Warmte

In Nederland spelen verschillende bronnen een cruciale rol in het verwarmen van gebouwen. In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op de diverse bronnen van warmtevoorziening.

Aardgas

Sinds de jaren 60' heeft aardgas een onschatbare waarde gehad in de Nederlandse maatschappij. Decennialang heeft aardgas gediend als de belangrijkste bron voor ruimteverwarming. Het wordt beschouwd als een betrouwbare en efficiënte bron van warmte. Het gebruik van aardgas voor verwarming brengt echter ook uitdagingen met zich mee. Om te beginnen is het verbrandingsproces van aardgas in gasketels gebaseerd op de chemische reactie tussen methaan (CH$_4$) en zuurstof (O$_2$), wat resulteert in koolstofdioxide (CO$_2$), water (CH$_2$O) en warmte. Echter, met de CO$_2$ reductiedoelen van de overheid in het achterhoofd wordt duidelijk dat verwarming met aardgas niet bijdraagt aan deze doelen.

Bovendien is de gaswinning in Groningen per oktober 2023 gestopt, waarmee er na 60 jaar een einde aan de gaswinning uit het Groningenveld komt. Naar verwachting zal het aantal en de kans op aardbevingen in Groningen daardoor afnemen. In geval van nood kan er echter nog tot oktober 2024 gas worden gewonnen. Door het stoppen met de gaswinning uit Groningen wordt Nederland nu afhankelijk van de levering van gas uit het buitenland, bijvoorbeeld uit Noorwegen. Daarnaast worden in rap tempo LNG terminals bijgebouwd, waar LNG dat het land binnenkomt kan worden omgezet.

Beleidsdoelen voor warmte

In het Klimaatakkoord hebben overheden zich in 2019 gecommitteerd aan de afspraak om in 2030 de CO$_2$ uitstoot met 49% te reduceren ten opzichte van 1990. De warmtetransitie draagt bij aan dit doel. Door de overheid is dit vertaald naar de doelstelling om voor 2030 ca. 1,5 miljoen aardgasvrije woningen te hebben. Hierbij is het einddoel om in 2050 de volledige gebouwvoorraad in Nederland goed geïsoleerd te hebben en verwarmd met duurzame warmte. Bovendien is in 2018 door de overheid besloten dat alle nieuwbouwwoningen die gebouwd worden aardgasvrij moeten zijn. Dat houdt in dat gasloos bouwen nu verplicht is en alle nieuwe woningen worden uitgerust met een alternatieve verwarmingsinstallatie. Voorbeelden van alternatieven zijn:
• Elektrische warmtepomp
• Warmtenet met HT - MT bronnen
• Warmtenet met LT bronnen
• Aardwarmte
• Groengas
• Waterstof

(Individuele) elektrische warmtepomp

Een individuele elektrische warmtepomp onttrekt warmte aan de omgeving (lucht, water, bodem) en gebruikt deze vervolgens voor ruimteverwarming. Bij een warmtepomp wordt een koudemiddel (Freon) gebruikt dat een kookpunt heeft van -48,5 graden Celsius (onder atmosferische druk). Dit koudemiddel wordt in vloeibare vorm in een gesloten systeem geplaatst en vervolgens naar een verdamper gebracht. Hier wordt het onder druk van 8,5 bar gebracht waardoor het al bij 5 graden Celsius kookt. Wanneer buitenlucht (met een temperatuur van 10 graden Celsius) langs deze verdamper stroomt, die kouder is dan het kookpunt van het koudemiddel, zal het koudemiddel gaan koken. De lucht van 10 graden Celsius fungeert dus eigenlijk als een warmtebron: het koudemiddel onttrekt warmte aan de buitenlucht om te kunnen koken. Vervolgens wordt het gas aangezogen door een compressor die de druk verhoogt naar 30 bar waarbij het gas condenseert bij 50 graden Celsius. Wanneer er nu water langs stroomt met een temperatuur van 30 graden Celsius (dit is dus lager dan het kookpunt van het koudemiddel) zal het koudemiddel condenseren. De vrijkomende warmte wordt dan geabsorbeerd door het water waardoor het water opwarmt. Zodra het koudemiddel volledig is gecondenseerd tot vloeistof, wordt het door een expansieventiel weer in druk verlaagt en begint het proces opnieuw.

De enige energie die nodig was om het koudemiddel te verdampen is dus verkregen uit de buitenlucht. Elektriciteit is nodig om het proces op gang te houden, namelijk voor het aandrijven van de compressor. Over het algemeen wordt bij moderne warmtepompen aangehouden dat er 1 deel elektriciteit nodig is en 4 delen energie uit de buitenlucht. In dit voorbeeld is de warmte onttrokken uit de buitenlucht, maar er zijn ook warmtepompen die gebruik maken van warmte uit de bodem of uit water.

Een warmtepomp bestaat dus uit de volgende 4 hoofdcomponenten:
1. Verdamper. In het lage drukcircuit van de warmtepomp wordt warmte onttrokken aan een bron om het koudemiddel te laten verdampen. Hierdoor verandert de aggregatietoestand van het koudemiddel van vloeistof naar gas.
2. Compressor. Het component in de warmtepomp dat ervoor zorgt dat het koudemiddel onder verschillende drukken kan worden rondgepompt. Het verhoogt de druk van het koudemidddel zodat het klaar is voor het volgende stadium in het proces.
3. Condensor. In het hoge drukgedeelte van het circuit condenseert het koudemiddel in de condensor, waarbij alle toegevoerde warmte weer vrijkomt. Deze vrijgekomen warmte wordt geabsorbeerd door water dat langs de condensor stroomt. Het opgewarmde water wordt vervolgens gebruikt om gebouwen te verwarmen.
4. Expensieventiel. Het expansieventiel is een elektronisch regelbare vernauwing in het circuit die de druk verlaagt. Door het expansieventiel is de druk hoog, terwijl het na het expansieventiel laag is.

Warmtenet met HT-MT bronnen

De integratie van MT-HT bronnen in warmtevoorzieningssystemen biedt bovendien ook mogelijkheden voor de route naar de beleidsdoelen die hierboven zijn beschreven. Bij een warmtenet met HT-MT bronnen is de temperatuur bij het afgiftesysteem ca. 70 graden (dit kan ook hoger zijn). Deze hoge temperaturen maken het mogelijk om warmte op een efficiënte manier te benutten. Veelvoorkomende bronnen zijn restwarmte uit de industrie en geothermie, maar ook bijvoorbeeld meer geavanceerde zonnecollectoren. Een dergelijk warmtenet is daarnaast ook veelzijdig inzetbaar aangezien het geschikt is voor diverse sectoren. Het gebruik van een warmtenet met HT-MT bronnen brengt echter ook uitdagingen mee, zoals de technologische complexiteit (e.g. de ontwikkeling van efficiënte warmtewisselaars en infrastructuur) en kosten. De initiële investeringskosten zijn vanwege de aanleg van het warmtenet relatief hoog. Op lange termijn is de technologie echter kosteneffectief. Tot slot is er bij het gebruik van een warmtenet met HT-MT bronnen sprake van locatieafhankelijkheid. Niet iedere regio heeft toegang tot voldoende HT-MT bronnen, zoals een industrieel cluster of geothermische warmte. Dit houdt in dat de haalbaarheid sterk afhankelijk is van de geografische ligging. Een warmtenet dat gebruik maakt van HT-MT bronnen kan het beste worden ingezet bij matig tot slecht geïsoleerde woningen.

Warmtenet met LT bronnen

In tegenstelling tot warmtenetten met HT-MT bronnen, wordt bij warmtenetten met LT (Lage temperatuur) bronnen gebruik gemaakt van bronnen met lagere temperaturen, meestal tussen de 30 en 70 graden Celsius. LT bronnen omvatten diverse energiebronnen, denk aan bodemwarmte, oppervlakte water en omgevingslucht. Industriële restwarmte kan ook een mogelijke bron zijn, indien deze restwarmte een lagere temperatuur heeft. In tegenstelling tot warmtenetten met HT-MT bronnen, zijn de investeringskosten voor warmtenetten met LT bronnen lager, wat als een voordeel kan worden gezien. Echter heeft met bij warmtenetten met LT bronnen wel vaker te maken met seizoensafhankelijkheid, met name in landen waar het klimaat wat kouder is. De efficiëntie van LT warmtenetten kan hierdoor worden beïnvloed waardoor aanvullende maatregelen zoals seizoensopslag nodig zijn. De implementatie van LT warmtenetten vereist bovendien geschikte infrastructuur, zoals goed geïsoleerde leidingen, wat een uitdaging kan vormen bij het upgraden van bestaande infrastructuren. Een warmtenet dat gebruik maakt van LT kan het beste worden ingezet bij woningen die goed geïsoleerd zijn.

Aardwarmte

Aardwarmte, oftewel geothermie, is het gevolg van de warmte die zich (van nature) ophoopt in de aarde. De hitte is voornamelijk afkomstig uit radioactief verval van elementen in de aardkorst en de warmte die tot op heden nog wordt gegenereerd in de aarde sinds haar ontstaan. Er zijn twee voornamelijke benaderingen voor het benutten van aardwarmte:
• Directe geothermische warmtewinning: hierbij wordt aardwamte rechtstreeks gebruikt voor verwarmingsdoeleinden. Dit wordt vaak toegepast in gebieden met natuurlijke warmwaterbronnen, waar het hete water rechtstreeks wordt gebruikt voor verwarming, zoals in Ijsland.
• Geothermische elektriciteitsopwekking: in gebieden waar de temperatuur van de aardkorst hoog genoeg is, kan geothermische energie worden gebruikt voor elektriciteitsopwekking.

Een belangrijk voordeel van aardwarmte is dat het een hernieuwbare en continue bron is. De hittebron wordt constant vernieuwd door interne processen in de aarde en het is een continue bron van energie omdat deze niet afhankelijk is van externe factoren. Hiermee is het een betrouwbare energiebron. Zoals eerder benoemd is geothermie echter wel sterk locatieafhankelijk doordat niet iedere regio (gemakkelijk) toegang heeft tot aardwarmte. Daarnaast bestaat het risico op reservoiruitputting bij onjuist beheer van geothermische bronnen. Zorgvuldig reservoirbeheer is om die reden cruciaal. Meer informatie is te lezen op de pagina over aardwarmte.

Groen gas

Groen gas is een brandstof die wordt geproduceerd uit organisch materiaal, denk aan biomassa en afvalstoffen. De productie van groen gas is gebaseerd op anaërobe vergisting waarbij micro-organismen organisch materiaal afbreken zonder de aanwezigheid van zuurstof, waarbij biogas, methaan en koolstofdioxide de resulterende stoffen zijn. Het biogas kan vervolgens worden opgewaardeerd tot groengas door het te zuiveren. Meer informatie over groen gas is te vinden op de pagina Groen gas.

Waterstof

Waterstof is een energiedrager (let op: géén bron!) dat als alternatief kan dienen voor traditionele brandstoffen bij verwarmingstoepassingen. Waterstof kan op verschillende manieren worden geproduceerd, denk aan elektrolyse, aardgas reforming en thermochemische processen. Waterstof kan voor warmtevoorziening worden gebruikt in verschillende toepassingen:
• Waterstof in CV-ketels: in deze benadering wordt waterstof direct als brandstof ingezet in plaats van aardgas. Dit vereist echter wel aanpassingen aan bestaande cv-ketels om de verbrandingseisen van waterstof te schikken.
• Waterstof in warmtepompen: in plaats van elektriciteit als primaire energiebron te gebruiken om warmte te onttrekken aan de omgeving, kan waterstof fungeren als een (schone) energiedrager om warmtepompen aan te drijven.
• Districtsverwarming met waterstof: hierbij wordt waterstof geïntegreerd in grootschalige verwarmingssystemen. Hierbij wordt waterstof centraal geproduceerd en vervolgens gedistribueerd naar diverse locaties via pijpleidingen.

In week 8 zal dieper in worden gegaan op waterstof.

Laatste wijziging: 11-01-2024

Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.