Slimme warmtepompen, hoe ver staan we?
Nood aan gestandaardiseerde en goed bestuurbare interface
Warmtepompen zijn een belangrijke technologie om de verwarmings- en koelingssector CO2-neutraal te maken en de energietransitie te verwezenlijken. Echter hebben ze nog een bijkomend voordeel, namelijk hun koppeling aan het elektriciteitsnet. Daardoor kan de warmtepomp ook gebruikt worden voor het leveren van flexibiliteit ter ondersteuning van het elektriciteitsnet. Dit artikel geeft een kritische blik op de praktische haalbaarheid en toekomstperspectieven van slimme warmtepompen op basis van een doctoraatsonderzoek aan de KU Leuven(1) en bevat inzichten van experimentele resultaten.
Belang van slimme warmtepompen in de energietransitie
Volgens de cijfers van het Internationaal Energieagentschap(2) omvat de gebouwsector 30% van het wereldwijde energieverbruik en 26% van de globale energie-gerelateerde emissies. Om de klimaatopwarming binnen de perken te houden is een overgang naar duurzame energietechnieken een noodzaak. Indien gevoed door hernieuwbare elektriciteit, kan de warmtepomp hierin een belangrijke rol spelen, maar dat is slechts een deel van het totale plaatje.
Dankzij zijn elektrische koppeling aan het elektriciteitsnet kan de warmtepomp ook gebruikt worden voor het koppelen van de verwarmings- en koelingssector aan de elektriciteitssector. Deze sectorkoppeling is een absolute noodzakelijkheid om een betrouwbaar én betaalbaar elektriciteitsnet te kunnen behouden en waarbij de warmtepomp gebruikt zal worden voor het leveren van flexibiliteit aan het elektriciteitsnet. Het elektriciteitsnet vereist immers op elke seconde een exacte balans tussen vraag en aanbod. Andere oplossingen zoals interconnecties naar andere landen, het versterken van onze netten en grootschalige energieopslag zijn ook vereist(3).
Slimme sturing zelden toegepast
Dit artikel focust zich echter op de flexibiliteit van de warmtepomp waarbij het verbruikspatroon wordt aangepast op basis van een extern signaal. Dit signaal kan verschillende doelen hebben waaronder het verbeteren van het verbruik van zelfopgewekte zonne-energie, beperken van het capaciteitstarief, kostenverlaging bij een dynamisch energietarief enzovoort.
Opmerkelijk is dat de slimme sturing op warmtepompen slechts zelden wordt toegepast. Zo toonde een onderzoek in Nederland(4) aan dat slechts 17% van de geïnstalleerde warmtepompen in 2021 verbonden werd met het internet. Het verloren potentieel aan flexibiliteit bedroeg daardoor 1.2 GW, groter dan het vermogen van 1 GW van reactor 4 in de kerncentrale van Doel.
Daarnaast geeft het plan van de Europese warmtepompassociatie EHPA(5) vijf actiepunten om de Europese doelstellingen van warmtepompinstallaties te kunnen behalen. Één van de actiepunten belicht de noodzaak tot verbeterde systeemintegratie van slimme warmtepompen en streeft naar het verkrijgen van een uniforme communicatiestandaard bij warmtepompen. De vraag die daarom kan gesteld worden is waarom slimme warmtepompen zo moeilijk te implementeren zijn.
Rol van de interne warmtepompcontrole
De belangrijkste reden waarom de externe sturing van de warmtepomp bemoeilijkt wordt, is de aanwezigheid van interne controlestrategieën. Deze controlestrategieën worden door de fabrikant aangebracht om een veilige en betrouwbare werking te garanderen. Ze omvatten bijvoorbeeld de compressorsnelheidsregeling, minimale compressorsnelheid, minimum compressor aan- en uittijden, pompsturing, anti-legionella cycli enzovoort. Het overbruggen van deze strategieën is meestal niet mogelijk zonder de fabrieksgarantie van de warmtepomp te verliezen.
Een gedetailleerde studie(6) naar de impact van elke individuele controlestrategie toonde aan dat het warmtepompgedrag belangrijke wijzigingen vertoont, zowel onder normale werking als tijdens het leveren van flexibiliteitsdiensten aan het elektriciteitsnet.
Bij vergelijking tussen een vereenvoudigd, maar veelvuldig gebruikt model en een gedetailleerd model voor elke minuut in één volledig jaar werd zo een afwijking van 10% voor 20% van het jaar gevonden. Een niet-verwaarloosbare waarde wanneer het elektriciteitsnet een nauwkeurige voorspelling en aansturing van de warmtepomp vereist. De belangrijkste invloeden werden vastgesteld bij de aansturing van het sanitair warm water en de compressorsnelheidsregeling.
Elektrische versus thermische setpunt-aansturing
Aansturingsmogelijkheden blijven eerder beperkt
Directe aansturing van de compressor en eventuele back-up weerstand is meestal niet mogelijk. Om gebruikers toch mogelijkheden tot sturing van hun warmtepomp aan te bieden voorzien fabrikanten meestal communicatie-interfaces op hun warmtepomp.
Een vaak voorkomende interface is de Smart Grid Ready (SG-Ready) interface waarmee de warmtepomp in vier modi kan worden aangestuurd (normale werking, aanbevolen aan, geforceerd aan en geforceerd uit). Ondanks deze vier modi toonden experimenten(1),(7) al de beperkte mogelijkheden tot een soepele vermogenscontrole aan. De vier modi werken eerder discreet in plaats van een continue vermogensregeling toe te laten. Daarnaast verschilt de exacte implementatie sterk tussen fabrikanten.
Andere interfaces zoals een tijdelijke beperking van het elektrisch vermogen of het gebruik van de booster-functie voor het sanitair warm water zijn vaak voorhanden. Naast een mogelijks extra kost voor de bijkomende apparatuur zijn ook bij deze interfaces de mogelijkheden eerder beperkt.
Het gebruik van vermogensbeperkingen op de warmtepomp voorkomt enkel een hoog afnamevermogen, maar het deactiveren van de limiet geeft niet altijd aanleiding tot een opstart van de warmtepomp. Daardoor kan het gebruik van dure elektriciteit bij een dynamisch elektriciteitstarief wel voorkomen worden, maar kan de unit niet worden geactiveerd voor het gebruik van goedkope elektriciteit of zelfopgewekte zonne-energie.
Investering in communicatiemodule moeilijk terugverdienbaar
Betere resultaten kunnen worden bereikt wanneer de setpunten voor het sanitair warm water en de ruimteverwarming kunnen worden aangestuurd. Niettemin vereist zo'n aanpak vaak extra communicatiemodules via Modbus, BACnet of 0 – 10 V, waardoor ook hier de totale kosten en complexiteit toenemen.
Een financiële studie(8) met een relatief eenvoudige sturing leidde tot een jaarlijkse besparing van 25 tot 89 euro op de energiekosten, terwijl de benodigde communicatiemodule ongeveer 300 euro kostte. Ook mag de toename in het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp bij sterk verhoogde aanvoertemperaturen niet verwaarloosd worden. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot een break-even scenario waarbij de winst in verschuiving van het energieverbruik van dure naar goedkope elektriciteit teniet wordt gedaan door de verhoging van het totale elektriciteitsverbruik van de warmtepomp.
Een goed ontwerp van de achterliggende controlestrategie in het energiemanagementsysteem is dus noodzakelijk. Ook is gelijktijdige sturing van verschillende setpunten nodig om ervoor te zorgen dat de warmtepomp zo optimaal mogelijk de gewenste respons realiseert. Tot slot vereist deze slimme sturing via temperatuursetpunten een real-time model van de warmtepomp, ook wel gekend als een digitale tweeling van de warmtepomp.
Dit voorspellend model dient dan de actuele toestand en de gewenste warmtepomprespons in rekening te brengen om zo via een iteratief proces de nodige setpunten te bepalen. Echter zijn de beschikbare modellen hiervoor momenteel beperkt en wordt het gebruik van artificiële intelligentie hiervoor ook verder onderzocht.
Toekomstperspectieven
De stuurinterfaces op warmtepompen verschillen sterk tussen fabrikanten. Een gestandaardiseerde en goed stuurbare interface over verschillende fabrikanten heen is momenteel afwezig. Dit landschap van wijdverspreide interfaces bemoeilijkt het voor netbeheerders, energieleveranciers, installateurs en gebruikers om een universele aanpak te voorzien. Bijvoorbeeld, een operator op het elektriciteitsnet die flexibiliteit zou willen benutten kan niet voor elk type warmtepomp of fabrikant een aparte communicatiemodule ontwikkelen.
Diverse initiatieven zoals de S2 Standard, EEBUS, OpenTherm en Code of Conduct for Energy Smart Appliances via SAREF zijn volop in de ontwikkelingsfase of zelfs verder via praktijkvoorbeelden. Ook dient de bidirectionele communicatie van de warmtepomp verder ontwikkeld te worden. Dit kan een energiemanager dan in staat stellen om het werkelijk warmtepompgedrag te voorspellen en de nodige stuuracties voor flexibiliteitsdiensten te nemen.
[1] M. Evens, “Heat pump control and behavioural characterisation under energy flexibility services,” KU Leuven, 2024.
[2] International Energy Agency, “Energy system: Buildings,” 2023. https://www.iea.org/energy-system/buildings.
[3] CEDEC, EDSO, Eurelectric, and GEODE, “Flexibility in the energy transition: A toolbox for electricity DSOs,” 2018. [Online]. Available: http://www.geode-eu.orghttps://static.pmg.be/uploads/GEODE Publications/2018/Flexibility in the energy transition - A tool for electricity DSOs - 2018.pdf.
[4] “Connected heat pumps in the Netherlands – update 2023,” 2023. [Online]. Available: https://flexible-energy.eu/wpcms/wp-contenthttps://static.pmg.be/uploads/2023/08/Final-report_Connected-HPs-in-NL-FAN-version-1.02.pdf.
[5] P. Nuttall et al., EU Heat Pump Accelerator. European Heat Pump Association, 2023.
[6] M. Evens and A. Arteconi, “Influence of Internal Control Simplifications in Heat Pump System Modelling for Energy Flexibility Evaluations,” in Proceedings of Building Simulation 2021: 17th Conference of IBPSA, 2021, pp. 1–8.
[7] S. Göbel, C. Vering, and D. Müller, “Experimental Investigation of Rule-Based Control Strategies for Hybrid Heat Pump Systems Using the Smart Grid Ready Interface,” in Proceedings of ECOS 2022, 2022, pp. 1–12.
[8] M. De Pauw, N. Van den Bulck, M. Evens, and A. Arteconi, “Rapport: Onderzoek naar vervanging fossiele verbrandingstoestellen door warmtepomp in een residentieel gebouw,” 2022.
