Evolutie van warmtenetten

Je hebt warmtenetten en warmtenetten. Om niet alles op één hoop te gooien is het goed wat dieper in te zoomen op warmtenetten.

Algemeen leeft bij de consument dat warmtenetten duur zijn. Dit komt met name doordat deze (oudere generatie) warmtenetten exergetisch minder efficiënt zijn. Tevens is de onderliggende kosten structuur niet transparant. Bij 5e generatie warmtenetten ontstaan ongekende mogelijkheden, ook voor de aangesloten consumenten.

Klassieke warmtenetten – 3e Generatie

De huidige traditonele 3e generatie warmte/koude netwerken (in het Engels 3th Generation District Heating Grids afgekort als 3DHG) zijn centraal gestructureerd, waarbij van uit een centrale energiecentrale klanten worden voorzien van warmte en koude, veelal nog op basis van FOSSIELE BRONNEN zoals aardgas en olie op hoge temperatuur (>120 graden) of afvalverbranding.

Er is een mooie parallel te trekken tussen warmtenetten en de ontwikkeling van ICT

Er is een mooie parallel te trekken tussen de ontwikkeling van ICT. De huidige 3e generatie warmte/koude netwerk is te vergelijken met een Mainframe Computer uit het verleden.

De structuur van het 3e generatie warmte en koude netwerk is hiërarchisch met een transport- en distributienet, en laat zich goed ontwerpen en ontwikkelen met bestaande tools en technieken, volgens een seriële aanpak van planning-concept-ontwerp-engineering-deployment-operation.

In deze ontwikkeling wordt vaak op pieklast en worst-case scenario’s ontworpen, wat leidt tot relatief hoge CAPEX (Investeringen) en OPEX (onderhoudskosten): grote diameters van leidingen in netwerkinfrastructuur, bijbehorende pompvermogens voor transport en transportverliezen. Met name deze hoge kosten vormen een belemmering voor een goede business case.

Klassieke warmtenetten – 4e Generatie

De huidige traditionele 4e generatie warmte/koude netwerken (in het Engels 4th Generation District Heating Grids afgekort als 4DHG) zijn vaak centraal gevoed en decentraal gestructureerd, waarbij van uit een energiecentrale, ondersteund met decentraal ingevoede restwarmte van industrie, biomassa of AARDGASGESTOOKTE WKK installaties, klanten worden voorzien van warmte en koude op midden temperatuur (>70 graden). Er is een mooie parallel te trekken tussen de ontwikkeling van ICT. Het huidige 4e generatie warmte/koude netwerk is te vergelijken met een Workstation Computer uit het verleden.

De (4e) generatie warmtenetten bieden betere kansen om de voordelen van warmtenetten te behouden en de 3e generatie nadelen weg te nemen. De belangrijkste verdienste is dat de betaalbaarheid (CAPEX/OPEX), de duurzaamheid en de toekomstbestendigheid kunnen verbeteren.

Toch is de adoptie van 4e generatie warmtenetten in Nederland laag. Een belangrijke reden is dat de ingenieurs- en ontwerpbureaus die netten ontwerpen gebruik maken van ontwerpmethodes, die voor 4e generatie warmtenetten vaak niet toereikend zijn. Warmte verplaatsen over grote afstand op hoge(re) temperaturen is energetisch financieel niet efficiënt.

5e generatie warmtenetten - thermal smart grid - KoWaNet

Inmiddels zijn er 5e generatie warmte/koude netwerken die gebruik maken van decentrale energiecentrales bij de eindgebruikers. Een voorbeeld hiervan is het Mijnwater warmte/koude netwerk.Wat gerealiseerd en geexploiteerd wordt in Heerlen. Deze kunnen via een slim netwerk direct warmte en koude met elkaar uitwisselen. Er is sprake van een thermische cloud.

Het 5e generatie warmtenet betreft de toevoeging van de elementen tijd (buffering) en intelligentie (Controlling). Buffering in gebouwen is beperkt. Het betreft enkel korte termijn buffering op uur en dag basis. Het gaat om optimale balancering van vraag en aanbod.

Intelligentie en opslag

5e Generatie warmtenetten worden ontworpen volgens het laag-energie principe. De warmte in de decentrale clusters, met een temperatuur van 25 graden wordt met behulp van kleine warmtepompen in cascade, in temperatuur verhoogd naar de vereiste temperatuur voor ruimteverwarming, 40 graden max voor nieuwe gebouwen en 50 graden max. voor gerenoveerde gebouwen.

Temperatuur 40 graden max voor nieuwe gebouwen en 50 graden max voor gerenoveerde gebouwen.

Met behulp van individuele booster warmtepompen (zie onderstaande visual) in de woningen wordt de temperatuur verder verhoogd tot 65 graden voor de bereiding van warm tapwater. Hiermee wordt onnodige circulatie met bijbehorende warmteverliezen voorkomen. De installatie zijn tevens hybride, in staat om zich aan te passen aan wisselende temperaturen in het cluster-netwerk die kunnen optreden door de toepassing van additionele restwarmtebronnen. De beschikbare energie kan daarbij zo passief als mogelijk worden hergebruikt.

Een intelligente laag is nodig om de procesbesturingssystemen aan te sturen. De intelligente controller is adaptief en voorspellend op basis van de verbruiksprofielen van de aangesloten gebouwen en beschikbaarheid van de duurzame bronnen. Daarbij maakt de controller gebruik van meerdere control strategieën zoals cell/cluster balancering gericht op optimaal hergebruik, piek/dal afvlakking van de vraag gericht op optimale inzet van de beschikbare duurzame bronnen en benutting van de netwerkcapaciteit en marktinteractie gericht op kosten en opbrengsten optimalisatie.

Met behulp van Warmte/Koude opslag (WKO) is buffering op gebiedsniveau voor de middellange en lange termijn mogelijk waarmee over een veel langer termijn de vraag kan worden uitgevlakt, de energie kan worden vastgehouden en (passief) hergebruikt. De WKO wordt ingezet als buffer voor laagtemperatuur warmte uit het cluster-net, maar ook als productiebuffer voor geproduceerde warmte. Met behulp van additionele hoog-temperatuur bronnen zoals zonthermisch, biomassa, restwarmte of overschotten van groene stroom op het elektriciteitsnet kan de temperatuur verder worden verhoogd.

Primaire functie van hde WKO is piek/dal uitvlakking, daarnaast kan de WKO worden ingezet voor opslag van restwarmte die vrij komt tijdens het koelen van de aangesloten gebouwen, maar ook additionele restwarmte of warmte uit duurzame bronnen. Deze warmte kan direct zonder gebruik van warmtepompen worden (her-) gebruikt ofwel passief. De WKO kan ook worden ingezet als seizoensbuffer, om zoveel mogelijk warmtewinsten in de zomer (tijdens het koelen van de gebouwen en/of zonthermisch) op te slaan voor gebruik in de winter.

Samenvatting: 5de generatie warmtenetten: 10 voordelen op een rij

1. Duurzame thermische smart grid
2. Cloud structuur (3 besturingsniveau’s)
3. Uitwisseling (hergebruik; prosumers)
4. Buffering (tijd)
5. Meervoudige warmtebronnen (hybride)
6. Demand & supply side management (intelligentie)
7. Laag-exergetisch (LT-verwaming & HT-koeling)
8. Gasloos
9. Integreerbaar met elektrische (smart) grid CO2-emissie reductie: 80–100%
10. Reproduceerbaar voor andere Steden en Gemeentes: op basis van beschikbare blauwdruk

zie ook KoWaNet