Met zonne-energie je huis verwarmen? Het kan!
- LouisHermans
Warmte van de zon nuttig gebruiken klinkt als een goed idee. Maar hoe doe je dat als de zon vooral schijnt in de zomer, terwijl je graag je huis wilt verwarmen in de winter? Thermische seizoensopslag biedt hiervoor een oplossing waarmee we ook het klimaat een handje helpen.
Fossiele brandstoffen als boosdoener
2 ton CO₂ per jaar. Zoveel zal een gemiddeld huishouden mogen uitstoten in 2050 volgens een studie van de Vlaamse Milieumaatschappij als we de klimaatdoelstellingen willen bereiken. Ter vergelijking: vandaag de dag situeert de gemiddelde uitstoot van een gezin zich rond 20 ton CO₂ per jaar. Hoe kunnen we erin slagen om onze uitstoot maar liefst 10 keer te verminderen in een tijdspanne van amper 30 jaar? Dit vraagstuk vormt een gigantische uitdaging voor de huidige generatie. De eerste stap om een antwoord te formuleren is begrijpen waarom onze CO₂-uitstoot op dit moment zo hoog is.
CO₂-uitstoot is verbonden aan de verbranding van fossiele brandstoffen. Deze fossiele brandstoffen zijn alomtegenwoordig in onze maatschappij: we gebruiken ze in onze auto’s, in de industrie en om elektriciteit op te wekken. Ook in onze huizen worden ze gebruikt, namelijk voor de verwarming van ruimtes en voor de productie van warm water. Denk maar aan de gasboiler of de stookolietank bij uw thuis. Al dit gebruik van fossiele brandstoffen leidt tot CO₂-emissies die bijdragen aan de opwarming van de aarde.
Warmtepompen als redmiddel?
Een drastische verandering dringt zich op als we de klimaatcrisis willen aanpakken. Dit betekent afstappen van fossiele brandstoffen. Maar hoe kunnen we dat in de praktijk realiseren? Hiervoor hebben we alternatieve technologieën nodig die de oude technologieën met fossiele brandstoffen kunnen vervangen. Voor de verwarming van onze huizen moeten we dus op zoek naar alternatieven voor de verwarmingsketel op gas of stookolie. Een belangrijke rol is hierbij weggelegd voor warmtepompen.
Warmtepompen maken gebruik van elektriciteit en van energie uit de omgeving (de grond, het grondwater of de lucht) om de nodige warmte te leveren. In het ideale geval wordt de elektriciteit geproduceerd met hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie. Maar hier knelt het schoentje. De zon schijnt niet altijd. Een grote meerderheid van de zonne-energie is beschikbaar in de zomer, terwijl we onze huizen vooral in de winter willen verwarmen. Hierdoor kan elektriciteit afkomstig van zonne-energie maar beperkt gebruikt worden in combinatie met een warmtepomp.
Energieopslag over de seizoenen heen
Hoe kunnen we zonne-energie dan efficiënter gebruiken voor het verwarmen van onze woningen? Hiervoor moeten we de energie kunnen opslaan over de seizoenen heen. Een technologie die bekendstaat onder de term “Seasonal Thermal Energy Storage” of STES maakt dit mogelijk. Deze technologie kan verschillende vormen aannemen. Het meest eenvoudige voorbeeld is een watertank. Hierbij wordt simpelweg een tank met water opgewarmd met zonne-energie in de zomer. De energie wordt opgeslagen tot in de winter en vervolgens gebruikt om huizen mee te verwarmen.
Uiteraard bestaan er ook andere, complexere technologieën voor de STES. Zo kan warmte ook worden opgeslagen in de grond in plaats van in water. Een boorveld, oftewel een ondergronds netwerk van leidingen, biedt deze mogelijkheid. Door in de zomer warm water door de leidingen te sturen kan de bodem worden opgewarmd. In de winter kan de warmte opnieuw uit de bodem worden opgenomen door koud water erdoor te sturen. De “warme” bodem zal het koude water dan namelijk opwarmen.
Samen staan we sterker
Een STES-technologie is een grote, complexe installatie. Daardoor is het een investering die individueel niet op kan tegen de gasboilers van deze wereld. Daarom is het nodig om de STES-technologie te integreren in een groter geheel: een warmtenetwerk.
Een warmtenetwerk is te vergelijken met het elektriciteitsnetwerk. Net zoals elk huis wordt voorzien van elektriciteit via ondergrondse of bovengrondse elektriciteitskabels, zo wordt een huis in een warmtenetwerk voorzien van warm water via ondergrondse leidingen. Op die manier hebben de huizen zelf geen gasboiler nodig. Het grote voordeel van zo een warmtenetwerk is dat het meerdere huizen kan verbinden met de STES. Zo ontstaat er een collectieve manier van verwarmen.
Bij het ontwerpen van het warmtenetwerk zijn er heel wat keuzes te maken: welke STES-technologie wordt er toegepast: een watertank of een boorveld? Op welke temperatuur wordt de warmte opgeslagen en getransporteerd? Welke systemen worden er gebruikt voor bijverwarming? Deze keuzes leiden tot een groot aantal concepten voor een warmtenetwerk met STES. Het doel van het onderzoek was dan ook om uit al deze mogelijkheden het optimale ontwerp te vinden.
Een warmtenetwerk met potentieel
Maar wat betekent “optimaal” in dit geval? Moeten we op zoek gaan naar het ontwerp met de laagste CO₂-uitstoot? Of is het optimale ontwerp simpelweg het meest goedkope alternatief? Zoals meestal ligt de waarheid in het midden. In het onderzoek werd daarom voor verschillende concepten zowel de CO₂-uitstoot als de kostprijs bepaald met computersimulaties. De methode werd toegepast op een woonwijk met 50 huizen, die samen van warmte worden voorzien.
Het onderzoek toonde aan dat een warmtenetwerk met een boorveld als STES-technologie het meeste potentieel heeft in Vlaanderen. Specifiek gaat het om een boorveld waarbij de temperatuur van de bodem niet boven 25°C stijgt. De warmte wordt er dus op een relatief lage temperatuur opgeslagen. Dit ontwerp resulteerde in de laagste kostprijs én in een aanzienlijke reductie van de CO₂-uitstoot, vergeleken met hedendaagse gasboilers.
Eindeloze opties! Of niet?
Kunnen we dit warmtenetwerk met een boorveld dan massaal gaan toepassen in onze steden? Nog niet meteen. In het onderzoek lag de focus namelijk op een wijk met nieuwbouwwoningen. Deze woningen zijn uitermate geschikt om te combineren met de lage opslagtemperaturen in het boorveld. Voor bestaande, oudere woningen ligt dit moeilijker omdat ze hogere temperaturen vereisen om te verwarmen. Hiervoor dringt een vervolgonderzoek zich op. Als u zich geroepen voelt …
Bibliografie
[1] M. Ahmadfard and M. Bernier. Modifications to ASHRAE’s sizing method for vertical ground heat exchangers. Science and Technology for the Built Environment 24(7), pages 803–817, 2018.
[2] B. Baeten. Residential heating using heat pumps and hot water storage tanks - Tank sizing to minimize environmental impact in a renewable energy context. PhD thesis, KU Leuven, 2017.
[3] Y. Bai, Z. Wang, J. Fan, M. Yang, X. Li, L. Chen, G. Yuan, and J. Yang. Numerical and experimental study of an underground water pit for seasonal heat storage. Renewable Energy, 150:487–508, 2020.
[4] M. Bernier. Borefield sizing: Theory and applications, 2018. In Seminar - KTH, Stockholm, Sweden, May 28th 2015. https://www.kth.se/polopoly_fs/1.574104.1550154719!/Bernier_KTH_final_f… (22-2-2021).
[5] Boydens Engineering. Practical values used in the company, based on norms and experience. (Obtained from direct contact in the company Wouter Peere).
[6] L. F. Cabeza, L. Rincón, V. Vilariño, G. Pérez, and A. Castell. Life cycle assessment (LCA) and life cycle energy analysis (LCEA) of buildings and the building sector: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 29:394–416, 2014.
[7] J. Cho, B. Park, and T. Lim. Experimental and numerical study on the application of low-temperature radiant floor heating system with capillary tube: Thermal performance analysis. Applied Thermal Engineering, 163(January), 2019.
[8] M. Cimmino. pygfunction: an open-source toolbox for the evaluation of thermal response factors for geothermal borehole fields. In Proceedings of eSim 2018, the 10th conference of IBPSA-Canada, 2018. Montral, QC, Canada, May 9-10.
[9] M. Cimmino. Semi-analytical method for g-function calculation of bore fields with series- and parallel-connected boreholes. Science and Technology for the Built Environment 25(8), pages 1007–1022, 2019.
[10] CREG. Nota over de opvallende evoluties op de Belgische groothandelsmarkten voor elektriciteit en aardgas in 2019. (January 2020). page 4.
[11] A. Dahash, F. Ochs, M. B. Janetti, and W. Streicher. Advances in seasonal thermal energy storage for solar district heating applications: A critical review on large-scale hot-water tank and pit thermal energy storage systems. Applied Energy, 239(January):296–315, 2019.
[12] Daikin Europe N.V. Prijslijst 2020-2021: Residentile lucht/lucht warmtepompen. page 5.
[13] Daikin Europe N.V. Verwarmingscatalogus residentile oplossingen 2020. pages 14-15.
[14] Daikin Europe N.V. Verwarmingscatalogus residentile oplossingen 2020. pages 139 and 164.
[15] Daikin Europe N.V. Residential air conditioners: Product catalogue for installers, 2017.
[16] W. D’haeseleer. Solar thermal energy, 2020. Lecture notes, Hernieuwbare Energie (B-KUL-H00S7A), KU Leuven.
[17] Ecovat Nederland B.V. Ecovat productinformatie. https://www.ecovat.eu/productinformatie/(20-03-2021).
[18] Engineering Toolbox. Ethylene Glycol Heat-Transfer Fluid. https://www.engineeringtoolbox.com/ethylene-glycol-d_146.html (22-10-2021).
[19] European Commission. 2050 long-term strategy. https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050_en. (12-10-2020).
[20] European Commission. New rules for greener and smarter buildings will increase quality of life for all europeans. https://ec.europa.eu/info/news/newrules-greener-and-smarter-buildings-w…. (12-10-2020).
[21] European Environment Agency. Greenhouse gas emission intensity of electricity generation in Europe. https://www.eea.europa.eu/dataand-maps/indicators/overview- of- the- electricity- production- 3/assessment(19-04-2021).
[22] Eurostat. Electricity prices for household consumers - bi-annual data (from 2007 onwards). https://ec.europa.eu/eurostat/databrowser/view/nrg_pc_204/default/table…).
[23] Eurostat. Electricity prices for non-household consumers - bi-annual data (from 2007 onwards). https://ec.europa.eu/eurostat/databrowser/view/nrg_pc_205/default/table…).
[24] Eurostat. Energy consumption in households. https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Energy_con…. (12-10-2020).
[25] Eurostat. Gas prices for household consumers - bi-annual data (from 2007 onwards)). https://ec.europa.eu/eurostat/databrowser/view/nrg_pc_
202/default/table?lang=en (21-04-2021).
[26] F. Deboosere. Zonnepanelen 2018. https://www.frankdeboosere.be/zonnepanelen/zonnepanelen2018.php (20-04-2021).
[27] E. Guelpa and V. Verda. Thermal energy storage in district heating and cooling systems: A review. Applied Energy, 252(June):113474, 2019.
[28] A. Hesaraki, S. Holmberg, and F. Haghighat. Seasonal thermal energy storage with heat pumps and low temperatures in building projects - A comparative review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43:1199–1213, 2015.
[29] J. Hoogmartens and Viessmann Belgium BV. Personal email correspondence on 21-2-2021.
[30] IEA. Seasonal thermal energy storage - Report on state of the art and necessary further R + D. pages 1–48, 2015.
[31] IEA SHC. Task 55 Large Solar Heating & Cooling Systems: Seasonal pit heat storages - Guidelines for materials & construction. 2020. IEA SHC FACT SHEET 55.C-D2.
[32] J. M. Jebamalai, K. Marlein, and J. Laverge. Influence of centralized and distributed thermal energy storage on district heating network design. Energy, 202:117689, 2020.
[33] S. S. Joshi and A. S. Dhoble. Photovoltaic -Thermal systems (PVT): Technology review and future trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 92(June 2017):848–882, 2018.
[34] LG Electronics. LG NeON2 Black datasheet. https://www.lg.com/nl/business/download/resources/CT20182061/LG02.0098_… (2021-04-20).
[35] Livios. Vlaming wil niet inboeten op woonoppervlakte. https://www.livios.be/nl/bouwinformatie/woonwijzer/bouwen/bouwbudget-en… (2020-10-12).
[36] Livios. Wat kost een gascondensatieketel? https://www.livios.be/nl/bouwinformatie/technieken/verwarming-en-koelin… (2021-03-30).
[37] LOGSTOR A/S. Design with twinpipes version 2016.08. https://www.logstor.com/media/5355/design-with-twinpipes-201608.pdf(15-….
[38] LOGSTOR A/S. Product catalogue, district energy version 2020.09 (07-ib). https://www.logstor.com/media/6995/product-catalogue-uk-202104.pdf(30-1….
[39] M. Lumbreras Mugaguren, R. Garay Martínez, V. Sánchez Zabala, K. Korsholmstergaard, and M. Caramaschi. Triple function substation and high-efficiency micro booster heat pump for Ultra Low Temperature District Heating. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, (5), 2019.
[40] H. Lund, S. Werner, R. Wiltshire, S. Svendsen, J. E. Thorsen, F. Hvelplund, and B. V. Mathiesen. 4th Generation District Heating (4GDH). Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems. Energy, 68:1–11, 2014.
[41] R. Lund, D. S. Østergaard, X. Yang, and B. V. Mathiesen. Comparison of lowtemperature district heating concepts in a long-term energy system perspective. International Journal of Sustainable Energy Planning and Management, 12:5–18,
2017.
[42] X. Masip, E. Navarro-Peris, and J. M. Corberán. Influence of the Thermal Energy Storage Strategy on the Performance of a Booster Heat Pump for Domestic Hot Water Production System Based on the Use of Low Temperature Heat Source. Energies, (24):6576, 2020.
[43] L. Mesquita and Drake Landing Solar Community. Iea shc task 55, d-d3: Identification and preparation of best practice examples. Document received via e-mail contact.
[44] A. Neave. Heat pumps and their applications. Reed Educational and Professional Publishing Ltd, second edition edition, 2002.
[45] NIBE Energietechniek B.V. Handleiding nibe mt-mb21. page 11.
[46] NIBE Energietechniek B.V. Nibe prijscatalogus 2020. page 24.
[47] F. Ochs, A. Dahash, A. Tosatto, and M. Bianchi Janetti. Techno-economic planning and construction of cost-effective large-scale hot water thermal energy storage for Renewable District heating systems. Renewable Energy, 150:1165–
1177, 2020.
[48] F. Ochs, J. Nußbicker, R. Marx, H. Koch, W. Heidemann, and H. Müller- Steinhagen. Solar assisted district heating system with seasonal thermal energy storage in Eggenstein-Leopoldshafen. Conference Proceedings, 2008.
[49] ODE-Vlaanderen. Warmte uit zonlicht, 2013. https://www.olino.org/wpcontent/uploads/2008/articles/potentie_zonne-en….
[50] Owens Corning Foamglas. Foamglas one insulation. https://www.foamglas.com/en- us/applications-and-solutions/storage-tanks,-spheres,-vessels/water-containment/fresh-water-tanks/fresh-water-tanks (08-
03-2021).
[51] T. Pauschinger, T. Schmidt, P. Alex Soerensen, D. Aart Snijders, R. Djebbar, R. Boulter, and C. Jeff Thornton. Integrated Cost-effective Large-scale Thermal Energy Storage for Smart District Heating and Cooling - Design Aspects for Large-Scale Aquifer and Pit Thermal Energy Storage for District Heating and
Cooling. International Energy Agency Technology Collaboration Programme on District Heating and Cooling including Combined Heat and Power, 2018(September), 2018.
[52] W. Peere. Methode voor economische optimalisatie van geothermische verwarmings- en koelsystemen. Master’s thesis, KU Leuven, 2020.
[53] W. Peere, D. Picard, I. Cupeiro Figueroa, W. Boydens, and L. Helsen. Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Proceedings of International Building Simulation Conference 2021 (2021). Brugge (Belgium), 1-3 September 2021. Abstract accepted.
[54] P. Pinel, C. A. Cruickshank, I. Beausoleil-Morrison, and A. Wills. A review of available methods for seasonal storage of solar thermal energy in residential applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(7):3341–3359, 2011.
[55] REC GROUO. REC ALPHA SERIES product specifications). recgroup.com/sites/default/files/documents/ds_rec_alpha_series_en.pdf?t=1621420501 (2021-04-20).
[56] M. Reuss, W. Beuth, M. Schmidt, and W. Schoelkopf. Solar district heating with seasonal storage in Attenkirchen. Proceedings of the IEA Conference ECOSTOCK, Richard Stockton College Pomona, New Jersey, USA, (February), 2006.
[57] S. Goessens. Zonnepanelen prijzen in 2021. https://zonnepanelenenergie.be/prijzenp (2021-04-20).
[58] A. Sørensen and T. Schmidt. Design and Construction of Large Scale Heat Storages for District Heating in Denmark. International Conference on Energy Storage, (April), 2018.
[59] S. Suman, M. K. Khan, and M. Pathak. Performance enhancement of solar collectors - A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, pages 192–210, 2015.
[60] Y. Tian and C. Y. Zhao. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications. Applied Energy, 104:538–553, 2013.
[61] B. van der Heijde. Optimal integration of thermal energy storage and conversion in fourth generation thermal networks. PhD thesis, KU Leuven, 2019.
[62] A. Vandermeulen and L. Vandeplas. Floor heating in residential buildings: optimisation towards different objectives in a smart grid context. Master’s thesis, KU Leuven, 2016.
[63] Viessmann Belgium BV. Planningshandleiding - vitocal 200-g-2020.
[64] Viessmann Belgium BV. Planningshandleiding - vitocal 300-g pro - 2018.
[65] Viessmann Belgium BV. Planningshandleiding - vitocal 350-ht pro - 2017.
[66] Viessmann Belgium BV. Technical guide - Solar thermal systems, 2008.
[67] Viessmann Belgium BV. Vitosol Planningsaanwijzing, 2016.
[68] Viessmann Belgium BV. Vitosol 200-FM/-F Datenblatt, 2017.
[69] Viessmann Belgium BV. Technology brochure - Solar thermal systems Vitosol, 2018.
[70] P. Wallentén. Steady-state heat loss from insulated pipes, 1991. Byggnadsfysik LTH, Lunds Tekniska Högskola.
[71] WTCB i.s.m. A.G.T. n.v. en de Smart Geotherm werkgroep. Code van goede praktijk: Het ontwerp, de uitvoering en het beheer van kwo systemen in vlaanderen. https://www.smartgeotherm.be/documents/2017/02/code-goedepraktijk-kwo.p… (25-05-2021).
[72] M. Zhao, Z. L. Gu, W. B. Kang, X. Liu, L. Y. Zhang, L. W. Jin, and Q. L. Zhang. Experimental investigation and feasibility analysis on a capillary radiant heating system based on solar and air source heat pump dual heat source. Applied Energy, 185:2094–2105, 2017.
[73] P. Zijlema. Berekening van de standaard co2-emissiefactor aardgas t.b.v. nationale monitoring 2020 en emissiehandel 2020. https://www.rvo.nl/sites/default/files/2020/05/vaststelling-standaard-c….
