7.3.9 Warmte-opslag (en koudeopslag - WKO)

Het opslaan van warmte en/of koude is een belangrijk onderdeel van verschillende systemen voor duurzame energie en andere energie-efficiënte installaties. Door gebruik te maken van warmte- en/of koudeopslag wordt het rendement van dergelijke systemen vergroot. Men spreekt van een WKO (Warmte/Koudeopslag) wanneer in een systeem zowel warmte als koude wordt opgeslagen waarbij de warmte 's winters gebruikt wordt en de koude 's zomers. In deze paragraaf is vooral aandacht voor de opslag van warmte, zie paragraaf 8.3.3 en paragraaf 8.3.4 voor de opslag van 'koude'.

Warmte-opslag is vooral van belang bij actieve zonne-energie, warmtepompen en warmtekrachtkoppeling (WKK). Dit komt doordat:

• De zon alleen overdag schijnt, terwijl er juist in de avond of vroege ochtend veel vraag is;
• Warmtepompen meestal een relatief lage capaciteit hebben. Men moet dus de warmte tijdelijk kunnen opslaan om aan de piekvraag te kunnen voldoen;
• WKK-installaties zoveel mogelijk draaiuren achter elkaar moeten maken, dus zonder aan- en uitschakelen; het opstarten kost namelijk relatief veel energie en verkort de levensduur. Ook wil men een WKK juist laten draaien als stroom duur is, dat valt meestal niet samen met momenten met een hoge warmtevraag.

We onderscheiden enerzijds systemen voor de korte en anderzijds voor de lange termijn.

Korte termijn
Watervat: Een bekend voorbeeld hiervan is het voorraadvat van een zonneboilersysteem. Dit vat is bedoeld voor de opslag van warm water van maximaal zo'n 80 à 90 °C voor maximaal enkele dagen. Een andere toepassing is bijvoorbeeld het tijdelijk opslaan van restwarmte van een WKK-installatie. In afbeelding 7.23 is een voorbeeld te zien van een korte-termijn-opslag voor de warmte afkomstig van zowel zonnecollectoren als warmtepompen. Het gaat hierbij steeds om opslag van 'hogere' temperaturen, vanaf ongeveer 40 °C gemiddeld over het jaar. Het is van belang om dit soort vaten erg goed te isoleren en vooral te letten op warmtelekken door aansluitingen en de poten waar het vat op staat. Om thermische trek in de aansluitingen te voorkomen moeten die zoveel mogelijk naar beneden gevoerd worden. Aansluitingen op de kop zijn meestal grote lekken.

Langere of lange termijn/seizoensopslag. Opslag temperatuur < 20 °C
De warmte kan niet direct benut worden voor ruimteverwarming. Warmtepompen zijn essentieel om de warmtevoorraad van dit niveau te kunnen gebruiken.
Bij deze warmte-opslag wordt in de zomer de temperatuur opgevoerd richting 20 °C. Die warmte is meestal afkomstig van koeling van de woning via vloer- of wandkoeling, maar kan ook afkomstig zijn van een zonnecollectorsysteem (afbeelding 7.34). Een 'normaal' bodembronsysteem (via een gesloten buizenstelsel, ook wel bodemwisselaar genoemd) heeft een temperatuur van rond de 12 °C, de temperatuur die de bodem van nature heeft. De verhoogde temperatuur kan zorgen voor de verhoging van de COP van een warmtepomp in de winter met één punt (bijvoorbeeld van 5 naar 6). De buizen kunnen ook opgenomen zijn in heipalen; een zorgvuldig bouwproces is vereist i.v.m. aansluiting buizenstelsel aan bovenzijde van de palen.

Langere of lange termijn/seizoensopslag. Opslag temperatuur > 25 °C
De warmte kan direct gebruikt worden voor ruimteverwarming. De opslag kan plaatsvinden in:

• Een 'aquifer' ('open' systeem). Dit is een watervoerende bodemlaag. De warmte wordt bij een aquifer rechtstreeks in het (grond)water en het zand opgeslagen. Een voor warmte-opslag geschikte aquifer bestaat meestal uit een zandlaag die is omgeven door 'waterdichte' (horizontale) lagen klei. De grondwaterstromen in de zandlaag mogen slechts een beperkte snelheid hebben om warmteverliezen te beperken. Bij een doorlatende grond ontstaan thermische stromingen die het warmteverlies sterk vergroten. Anderzijds moet de grond wel doorlatend zijn omdat anders geen water opgepompt kan worden. Door deze tegenstrijdigheid is het lastig om geschikte plaatsen te vinden voor hoge-temperatuur-opslag. Het temperatuurniveau moet daarom meestal laag blijven. Een mooi voorbeeld hiervan in de bestaande bouw is het 2MW project van Eneco in Haarlem (opslagtemperatuur circa 40 °C) (afbeelding 7.31);
• Een grote watervoorraad. Een grote inhoud is essentieel om de oppervlakte-inhoud verhouding gunstig te laten zijn en daarmee het warmteverlies te beperken. Diverse uitvoeringen zijn mogelijk zoals een metalen of betonnen tank, of een in de bodem uitgegraven put met bekleding. De bovenzijde en de omtrek moeten zeer goed geïsoleerd worden, denk aan één meter dikte. Temperaturen tot 80 °C zijn mogelijk. In het buitenland lopen diverse proefprojecten hiermee (afbeelding 7.32), in ons land is eind 2014 een prototype van een ondergronds opslagvat met behulp van o.a. een damwand aangelegd [190];
• Buizenstelsel in zand-, klei- en veenlagen ('gesloten' systeem, ook wel verticale bodemwisselaar genoemd). De (zonne)warmte wordt via een vloeistof in een gesloten buizenstelsel aan de bodem afgegeven en weer teruggewonnen. De buizen kunnen ook opgenomen zijn in heipalen; een zorgvuldig bouwproces is vereist i.v.m. aansluiting buizenstelsel aan bovenzijde van de palen. Ook bij het buizenstelsel mogen er natuurlijk geen grondwaterstromen zijn. De grondmassa waar de buizen inzitten moet aan de bovenzijde en rondom zeer goed geïsoleerd worden (in tegenstelling tot de systemen voor temperaturen < 20 °C). Hoge temperaturen zijn mogelijk.

Meer informatie: zie brochure 'Wko 3x beter' [183], wkotool.nl, www.bodemenergie.nl en www.rws.nl.

Ga bij het toepassen van bodemenergiesystemen (warmte- en koudeopslag – WKO) goed na welke vergunning of melding vereist is. Er wordt daarbij onderscheid gemaakt tussen 'open' en 'gesloten' systemen.
Zo is voor open systemen meestal een watervergunning nodig. De Provincie geeft voor kleine systemen waarbij de wateronttrekking kleiner is dan 10 m³ per uur soms vrijstelling. Wel is dan een melding nodig in het kader van het Waterbesluit.
Bij gesloten systemen die binnen een 'inferentiegebied' liggen is een 'Omgevingsvergunning beperkte milieutoets' nodig en anders altijd een melding. Voor systemen die een bodemzijdig vermogen ≥ 70 kW hebben of in een 'interferentiegebied' liggen is ook een 'Omgevingsvergunning beperkte milieutoets' nodig. Bij bodemenergiesystemen in elkaars nabijheid bestaat het risico dat de thermische invloedsgebieden elkaar overlappen (=interferentie). Meestal is de gemeente het bevoegd gezag.
Zie voor meer info www.infomil.nl.

Afb. 7.31 In het 2MW-project in het Haarlemse stadsdeel Schalkwijk wordt bij 382 bestaande flatwoningen door toepassing van verschillende systemen en maatregelen een energiebesparing gehaald van 70%. Een nooit eerder op zo'n grote schaal toegepaste combinatie van zonnecollectoren, warmteopslag in de bodem en warmtepompen vervangt de bestaande verwarmingsinstallatie. De zonnecollectoren zijn in duidelijk zichtbare 'dakkappen' opgenomen. (Betrokken partijen: Opdrachtgevers: Elan Wonen Haarlem, de Woonmaatschappij en Pré Wonen; energiesysteem: Eneco; adviseur: BOOM-SI en DWA)

Afb. 7.32 Seizoenopslag voor zonnewarmte in Friedrichshafen (Duitsland) voor een project met bijna 600 appartementen. De opslag bestaat uit een grotendeels ingegraven betonnen tank (12.000 m³). De tank is aan de binnenzijde bekleed met roestvrijstaal in verband met de waterdichtheid. Zonnecollectoren met een totale oppervlakte van 5600 m² leveren de warmte. Realisatie: 1996 [172]

Afb. 7.33 Principe aquifer in winterperiode. In de praktijk worden zandlagen gebruikt die minimaal zo'n 20 meter dik zijn en die op een diepte tussen 40 en 150 meter liggen

Afb. 7.34 Seizoenopslag voor zonnewarmte in het project Froukemaheerd in de Groningse wijk Beijum uit 1980. De opslag bestaat uit 15 km slangen aangebracht onder een centraal gelegen grasveldje. De opslag heeft een diameter van bijna 40 m en een diepte van 20 m en is aan de bovenzijde geïsoleerd. De 96 woningen zijn voorzien van totaal 2350 m² zonnecollectoren. Het verwarmingssysteem in de woningen bestaat uit lage temperatuur radiatoren. Er is een centrale bijstook met gasketels. Uit metingen blijkt dat de bijdrage van de zonne-energie aan de totale warmtevraag voor ruimte- en tapwaterverwarming ongeveer 65% bedraagt. De gemiddelde temperatuur van de bodem in de opslag varieert van circa 30 °C rond februari tot bijna 50 °C rond oktober. Het totale systeem functioneert nog steeds zonder bijzondere klachten. In de loop van de jaren zijn wel enige wijzigingen aangebracht en reparaties verricht [173]. In 2009 is het installatiesysteem gerenoveerd en aangepast [181]. Zo zijn er o.a. efficiëntere zonnecollectoren aangebracht zodat de collectoroppervlakte kleiner kon zijn en er ruimte vrij kwam om PV-panelen te plaatsen. De gewonnen warmte wordt nu (in tegenstelling tot voor de renovatie) direct in de desbetreffende woning voor tapwater gebruikt. Een overschot wordt per woonblok verzameld en voor ruimteverwarming gebruikt. Alleen als daarna nog warmte over is, wordt deze centraal opgeslagen. (Bron: Ontwerp: Architecten- en Ingenieursbureau Kristinsson i.s.m. Bredero Energy Systems; renovatie: BAM Techniek i.s.m. Nefit, Opdrachtgever: corporatie De Huismeesters)