Opties voor warmteopslag in huishoudens

Alle zonne-energie, die in de zomermaanden overvloedig aanwezig is, gaat zomaar verloren en in de winter kopen we dure energie aan. Als we deze warmte nu ‘s konden opslaan in de zomer om te gebruiken in de winter?

Elektrische opslag = kortetermijnopslag

Wanneer het gaat over energieopslag, denkt iedereen waarschijnlijk aan een thuisbatterij waarin de overtollige elektrische energie tijdelijk kan opgeslagen worden. Onder tijdelijk verstaan we een periode van 2 à 3 dagen, niet meer. De levensduur van een elektrische batterij is minder lang dan die van pv-panelen en een vervanging van de batterij zal dan ook nodig zijn tijdens de levensduur van de panelen.

Bij elektrische opslag van energie spreken we dus over een kortetermijnopslag en vervangingskosten voor de batterij. Weliswaar kan in plaats van opslag van elektrische energie in batterijen de elektrische energie ook omgezet worden in warmte via elektrische weerstanden, maar deze energieomzetting gaat helaas gepaard met rendementsverlies.

warmteopslag = langetermijnopslag

Bij opslag van warmte daarentegen, spreken we over een seizoensopslag, overtollige warmte in de zomer wordt opgeslagen om deze te kunnen gebruiken in de herfst of in de winter.

Welke opslag we ook kiezen, feit is dat energieopslag in de toekomst onmisbaar zal worden om de grote kloof tussen vraag en aanbod te overbruggen en om de koudste winterweken met het nodige comfort te kunnen trotseren. Omdat warmte instaat voor driekwart van de energievraag in de bebouwde omgeving, is het logisch om steeds warmte als energie op te slaan.

Warmteopslag in woningen komt niet vaak voor. Waarom zouden we ook? Tot nu konden we rekenen op een zeer goede bevoorrading met o.a. een prima werkend aardgasnetwerk en dus was de noodzaak om een ander bevoorradingssysteem te zoeken ver weg. Maar door de stijgende energieprijzen en door het verstrengen van de wetgeving om te voldoen aan de klimaatdoelstellingen voor 2030 en 2050, waar we uiteindelijk willen komen tot een maximaal energieverbruik van minder dan 100 kWh/m² , moeten we dringend op zoek naar andere energiebevoorrading en hier kan warmteopslag helpen. De focus in dit artikel ligt op kleinschalige warmteopslag voor woningen en veel minder op grootschalige opslag voor industrie of stadskernen.

Bij opslag van warmte spreken we over seizoensopslag, overtollige warmte in de zomer wordt opgeslagen om deze te kunnen gebruiken in de herfst of in de winter

Technieken voor kleinschalige warmteopslag

Om warmte kleinschalig op te slaan, bestaan er verschillende technieken die in woningen kunnen worden toegepast:

• Warmteopslag in water
• Warmteopslag in thermochemische materialen (TCM)
• Warmteopslag in faseovergangsmaterialen (PCM)
• Warmteopslag door redox-principes

Vooral rond warmteopslag in water zijn er reeds vele projecten uitgevoerd, de andere drie technieken zijn vaak nog in de beginfase van hun ontwikkeling, waardoor we ze nu niet gaan beschrijven in dit artikel. Maar er wordt onderzocht om deze technologieën op termijn te kunnen toepassen als grootschalige warmteopslagtechnieken om ze dan te gebruiken op bijvoorbeeld wijkniveau.

Warmteopslag in grote vaten

Overtollige warmte van zonnecollectoren kan opgeslagen worden in een groot watervat. Een zonnecollector zet de zonne-energie om in warm water (terwijl pv-panelen deze zonne-energie omzetten in elektriciteit). De warmte die opgeslagen is in het vat gebruiken we voor het opwarmen van het cv-water - via een warmtewisselaar zal het retourwater van het cv een temperatuurstijging krijgen.

Water is heel goedkoop en heeft een grote soortelijke warmtecapaciteit van 4.2 kJ/(kg.K) – Dit betekent dat als 1 kg water 1 °C afkoelt, er 4.2 kJ warmte vrijkomt. Bovendien is het rendement van de zonnecollectoren veel beter dan het rendement van pv-panelen. Zonnecollectoren leveren een rendement van 80% en meer, daar waar pv-panelen stagneren op ongeveer 30%. Dit betekent dat een veel betere energieomzetting bekomen wordt van de zonnewarmte in warm water dan van zonne-energie in elektriciteit. Het nadeel van warmwatervaten is wel dat ze snel hun warmte verliezen. Deze verliezen zijn wel afhankelijk van de grootte van het vat, maar kleine volumes zijn niet zo geschikt voor warmteopslag op lange termijn van 3 maanden en langer.

Q = m * c * ΔT dus m = Q/(c*ΔT)
Q is de hoeveelheid warmte die we willen opslaan – c is de soortelijke warmtecapaciteit en tot slot is er nog het temperatuurverschil tussen het koud water en de temperatuur van opslag.

Uitgaande van een jaarlijks gasverbruik van een doorsneegezin van 1400 m³ gas/jaar en uitgaande van een calorische waarde van 10 kWh/m³ (wat een afgeronde waarde is), komt de hoeveelheid energie per jaar nodig om die woning te verwarmen overeen met een energiewaarde van 14.000 kWh/jaar. Bij omzetting van deze 14.000 kWh naar MJ (Megajoule), moeten we vermenigvuldigen met 3.6 om zo te komen tot een energieverbruik van 50.400 MJ. Om deze energie op te slaan in een warmwatervat op 60 °C en als we alle verliezen die er sowieso zijn, even verwaarlozen; dan hebben we een vat nodig van afgerond 240 m³, wat zeer groot is. Een opslagtemperatuur van 60 °C betekent een temperatuurstijging van 50 °C als we uitgaan van een starttemperatuur van 10 °C. Als de opslagtemperatuur 70 °C is, verkleint het volume naar 200 m³.

Deze vorm van warmteopslag is interessant voor de industrie en voor warmteopslag op wijkniveau. Op wijkniveau bestaat de mogelijkheid om grote buffervaten in de grond te plaatsen en deze zeer goed te isoleren voor seizoensopslag, zodat er slechts 10% van de opgeslagen warmte verloren gaat. In de zomer wordt het water van zo’n buffervat verwarmd tot 90 °C door verschillende warmtewisselaars. Op een dergelijk buffervat kunnen dan 500 tot 3.000 woningen aangesloten worden, afhankelijk van de grootte van het vat.

Warmteopslag in de bodem

Een tweede mogelijkheid voor warmteopslag in woningen is de combinatie met een geothermische warmtepomp. Als een warmtepomp grote temperatuurverschillen moet overwinnen tussen bron en afgifte, dan presteert deze warmtepomp verre van ideaal. In de warme zomermaanden gaan we de warmte in de woning via de vloerverwarming verplaatsen naar de bodem. Hierdoor stijgt de bodemtemperatuur waardoor de geothermische warmtepomp veel beter zal presteren in de wintermaanden omdat zijn brontemperatuur veel hoger ligt. Dat we hierdoor in de zomermaanden onze binnentemperatuur binnen aanvaardbare comfortgrenzen kunnen houden, is een bijkomend voordeel. Een voorwaarde is wel dat het warmteverlies van de woningen niet al te hoog is. Deze vorm van warmteopslag is zeker toepasbaar bij renovatie nadat men de woning voorzien heeft van voldoende isolatie om de warmtevraag te beperken.

Een pvt-paneel is een paneel dat zowel elektriciteit opwekt als warmte. Het is dus een combinatie van een zonnecollector en een pv-paneel

Warmte opwekken door het maken van ijs

Een andere oplossing is om een kunststofzak (bufferzak) in bijvoorbeeld de kruipruimte op te slaan. Een water-glycol mengsel circuleert door een buizenstelsel onder een zonnecollector (pvt-paneel) en neemt daar warmte op. Een circulatiepomp transporteert deze warmte naar het water in de bufferzak in de kruipruimte. Dit water wordt opgewarmd tot maximaal ongeveer 20 °C. In het stookseizoen wordt door een warmtepomp warmte aan de bufferzak onttrokken en gebruikt om het cv-water op te warmen tot ca. 35 °C, geschikt voor een lage temperatuurverwarming. Zelfs als de temperatuur in de bufferzak gedaald is tot 0 °C kan de stollingswarmte van het water gebruikt worden om energie te blijven voorzien voor de warmtepomp. De stollingswarmte van water bedraagt 334 kJ/kg – dit is gelijk aan de hoeveelheid warmte die we bekomen als 1 kg water 80 °C afkoelt.

Conclusie: van water van 0 °C naar ijs van 0 °C levert net zoveel energie op als het afkoelen van water van 80 °C naar 0 °C. Het voordeel van dit systeem is dat het buffervat hier een grootte heeft van 10 m³ waardoor dit veel eenvoudiger te monteren is in bv. de kruipruimte of de kelder van de woning. Gezien het kleine volume van de buffertank is dit systeem niet ideaal voor opslag op lange termijn. Vandaar ook de relatief lage opslagtemperatuur van 20 °C. Vanaf het moment dat de zon schijnt, wordt de warmte direct overgedragen naar dit buffervat. Ook in de winter, wanneer de temperatuur van het vat gedaald is tot rond het vriespunt, zal bij de minste zonneschijn de warmte van de pvt-panelen direct naar het vat gebracht worden. Een pvt-paneel (PhotoVoltaic – Thermal) is een paneel dat zowel elektriciteit opwekt als warmte. Het is dus een combinatie van een zonnecollector en een pv-paneel. Het combineren van beide technieken in één paneel betekent een winst in het gebruik van het dak. Het dakoppervlak kan dubbel gebruikt worden. Bij een pvt-paneel bevindt de warmtewisselaar zich aan de achterzijde van het paneel. Door het gebruik van het buffervat zal het systeem-rendement in de winter aanzienlijk verhogen.

Een ander voordeel van dit systeem is dat er bij een water/water warmtepomp geen ventilator nodig is. Ventilatoren zijn vaak de belangrijkste bron van geluidsoverlast in een lucht/water-warmtepomp en die ventilator valt hier dus weg. Een water/water-warmtepomp zal iets duurder zijn dan een lucht/water warmtepomp, maar aanzienlijk goedkoper dan een B/W-warmtepomp omdat er geen boringen nodig zijn.

Tegenwoordig worden er in de plaats van bufferzakken ook ondergrondse putten als warmtebuffer geplaatst, grote voordeel is het regenererende vermogen van de bodem, die vult de ondergrondse put als het ware met energie zodat de warmtepomp draait met een brontemperatuur die hoger is. Deze putten worden al dan niet gecombineerd met regenwaterputten, sprinklertanks, blauwe daken en grijs water (restwarmte uit douche- en badwater) om de brontemperatuur nog efficiënter te beheren.