Elektrische energie opslaan cruciaal in transitie naar duurzaam wonen

Vier manieren van thermische opslag uitgelegd

De invoering van de digitale meter had als doelstelling de zelfconsumptie van de duurzaam opgewekte energie te verhogen. Maar je kan maar zoveel energie gebruiken als je nodig hebt en het is nu eenmaal zo dat de meeste mensen werken overdag. Eens te meer wordt duidelijk dat opslag van energie de ontbrekende schakel is in de omwenteling van vandaag. Gelukkig bestaan er al diverse oplossingen om het overschot aan energie op te slaan en elk van die systemen verdient eigenlijk een eigen artikel. Bij gebrek aan ruimte willen we je in dit stuk kennis laten maken met de verschillende mogelijkheden op dit vlak zodat je de eindklant zo goed mogelijk kan begeleiden bij zijn installatiekeuze.

Invoering digitale meter

Op 1 juli 2019 werd de digitale meter officieel ingevoerd. Het betekende meteen ook het einde van de terugdraaiende teller. Die werkte met een prosumententarief op basis van omvormervermogen in plaats van met het reële verbruik. Belangrijk is nog dat de inkomende stroom evenveel waard was als de stroom die in het net werd geïnjecteerd. Bij de digitale teller is dat niet meer het geval: het injectietarief is lager dan het verbruikerstarief. Daarom zorgt de invoering ervan bij eigenaars van zonnepanelen nog altijd voor een wrange nasmaak. Nochtans, er zit een kristalheldere toekomstvisie achter.

Waarom die keuze?

De VREG noemt elektriciteit de energiedrager van de toekomst. Maar die evolutie brengt een aantal uitdagingen met zich mee. Behalve de huidige fluctuaties in de energieprijzen wordt in onze nobele pogingen om energie te besparen, almaar meer energie verbruikt door bijvoorbeeld warmtepompen en elektrische wagens, resulterend in een overbelasting van het distributienet. Tegelijkertijd zorgt de decentrale productie van elektriciteit door windturbines en zonnepanelen voor een grilliger aanbod dat haaks staat op het verbruik: terwijl het stroomverbruik piekt in de ochtend en de avond, renderen de zonnepanelen vooral ‘s middags, met een injectiepiek naar het net tot gevolg. Dat vraaggestuurde principe, waarbij de elektriciteitsproductie de vraag volgt, dwingt het net op te treden als een soort van batterij of buffer en wordt stilaan onhoudbaar. Het zou veel beter zijn mocht de consument zijn verbruik aanpassen aan de beschikbaarheid van energie en de beperkingen van het distributienet. Een copernicaanse wending als het ware die onder meer veel meer zelfconsumptie inhoudt. Precies daar moet de digitale meter aan meehelpen.

Meer zelfconsumptie

Onder de noemer ‘Smart Grid’ bundelt men alle technologieën die het probleem van intermitterende energie aanpakken. Daar past de digitale meter in. Een digitale meter telt twee gebruikerspoorten: eentje om data te capteren (P1) en eentje die toestelherkenning mogelijk maakt (S1). Op die poort kan je energiebeheersystemen aansluiten. Zij helpen om opgewekte energie zoveel mogelijk direct te gebruiken door het intelligent aansturen van verbruikers zoals vaatwassers en wasmachines. Via een smart-grid-controller – een sturingsmodule – kunnen dit soort gewone huishoudtoestellen opgenomen worden in een smart-grid-systeem en geactiveerd worden op momenten die voor het slimme net het beste uitkomen, weliswaar binnen de comfortzone van de gebruiker. Twee voorwaarden: het moet gaan over toestellen die een in de tijd beperkt programma uitvoeren en het toestel moet zijn programma automatisch voortzetten als er na een onderbreking weer stroom is. Voor de elektriciteitsfactuur scheelt het optimaliseren van het zelfverbruik alleszins een flinke slok op de borrel.

Het wordt nog interessanter als ook de verwarmingssystemen die elektriciteit verbruiken (elektrische boilers, warmtepompen, warmtepompboilers en multi-energie-opslagbuffers), mee in dat smart grid opgenomen worden en aan de pv-panelen worden gekoppeld. Want dan kan je gaan nadenken over de thermische opslag van het overschot aan energie door ze te bufferen als zonnewarmte voor later gebruik. Bij overproductie van elektriciteit zal bijvoorbeeld de warmtepomp het SWW-vat naar een hogere temperatuur schakelen.

Thermische opslag

Er zijn natuurlijk grenzen aan de hoeveelheid energie die je zelf kan verbruiken. Vandaar het belang van opslag. Dan denk je meteen aan een thuisbatterij. Maar daarvan is de terugverdientijd lang. Afhankelijk van de capaciteit loopt de begininvestering op tot wel € 10.000. Voor thermische opslag, daarentegen, komen al geïnstalleerde toestellen in aanmerking. Dat is een groot voordeel. En als de woning over een warmtepomp beschikt, speelt de efficiëntie of COP van het toestel ook mee. In een batterij kan je namelijk maximaal 100% van de opgewekte energie opslaan. Bij een warmtepomp ligt dat veel hoger. In wat volgt, bespreken we aan aantal mogelijkheden om zonnestroom om te zetten in zonnewarmte. Geothermie bespreken we niet omdat het opslaan van energie aan de primaire kant van de geothermische warmtepomp in combinatie met pv-panelen vooral in industriële toepassingen voorkomt en wij ons focussen op residentiële gebouwen.

Elektrische weerstand

Een van de eenvoudigste manieren van thermische opslag is de installatie van een modulerende elektrische weerstandsmodule. Hij communiceert met de pv-panelen en is voor het overige opgebouwd uit een energiemanager (monofasig/3-fasig) en een elektrische weerstand, voor koppeling aan de sanitaire boiler. De taak van de energiemanager bestaat erin om voortdurend zowel de geproduceerde als de verbruikte energie te meten. Het verwarmingselement mag namelijk alleen overschotstroom verbruiken.

Warmtepompboiler

Warmtepompboilers dienen uitsluitend voor de opwarming van sanitair water. Qua besparingen liggen daar heel wat kansen: meer dan 40% van het verbruikte water wordt verwarmd, voor het douchen, afwassen … wat maakt dat tot 15% van de energiefactuur opgaat naar de verwarming van dat water. De onderstaande tabel vergelijkt het sanitaire verbruik in euro’s. We gaan daarbij uit van een gemiddelde van 50 liter verbruik per persoon per dag aan 50 °C en koud water (10 °C).

Normale werking

Warmtepompboilers hebben gewoonlijk een maximumtemperatuur van circa 60 °C. Voor een hogere opslagtemperatuur doet men een beroep op een interne hulpweerstand. Ze maken gebruik van een warmtepompmodule (meestal geïntegreerd in het toestel) en functioneren bijgevolg als een lucht-waterwarmtepomp. Die werking is intussen wel bekend. Snel uitgelegd, zal de warmte-energie uit de lucht het vloeibare koudemiddel in de warmtepompboiler verwarmen. De compressor van de installatie verhoogt de druk van de koelvloeistof, zodat die nog warmer wordt en overgaat naar een gasvormige toestand. De warmte van dat gas wordt overgeheveld naar het water in het voorraadvat. Nadat het gas opnieuw is afgekoeld, kan de cyclus opnieuw beginnen.

Slimme werking

Net als een warmtepomp haalt een warmtepompboiler tot ¾ van zijn energie voor de verwarming van het sanitaire water uit de omgevingslucht. De rest komt van stroom. Maar tegenwoordig zijn de meeste warmwaterpompboilers te koppelen aan een ‘Smart Grid Ready’-contact. Een aanrader. Die koppeling aan pv-panelen in combinatie met een energiebeheersysteem levert namelijk tot 70% van het jaar gratis warm water op. In het geval van overstroom zal het energiebeheersysteem de warmtepompboiler inschakelen, waardoor de boiler op een hogere temperatuur wordt gebracht. Afhankelijk van de koppelingen en de eventuele aanwezigheid van een warmtewisselaar, bestaan er vijf configuratiemogelijkheden:

• warmtepomp met elektrische weerstand (= normale werking)
• warmtepomp gekoppeld aan pv-panelen
• warmtepomp gekoppeld aan pv-panelen en bijverwarming via de ketel
• warmtepomp en bijverwarming via zonnecollectoren
• warmtepomp en bijverwarming via ketel.

Voor- en nadelen

In vergelijking met een elektrische boiler ligt de efficiëntie van een warmtepompboiler tot 3,5 keer hoger. Daar staat wel een duurdere aankoopprijs tegenover, maar dat neemt niet weg dat de investering binnen de vijf jaar terugverdiend is. Voor een elektrische boiler duurt dat veel langer. Een bijkomend voordeel, zeker in het kader van het nieuw in te voeren capaciteitstarief, is dat de stroompieken binnen de perken blijven, omdat het elektrische compressorvermogen vrij laag is. Verder kan je de warmtepompboiler met tal van andere toestellen combineren (zie de configuratiemogelijkheden) en stoot hij de helft minder CO₂ uit dan een boiler gekoppeld aan een gas- of stookolieketel. Weet wel dat een warmtepompboiler meer plaats inneemt dan een elektrische boiler en dat ruimtes kleiner dan 20 m³ van luchtkanalen moeten worden voorzien. Voor jou als installateur komt het er vooral op aan om de toestellen juist in te regelen en een correcte kosten-batenanalyse te maken.

Warmtepomp

Veel van wat is gezegd over de warmtepompboiler, geldt ook voor de warmtepomp. Het grote verschil tussen beide is dat de warmte geproduceerd door een warmtepomp ook voor verwarmingsdoeleinden kan worden aangewend en dus niet alleen voor sanitair warm water. De werking volgt voor het overige hetzelfde principe, en net als de warmtepompboiler kan ook de warmtepomp worden uitgerust met een ‘Smart Grid Ready’-contact, met alle bijbehorende mogelijkheden om beter in te spelen op de productie van de zonnepanelen. Zodra die het signaal krijgt dat de zonnepanelen stroom produceren, zal het energiebeheersysteem proberen de stroom zoveel mogelijk zelf te gebruiken. Opnieuw kan van de overstroom worden geprofiteerd om de buffertemperatuur van het water op te drijven, dit keer ook voor bijvoorbeeld de vloerverwarming. Dat geeft de warmtepomp de ruimte om zich daarna voor langere tijd uit te schakelen, zodat de periode waarin de zonnepanelen geen stroom leveren, makkelijk te overbruggen valt.

Phase Change Materials (PCM)

Sommige toestellen werken nog anders, namelijk op basis van phase change materials. Dat zijn materialen waarvan de faseovergang van vast naar vloeibaar (en andersom) wordt gebruikt om warmte of koude op te nemen en af te staan. Zo’n faseovergang is oneindig, heeft geen rendementsverlies over de jaren en zorgt voor een extreem hoge energiedichtheid. Dat vertaalt zich in minder benodigde ruimte.

Werking

Vaak doet anorganisch zout dienst als PCM. Door dat zout op te warmen wordt het bij een bepaalde temperatuur (bv. 58 °C) vloeibaar. Bij de afgifte van die opgeslagen warmte, bijvoorbeeld bij het tappen van (warm) tapwater, kristalliseert het zout opnieuw (afkoelen). De warmte-energie die daarbij vrijkomt, wordt afgegeven aan de met water gevulde warmtewisselaars. Dergelijke toestellen vormen zo een uitstekend alternatief voor gewone boilers en fungeren als thermisch laadstation: ze zetten elektriciteit direct om in warmte en slaan die op voor warmwatervoorziening. Bovendien zijn ze te combineren met andere systemen, bijvoorbeeld een warmtepomp, om de productie van warm water voor een lagetemperatuurnetwerk te boosten. De warmtepomp levert dan de lage primaire temperatuur.

Aansluiting

Omdat je misschien minder vertrouwd bent met dit type van toestellen, staan we tot slot nog even wat langer stil bij de aansluiting. Voor de wateraansluiting: je sluit het toestel aan op de aansluiting voor koud tapwater. Aangezien het doorstroomtoestellen betreft, zullen ze hun warmte afgeven via de interne leiding/wisselaar aan het koude water. Elektrisch kan dit via een standaard stroomaansluiting (1 fase, max. 2.8 kW en 230 V). In combinatie met pv-panelen is het aan te bevelen om een power diverter te plaatsen. Daarmee kan je de overstroom redigeren naar het thermische laadstation, dat in dit geval met een lager wattage (min. 200 W) te laden is, met name op dagen dat er wel opbrengst is van pv-panelen, maar te weinig om andere energieverbruikende toestellen te laten draaien.

Met de medewerking van Vaillant en Flamco