Warmteopslag en koudeopslag

Verhoogde inzet duurzame energiebronnen

Warmteopslag verhoogt de nuttige inzet van warmte. De efficiëntie van hernieuwbare bronnen zoals zonthermie, aquathermie en luchtwarmte is seizoensgebonden. Het rendement is het laagst in de periode met de grootste warmtevraag. Ook basislastbronnen zoals geothermie of restwarmte hebben baat bij warmteopslag. De basislast is de minimale hoeveelheid warmte die een groot deel van het jaar nodig is. Warmteopslag maakt het mogelijk om overtollige warmte tijdelijk op te slaan en te gebruiken op momenten met een hogere vraag. Hierdoor wordt de totale inzet van warmte uit energiebronnen efficiënter, waardoor de exploitatie rendabeler wordt. Dit vergroot de haalbaarheid van grootschalige projecten. 

Opvang piekmomenten

De warmtevraag van een gebouw of een wijk varieert gedurende het jaar. In de winter is er een relatief kortstondige piekvraag. Ook voor bronnen die het hele jaar warmte leveren, zoals geothermie of restwarmte, is het niet altijd verstandig om de warmtebron zo groot te maken dat deze het maximale piekvermogen aan warmte levert. Economisch gezien is het verstandiger om een bron te kiezen voor het grootste deel van het basislastvermogen. Voor de piekvraag in de winter gebruik je een piekvoorziening, zoals een opslagsysteem. Gedurende het hele jaar dient de warmteopslag als back-up.

Energiesysteem optimaliseren

Warmteopslag kan het energiesysteem optimaliseren, door overtollige elektriciteit om te zetten in warmte (sectorintegratie). Je kunt de opslag voordelig ‘laden’ met een warmtepomp wanneer er een overschot aan goedkope, hernieuwbare elektriciteit is. Die warmte kun je gebruiken zodra er weinig aanbod is en de elektriciteit schaars en duur is. Toenemende fluctuatie van aanbod uit duurzame energiebronnen en negatieve elektriciteitsprijzen kunnen interessant zijn voor een positieve businesscase. Het opslaan van warmte met elektriciteit of het omzetten van elektriciteit naar warmte, kan helpen tegen netcongestie. De energieproducent kan zijn stroom kwijt en de netbeheerder hoeft mogelijk het net niet te verzwaren.

Bij kortetermijn-warmteopslag wordt warmte voor enkele uren tot enkele weken opgeslagen en bij seizoensopslag enkele weken tot maanden. Deze verschillende typen warmteopslag zijn inzetbaar in de gebouwde omgeving en kunnen elkaar aanvullen. De kortetermijnopslag kan gebruikt worden voor tapwaterbereiding en de seizoensopslag voor ruimteverwarming in de winter. 

Seizoensopslag

Seizoensopslag vindt vooral plaats in de bodem en wordt grootschalig toegepast. 

WKO’s en GBES (bodemenergie)

De meest voorkomende methode voor seizoensopslag in Nederland is in watervoerende lagen in de ondiepe grond (aquifers). Warmtekoudeopslag (WKO) is de meest voorkomende vorm. Een WKO zit meestal tussen de 50 en 250 meter diep, en slaat water van maximaal 25°C op. Warmte is ook ondergronds op te slaan met gesloten leidingsystemen (GBES). Dit zijn meestal verticale boringen tot een diepte van 100 tot 250 meter. Beide systemen gebruiken de omgevingswarmte en de buffercapaciteit van de bodem om in de winter warmte en in de zomer koude te kunnen leveren.

WKO's worden toegepast bij utiliteitsgebouwen of grote appartementencomplexen, en GBES bij individuele woningen of kleine gebouwen. Deze systemen opereren jaarlijks in balans (onttrokken warmte even groot als toegevoegde warmte) of hebben een netto koude-overschot (onttrokken warmte groter dan toegevoegde warmte). WKO's kunnen worden ingepast in (ZLT-)warmtenetten, waarin warmte gewonnen met behulp van andere lokale bronnen grootschaliger wordt opgeslagen in de bodem. Een dergelijke opzet zorgt ervoor dat ook bestaande wijken potentieel van het gas af kunnen.      

Opslag in de bodem op hogere temperaturen

Opkomende technieken zijn daarnaast opslag van warmte op midden- en hoge temperatuur (MTO en HTO). Deze systemen werken volgens dezelfde technische principes als WKO’s. Dit soort systemen slaan hoogwaardige warmte tot wel 90°C op. Deze warmte wordt gewonnen met andere bronnen, zoals geothermie of restwarmte. 

Overige opslagmogelijkheden in de bodem of aan het oppervlak

Andere mogelijkheden om de omgevingswarmte en buffercapaciteit van de bodem te gebruiken, zijn oude mijngangen en cavernes (holtes in de bodem). Deze zijn erg locatiespecifiek, zoals oude mijngangen in Zuid-Limburg. WarmingUPGOO onderzoekt de mogelijkheden van opslag in cavernes. Ook aan of net onder het oppervlak is seizoensopslag mogelijk, namelijk in opslagvaten, tanks of kuilen. Bij ondergrondse opslag in water is de ruimtelijke impact kleiner dan bij bovengrondse tanks. Er is al snel een inhoud van 25 tot 30 m³ per woning nodig, om de grootste piekvraag in de winter op te vangen. Ter vergelijking, een tankopslag voor tapwater is doorgaans 100L (0,1m³) per woning.

Integratie in warmtenetten

Om warmteopslag zinvol in een warmtenet te integreren, moet het temperatuurniveau van de warmteopslag kloppen. Hierbij is de lokale situatie bepalend voor de inrichting van het systeem. Zo is een WKO-systeem logischer bij een lage- of zeerlagetemperatuur-warmtenet (10°C - 55°C) en een MTO of HTO bij een middentemperatuur- (55°C -75°C) of hogetemperatuur-warmtenet (>75°C). In het onderstaande overzicht staan verschillende technieken voor seizoensopslag op verschillende schaal- en temperatuurniveaus:

*In Nederland zien we voornamelijk systemen met een opslagtemperatuur van <30 °C.
**Kan theoretisch ook dieper, maar in de praktijk vaak beperkt door (Nieuwe)Mijnbouwwet.

Korte termijn opslag

Ook voor kortetermijnopslag bestaan meerdere opties. Vaak zijn het geïsoleerde warmwatertanks of warmwatervaten die aan te vullen zijn door verschillende bronnen zoals restwarmte of elektriciteit (elektrodeboilers/Eboilers) met een opslagtemperatuur van <90 °C. Deze zijn geschikt voor individuele woningen, wijken of industrie. Daarnaast kan warmte op korte termijn worden opgeslagen in faseovergangmaterialen (PCM), thermochemische materialen (TCM) en vaste stoffen of gesmolten zouten in geïsoleerde opslagtanks. De temperatuur waarop warmte wordt opgeslagen in zowel PCM als TCM is variabel. Voor opslag in tanks met vaste stof of gesmolten zout kan de temperatuur oplopen tot 1200 °C. Verschillende vormen van PCM en TCM zijn nog in ontwikkeling, maar de potentie is groot: bijvoorbeeld opslag voor langere periodes (seizoenen).

Locatie in het energiesysteem

Bij transport van warmte treden warmteverliezen op. Neem dit mee bij de plaatsing van de warmteopslag. Bij seizoensopslag ligt de warmteopslag vaak dichter bij de bron en bij kortetermijnopslag dichter bij de afnemer. De locatie is ook afhankelijk van de beschikbare bovengrondse ruimte en geschiktheid van de ondergrond.

Wat betekent de inzet van warmteopslag voor de betrokken partijen?

Gebouweigenaar

Kleinschalige warmteopslag vindt plaats bij het gebouw of de woning. Vaak is de gebouweigenaar/bewoner de initiatiefnemer. Grootschalige warmteopslag vindt plaats bij de warmtebron of bij het warmtenet. De eigenaar is dan meestal niet betrokken, maar ervaart wel het economische voordeel van de opslag. Energiecoöperaties van bewoners starten soms een initiatief om te voorzien in de eigen warmtebehoefte, bijvoorbeeld met zonthermie. Vaak is er dan een rol voor warmteopslag.

Exploitant/eigenaar warmtebron en/of -net

Een exploitant is vaak geen eigenaar van de warmtebron, warmteopslag of warmtenet of andersom, maar de exploitant en eigenaar hebben wel veel met elkaar te maken. Een exploitant van een warmtenet of -bron kan door warmteopslag de geleverde warmte duurzamer maken of kosten besparen door efficiëntere warmte-inzet en minder onderhoudskosten. Voor een duurzaam en betaalbaar systeem moeten hierover goede afspraken worden gemaakt.

Netbeheerder

De warmteopslag kan bijdragen aan het stabiliseren van het net als de warmteopslag in te zetten is om elektriciteitsoverschotten in warmte op te slaan. 

Bevoegd gezag: provincies, gemeente en omgevingsdiensten

Gemeenten kunnen belanghebbende partijen bij elkaar brengen, zoals een exploitant van een warmtenet, een netbeheerder en een lokale ontwikkelaar van zon- of windenergie. De gemeente, provincie en omgevingsdiensten spelen daarnaast een belangrijke rol als vergunningverlener en onderzoeken eventueel om een geschikte locatie voor grootschalige warmteopslag te vinden.

De verwachting is dat seizoensopslag eventueel met een kortetermijnopslag een standaard wordt binnen warmtenetten, omdat het leveringszekerheid biedt, kostenefficiënt is en duurzaam is in combinatie met duurzame warmtebronnen. 

Omdat we steeds meer hernieuwbare elektriciteit gebruiken voor gebouwverwarming (warmtepompen), ontstaan er pieken in het stroomnet en sluiten vraag en aanbod van hernieuwbare elektriciteit op sommige momenten niet op elkaar aan. Nieuwe slimme technieken kunnen de inzet van warmteopslag optimaliseren. Denk aan voorspellende modellen die op basis van de weersverwachting en de prijzen voor warmte bepalen of de warmteopslag moet worden geladen of ontladen. Het warmtenet gebruiken als buffer en de thermische massa van woningen kan daarbij een rol spelen.

Warmte kan naar verwachting op termijn compacter worden opgeslagen, bijvoorbeeld met hogere temperaturen, in andere materialen (zout, vaste stoffen), PCM en TCM. Verder is grootschalige boven- en ondergrondse opslag in vaten in ontwikkeling met combinaties van andere materialen en isolatiemethoden. 

Naast seizoens- en kortetermijnopslag vindt een ontwikkeling plaats naar middel-langetermijnwarmteopslag (weken). Daarmee kan de ‘Dunkelflaute’ (meerdere dagen/weken met weinig zon en wind in de winter) opgevangen worden. Hierdoor kan een seizoensopslag meerdere cycli per jaar draaien. Dit verbetert de businesscase. Daarnaast kan PCM of TCM voor deze middellange periode ingezet worden.

Koude wordt steeds relevanter vanwege klimaatverandering. WKO's en andere opslagsystemen kunnen, in slimme concepten met warmtepompen, koude- en warmteopslag koppelen. Hiermee kan een elektriciteitspiek, door het gelijktijdig draaien van airco’s, worden verminderd of zelfs voorkomen. 

• Duurzame warmtecentrale in Veenendaal met HoCoSto opslag voor 930 woningen.
• Warmtenet in Heerlen, opslag van koude en warmte in oude mijngangen.
• Een innovatieproject voor slimme aansturing van warmtenetten | TKI 
• Kleinschalige compacte warmteopslag in woningen met NEStore en Flextherm Eco.
• Voorbeeldproject uit Denemarken (pdf) met grootschalige warmteopslag in kuilen (PITS).
• Op grote schaal (industrie) zijn er Eboilers zoals bij Ypenburg, Diemen of Nieuwegein.
• In the Green Village in Delft wordt er volop getest met PCM-buffers.

• Routekaart Energieopslag | Rijksoverheid 
• Innovatieroadmap Warmteopslag technieke (pdf) | TNO
• Handreiking warmteopslagsystemen in kleinschalige warmtenetten (pdf) | Invest-NL
• Ondergrondse warmteopslag op hoge temperatuur | WarmingUP
• Kennisdossier Warmteopslag over warmteopslag en innovaties. | TKI
• Flexibiliteit en Warmte in de Gebouwde Omgeving (pdf) | TenneT
• Ondergrondse energieopslag in Nederland 2030-2050 | Rijksoverheid
• Kennisdossier: grootschalige en compacte warmteopslag | Topsector Energie