Expert Talk: De ene Joule is de andere niet
We hebben het allemaal graag warm, maar niet te warm, thermisch comfort is dus belangrijk! Om de energietransitie te realiseren op een efficiënte manier is het cruciaal dat de juiste bronnen voor de juiste toepassingen worden ingezet en dat de juiste Joule voor de juiste Joule wordt ingezet. Deze Expert Talk zoomt in op welke mogelijke energiebronnen ingezet kunnen worden om duurzame verwarming en koeling te realiseren in de bebouwde omgeving en in de industrie.
Figuren en nummers
Uit huidige cijfers blijkt dat we thermisch comfort vandaag vooral proberen te bereiken via het verwarmen en koelen van het binnenklimaat. In Europa wordt verwacht dat verwarmen zal afnemen (met 30% tegen 2030) en koeling sterk zal toenemen (met 72% tegen 2030). In Europese huishoudens vertegenwoordigen ruimteverwarming en de productie van sanitair warm water 79% van het finaal energiegebruik (2240 TWh in EU-2016). De tertiaire sector doet er nog 1630 TWh/jaar bovenop voor gebouwverwarming en -koeling. In de industrie gaat 70.6% van het energiegebruik naar ruimteverwarming en proceswarmte (2250 TWh in EU-2016). In gebouwen wordt 75% van de energie gebruikt voor verwarming en koeling nog opgewekt uit fossiele brandstoffen (in de industrie is dat bijna 100%), terwijl slechts 18% haar oorsprong vindt in hernieuwbare energiebronnen (11% vertegenwoordigd door biomassa (vooral hout), 7% vertegenwoordigd door zon, wind en waterkracht via elektriciteit in warmtepompen of weerstandsverwarming). Het hoeft geen verder betoog dat decarbonisatie van de productie van warmte en koude aanzienlijk kan bijdragen tot een reductie in broeikasgassen en een toename in het aandeel hernieuwbare en residuele energiebronnen.
Maar de ene Joule is de andere niet!
Beetje achtergrond. Volgens de eerste hoofdwet van de thermodynamica gaat energie nooit verloren, we kunnen dus geen energie vernietigen en ook geen extra energie creëren. Toch kan er iets wijzigen bij energieomzettingen, namelijk de kwaliteit van energie. Hiervoor bestaat het begrip exergie, wat in eenvoudige termen een maat is voor de kwaliteit van energie. Bij thermische energie bijvoorbeeld, bepaalt de temperatuur waarop warmte/koude beschikbaar is, deze kwaliteit en dus ook het nut van een energiewisseling.
De thermodynamische definitie van Exergie is ‘de maximale hoeveelheid arbeid verkrijgbaar uit het systeem wanneer dit in evenwicht wordt gebracht met de omgeving’. Arbeid is de energieoverdrachtsvorm met de hoogste kwaliteit. De exergiefactor wordt gedefinieerd als het arbeidspotentieel van een systeem gedeeld door de hoeveelheid warmte die uit hetzelfde systeem kan worden verkregen.
Voor warmte is die dus afhankelijk van de temperatuur waarop de warmteoverdracht plaatsvindt (T) en de temperatuur van de omgeving (T0), zie figuur 1. Warmte op omgevingstemperatuur heeft geen arbeidspotentieel, m.a.w. de exergiefactor is nul. Met stijgende temperatuur neemt de exergiefactor toe (en nadert één bij oneindig hoge temperatuur). Bij temperaturen lager dan de omgevingstemperatuur stijgt de exergiefactor zeer scherp en nadert oneindig bij nul Kelvin. Koude bij temperaturen beneden de omgevingstemperatuur heeft dus een groot arbeidspotentieel, of omgekeerd: het kost veel arbeid om zeer lage temperaturen te bereiken of in stand te houden.
Figuur 1: Exergiefactor in functie van T/T0, met onderaan toepassingen vanuit de gebouwde omgeving uitgelicht
(Bron De Vaan 2007).
Zoals hierboven vermeld gaat energie nooit verloren maar kan de kwaliteit wel wijzigen, en die vermindert in processen die spontaan verlopen. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica zal de kwaliteit van de totale hoeveelheid energie gelijk blijven of verminderen. Een warmtestroom van een systeem op lage temperatuur naar een systeem op hoge temperatuur zal nooit spontaan kunnen optreden. Om dat te realiseren hebben we arbeid of hogekwaliteitwarmte nodig zoals in een warmtepomp.
Warmte in de bebouwde omgeving
Verbeterpotentieel. De temperatuur van warmtestromen in de bebouwde omgeving zijn meestal dichtbij omgevingstemperatuur en hebben daarom een lage exergiefactor en relatief weinig exergie-inhoud. Theoretisch kunnen deze warmtestromen worden gerealiseerd met weinig arbeid. In de praktijk worden hier echter vaak energiebronnen met een hoge exergiefactor ingezet, zoals aardgas wat bij verbranding leidt tot vlamtemperaturen boven 1000°C. De omschakeling van aardgas naar (groene, dus uit hernieuwbare bronnen opgewekte) waterstof resulteert dan wel in een koolstofvrije variant, maar met de nog hogere vlamtemperaturen bij waterstofverbranding, is het exergieverlies bij inzet voor ruimteverwarming ongeoorloofd groot. De kwaliteit van de gebruikte energie is immers vele malen groter dan de kwaliteit van de benodigde energie. Terwijl de energie-efficiëntie van de gasketel bijna 100% is, is de exergie-efficiëntie voor de warmte die wordt overgedragen naar de ruimte slechts 5%. Er is dus een groot verbeterpotentieel.
Efficiënt en hernieuwbaar. Een betere keuze zijn technologieën voor de productie van lagetemperatuurwarmte, die hoog scoren op vlak van efficiëntie (zowel energetisch als exergetisch) en hernieuwbare energiebronnen inzetten. Zonnecollectoren en warmtepompen (met lucht, grond, grondwater, oppervlaktewater of lagetemperatuur-restwarmte als bron) voldoen hieraan, en vinden hun toepassing vandaag reeds in individuele gebouwen. Zonnecollectoren zijn warmtewisselaars die direct en diffuus zonlicht omzetten in warm water, maar natuurlijk enkel als de zon schijnt. Warmtepompen gebruiken een kleine hoeveelheid hoog-exergetische (groene) elektriciteit om laagwaardige warmte (hernieuwbaar en beschikbaar in de omgeving) op te waarderen tot bruikbare warmte.
Voorbeeld: H2020-project hybridGEOTABS
De prestatie van een warmtepomp is des te beter naarmate de bron op hogere temperatuur is en het afgiftesysteem op lagere temperatuur. GEOTABS systemen, de combinatie van geothermische warmtepompen (GEO) en thermisch actieve bouwstructuren (TABS), zijn hiervan een mooie vertaling. De ondergrond heeft op een diepte tussen 20 en 100 m een relatief constante temperatuur van ongeveer 10°C, wat in de winter hoger is dan de buitenluchttemperatuur. TABS hebben een groot warmtewisselend oppervlak waardoor de temperatuur voor verwarmen relatief laag mag zijn. In de winter werkt de warmtepomp in een GEOTABS-systeem dus met een hoge COP (coefficient of performance = afgegeven warmte per eenheid elektrische input). Maar ook in de zomer kunnen we koelen met heel hoge EER (energy efficiency rate = koude (of opgenomen warmte) per eenheid elektrische input) omdat na een winter de ondergrond voldoende gekoeld is zodat directe koeling via een warmtewisselaar mogelijk is. Daardoor wordt er weer warmte in de bodem geïnjecteerd en is de ondergrond na de zomer weer opgewarmd zodat de warmtepomp in de winter opnieuw met een hoge COP kan werken. De ondergrond doet dus dienst als seizoensopslag. Indien de temperatuur van de ondergrond tijdens de zomer te fel toeneemt (bij hoge koelvraag), kan na een tijd worden overgeschakeld op actief koelen, wat betekent dat de warmtepomp als koelmachine wordt geschakeld, zie figuur 2.
Figuur 2: De warmtestromen in een GEOTABS systeem voor drie regimes: verwarmen, direct koelen, actief koelen.
De TABS bestaan typisch uit een betonstructuur waarin watervoerende buizen zijn ingebed, wat resulteert in een grote thermische inertie. Daardoor kan een TABS-systeem niet snel reageren op storingen in het gebouw en moeten we zoveel mogelijk anticiperen, alsook een supplementair systeem voorzien om de snelle variaties op te vangen, vandaar hybridGEOTABS. De aansturing van dit hybride systeem vraagt een andere aanpak dan de conventionele regel-gebaseerde kamerthermostaat (Rule Based Control – RBC). Hiervoor hebben we white-box modelgebaseerde voorspellende regeling (Model Predictive Control – MPC) ontwikkeld binnen het EU-H2020-hybridGEOTABS project. White-box refereert naar het regelaarmodel dat fysisch-gebaseerd is. MPC lost een optimalisatieprobleem op over een gekozen tijdshorizon door een kostfunctie te minimaliseren, bijvoorbeeld het energiegebruik van het gebouw, door de regelvariabelen van het gebouw, bijvoorbeeld de frequentie van de pomp, optimaal te kiezen. Hierbij wordt beroep gedaan op het white-box model van het systeem en voorspellingen van de storingen. Daarnaast kunnen een aantal beperkingen, zoals een minimale en maximale zonetemperatuur opgelegd worden. Via diezelfde MPC kan ook de inherente flexibiliteit van thermische systemen (typisch warmtepompen in combinatie met thermische energieopslag) geëxploiteerd worden. Dit gebeurt dan door in te spelen op variabele energieprijzen, waarbij de kostfunctie de operationele kost is. De resultaten zijn veelbelovend. Figuur 3 toont dat de besparing in elektriciteitsgebruik voor de warmtepomp in een GEOTABS gebouw bij gebruik van MPC aanzienlijk is ten opzichte van de werking met RBC.
Collectief via gebouwclusters. Collectieve inzet van deze technologieën kan een mooie synergie realiseren via doorgedreven systeemintegratie. Zo zou in voldoende dichtbebouwde stadsdelen zonne-energie in de zomer kunnen worden gestockeerd in een centrale thermische seizoensopslag, om dan via een thermisch net van daaruit te worden verdeeld wanneer er vraag is in de winter, al dan niet lokaal opgewaardeerd via warmtepompen. Het spreekt voor zich dat dit een slimme aansturing vraagt, die ook de flexibiliteit kan inzetten om het aandeel hernieuwbare energie en/of restwarmte nog verder te verhogen. Warmtepompen vormen immers de link tussen elektriciteitsvraag en warmteproductie.
Collectief via gebouwclusters. Collectieve inzet van deze technologieën kan een mooie synergie realiseren via doorgedreven systeemintegratie. Zo zou in voldoende dichtbebouwde stadsdelen zonne-energie in de zomer kunnen worden gestockeerd in een centrale thermische seizoensopslag, om dan via een thermisch net van daaruit te worden verdeeld wanneer er vraag is in de winter, al dan niet lokaal opgewaardeerd via warmtepompen. Het spreekt voor zich dat dit een slimme aansturing vraagt, die ook de flexibiliteit kan inzetten om het aandeel hernieuwbare energie en/of restwarmte nog verder te verhogen. Warmtepompen vormen immers de link tussen elektriciteitsvraag en warmteproductie.
Voorbeeld: H2020-project STORM
Een mooi voorbeeld hiervan is het Mijnwater project in Heerlen (NL). Hierbij wordt het water van de oude ondergelopen steenkoolmijn Oranje Nassau III gebruikt als duurzame warmte- en koudebron. Het water dat opgepompt wordt uit vijf bronnen wordt via een ondergronds uitwisselstation en leidingnetwerk getransporteerd naar woonwijken en 9 grote kantoorgebouwen. Momenteel wordt de verdere uitbreiding naar het hele stadsgebied van Heerlen uitgevoerd. De mijnen en het netwerk staan in voor zowel de levering van lagetemperatuurwarmte (28°C) als hogetemperatuurkoude (16°C). De warmte wordt opgepompt uit ondergelopen mijngangen op een diepte van ongeveer 700 m. Water in de hogergelegen mijnplateaus wordt ingezet om te koelen. Verder wordt de restwarmte van gebouwen (b.v. via koeling van een datacenter) maximaal ingezet als bron voor verwarming van andere gebouwen. Warmtepompen in de gebouwen zorgen vervolgens voor het opwaarderen van de warmte naar het juiste temperatuursniveau om gebruikt te worden in de afgiftesystemen.
Binnen het H2020-project STORM, gecoördineerd door EnergyVille, werd een op artificiële intelligentie gebaseerd controlesysteem voor thermische netten ontwikkeld en gedemonstreerd. Het doel van deze controller is om het netwerk operationeel te optimaliseren via actief management van de thermische vraag.
Figuur 4: basisbouwblokken van de STORM Energy District Controller
In het STORM-project werd de nadruk gelegd op het afvlakken van pieken in de warmtevraag door gebruik te maken van energieopslag in de gebouwmassa. Door de warmtevraag van een gebouw tijdelijk te verlagen kunnen (dure) pieken in het warmtenetwerk gereduceerd worden wat voordelen biedt op verschillende vlakken. Door piekreductie immers de capaciteit van het netwerk verhoogd worden. Het netwerk en de warmteproductiesystemen worden immers gedimensioneerd op de piekwarmtevraag, die in ons klimaat slechts sporadisch voorkomt. Door de pieken in de warmtevraag naar beneden te halen, kunnen extra gebouwen aangesloten worden op het netwerk zonder bijkomende investeringen in warmteproductiecapaciteit en/of buizen in de grond.
Figuur 5: Voorbeeld van reductie van pieken in de warmtevraag
In het project STORM werd deze controller ontwikkeld door EnergyVille in samenwerking met het Zweedse bedrijf Noda en gedemonstreerd op twee bestaande netwerken: enerzijds een hogetemperatuurnetwerk uitgebaat door VEAB in Zweden en anderzijds het hogervermelde Mijnwater-project en -netwerk in Heerlen. De behaalde resultaten zijn indrukwekkend. De pieken in de warmtevraag werden gemiddeld met 17,3% gereduceerd en de capaciteit van het netwerk werd met 42,1% verhoogd wat overeenkomt met ongeveer 48.000 extra woningeenheden die aangesloten kunnen worden zonder comfortverlies. Indien deze extra woningen aangesloten worden op deze duurzame warmte- en koudebron uit de ondergrond, dan komt dit overeen met een CO2-emissiereductie van 11,2 kton/jaar. Binnen EnergyVille zetten we dan ook verder in op 4de en 5de generatie warmtenetwerken om de duurzame warmte te verdelen, daarbij geholpen door een doorgedreven digitalisering van warmtenetten).
Warmte in de industrie
Restwarmte. Industriële processen leiden vaak tot restwarmte, die binnen het bedrijf niet meer nuttig kan worden ingezet, en daarom vaak geloosd wordt in de omgeving (oppervlaktewater of lucht) wat leidt tot thermische pollutie (en exergieverlies). Die restwarmte heeft vaak nog de geschikte temperatuur, of kan via een warmtepomp met een hoog (energetisch én exergetisch) rendement opgewaardeerd worden tot de geschikte temperatuur om zinvol ingezet te worden in gebouwen. Sectorkoppeling kan resulteren in de uitwisseling van thermische stromen met een goede match qua exergie-inhoud voor toepassingen waar aanbod en vraag niet te ver van mekaar verwijderd zijn.
Daar waar geen beroep kan gedaan worden op deze nabijheid zou restwarmte lokaal opgewaardeerd kunnen worden tot bijvoorbeeld elektriciteit, via thermo-elektrische materialen (TEM) of via organische Rankine cycli (ORC). TEM maken gebruik van het Seebeck-effect, waarbij een elektrische potentiaal wordt opgebouwd over een reeks halfgeleiders die aan een temperatuurverschil onderworpen zijn. Het temperatuurverschil is de drijvende kracht waardoor dit ook kan werken bij relatief lage temperaturen, wat een sterk punt is, naast laag gewicht, geen bewegende delen, hoge betrouwbaarheid, weinig onderhoud en een modulair en schaalbaar karakter. De rendementen zijn laag (maar dat is minder erg als de bron een reststroom is die anders verloren gaat) en de materialen duur. Het onderzoek focust op die aspecten. Commercialisatie beperkt zich tot ruimtevaarttoepassingen. ORCs zijn lokale kleinschalige elektriciteitscentrales, die gebruik maken van een klassieke Rankine cylus, maar met een organisch werkfluïdum om op die manier bij lagere verdampertemperaturen te werken. Tal van toepassingen zijn te vinden in biomassa-WKK, geothermische energie en valorisatie van restwarmte met temperaturen boven 100°C. Elektrische rendementen dalen van 10% bij 100°C tot 2.6-3.7% bij 60°C.
Voorbeeld: H2020-project Story
Het bouwbedrijf Beneens in Olen heeft geïnvesteerd in een dergelijke ORC-installatie. Het bedrijf beschikt over heel wat houtafval afkomstig van de eigen schrijnwerkerij en om dit houtafval verder te valoriseren werd geïnvesteerd in een houtafvalverbrandingsinstallatie met een thermisch vermogen van 1,6 MW voor warmtelevering aan de eigen gebouwen en processen (de verf- en droogcabines). Gezien het aanbod afvalhout vrij hoog is en de warmtevraag zich vooral in de winter situeert, werd de installatie uitgebreid met een ORC met een netto elektrische output van 90 kW om zelf elektriciteit op te wekken uit de warmte gegenereerd door de verbranding van het afvalhout en zo te voldoen in een deel van de elektriciteitsbehoefte. Om in te spelen op de variërende vraag naar warmte en elektriciteit werd de installatie voorzien van twee grote thermische buffers (twee wateropslagtanks met een capaciteit van respectievelijk 50 m³ en 20 m³). Verder werden ook een aantal ingrepen in het warmte-afgiftesysteem van bepaalde processen gedaan en werd het nieuwe kantoor voorzien van aangepaste convectoren zodat ook de lage-temperatuur restwarmte van de ORC deels gevaloriseerd kan worden. De firma investeerde eveneens in een batterij om een deel van de elektriciteit van de ORC die ’s nachts en in het weekend opgewekt wordt, te kunnen opslaan voor gebruik tijdens pieken in de processen overdag. Het project is één van de demonstratieprojecten binnen het H2020-project Story waarin de focus ligt op het demonstreren van de toegevoegde waarde van energieopslag in distributienetwerken.
Figuur 6: Houtafvalverbrandingsketel (rechts), ORC (midden) en rookgaszuiveringsinstallatie (links) (firma Beneens)
Proceswarmte. Industriële processen vragen vaak hogetemperatuurwarmte, vandaag voornamelijk geleverd via de verbranding van fossiele brandstoffen. Een decarbonisatie van die sector vraagt, naast zoveel mogelijk recuperatie van warmte uit andere processen, koolstofvrije brandstoffen en elektrificatie. Waterstof en groen gas vinden hier dus wel een zinvolle toepassing en worden dan ook best in deze toepassingen ingezet: hogekwaliteitwarmte daar waar het echt nodig is.
Met haar onderzoek rond warmte en koude in de bebouwde en industriële omgeving (zoals hierboven kort toegelicht) onderschrijft EnergyVille de beleidsstrategie zoals uitgewerkt in de Europese Green Deal, met name:
- Focus op energie-efficiëntie, energiecirculariteit en gebruik van afvalwarmte
- Elektrificatie waar kan
- Slechts als laatste stap de inzet van duurzame molecules zoals waterstof
EnergyVille geeft de onderzoeks- en beleidsagenda mee vorm vanuit een integrale systeemaanpak en vult zo de vraag naar onder andere thermische energiediensten op een duurzame manier in. Interesse in een (totaal)oplossing op maat? Neem dan nu contact met ons op!
Key take-aways
De energietransitie zal niet leiden tot het gebruik van één enkele energiebron, we zullen een combinatie van meerdere bronnen nodig hebben. Dan is het cruciaal dat de juiste bronnen voor de juiste toepassingen worden ingezet en dat de juiste Joule voor de juiste Joule wordt ingezet. Exergieverliezen kunnen sterk verminderd worden door warmte/koude van een geschikte kwaliteit (en niet hoger) te produceren of valoriseren. De technologie bestaat en heeft het extra voordeel dat ze een hogere inzet van hernieuwbare en residuele energiebronnen toelaat, wat meteen ook leidt tot lagere CO2-emissies. Hybride en/of collectieve systemen laten meer doorgedreven systeemintegratie toe, eventueel over meerdere energievectoren heen, maar vragen doordachte concepten en een geavanceerde aansturing als integrator.
Referenties:
- The Guardian, 2015, World set to use more energy for cooling than heating, https://www.theguardian.com/environment/2015/oct/26/cold-economy-cop21-…. [Accessed January 2020]
- European Commission “Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions on an EU Strategy for Heating and Cooling”, European Commission, Brussels, Tech. Rep., 2016.
- Fleiter T., Alsland R., Rehfeldt M., Steinbach J., Reiter U., Catenazzi G., Jakob M., Rutten C., Harmsen R., Dittmann F., Riveire P., Stabat P., EU profile of heating and cooling demand in 2015, Karlsruhe, Germany, Tech. Rep. 2017, http://heatroadmap.eu/output.php. [Accessed January 2020].
- Naegler T., Simon S., Klein M., Gils H.C. (2015). Quantification of the European industrial heat demand by branch and temperature level. International Journal of Energy Research, 39, 2019–2030.
- Christa De Vaan, Wat is duurzaam wonen? Een onderlinge vergelijking tussen verschillende duurzaamheidsindicatoren. Afstudeerwerk TU Eindhoven, 2007.
- EC COM(2020) 299 final ‘Powering a climate-neutral economy: an EU Strategy for Energy System Integration’
Geschreven door prof. Lieve Helsen en Johan van Bael. Lieve Helsen is professor Thermische Systemen binnen de master Werktuigkunde (EnergyVille/KU Leuven). Johan Van Bael is projectmanager en activiteitenleider optimalisatie van thermische energiesystemen bij EnergyVille/VITO. Binnen EnergyVille zijn zowel Lieve als Johan experts in het domein van thermische systemen. Daarbij leggen ze de focus op thermische netwerken, thermische energieopslag en energieconversie in zowel de bebouwde als de industriële omgeving.
