Positioning paper. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

Positioning paper

Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

April 2015

Samenvatting Positioning paper Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing Slimme netten Slimme netten kunnen op verschillende manieren bijdragen aan een beter functionerend en toekomstbestendig elektriciteitsnetwerk door: • Integratie van nieuwe technieken door vraagsturing • Efficiency & stabiliteit door automatische (re)- configuratie van netten • Informatie & keuzemogelijkheden door monitoring & beheersing van de netstromen

De rol van warmtepompen Warmtepompen hebben een belangrijke rol in de toekomstige ontwikkeling van netten. Naast elektrisch vervoer vormen warmtepompen de belangrijkste component in de totale energievraag van de betreffende huishoudens. Naar schatting zullen in 2020 ca. 500.000 warmtepompen in Nederland geïnstalleerd zijn. Dit komt overeen met één op de vijftien huishoudens, waarbij de spreiding van warmtepompen natuurlijk niet homogeen is. Daarnaast zal de netbelasting uit duurzame opwek in de vorm van zon PV (lokaal) en wind (centraal) groeien.

Warmtebuffering en aansturing Het gebruik van warmtebuffers is essentieel voor een succesvolle aansturing van warmtepompen in een slim net. De meeste tot nu toe geïnstalleerde warmtepompen beschikken reeds over een warmtebuffer van honderden liters. Om de effectiviteit te vergroten kan echter in de toekomst gebruik gemaakt worden van grotere buffers. Huidige buffers slaan warmte op in water, maar door gebruik te maken van de thermische massa van (nieuwbouw)woningen, phase change materials (PCM’s) en in de toekomst chemische warmteopslag is de buffercapaciteit nog sterk te vergroten en het verlies te beperken, zodat warmteopslag in de woning gedurende meerdere dagen of zelfs maanden mogelijk wordt. Voor de slimme aansturing van warmtepompen moeten communicatiekanalen en –protocollen worden ontwikkeld. De aansturing van de warmtepomp zelf anticipeert momenteel nog niet op slimme aansturing, maar het is technisch relatief eenvoudig om dit te implementeren. De bottleneck voor slimme netten zit dus in het beschikbaar maken van statusinformatie uit de voorraad aan geïnstalleerde warmtepompen en sturingsinformatie uit het netwerk. Voor de aansturing kunnen verschillende criteria worden gehanteerd: energieprijs, CO2,

Inpassingsmogelijkheden van warmtepompen: naar een slim net Er zijn verschillende mogelijkheden om warmtepompen in te passen in het net. Gesorteerd van conventioneel naar geïntegreerd zijn er de volgende opties:

Netverzwaring

Netbeheerder reageert op de verandering in de vraag, geen poging om de vraag te beïnvloeden.

Keten optimaliseren

Kijk integraal naar alle schakels: de gezamenlijke prestatie van netwerk, opwekinstallatie, afgiftesysteem en woning moet worden geoptimaliseerd.

Monitoren & communiceren

Verzamel informatie over prestaties en beschikbare buffercapaciteit van warmtepompen, stel informatie beschikbaar over netcapaciteit en belasting verwachtingen.

Aansturing & flexibiliteit

Maak stuurinformatie beschikbaar, ontwikkel 2-richting communicatieprotocollen en regel de netbelasting actief.

Integratie andere technieken

Hybride warmtepompen en micro-WKK kunnen helpen om de piekbehoefte te verlagen doordat ze aardgas als brandstof gebruiken. Micro-WKK en zon PV produceren elektriciteit die een deel van deze piekbehoefte in kan vullen. Een optimale inzet van verschillende technieken in woongebieden draagt bij aan stabiliteit, voorspelbaarheid en efficiency. Flexibiliteit met andere energiedragers is één van de mogelijke oplossingen.

netstabiliteit, duurzaam productievolume etc. In eerste instantie zal het zinvol zijn om een groot aantal warmtepompen centraal te registreren, te monitoren en aan te sturen, zodat optimale strategieën voor slimme aansturing kunnen worden ontwikkeld. Bij een groeiende penetratie van warmtepompen in de Nederlandse woningbouw, zal het minder belangrijk worden om met individuele installaties te communiceren en kunnen geaggregeerde sturingsprikkels worden gebruikt.

Aanbevelingen Verschillende partijen spelen een rol in de ontwikkeling van slimme netten. M.b.t. de integratie van warmtepompen doen we de volgende aanbevelingen:

Netbeheerders

● ● ● ●

De inzet van een warmtepomp verdubbelt de elektriciteitsvraag van een huishouden. Zonder adequate aansturing (bv. pieklast met elektrische weerstandsverwarming), kan de capaciteitsvraag zelfs tot 10 keer hoger zijn dan zonder warmtepompen, met name elektrische bijverwarming speelt hierin grote rol. Door gebruik van slimme warmtepompen kan de elektriciteitsvraag van warmtepompen beter worden gespreid in de tijd, zodat de totale benodigde capaciteit gelijk blijft, ondanks de hogere totale volumevraag.

●

Faciliteer/ontwikkel registratie & communicatie. Onderzoek drijfveren (niet-financieel). Ontwikkel instrumenten voor load-management & peak-shaving. Ontwikkel (gestandaardiseerde) thermische opslagsystemen, ook geschikt voor retrofit in bestaande installaties (i.s.m. fabrikanten). Ontwikkel een zgn. ‘FlexIndex’ om inzicht te krijgen in de mogelijkheden van (combinaties) van apparatuur en productie-installaties.

Woningcorporaties

●

Breng potentieel voor energiebesparing en flexibiliteit door warmtepompen in kaart voor de woningvoorraad.

Overheid

Warmtepompen zetten elektriciteit om in warmte. Aangezien warmte relatief eenvoudig opgeslagen kan worden, kunnen warmtepompen hiermee in potentie een belangrijke rol spelen in de beheersing van de netbelasting.

●

Fabrikanten

● ● ● ● ●

Verken mogelijkheden voor systeemintegratie tussen technieken. Ontwikkel regelconcepten voor inpassing warmtepompen in slimme netten. Ontwikkel regelconcepten voor flexibele brandstofinzet (gas/elektriciteit) in hybride warmtepompen. Breidt regelingen van warmtepompen uit met “slimme” functies en monitoringsopties. Ontwikkel (gestandaardiseerde) thermische opslagsystemen, ook geschikt voor retrofit in bestaande installaties (i.s.m. netbeheerders).

Installatiebedrijven/installatieadviesbureaus

● ●

Participeer actief in demonstratieprojecten om ervaring op te doen. Doe kennis op over ketenoptimalisatie.

Kennisinstituten

● ●

Ontwikkel optimale aansturingsinstrumenten. Ontwikkel voorspellingsmodellen voor netbelasting incl. de zgn. ‘FlexIndex’.

Ontwikkel regelgeving en energiebelasting toegespitst op load management en slimme netten.

Afhankelijk van de situatie kan door slimme aansturing van warmtepompen ca. €200 – €1000 per woning worden bespaard op eenmalige initiële netkosten.

2



3

Inhoudsopgave

Bijlage 1: Warmtepompen in de woningbouw.......................................................................................................................... 21 Uitgangspunten:................................................................................................................................................................... 21 Woningvoorraad;.................................................................................................................................................................. 21 Ontwikkeling van de woningvoorraad tot en met 2030....................................................................................................... 22

Samenvatting Positioning paper.................................................................................................................................................. 2

Het huishoudelijk elektriciteitsgebruik................................................................................................................................. 23 Waar gaan we welke warmtepompen tegen komen, en wanneer?..................................................................................... 23

1.

Inleiding............................................................................................................................................................................. 6 1.1

Waarom een positioning paper over load management met warmtepompen?..................................................... 6

1.2

Warmtepompen en het elektriciteitsnetwerk in de toekomst................................................................................. 6

1.3

Verschillende stakeholders, verschillende impact................................................................................................... 8

Welke woningtypes met welke bouwperiodes................................................................................................................ 24 Warmtepompsystemen en plaatsingsmogelijkheid............................................................................................................. 25 Bijlage 2: Warmtepompen en thermische buffers.................................................................................................................... 26 Principewerking van een warmtepomp:.............................................................................................................................. 26

2.

3.

Inpassing van warmtepompen op het elektriciteitsnetwerk........................................................................................... 10 2.1

Netverzwaring........................................................................................................................................................ 10

2.2

‘Keten denken’ en ketenanalyse bij grootschalige toepassing van warmtepompen............................................. 10

2.2.1

De integrale benadering............................................................................................................................... 11

2.2.2

Gedrag van de warmtepomp van belang bij de integrale benadering......................................................... 11

2.2.3

Communicatie is het sleutelwoord............................................................................................................... 12

2.3

Een landelijke faciliteit voor online monitoring van warmtepompen.................................................................... 12

2.4

Een flexibeler elektriciteitsnetwerk....................................................................................................................... 13

2.4.1

Vraagsturing................................................................................................................................................. 13

2.4.2

De flexindex en flexgrafiek........................................................................................................................... 14

2.5

Hybride’s: schakelen tussen gas en elektriciteit..................................................................................................... 14

2.6

Combinatie met andere technologieën................................................................................................................. 15

2.6.1

Micro-WKK................................................................................................................................................... 15

2.6.2

Zon PV.......................................................................................................................................................... 15

Warmtepomptypes voor de woningbouw............................................................................................................................ 27 Warm tapwatervoorziening met warmtepompen................................................................................................................ 28 Elektrotechnische uitvoeringen............................................................................................................................................ 28 Mogelijkheden voor buffering van warmte.......................................................................................................................... 29 Voelbare warmte opslag.................................................................................................................................................. 29 Latente warmteopslag..................................................................................................................................................... 29 Thermochemische warmteopslag................................................................................................................................... 29 Warmtepompen en buffercombinaties................................................................................................................................ 30

Bijlage 3: Veranderingen in het elektriciteitsgebruik in de woningbouw.................................................................................. 31 Ontwikkelingen van het huidige elektriciteitsgebruik.......................................................................................................... 31 Nieuwe technologieën: E-mobiliteit..................................................................................................................................... 31

Aanbevelingen voor acties............................................................................................................................................... 17 3.1

Netwerkbeheerders:.............................................................................................................................................. 17

3.2

Woningcorporaties:................................................................................................................................................ 17

3.3

Overheden:............................................................................................................................................................ 17

3.4

Fabrikanten:........................................................................................................................................................... 17

3.5

Installatiebedrijven:............................................................................................................................................... 18

3.6

Kennisinstellingen en onderzoeksinstituten.......................................................................................................... 19

Bronverwijzing & onderzoeksverantwoording:......................................................................................................................... 20 Colofon:..................................................................................................................................................................................... 20

4



5

1.1 Waarom een positioning paper over load management met warmtepompen? Deze positioning paper beschrijft de rol die warmtepompen in de woningbouw kunnen invullen in het managen van toekomstige belasting van het elektriciteitsnetwerk. Een netbeheerder zal streven naar een optimale inpassing van warmtepompen in het systeem, waarbij het net ‘slechts’ een onderdeel is. In deze positioning paper is beschreven dat deze ‘beste inpassing’ alleen mogelijk is als er integraal naar wordt gekeken en dat er diverse mogelijkheden zijn om deze inpassing te bereiken. De reden om een positioning paper op te stellen is dat de impact van een niet integrale aanpak bij het grootschalig toepassen van warmtepompen zeer groot kan zijn voor de netbeheerder (black outs, ongeplande netverzwaringen) en daarmee uiteindelijk ook de maatschappij. Hiertegenover staat dat het op tijd betrekken van de netbeheerder bij toepassen van warmtepompen met een goede integrale aanpak er juist heel veel meer mogelijk is en zelfs bij kan dragen aan het verhogen van de flexibiliteit van het elektriciteitsnetwerk waardoor er meer duurzaam opgewekte energie geabsorbeerd kan worden.

1.2 Warmtepompen en het elektriciteitsnetwerk in de toekomst

Warmtepompen en elektrisch vervoer zijn zonder het (groeiende) aanbod van elektriciteit uit zon PV en wind, al reden genoeg voor het slim inrichten van de netten. Deze slimme inrichting biedt tegelijkertijd de mogelijkheid tot het beter faciliteren van de elektriciteit uit duurzame opwekking.

De warmtepomp is een technologie die fors moet gaan bijdragen aan het verduurzamen van de woningbouwsector en gaat naar verwachting van de warmtepompbranche de komende jaren een serieuze groei doormaken [1]. In deze positioning paper wordt voortgebouwd op de positioning paper ‘Warmtepompen en economie’, (2013) welke door de Dutch Heat Pump Association (DHPA)1 is uitgebracht. In dat document wordt de ambitie van 500.000 geïnstalleerde warmtepompen in 2020 (status 2013: 100.000 stuks) toegelicht en onderbouwd.

Het is de verwachting dat in de nabije toekomst warmtepompen steeds sneller toe zullen nemen in penetratiegraad (zie figuur 1 hieronder). Zie “Bijlage I: Warmtepompen in de woningbouw” voor een uitgebreide analyse van waar welke warmtepompen zullen voorkomen in de toekomst.

80 60 50

Een warmtepomp verdubbelt globaal het elektriciteitsgebruik van een gemiddeld huishouden in de bestaande bouw2 bij,

0

uiteraard, een forse reductie van het aardgasgebruik. Dit geeft ook meteen de technische regelpotentie aan. Door warmtepompen te combineren met thermische opslag, kan een relatief grote gebruiker van elektriciteit in de woning ingezet worden als regelinstrument binnen het wisselende aanbod van duurzaam geproduceerde elektriciteit. Naast e-mobiliteit (volledig elektrische auto & plug-in hybride) is de warmtepomp de grootste energiegebruiker in de woning en daarmee het apparaat met de grootste impact als hiermee ‘slim’ gestuurd gaat worden. In smart grid proeftuinen is vaak veel aandacht om allerlei andere huishoudelijke apparatuur ‘slim’ te sturen, maar de impact daarvan is vele malen kleiner.

onderwerp en de hoeveelheid aspecten die bij dit onderwerp spelen is er bewust gekozen om te beperken tot de hoofdlijnen van het onderwerp. In de bijlagen is echter de nodige diepgang en onderbouwing te vinden voor deze hoofdlijnen. 1 DHPA is de brancheorganisatie voor fabrikanten en leveranciers van warmtepompen in Nederland 2 De praktijk ligt uiteraard veel genuanceerder en is afhankelijk van de warmtevraag die zeer uiteen ligt voor verschillende woningtypes. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

Ground source Hybrid Air/water

70

Warmtepompen zijn daarnaast een kansrijk instrument voor vraagsturing in slimme netten, omdat zij (duurzaam opgewekte) elektrische energie om kunnen zetten in thermische energie, die in de gebouwde omgeving op een later moment gebruikt kan worden voor ruimteverwarming of warm tapwater[33].

Dit document heeft als functie om beslissers en beleidsmakers binnen netbeheerders, centrale en decentrale overheden, grotere installatiebedrijven, fabrikanten, adviesbureaus en woningcorporaties te informeren over de rol die warmtepompen kunnen vervullen in de functie van load management in smart grids. Het document is opgesteld om de mogelijkheden, onmogelijkheden en globale potentie aan te geven van warmtepompen in combinatie met buffers en de flexibiliteit die het kan geven op het elektriciteitsnet. Door de breedte van het

6

x 1.000 PCS

1. Inleiding

40 30 20 10 2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

figuur 1: Verwachte aantal nieuwe installaties per jaar op type warmtepomp tot 2020 (Bron: DHPA, BDH)

Warmtepompen bieden de unieke verbinding tussen het elektriciteitsnet en de aanzienlijke vraag naar thermische energie, voor het genereren van ruimteverwarming en warm tapwater. Als er steeds meer elektrische warmtepompen geïnstalleerd worden zonder dat de netbeheerder daarbij betrokken is of er van op de hoogte is, kunnen zich problemen gaan voordoen omdat het elektriciteitsnet veel zwaarder belast wordt en warmtepompen daarnaast een hoge mate van gelijktijdig gebruik kennen (als het koud is hebben alle woonhuizen tegelijkertijd behoefte aan warmte). De gevolgen zijn: stijgende storingsminuten als gevolg van black outs, een hogere klantontevredenheid en spoedverzwaringen. Een black out heeft ook nog eens een veel grotere impact aangezien woningen met een elektrische warmtepomp afhankelijk zijn van elektriciteit voor warmte en warm tapwater. En het risico op een black out is het grootst juist als het koud is (hoogste belasting). Daarnaast is er het risico dat het net na een black out niet meer op te starten is, omdat dan alle warmtepompen tegelijkertijd op vollast elektriciteit vragen.

Ofwel elektriciteit niet gebruiken op een willekeurig moment, maar wanneer het voorhanden is.

We gaan van vraag gestuurd produceren naar productie gestuurd vragen Flexibiliteit in het elektriciteitsnetwerk is dan essentieel voor de gewenste verduurzaming van ons energiesysteem. Flexibiliteit wordt bepaald door de mate waarin producenten, grootverbruikers, maar ook consumenten in staat zijn om te reageren op wisselend aanbod op de elektriciteitsmarkt zodat tekorten en overschotten aan elektriciteit uitgebalanceerd kunnen worden en evt. capaciteitstekorten voorkomen kunnen worden. Omdat opslag van elektriciteit momenteel alleen mogelijk is ten koste van een fors rendementsverlies en hoge kosten, is het voor de hand liggend om elektriciteit zoveel mogelijk te gebruiken op het moment van productie. Kolen gestookte centrales kunnen in deze context slechts weinig bijdragen doordat hun (beperkte) flexibiliteit ten koste gaat van het rendement. Deze geschetste situatie is geen ver liggend toekomstbeeld. In Duitsland is het al duidelijk te zien aan de elektriciteitsprijs in het weekend. Duitsland heeft afgelopen jaren fors ingezet op duurzame energie waardoor al ongeveer 20% van de opgewekte elektriciteit in Duitsland komt uit biomassa, zon en wind. In het weekend is de totale vraag naar elektriciteit veel lager omdat de industrie grotendeels stil ligt, maar de fossiele elektriciteitscentrales moeten een bepaald minimaal continue vermogen leveren, bovenop de duurzaam opgewekte elektriciteit. Hierdoor ontstaat overcapaciteit en die drukt de prijs. Van de interconnector met Nederland wordt op dat moment dan ook volop gebruikt gemaakt om de overcapaciteit te exporteren [32]. Als elektriciteit uit duurzame bronnen, die niet allemaal op afroep beschikbaar zijn, steeds verder toeneemt, moet de vraag beter op het aanbod worden afgestemd. Als verbruikers hun elektriciteitsgebruik over de tijd gezien (per uur of per dag) kunnen aanpassen is er in het totale systeem minder reservecapaciteit noodzakelijk.

Om de doelstellingen van de Nederlandse overheid in 2020 te realiseren zal er in toenemende mate elektriciteit uit hernieuwbare bron, voornamelijk afkomstig van zon PV en windenergie, moeten worden gebruikt. Deze groei in gebruik van duurzaam geproduceerde elektriciteit vereist een aanpassing van ons elektriciteitssysteem; we gaan van vraag gestuurd produceren naar productie gestuurd vragen. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

7

Dit is een enorme verandering ten opzichte van het verleden, waarin het systeem zodanig was opgezet dat het aanbod van elektriciteit de vraag op ieder moment van de dag volgde. Opslag van warmte door middel van warmtepompen en buffers biedt een koppeling tussen duurzame elektriciteitsproductie en de vraag naar warmte, de grootste categorie in het totale energiegebruik in een woning.

1.3 Potentie en mogelijkheden van slimme warmtepompen

Veel warmtepompen hebben nu al een thermische buffer (met name warmtepompen geïnstalleerd in een nieuwbouw woning) in de vorm van een waterboilervat. Alle warmtepompen hebben een regeling. Dit betekent dat warmtepompen nu al de potentie hebben om een brug te slaan tussen elektriciteit en warmte en opslag daarvan, onder de voorwaarde dat de systemen juist zijn ontworpen en geïnstalleerd. De warmtepomp zal daarvoor wel een slimmere regeling moeten krijgen, die op basis van bijvoorbeeld prijssignalen van 1 dag vooruit of een ‘maximum toebedeeld vermogen’ zelf kan gaan bepalen wanneer deze aanslaat en wanneer niet. Daarbij moet de regeling rekening houden met het gebruikersgedrag, klimaatgegevens en de warmtetraagheid van de woning.

Om de potentie van vraagsturing met warmtepompen in de woningbouw duidelijk te krijgen, hieronder eerst een tabel die aangeeft wat een slim elektriciteitsnet eigenlijk kan brengen en welke aspecten daarin spelen.

Wat kunnen slimme netten doen of brengen?

En hoe?

Integreren van meer:

Door vraagsturing

Deze regelingen zijn momenteel mondjesmaat verkrijgbaar, maar het ontwerpen van zo’n regeling is geen technische uitdaging voor fabrikanten. Als deze slimme warmtepompen vervolgens informatie over de buffercapaciteit kunnen versturen naar netbeheerders, wordt het mogelijk de totale virtuele buffer in beeld te hebben om zodoende veel meer wind en zonne-energie te kunnen absorberen. Daarnaast is het mogelijk om de totale gemiddelde wijkbelasting omlaag te brengen om zo netverzwaring of risico op black outs te voorkomen. Dat de wijknetbelasting daadwerkelijk significant omlaag kan door warmtepompen slim te sturen is aangetoond in het SmartProofS programma [31]. Zeker 50% reductie van het benodigd trafovermogen en vermeden netkosten tussen de € 250.000 en de € 1.450.000 bij een wijk van 1400 woningen.

Deze bandbreedte is overigens zo groot omdat de vermeden netkosten sterk afhankelijk zijn van de locatie en situering. Hoewel in slimme net-proeftuinen en in vele studies het voordeel van slim gestuurde warmtepompen is aangetoond, kunnen commercieel verkrijgbare warmtepompen momenteel nog niet standaard communiceren via het net. Andersom kan het net momenteel ook nog niet communiceren met warmtepompen, waardoor er een klassieke ‘kip of het ei’ situatie kan ontstaan. Deze positioning paper is ervoor bedoeld alle betrokken partijen te informeren en te bewegen tot een pro-actieve houding, zodat deze situatie wordt voorkomen.

• Warmtepompen • Duurzaam opgewekte elektriciteit • Elektrisch vervoer • Lokaal opgewekte elektriciteit Zorgen voor een efficiënter, meer betrouwbaar net en kan een black out

Door automatische net reconfiguratie

voorkomen of snel herstellen Consumenten hebben invloed op hun gebruik(tijdstip) en kunnen deel-

Nauwkeurige en continue meting en beheersing van energi-

nemen in de elektriciteitsmarkt

estromen

Een elektriciteitsnet wordt een ‘slim’ net als componenten in dat net slim worden gemaakt, inclusief opwekkers, gebruikers en opslagfaciliteiten. Deze componenten worden slim gemaakt door ze real time te meten en/of te sturen en ze te laten communiceren met elkaar. Een warmtepomp wekt met behulp van elektrische energie duurzame warmte op. Warmte die zich eenvoudig en goedkoop laat opslaan in een buffervat ((boiler)tank), in de massa van het gebouw en in de bodem. Daarnaast wordt veel onderzoek gedaan naar faseovergangsmaterialen (Phase Changing Materials, ook wel PCM’s genoemd) en thermochemische opslag als opslagmedium die de energiedichtheid nog verder kunnen verhogen (meer warmte opslaan in minder ruimte).

Bron: Liander 8



9

2. Inpassing van warmtepompen op het elektriciteitsnetwerk In dit hoofdstuk worden de verschillende mogelijke oplossingen weergegeven hoe warmtepompen ingepast kunnen worden op het elektriciteitsnetwerk. Al deze oplossingen verschillen van elkaar, kunnen elkaar aanvullen en bieden verschillende mogelijkheden.

2.1 Netverzwaring De in eerste instantie meest voor de hand liggende optie om warmtepompen in te passen in een elektriciteitsnet, is om het net te verzwaren met een factor 3 tot 10. Dit brengt afhankelijk van de situering (de nabijheid en capaciteit van het MS-net) hoge kosten met zich mee3 De factor 3 tot 10 komt voort uit het feit dat een gemiddelde woning nu een gelijktijdige aansluitcapaciteit heeft van 1kW. Dit kan relatief laag zijn omdat gebruikers nooit allen op exact hetzelfde tijdstip dezelfde elektriciteitsvraag hebben, de capaciteit middelt uit over meerdere woningen aan dezelfde transformator. Maar een warmtepomp is gemiddeld 2,5kW elektrisch, heeft afhankelijk van de uitvoering eventueel een elektrische bijstook verwarming tussen de 6 en 9kW en kent een zeer hoge mate van gelijktijdigheid. Immers als het koud is buiten zullen vrijwel alle woningen een warmtevraag hebben. Dit betekent dat als de standaard ontwerpregels voor een netontwerp toegepast worden, dit tot een vele malen zwaarder uitgevoerd net leidt, omdat ontworpen wordt voor het ‘worst case’ scenario. En dat is in dit geval een black start (opstarten van het net na een black out) of een koude ochtend. Alle warmtepompen gaan dan aan (eventueel met elektrische bijstook) om de woning snel op temperatuur te krijgen.

‘Grootschalige toepassing’ van warmtepompen kan uiteenvallen in drie mogelijke situaties:

1. De realisatie van een geheel nieuw gebied of wijk. 2. Grootschalige renovatie van een bestaande wijk of straat door bijvoorbeeld een projectontwikkelaar, VVE of Woningbouwcorporatie (project stroomversnelling).

3. Door een (lokale) subsidie of stimuleringsregeling voor

2.2 ‘Keten denken’ en ketenanalyse bij grootschalige toepassing van warmtepompen Deze oplossing is eigenlijk een voorwaarde om de toepassing warmtepompen in de woningbouw op grote schaal zonder problemen te laten verlopen en sluit ook aan bij bovenstaande paragraaf. Als men de netverzwaring wil beperken zal de netbeheerder betrokken moeten worden in de keten. Bij een keus voor het grootschalig toepassen van warmtepompen moeten alle betrokken partijen - centrale overheid, gemeente, netbeheerder, project- of gebiedsontwikkelaar of woningbouwcorporatie, aannemer, installateur en in sommige gevallen ook bewoners - gezamenlijk de risico’s bij alle partijen in beeld krijgen en zoeken naar de meest passende oplossing. Er is bijvoorbeeld bij een energieneutrale wijkontwikkeling nogal eens de neiging om te gaan voor ‘all electric’ en de aanleg van een gasnet achterwege te laten. Maar het is dan vervolgens niet ondenkbaar dat de netbeheerder het elektriciteitsnet zo ver moet verzwaren dat deze alternatieven voorstelt, waarvan de meerkosten moeten worden gedragen door de samenleving.

warmtepompen. Het effect daarvan kan grootschalig zijn, maar de fysieke toepassing van warmtepompen zal dan veel meer versnipperd door het stimuleringsgebied plaatsvinden.

2.2.1 De integrale benadering Bij alle warmtepompen, ongeacht het type, is er sprake van een situatie, welke in de onderstaande figuur is gevisualiseerd. Deze figuur is ook een indicatie voor de directe relatie tussen de diverse aparte onderdelen in deze keten en de netbelasting. Het is duidelijk zichtbaar dat de mate waarin het gebruik van warmtepompen integraal (in samenhang) wordt benaderd, een sterke invloed heeft op het gedrag van de warmtepomp t.o.v. het net. Daarmee is het ook sterk van invloed op de mogelijkheden tot vraagsturing met warmtepompen.

Figuur 2 Integrale benadering warmtepomp toepassing (Bron: BDH, DHPA.).

Vooral de hoge mate van gelijktijdigheid en het feit dat men vanuit de netbeheerder niet altijd weet hoe de elektrische naverwarming wordt ingezet leidt tot de vraag of het net wel ontworpen zou moeten worden voor het worst case scenario, omdat dit tot een zeer zwaar net leidt voor een situatie die wellicht eens in de 10 jaar voorkomt.

Figuur 2 maakt duidelijke welke aspecten een rol spelen om een adequaat functionerend warmtepompsysteem te realiseren. Ontwerper, fabrikant/leverancier, installateur en de uiteindelijke gebruiker spelen hierbij allen een belangrijke rol. Aan de in het bovenstaande overzicht genoemde aspecten moet aandacht worden besteed om er voor te zorgen dat de warmtepomp vanuit gebruikersperspectief én vanuit netbeheerders perspectief energetisch goed en robuust functioneert.

Vanwege de behoefte die ontstaat aan technisch personeel om de verzwaring te realiseren is netverzwaring ook niet direct wenselijk. Er is al een tekort aan deskundig technisch personeel en netverzwaring zal dit probleem vergroten.

3 De kosten voor netverzwaring zitten vooral in de trafo’s, verdeelen distributiestations en eventueel MS-transportnet. De kosten voor zwaardere kabels in het LS-net worden voornamelijk bepaald door de graafwerkzaamheden [31]. 10

De getoonde aspecten zijn van directe invloed op het gedrag van de warmtepomp ten opzichte van het netwerk. Er is een directe relatie tussen bouwfysica, installatiekwaliteit en buffermogelijkheden, gebruiksgedrag en de uiteindelijke netbelasting door de warmtepomp. Vooral het goed sturen en correct aansluiten van de elektrische back-up die veel grond gebonden warmtepompen hebben is belangrijk, omdat deze vaak een factor 3 of 4 zwaarder in aansluitvermogen zijn dan de warmtepomp zelf. Er is een do’s and don’ts gids voor warmtepompen uitgebracht welke gevonden kan worden op www.lente-akkoord.nl. Daarnaast is er een gids voor beslissers te vinden op de site van de DHPA. En op het informatieportaal www.warmtepompplein.nl vindt men zeer uitvoerige informatie over warmtepompen.

2.2.2 Gedrag van de warmtepomp van belang bij de integrale benadering Het gedrag van de warmtepomp op het net, ofwel het opgenomen elektrisch vermogen is een resultante van een complex spel van warmtevraag (gestuurd door de buitentemperatuur, de isolatiegraad van de woning en de kamerthermostaat instelling), tapwatervraag, aanvoer en retourtemperaturen van het afgiftesysteem, regelgedrag, frequentieregelaar instellingen, boiler temperatuur, gebruikersgedrag enz. Dit maakt het vrijwel onmogelijk om generieke uitspraken te doen over het gedrag van de warmtepomp op het net. Een manier om zicht te krijgen op het gedrag van de warmtepomp (om daarmee bijvoorbeeld een indicatie te krijgen van load management opties) is om de warmtepomp te monitoren (zie paragraaf 2.3). Echter bij het beoordelen van netbelasting of bij ontwerp van een nieuw elektriciteitsnet voor een nieuwe woonwijk, waarin warmtepompen toegepast gaan worden, kan het van strategisch belang zijn dat het gedrag van de warmtepompen vooraf geschat kan worden. Ook om daarmee de potentie te zien voor vraagsturing. Een net ontworpen met vraagsturing als uitgangspunt kan van invloed zijn op de dimensionering van de thermische buffers, instellingen van de warmtepompen en wellicht elektrische bijstook voorkomen worden. Op www.bdho.nl/tools vindt men informatie over een scenariotool waarmee het effect de uitrol van warmtepompen in scenario’s kan worden doorgerekend. Uit onderzoek van Liandon 4 blijkt dat het gedrag van de warmtepomp op het net heel erg kan verschillen zelfs bij dezelfde huizen met dezelfde warmtepomp.

4 Invloed van warmtepompen op het laagspanningsnet, Liandon 2010 Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing


11

Daaruit is ook te concluderen dat een integrale aanpak bij ontwerp en uitvoering, een goede regeling die pendelen voorkomt en goede dimensionering van de thermische buffer om elektrische bijstook te voorkomen van groot belang is. Het real time monitoren van warmtepompen en thermische buffers, lijkt daarom een voorwaarde om op basis van custom made profielen aan vraagsturing te gaan doen met warmtepompen in combinatie met thermische buffers.

2.2.3 Betrek de consument actief De consument zal door informatie, educatie, communicatie en marktconforme prikkels actief moeten worden betrokken in smart grid oplossingen. Dit is een langlopend proces. De elektrificatie bevordert de noodzaak van flexibiliteit én participatie in gebruik van het systeem. Om dat te bereiken zijn prikkels nodig om het gedrag van consumenten te beïnvloeden. Het prijsmechanisme is een marktconforme prikkel.

Beheerd door een neutrale onafhankelijke partij zou een landelijke online faciliteit voor monitoring van warmtepompen in samenwerking met de netbeheerders grote toegevoegde waarde kunnen bieden aan alle stakeholders in dit proces. Zo’n faciliteit zou voor vele betrokken bij de toepassing van warmtepompen, het instrument bieden om deze technologie succesvol te managen, te onderhouden, en te volgen in het energie gebruik (energieprestatie garantie) en waar nodig op afstand technische ondersteuning te bieden. Landelijke monitoring zou zijn gebaseerd op warmtepompen die data kunnen aanleveren naar een centrale database. Op de database wordt een gebruikersinterface ingericht waarin per type warmtepomp de informatie verschillend kan worden weergegeven. De samenhang van de opzet is schematisch aangegeven in onderstaande figuur.

2.3 Een landelijke faciliteit voor online monitoring van warmtepompen

Figuur 3 Online monitoring faciliteit

Online monitoring op deze manier kan voor alle betrokkenen bij de toepassing van warmtepompen voordelen hebben: Met een dergelijke faciliteit zijn vele functionaliteiten voor een brede groep van betrokkenen beschikbaar, op verschillende autorisatie niveaus: 1.

2.

3.

Het elektriciteitsgebruik van een warmtepomp wordt bepaald door een samenspel van factoren, zie ook de eerder genoemde integrale benadering, waarbij monitoring een instrument is voor het in kaart brengen van buffercapaciteit op wijkniveau en het bijbehorende schakelpotentieel.

12

armtepompen met elektrische bijstook kunnen W zichtbaar voor de gebruiker niet onopgemerkt op de elektrische bijstook draaien.

2.4 Een flexibeler elektriciteitsnetwerk

6.

emeten verbruiken bieden waardevolle informatie die G gebruikt kan worden in ‘’peak-shaving’’ en “load balancing” van de elektriciteit, en helpen netbeheerders om de aanleg van nieuwe netten beter te dimensioneren.

2.4.1 Vraagsturing Er zijn veel verschillende manieren om een warmtepomp slim te maken en deze actief te sturen op basis van inputgegevens. Hieronder is een tabel opgesteld waarin deze verschillende mogelijkheden staan en wat ze betekenen in een slim netwerk met betrekking tot vraagsturing. Vanuit het perspectief van de netbeheerder zijn er twee aansturingsmogelijkheden:

1.

Minimaal: aan/uit bij black start of koude dag

2.

‘Slim’: bi-directionele communicatie en inzet van thermische buffering

De eerste mogelijkheid is puur bedoeld om de impact van worst case in te perken. Hierdoor wordt het mogelijk om het net minder zwaar te dimensioneren. Het betreft een situatie waarbij de netbeheerder de controle dient te hebben over de warmtepompen om het netwerk in de lucht te houden.

De elektrificatie bevordert de noodzaak van flexibiliteit én participatie in gebruik van het systeem Actieve participatie op grote schaal door particuliere gebruikers/eigenaren van warmtepompen is een kritische succesfactor van de hoogste orde voor het succesvol uitrollen van load management/demand response activiteiten en programma’s. Het is niet ondenkbeeldig dat de huidige marktpartijen in netbeheer hiervoor momenteel niet adequaat zijn toegerust. Daarvoor moet men wellicht nieuwe business modellen in een nieuwe organisatie opnemen, welke zeer flexibel en slagvaardig moet kunnen opereren. Smart grids, waar vraagsturing een onderdeel van is, wordt enkel een succes als alle ‘ketenpartijen’ er voordeel bij hebben.

5.

4.

E lektriciteit gebruik monitoren biedt de mogelijkheid ongedetailleerde profielen op te bouwen, op basis waarvan eindgebruikers slimme energieconcepten kunnen worden geboden.z restaties volgen van geïnstalleerde warmtepomp. De P gebruiker heeft op voorhand de zekerheid te kunnen volgen wat de prestaties van de warmtepomp in de praktijk zijn. Inzicht krijgen in het effect van gebruikersgedrag en de gevolgen daarvan voor het energiegebruik. reventief onderhoud plannen op basis van daadwerkeP lijk gebruik, in plaats van per tijdsinterval.

Vraagsturingsaspect

Dimensies of niveau van vraagsturing

Warmtepomp vermogensaansturing

Inverter aangestuurde compressor, waardoor de vermogensvraag meer geleidelijk verloopt Aan / uit schakeling van compressor, de vermogensvraag is dan binair.

Aansturingsstrategie; in het gebouw

Voorverwarmingsalgoritmes Lerend vermogen thermische traagheid gebouw Optimalisatie van gebruik van opslagcapaciteit

Aansturingsstrategie;

Buiten thermostaat regeling

buiten het gebouw om

Reageren op weersvoorspellingen en klimaatgegevens

Aansturingsstrategie; economisch

Dynamisch reageren op prijssignalen Reageren op vooringestelde prijs of CO2 instelling

Communicatie

Bi-directionele communicatie (biedingsmarkt) 1 weg communicatie (aan- /uitsturing of prijssturing)

Reactiesnelheid op communicatie

Dynamisch (minuten basis) Vooraf toesturen regelschema (uren / dagen)

Thermische opslag

Voelbare warmteopslag watertank (uren tot 1 dag) Latente warmteopslag PCM’s (uren tot dagen) Thermochemische warmteopslag (seizoen)

Integreren met een 2e energiebron

Bivalent systeem met instelbare switch om te schakelen naar een andere energiebron Hybride met ingebouwde schakeling op basis van energiekosten of CO2. Hybride met ingebouwde dynamische schakeling op basis van energiekosten of CO2.



13

De tweede optie biedt de mogelijkheid om in feite deel te nemen aan de elektriciteitsmarkt, waarbij de controle niet meer bij de netbeheerder dient te liggen, maar bij de gebruikers zelf. De netbeheerder zou dan verantwoordelijk kunnen zijn voor de communicatie om een vrije energiemarkt te faciliteren.

2.4.2 De flexibileit-index en flexgrafiek Veel van de duurzame energie opties bestaan uit technologieën die gekoppeld zijn aan het elektriciteitsnet, zoals windenergie, zon PV, e-mobiliteit en warmtepompen. Dit betekent dat een flexibel elektriciteitsnet met balancering van vraag en aanbod een groot thema zal worden. Het direct sturen van warmtepompen in combinatie met een thermische buffer kan hierin bijdragen, zoals in deze positioning paper is toegelicht. In de toekomst zullen er wellicht meer opties en technologieën komen die flexibiliteit geven op het elektriciteitsnet (bijvoorbeeld wasmachines die op afstand aangestuurd kunnen worden binnen een door de gebruiker opgegeven tijdsperiode). Maar hoe kan het effect van al deze flexibiliteitsopties nu goed in kaart gebracht worden, zodat de netbeheerder deze op waarde kan schatten? De ontwikkeling van een flexibileit-index (flexindex) voor systemen (of woningen voorzien van een specifiek systeem) zou hierbij een optie kunnen zijn. Een dergelijke index biedt de mogelijkheid van een eenduidige indicatie van flexibiliteit, om inzichtelijk te maken in welke mate welk concept bijdraagt aan de flexibiliteit van het net. Voor het samenstellen van de flexibileit-index zijn de volgende zaken van belang: • Hoeveel vermogen is er af- of in te schakelen? • Hoe lang kan het af- of ingeschakeld worden? • Is het vermogen te variëren in grootte, met welke stappen en welke snelheid van opschakelen? • Hoe vaak kan er in 24 uur tijd gestuurd worden en op welke dagen van de week?

De omschreven flexibileit-index biedt in deze context de mogelijkheid tot eenduidige communicatie, bijvoorbeeld als we stellen des te hoger de index, des te groter is het voordeel voor de consument als hij actief deel neemt aan smart grids. De laatste ontwikkelingen zijn dat in een internationaal onderzoeksproject van de International Energy Agency (IEA) onder het Heat Pump Program, Annex 42 ‘Heat Pumps in smart grids’ (www. annex42.com), onderzoek wordt gedaan om een zogenaamde flexgrafiek te ontwikkelen voor warmtepompsystemen. In deze grafiek is het mogelijk om in één oogopslag te zien hoeveel flexibiliteit een bepaald systeem kan bieden.

2.5 Hybrides: schakelen tussen gas en elektriciteit De buitenlucht temperatuur is voor lucht/water – hybride warmtepompen sterk bepalend voor de efficiency. Op basis van de buitentemperatuur kunnen hybride warmtepompen schakelen tussen elektriciteit en gas als energiedrager. Momenteel zal veelal gekozen worden voor een zgn. bivalent punt van rond of net onder de 0 graden Celsius. Bij dit punt beginnen de rendementen van de CV ketel en de warmtepomp elkaar te benaderen (warmtepomp vanaf een COP van 2,5). De ontwikkelingen in de warmtepomptechnologie leiden momenteel tot een bivalent punt dat ruim onder 0 graden Celsius komt te liggen. Sommige fabrikanten kennen een regeling welke regelt op basis van kosten per geleverde gigajoule, o.b.v. ingestelde energiekosten per m3 gas en kWh elektriciteit. Het schakelen tussen twee energiedragers biedt interessante mogelijkheden voor de netbeheerder om hybride warmtepompen, in geval van extreme piekmomenten op het net, los van het bivalent punt om te laten schakelen van elektriciteit naar gas. Deze mogelijkheid is van groot belang voor het netontwerp, er valt een worst case scenario weg, die anders zou leiden tot een hoge netverzwaring. Uit onderzoek van Liandon is ook gebleken dat de investering in een gasnet bij aanleg van een nieuwe wijk ruimschoots opweegt tegen de kosten van een 100% elektrisch netwerk [12].

• Geeft het ook vraagreductie? En hoeveel? • Is er een buffermogelijkheid en hoe groot is deze? Rond ‘flexibiliteit’ in het elektriciteitsnetwerk ontstaat in potentie een heel nieuw veld voor business proposities en verdienmodellen welke door de netbeheerders, maar ook andere partijen ingevuld kunnen worden. Als flexibiliteit overbelasting van bestaande elektriciteitsnetwerken en de aanleg van nieuwe sterk verzwaarde netten kan voorkomen en

De IEA verwacht dat in de Europese Unie 50% van onze gebruikte elektriciteit in 2050 uit hernieuwbare bron komt en dan voornamelijk zon PV en wind, Als we deze verwachting vertalen naar de Nederlandse situatie, is het realistisch te verwachten dat naast o.a. wind op zee, zon PV in de gebouwde omgeving een stormachtige groei zal doormaken en wel over alle woningtypes, alle bouwperiodes en ongeacht eigendomsvorm.

2.6.1 Micro-WKK Een micro warmte kracht koppeling (WKK) is een apparaat dat zowel warmte als elektriciteit kan opwekken (1 deel elektriciteit t.o.v. 7 delen warmte) en is ontwikkeld voor de woningbouw. Omdat in de verhouding de nadruk ligt op warmte, wordt dit apparaat dan ook gestuurd door de warmtevraag. Gebaseerd op de relatief hoge aanschafprijs zal naar verwachting de micro-WKK beperkt blijven tot toepassing in specifieke toepassingen binnen de netwerken.

Ook ECN verwacht in de zichtjaren significante groei in het aanbod in duurzaam geproduceerde elektriciteit. In tabel 1 is zichtbaar dat er een aanzienlijke bandbreedte ligt tussen de diverse scenario’s. Het lage scenario voor zon PV zou, door de snelle ontwikkelingen in deze markt, een veel te conservatieve aanname kunnen blijken te zijn, aangezien 1 GW geïnstalleerd globaal overeen komt met ca. 3,8 miljoen panelen. Dit omdat naar verwachting woningbouwcorporaties al op korte termijn grootschalig zon PV gaan installeren op hun vastgoed. Bijvoorbeeld op daken van gestapelde bouw maar ook op individuele woningen, om hiermee een deel van hun afspraken met de overheid t.a.v. hernieuwbare energie

Micro-WKK’s en warmtepompen zijn door hun gelijktijdigheid (beide gestuurd door warmtevraag) echter op wijkniveau een goede combinatie. Een micro-WKK produceert elektriciteit, welke door de gelijktijdigheid met warmtepompen direct lokaal kan worden gebruikt. Daarmee is een combinatie van micro-WKK’s en warmtepompen in een wijk op zich een uitstekend instrument voor de netbeheerder om in netcapaciteit aan te vullen door decentrale opwekking, i.p.v. netverzwaring.

en CO2 emissiereductie uit het SER energieakkoord te kunnen realiseren. En om daarnaast hun bewoners van groene stroom te voorzien, welke niet langer voor prijsvorming afhankelijk is van de (fossiele) energiemarkt/leveranciers.

2.6.2 Zon PV De implementatie van zon PV in particulier eigendom ontwikkelt zich momenteel razendsnel. Dit komt met name doordat ‘grid parity’5 inmiddels is bereikt. Afhankelijk van de voorhanden bufferoptie(s) kan zon PV in combinatie met een warmtepomp(en) een rol gaan spelen in slimme netten, in individuele woningen, als wel op wijkniveau. Zon PV kan naar verwachting over het jaar ca. 35% van het elektriciteitsgebruik van de warmtepomp invullen. Dit is de lokale productie en het gebruik bij elkaar.

2020

2030

Geïnstalleerd

Jaaropbrengst

Geïnstalleerd

Jaaropbrengst

Laag

Hoog

Laag

Hoog

Laag

Hoog

Laag

Hoog

GW

GW

TWH

TWH

GW

GW

TWH

TWH

Zon PV

1,5

3,0

1,3

2,6

5,5

15,0

4,6

12,8

Wind op land

4,0

6,0

7,6

15,1

4,0

7,0

8,2

17,6

Wind op zee

1,5

4,0

5,9

13,0

2,5

10,0

9,4

32,4

Tabel 1 Bandbreedte in ontwikkelingen in zon PV en windenergie (Bron: ECN)

daarnaast meer aanbod van duurzame energie kan verwerken, wordt flexibiliteit geld waard, waarvan de waarde alleen goed geschat kan worden als daar een flexibileit-index voor is. 14

2.6 Combinatie met andere technologieën

5 ‘Grid parity’ wil zeggen dat de kosten per kWh voor elektriciteit uit zon PV inmiddels op het niveau ligt van conventioneel geproduceerde elektriciteit. Dit geldt overigens momenteel alleen voor leveringen die vallen onder de salderingsregeling. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing


15

Zon PV op het dak van een groot wooncomplex, waarin ofwel één grote warmtepomp is toegepast of kleinere individuele warmtepompen per wooneenheid, geven in combinatie met thermische buffering een grote flexibiliteit op het elektriciteitsnet. De decentraal opgewekte elektriciteit kan aangewend worden om energiezuinig warmte op te wekken.

Deze warmte kan dan ofwel direct aangewend worden voor ruimteverwarming of warm tapwater ofwel opgeslagen in een thermische buffer. Op een winterdag kan de overdag (bij daglicht en lage warmtevraag) opgewekte elektrische energie opgeslagen worden in thermische energie, om deze in de avond (in het donker en hogere warmtevraag) te gebruiken.

3. Aanbevelingen voor acties Iedereen heeft zijn eigen rol en verantwoordelijkheden bij het slim inpassen van warmtepompen op het elektriciteitsnet. Hieronder staan oproepen

3.2 Woningcorporaties: •

tot acties voor de verschillende partijen die hieraan bijdragen.

3.1 Netwerkbeheerders: •

•

F aciliteer registratie van warmtepompen door een database op te bouwen van warmtepompen beschikbaar voor load management test- en demonstratie projecten. Onderzoek tot in detail welke woningen gebaseerd op kenmerken zoals woningtype, bouwperiode, bewoners profiel een bovengemiddeld potentieel hebben voor energiebesparing en verduurzaming met warmtepompen (‘Sweetspot’ determinatie). nderzoek in detail welke NIET financiële drijfveren O van woning-eigenaren en bewoners een rol kunnen spelen in het aanjagen van het doen van investeringen in warmtepompen.

•

ntwikkel instrumenten om ‘load management’ en O ‘peak shaving’ met behulp van warmtepompen virtueel te demonstreren en ontwikkel op basis van de daarmee verworven kennis standaard concepten.

•

ntwikkel binnen 5 jaar gestandaardiseerde thermische O opslagsystemen, ook voor retro fit toepassing bij bestaande warmtepompinstallaties.

•

Pak proactief de rol van de integrator op.

Beheerd door een neutrale onafhankelijke partij zou een landelijke online faciliteit voor monitoring van warmtepompen in samenwerking met de netbeheerders grote toegevoegde waarde kunnen bieden aan alle stakeholders in dit proces. Zo’n faciliteit zou voor velen betrokken bij de toepassing van warmtepompen, het instrument bieden om deze technologie succesvol te managen, onderhouden en volgen in het energie gebruik (energieprestatie garantie) en waar nodig op afstand technische ondersteuning te bieden.

nderzoek tot in detail welke woningen gebaseerd op O kenmerken zoals woningtype, bouwperiode, bewonersprofiel een bovengemiddeld potentieel hebben voor energiebesparing en verduurzaming met warmtepompen i.c.m. load management concepten.

3.3 Overheden: • Creëer wettelijke mogelijkheden tot het aanpassen van de heffingskorting in de energiebelasting als financieel stuurinstrument in load management concepten. • Het bestaande wettelijk kader herzien om diverse fiscale - en regelgevende technische instrumenten mogelijk te maken, welke bijdragen aan de uitrol en exploitatie van load management instrumenten.

3.4 Fabrikanten: •

erken de synergie effecten van installatieconcepten V gebaseerd op de combinatie van zon PV met warmtepompen i.c.m. reeds als bruikbaar uitgewerkte load management instrumenten.

•

et ontwikkelen van concepten voor het gebruik van H smart grid-ondersteunende warmtepomp systemen, onafhankelijk van de thermische opslagcapaciteit van het gebouw.

•

ntwikkel regelconcepten (elektriciteit naar gas en vice O versa) voor hybride warmtepompen

•

reëer uitbreiding van de regeling van warmtepompen C met “slimme regelfuncties” en monitoring opties;

•

ntwikkel gestandaardiseerde thermische opslagsysO temen, ook voor retro fit uitvoering in bestaande warmtepompinstallaties.

Bron: Liander 16



17

3.5 Installatiebedrijven/ installatieadviesbureaus: • Participeer actief in proefopstellingen, proefwijken, demonstratie projecten voor smart grid concepten om gezamenlijk met bewoners/eigenaren, netbeheerders een leerproces te doorlopen en ervaring op te doen.

3.6 Kennisinstellingen en onderzoeksinstituten: Vertaal deze ervaringen in nieuwe vormen van ontwerp en engineering.

Wat wordt nu het regelsignaal voor het aan- en uitschakelen van warmtepompen? En door wie of wat wordt dit signaal gegeven? Wie beheert of overziet de totale buffercapaciteit en afschakelvermogen? Wat is een goede ‘laad-strategie’ voor de thermische buffers? Hier ligt een enorm onderzoeksveld open, antwoorden op al deze vragen vormen de contouren van vraagsturing. En het antwoord op veel van de vragen is sterk afhankelijk van het perspectief. Een stroomprijs signaal gestuurde regeling die decentraal beslissingen maakt over ‘laden’ of ‘ontladen’ van de thermische buffer met behulp van de warmtepomp geeft het maximale voordeel aan de gebruiker, maar beperkt extra regelcapaciteit aan de netbeheerder. Als deze systemen ook met voorspellingsmodellen gaan werken, kan dit tot zeer ongewenste situaties gaan leiden voor de netbelasting6. Aan de andere kant zal een centraal aangestuurd systeem voor de netbeheerder de nodige potentie bieden op voorwaarde dat de consument een duidelijk voordeel wordt geboden in ruil voor zijn/haar flexibiliteit in het elektriciteitsgebruik. Welk regelsysteem ook gekozen wordt, constante monitoring van de buffer, af- en inschakelcapaciteit is cruciaal. Hoeveel vermogen kan er afgeschakeld worden en hoelang? Het af- en inschakelvermogen wordt bepaald door het elektrisch vermogen van de warmtepompen. Hoeveel energie men kan laden of ontladen uit de thermische buffers hangt af van de hoeveelheid energie in de thermische buffer, maar uiteraard ook van de warmtevraag. De warmtevraag met betrekking tot ruimteverwarming laat zich enigszins voorspellen door de weersvoorspelling en kent een hoge gelijktijdigheid. Warm tapwatervraag gedraagt zich moeilijk voorspelbaar, maar kent ook een veel lagere gelijktijdigheid, wat blijkt uit ontwerpregels voor warmtenetten [12].

Constante monitoring van de buffer, af- en inschakelcapaciteit is cruciaal In het kader van hiernaast geschetste onderzoeksveld is er bij de IEA onder het Heat Pump Programme een onderzoek gestart onder de naam Annex 42: ‘Heat pumps in smart grids’. Dit is een groot internationaal onderzoek met instituten van over de hele wereld die gezamenlijk werken aan bovenstaande vraagstukken. Vanuit de Nederlandse netbeheerders neemt Liander deel aan dit onderzoek in het nationale team van Nederland, waarin ook RVO, TNO Innovatie en Berenschot Energie & Sustainability deelnemen. Een van de speerpunten zal zijn om op basis van typische praktijkvoorbeelden voor elk land, de ideale integrale warmtepompoplossing te vinden en daarvan de vraagsturingsopties in beeld te brengen door deze te simuleren. Een van de tools die daarvoor gebruikt zal worden is de flexgrafiek.

6 Te denken valt aan de zogenaamde ‘flash-crashes’ die men kent van de beurs; doordat er zoveel intelligente computer gestuurde biedingssystemen op één netwerk zitten wordt het gedrag van het systeem onvoorspelbaar en leidt soms tot een extreme daling van de beurs in een extreem korte tijd. Dit wordt opgelost door kortstondig de beurs helemaal stil te leggen, iets wat op een elektriciteitsnetwerk uiteraard onmogelijk is. Bron: Liander 18



19

Bronverwijzing & onderzoeksverantwoording: Voor de totstandkoming van deze positioning paper is in meer of mindere mate gebruik gemaakt van de kennis en inzichten in de vol-

Bijlage 1: Warmtepompen in de woningbouw

24. Impact van warmtepompen op het elektriciteitsnetwerk, Van der

Burgt et al, Kema, (2010);

25. Inventarisatie warmtepompmetingen, Van Lumig, Laborelec,

(2012);

Om de mogelijkheden van load management in het juiste perspectief te plaatsen is een

gende boeken, publicaties, notities, databases en

26. Wie verwarmt de toekomst?, Liander ,(2012);

samenhangend overzicht van de relevante

presentaties:

27. Studie Huishoudelijk Energiegebruik, BDH, (2013);

kengetallen van de woningbouw noodzakelijk.

28. Positionspaper BWP; Beitrag Wärmepumpen zum Lastmanage1.

Positioning paper ‘Warmtepompen en economie’, DHPA, (2013);

2.

S mart Grid, Integrating renewable, distributed & efficient energy, Sioshani, F.P. Elsevier,(2012);

ment, BWP, (2012);

29. Smart Heat pumps, enablers of low carbon future, Sugden, Del-

taEe (2012)

30. Review on thermal energy storage with phase changing materials

3.

E nergietrend 2013 , ECN/Netbeheer Nederland/Energie Nederland (2013);

4.

Het energieakkoord wat gaat het betekenen?, ECN, (2013);

5.

osten van het inpassen van grote hoeveelheden zon en wind in K de Nederlandse elektriciteitsvoorziening, ECN, (2013);

32. Market review 2013, Den Ouden, Prof. Moser, Van der Hoofd,

6.

Nationaal actieplan Zonnestroom, KEMA, (2012);

33. Heat pumps connected to the smart grid – What is the potential

7.

eversible hydration of CaCL etc. Molenda et al, ScienceDirect R (2013);

8.

Ontwikkeling van de woningvoorraad, CBS, (2013);

9.

Woningvoorraadgegevens, SysWov/ABF research, (2011);

10. Demografische ontwikkelingen 201-2040, PBL, (2013); 11. TNO Bouwprognoses 2011-2016, TNO, (2011); 12. Invloed warmtepompen op laagspanningsnet, Liandon, (2010); 13. Warmtepompen cruciaal voor slimme energienetten, Bongaerts,

(2012);

and applications, Sharma et al, ScienceDirect, (2007)

31. Decentrale aansturing van grote concentraties warmtepompen in

een woonwijk, Van Pruissen, Energy Valley (2010). Tennet (2013).

and why we need it, Mosterd, Wagener, BDH (2014) Paper for the 11th Heat pump conference in Montreal.

Colofon: Project opzet en realisatie:

Peter Wagener en Dennis Mosterd (MsC)

www.bdho.nl www.warmtepompplein.nl In opdracht van:

15. Op weg naar intelligente netten, Ministerie v Economische Zaken,

Pieter van Alphen, Jaap Aukema, Peter Oostendorp, Gert Jongsma, Leon van Bohemen

16. De consument en de andere kant van de arbeidsmarkt, UvA,

(2010);

17. Energiebesparing- en co2-reductiepotentieel hybride lucht/water

www.dhpa-online.nl

In samenwerking met:

Peter Pos, Simon Kamerbeek, Martijn Bongaerts, Rob Goes

18. Elektrische auto op 1!, Accenture, (2012);

www.liander.nl

19. Laadstrategie elektrisch wegvervoer, Movares / Liander, (2013);

Lay-out en opmaak:

20. A review of bottom-up building stock models for energy con-

warmtepompen, Harmsen et al, (2009);

sumption in the residential sector; ScienceDirect, Kavgic et al, (2009);

21. Decentrale elektriciteitsvoorziening in de gebouwde omgeving,

PBL, (2009);

types met daarbinnen vervolgens een heel verschillende kwaliteit van de gebouwschil en een uiteenlopende wijze van bewoning. De daarmee

• De warmtepompmarkt ontwikkelt zich volgens het scenario van maximaal 500.000 warmtepompen in 2020, en maximaal 1,8 miljoen geïnstalleerd in 2030.

Woningvoorraad: De huidige woningvoorraad in Nederland is te verdelen in vier hoofdtypes woningen: 1. Vrijstaande woningen

samenhangende warmtevraag kan daarom sterk

2. Twee-onder-een-kapwoningen en hoekwoningen

variëren. Al deze variaties leiden ook tot verschil-

3. Tussenwoningen

lende warmtepomp toepassingen en verschillende mogelijkheden voor load management.

Uitgangspunten7: De uitgangspunten zoals gehanteerd voor deze positioning paper zijn als volgt: • Demografisch gezien ontwikkelt Nederland zich van een land met 16,8 inwoners in 2013 tot 17,2 in 2020 en 17,7 miljoen in 2030.

4. Meergezinswoningen (gestapelde bouw) Uitgaande van 500.000 geïnstalleerde warmtepompen in 2020, is er een verwachting uitgewerkt naar woningtype en warmtepomptype voor zowel geïnstalleerde warmtepompen, nieuwbouw en bestaande bouw samen.

vrijstaand

2^kap/hoek

14. Duurzame mobiliteit, Liander, (2013);

(2010);

De woningvoorraad bestaat uit een paar hoofd-

• Nieuw te bouwen woningen in de periode tot 2020, naar verwachting 40-45.000/jaar gemiddeld zullen naar verwachting 30/70 huursector/particuliere sector verdeeld zijn. In de periode 2020 –2030 is wellicht een sterkere groei in nieuwbouw voor de huursector te verwachten, mede onder invloed van de vergrijzing.

• In de komende 20 jaar vergrijst Nederland aanzienlijk. • Het aantal individuele huishoudens8 stijgt van 7,27 miljoen in 2013, tot 8,0 in 2020 en 8,4 in 2030, waarbij er voor deze paper vanuit wordt gegaan dat nagenoeg ieder huishouden zijn eigen individuele warmte- en warm tapwatervoorziening heeft. • De energievraag in nieuwbouw woningen daalt verder tot 2020, daarna ligt deze op energieneutraal c.q. passiefhuis.

Els2Ring - Gorredijk

Druk:

Grondgebonden Lucht/water Hybride

tussenwoning

meergezins

0

50

100

150

200 Duizenden

Figuur 4 Aantallen wp in woningen in 2020, onderverdeeld naar segmenten in de bouw en type wp (Bron: DHPA, BDH)

De meeste hoekwoningen zijn energetisch gezien vergelijkbaar met de helft van een twee-onder-een-kapwoning; ze worden in alle figuren en tabellen in deze publicatie ook als zodanig behandeld. De meergezinswoningen bestaan uit vier subcategorieën: maisonnettes, galerij-, portiek- en flatwoningen. Deze subca-

1e druk, april 2015

tegorieën hebben uiteenlopende bouwkundige-, energetische - en gebruikseigenschappen.

22. Potenziale de Warmpumpe zum Lastmanagement etc. Nabe et al,

Ecofys, (2011);

23. Simulaties warmtepomp in bestaande netten, Laborelec, (2012);

20

7 Demografische cijfers conform CBS en PBL (2011) 8 Waarbij er vanuit wordt gegaan dat iedere woning volgens CBS één huishouden vertegenwoordigd. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing


21

Voor dit document gaan we uit van een gemiddeld profiel over alle meergezinswoningen. De categorieën vrijstaande woningen en twee-onder-een-kapwoningen (en hoekwoningen) zijn tussen 1964 en 2010 relatief het hardst gegroeid, respectievelijk met een factor vier en een factor zeven. De welvaartsontwikkeling van de afgelopen vijftig jaar heeft zich in Nederland duidelijk vertaald in de wijze waarop mensen wonen en in welk type woning. Hieronder een overzicht van de meest relevante kenmerken van de woningvoorraad in Nederland, gebaseerd op een totale voorraad van 7,27 miljoen woningen in 2013.

Woningtype

Gas Aantallen Stroom woning- verbruik Verbruik voorraad

vrijstaand

1.018.251

4.357

2.820

61

861.520

3.736

1.942

39

rijwoning

3.037.564

3.432

1.625

31

meer-

2.322.665

2.372

991

16

2^1 kap/

Ontwikkeling van de woningvoorraad tot en met 2030 Door de economische ontwikkelingen in de afgelopen 5 jaar is het volume van nieuw gebouwde woningen sterk terug gelopen. Lag het aantal nieuw gebouwde woningen in 2009 nog rond de 80.000 stuks, in de jaren 2009 tot 2013 daalde dit aantal drastisch. De verwachting is dat in de periode tussen 2013 en 2020 maximaal gemiddeld 40.000 tot 50.000 woningen gemiddeld per jaar worden opgeleverd.

In de periode 2020 tot 2030 zullen naar verwachting minimaal 420.000 woningen (na aftrek van sloop) aan de voorraad worden toegevoegd. Gezien de energetische eisen aan nieuwbouwwoningen (EPC 0,6 sinds 2011 en verwacht 0,4 in 2015), zal naar verwachting 65-75% van de nieuwbouw ná 2020 voorzien worden van een warmtepomp voor ruimteverwarming en warm tapwater, al dan niet in hybride uitvoering. Daarnaast zal de ruimteverwarmingsvraag sterk teruglopen door een steeds beter geïsoleerde gebouwschil.

Ruimte verwarmingsvraag in GJ

Afbeelding 1 Elektrisch vermogen per apparaat (Watt)

hoek

Het huishoudelijk elektriciteitsgebruik

gezins

Extern gestuurd en behoeftegestuurd energiegebruik in de woningbouw

Vrijstaand

2^1 kap/hoek

Rij

Meergezins

Deel van de woningvoorraad in %

15

23

30

32

Eigendomsvorm, koop/huur in %

100

88/12

66/33

40/60

4.130

3.670

3.240

2.500

huizen na 2010 gemiddeld

4.840

3.950

3.520

2.890

Huizen van voor 1946 gemiddeld in GJ/jaar

1.850

1.380

1.050

600

65

49

37

21

Elektriciteitsgebruik in kWh: Huizen van voor 1946 gemiddeld tot Gasgebruik in m3: tot huizen na 2010 gemiddel in GJ/jaar Energiegebruik voor: Tapwater

Variërend van 430 m3/jaar voor vrijstaand tot 371 m3 voor meergezins 35 m3/jaar

Koken Label indicatie: Huizen van voor 1964

F&G label

Veelal F label

F&G label

E&F label

Tabel 2 Overzicht kengetallen woningvoorraad (AgNL, BDH)

Om een inzicht te verwerven waaruit het totale energiegebruik in een woning is opgebouwd, kan dit verbruik worden opgedeeld in extern gestuurd (extern gestuurd energiegebruik is nauwelijks te beïnvloeden, namelijk als het buiten koud wordt moet de verwarming aan, als het donker wordt moet de verlichting in huis aan) en behoeftegestuurd. Onder extern gestuurd energiegebruik valt alle gebruik gerelateerd aan verwarming, koeling, ventilatie en warm tapwaterbereiding binnen een woning. Al het andere elektriciteitsgebruik binnen de woning wordt aangemerkt als behoeftegestuurd. Belangrijk is dat men inzicht heeft in het elektriciteitsgebruik van de warmtepomp en het resterende behoeftegestuurde elektriciteitsgebruik in de woningen. Voor een woning geldt dat door het toepassen van een elektrische warmtepomp de post extern gestuurde elektriciteit behoorlijk hoger zal worden omdat elektriciteit de enige energiedrager is die in de woningen wordt toegepast. In geval van een hybride warmtepomp neemt het elektriciteitsgebruik toe en tegelijkertijd het gasgebruik af.

Na aftrek van de gemiddelde sloop van 8.000 tot 12.000 woningen per jaar blijft er een netto toename over van ongeveer 28.000 tot 42.000 woningen op jaarbasis. Uitgaande van een gemiddelde van 35.000 netto groei in het aantal woningen komt dit op een toename van 245.000 woningen tussen 2013 en 2020. 22

Naar verwachting9 zal het extern gestuurde elektriciteitsgebruik (in de woning met een cv-ketel) in de komende jaren gaan stabiliseren door de razendsnel groeiende penetratie van LED verlichting in de woningbouw en cv-ketels met een verminderd elektriciteitsgebruik. Het behoeftegestuurde gebruik zal naar verwachting onder invloed van de Ecodesign regelgeving t.a.v. huishoudelijke apparatuur efficiënter worden, maar door de bevolkingsgroei, de toenemende welvaart en het toenemende thuiswerken gecompenseerd worden.


Hierboven is een elektriciteitsprofiel gegeven van een vrijstaande woning10 op de kortste dag (21 december) en de langste dag (21 juni) van het jaar 2013. Hierin is duidelijk te zien dat er een patroon is van oplopende vraag in de ochtend met een kleine piek en een hoge piek in de avond. Daarnaast is te zien dat het patroon tussen de kortste en de langste dag gelijk is, maar verschilt in hoogte van de pieken. De oorzaken zijn voornamelijk extern gestuurd; op de kortste dag is het kouder (meer draaiuren cv-pomp) en korter licht (meer verlichting aan). Daarnaast is te zien dat er een bepaalde basislast is in de nacht die vrijwel niet verschilt tussen de langste en kortste dag, dit is extern gestuurd stroomverbruik veroorzaakt door apparatuur die altijd aanstaat (koeling, ventilatie) en behoeftegestuurde apparaten zoals routers.

Waar gaan we welke warmtepompen tegen komen, en wanneer? De warmtepompbranche heeft voor de periode 2013-2020 een inschatting getracht te maken waar warmtepompen in hoofdlijnen zullen worden toegepast11. De aanname die hierbij is gedaan is dat in de woningen met het hoogste gasgebruik, vrijstaande en 2/1-kap/hoek woning, de penetratie van warmtepompen het snelst toenemen zal, omdat hier de grootste besparingen mogelijk zijn, zowel energetisch als economisch. 9 Op basis van de voorlopige uitkomsten van de Studie Huishoudelijk Energiegebruik van Liander 10 Dit profiel is gegenereerd met behulp van de fractieprofielen van de EDSN en eigen analyse van de stroomverbruiksgegevens uit de database van Liander. 11 Voor meer informatie hierover zie: Positioning paper Warmtepompen en economie, 2010 van de DHPA


23

Voor warmtepompen wordt een groei verwacht, tot 500.000 geïnstalleerde warmtepompen in 2020, waarbij een doorgroei naar 1,5-1,8 miljoen warmtepompen in 2030 verwacht wordt. Echter, energiearmoede en de afspraken die de sociale woningbouwsector heeft gemaakt met de overheid aangaande het terugdringen van het energiegebruik, betekent dat ook woningcorporaties waarschijnlijk substantieel zullen gaan ingrijpen in hun woningbestand. Het zal ook verduurzaming in de huursector gaan betekenen. Dit zal veelal plaatsvinden in rijtjeshuizen en meergezinswoningen, het dominante woningtype in de sociale huursector. Het is echter momenteel nog niet te zeggen of dit ook betekent dat dit tot een toename van het toepassen van warmtepompen in deze sector zal leiden.

Welke woningtypes met welke bouwperiodes

Warmtepompsystemen en plaatsingsmogelijkheid

Duizenden

200

150 Bestaande bouw Nieuwbouw Installed base

100

50

0

vrijstaand

2^kap/hoek

rijwoning

meergezins

Figuur 7 Warmtepompen naar toepassing op woningtype Figuur 8 Visualisatie van bufferopties op basis van woningtype

Over de periode 2013 - 2020 is inzichtelijk gemaakt in welk type woning naar verwachting warmtepompen zullen worden toegepast. In figuur 6 (woningen met warmtepomp) is zichtbaar dat ca. 40% van de toegepaste warmtepompen naar verwachting geplaatst zal worden in de vrijstaande woning. In de vrijstaande woningen zijn dat de grotere capaciteiten elektrische en hybride warmtepompen en in bijvoorbeeld de meergezinswoning voornamelijk hybride (ventilatie) warmtepompen.

In figuur 8 wordt de bufferoptie per woningtype indicatief weer gegeven vanuit het perspectief van de plaatsingsmogelijkheid, oftewel waar kunnen we welk type buffer kwijt?

Figuur 5 Per jaar geïnstalleerde warmtepompen op type in 2013 2020 (bron: DHPA, BDH)

In figuur 5 is inzichtelijk gemaakt welke warmtepomptypes in de periode 2013-2020 naar verwachting zullen worden toegepast ongeacht woningtype of bouwperiode. Grondgebonden warmtepompen blijven grotendeels voorbehouden voor nieuwbouwtoepassing. Hybride warmtepompen zullen in deze periode de grootste groei door maken. In de periode 2020-2030 zal naar verwachting de verhouding hybride/ volledig elektrisch doorgroeien naar een 50/50 verhouding in toepassing.

Figuur 9 Warmtepomptypes, woningtype en bouwperiode: Schakeleffect (Bron: BDH)

In figuur 9 wordt indicatief weergegeven wat de schakeleffecten o.b.v. warmtepomptype en woningtype/bouwperiode zijn. Hiermee heeft men een indicatie wat de haalbare schakeleffecten zijn in de combinaties in de matrix.

Figuur 6 Woningen met een warmtepomp in de periode 2013-2020 (Bron: DHPA, BDH) Figuur 10 Tijdsduur van afschakeling (Bron: BDH)

In figuur 10 wordt indicatief de mogelijke tijdsduur van afschakeling van warmtepompen weer gegeven. Hierbij is aangenomen dat naarmate de woning ouder is, er door de hogere transmissie een kortere afschakeltijd beschikbaar is.

24



25

Bijlage 2: Warmtepompen en thermische buffers Principe werking van een warmtepomp: Hoewel de kennis van de warmtepomptechniek meer en meer breed gedragen wordt, wordt hier kort uiteengezet wat het werkingsprincipe is van de warmtepomp, en de (brede) kaders waarbinnen de techniek zeer succesvol kan worden toegepast.

Dat is een warmtewisselaar waarin het koudemiddel condenseert onder afgifte van warmte aan het ‘verwarmende medium’ (bijvoorbeeld water dat in de vloerverwarming circuleert). De warmte die in de verdamper werd opgenomen, wordt in de condensor bij verhoogde temperatuur samen met de compressorwarmte weer afgegeven. De warmtepomp verplaatst dus verdampingswarmte. Des te kleiner het temperatuurverschil tussen bron en afgiftesysteem (de zogeheten ‘temperatuurlift’ van de warmtepomp), des te hoger het rendement, Coëfficiënt Of Performance (COP), van de warmtepomp. Vandaar dat warmtepompen bij voorkeur moeten worden toegepast met systemen voor lage temperatuur verwarming (LTV) en dat we moeten zoeken naar een warmtebron met een zo hoog mogelijke temperatuur12.

De integrale benadering van de toepassing is essentieel voor een goed functioneren, zowel comfort-technisch, energetisch, economisch maar ook elektrotechnisch (netwerk).

Warmtepomptypes voor de woningbouw Er zijn verschillende types warmtepompen beschikbaar voor de woningbouw. Deze types hebben allen hun eigen kenmerkende eigenschappen. 1. Water / water of grondgebonden elektrische warmtepomp:

4. Lucht / water warmtepomp in hybride concept (elektriciteit en gas):

Warmtepompen voorzien van een open of gesloten bron in de grond. Toe te passen bij laag temperatuur afgiftesystemen. Dit type biedt het hoogste energetische rendement omdat de brontemperatuur stabiel is, maar ook omdat deze systemen veelal worden toegepast bij nieuwbouw en de integrale inpassing beter is. Deze systemen kennen een elektrisch bijstook element welke wordt ingezet bij storing van de warmtepomp of om de piekvraag te ondervangen. Dit type warmtepompen heeft gemiddeld een SPF13 van

Deze concepten combineren een gasgestookte cv-ketel met een warmtepomp. De cv-ketel blijft meestal de pieklast en tapwatervraag invullen, de warmtepomp vult ca. 85 % van de jaarlijkse vraag voor ruimteverwarming in (ß-factor is 0,85). Het meest kenmerkende van deze concepten is dat zij geen elektrische bijstook kennen. Hierin zijn de volgende subtypen te onderscheiden:

3,5 – 5,0. 2. Lucht / lucht elektrische warmtepomp: Dit type warmtepomp heeft een buiten- en een binnendeel welke direct in de te verwarmen ruimte geplaatst wordt. Deze luchtverwarmer kan alleen voor ruimteverwarming ingezet worden en niet voor warm tapwater bereiding. Deze units werden vroeger veel verkocht als airconditioners met verwarmingsfunctie omdat de cyclus omgedraaid kan worden. Deze type warmtepompen heeft gemiddeld een SPF14 van 2,5 – 3,5.

Figuur 11 Principe schema van een warmtepomp (Bron: BDH)

3. Lucht / water elektrische warmtepomp:

Een warmtepomp is een apparaat waarin een koudemiddel wordt rondgepompt die faseovergangen ondergaat; van vloeibaar naar gasvormig (verdampen) en van gasvormig naar vloeibaar (condenseren). De opbouw van dit circuit vinden we ook terug in elke koelkast, diepvrieskist of koelcel, hoewel de technische uitvoering totaal anders is.

Warmtepompen met de buitenlucht als bron, welke de afgelopen jaren fors zijn doorontwikkeld om bij steeds lagere buitentemperatuur toch nog energetisch gunstig te werken. Daardoor zijn ze breed toepasbaar geworden. Deze systemen kennen optioneel soms een elektrisch bijstook element. Dit type warmtepompen heeft in combinatie met een laag temperatuur systeem gemiddeld een SPF15 van 3,0 – 4,5.

In figuur 11 is een kringloop weergegeven waarin een koudemiddel circuleert (met de klok mee). Links de verdamper, dat is een warmtewisselaar waarin het koudemiddel verdampt onder opname van warmte uit de warmtebron. Het verdampte koudemiddel gaat door de compressor, wordt in druk en temperatuur verhoogd en gaat naar de condensor.

a. Geïntegreerde hybride uitvoering:

Een combinatie van cv-ketel voor de pieklast en warm tapwater en een warmtepomp voor de ruimteverwarming in één omkasting.

b.

Bijgeschakelde hybride warmtepomp:

Een warmtepomp die bij of naast een (bestaande) cv-ketel wordt geplaatst om het totale systeemrendement te verbeteren.

c.

Ventilatielucht warmtepomp:

Een warmtepomp met de ventilatie binnenlucht als bron, die bij een (bestaande) cv- ketel kan worden geplaatst. Ook hier blijft de cv-ketel de pieklast en het grootste deel van de tapwatervraag invullen, maar de warmtepomp kan zowel energie leveren voor tapwater (ook wel warmtepompboiler genoemd) als ruimteverwarming. Ze hebben een kleine thermische capaciteit, maar door het grote aantal draaiuren per jaar (woningen zijn continu geventileerd) kunnen ze toch een relatief hoge energetische opbrengst halen. Daarnaast is er een beperkte inbouwruimte nodig ten opzichte van andere systemen. Deze types warmtepompen hebben gemiddeld een SPF316 van 3,0 – 4,0, tenslotte is dit type warmtepomp relatief compact.

12 Voor meer gedetailleerde informatie over warmtepompen: www.warmtepompplein.nl 26


13 SPF betekent Seasonal Performance Factor, jaarprestatie getal van de warmtepomp. 14 SPF betekent Seasonal Performance Factor, jaarprestatie getal van de warmtepomp. 15 SPF betekent Seasonal Performance Factor, jaarprestatie getal van de warmtepomp. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

16 SPF betekent Seasonal Performance Factor, jaarprestatie getal van de warmtepomp. 27

Warm tapwater voorziening met warmtepompen

Elektrotechnische uitvoeringen

Mogelijkheden voor buffering van warmte

Omdat warmtepompen voor de woningbouw ont-

1. Inverter:

wikkeld zijn als vervanging van de cv-ketel, moe-

Inverter gedreven warmtepompen zijn m.b.v. een frequentieregelaar in toerental en daarmee in capaciteit regelbaar, met een overeenkomend elektriciteitsgebruik. Deze warmtepompen kennen veelal standaard een zgn. soft-start, die een piekbelasting van het net bij het starten van de warmtepomp voorkomt. De meeste grondgebonden warmtepompen zijn momenteel nog aan-uit warmtepompen, de meeste lucht/water en hybrides zijn inmiddels voorzien van inverter gedreven compressoren.

De opslag van energie in hanteerbare oplossingen, die snel energie kunnen opslaan en weer vrijgeven vormt een uitdaging bij de verdere groei in het gebruik van energie uit hernieuwbare bron. Het ‘ontkoppelen’ van productie en gebruik van hernieuwbare energie is een essentiële stap in de verandering van elektriciteit produceren en gebruiken. Hier kunnen warmtepompen in combinatie met thermische buffers een bijdrage aan leveren, omdat zij elektrische energie duurzaam om kunnen zetten naar warmte.

ten warmtepompen naast warmte leveren voor ruimteverwarming ook warm tapwater maken, de belangrijkste onderdelen daarbij zijn: 1. Boiler: Hierbij wordt in een boilervat tapwater door warmteoverdracht vanuit de warmtepomp op temperatuur gebracht. Het boilervat kan, afhankelijk van de uitvoering eventueel ook de energie voor ruimteverwarming afgeven. Deze boiler is noodzakelijk om de kenmerkende piekvraag bij warm tapwater op te kunnen vangen, omdat het vermogen van de warmtepomp deze vraag niet bij kan houden. Daarnaast heeft de warmtepomp een lagere SPF bij warm tapwater bereiding omdat er hogere temperaturen gerealiseerd moeten worden. 2. CV-ketel (bij hybride uitvoering): Bij een hybride warmtepomp verzorgt het ketelgedeelte de warm tapwatervoorziening, waarbij men zowel een boiler oplossing, als een doorstroomprincipe kan kiezen. Dit hangt van de comforteisen van de gebruiker af. 3. Elektrische bijverwarming: Een elektrisch verwarmingselement zorgt bij alle niet hybride warmtepompen in principe voor extra verwarming om bij piekvraag voldoende vermogen te leveren en bij legionella cyclus een temperatuur van minimaal 60 graden Celcius. Om inschakeling van het elektrisch element vanwege het elektriciteitsgebruik en de hoge aansluitwaarde zo beperkt mogelijk te houden, wordt dit veelal in combinatie met een boilervat toegepast.

2. 1-fase versus 3-fase aansluitingen: Warmtepompen tot een elektrisch vermogen van ca. 3kW kunnen volstaan met een enkelfase aansluiting. Grotere warmtepompen en warmtepompen voorzien van elektrische naverwarming behoeven een 3-fase aansluiting om voldoende vermogen te kunnen leveren. 3. Elektrische bijstook element: Elektrische bijverwarming wordt in warmtepompen toegepast om de piekvraag op te vangen voor ruimteverwarming en warm tapwaterbereiding. Indien de warmtepomp elk gevraagde vermogen op het ultieme moment zou moeten invullen, wordt de capaciteit van de warmtepomp groot en daarmee de installatie te duur. Daarbij zal de warmtepomp dan voor het grootste deel van het jaar in deellast draaien, wat de SPF niet ten goede komt. De voor ruimteverwarming optimaal gedimensioneerde warmtepomp is daarom relatief klein qua capaciteit voor de productie van warm tapwater. Om dit nadeel te ondervangen past men als eerste een buffervat toe en vervolgens elektrische bijverwarming. Tevens wordt bij niet hybride warmtepompen het elektrisch element ingezet als verwarming bij storing van de warmtepomp. Het elektrisch bijstook element verhoogt de aansluitwaarde van het warmtepompsysteem aanzienlijk, met een factor twee à drie.

Energieopslag vermindert niet enkel de onbalans tussen vraag en aanbod (qua hoeveelheden), maar verbetert de kwaliteit en de betrouwbaarheid van het netwerk en biedt daarnaast grote mogelijkheden voor energiebesparing. Thermische opslag met behulp van warmtepompen biedt mogelijkheden bij peak shaving en load management en kan conventionele elektriciteitsproductie die de tekorten duurzaam moet opvangen helpen efficiënter te produceren. Voor thermische opslag bieden vooral de zgn. phase-changing-materials grote potentie, maar voor grootschalige introductie zullen deze nog verder ontwikkeld moeten worden tot seriematig toepasbare materialen.

Voelbare warmte opslag Hierbij wordt thermische energie opgeslagen door de temperatuur van een vloeistof of een vaste stof te verhogen, bijvoorbeeld het water in een boiler, of de betonnen constructie van een gebouw. Deze methode gebruikt de warmteopslagcapaciteit van het materiaal om warmte te ‘laden’ (temperatuur verhogen) en te ‘ontladen’ (temperatuur verlagen). De snelheid van laden en ontladen is afhankelijk van het uitwissel oppervlak en de thermische geleidingscapaciteit. 1. Buffering d.m.v. waterboilers in de woning (300lit 30-50graden geeft 25MJ en een laad/ontlaad snelheid van ongeveer 2 uur). 2. Buffering in (lokale) warmtenetten; (3000 lit 20-30 graden geeft 126MJ en een laad/ontlaad snelheid van ongeveer 12 uur). 3. Buffering in de thermische schil van de woning; (150m2 vloer 25-30 graden geeft 165MJ en een laad/ontlaad snelheid van ongeveer 5 uur.

Latente warmteopslag Bij latente warmteopslag wordt thermische energie opgeslagen of onttrokken als een opslagmateriaal een faseverandering ondergaat, van vloeistof naar vast, vloeistof naar gas of vice versa. Organische ‘phase changing materials’ (PCM’s) zijn paraffines en vetzuren en anorganische PCM’s zoals silicagel. Hoewel van een aantal middelen de technische potentie is vast gesteld17, is er veel ontwikkeling nodig om tot commercieel verkrijgbare betrouwbare producten te komen. In grote klimaatinstallaties van grote gebouwen komen deze toepassingen reeds voor. PCM’s bieden de mogelijkheid om het thermische equivalent van een 300 liter boiler in een fractie van het volume op te slaan, de thermische opslagcapaciteit in PCM’s ligt op het 3 tot 5-voudige per volume eenheid vergeleken met water. Bij het laden en ontladen stijgt de temperatuur van PCM’s nauwelijks, waardoor de ladende warmtepomp een hoge COP18 behoudt. Dit geringe volume maakt deze PCM’s ook geschikt voor retrofit concepten voor bestaande warmtepompinstallaties en daar waar weinig ruimte is, voor een thermische buffer. Deze PCM’s kennen in hun gebruik warmteverlies, dat samenhangt met de mate en kwaliteit van isolatie en de hoogte van de opslagtemperatuur.

Thermochemische warmteopslag Thermochemische opslag is gebaseerd op de opgenomen en afgegeven energie die vrijkomt c.q. wordt opgenomen bij het aangaan en verbreken van (reversibele) chemische verbindingen. De capaciteit van de buffer wordt bepaald door de hoeveelheid opslagmateriaal, de endothermische warmte van de reactie, en de mate van conversie. Bijvoorbeeld calciumchloride, waarin door hydratatie en dehydratatie onder druk, energie kan worden opgeslagen. Deze materialen zijn geschikt voor langdurige opslag en laden en ontladen bij hogere temperaturen (> 80 gr. C). Er is energie nodig om de opgeslagen energie vrij te maken. Deze vorm van opslag kent geen warmteverlies en maakt het daardoor geschikt voor seizoensopslag (warmte van de zomer opslaan en in de winter gebruiken). Er zijn momenteel geen commercieel verkrijgbare toepassingen voor de woningbouw.

17 ScienceDirect: Sharma et al; Review on thermal storage with phase changing materials and applications; 2007 18 COP: Coefficient Of Performance. 28



29

Bijlage 3:

Warmtepompen en buffercombinaties

Veranderingen in het elektriciteitsgebruik in de woningbouw Ontwikkelingen van het huidige elektriciteitsgebruik Nieuwe technologieën: E-mobiliteit In een Nederlands huishouden hebben warmteopwekking en mobiliteit het grootste aandeel in het energiegebruik. Deze worden momenteel nog vrijwel uitsluitend fossiel ingevuld.

De groei in e-mobiliteit zal sterk af hangen van de ontwikkelingen van accutechnologie (zowel qua actieradius, als qua kostprijs), beschikbaarheid van openbare laadlocaties, overheidsbeleid in relatie tot emissiereductie en de fiscale facilitering van elektrische auto’s. Plug-in hybrides (volledig elektrisch tot max. 40-60 kilometer) nemen naar verwachting, door hun grotere actieradius dan een volledig elektrische auto, de hoofdmoot van e-mobiliteit in de periode tot 2020 voor hun rekening. Gezien de verwachte ontwikkelingen in accucapaciteit zal in de periode 2020-2030 de 100% elektrische auto de overhand kunnen krijgen. De laadtijd en actieradius zijn twee variabelen in elektrisch vervoer die sterk met elkaar zijn verbonden. Belangrijk hierbij is de ontwikkeling in oplaad scenario’s. Wordt dit overal opladen, of wel parkeren en opladen, thuis laden of onderweg snelladen. Het laatste wordt uitgevoerd zoals het huidige brandstof tanken bij het pompstation en gebeurt niet aan huis. In de standaard laadstrategie voor e-mobiliteit vindt oplading van de elektrische auto thuis in ruwweg dezelfde tijdvakken, over 24 uur gezien, plaats als warmtepompen, namelijk van 18.00 - 08.00 uur. Echter, de warmtepomp hoeft in dit tijdvak ’s nachts minder verwarmingsenergie te leveren. Het is zaak op wijk-/woningniveau tot afstemming van de beschikbare netcapaciteit te komen binnen dit tijdvak. Hierbij heeft de warmtepomp een seizoens-afhankelijk gebruikspatroon, terwijl e-mobiliteit een sterk werken weekdagen gebonden gebruik heeft.

Figuur 12 Visualisatie van de bufferopties per warmtepomptype (Bron: BDH)

Figuur 12 laat zien welke combinaties er voorzien zijn van bufferopties per warmtepomptype, en hoe vaak deze naar verwachting zullen voorkomen. Er is duidelijk te zien dat vooral een boilervat al vaak wordt ingezet bij warmtepompsystemen. Zoals in paragraaf 2.4 en 2.5 beschreven wordt het boilervat vooral ingezet als buffer om de relatief kleine capaciteit van de warmtepomp te compenseren.

• Het warm tapwaterpatroon gedraagt zich grilliger dan de warmtevraag (die zich goed laat voorspellen door de weersvoorspellingen), daardoor is er altijd een bepaald minimum niveau nodig van de thermische buffer als deze ook wordt ingezet voor warm tapwater.

Voor elektrische auto’s zijn door Movares19 voor Liander 3 scenario’s doorgerekend, welke zijn weer gegeven in figuur 13.

Er is momenteel geen focus om warmtepompen in combinatie met thermische buffers in te zetten als load management tool. Dit betekent dat dimensionering van de buffers en een slimme laad- en ontlaad strategie veelal niet voorzien is. Voor het opstellen van een laad- en ontlaadstrategie zijn de volgende stellingen van belang:

Figuur 13 Aantal elektrische auto’s in Nederland, 2012-2050

• De buffer moet geladen zijn als er warmte of warmtapwater vraag verwacht wordt.

Internationaal gezien lopen de diverse scenario’s nogal uiteen, figuur 13 geeft een aantal mogelijke ontwikkelingen voor Nederland weer.

Zoals hierboven gesteld kan de combinatie zon PV met een warmtepomp met buffering, ruimte bieden aan e-mobiliteit voor het thuis laden, omdat de buffer van de warmtepomp m.b.v. zonnestroom bijvoorbeeld al (deels) opgeladen is, en de warmtepomp afgeschakeld kan worden. Opgemerkt dient te worden dat tot nu toe e-mobiliteit veelal vanuit het ‘Grid2Vehicle’ wordt benaderd.Echter, door vanuit ‘Vehicle2Grid’ de combinatie van warmtepompen en e-mobiliteit te benaderen ontstaan er compleet nieuwe load management mogelijkheden, aangezien de inhoud van de accu van een elektrische auto gemakkelijk voor een paar uur elektriciteit kan leveren voor de elektrische warmtepomp. Naar verwachting zal in 2020 ca. 10% van de elektrische auto’s in staat zijn gestuurd te laden en ontladen.

• De buffer moet ontladen bij warmte of warm tapwatervraag op momenten van een hoge stroomvraag of laag aanbod op het net. • De buffer moet geladen worden bij lage stroomvraag of hoog aanbod op het net en verwachte warmte of warm tapwatervraag. 19 ‘Laadstrategie Elektrisch Wegvervoer’ Movares voor Liander; 2013 30



31

Positioning paper


B

D

H

Building Development bv Building your Holland strategy

www.dhpa-online.nl

Building your business

www.bdho.nl

Positioning paper. Warmtepompen in de woningbouw & vraagsturing

Recommend Documents