Wat is het potentieel van aquathermie?

Waterlichamen als duurzame warmtebron

Wat als we de thermische energie uit kanalen, meren en rivieren kunnen gebruiken om onze gebouwen te verwarmen en te koelen? Het kan gek klinken, maar dat is het volgens het Leuvense ingenieursbureau EXTRAQT hoegenaamd niet. Integendeel zelfs: waterlichamen hebben een groot potentieel als duurzame verwarmingsbron. 

Onderbelichte verwarmingsbron

"Aquathermie is totaal onderbelicht", zegt Jan Denayer. Samen met studiegenoot Sebastian Baes en docent Stijn De Jonge richtte hij in 2021 de start-up op, na een succesvolle masterproef over aquathermie aan de KU Leuven. 

"We brachten in die masterproef het thermisch potentieel van de Dijle in kaart en dat bleek rond de 60 megawatt te liggen, waardoor die rivier in theorie alle woningen in de stad Leuven van warmte zou kunnen voorzien. Doordat we toen ook wat media-aandacht kregen met die resultaten, werden we verder gesterkt in de overtuiging dat er maatschappelijke relevantie in het thema zat."

"In theorie zou de Dijle alle woningen in de stad Leuven van warmte kunnen voorzien"

Digital twins

Het drietal is sinds de oprichting uitgegroeid tot een zevental en onderzoekt momenteel voor tal van regio’s, steden, gemeenten en zelfs particulieren of er thermische energie uit hun waterlopen kan worden gehaald. Aan de hand van ‘digital twins’ wordt het potentieel van aquathermie in kaart gebracht. 

"Wie daarna daadwerkelijk een aquathermie-installatie wil realiseren, kan ook op ons rekenen", zegt Denayer. "Als het waterlichaam de gevraagde warmte kan leveren, werken we het volledige technisch ontwerp uit en voorzien we samen met onze installatiepartner Eco-Technix de uitvoering." 

Sinds zijn oprichting heeft het ingenieursbureau al 45 haalbaarheidsstudies uitgevoerd, 466 kilometer aan rivieren gemodelleerd en 25 km² aan meren. Inmiddels zijn er drie installaties volledig operationeel. 

Hoe werkt het

Aquathermie werkt volgens een relatief eenvoudig principe en is vergelijkbaar met geothermie en riothermie, alleen wordt er een andere bron gebruikt. De warmte wordt onttrokken uit het water met een warmtewisselaar en daarna opgewaardeerd door een warmtepomp om het gebouw op de juiste temperatuur te krijgen.

Hoeveel warmte precies onttrokken kan worden uit een waterlichaam hangt af van verschillende factoren, zoals de diepte van het water, het (eventuele) debiet en de totale oppervlakte.

Twee types installatie

Gesloten systeem

Aquathermie kan op twee verschillende manieren worden toegepast. "Voor stilstaand water, in de vorm van bijvoorbeeld vijvers en slotgrachten, werken we met een gesloten systeem", zegt Denayer. "Dat bestaat uit een gesloten netwerk waarin een warmtewisselingsvloeistof (een mengsel van antivries en water) circuleert om warmte of koude te onttrekken aan het oppervlaktewater."

"De thermische energie van het rivierwater wordt via buiswanden overgedragen aan de warmtewisselingsvloeistof die door de leidingen van een warmtewisselaar stroomt. Vervolgens vindt er warmte-uitwisseling plaats tussen het netwerk van de warmtewisselingsvloeistof en het interne verwarmingsnetwerk van het gebouw, mogelijk gemaakt door een warmtepomp."

"Heel concreet wordt de warmtewisselaarplaat rechtstreeks in het water geplaatst en aangesloten. De volledige installatie bevindt zich onder water, waardoor je ze van buitenaf niet kan zien. Een van onze installaties bevindt zich in de slotgracht van een kasteel – bij zulke gebouwen is die ‘onzichtbaarheid’ een grote troef."

Open systeem

"Voor grotere projecten in stromend water wordt er met een open systeem gewerkt. Daarbij wordt water opgezogen en aan land, in de technische ruimte, door een warmtewisselaar gestuurd. Een heel compacte constructie in het water, met een pomp en een filter, kan zo grote debieten verwerken." 

"Wanneer verwarming nodig is, zal de warmtepomp warmte onttrekken uit het netwerk waarin het rivierwater stroomt en deze overdragen aan een ander netwerk dat de warmte in het gebouw kan distribueren. Na het onttrekken van de warmte wordt het afgekoelde water weer in de rivier geloosd."

Impact op ecologie

Het feit dat gekoeld water opnieuw in de rivier of vijver terechtkomt heeft twee consequenties. Stel dat je in één rivier verschillende installaties wilt bouwen, dan moet je erop letten dat de ene installatie niet het koude water van de andere installatie opzuigt. Er is dus wel een maximaal aantal aftakpunten op één stuk rivier of waterloop."

"Daarnaast kan een temperatuurwijziging ook impact hebben op het leven dat zich in het water bevindt. Het Agentschap voor Natuur en Bos heeft daarnaar onderzoek gedaan en concludeert dat een lokale afkoeling van drie tot vier graden aanvaardbaar is. Binnen dat bereik is er geen noemenswaardige impact op de ecologie." 

Regeneratie

Bovendien is er ook nog zoiets als regeneratie. Dat houdt in dat de temperatuur van een rivier na enige tijd terug naar zijn originele temperatuur zal gaan. "Om die regeneratie te berekenen werken we met wiskundige modellen die de impact van allerhande factoren op de watertemperatuur kunnen simuleren. Op basis van de resultaten van die simulaties kunnen we dan bepalen hoeveel warmteonttrekking mogelijk is zonder dat de temperatuur daalt met meer dan 3 °C." 

Koeling

Bovendien, zegt Denayer, is het feit dat waterlichamen licht worden afgekoeld eigenlijk een goede zaak. "Door de klimaatverandering is de algemene watertemperatuur aan het stijgen. Door warmte te onttrekken voor gebouwverwarming gaan we dat fenomeen wat tegen."

"Daarom is koeling met aquathermie ecologisch gezien gevoeliger, omdat er dan warmer water in de rivier wordt geloosd. De groei van bacteriën zoals blauwalgen kan daardoor gestimuleerd worden. Een mogelijke oplossing is om te werken met een soort hybridesysteem, waarbij aquathermie en geothermie gecombineerd worden. Met een warmte-koudeopslag (WKO) in de bodem kan dan, afhankelijk van het seizoen, warmte of koude worden opgeslagen om later te gebruiken."  

Vriestemperaturen

En wat met vriestemperaturen? "Zelfs als een vijver volledig dichtgevroren is, kun je nog steeds warmte onttrekken. Wanneer dat zo is, beperkt de ijslaag in ons land zich meestal tot een diepte van enkele centimeters. Daaronder blijft het water normaal gezien vloeibaar, omdat er te veel energie in de faseovergang zit. Door het koelmiddel dat in het systeem circuleert, kan er zelfs bij negatieve watertemperaturen warmte blijven worden onttrokken."

"Wat we bovendien hebben opgemerkt, is dat de watertemperatuur bij de warmtewisselaarplaat licht verandert door de warmte-uitwisseling. Water waarvan de temperatuur verandert, verandert ook van dichtheid, wat tot stroming leidt. Deze stroming is met het blote oog niet waarneembaar, maar voorkomt ijsvorming op de plaat, zelfs wanneer het volledige wateroppervlak op dat moment bevroren is."

Waar heeft aquathermie potentieel?

"De grootste opportuniteit voor aquathermie als verwarmingsbron ligt in steden", zegt Denayer. "Allemaal zoeken we manieren om onze gebouwen tegen 2050 CO₂-neutraal te verwarmen. Dat kan met individuele installaties, maar in steden zijn collectieve installaties een pak interessanter." 

"Je kan zulke installaties op meerdere manieren aanpakken. Warmtenetten die werken met restwarmte van bijvoorbeeld fabrieken zijn een optie, maar die ‘bronnen’ liggen vaak buiten de stadskernen, waardoor er veel thermische energie verloren gaat in de lange leidingen. Daarnaast heb je aardwarmte: een zeer mooie bron, maar BEO-velden aanleggen in een volgebouwde stad is opnieuw geen evidentie."

"Historisch zijn veel van onze steden gevestigd rond rivieren, die als een soort warmtenet door de stad kronkelen"

"Historisch zijn veel van onze steden gevestigd rond rivieren, die als een soort warmtenet door de stad kronkelen. Dat inzicht heeft er eigenlijk voor gezorgd dat we het potentieel van aquathermie wilden onderzoeken." 

Het theoretisch potentieel bepalen is één ding, maar de praktische uitwerking is een ander verhaal. "In opdracht van bepaalde steden zijn we dat nu verder aan het onderzoeken. Zo zijn we in Temse bijvoorbeeld aan het onderzoeken hoe de Schelde kan ingezet worden als warmtenet voor de binnenstad. Ook in Antwerpen-Zuid doen we dat, en in Brugge voeren we een grootschalige studie uit naar alle kanalen in de omgeving."

"Er is dus wel groeiende interesse van zowel privé-eigenaren als overheden. Bij die eerste groep kunnen we, bij wijze van spreken, binnen een maand een werkend systeem installeren. Bij steden verschilt de aanpak logischerwijs, er wordt eerder vertrokken vanuit een masterplan om vervolgens start- en koppelkansen te benutten." 

Kostprijs

De hamvraag bij een 'nieuwe' technologie is: wat kost dat? "Een aquathermische installatie bevindt zich, zowel qua investeringskost als gebruikskost, ergens tussen een lucht-waterinstallatie en een geothermische installatie. Ook qua efficiëntie is dat trouwens het geval – geothermie kan rekenen op een stabiele temperatuur, dus zo'n systeem werkt nog net iets doeltreffender."

"Ik heb het dan wel over projecten waar een relatief groot vermogen nodig is, ongeveer tussen de 50 kW en 300 kW. Daar vinden we een heel mooie balans tussen investering en terugverdientijd. Die ligt dan ergens tussen de 8 en 14 jaar, terwijl de bedoeling toch is dat de systemen zo'n 20 jaar blijven staan." 

"Bovendien geldt: hoe groter het vermogen, hoe groter het schaalvoordeel. Want dat is gewoon een kwestie van extra warmtewisselaarplaten toe te voegen." 

En wat betreft de warmtepomp, die het sluitstuk van het systeem vormt: ook daarvoor kan elke bodem-waterwarmtepomp worden gebruikt. "Wij werken graag samen met bepaalde merken, omdat we een monitoringsysteem aanbieden waarmee alles op afstand kan worden uitgelezen, zoals temperaturen en informatie over het onderhoud. Maar in feite kan elk merk worden gebruikt."

Onderhoud

Ook het onderhoud is te vergelijken met een geothermisch systeem. "Ons oudste systeem is nu anderhalf jaar in gebruik, en er zijn nog geen problemen opgedoken. Omdat het systeem onder druk staat, kan er in theorie altijd een lek ontstaan in een van de leidingen, al hebben we dat nog nooit zien gebeuren. Via monitoring kunnen we zo'n lek ook snel en doeltreffend opsporen. Het enige onderhoud dat tot nu toe is uitgevoerd, is af en toe een borstel langs of tussen de platen halen om de biofilm te verwijderen en de warmte-uitwisseling optimaal te behouden."

"Bij een open systeem zou de filter vooral het belangrijkste aandachtspunt zijn. Daar moet bovendien een goede balans tussen debiet en filtrage gezocht worden."

"Door onze monitoring in gesloten systemen proberen we bovendien de efficiëntie van volgende systemen steeds te verbeteren. Zo kunnen we dan ook beter dimensioneren. Momenteel maken we daarvoor gebruik van een bepaalde warmte-uitwisselingscoëfficiënt. Als we merken dat die afwijkt van de normale waarden, bijvoorbeeld door onvoorziene stroming, nemen we dat mee voor mogelijke optimalisatie."