Het potentieel van rioolwater als warmtebron in een verwarmingssysteem

Timon Vankeirsbilck Stefaan Jacobs
Riothermie: recuperatie van warmte uit een rioleringsnetwerk.
Test studie op Campus Arenberg waarbij onderzoek uitgevoerd wordt naar de financiële haalbaarheid en de reductie van emissies.

Nog een stap richting de duurzame wereld

We recycleren al zoveel. Waarom dan ook niet onze warmte ? 

Natuurkunde test study

Figuur I : Het gebouw Natuurkunde gelegen te Campus Arenberg werd gebruikt voor de test studie. 

Klimaatopwarming, broeikasgassen en energietransities zijn termen die de laatste tijd vaak voorkomen in de actualiteit en in politieke debatten. De Brusselse jongeren en klimaatactivisten komen op straat en schreeuwen om verandering en aandacht voor het milieu. Met dit in het achterhoofd kwamen twee masterstudenten aan de KU Leuven in actie: Hoe nemen we een stap richting duurzaamheid binnen onze organisatie?

Het onderzoek: Riothermie 

De helft van de uitstoot van de KU Leuven is het gevolg van verwarming waarvoor stookolie en aardgas gebruikt worden. De logische stap is uiteraard het zoeken van naar een duurzamer alternatief: Zonneboiler? Geothermie? Of riothermie? Naar deze laatste technologie ging de voorkeur. Waarom 70 meter diep boren op zoek naar warmte als deze door de afvoer naar buiten stroomt? 
Riothermie is de term die gebruikt wordt wanneer men de warmte uit rioolwater gaat hergebruiken. We betalen voor ons warm water, het is dan ook een logische stap om hier maximaal gebruik van te maken.  
Voor hun master thesis onderzochten Stefaan Jacobs en Timon Vankeirsbilck het potentieel van Riothermie wanneer deze methode in het huidige energiesysteem van de KU Leuven geïmplementeerd zou worden. Wat zijn de mogelijke emissiereducties en wat is de financiële haalbaarheid van zo’n project?

De bron  

Na het gebruik van een douche, afwasmachine of bij het afgieten van de aardappelen is het water nog steeds warm wanneer het door de leidingen naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) stroomt. Dit zorgt ervoor dat de temperatuur in het rioleringsnetwerk gemiddeld 17°C bedraagt. Een ideale temperatuur waarmee men met het behulp van een warmtepomp de warmtevraag van een gebouw kan beantwoorden.

De technologie  

De warmte wordt uit het rioleringswater gehaald met behulp van een op maat gemaakte warmtewisselaar.

Warmtewisselaar in rioleringsnetwerk

Figuur II : Warmtewisselaar in het rioleringsnetwerk

Het tussencircuit, ook wel warmtenet genoemd, verbindt de warmtewisselaar met het gebouw. Hierin staat de warmtepomp, een apparaat dat de temperatuur van het tussencircuit nog verder opwarmt met behulp van elektrische energie. Hierdoor kan men afstappen van het gebruik van fossiele brandstoffen voor verwarming. Daarnaast heeft een warmtepomp een “COP”, de coëfficiënt of performance. Deze factor toont het verband tussen de nuttige warmte en de elektriciteit. Dat wil 
zeggen dat als deze factor rond de 3,5 ligt dat we met 1 eenheid elektriciteit ongeveer 3,5 eenheden warmte kunnen voorzien. 
Het onderzoek maakt de afweging tussen de verwarming met een traditionele gascondensatieketel en verwarming met een warmtepomp. Hierbij wordt er gekeken naar de mogelijke emissie reducties en het kostenplaatje.

Emissies

De uitstoot van elektriciteit is afhankelijk van hoe deze opgewekt wordt. Voor de Vlaamse energie mix is de uitstoot per elektrische energie eenheid gemiddeld gezien nog steeds minder dan aardgas. Daarbovenop zorgt de COP dat we minder eenheden elektriciteit nodig hebben voor dezelfde warmtevraag dan wanneer we deze vraag zouden opvullen met de verbranding van aardgas. Hier komt het potentieel vandaan om de emissies te reduceren.

Economisch aspect

De benodigde infrastructuur voor riothermie is in het algemeen duurder in aankoop dan wanneer men enkel gebruikt maakt van een gascondensatieketel. Hierdoor is het belangrijk vraag en aanbod op elkaar af te stellen. Dat wil zeggen dat men een gepaste warmtewisselaar moet plaatsen met de juiste systeemeigenschappen.  
Ook het opvoerregime speelt een belangrijke rol. Oudere gebouwen verwarmen hun kamers met radiotoren waar water tussen de 55 en 80 °C door stroomt.  Een modernere infrastructuur zoals vloer- en muurverwarming zorgt ervoor dat deze verwarming op 35°C gebeurt. Dit heeft invloed op COP van de warmtepomp. Een lager regime van 35°C zorgt voor een COP die twee keer zo groot is als de COP waarde van een warmtepomp met een opvoerregime van 55 °C of hoger.    
Ook de temperatuur van het rioolwater heeft een invloed, hoe warmer, hoe hoger de COP. Dit resulteert erin dat men in de zomer voordeliger warmte kan produceren dan in de winter. Omwille van dit fenomeen werd er gekeken naar buffermethodes, zowel kleine buffervaten als seizoensopslag.  

Conclusie

Na dit onderzoek is gebleken dat met de juiste implementatie van het energiesysteem gebruik makend van riothermie de emissies gereduceerd kunnen worden tot 48% en men nog steeds financieel voordeliger uitkomt. Wanneer men gebruik zou maken van seizoensopslag kan deze reductie oplopen tot 90 %. Maar in dat geval zullen er nog extra subsidies aangevraagd moeten worden om het project financieel haalbaar te maken. 

 

 

 

Bibliografie

[1] B. Tommelein, “Conceptnota Warmteplan 2020,” 2017. [2] Lucia van Geuns and J. Juez-Larré, “Van Exporteur naar Importeur: De verander(en)de rol van aardgas in Nederland,” 2017. [3] E. Commission, “The EU Emissions Trading System (EU ETS),” 2013. [4] Marie-Pierre Fauconnier, “Nationaal actieplan voor hernieuwbare energie,” pp. 1–95, 2009. [5] M. Ridouani, “Leuven klimaatneutraal 2030 Klimaatactieplan,” 2014. [6] S. Hettinga, P. Nijkamp, and H. Scholten, “A multi-stakeholder decision support system for local neighbourhood energy planning,” Energy Policy, no. July 2017, pp. 277–288, 2018. [7] H. Vandevyvere et al., “De transitie naar klimaatneutraal 2030 -Wetenschappelijk eindrapport,” pp. 1–188, 2013. [8] J. Nienaber, “Policy Plan for Sustainability focuses on a significant reduction of the CO₂ emissions,” KU Leuven News, 2018. [Online]. Available: https://nieuws.kuleuven.be/en/content/2018/policy-plan-for-sustainabili…. [9] G. Vanderheyden et al., “Nulmeting CO 2 emissies KU Leuven in het jaar,” Futur. KU Leuven, pp. 1–48, 2013. [10] E. Cornelis and L. Van Esch, “Opmaak kansenkaart riothermie voor Antwerpen,” 2014. [11] W. Cyx and R. De Herdt, “Leidraad Riothermie,” 2018. [12] J. W. & S. , J. R. Welty, C. E. Wicks,R. E. Wilson, and G. L. Rorrer, Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, Fifth Edit. 2008. [13] Lambda, “Lambda-waarde van alle materialen,” 2019. [Online]. Available: https://www.lambda.be/nl/energietips/lambda-waarde-van-alle-materialen. [14] J. Lukanich, “Understanding Biofilms in Heat-Transfer Equipment, Part 1,” Water Online, 1998. [15] J. H. Whitelaw, “CONVECTIVE HEAT TRANSFER,” 2011. [Online]. Available: http://www.thermopedia.com/content/660/. [16] H. Jensen, C. A. Biggs, and E. Karunakaran, “The importance of sewer biofilms,” Wiley Interdiscip. Rev. Water, vol. 3, pp. 487–494, 2016. [17] T. Egli, “Biofilms: Both a Curse and a Blessing,” ETH Zurich, 1999. [18] T. A. Pogiatzis, V. S. Vassiliadis, F. J. Mergulhão, and D. I. Wilson, “When To Clean , How To Clean : Biofilms,” 2013. [19] G. Borkow and J. Gabbay, “Copper as a Biocidal Tool,” 2005. [20] Z. W. Wadenswil, “Anti-fouling-System with copperstripes (AFS).” [21] V. P. Jana PERÁČKOVÁ, “Utilization of heat from sewage,” pp. 79–86, 2013. [22] O. Culha, H. Gunerhan, E. Biyik, O. Ekren, and A. Hepbasli, “Heat exchanger applications in wastewater source heat pumps for buildings: A key review,” Energy Build., pp. 215–232, 2015. [23] KASAG, “Heat exchangers for heating and cooling purposes,” 2019. [Online]. Available: https://www.kasag.com/en/product/renewable-energies-systems-plants-heat…

 
86 
 
product-heat-exchanger-for-heating-and-cooling/. [24] HUBER, “HUBER Heat Exchanger RoWin,” 2019. [Online]. Available: https://www.huber.de/products/energy-from-wastewater/huber-heat-exchang…. [25] RABTHERM, “Products,” 2019. [Online]. Available: http://www.rabtherm.com/en/produkte.html. [26] S. De Roo, “Haalbaarheidsstudie warmtenet Genk-Zuid,” 2012. [27] Department of Energy & Climate Change, “Assessment of the costs, performance, and characteristics of UK heat networks,” 2015. [28] Filip Laureyns, “Warmtenet Roeselare,” Gent, 2015. [29] D. W. Technology, “Centrifugal pumps,” 2015. [30] Z. Satterfield, “Reading Centrifugal Pump Curves,” 2019. [31] Epha, “What is a heat pump?,” 2019. [Online]. Available: https://www.ehpa.org/technology/. [32] Vito, “Steunpunt energie: nota potentieel 2030 - warmtepompen,” pp. 1–32, 2015. [33] L. Chen, Z. Xiaoqin, F. Sun, and C. Wu, “Exergy-based ecological optimization for a generalized irreversible Carnot heat-pump,” Appl. Energy, pp. 78–88, 2007. [34] Viessmann, “Planningsaanwijzing Brijn/water- en water/waterwarmtepomp een- en tweetraps, 5,7 tot 117,8 kW,” 2015. [35] Peter DE SMET, “Seminarie Duurzaam Gebouw - Microwarmtenetten,” 2016. [36] I. Dincer and M. A. Rosen, “Heat Pump Systems,” Exergy Anal. Heating, Refrig. Air Cond., pp. 131–168, 2015. [37] S. A. Omer, S. B. Riffat, and G. Qiu, “Thermal insulations for hot water cylinders: A review and a conceptual evaluation,” 2007. [38] EASE, “Thermal Hot Water Storage. Thermal Energy Storage,” 2016. [39] D. Mangold, T. Schmidt, A. Dohna, and D. Späh, “Guideline for the Seasonal Thermal Energy Storage Systems in the built environment,” 2016. [40] Ecovat Renewable Energy Technologies, “Een 100% duurzame warmte / koude voorziening voor de ‘Trekvlietzone’ in Den Haag De,” 2018. [41] Aris de Groot, “Ecovat in Hybrid Energy,” 2018. [42] Smartgeotherm, “Ondiepe geothermie,” 2011. [Online]. Available: https://www.smartgeotherm.be/ondiepe-geothermie/. [43] ThermtestInstruments, “ASSESSING THE THERMAL PROPERTIES OF DRY AND SATURATED SOILS,” 2018. [Online]. Available: https://thermtest.com/applications/soilthermal-conductivity-tls. [44] C. Tong, X. Li, L. Duanmu, and Z. Wang, “Research on Heat Transfer Characteristics of soil thermal storage in the non-heating Season,” Procedia Eng., pp. 3293–3300, 2017. [45] D. Mangold, “Seasonal storage,” Sun Wind Energy, 2007. [46] N. Yu, R. Z. Wang, and L. W. Wang, “Sorption thermal storage for solar energy,” Prog. Energy Combust. Sci., pp. 489–514, 2013. [47] F. Kuznik, K. Johannes, and C. Obrecht, “Chemisorption heat storage in buildings: State-of-the-art and outlook,” Energy Build., pp. 183–191, 2015. 

 
87 
 
[48] A. Abhat, “Low temperature latent heat thermal energy storage: Heat storage materials,” Sol. Energy, pp. 313–332, 1983. [49] D. Zhou, C. Y. Zhao, and Y. Tian, “Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications,” Appl. Energy, pp. 593–605, 2012. [50] C. Fiches, “Toepassingen van een condensatieketel,” 2019. [51] D. Che, Y. Liu, and C. Gao, “Evaluation of retrofitting a conventional natural gas fired boiler into a condensing boiler,” Energy Convers. Manag., pp. 3251–3266, 2004. [52] J. van der Linden, “De prijs van electriciteit en aardgas voor ondernemingen in België,” 2014. [53] K. Locquet, “Jaarverslag CREG,” 2018. [54] Federaal Planbureau, “Het Belgische energielandschap tegen 2050 - Een projectie bij ongewijzigd beleid,” 2017. [55] Eandis, “Informatieblad Warmtepomp,” pp. 1–4, 2018. [56] Vlario, “Subsiedies en financiering ecologiepremie,” Agentschap Innoveren & Ondernemen, 2019. [Online]. Available: https://www.vlaio.be/nl/subsidiesfinanciering/ecologiepremie. [57] VLAAMSE OVERHEID, “SPEURGIDS 2018 Ondernemen & innoveren,” 2018. [58] A. I. E. ONDERNEMEN, “LIMITATIEVE TECHNOLOGIEËNLIJST,” 2015. [59] B. Koffi, A. Cerutti, M. Duerr, A. Iancu, A. Kona, and G. Janssens-Maenhout, “Covenant of Mayors for Climate and Energy: Default emission factors for local emission inventories,” Publ. Off. Eur. Union, 2017. [60] “Belgische elektriciteitsmix in augustus 2018,” Nucleair Forum, 2018. [Online]. Available: https://www.nucleairforum.be/actualiteit/nieuws/belgische-elektriciteit…. [61] N. Bird, A. Cowie, F. Cherubini, and G. Jungmeier, “Using a Life Cycle Assessment Approach to Estimate the Net Greenhouse Gas Emissions of Bioenergy,” 2011. [62] EEX, “European emission allawances,” 2019. [Online]. Available: https://www.eex.com/en/market-data/environmental-markets/spot-market/eu…. [63] J. Chevallier, “Carbon Price Drivers: An Updated Literature Review,” 2011. [64] Stern, “Report of the High-Level Commission on Carbon Prices supported by :” [65] “Effective Carbon Rates 2018,” OECDilibrary, 2018. [Online]. Available: https://www.oecd-ilibrary.org/taxation/effective-carbon-rates-2018_9789…. [66] E. D. Delarue and W. D. D’haeseleer, “Price determination of ETS allowances through the switching level of coal and gas in the power sector,” Int. J. Energy Res., pp. 1001– 1015, 2007. [67] B. Kurstjens, “CO2-taks van 32 euro per gezing op komst,” De tijd, 2018. [Online]. Available: https://www.tijd.be/politiek-economie/belgie/federaal/co2-taks-van-32-e…. [68] Frank M. White, Fluid Mechanics, vol. 4. University of Rhode Island, 1999. [69] SMARTGEOTHERM, “Ondiepe geothermie: basisbegrippen,” 2014. [70] F. Oesterholt and J. Hofman, “Feasibility or small scale heat recovery from sewers,” 2015. 

Universiteit of Hogeschool
master of science in de industriële wetenschappen
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Stijn De Jonge
Kernwoorden
Share this on: