Geothermische opslag van zonnewarmte
Binnenkort volledig energieneutrale gebouwen dankzij opslag in de bodem?
Tijdens de zomermaanden is zonnewarmte gratis in overvloed aanwezig, terwijl er tijdens de wintermaanden veel te weinig zonnewarmte is en er dus net veel nood is aan zonne-energie. Het is dan ook logisch en zelfs een must om systemen te zoeken die zonne-energie opslaan tijdens de zomer, zodat die energie tijdens de wintermaanden kan worden gebruikt. Enkel door warmte op grote schaal op te slaan voor toepassingen in bedrijven en particuliere woningen, kunnen we in de nabije toekomst gebouwen energieneutraal maken, wat van primordiaal belang is in het kader van de klimaatdoelstellingen 2030 en 2050.
Energie-efficiëntie zonnecollectoren
De opslag van elektriciteit in batterijen is ondertussen bekend, maar warmte-opslag moet nog aan zijn opmars beginnen. Opslag van elektriciteit in batterijen is niet zo energie-efficiënt, omdat fotovoltaïsche panelen een rendement hebben van ongeveer 20%. Dat betekent dat nog steeds 80% van de invallende energie verloren gaat. Zonnecollectoren daarentegen zetten de zonne-energie om in warmte en hebben een collectorrendement van 75% en zelfs meer. Energetisch gezien is de zonnecollector dus een betere vorm van energie-omzetting.
Dit artikel focust daarom op de opslag van warmte in de bodem. Zowel in België als onze buurlanden gebeuren reeds interessante projecten hierrond: met het gebruik van PCM’s (phase change materials), met het opwarmen van een zeer grote massa water in ondergronds gemonteerde betonnen kuipen (het ecovatprincipe, ook bekend als ATES-systeem) of met een complex buizensysteem in de grond, waar warm water doorgestuurd wordt (BTES-systeem).
Potentieel blijft onderbenut
Zonnecollectoren worden in België wel al vaak gebruikt voor de productie van sanitair warm water. Installateurs bepalen dan het aantal zonnecollectoren dat nodig is om een benuttingsgraad van 50 à 60% te bekomen. De benuttingsgraad geeft weer hoeveel van de totale warmtevraag op jaarbasis voorzien wordt door zonnewarmte. Een zeer klassieke opstelling is dan een voorraadvat met maximaal twee zonnecollectoren, om oververhitting in de zomer te voorkomen. Door die beperkende factor van oververhitting kunnen we de invallende en in de zomer overvloedige aanwezige zonne-energie niet optimaal benutten. Meer panelen plaatsen, betekent immers dat in de warme zomermaanden het voorraadvat sneller op temperatuur komt en het zonnesysteem zichzelf uitschakelt. Met een leegloopvat stroomt het water dat zich in de zonnecollector bevindt terug naar het leegloopvat, en dus kan er geen warmte meer worden overgedragen. Bij een druksysteem stopt de pomp met water te circuleren, waardoor de warmte niet naar het voorraadvat kan worden getransporteerd.
Op wijkniveau, waar verschillende woningen aan elkaar gekoppeld kunnen worden, is het interessant om meerdere panelen te plaatsen voor warmteopslag
Extra paneel
Een extra zonnecollector betekent wel dat er in tussenseizoenen meer warm water ter beschikking is, maar zorgt dus wel voor problemen in de zomer. We moeten daarom trachten die energie, die in de zomer overvloedig aanwezig is, tijdelijk op te slaan in bijvoorbeeld een warmtebuffer.
Uiteraard zal één extra paneel onvoldoende zijn voor warmteopslag, maar wanneer we op wijkniveau – district heating – kijken, waar verschillende woningen aan elkaar gekoppeld kunnen worden, is meerdere panelen plaatsen wél een interessante hypothese. Als we uitgaan van een woonwijk met een 50-tal woningen en we voorzien elke woning van 24 m² zonnepanelen, afgerond 10 panelen, dan praten we plots wel over een theoretische 1.200.000 kWh aan gratis energie op jaarbasis.
Als we de zonnekaart van Vlaanderen bekijken, dan mogen we immers aannemen dat de gemiddelde zonne-instraling in Vlaanderen 1.000 kWh/m² bedraagt. Rekening houdend met de benuttingsgraad van 60% kan een opbrengst van 720.000 kWh aan warmte worden verwacht.
Thermische energie-opslag via boorgaten
De werking is analoog aan die van zonnecollectoren voor de bereiding van warm water: een glycolmengsel loopt doorheen de verschillende zonnecollectoren en absorbeert de zonne-energie. Het opgewarmde glycolmengsel gaat naar een warmtewisselaar, waar het zijn warmte afgeeft aan een tweede systeem gevuld met water.
Tijdens de warme zomermaanden zal het warme water zijn warmte afgeven aan de bodem via verschillende boorgaten. Dat wordt een BTES-systeem genoemd (Borehole Thermal Energy Storage). De diepte van de boorgaten wordt vaak beperkt tot maximaal 35 à 50 m.
Geschikte ondergrond
Niet elke ondergrond is even geschikt om aan warmteopslag te doen. Er moet dus worden gekeken naar de lokale thermische eigenschappen van de bodem (o.a. thermische geleidbaarheid).
Om de warmte goed te kunnen capteren, kan het bovendien noodzakelijk zijn om een soort van isolatie te voorzien in de vorm van een polyethyleenscherm.
In een voorbeeld van 50 woningen met in totaal 500 zonnecollectoren betekent dat dat er 110 boringen nodig zijn van 35 m. De afstand tussen de verschillende boringen is 4 m. Op die manier ontstaat er een heel collectorveld van boringen.
Het warme water wordt naar het midden van het collectorveld gebracht, waar het water zijn warmte afgeeft aan de bodem. Deze warmte zal zich van daaruit verspreiden naar de buitenkant. Het collectorveld kan nadien worden bedekt met een laag zand en de mogelijkheid bestaat om er een mooi natuurpark(je) te ontwikkelen.
Maximale injectietemperatuur
Er is echter een beperkende factor in de VLAREM-wetgeving, die stelt dat de maximale injectietemperatuur in de bodem beperkt moet worden tot 25 °C. Die temperatuur is niet theoretisch of praktisch gestaafd, dus we hebben het raden naar de herkomst van die waarde. Nochtans geldt in onze buurlanden eenzelfde (soms wel een iets hogere) temperatuurwaarde. Blijkbaar reageert ‘Moeder Aarde’ niet zo positief op het feit dat we te warm water injecteren op een diepte van 50 meter.
Verschillende wetenschappers in eigen land en in het buitenland zoeken uit of die temperatuur eventueel iets verhoogd kan worden. Dat is niet onbelangrijk, omdat op die manier nu veel warmte verloren gaat.
Vooral in industriezones, waar zo’n 70% van de restwarmte verloren gaat. Het zou uiteraard veel energie-efficiënter zijn om die restwarmte te verzamelen en op te slaan in de bodem voor later gebruik.
Onder restwarmte verstaan we onder andere verdampingswarmte uit koeltorens en warmte afkomstig uit verbrandingsgassen.
Thermal storage tanks
Om de hoge temperaturen, afkomstig van de zonnecollectoren, te verlagen tot een aanvaardbare injectietemperatuur voor de bodem, moet er worden gewerkt met opslagvaten, zogenaamde short term thermal storage tanks.
Stel bijvoorbeeld dat je twee opslagvaten van elk zo’n 120 m³ hebt. De cilindrische opslagvaten met een diameter van zo’n 3,8 m en een hoogte van 11 m kunnen worden geplaatst in een ‘technische ruimte’, vlak aan het collectorveld met alle boringen. Door een warmtewisselaar in de opslagvaten te plaatsen kan de injectietemperatuur beperkt blijven tot ca. 25 °C.
Op die manier bekomt men een hoge temperatuur bij warmteopslag in de vaten voor kortetermijngebruik en om pieken op te vangen, en een lage temperatuur bij opslag in de bodem voor lange termijn.
Met thermische energieopslag in grote tanks creëer je dus ‘flexibiliteit’ op de verschillende circuits die eraan gekoppeld zijn (op het vlak van temperatuur en debiet).
Haalbaarheid toetsen via proefprojecten
Dergelijke systemen bestaan reeds in het buitenland en bewijzen daar hun efficiënte werking. Om zo’n systeem te laten renderen in Vlaanderen, moet worden onderzocht of de temperatuur in de bodem niet hoger mag worden.
Op het European Geothermal Congress in juni 2019 werd bijvoorbeeld voorgesteld om naar een ‘bewaartemperatuur’ van 40 °C te gaan. Verdere studies zullen moeten uitwijzen waar en hoe we dergelijke proefprojecten kunnen opstarten.
Een proefproject is van groot belang om via metingen aan te tonen dat dergelijke systemen mogelijk en haalbaar zijn (zie kader).
Bijkomende warmteproductie
In Vlaanderen is een langetermijnopslag van 25° C in de bodem te laag om er zeker van te zijn dat we alle woningen in de winter kunnen verwarmen. Er zal een bijkomende warmteproductie noodzakelijk zijn.
Daarvoor zou een bodem/water-warmtepomp gebruikt kunnen worden. Aan de bronzijde heerst dan een temperatuur van 25 °C en aan de afgiftezijde 35 °C, wat voldoende is voor vloerverwarming of lagetemperatuurradiatoren.
Met geothermische warmteopslag in combinatie met bodem/water-warmtepomp moet het mogelijk zijn om te komen tot energieneutrale woningen, zeker op wijkniveau.
