warmte-koude-opslag

Ook: WKO, KWO (koude-warmte-opslag). Warmte- en koude opslag is een vorm van bodemenergie waarbij grondwater in de dieper liggende bodem benut wordt als energiebuffer. Doel van warmte-koude-opslag is bij te dragen aan een energiezuinig gebouw. Waterhoudende grondlagen (aquifers) laten zich uitstekend gebruiken om warmte en koude op te slaan. Ook zijn er gesloten wko-systemen waarbij de buffers gesloten zijn en dus geen vermenging mogelijk is.
De diepte van de grondlaag voor wko is meestal boven de 100 m onder maaiveld; de zogenoemde 2de generatie wko-systemen kunnen dieper gelegen zijn, 500-600 m onder maaiveld. 
Warmte-koude-opslag is een vorm van energieopslag.

PV-panelen (zonnepanelen, voor elektra) en warmte-koude-opslag (voor warmte en koelte) zijn bijna noodzakelijk om een woning (bijna) energieneutraal (BENG) of nul-op-de-meter (NOM) te maken. Bij zeer goed geïsoleerde woningen kan een warmtepomp voor warmte en koelte zorgen.

Met een warmtewisselaar wordt in de winter het koude water in een koudwaterlaag in de bodem, de "koude bron", geïnjecteerd en in de zomer het opgewarmde koelwater in de warmwaterlaag, de "warme bron". Door het koude water 's zomers naar boven te pompen wordt zo het gebouw gekoeld: "gratis" koeling in de zomer. Omgekeerd wordt in de winter het warme water opgepompt om voor verwarming te zorgen. 
Het onttrokken grondwater wordt steeds weer geïnjecteerd, zodat er geen grondwater wordt verbruikt. Er zijn systemen met twee aparte putten voor koud en voor warm water (doubletsystemen), maar er zijn ook monosystemen die van één put gebruikmaken en waarbij de lagen onder elkaar liggen. (Voor warmtewisselaar zie ook bij warmtepomp.)

Opslag van deze vorm van thermische energie (warmte- en koudeopslag, WKO, of koude- en warmteopslag KWO) gedurende een seizoen maakt het mogelijk voor een aanzienlijk deel in de vraag naar warmte en koude te voorzien. Met de opslag van koude en warmte in de bodem zijn zeer forse energiebesparingen van 50% tot 80% te bereiken (bron Bodemenergie Nederland). De verwarming zal wellicht niet voldoende zijn, daartoe moet dan bijverwarming plaatsvinden. Bewoners moeten er misschien aan wennen 's zomers koelte uit de grond te gebruiken om het water weer te verwarmen voor gebruik in de wintertijd. Bij voorkeur moeten we 's zomers door koeling zoveel mogelijk "hitte" opslaan zodat we daar 's winters van kunnen profiteren. (Bij toepassen van pv-panelen of windenergie voor het opwekken van elektriciteit kost koeling niets aan extra energie.) 

In het WKOtool kan ingezien worden waar een open of gesloten systeem aanwezig is, de warmtevraag en koudevraag e.d. (de warmte- en koude getallen staan in kW aangegeven). Er zijn meer installaties dan verwacht: zoek eens in uw omgeving en klik op een gekleurd bolletje (de aanduiding GBES en OBES staan resp. voor Gesloten en Open BodemEnergieSysteem; GWO staat voor GrondWaterOnttrekking). Nieuwbouwwoningen worden regelmatig van een eigen, gesloten wko-installatie voorzien om aan de milieudoelstellingen te voldoen.

Gesloten bronsysteem

Een gesloten bronsysteem komt niet zo vaak voor. Bij een gesloten bronsysteem is het te verwarmen of te koelen medium in "reservoirs" of in buizen opgenomen die alleen in verbinding staan met de rest van het eigen energiesysteem. Een specifieke vorm van een gesloten bronsysteem is een BWW (bodemwarmtewisselaar) waarbij buizen door de warme aardlagen lopen, de vloeistof in de buizen de warmte opnemen en deze bovengronds afgeven. Het BWW-systeem is minder efficiënt dan het WKO-systeem en meestal duurder om aan te leggen, maar er wordt geen grondwater onttrokken en het brengt geen ongewenste waterstromen in de ondergrond op gang.

Een aspect is dat een grote hoeveelheid water nodig is om de warmte (of koude) in op te slaan. Bij gebruik van een andere stof dan water kan dat volume aanzienlijk worden teruggebracht. Zulke materialen zijn bijvoorbeeld magnesiumsulfaat, zeolieten of silicagel: soms wordt "warmte" opgeslagen door veranderen van fase van de stof, soms door adsorptie (het in zeoliet aanwezige water verdampt of slaat juist neer).
Het grote voordeel van magnesiumsulfaat is dat het volume nog niet 1/10 kan zijn van dat van water, wat bij een rijtjeshuis opslag in of onder de kruipruimte mogelijk maakt. Ook zijn er dus geen waterbuffers diep in de bodem vereist. Er is berekend dat bij een doorsneehuis een volume van 4,5*4,5*4,5 m wateropslag nodig is; bij toepassing van magnesiumsulfaat i.p.v. water kan dat dus 4,5*4,5*0,45 m zijn wat, met goede isolatie, redelijk gemakkelijk onder een normaal huis past. (De capaciteit aan warmteopslag van water is 240 MJ/m3 en van magnesiumsulfaat 2,8 GJ/m3, ofwel 2800 MJ/m3. We gaan hierbij uit van een volumieke warmtecapaciteit water van 4,2 MJ per m3 per Kelvin en een temperatuurverschil van 55 à 60 graden, dus 4,2*57 = ca. 240 MJ/m3.)

Bij een dergelijke opslag is dus altijd sprake van een gesloten bronsysteem. Vanwege de temperatuur van het medium, de ligging als onderdeel van de woning of dicht bij de woning en de kans op bacteriën e.d. is hier een gesloten reservoir nodig.

Open bronsysteem

Als bij opslag van warmte en koude in de bodem gebruik gemaakt wordt van het grondwater dan is sprake van een open bronsysteem (open systeem voor bodemenergie). Een open systeem zal alleen nuttig zijn bij een grotere energiebehoefte i.v.m. de grotere energieopslag, de kosten, vergunningen, procedures e.d. 

Aspecten die de problematiek van warmte- en koudeopslag aangeeft bij open wko-systemen (voordat het wko-systeem is aangebracht):
- geen geschikt watervoerend pakket in de bodem (dikke zandpakketten)
- er mogen geen grote grondwaterstromen zijn (dan verdwijnt het warme of koude water immers)
- drinkwaterbescherming in de nabijheid kan opslag in de bodem beletten
- bestaande bodemverontreiniging mag niet verspreid worden door het wko-systeem
- geografische en juridische problemen, zeker wanneer het aantal installaties met warmte-koude-opslag sterk toeneemt: wat doe je als ondergrondse warmte- en koudebronnen te dicht bij elkaar liggen en elkaar door interferentie ongunstig beïnvloeden? wie is verantwoordelijk?

Aspecten bij een bestaand open wko-systeem:
- er is onbalans tussen warmte en koude; er wordt bijvoorbeeld teveel warmte onttrokken uit dan wel niet voldoende warmte toegevoerd aan de warme laag (de bodem wordt structureel teveel afgekoeld en het nuttig effect van het wko-systeem wordt steeds kleiner); monitoren met behulp van glasvezels in de bronnen kan het functioneren van het wko-systeem mogelijk verbeteren
- "veel wko-installaties zijn niet goed omdat de infiltratietemperatuur in de winter te laag gekozen wordt; daardoor zijn er te weinig uren met een buitentemperatuur die laag genoeg is om koud water te laden" (ing. P.F. van Gent, 2011) 
- het wko-systeem kan vrij veel elektriciteit eisen; zelf opwekken van elektriciteit is zeer gewenst (meestal door pv-panelen).

Hoewel wko inmiddels een bewezen techniek is, blijkt toch dat er regelmatig wko-projecten mislukken (zie de noten bij het trefwoord warmtepomp; de grondlaag voor opslag van warmte of koude is niet geschikt, er wordt bijvoorbeeld te weinig water opgepompt, de installateurs zijn niet vakkundig, de warmtepomp is ongeschikt, de filters raken steeds verstopt enz.). 

Andere aandachtspunten

Faalfactoren en andere aspecten van wko, in het bijzonder bij een open systeem, zijn o.m.:
- er is onvoldoende (voor)onderzoek gedaan naar de bodemlagen ter plaatse (te weinig geïnvesteerd in onderzoek); opdrachtgevers denken, door de zucht naar energiebesparing en duurzame energie, te simpel over wko en willen aan onderzoek weinig uitgeven
- proefboringen blijven proefboringen
- adviseurs zijn te positief over de mogelijkheden (bijvoorbeeld de laag voor warmte- of koudeopslag is te dun waardoor geen uitwijk naar diepere, wel geschikte lagen mogelijk is)
- adviseurs zijn te "vergeetachtig" als het om installatie- en onderhoudskosten gaat (het onderhoud van een wko-installatie is aanzienlijk duurder dan van een cv-ketel)
- installateurs zijn niet vakkundig genoeg (op het MBO wordt teveel gewerkt aan competenties en te weinig aan vakmanschap; vakmanschap lijkt soms wel een vies woord geworden te zijn, terwijl vakmanschap juist de hoeksteen is van de techniek; op het HBO kiest men teveel voor managementopleidingen omdat men daar, wonderlijk genoeg, meer mee verdient)
- "soms is de warmte uit de wko slechts voldoende voor 20% van de benodigde warmte in de winter (Bibliotheek TU Delft); veel andere wko's slagen er ook niet in 's winters evenveel energie aan de bodem te onttrekken als er in de zomer aan toegevoerd wordt; het nuttig gebruik van warmte uit wko-installaties zal dus veel groter moeten zijn dan nu bij veel projecten is gerealiseerd, dan hoeft men ook geen warmte meer via koeltorens te laten verdwijnen" (ing. P.F. van Gent, 2011)
- een realistische berekening is dus pure noodzaak en het betekent dat het te verwarmen en te koelen gebouw er speciaal op moeten worden "ingericht" (in ieder geval meer isolatie, richting kaswoning of passiefhuis wellicht)
- uitvoerders hebben (nog steeds) niet veel ervaring; het lijkt soms alsof  het wiel steeds weer moet worden uitgevonden door de ingenieursbureaus; hoe moeten we een wko-installatie optimaal inrichten?
- de wko hoort bij het gebouw; met betrekking tot huurwoningen: op 21 januari 2022 heeft de Hoge Raad bepaald dat de kosten dat sommige verhuurders aan de huurder met een (gedeelde) wko-installatie rekenden, alleen maar mag bestaan uit een omslag van de investeringskosten, het onderhoud van de installatie en een bedrag voor de elektriciteit die nodig is om het wko-systeem werkend te houden; wanneer elke woning ene eigen wko-installatie heeft, zal de elektriciteit bij de normale energierekeing horen en niet door de verhuurder worden omgeslagen
- ook de warmte van oppervlaktewater kan in de zomer opgeslagen worden in een wko-systeem; dit wordt aquathermie genoemd, soms ook thermische energie uit oppervlaktewater (TEO)
- een artikeltje uit Technisch Weekblad van 16 juni 2012: "Uit onderzoek van KWR Watercycle Research Institute blijkt dat ondiep grondwater (vaak verontreinigd door menselijke activiteiten) door warmte/koudeopslag (WKO) sneller op dieptes komt waar eerst alleen schoon water aanwezig was. Bovendien blijkt dat bodemprocessen gevoelig zijn voor de temperatuurseffecten van WKO. Bij proeven losten arseen en boor, die bij lage temperatuur binden aan het sediment, op bij een temperatuursstijging tot 25 graden Celsius, het toegestane maximum voor WKO-systemen. Dit proces is vermoedelijk omkeerbaar, maar enige voorzichtigheid lijkt toch geboden voor WKO nabij plekken voor drinkwaterproductie, iets wat nu regelmatig gebeurt. (JH)". 

De provincies kunnen aanvullende eisten gesteld hebben, bijvoorbeeld dat bij een open wko-systeem de te onttrekken hoeveelheid grondwater ten hoogste 10 m3 per uur mag zijn en dat de capaciteit van een gesloten wko-systeem maximaal 70 kW mag bedragen. Er zijn gebieden aangegeven waar wel / misschien / geen wko-systeem mag worden opgesteld: resp. het groene, oranje en rode gebied (documentatie Provincie Drenthe).

Boringen ten behoeve van wko dienen te worden uitgevoerd conform de voorwaarden van Bodemenergie Nederland.

warmte-koude-opslag, monosysteem, situatie in de winter; klik voor groter (geocomfort):

warmte-koude-opslag, monosysteem, situatie in de zomer; klik voor groter (geocomfort):

warmte-koude-opslag, doubletsysteem,  figuur zomer winter; klik voor groter  (geocomfort):

warmte-koude-opslag, figuur winter zomer; klik voor groter:

warmte-koude-opslag, boren:

warmte-koude-opslag, verwarming en koeling; klik voor groter:

Documentatie
- Werking van warmte-koude-opslag (demonstratie, filmpje) van Geocomfort

- Documentatie wko GM10, GM12,5 en GM15 van Geocomfort

- WKO-Tool (bereken bijvoorbeeld hoeveel huizen nodig zijn voor een redelijke terugverdientijd)

- WKO "bemaling" (van Koop Watermanagement)

Met dank aan o.m. TNO, GeoComfort Koeling en verwarming uit de bodem, Bodembelang, Bodemenergie, Technisch Weekblad en ing. P.F. van Gent.

Zie ook bij groene stroom, kaswoning, energiepaal.

Verg. aardwarmte (geothermie, meestal ca. 2300 m diep).
Verg. betonkernactivering (BKA) als andere energiezuinige methode om van "warmte en koude" gebruik te maken om de temperatuur van de ruimte aan te passen.

Eng. (open systeem) aquifer thermal energy storage (ATES); (gesloten systeem) borehole thermal energy storage (BTES); heat cold storage