Kan grootschalige buffering warmte het verschil maken?

Bij het maken van keuzes over hoe de warmtevoorziening te verduurzamen, is het essentieel dat de situatie op zijn eigen merites wordt beschouwd. Warmtenetten zijn namelijk dermate divers, dat elke veralgemenisering de weerbarstige werkelijkheid geweld aan doet. Maar hoe dan ook lijkt een sleutelrol te zijn weggelegd voor grootschalige warmtebuffers.

Onlangs betoogden Lomme en Arkesteijn in Trilemma dat warmtenetten niet noodzakelijkerwijs bijdragen aan het verlichten van de problematiek van overvolle elektriciteitsnetten. In de kern werd er vooral een vergelijking gemaakt tussen enerzijds individuele hybride warmtepompen en anderzijds hybride warmtenetten.

Veel warmtenetten die worden gevoed met warmtepompen of aftap- en/of restwarmte, gebruiken immers gasketels voor het opvangen van pieken en als back-up. Dat geldt niet alleen voor bestaande warmtenetten, maar ook voor netten die nog moeten worden aangelegd. Dat laatste zou eigenlijk niet meer moeten gebeuren, want ten opzichte van hybride warmtepompen zijn hybride warmtenetten duurder en kan het heel wel zijn dat het gasverbruik per huishouden hoger is dan bij het gebruik van individuele hybride warmtepompen en dat zonder noodzakelijkerwijs de druk op de elektriciteitsnetten te verlichten.

In plaats van simpelweg veronderstellen dat collectieve warmtevoorzieningen duurzamer zijn en minder beslag leggen op elektriciteitsnetten dan individuele oplossingen, moeten dat harde verplichtingen zijn voor uitbreiding van bestaande en aanleg van nieuwe warmtenetten. Door grootschalige warmtebuffers toe te passen, kan waarschijnlijk aan die randvoorwaarden worden voldaan.

Het betreffende artikel heeft veel reacties opgeleverd. Die reacties vloeien vooral voort uit het feit dat situaties dermate uiteen kunnen lopen dat vrijwel elke poging tot veralgemenisering gedoemd is te mislukken. Belangrijker nog, voor warmtenetten is de variatie in technieken en bijbehorende kosten nog vele malen groter. Een net dat gebruik kan maken van echte restwarmte naast de deur is spekkoper. Transportleidingen zijn echter erg duur, waardoor restwarmte beschikbaar op relatief grote afstand van een woonwijk snel aan financiële aantrekkelijkheid verliest. Aftapwarmte, oftewel stoom waar nog elektriciteit mee gemaakt kan worden, is duurder en minder duurzaam dan restwarmte of mogelijk zelfs helemaal niet duurzaam.

Als een nieuwe warmtebron moet worden aangelegd om een warmtenet te voeden, dan lopen de mogelijkheden ook sterk uiteen. Kosten en mate van duurzaamheid hangen daarbij ook af van de aard en aantal afnemers: gaat het om hoogbouw, geconcentreerde laagbouw, ruim opgezette tuindorpen of villawijken, nieuw of oud, enzovoorts, en bovendien: hoe meer aansluitingen, hoe lager de stichtingskosten per afnemer.

Kortom, bij het maken van keuzes over hoe de warmtevoorziening te verduurzamen, is het essentieel dat de situatie op zijn eigen merites wordt beschouwd. Daarbij lijkt een sleutelrol te zijn weggelegd voor grootschalige warmtebuffers. Weliswaar komen buffers in voorgaande artikelen aan de orde, door de focus op hybride warmtenetten, gaat het daarbij vooral om relatief bescheiden buffers, zoals Eneco’s dagbuffers in Utrecht. Zulke buffers zijn bijzonder nuttig, maar onvoldoende om in koude periodes langdurig op te kunnen terugvallen. Maar ook voor warmtebuffers geldt dat veralgemeniseren de werkelijkheid geweld aandoet. Want voor netten waar grootschalige warmtebuffering wel mogelijk is, kan de vergelijking met individuele warmtepompen heel anders uitvallen.

Duurzaamheid elektriciteit

De CO₂-voetafdruk van elektriciteit is afhankelijk van het moment van afname: de voetafdruk is laag als het waait en de zon schijnt en hoog als fossiele brandstof nodig is voor de opwek van elektriciteit. Die relatie komt veelal ook tot uiting in de prijzen op de spotmarkt: laag als zon en wind is voorspeld, hoog als gas of kolen nodig is voor de marginale opwek. Huishoudens en warmtenetbeheerders kunnen op die prijzen inspelen in zoverre ze over buffers en geschikte contracten (dynamische tarieven) beschikken.

Echter, kleinschalige buffers bieden slechts soelaas voor een aantal uren. Duurt een zon- en windarme periode langer, dan moet toch gebruik worden gemaakt van relatief vervuilende elektriciteit (lees: met fossiele centrales opgewekt). Grootschalige opslag in combinatie met overgedimensioneerde warmtepompen daarentegen kan een langere periode het gebruik van elektriciteit vergaand beperken en kan daarmee hoog scoren op het vlak van duurzaamheid.

Wat geldt voor het vermijden van dure elektriciteit, geldt ook voor het vermijden van drukte op het elektriciteitsnet. Daarbij moet wel worden opgemerkt dat dit kan leiden tot conflicterende doelen, want drukte op het elektriciteitsnet kan heel goed samenvallen met (extreem) lage marktprijzen en dus de ideale momenten om 100% duurzame elektriciteit af te nemen. Echter, gezien de lange duur dat de combinatie overgedimensioneerde warmtepompen en grootschalige buffers het zonder bulk-elektriciteit kunnen redden, zijn het vooral de kleinschalige buffers waar bij tijd en wijle lastige keuzes tussen duurzaamheid en vermijden van congestie moeten worden gemaakt.

Mede door de vergaande veralgemenisering in de discussie over warmtenetten, gaat het veel over al dan niet bijdragen van warmtenetten aan het verlichten van de congestie op de elektriciteitsnetten. Dat onder andere omdat er zwaar wordt geleund op die ene Berenschot-studie waarin wordt geconcludeerd dat in die ene specifieke Haagse situatie de maatschappelijke kosten van een warmtenet lager zijn dan bij toepassing van individuele warmtepompen.

De discussie zou echter breder getrokken moeten worden: hoe de hele warmtevoorziening te verduurzamen? Dat met grootschalige warmtebuffering gebruik van elektriciteit met een hoog aandeel fossiel voor een belangrijk deel vermeden kan worden, zou dan bonuspunten voor zo’n warmtenet moeten opleveren. Want, de flexibiliteit van het opweksysteem bepaalt voor het grootste deel de duurzaamheid.  

100% elektrische oplossingen

Het plaatsen van hybride warmtepompen kan snel, is relatief goedkoop en qua emissiereductie mogelijk zelfs superieur aan hybride warmtenetten. Het is een eerste stap op weg naar klimaatneutraliteit, maar dan wel een stap die meteen pakweg 75% van het gasverbruik elimineert en in combinatie met een tapwaterboiler zelfs nog meer. Uiteindelijk moet de hele warmtevoorziening verduurzaamd en dat betekent in de meeste gevallen dat te zijner tijd moet worden overgestapt op volledig elektrisch.

Dus, bij die eindstap gaat het om de vraag of in een specifieke situatie een volledig elektrisch warmtenet beter of slechter is dan individueel volledig elektrisch. In die vergelijkingen is een belangrijke rol weggelegd voor de wijze waarop pieken in de warmtevraag worden opgevangen. Bij hybride systemen kunnen zowel individuen als collectieven terugvallen op relatief goedkope gasketels. Bij volledig elektrische warmtevoorziening zijn andere oplossingen nodig en dan bij voorkeur geen elektrisch verwarmingselement waarvoor veel elektriciteit nodig is in ruil voor weinig warmte (dus met een coëfficient of performance van één, oftewel COP 1).

Collectieve systemen bieden meer ruimte dan individuele oplossingen om een zekere mate van overcapaciteit te plaatsen. Dat onder andere omdat er sprake zal zijn van ongelijktijdigheid in de afname, maar ook omdat het geld kan besparen bij de inkoop van elektriciteit. Sterker nog, bij actief beheer kan de collectieve installatie in- en verkopen op de spotmarkten, flexibiliteit leveren aan de netbeheerder en zelfs balanceerdiensten leveren aan TenneT. Bij individuele (hybride) warmtepompen kan dat (deels) ook door die installaties als een virtuele power plant (VPP) te koppelen, maar bij professionele grote collectieve systemen ligt het meer voor de hand omdat daar de overhead om alles te besturen lager is.

Door in een collectief systeem te kiezen voor 35% overcapaciteit in de opwekinstallatie, volstaat het zelfs op een winterse dag om slechts 74% van de tijd warmte op te wekken. Zodoende kunnen uren met congestie worden vermeden en/of vooral elektriciteit worden gebruikt als die relatief goedkoop is. In de huidige volatiele spotmarkt bewijst zo’n karakteristiek ook zijn waarde.

De aanleg wordt door de overdimensionering wel fors duurder en ook de warmtebron moet de extra capaciteit kunnen leveren. Dat geldt ook voor de netaansluiting, zij het dat de overcapaciteit het mogelijk maakt om uit de drukke uren weg te blijven. Of er tegenover die hogere kosten van overdimensionering en grootschalige warmtebuffer voldoende projectmatige en maatschappelijk voordelen staan, zou onderwerp van grondig publiek onderzoek moeten zijn.

Dat er hoop is op kansrijke toepassingen van grootschalige warmtebuffers, kan worden afgeleid van enkele projecten van Linthorst, zoals het warmtenet in de Apeldoornse wijk Kerschoten, warmtebedrijf DEVO’s Groenpoort in Veenendaal en warmtebuffers van het bedrijf Hocosto. Alhoewel warmtenetten echt per situatie beoordeeld moeten worden, ontstaat er wel een beeld van de resultaten in deze projecten.

• Warmtebuffering: tussen de 2,5 kubieke meter en 5 kubieke meter per wooneenheid-equivalent (WEQ). Dit is ongeveer 150 kWh tot 300 kWh thermische energie aan opslagcapaciteit per WEQ. Dit is dan +/- 17 tot 34 keer meer dan de 150 liter per WEQ die Eneco in Utrecht toepast.
• Volledig elektrische oplossingen waarbij er veelal ontworpen wordt op een warmtepompvermogen dat zoveel capaciteit heeft dat er, bij de gemiddelde dagvraag op de koudste dag van het jaar, nog 30% flexibiliteit is. Met andere woorden, zelfs op koude dagen kan nog steeds minimaal 30% van de tijd de warmtepomp worden uitgeschakeld.  
• De seizoens-COP (SCOP) van de warmtepompen ligt tussen de 3,5 en 4,5, afhankelijk van de bron, het afgifte traject en de omvang van de centrale. Dit geldt dan bij bronwarmte zoals rioolwaterzuivering en oppervlakte water in combinatie met warmtekoude-opslag. Dit zijn dan ook typisch bronnen voor grotere projecten die door de hogere brontemperaturen dan vaak ook een voordeel hebben ten opzichte van de individuele variant.
• Warmteverlies warmtenetten tussen de 20% en 30%.
• Benodigde elektrische capaciteit per WEQ: +/- 1 kWe, waarvan gemiddeld tussen de 80% en 95% non-firm. Dit is dus beduidend lager dan de gelijktijdige capaciteit van pakweg 1,9 kWe nodig voor individuele hybride warmtepompen.
• Afgifte temperatuur tussen 70°C en 85°C, dus zonder veel rompslomp geschikt als vervanging van warmte uit de cv-ketel. (Zowat elke woning zou uit de voeten moeten kunnen met 60°C, als dat niet zo is dan moeten kieren worden gedicht, het afgiftesysteem verbeterd en enigszins worden geïsoleerd.)
• Zoveel mogelijk werken met lage retourtemperaturen om warmtebuffering effectief te maken, warmteverlies te beperken en de COP van warmtepompen te verhogen.
• Bruto kosten per WEQ tussen de €20.000 en €30.000.  

Het is in deze denklijn juist de mogelijkheid voor grootschalige warmtebuffering waar het grote verschil ontstaat tussen de individuele route en de collectieve. Voor de netcongestie door elektriciteit af te nemen buiten de congestie-uren. Qua duurzaamheid door in een zeer groot deel van het jaar te kunnen wachten op momenten met een hoog aandeel duurzaam opgewekte elektriciteit. En qua kosten, voor het project zelf door elektriciteit af te kunnen nemen met lage spotprijzen. Daarnaast kan het heel wel zijn dat de flexibiliteit in elektriciteitsafname vanwege de relatief goedkope seizoens-warmtebuffers bijdraagt aan lagere systeemkomsten van de nationale elektriciteitsvoorziening.

Verbruik en productie van elektriciteit moet blijvend goed op elkaar worden afgestemd en dat wordt een grote uitdaging, zeker als aardgas wordt verbannen. Alle mogelijke maatregelen kosten geld, van productie en gebruik van groene of blauwe waterstof ter vervanging van aardgas, vraagrespons bij huishoudens en industrie, tot grote en kleine batterijen. Grondig onderzoek zou moeten uitwijzen hoe warmtebuffers in dit rijtje instrumenten scoren op kosten en potentieel om eventuele overschotten aan duurzame energie grootschalig te absorberen.

Warmtebuffering voor een robuustere elektriciteitsvoorziening

Alle nieuw aan te leggen collectieve warmtesystemen zouden eigenlijk één tot twee weken vanuit een warmtebuffer beleverd moeten kunnen worden als er in de winter onvoldoende windenergie beschikbaar is. Op die manier kan zowat het gehele jaar worden overbrugd met elektriciteit die momentaan met een zo hoog mogelijk aandeel duurzaamheid is opgewekt. Daarmee kan een collectief systeem ook echt een verschil uitmaken met individuele oplossingen.

Immers, bij toepassing van individuele volledig elektrische warmtepompen is het overbruggen van enkele dagen onhaalbaar en zal elektriciteit worden afgenomen als er vraag naar warmte is. Grootschalige warmtebuffers kunnen zodoende een belangrijke bijdrage leveren aan de verduurzaming van het elektriciteitssysteem. Daarbij geldt dat warmtebuffers per MWh opslagcapaciteit goedkoper worden en bovendien minder warmte verliezen, naarmate ze groter zijn.

Conclusies

Bestaande, uit te breiden en/of nieuwe warmtenetten zijn dermate divers, dat elke veralgemenisering de weerbarstige werkelijkheid geweld aan doet. Zelfs als in zijn algemeenheid zou kunnen worden geconcludeerd dat hybride warmtepompen op aspecten als netcongestie en gasgebruik superieur zijn aan hybride collectieve warmtevoorzieningen, dan nog kan het van geval tot geval verschillen.

Dat geldt nog meer als individueel versus collectief wordt vergeleken voor volledig elektrische systemen. In dat laatste geval lijkt de balans wel in het voordeel van collectief uit te slaan als er gebruik kan worden gemaakt van grootschalige warmtebuffering in combinatie met overcapaciteit in de opwekinstallaties. Als de buffer voldoende groot is om het één tot twee weken zonder elektriciteit voor de warmteproductie te kunnen stellen, kan zelfs een dunkelflaute worden overbrugd en kan de benodigde warmte voor een groot deel met momentaan duurzame elektriciteit worden geproduceerd.

Dan kunnen zulke systemen een belangrijke bijdrage leveren aan het verduurzamen van de hele elektriciteitsvoorziening. Dat zou meer dan de moeite waard moeten zijn om grondig publiek onderzoek uit te voeren naar haalbaarheid en betaalbaarheid van grootschalige warmtebuffers.