Een van de grootste uitdagingen in de warmtetransitie is de opslag van warmte. Bij de gebouwde omgeving en zeker de woningbouw betekent dat: hoe bewaren we een overschot aan warmte voor koude periodes in de toekomst? In dit artikel een overzicht van geschikte opslagmethodes voor woningen, die met de huidige technieken mogelijk zijn. We beginnen met een inleiding, die de gekozen focus en context uitlegt.

Scope en context

Duurzame warmte

In dit artikel hebben we het over het opslaan van duurzaam opgewekte warmte. Bijvoorbeeld door de zon verwarmd water dat is opgeslagen in een buffervat.

Een op gas gestookte volle ketel is ook een vorm van warmteopslag, maar hierbij is de warmte niet duurzaam opgewekt. Elektriciteit die door zonnepanelen is opgewekt en is opgeslagen in een batterij om een warmtepomp op te laten draaien? Draagt indirect wel bij aan duurzame warmte, maar valt niet sec onder warmteopslag.

Geschikt voor woningen

We hebben het in dit artikel over warmteopslag voor woningen. Er zijn al veel geschikte methodes om warmte goed te kunnen opslaan. Er bestaan ook een aantal experimentele die wellicht geschikt zijn in de industrie, maar momenteel niet veilig of bruikbaar genoeg voor woningbouw.

Bekende Nederlandse innovaties zijn het Ecovat en de Solarfreezer. Dit zijn productspecifieke oplossingen die onder één van de opslagmethodes vallen. In dit artikel benoemen we niet het merk of de fabrikant.

warmtebuffering per dag
Bron: TKI Urban Energy

 

Dag versus seizoen

Dan is er nog een belangrijk onderscheid te maken: hebben we het over warmteopslag voor een korte periode (bijvoorbeeld een dag) – om een teveel aan warmte op een ander moment van de dag te kunnen gebruiken? Of over warmteopslag voor een seizoen – de warmteoverschotten van de zomer bewaren voor de winter?

De grootste uitdaging bij die laatste is de “Dunkelflaute: de Duitse term voor de winterperiode van ongeveer twee weken waarin wind noch zon energie leveren. Om die periode(s) te kunnen overbruggen met warmte uit seizoensopslag, moet de capaciteit en het vermogen van de warmtebuffer daarop afgestemd zijn.

dunkelflaute grafiek
Bron: TKI Urban Energy

Temperatuur

Verschillende afgiftesystemen en huishoudens vragen om een andere temperatuur verwarming. Het gaat grofweg over hoge-, midden- en lagetemperatuursystemen.

  • Hoge temperatuur (HT): 70 - 90 ⁰C
  • Midden temperatuur (MT): 50 - 70 ⁰C  
  • Lage temperatuur (LT): 30 - 50 ⁰C
  • Zeer lage temperatuur (ZLT): < 30 ⁰C

Opslagmethodes

1. Buffervat

buffervat

Een buffervat met warmwater binnenshuis. Aangesloten op een grotere warmte-installatie zoals zonnecollectoren met warmtepomp. Dit is warmteopslag in de gemakkelijkste vorm: de warmte wordt opgeslagen in de thermische massa van water in een bovengronds vat.

MT/HT
Opslagcapaciteit voor: dag tot dagen
Geschikt voor: woning

2. Thermische massa

thermische massa

Een woning met een zware constructie – beton en steen – kan warmte overdag goed vasthouden en haar gedurende de dag verder uitstralen. Dit vergt een grote massa. Hij warmt langzaam op, maar heeft een grote warmtecapaciteit. Zo houdt de woning veel warmte vast en blijft deze warmte uitstralen. Zo werkt dit ook bij vloerverwarming: je warmt de vloer langzaam op, maar de vloer blijft daarna een lange tijd warmte naar de ruimte uit stralen.  

LT/MT
Opslagcapaciteit voor: dag tot dagen
Geschikt voor: woning

3. Zonnevriezer

ijspack

In plaats van warmte op te slaan in thermische massa, wordt bij de zonnevriezer warmte opgeslagen in het faseverschil tussen ijs en water. Je moet veel warmte toevoegen om ijs te laten smelten. Maar het omgekeerde is ook waar: bij de overgang van water naar ijs komt er warmte vrij. Die warmte kun je gebruiken om een woning mee te verwarmen. Als er weer voldoende warmte is, gebruik je die om het ijs weer te ontdooien. Deze opslagmethode wordt gebruikt in combinatie met een systeem van zonnecollectoren en warmtepomp.

LT/MT
Opslagcapaciteit voor: dag tot dagen
Geschikt voor: woning

4. Bodemwarmtewisselaars

bodemwarmtewisselaar

De bodem heeft een grote opslagcapaciteit. Dat betekent dat je in de bodem warmte op kunt slaan voor een heel seizoen. Dit kan met bodemwarmtewisselaars. Voor woningniveau zijn er in die categorie grofweg twee typen: de horizontale en de verticale warmtewisselaar.

In Nederland worden bodenwarmtewisselaars voornamelijk voor lagetemperatuursystemen gebruikt. Daarbij past een horizontale warmtewisselaar het beste. Voor systemen met middentemperatuur zijn verticale warmtewisselaars geschikter.

Zo werkt het: in de grond worden ‘lussen’ geplaatst. Deze lussen zijn flexibele leidingen met gevuld met glycol of een andere warmtetransport vloeistof. Afhankelijk van het seizoen wordt hiermee de grond verwarmd of gekoeld.

Door gebruik te maken van de stabiele temperatuur en enorme thermische massa van de aarde, kun je goed warmte en koude onttrekken. Het is wel belangrijk dat dit in het opvolgende seizoen weer gecompenseerd wordt – om de bodembalans te behouden.

De ontrokken warmte of koelte wordt weer verder opgewaardeerd door een warmtepomp voor binnenshuis.

Zeker de verticale bodemwarmtewisselaar is goed opschaalbaar. Hij is geschikt voor grotere woningcomplexen. Er zijn ook nog enkele andere minder gangbare varianten van bodemwisselaars.

LT/MT
Opslagcapaciteit voor: seizoen
Geschikt voor: enkele woning tot woonblok

5. Warmtekoudeopslag (wko)

wko

Dit is de meest bekende opslagmethode voor wijken. In twee grote waterbellen (aquifers) wordt warmte en koude opgeslagen over de seizoenen. Hierdoor kun je het overschot warmte van de zomer in de winter gebruiken. En met koelte andersom. Belangrijk is wel dat de overschotten en vraag in balans worden gehouden.

Bij deze methode maak je gebruik van de stabiele temperatuur van de grond. Het water uit de waterbubbels wordt in een afzonderlijke lus omhoog en terug omlaag gepompt.

LT/MT
Opslagcapaciteit voor: seizoen
Geschikt voor: wijk

6. Tank thermische energieopslag

tank thermisch

Deze opslagmethode omvat goed geïsoleerde betonnen tanks waarin warmte wordt opgeslagen. Ze worden vaak (deels) boven de grond geïnstalleerd. Meestal worden ze ingezet voor piekbelasting, maar het kan ook voor seizoensopslag. Er zijn speciale varianten met warmtewisselaars in de wand.

MT/HT
Geschikt voor: woonblok tot woonwijk
Opslagcapaciteit voor: week tot seizoen

7. Pit thermal energy storage

pit thermal

Deze methode houdt in dat er een ondiep gat uitgegraven wordt met daarin een waterdichte en geïsoleerde ruimte: een pit. Hierin wordt warmte water opgeslagen waarmee je de seizoenen kunt overbruggen.

Deze vorm van opslag wordt in Denemarken al veel gebruikt bij warmtesystemen op zonnecollectoren. Maar ook in Nederland is deze methode in combinatie met een aantal warmtesystemen mogelijk: met simpele warmtewisselaars of door middel van warmtepompen die de warmte nog verder doen stijgen. Nadeel is het relatief grote warmteverlies van de pit.

MT
Opslagcapaciteit: maanden
Geschikt voor: wijk 

8. Oppervlaktewater

oppervlaktewater

Het oppervlaktewater van grote plassen, kanalen en rivieren kun je zien als passieve opslag. De zon warmt het water op. Je kunt de warmte vervolgens uit het water onttrekken. Ons oppervlaktewater dreigt door klimaatverandering warmer te worden dan goed is vanuit ecologisch perspectief. Die warmte onttrekken en gebruiken om onze huizen mee te verwarmen kan goed als buffer werken voor mens en natuur.

LT/MT
Opslagcapaciteit: maanden
Geschikt voor: wijk