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, ca. 500 m onder maaiveld. Bodemenergie onder 500 m diepte heet geothermie (aardwarmte).
Warmte-koude-opslag is een vorm van energieopslag en kan ook worden toegepast om fossielvrij gewonnen warmte op te slaan voor (veel) later gebruik.

Warmte-koude-opslag (voor warmte en koelte) en pv-panelen (zonnepanelen, voor elektra) zijn bijna noodzakelijk om een woning (bijna) energieneutraal (BENG) of nul-op-de-meter (NOM) te maken. 
Voor nieuwbouw is te denken aan een wko per woning: elke woning  zijn eigen installatie met een gesloten systeem.
Denk eventueel ook een andere vorm van warmte-koude-opslag: aquathermie: het benutten van warmte / koude van oppervlaktewater, afvalwater of drinkwater. (Of combineer aquathermie of riothermie met lokale warmte-koude-opslag zodat onbenutte warmte en koude opgeslagen kunnen worden in de betreffenden lagen.)
Overigens, bij een zeer goed geïsoleerde woning kan, in plaats van warmte-koude-opslag, een warmtepomp voor warmte en koelte zorgen, bij voorkeur wanneer de benodigde elektriciteit groen is.

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. Het in de bodem teruggevoerde, opgewarmde water is noodzakelijk om in de winter dat warme water op te pompen en voor "gratis" 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.)

situatie warmte-koude-opslag in zomer en winter; als de temperatuur van het water in de warme bron te laag is voor verwarming van het gebouw, is een warmtepomp of elektrische verwarmingseenheid nodig om die temperatuur omhoog te brengen; tsa is een tegenstroomapparaat warmtewisselaar (wageningen university & research):

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). Mocht de verwarming via het wko-systeem niet voldoende zijn, dan kan (elektrische) 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. 
Een wko-systeem kan zeer veel energie besparen, maar pompen en warmtewisselaars gebruiken elektriciteit. PV-panelen of windenergie kunnen voor het opwekken van de benodigde elektriciteit zorgen of in ieder geval een fors deel op de elektriciteitskosten van het wko-systeem besparen. Voordeel is ook dat er geen aardgasaansluiting meer nodig is (besparing in vaste kosten levering en het zeer dure aardgasverbruik).

In het WKO-bodemenergietool 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.

Mogelijke onbalans warmte en koude

Er kan onbalans optreden tussen warmte en koude. Er wordt bijvoorbeeld teveel warmte onttrokken aan "de" bron of niet voldoende warmte daaraan toegevoerd: de bodem wordt structureel teveel afgekoeld en het nuttig effect van het wko-systeem wordt steeds kleiner. 
Vooral de maanden september t/m april, ongeveer driekwart van een jaar, wordt warmte onttrokken aan de bron. Dan moeten de betrekkelijk warme maanden mei t/m augustus, dus slechts vier maanden, ervoor zorgen dat er voldoende warmte aan de bron wordt geleverd om de koude winter erna weer door te komen. Ook kan een warme winter ervoor zorgen dat er te weinig warmte onttrokken wordt aan de bron en daardoor het bronwater te warm is om in de eropvolgende zomer het gebouw goed te koelen.
Een vooraf-berekening van de effectiviteit van het wko-systeem is daarom altijd noodzaak. Monitoren met behulp van glasvezels in de bron(nen) kan meer inzicht bieden in het functioneren van het wko-systeem en verbeteringen eenvoudiger maken.
Let op: het moment van in werking treden van het wko-systeem is medebepalend of er warmte aan de bron onttrokken wordt (winter) of wordt geleverd (zomer); het eerste jaar na installatie van de wko zal het systeem daardoor mogelijk minder goed functioneren omdat de bron nog niet de juiste temperatuur heeft. Als het wko-systeem in december wordt geïnstalleerd, zal de bron te koud zijn om nog een maand of vier warmte te leveren; er is immers nog geen zomer geweest waarin de bron verwarmd kan worden.

Gesloten bronsysteem ("bodemlus")

Een gesloten bronsysteem of bodemlus 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.
Ook voor gesloten wko-systemen is een vergunning verplicht. Als het bodemzijdig vermogen van een gesloten systeem meer dan 70 kWh is, is ook een OBM noodzakelijk (omgevingsvergunning beperkte milieutoets).
Een gesloten bronsysteem wordt soms een verticale bodemwarmtewisselaar (VBWW) genoemd.

Een voorbeeld van particuliere gesloten wko-systemen bij nieuwbouw (afbeelding uit WKO-bodemenergietool).

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:
- "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.). 

"Voor open bodemenergiesystemen [wko-systemen] die grondwater onttrekken is altijd een vergunning nodig in het kader van de Waterwet. De provincie verleent de watervergunning voor de onttrekking op basis van de Waterwet."

Andere aandachtspunten

Er zijn de laatste decennia veel wko-installaties geplaatst, bij nieuwbouw vaak privé-installaties (elke woning zijn eigen installatie, dus elke woning een eigen gesloten systeem). Zoals bij elke bron van energie zijn er ook bij warmte-koude-opslag aandachtspunten.
 
Faalfactoren en andere aspecten van wko, in het bijzonder bij een open systeem, zijn o.m.:
- voor een open systeem: 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
- voor een open systeem: 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 BENG en het liefst kaswoning of passiefhuis wellicht)
- uitvoerders krijgen wel steeds meer ervaring, maar wko is nog steeds geen algemeen "energiemiddel" (2023); 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 een 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.

Een energiepaal is eigenlijk ook een specifieke vorm van warmte-koude-opslag. 

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 zomer winter; klik voor groter:

warmte-koude-opslag, een voorbeeld van een nieuwbouw-tussenwoning met particuliere gesloten bodemenergie-systemen (gbes); hier is de warmtevraag 3,70 MWh (3700 kWh) en de koudevraag 2,50 MWh (2500 kWh); er is geen put en geen ontrekking omdat het een gesloten systeem is; einddiepte buis 120 m onder maaiveld en totale luslengte 120 m komt wat raar over (?): (wko-bodemenergietool):

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, Kodi open en gesloten bron systemen, 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