Warmte en stroom combineren
voor een flexibeler energienet
In 2021, tijdens de ontwerp RES (Regionale Energie Strategie), stond het de bestuurders niet op hun netvlies. Tegenwoordig, bij de uitvoering van de RES, begint de aandacht voor integratie van warmte en stroom allengs toe te nemen. ‘Wanneer we duurzame opwek met warmteopslag kunnen combineren, dan wordt het net flexibeler en dalen ook de kosten’, stellen onderzoekers van KWR en CE Delft en een adviseur van Over Morgen.
Tekst: Tseard Zoethout, Beeld: Shutterstock
Medio maart 2023 presenteerden KWR Water Research, penvoerder van het CoHeasy project, en CE Delft hun onderzoeken naar de mogelijkheden van P2H (Power to Heat) en warmteopslag, zowel per dag als per seizoen. KWR heeft ingezoomd op twee casussen (stad Groningen en Den Haag), CE Delft heeft de laatste ontwikkelingen laten zien in het recente rapport ‘P2H en opslag in warmtenetten’.
Beiden constateren dat er momenteel een steeds grotere mismatch heerst tussen vraag en aanbod op het energienet: nu eens is er een overschot aan duurzame stroom (met afschakelen tot gevolg), dan weer een tekort door ongunstige weersomstandigheden, al dan niet in combinatie met een hoge stroomvraag. Warmteopslag kan die onbalans sterk verminderen en meer flexibiliteit in het energienet brengen.
Flexibiliteit
Met dat uitgangspunt in gedachten heeft KWR in het CoHeasy project twee scenario’s bestudeerd, de ene met WarmteStad Groningen, de ander met Dunea Warmte en Koude in De Binckhorst in Den Haag. In Groningen heeft WarmteStad recent een nieuwe warmtecentrale op Zernike Campus in gebruik genomen, grotendeels gevoed door zes MW aan restwarmte van twee datacenters en later gevolgd door zonthermie. Ondergrondse warmteopslag wordt onderdeel van het systeem. Uiteindelijk zorgt dat voor warmte in 10.000 bestaande woningen. De Binckhorst wint warmte uit een waterberging. Die warmte slaat men vervolgens ondergronds op van waaruit nieuwbouwwoningen ’s winters van warmte kunnen worden voorzien.
Volgens Daniël Bakker en Els van der Roest liggen er grote kansen om duurzame stroom aan warmteopslag te koppelen. Bakker is projectleider bij KWR, Van der Roest onderzoeker bij dezelfde organisatie. ‘Bij onbalans in het stroomnet kan omzetting naar warmte en warmteopslag het overschot opnemen’, zegt Bakker. ‘Warmte- en energiebedrijven zijn vaak gescheiden werelden terwijl de technieken aanwezig zijn.’ Van der Roest vult aan: ‘elektrische boilers worden toegepast bij lage of negatieve prijzen, maar kunnen slechts een periode van een dag overbruggen. Met collectieve warmtenetten met warmteopslag krijgen we meer flexibiliteit. Flexibiliteit kwantificeren we op drie manieren: je kan de potentie in tijd gebruiken om de vraag te verschuiven, voordelen op de ‘day ahead’ markt behalen, of op balancerende markten. Op korte termijn ligt er de potentie om stroomkosten met tien tot twintig procent te verlagen. Belemmerend is wel dat je een warmtepomp niet snel kan op- of afregelen.’
Seizoensopslag
Naast KWR en partners houdt ook CE Delft zich met systeemintegratie van warmte en elektriciteit bezig. In maart dit jaar verscheen hun studie P2H en warmteopslag in warmtenetten in opdracht van TKI Urban Energy. Joram Dehens, adviseur warmteconversie en een van de auteurs van dit rapport, licht de voordelen en obstakels van grootschalige seizoensopslag toe.
‘Domme, vraaggestuurde P2H gebruikt elektriciteit wanneer men warmte nodig heeft, ongeacht de status van het net’, zegt hij. ‘Op piekmomenten moeten daarom extra gas- en kolencentrales worden aangezet. Een P2H+opslag kan op dalmomenten goedkope elektriciteit in warmte opslaan en tijdens pieken warmte leveren en zo het energiesysteem ontlasten. De combinatie van elektrische boilers en warmtepompen met lange termijn opslag is nog niet van de grond gekomen. Seizoensopslag gaat met hoge investeringskosten gepaard. Ook kent HT (hoge temperatuur) opslag in een aquifer de nodige technische problemen. Denk aan de toepassing van de juiste materialen, vervuiling van brak water, putverstoppingen en ontbrekende kennis over de ecologische effecten. Daarvoor is verder onderzoek nodig.’
Een andere vorm van seizoensopslag is opslag in een geïsoleerd vat of in een put in de bodem, gevoed vanuit uiteenlopende bronnen (zoals zonne-energie, wind of industriële restwarmte). In feite zijn de opslagsystemen van HoCoSto en Ecovat kleinere varianten van deze ‘pit en tankstorage’ voor enkele tientallen tot honderden huizen. Grootschalige seizoensopslag in deze vorm wordt in ons land nog niet gedaan, in Denemarken echter al enkele decennia. Vijf daarvan zijn al groter dan 60.000 kuub, de grootste in Vojens kan maar liefst ruim 210.000 kuub water bij pakweg 80 graden Celsius in een oude zandopgraving opslaan. Daarmee worden duizenden huizen van warmte voorzien. Waarom is Nederland daar niet mee bezig?
‘In tegenstelling tot Denemarken’, antwoordt Dehens, ‘verstrekt Nederland geen subsidie voor de aanleg van grootschalige opslag. Daardoor is er ook geen aanbod. Nemen we die financiële belemmeringen tijdelijk weg, dan kan het eerste grootschalige warmteopslagsysteem er binnen een tot twee jaar staan. Wij pleiten ervoor dat het Ministerie van EZK dat doet via ‘vroege fase opschaling’ uit het Klimaatfonds of het Groeifonds.
Volgens ons liggen er mogelijkheden voor grote warmtenetten als in Utrecht en Rotterdam. De uitdaging is dan wel om het warmteopslagsysteem op een dusdanige manier te dimensioneren dat het zo min mogelijk ruimte in beslag neemt.’
Volgens Dehens zullen er meer warmteopslagsystemen noodzakelijk worden om warmtenetten te verduurzamen en het energienet beter in balans te houden. ‘Het systeem begint tegen zijn grenzen aan te lopen. Naast duurzame opwekking en het gebruik van restwarmte of geothermie wordt warmteopslag belangrijker naarmate de inzet van fossiele bronnen voor collectieve warmtenetten afneemt, zeker na 2030. Dat vereist ook afstemming tussen de energievraag voor de industrie en de gebouwde omgeving.’
Ontwerp RES
Voortbouwend op het Klimaatakkoord heeft de rijksoverheid de regionale energie strategie (RES) opgetuigd. In eerste instantie lag de focus primair op het aanbod, oftewel het volume aan duurzame energiebronnen dat elke regio had in te vullen (in totaal 35 TWh). Dat volume is, althans op papier, ruimschoots behaald. Parallel aan de RES 1.0 werkten gemeenten aan hun TVW (Transitie Visie Warmte). In het traject richting RES 1.0 werd vaak niet of nauwelijks gekeken naar de vraagzijde, en eerst al helemaal niet naar de koppeling van stroom aan warmte(opslag). Met gevolgen.
‘Richting RES 1.0 vroegen gemeenten zich af: welke duurzame bronnen zijn hier voorradig?’, zegt Marnix Brongers, senior adviseur duurzame leefomgeving bij Over Morgen. Hij is procesregisseur voor RES Noord-Veluwe en adviseur voor RES Hoeksche Waard. ‘Als er sprake is van een warmtebron, dan is de vraag waar die warmte het beste kan worden gebruikt. In één van de regio’s speelde een vraagstuk rond restwarmte van een papierfabriek. De gemeente waar die fabriek stond, wilde die warmte gebruiken, maar had weinig warmtevraag vlakbij de fabriek. Tegelijkertijd lag er wel een grote warmtevraag bij een buurgemeente. Vanuit regionaal perspectief en systeemefficiency is de keuze dan helder.’
Puzzelstukjes
In de uitvoering van het ontwerp (RES 2.0) zijn de puzzelstukjes volgens Brongers bij elkaar gelegd. ‘Welke oplossing heeft de meeste efficiency en is te realiseren tegen de laagste maatschappelijke kosten? In de TVW kwamen gemeenten al snel uit op individuele warmtepompen. Maar wacht even: die zorgen wel voor een grotere stroomvraag, zeker wanneer een warmtenet niet rendabel kan worden gemaakt. Dat is het geval in de Hoeksche Waard en Noord-Veluwe. Die regio’s bestaan voor het grootste deel uit platteland met relatief kleine en ruim opgezette kernen. Rust je die woningen alleen uit met een warmtepomp, dan vraagt dit om veel extra investeringen in de energie-infrastructuur. Sinds 2022 zie je dan ook dat bestuurders andere gesprekken voeren om warmte en stroom te combineren.’
Werden warmtenetten en duurzame opwek eerst los van elkaar gezien, nu zullen lokale overheden, inwoners en bedrijven volgens Brongers moeten puzzelen. ‘De volgorde is nu: eerst isoleren, daarna warmtepompen voor LT en MT (lage en middentemperatuur) warmtenetten. Tegelijkertijd pakt men ook de verduurzaming van de bronnen voor zulke netten aan.
In de transitieperiode moeten we wel de fossiele bronnen zo optimaal mogelijk benutten om de investeringen in nieuwe infrastructuur terug te verdienen. Rotterdam wil op termijn bijvoorbeeld geothermie, de HVC Groep voert voor de Drechtsteden nu een tweesporenbeleid: zowel een bronstrategie als investeringen in nieuwe infrastructuur.’
Op het platteland – waar grootschalige warmtenetten vaak geen kans van slagen hebben - signaleert de adviseur een andere ontwikkeling: de inzet van WKO, groengas, aquathermie, buffering en combinaties daarvan. ‘Bij aquathermie met behulp van elektrische warmtepompen is de vraag: is er voldoende duurzame opwek in de buurt? Het zou mooi zijn als de puzzel meer integraal wordt bekeken. De energietransitie, verstedelijking en een andere vorm van landbouw zijn nog niet aan elkaar gekoppeld, noch de afstemming van de energievraag aan duurzame opwek. Woongebieden en bedrijventerreinen worden nog te weinig gezien als energielandschappen. We moeten streven naar semiautonome energiegebieden waar vraag en aanbod lokaal worden gebalanceerd. Zo wordt de stabiliteit van het net beloond.
Dan hoef je immers ook minder te transporteren en op te slaan. Tenslotte liggen er achter de voordeur mogelijkheden om netcongestie te voorkomen.’
Terug naar de grond
Water en bodem zijn, althans op papier, leidend in het ruimtelijk beleid geworden. Volgens Brongers zal ook de landbouw de komende decennia een transformatie gaan doormaken. ‘Nu produceert de landbouwsector voor het grootste deel voedsel voor de wereldmarkt. Dat model staat onder druk. Akkerbouwers en veetelers willen perspectief en zijn op zoek naar duurzame verdienmodellen. In plaats van maïs voor vee kunnen ze andere gewassen telen, bijvoorbeeld vlas, hennep en hout of lisdodde in veenweidegebieden voor biobased bouwen met een lagere warmtevraag. Zonnevelden aanleggen is een andere mogelijkheid. Het is tijd voor een bredere blik én doorpakken. Wel moeten we de wet- en regelgeving aanpassen en de juiste stimuleringsregelingen optuigen. Nieuwe, bredere functies voor water en bodemgebruik komen immers niet van de een op de andere dag van de grond.’