing mogelijk te maken.

2.1 Verschillende vormen van vraagsturing

Welke vormen van vraagsturing zijn mogelijk? Bij vraagsturing maken we onderscheid tussen peakshaving, load shifting en energiebesparing (zie figuur 1). Bij peakshaving wordt gestuurd op het aftoppen van de piek in energievraag, bij load shifting wordt gestuurd op het verplaatsen van energievraag naar momenten buiten de piek. Bij energiebesparing wordt gestuurd op reductie van de energievraag waardoor het vraagpatroon maar ook de piek wordt verlaagd.

Figuur 1:Verschillende vormen van vraagsturing (bron:

https://www.usaid.gov/energy/efficiency/basics)

In warmtenetten is er een piekvraag bij het opwarmen van woningen in de ochtend en in de avond als mensen thuis komen van het werk. In het dagelijkse vraagpatroon veroorzaakt ook de vraag naar warm tapwater een piek, vooral in de ochtend en in de avond, vanwege douche en bad gebruik. Ochtend en avondpieken zijn niet alleen merkbaar in de winter, maar ook in de zomer. Er zijn ook verschillende mogelijkheden om die verschillende pieken door vraagsturing te verlagen.

We behandelen vraagsturing op pieken door warmtevraag en warm tapwater vraag in dit hoofdstuk afzonderlijk.

Vraagsturing in warmtenetten 12/55 In project 6D zien we vraagsturing als een manier om het ontwerp en de exploitatie van een warmtenet te optimaliseren. Naast het verlagen van de piekvraag helpen ook het verlagen van de retourtemperatuur en de aanvoertemperatuur van het net daarbij. We beschouwen het verlagen van de retourtemperatuur en aanvoertemperatuur van het warmtenet daarom ook als vormen van vraagsturing.

2.2 Tapwater en ruimte verwarming

De warmtevraag voor een woning bestaat uit 2 componenten: tapwatergebruik en

ruimteverwarming. Het tapwatergebruik bestaat uit douchen en in mindere mate afwassen en vindt voornamelijk ’s ochtends plaats tussen 7 en 9 uur en ’s avonds tussen 17 en 20.

Het warm tapwatergebruik is instantaan en duurt veelal hooguit 10 minuten. De kans dat verschillende woningen in een warmtenet precies tegelijkertijd warm tapwater gebruiken is veel kleiner dan de kans dat ze tegelijkertijd hun woning verwarmen. Het tapwatergebruik heeft een lagere gelijktijdigheidsfactor dan ruimteverwarming en zal daarom minder bijdragen aan de piek in het warmtenet. Voor ruimteverwarming ligt deze gelijktijdigheid hoger, omdat het in alle huizen op het zelfde moment koud is, en mensen op ongeveer het zelfde moment hun woning opwarmen.

Ook duurt de opwarmtijd langer dan de tijd dat tapwater wordt gebruikt, het kan voor minder geïsoleerde woningen circa een uur duren voordat een woning enkele graden is opgewarmd.

Daarom speelt het opwarmen van een woning een grotere rol in de piekvraag dan het tapwater gebruik. Bij energiezuiniger woningen kan de opwarming sneller gaan en zijn de pieken door ruimteverwarming minder dominant.

Omdat de verwachting is dat de ruimtepiek dominant is wordt in dit rapport meer gefocust op bestrijden van de piek ten gevolge van ruimteverwarming. Voor het bepalen van het

aansluitvermogen van een woning op een warmtenet domineert het tapwaterverbruik. Voor het vermijden van piekverbruik in het warmtenet domineert de ruimteverwarming.

Om het effect van ruimteverwarming en tapwater te vergelijken worden hier nog enkele kentallen voor verbruik en vermogen genoemd voor warm tapwater en ruimteverwarming. Voor een gemiddeld huishouden bedraagt het energieverbruik circa 26 GJ per jaar [Segers 2020]. Hiervan is circa 20% tapwatergebruik en 80% procent ruimteverwarming. Voor een gemiddeld huishouden is een gemiddeld vermogen nodig van ca 2,5- 5 kW . Tapwater heeft in verhouding een hoger vermogen nodig, wat varieert van varieert van 17 tot 35 kW, afhankelijk van het comfort niveau [Eneco 2011]. Warm water dus een hoger vermogen nodig dan verwarming, maar heeft

daarentegen een zeer lage gelijktijdigheid. De film Energieslaven van de TU Delft geeft het effect aan van de verschillende energieverbruikers in een huishouden. Hierin wordt geïllustreerd het effect van het piekverbruik van tapwater en ruimteverwarming geïllustreerd in relatie tot het energieverbruik in een woning (bron: https://www.youtube.com/watch?v=iuOsXyzU-ks).

Om het hoge aansluitvermogen voor warm tapwater te vermijden kun je denken aan decentrale warm tapwateroplossingen, zoals het warme tapwater leveren met een lokale elektrische boiler in het huis. Daardoor kan de temperatuur van het warmtenet naar beneden. Immers dan kan de aan de woning geleverde temperatuur lager worden dan de vereiste 60 °C in verband met legionella.

Deze optie leidt wel tot lagere warmteverliezen in het warmtenet, maar ook weer tot nieuwe energieverliezen in de elektrische boiler zelf. Het is maar de vraag of dit qua CO2-emissie positief uitpakt. Er zijn meer nadelen zoals ruimtebeslag, geluid (als warmtepompboiler), een boiler met beperkte capaciteit tegenover eindeloos tappen uit een warmtenet, beperktere levensduur, etc.

Als gekozen wordt voor een decentrale warm tapwateroplossing dan doe je dat om lage temperatuurbronnen aan te sluiten en niet vanwege peakshaving.

Vraagsturing in warmtenetten 13/55

2.3 Effecten van vraagsturing op het warmtenet

Wat zijn de effecten en de voordelen voor de warmteleverancier van die verschillende manieren van vraagsturing in een warmtenet?

2.3.1 Peak shaving/load shifting van de warmtevraag voor ruimteverwarming

De pieken in de warmtevraag treden zijn het grootst in de winter, op koude dagen maar ook in andere seizoenen zijn pieken zichtbaar, maar dan minder sterk. De tijdstippen op de dag wanneer deze optreden is ’s ochtends bij het opwarmen van de woning, tussen 6 en 10 uur en tussen 16 en 20 uur ’s avonds als mensen van hun werk thuis komen.

Als de piek in de warmtevraag verlaagd kan worden door peakshaving of load shifting heeft dat volgende positieve effecten voor de bedrijfsvoering van het warmtenet:

1. Minder capaciteitsproblemen 2. Verhogen bezettingsgraad

3. Lagere volumestromen (bij gelijk blijvend temperatuurverschil) mogelijk met als gevolg a. Besparen op pompenergie

b. Kleinere pijpdiameters 4. Lagere nettemperatuur

5. Betere inzetbaarheid duurzame bronnen 1 Minder capaciteitsproblemen

Capaciteitsproblemen kunnen ontstaan met name als het warmtenet op zijn piekvermogen draait.

De grootste capaciteitsproblemen zijn te verwachten bij extreme kou. Dit probleem openbaart zich als eerste bij klanten die “end of pipe” zitten en onvoldoende warmte krijgen. In dat geval is peak shaving een mogelijke oplossing. In Figuur 5 is de warmtevraag (referentie) van 200 woningen te zien op een koude dag.

Figuur 2:warmtevraag op een koude dag van 200 woningen [Leeuwen, 2019]

Via vraagsturing kan de gemiddelde warmtevraag (zie trendlijn) niet worden verlaagd, maar de pieken wel. Een realistisch profiel dat via vraagsturing mogelijk is, is met de groene lijn getekend. Het gaat daarbij om reductie van de vraagpiek met zo’n 10-20%.

150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

kWh

tijd (uur)

Referentie

Gemiddelde trendlijn Slimme warmtevraag sturing

Vraagsturing in warmtenetten 14/55 2 Verhogen bezettingsgraad

Een warmtenet wordt gedimensioneerd op het piekverbruik. Als de piek lager is dan zou een bestaand warmtenet mogelijk uitgebreid kunnen worden zodat met dezelfde netcapaciteit een groter aantal aansluitingen bediend kan worden.

3 Lagere volumestromen

Op het moment dat pieken in de warmtevraag voorkomen kunnen worden, zal de volumestroom in het netwerk ook afnemen. Immers de warmte die overgedragen wordt is evenredig met de

volumestroom en het temperatuurverschil tussen de aanvoer en retour temperatuur. Als de volumestroom afneemt, is er ook minder pompenergie nodig. Als vraagsturing succesvol kan worden toegepast zou dit voor nieuwe warmtenetten ook betekenen dat de benodigde leidingdiameter kleiner kan zijn, waardoor de kosten voor de buizen afnemen en zo de infrastructuur van het warmtenet goedkoper wordt.

4 Lagere temperatuur van warmtenet

In het geval van vraagpieken zal de aanvoertemperatuur van het warmtenet verhoogd worden om aan de vraag te kunnen voldoen, immers door een groter temperatuurverschil tussen aan en afvoer kan er meer warmte afgestaan worden. Door peak shaving of load shifting is het mogelijk om de aanvoertemperaturen lager te houden, dit heeft onder andere als gunstig effect dat er minder warmteverliezen zijn. Meer voordelen van een lagere aanvoertemperaturen worden besproken paragraaf 2.3.3.

5 betere inzetbaarheid van duurzame bronnen

In onderstaand figuur 2 is de warmtevraag van een warmtenet (met inzet van bronnen) weergegeven. In de winter is er een veel grotere warmtebehoefte dan in de zomer. Op sommige dagen zijn er ook pieken op uurniveau zoals in Figuur 1 is te zien. Die zijn met name interessant voor peak shaving.

Figuur 3:belasting van een warmtenet en inzet van bronnen [Cogas, 2018]

Figuur 3 geeft aan hoe de inzet van bronnen plaats vindt. Over het algemeen wordt de basislast geleverd door de duurzame bron en de pieklast door goedkopere fossiele bronnen zoals

gasgestookte hulpketels. Reduceren van de piek betekent dat de warmtevraag meer over de tijd wordt uitgesmeerd, en er daardoor een hogere inzet kan plaatsvinden van de duurzame

warmtebronnen. Daarmee neemt de CO2-reductie van het warmtenet toe. Wanneer de operationele kosten voor de productie van warmte uit de duurzame bronnen lager zijn dan de operationele kosten voor productie van warmte met gasgestookte hulpketels, dan worden de exploitatiekosten van het warmtenet lager.

Energie balans - scenario 2025 Opwekking - scenario 2025

Warmte geproduceerd - totaal 4898 MWh Warmte afgenomen - totaal 4913 MWh 0

50 100 150 200 250

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

Opwekking per week [MWh/wk]

Week

Piekketels Buffer

COGAS houtkachel RWZI Vriezenveen Bak. Holland - ruimtekoeling Bak. Holland - RG koeling

1.180

1.719 1.781

219 Bak. Holland - RG

koeling Bak. Holland - ruimtekoeling RWZI Vriezenveen

COGAS houtkachel

Gaskachels

2.059

625 649

939 641

Manitobaplein Centrum Koningsweg Zwembad Netverlies Piekketels Buffer Houtketel WKO

Restwarmte bron 1 Restwarmte bron 2

Vraagsturing in warmtenetten 15/55

2.3.2 Energiebesparing, reductie totale warmtevraag

Energiebesparing leidt tot reductie van de totale warmtevraag maar zal ook resulteren in een reductie van het piekvermogen. Voorbeelden zijn de na-isolatie van woningen, energiezuinige ventilatie. De voordelen van dergelijke maatregelen hebben dezelfde positieve effecten op de bedrijfsvoering van het warmtenet als beschreven bij peakshaving in paragraaf 2.3.1.

De stap energiebesparing is de eerste stap uit de strategie Trias energetica, die bestaat uit de volgende 3 stappen.

Stap 1: beperk de energievraag

Stap 2: gebruik zoveel mogelijk energie uit duurzame bronnen

Stap 3: gebruik zo efficiënt mogelijk fossiele brandstoffen voor de rest behoefte

Hierbij moeten de energiemaatregelen opeen volgend worden genomen, beginnend bij stap 1.

Vraagsturingsmaatregelen hebben vaak effect op zowel stap 1 en 2, waarbij getracht wordt om in stap 3 zo min mogelijk fossiele brandstoffen te gebruiken om het warmtenet zo duurzaam mogelijk te bedrijven. Vraagsturing helpt hierbij in het toepassen van de Trias Energetica.

2.3.3 Een lagere aanvoertemperatuur

Bij vraagsturing van de warmtevraag gaat het niet alleen om het afvlakken van het vraagpatroon door peak shaving, load shifting en energiebesparing, maar ook om het verlagen van de aanvoertemperatuur in een warmtenet. Dat lukt alleen als de woninginstallaties geschikt zijn om op een lagere temperatuur de woning toch voldoende op temperatuur te houden. De meeste warmtenetten worden bedreven met een aanvoertemperatuur van circa 80°C. Vanuit de woning gaat dan een temperatuur van rond 50 -60°C terug naar het warmtestation.

Beide temperaturen zouden lager kunnen zijn, b.v. 60°C aanvoer en rond 30-40°C retour. Maar dat lukt alleen als de woningen b.v. een vloerverwarming of laag temperatuur radiatoren hebben.

Meestal is dan ook een betere woningisolatie nodig. In feite zijn de eisen aan een woning voor een laag temperatuur warmtenet dezelfde als voor een woning die met een warmtepomp wordt verwarmd.

De positieve effecten van reductie van de aanvoertemperatuur zijn:

1. Minder warmteverliezen van het net 2. Meer duurzame bronnen mogelijk

3. Een lager energieverbruik van een eventuele centrale warmtepomp aan de aanbodzijde van het warmtenet (doordat die warmtepomp een lagere afgifte temperatuur heeft en dus een kleiner temperatuurverschil hoeft te overbruggen)

In Figuur 4 is een overzicht gegeven van de generaties warmtenetten. Te zien is dat de 4^e generatie warmtenetten efficiënter zijn (minder warmteverlies) door de lagere temperatuur, maar dat er ook meer verschillende duurzame bronnen mogelijk zijn bij een lagere aanvoertemperatuur. Voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld de inzet van lage temperatuur restwarmte uit industriële processen of bijvoorbeeld uit riothermie, al dan niet in combinatie met een warmtepomp. Als er een warmtepomp wordt gebruikt als warmtebron voor het warmtenet dan resulteert temperatuurverlaging van de toevoertemperatuur ook in een lager energiegebruik. Immers de warmtepomp heeft ook een hogere efficiency (COP) naarmate het temperatuurverschil over de warmtepomp afneemt. M.a.w. laag temperatuur warmtenetten zijn veel makkelijker te voorzien van duurzame bronnen.

Vraagsturing in warmtenetten 16/55 Figuur 4: efficiency generaties van warmtenetten [Lund, 2014]

2.3.4 Een lagere retourtemperatuur

In warmtenetten wordt warm water via leidingen naar de afleverset van gebruikers gepompt. Het stadswarmtewater stroomt door de afleverset en de binneninstallatie van de klant (direct systeem) of er wordt warmte in een warmtewisselaar uitgewisseld tussen het stadswarmtewater en het radiatorwater van de klant (indirect systeem). Door de afname van warmte koelt het

stadswaterwater af. Een issue is dat het water te warm terugkomt.

Een lagere retourtemperatuur heeft de volgende positieve effecten:

1. Reductie warmteverliezen in het net

2. Toename temperatuurverschil over het net (bij gelijkblijvende aanvoertemperatuur) en daardoor reductie van massastroom en pompenergie

3. Meer warmteterugwinning mogelijk uit een lage temperatuur bron

4. Meer duurzame bronnen mogelijk die gekenmerkt worden door een lagere temperatuur.

De hoeveelheid warmte die kan worden afgestaan is evenredig met de massastroom /het debiet in kubieke meter per seconde door het warmtenet maal het temperatuurverschil. Als door afname van de retourtemperatuur het temperatuurverschil toeneemt, dan kan de massastroom/ het debiet afnemen, waarmee het pompverlies afneemt.

Als de retourtemperatuur afneemt dan is er meer warmte uitwisseling mogelijk vanuit een lage temperatuurbron. Dit is als volgt inzichtelijk te maken. Stel het warmtenet gebruikt een

Vraagsturing in warmtenetten 17/55 restwarmtebron van 50 ^oC en een temperatuurtraject in het net van 70- 40 ^oC.Er is dan een temperatuurverschil van 10 ^oC. tussen de ingaande stromen van een warmtewisselaar en de restwarmtebron. Als het nu lukt om de retourtemperatuur naar 30 ^oC te krijgen, dan is het temperatuurverschil van 20 ^oC tussen de ingaande stromen van de warmtewisselaar en de restwarmtebron. Bij gelijkblijvend debiet wordt er dan 2 keer zoveel energie benut uit de bron. In de praktijk zit er een warmtepomp tussen. Dan is het vooral van belang de aanvoer temperatuur te laten dalen waardoor COP toeneemt en totaal thermisch vermogen ook. En daarmee ook benutting van de bron

2.4 Technische maatregelen en afstemming met gebruikers om vraagsturing mogelijk te maken

Deze paragraaf omvat een beschrijving van de maatregelen die genomen moeten worden om de vraagsturing voor elkaar te krijgen. Deze maatregelen zijn opgedeeld in technische maatregelen en gedragsmaatregelen.

2.4.1 Maatregelen peakshaving/loadshifting

Pieken in de warmtevraag kunnen worden gereduceerd door de warmtepiek te reduceren of te voorkomen of te zorgen dat deze verschuift in de tijd (load shifting).

De volgende set aan maatregelen zijn van invloed op de warmtepiek:

Isoleren van woningen

Het isoleren van woningen reduceert de totale vraag en daarmee ook de piek vraag.

Belangrijkste posten hiervoor zijn isoleren van dak, muren, vloeren en isolatieglas.

Gebruik maken van warmte buffering in de woning (of gebouw)

Een woning of gebouw kan warmte opslaan door de thermische massa. Thermische massa is een term waarmee het thermisch accumulerend vermogen van massa wordt aangeduid, oftewel het vermogen om warmte en koude op te nemen, een periode vast te houden in het materiaal en later afhankelijk van de ruimtetemperatuur weer af te geven via het materiaaloppervlak. Een woning of gebouw kan warmte tijdelijk opslaan in muren en vloeren. Het gebruik maken van die buffering via de thermische massa van een woning kan gebruikt worden voor vraagsturing. Voor de piektijd wordt de woning hoger opgestookt, en warmte wordt opgeslagen waardoor tijdens de piektijd geen of minder warmte wordt gevraagd. Met deze maatregel verschuif je de warmtevraag in de tijd. Bij bestaande bouw wordt gebruik gemaakt van de al aanwezige thermische massa, bij nieuwbouw kunnen materialen gebruikt worden die de thermische massa verhogen.

De benodigde maatregelen bestaan uit materiaal gebruik voor muren en vloeren met een hoge thermische massa zoals beton, regeltechniek en een slimme thermostaat om de piek te verschuiven.

Wat betreft afstemming met gebruikers is inzicht nodig in gewenste temperatuurniveaus in de tijd over een etmaal, wat vinden bewoners comfortabel en hoe is dit via vraagsturing te garanderen?

Ook zijn afspraken over de grenzen waartussen die regeltechniek mag bewegen, de regeltechniek vraagt een grotere bandbreedte in binnentemperatuur van de gebruiker. De gebruiker moet toestemming geven om regeltechniek toe te passen en accepteren dat er grotere

binnentemperatuur schommelingen zijn (de binnentemperatuur is wellicht iets lager tijdens de piek).

Installeren lokale warmtebuffers

Vraagsturing in warmtenetten 18/55 Het installeren van lokale warmte buffers in de woning zorgt ervoor dat tijdens de piek de warmte uit de buffers wordt gehaald. Dit systeem vergt beschikbare ruimte bij een gebruiker. Het

installeren van centrale warmtebuffers in het warmtenet is ook mogelijk maar valt buiten de scope van dit project. In dit project kijken we alleen naar vraagsturing bij gebruikers.

De benodigde maatregelen bestaan uit het installeren van een warmtebuffer, bijvoorbeeld een boilervat. Andere technieken voor warmtebuffers zijn bijvoorbeeld PCMs (phase Changing Materials). Ook is regeltechniek nodig die de buffer oplaadt bij weinig vraag en uit de buffer onttrekt tijdens piekvraag. De afstemming met gebruikers zit vooral in het ruimte creëren voor een warmtebuffer in de woning of in het gebouw.

Slimme thermostaat met meerdere zones

Met behulp van goede regeltechniek in huis kan er gezorgd worden dat mensen tijdens de piek (in de ochtend) minder hun huis verwarmen. Een voorbeeld hiervan is zone verwarming in een huis.

Met een CV ketel is dat mogelijk: er is dan geen sprake van een centrale thermostaat, op één centrale plek, maar de diverse radiatorknoppen communiceren met de ketel. Voor de diverse zones in huis kunnen temperatuurprofielen worden ingesteld, voor elke dag in de week. Op deze manier kunnen specifieke zones in het huis afzonderlijk worden verwarmd, zonder dat andere ruimtes onnodig verwarmd worden. Dit systeem is ook mogelijk bij een warmtenet.

De benodigde maatregelen bestaan uit een regelsysteem in de woning (een slimme thermostaat), aanstuurbare radiatorknoppen en mogelijk ook koppeling met de afleverset.

De afstemming met gebruikers bestaat met name uit voorlichting over de mogelijkheden van een slimme thermostaat. Een gebruiker kan de regeling zelf instellen.

Een slimme thermostaat zou ook zelflerend moeten zijn, wat betekent dat de opstarttijd voor het verwarmen wordt afgestemd op wat nodig is. Verder kan een slimme thermostaat gebruik maken van een weersafhankelijke regeling, zodat de verwarming wordt afgestemd op de

weersverwachting.

Bewust stoken

Een mogelijkheid voor vraagsturing is proberen te realiseren dat mensen ’s ochtends hun huis minder verwarmen, bijvoorbeeld alleen de woonkamer opwarmen, tot bijvoorbeeld maximaal tot 19 graden. Ook het constant verwarmen van de woning, dus geen nachtverlaging of dagverlaging toepassen, kan ochtend en avond pieken reduceren.

Gedragsverandering

Om ochtend en avondpieken bij opwarming van de woning te voorkomen kan aan mensen worden gevraagd op andere wijze te stoken, of op andere tijden tapwater te gebruiken. Dit vraagt om gedragsverandering. Met behulp van variabele tarieven of informatievoorziening kunnen mensen hierin gestimuleerd worden.

Variabele tarieven

Ook zonder regeltechniek kun je gebruikers stimuleren om minder in de piek te stoken,

bijvoorbeeld via variabele tarieven. De benodigde maatregelen zijn dan een tariefstructuur met variabele tarieven en een systeem dat gebruikers informatie geeft over die tarieven. Variabele tarieven kunnen gecombineerd worden met regeltechniek die de vraag stuurt binnen een bepaalde bandbreedte (bij automatische feedback). Met gebruikers moet dan worden afgestemd binnen welke bandbreedte regeltechniek mag sturen op variabele tarieven en de mogelijkheid om de standaard regeltechniek te overrulen. Een variabel tarief is hierbij alleen een incentive om iets te doen. De mogelijkheden om dit te bereiken staan in de eerder genoemde alinea’s.

Vraagsturing in warmtenetten 19/55

2.4.2 Maatregelen lage retour temperatuur

Waterzijdig inregelen

Met behulp van waterzijdig inregelen kan de retourtemperatuur vanuit woningen of gebouwen worden verlaagd. Veel gebouw/woninginstallaties zijn niet goed “waterzijdig ingeregeld”. Hiermee wordt bedoeld dat elke radiator in de woning of het gebouw zodanig wordt afgesteld dat de retourtemperatuur minimaal een bepaald temperatuurverschil heeft t.o.v. de

aanvoertemperatuur. De waarde van dit temperatuurverschil is in de regel 15-20°C. De warmte wordt geleverd via dit temperatuurverschil. Vaak zijn radiatoren op een te snelle doorstroming afgesteld waardoor het temperatuurverschil te klein is. Gevolg is dat meer flow nodig is om toch voldoende warmte over te dragen. Dit heeft de volgende gevolgen voor het warmtenet: een hogere flow en een hoge temperatuur van zowel de aanvoer- als de retourleiding, dus veel warmte- en pompverlies voor het gehele net. Het inregelen van radiatoren is relatief eenvoudig maar vereist wel deskundigheid en meetapparatuur. Daarnaast is het duur omdat het lang duurt om elke radiator apart door een installateur te laten in regelen. Om die reden wordt dit vaak niet of niet goed gedaan. Vaak is het zo dat warmtebedrijven in hun leveringsvoorwaarden een

retourtemperatuur van bijv 50 graden eisen voor de binnenstallaties. Dit wordt zoals gezegd vaak niet gehaald.

De benodigde maatregelen zijn dus het waterzijdig inregelen door een expert. De afstemming met gebruikers bestaat uit voorlichting om hen bewust te maken van de voordelen van waterzijdig inregelen. Gebruikers zouden hierin kunnen worden ontzorgd door collectief in te kopen en een aanbod via de warmteleverancier. In de tariefstructuur zouden prikkels kunnen worden in

gebouwd om een lage retourtemperatuur te stimuleren. Dit kan door boetes op te leggen bij een hoge retour temperatuur of juist een bonus te geven bij een lage retour temperatuur.

2.4.3 Maatregelen lage aanvoer temperatuur

Vanuit de woning installatie geredeneerd zouden de meeste warmtenetten op een lagere aanvoertemperatuur dan 80°C kunnen draaien. Een zeer goed geïsoleerde woning met vloerverwarming zou al voldoende hebben aan 30-35°C aanvoer. Echter, de meeste bestaande woningen met label C en slechter hebben in de regel een radiator verwarmingssysteem dat in de piek wintersituatie (buiten -10°C) behoefte heeft aan ca. 80°C aanvoer. Omdat het in de winter maar enkele dagen zo koud is (in de nacht), kan een warmtenet de meeste dagen in de winter op een lagere temperatuur de warmte aanvoeren. Vaak zal 65-70°C ook al voldoende zijn om woningen goed op temperatuur te kunnen houden. De mogelijkheden voor een lagere

aanvoertemperatuur hangen sterk samen met de mate waarin de woningen zijn geïsoleerd (dubbel glas, schilisolatie, ventilatiesysteem) en het effectief oppervlak van de radiatoren (hoe meer oppervlak, hoe lager de mogelijke temperatuur). Een lage temperatuurnet is slechts mogelijk als de woningen b.v. een vloerverwarming of laag temperatuur radiatoren hebben en goed geïsoleerd zijn. Daarnaast is het belangrijk dat het temperatuurniveau van aan het warmtenet aangesloten woningen vergelijkbaar is: immers de afnemer met de hoogste temperatuurvraag bepaalt de vereiste temperatuur van het warmtenet. Als er één klant tussen zit die nog hoog temperatuur radiatoren heeft, dan moet het gehele net op een hoge temperatuur draaien. Met als kanttekening dat cascaderen (dus goed geïsoleerde woningen aansluiten op de retourleiding van een hoog temperatuur net) ook mogelijk is. Dit cascaderen gebeurt dan met een aantal woningen tegelijk achter een onderstation. De onderstaande maatregelen moeten bij voorkeur in combinatie met elkaar genomen moeten worden, zodat een lagere aanvoertemperatuur mogelijk is.

Warmteafgifte systeem aanpassen

De benodigde maatregelen bestaan uit het geschikt maken van de warmteafgiftesystemen voor lage temperatuurverwarming. Dat kan door het vergroten van het verwarmingsoppervlakken, bijvoorbeeld door een enkele radiator vervangen door een dubbele of door radiatoren uit te

Vraagsturing in warmtenetten 20/55 rusten met ventilatoren. Door een ventilator op de radiator te plaatsen wordt de warmtecapaciteit van de bestaande radiator verhoogd. Een optie is het plaatsen van radiatoren/convectoren die speciaal zijn ontwikkelend voor lage temperatuur. Met vloer- wand- of plafond verwarming kan een zeer groot warmtewisselend oppervlak worden gecreëerd, waarmee bij lage temperatuur

verwarmd kan worden. Dit is de meest ingrijpende oplossingen in geval van renovatie. De afstemming met gebruikers betreft deze aanpassingen in het afgiftesysteem. Vergroten van radiator oppervlakken heeft de minst impact. Voor het aanleggen van vloer en wandverwarming is een ingrijpende en dure verbouwing nodig

Isoleren van woningen

Bij een lagere aanvoertemperatuur moet de woning worden geïsoleerd voor een behaaglijk gevoel en voor haalbare groottes van warmte uitwisselende oppervlakken

Tocht vrij maken van woningen

Verlagen van de radiatortemperatuur heeft gevolgen voor het ervaren comfort. Koude oppervlakken (ramen en gevelwanden) gaat men meer “voelen”. Daarnaast vindt de ventilatie meestal plaats via raamroosters en de inkomende lucht wordt normaal gesproken “voorverwarmd”

via opstijgende warme lucht van de radiatoren. Als de radiatoren een minder hoge temperatuur hebben, wordt dit effect kleiner en wordt de luchtstroom eerder als koude tocht ervaren. Dit is b.v.

een bekend verschijnsel in woningen die overgaan van radiatorverwarming naar vloerverwarming maar verder niets veranderen. Bewoners vinden de warme voeten behaaglijk, maar ervaren het geheel als onbehaaglijker en zetten de verwarming soms wel 2 graden hoger dan voorheen om het even behaaglijk te hebben.

Lokale tapwateroplossingen

Als wordt overwogen om een warmtenet op een nog lagere aanvoertemperatuur te bedrijven, b.v.

40°C, dan zijn in de woning maatregelen nodig voor het leveren van voldoende en veilig warm tapwater. Lokale oplossingen voor tapwater zijn: een boiler met elektrische naverwarming, een zonneboiler met elektrische naverwarming of een warmtepompboiler. Een bijkomend voordeel van lokale tapwateroplossingen is dat de warmtevoorziening van het net in de zomer, wanneer er geen warmte nodig is, afgeregeld kan worden, waarmee er voor een groot deel van het jaar minder warmteverliezen optreden. In verband met voorkomen van corrosie zal er wel doorstroming aanwezig moeten zijn in het net, ook mag het temperatuurverschil door afwisselend opwarmen en afkoelen niet te groot zijn in verband met scheurvorming in het leidingennet.

Vraagsturing in warmtenetten 21/55

3 Mogelijkheden voor vraagsturing

Er zijn verschillende mogelijkheden voor vraagsturing in warmtenetten. We beschrijven deze mogelijkheden in dit hoofdstuk en verwijzen daarbij naar concrete voorbeelden in de praktijk. Een concept voor vraagsturing kan verschillende bouwstenen bevatten die met elkaar worden

gecombineerd. Bouwstenen kunnen op verschillende manieren worden ingezet met een ander effect op de warmtevraag (zie tabel 3-1).

Tabel 3-1 Mogelijkheden vraagsturing en het beoogd effect op de warmtevraag Mogelijkheden

vraagsturing

Beoogd effect op de warmtevraag vraagzijde Peakshaving en

loadshifting

Energiebesparing Lagere

retourtemperatuur Variabele

tarieven/tariefstructuur

piek/dal tarieven hogere GJ prijs. Lager vastrecht

bonustarieven of afrekenen op debiet (bevordert uitkoeling) Smart Home

Technologies

gebouwmassa als opslag

stookprogramma instellen, niet stoken bij afwezigheid Regeltechniek

warmtenet

gebouwmassa als opslag

stroomsnelheid verlagen, waardoor uitkoeling verbeterd Buffer in de woning boiler als buffer

Communicatie advies geen nachtverlaging koude winterdagen

voorlichting over isolatie en zuinig stoken

feedback geven over retourtemperatuur, advies over

waterzijdig inregelen

Ontzorgen gezamenlijke inkoop

energiebesparing, hulp bij

subsidieaanvragen

gezamenlijke inkoop waterzijdig inregelen

In dit hoofdstuk worden de verschillende onderdelen uit deze tabel besproken. Besloten is binnen het project geen onderzoek te doen naar verlaging van de aanvoertemperatuur, omdat dit onderdeel is van onderzoek in thema 2 van Warming Up. Daarnaast valt het verlagen van de aanvoertemperatuur ook onder “energiebesparing”. Als je woningen binnen een warmtenet beter gaat isoleren, is het heel logisch om ook een lagere aanvoertemperatuur als doel mee te nemen.

3.1 Variabele tarieven

Variabele tarieven kunnen op verschillende manieren worden ingezet afhankelijk van het beoogde effect op de warmtevraag.

Variabele tarieven in de tijd: piek/daltarieven

Variabele tarieven in de tijd, een onderscheid tussen piek en dal tarieven kunnen worden gebruikt voor loadshifting, het verschuiven van de warmtevraag van piek naar daluren. Er zijn ons geen praktijkcases bekend waar in warmtenetten variabele tarieven op die manier worden ingezet.

Vraagsturing in warmtenetten 22/55 Er zijn in theorie verschillende type variabele tarieven mogelijk en voor elektriciteit is daar ook al onderzoek naar gedaan. Hoofdstuk 6 geeft daarvan een overzicht. Uit pilots met variabele tarieven voor elektriciteit (Neuteleers, Mulder, Hindriks, 2017) weten we dat variabele tarieven het beste werken als er wordt gewerkt met voorspelbare tijdsblokken van niet te korte tijdsspanne.

Bijvoorbeeld piek tarief van 7 tot 9 uur in de ochtend en 17 tot 20 uur in de avond. Met behulp van variabele tarieven wordt beoogd het gedrag van bewoners te sturen. Het gewenste effect is dat de bewoners zelf hun gedrag aanpassen en het tijdstip van de verwarming van hun huis of hun tapwater gebruik aanpassen gestuurd door de energietarieven. Uit pilots met variabele tarieven voor elektriciteit blijkt dat bewoners die aanpassing van hun energiegebruik liever geautomatiseerd willen hebben dan dat ze zelf handmatig reageren op variabel tarieven (zie hoofdstuk 5). Er wordt dan regeltechniek ingezet die stuurt aan de hand van tariefinformatie en ingrijpt in de

warmtevoorziening van de woning. In dat geval worden variabele tarieven gecombineerd met regeltechniek. Dat kan regeltechniek zijn die wordt gestuurd door de gebruiker (zie paragraaf 3.2) of regeltechniek gestuurd door de warmteleverancier (zie paragraaf 3.3).

Bij vraagsturing via regeltechniek aangestuurd door de warmteleverancier kunnen variabele tarieven ook worden gebruikt om de baten van vraagsturing te verdelen tussen de

warmteleverancier en de gebruiker.

Andere tariefstructuur: hogere GJ prijs/lager vastrecht

Naast variabele tarieven in de tijd, kan ook gedacht worden aan een variabele tariefstructuur.

Wanneer gebruikers kunnen kiezen voor een hoger GJ tarief en een lager vastrecht wordt het voor hen interessanter om energie te besparen. Stadsverwarming Purmerend doet dat in de pilot spaarzaam: https://www.stadsverwarmingpurmerend.nl/proef-spaarzaam/ De warmteprijs is 33 euro per GJ in plaats van 26 euro per GJ, de gebruiker krijgt 33 euro korting op de variabele kosten en het vastrecht is 290 euro in plaats van 410 euro per jaar. Aan de pilot hebben 500 gebruikers meegedaan. Stadsverwarming Purmerend heeft circa 28 duizend aansluitingen. Het aantal

gebruikers dat meedoet is dus circa 2%. Stadsverwarming Purmerend krijgt positieve reacties op de proef, ze gaan ermee door in 2021 en denken het aantal gebruikers dat voor deze tariefstructuur kiest uit te breiden tot 1000. Er zijn enquêtes gehouden onder de gebruikers, de resultaten daarvan zijn nog niet bekend.

Afrekenen op debiet of een bonus voor een lagere retourtemperatuur

Als de vraagsturing zich richt op een lagere retourtemperatuur in het warmtenet is het mogelijk om af te rekenen op het warm water debiet in plaats van de warmte. Daarmee wordt het voor een gebruiker aantrekkelijker om zoveel mogelijk uit te koelen en te zorgen voor een zo laag mogelijke retourtemperatuur. De gebruiker kan dat doen door waterzijdig inregelen.

Wat is waterzijdig inregelen? Bij een verwarmingsinstallatie die niet goed afgesteld is, worden niet alle radiatoren gelijkmatig warm. De radiator het dichtst bij de cv-ketel (of afleverset van de stadsverwarming) zit, krijgt snel en veel warm water welke niet goed wordt afgegeven terwijl de radiatoren het verst verwijderd van de cv-ketel onvoldoende warm worden. Ruimtes worden niet aangenaam warm, waardoor gebruikers meer gaan stoken. Waterzijdig inregelen betekent dat het systeem wordt uitgebalanceerd. Door de radiatoren te voorzien van speciale radiatorknoppen stroomt er altijd de juiste hoeveelheid water door het systeem en worden alle verwarmde ruimtes aangenaam warm. Daarbij voorkomt de gebruiker dat de cv-ketel piekprestaties levert, bespaart op zijn verwarmingskosten (bron: Waterzijdig inregelen cv-installatie | Meer comfort | Feenstra).

Gasunie is van plan in haar WarmtelinQ transportleiding in Zuid Holland op debiet af te rekenen (bron: https://www.youtube.com/watch?v=nswGOD0-6iE). In het warmtenet van Hamburg gebeurd dat al vele jaren. Tijdens een studiereis van Stichting Warmtenetwerk waren verschillende warmtebedrijven onder de indruk van de goede resultaten in het warmtenet van Hamburg.

Mogelijk gebeurd dit ook in Kopenhagen.

Vraagsturing in warmtenetten 23/55 Een andere optie is een bonus tarief te geven voor een lagere retourtemperatuur. In Roskilde in Denemarken gebeurt dat sinds 2003. Gebruikers die een verschil tussen aanvoer en

retourtemperatuur realiseren van meer dan 35 °C krijgen een lager warmtetarief en gebruikers die een verschil hebben lager dan 30 °C krijgen een hoger warmtetarief. Voor introductie van dit tarief was het verschil tussen aanvoer- en retourtemperatuur gemiddeld 28,5 °C, na introductie is dat verbeterd naar 35 °C. Het mogelijk te realiseren temperatuurverschil moet hierbij wel worden gezien in relatie tot de aanvoertemperatuur, hoe hoger de aanvoertemperatuur hoe groter temperatuurverschil er mogelijk is: immers bij 90°C- 55°C is mogelijk, 50°C- 15°C is niet mogelijk . Bij introductie van het bonus tarief heeft de warmteleverancier feedback gegeven aan gebruikers over hun verschil tussen aanvoer en retourtemperatuur. Ook is er voorlichting gegeven over hoe het bonustarief werkt en hoe gebruikers de retourtemperatuur kunnen verlagen, namelijk door het waterzijdig laten inregelen van het CV systeem door een installateur. Omdat het waterzijdig inregelen van het CV systeem in woningen niet behoort tot de business van de warmteleverancier is ook een tweedaagse cursus georganiseerd voor installateurs en loodgieters. Van de 6500 klanten hielden 1000 klanten hetzelfde tarief, kregen 1000 klanten een lager tarief (gemiddeld 133 euro lager) en betaalden 4500 klanten een hoger warmtetarief (gemiddeld 115 euro meer). Uiteindelijk bleken er ook gebruikers te zijn die hun retourtemperatuur niet konden verbeteren, zij kregen vrijstelling aangeboden. (bron: https://www.veks.dk/en/focus/introduction-of-incentive-tariffs)

3.2 Smart home technology

Met deze technologie wordt op basis van een sturing met een slimme thermostaat in de woning de warmtevraag gereduceerd. Basis is dat met behulp van de feedback van het systeem de gebruiker zijn stookgedrag aanpast. Hierbij is er een verbinding met internet noodzakelijk en een slimme meter.

Hiervoor zijn diverse varianten mogelijk: Met deze thermostaat kan een weekprogramma ingesteld, dit kan voor één ruimte zijn of voor verschillende ruimtes. Er kan een personen detectie opzitten, waarbij de verwarming uitschakelt als er niemand in de woning is. De thermostaat kan zelflerend zijn, waarbij hij door opwarmgedrag van de woning op tijd begint met opwarmen, gecombineerd met weersafhankelijke regeling. De thermostaat kan ook verbonden zijn met een app, waardoor de verwarming op afstand bestuurbaar is door de bewoner. Ook kunnen er met Smart home

technology naast ruimteverwarming ook meerdere andere apparaten slim worden aangestuurd, bijvoorbeeld het laden van een warmwaterboiler of het opladen van de elektrische auto op het moment dat de zon schijnt. Bij smart home technologies gebeurt de sturing door de gebruiker zelf.

Figuur 5: voorbeeld slimme thermostaat Evohome van Honeywell per ruimte regelbaar

Een voorbeeld van een slimme thermostaat is de Toon . Die thermostaat is ook ingezet door Eneco bij hun pilot met slimme warmte. (https://www.eneco.nl/energieproducten/slimmewarmte/hoe- werkt-slimmewarmte/). In deze pilot worden gebruikers gevraagd via de klokthermostaat van Toon

Vraagsturing in warmtenetten 24/55 hun verwarming met een weekprogramma in te stellen. De Toon werkt samen met een

warmteregelaar die de stroomsnelheid van warm water dat wordt geleverd aanpast aan de vraag waardoor ook de retourtemperatuur daalt. Hierbij wordt smart home technologie dus

gecombineerd met regeltechniek. De technologie wordt getest bij 250 gebruikers in de wijk Leidsche Rijn.

Uit Deens onderzoek is naar voren gekomen dat vraagsturing in combinatie met Smart Home Technology niet altijd gedragsverandering teweeg brengt. Onderzoek naar de toepassing van smart home technologie in warmtenetten in Denemarken (21 cases) maakt onderscheid tussen

gedecentraliseerde controle (controle volledig bij de gebruiker), gecentraliseerde controle door de warmteleverancier, en automated control. Het onderzoek laat zien dat wanneer controle door de gebruiker wordt toegepast, gericht op zowel vraagsturing als het verbeteren van comfort er het risico ontstaat dat beiden niet worden bereikt. Toepassing van smart home technologie leidt namelijk in genoemd onderzoek niet tot een lagere energievraag of verschuiving van de

energievraag. Vraagsturing lukt alleen wanneer sturing plaats vindt door de warmteleverancier of automated control. Tegelijkertijd is het nodig gebruikers te betrekken bij vraagsturing omdat de dagelijkse praktijk de vraagsturing teniet kan doen wanneer gebruikers workarrounds vinden om automatic control te omzeilen (Larsen et al, 2019: Smart home technology enabling flexible heating demand).

3.3 Regeltechniek

Regeltechniek voor peakshaving en loadshifting

Regeltechniek kan worden gebruikt om de warmtevoorziening te sturen. In de literatuur wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen decentrale sturing door de gebruiker, centrale sturing door de warmteleverancier of automatische sturing (Larsen et al, 2019)). Als er sprake is van decentrale sturing door de gebruiker dan is er sprake van smart home technology (zie paragraaf 3.2). Bij centrale of automatische sturing wordt de regeling aangetuurd of ingeregeld door de

warmteleverancier. Bij centrale sturing gebeurt dat door het warmtebedrijf, automatische sturing door een algoritme in de regeling.

Een voorbeeld hiervan is de Storm controller. De Storm controller maakt gebruik van de

warmteopslag capaciteit van de gebouwmassa. De muren, vloeren, plafonds en het interieur van de gebouwen slaan energie op bij verwarming. Deze energie kan worden gebruikt om het thermisch comfort binnenshuis te behouden, vooral tijdens de ochtend- en avondpiek, in plaats van energie uit het netwerk te halen. Dit helpt de algehele piekbelasting op het warmtenet te verminderen, wat resulteert in besparingen in kosten en emissies.

De STORM-algoritmen hoeven slechts één keer aan het begin te worden geactiveerd, meestal samenvallend met het begin van het verwarmingsseizoen, of wanneer de serviceprovider dit nodig acht. Daarop werkt de controller autonoom totdat hij om de een of andere reden handmatig wordt onderbroken door de systeembeheerders. Deze eenmalige activering betekent het 'go'-signaal dat aan het algoritme wordt gegeven om de berekeningen te starten en het systeem optimaal te besturen. De regeltechniek doet zijn werk tijdens de piek. Meestal zijn er twee pieken per dag, één 's ochtends en één 's avonds, die elk 2 tot 4 uur duren. De regeltechniek werkt autonoom en maakt gebruik van artificial intelligence om op basis van de gemeten data te leren hoe gestuurd kan worden. De regeltechniek kan sturen door de temperatuursensor van de buitentemperatuur in een gebouw te overrulen. Door aan het systeem bijvoorbeeld een hogere buitentemperatuur door te geven, wordt het verwarmen uitgesteld. Deze regeling maakt gebruik van de thermische massa van een gebouw binnen de grens dat de temperatuur niet meer dan een halve graad af mag wijken. De gebruiker ondervindt hierdoor geen comfortverlies en hoeft zijn gedrag niet aan te passen.

Vraagsturing in warmtenetten 25/55 De STORM-controller is een data gestuurd systeem. De controller beheert het systeem proactief door 'day ahead'-voorspellingen te doen over de evolutie van de vitale parameters van het

stadsverwarmingsnetwerk. Met behulp van deze voorspellingen creëert het algoritme een optimale route voor de vitale parameters van het systeem die de vervulling van de controledoelstelling mogelijk maken, en probeert het deze in die richting te sturen.

Uiteraard zijn day-ahead-voorspellingen vatbaar voor fouten als gevolg van onzekerheden, en daarom berekent het algoritme een koerscorrectie die real-time reageert op de laatste metingen van verschillende delen van het systeem. STORM gebruikt data gestuurde modellen voor de bouwfysica per gebouw om de beschikbare flexibiliteit van elke dag vooruit en in real time te kwantificeren, en de mogelijke impact van controlemaatregelen op het binnenmilieu. Deze modellen zijn zelflerend en adaptief en worden automatisch bijgewerkt met de meest recente metingen. Dit is belangrijk omdat het thermische gedrag van de gebouwen kan veranderen met veranderende bewoners, structurele veranderingen in de gebouwen, renovaties enz. Deze modellen zijn in staat om vooraf de beschikbare flexibiliteit in elk gebouw te voorspellen. Om te allen tijde een hoge nauwkeurigheid van berekeningen te garanderen zonder menselijke tussenkomst, moeten algoritmen adaptief zijn.

Dit opent de mogelijkheid om de belastingcurve in de loop van de tijd af te vlakken door het gebouw vóór de pieken op te laden en de gebouwen tijdens de piek te ontladen, vergelijkbaar met hoe een opslagtank zou worden bediend. Om dit te bereiken wordt het controledoel gewijzigd van peak shaving naar load shifting.

De Storm controller is ook getest in een warmtenet in Rottne in Zweden en in het Mijnwater project in Heerlen. De controller wordt toegepast in grote gebouwen bij de 10 grootste warmtevragers in het net. De piekvraag in die pilots daalde met ca. 12%.

(https://www.energyville.be/en/storm-controller). De STORM controller wordt dus niet toegepast bij woningen. Het is efficiënter dit te doen bij de grote gebouwen in een warmtenet die een grote warmtevraag hebben.

Ennnatuurlijk heeft de STORM controller als pilot toegepast in hun eigen kantoor en bij de warmtelevering aan een zorglocatie met een eigen lokaal warmtenetje.

In een artikel (Guelpa and Maricioni, 2019-1) van Politecnico di Torino is het effect bepaald van een innovatieve regeling om de piek te reduceren in een stadsverwarmingsnet. Hierbij wordt de aangeboden volumestroom aangepast op basis van de DTR regeling. Dit is een temperatuurverschil regeling over de warmtewisselaar in het warmtenet bij de afnemer. De volumestroom wordt gereduceerd door de toevoerklep van de volumestroom naar de warmtewisselaar in de afleverset langzamer te openen (dus het debiet te verlagen). Dit gebeurt als de temperatuur vanuit de woning laag is en er dus veel warmte nodig is. Een lager volumedebiet toelaten zorgt voor een langzamere opwarming. Met behulp van simulaties is gebleken dat er een maximale piekreductie mogelijk is tot 50% van de piek. De gemiddeld piekreductie bedraagt 15 %. Bij de maximale piekreductie kan het voorkomen dat de gerealiseerde temperatuur achterblijft ten opzichte van de gewenste

temperatuur. Het betreft simulaties dus geen praktijk case

In een ander artikel van Politecnico di Torino [Guelpa and Maricionil, 2019-2] wordt een

experiment beschreven in een warmtenet in Turijn met vraagsturing. Het experiment betreft 32 van de 104 gebouwen in het warmtenet, publieke gebouwen en woningen die toestemming hebben gegeven aan de warmteleverancier. De warmtevraag werd onderbroken gedurende maximaal 20 minuten om een beperkt effect te hebben op de binnentemperatuur. Er zijn drie testen gedaan op dagen met vergelijkbare buitentemperatuur (10 °C). Uit de resultaten blijkt dat er een piekreductie plaatsvindt van 5% tot 10%. En dat terwijl slechts in 30% van de gebouwen vraagsturing plaats vindt onder de restrictie van 20 minuten maximale onderbreking. Als alle