|
|
|
|
Ook: WKO,
KWO. Bij warmte- en koude opslag wordt grondwater in de dieper liggende bodem benut 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.
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.
Met een warmtewisselaar
(warmtepomp) 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.
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
BodemenergieNL). 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.)
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 buizen opgenomen die alleen in verbinding staan met de rest van het
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 de 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?
- ook de warmte van oppervlaktewater kan in de zomer opgeslagen worden in een
wko-systeem; dit wordt thermische energie uit oppervlaktewater (TEO) genoemd.
- een artikeltje uit Techniek
& Wetenschap (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 ontrekken hoeveelheid grondwater ten hoogste 10 m3 per uur mag
zijn en dat de capaciteit een gesloten wko-systeem maximaal 70 kW mag bedragen. Er zijn gebieden aangegeven
waar wel, misschien en 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
BodemenergieNL.
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 (technion):  |
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,
Techniek &
Wetenschap (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
