Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Warmteproductie in GO

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Warmteproductie in de gebouwde omgeving is nodig om in de vraag naar ruimteverwarming en warm tapwater te voorzien. Dat kan met een conventionele ketel, maar ook met een warmtepomp, zonneboiler, stadsverwarming of mini/micro-WKK-installatie.

Warmtepompen
De werking van een warmtepomp is onder te verdelen in drie stappen: onttrekking van warmte aan de omgeving via verdamping van een vloeistof, compressie van die verdampte vloeistof waardoor de temperatuur ervan stijgt, afgifte van de warmte van de damp waardoor deze afkoelt en weer condenseert tot vloeistof. Het samenpersen van de vloeistof kan op verschillende manieren gebeuren: via een mechanische compressor (compressiewarmtepomp) en via een absorptieproces (absorptiewarmtepomp). De compressor kan met behulp van elektriciteit worden aangedreven (elektrische warmtepomp) of met behulp van een gasmotor (gasmotorwarmtepomp). Bij een absorptiewarmtepomp is warmte als aandrijfenergie nodig: restwarmte of warmte van een gasbrander. Ook komen combinaties met warmtekrachtkoppeling voor.

Zonneboiler
Een zonneboiler bestaat uit een zonnecollector en een voorraadvat. De zonnecollector vangt zonlicht op. Zo?n collector bestaat uit een donker gekleurd buizenstelsel dat afgedekt is met een vlakke glasplaat en wordt op het dak geplaatst. Water dat door het buizenstelsel stroomt wordt verwarmd door het zonlicht. Het warme water wordt dan bewaard in een voorraadvat omdat de productie van de warmte m.b.v. een zonnecollector niet gelijk is aan de warmtevraag. Een zonneboiler levert alleen warm tapwater. Daarnaast is een combiketel nodig voor ruimteverwarming en na- en bijverwarming van tapwater. In een zonnegascombi is een CV-ketel en een zonneboiler samengebouwd tot ??n toestel. De zonnewarmte wordt nu zowel voor verwarming van tapwater als voor ruimteverwarming gebruikt en daartoe wordt ook een grotere collector toegepast (5,6 i.p.v. 2,8 m²). In de praktijk draagt een zonneboiler nauwelijks bij aan ruimteverwarming vanwege seizoensinvloeden.

Stadsverwarming
Bij stadsverwarming wordt de restwarmte van een elektriciteitscentrale of AVI benut. De warmte wordt via een warmtedistributienet naar de woningen/utiliteitsgebouwen getransporteerd. Ook kan de warmte ter plekke in een wijk worden opgewekt door een gasmotor WKK-installatie.

Mini/micro-WKK
Een micro-WKK-installatie is een installatie die in ??n woning gelijktijdig warmte en elektriciteit produceert. Veelal is het elektrische vermogen beperkt tot 1-3 kW_e. De installatie is in feite niet veel anders dan een elektriciteit leverende CV-ketel. Voor micro-WKK gaat de aandacht uit naar drie verschillende technologie?n, te weten: stirlingmotoren, brandstofcellen (PEMFC en SOFC) en gasmotoren. Een mini-WKK-installatie is iets groter en kan meerdere woningen van warmte voorzien.

Huidige toepassing
In de bestaande woningbouw neemt het aandeel combiketels neemt toe ten koste van gasgestookte geisers en boilers. Lokale verwarming wordt vanwege comforteffecten in de loop van de tijd vervangen door centrale verwarming. De energie-efficiency van individuele verwarmings?ketels zal stijgen door vervanging van standaard ketels. Er zijn alleen nog VR-ketels en HR-ketels op de markt. In de nieuwbouw wordt om een EPC=1,0 te realiseren bijna altijd een HR107-combiketel toegepast. Een enkel keer wordt een wijk aangesloten op stadsverwarming of een WKK-installatie in de wijk.

Warmtepompen
Het totaal aantal werkende warmtepompen in de utiliteitsbouw en de woningbouw bedraagt eind 2002 ca. 33.215 (Graus en Joosen, 2003). Slechts een klein deel daarvan (3969) betreft warmtepompen die specifiek voor ruimteverwarming worden gebruikt. In de woningbouw staan daarnaast veel warmtepompboilers (8285) voor bereiding van warm tapwater. Met name in de utiliteitsbouw betreft het omkeerbare warmtepompen die in de winter zorgen voor verwarming en in de zomer voor koeling (ca. 19.000). Verder gaat het om dubbel functionele warmtepompen, dit zijn koelinstallaties met warmteterugwinning die worden gebruikt om tegelijkertijd zowel te verwarmen als te koelen (9995). Verder zijn er ontvochtigers (658) die veel in zwembaden worden toegepast. Het totaal opgesteld thermisch vermogen in de utiliteit en woningbouw is in 2002 ca. 275 MW_th.

Zonneboiler
In 2002 stonden er in Nederland 67.705 zonneboilers bij huishoudens met een collectoroppervlak van 202.300 m² (Joossen, 2003). Verder is er in 2002 aan grootschalige zonne-energie?systemen een collectoroppervlak van 204.000 m² ge?nstalleerd. In 2002 zijn ruim 10.000 zonneboilers verkocht, dat is iets meer dan in de jaren daarvoor (vanaf 1997 8000-8500 per jaar).

Stadsverwarming
De markt voor warmtedistributie wordt momenteel gekenmerkt door terughoudendheid en een afwachtende houding van energiebedrijven ten aanzien van investeringen in nieuwe projecten. Belangrijke oorzaken zijn gelegen in de liberalisering van de energiemarkten en alle onzekerheden die daarmee samenhangen. Als gevolg hiervan stellen energiebedrijven veel zwaardere rendementseisen aan investeringen in kapitaalsintensieve warmtedistributienetten. Ook heeft de liberalisering een sterke daling van de marktprijzen voor elektriciteit tot gevolg gehad, waardoor een belangrijke bedrijfseconomische peiler voor warmtedistributie is aangetast. Dit blijkt ook duidelijk uit de stagnerende groei van het WKK-vermogen in Nederland. Op zeer bescheiden schaal zien we de markt investeren in bio-WKK of het aansluiten van een warmtenet op reeds aanwezige bio-WKK. De nog aanwezige groei van het aantal warmtenetaansluitingen is vooral toe te rekenen aan gehonoreerde projecten in het CO₂-reductieplan, waarbij in veel gevallen bestaande restwarmtecapaciteit van elektriciteitscentrales en AVI?s wordt benut. Deze projecten zullen tussen nu en 2008 gerealiseerd worden.

Micro-WKK
Deze techniek bevindt zich nog in een experimenteel stadium. Vaillant doet in 2003 een veldtest met 30 brandstofcel CV-ketels in Europa.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
De HR-ketel en wijk- of stadsverwarming worden op grote schaal toegepast. De zonneboiler en de elektrische warmtepompboiler hebben weliswaar een veel kleiner marktaandeel, maar worden ook commercieel toegepast. Toepassing van een warmtepomp voor ruimteverwarming bevindt zich nog enigszins in een demonstratiefase. Micro-WKK bevindt zich in een experimenteel stadium.

Verdere efficiencyverbeteringen worden bij ketels t.a.v. ruimteverwarming niet verwacht, HR-107 is het hoogst haalbare. Verdere verhoging van het systeemrendement kan worden bereikt door combinatie met een zonneboiler, warmtepomp of micro-WKK. Bij stadsverwarming zijn er ontwikkelingen om met lagere temperatuursystemen te werken, waardoor de warmteverliezen tijdens distributie worden beperkt.

Bij de toepassing van warmtepompen speelt systeemintegratie een belangrijke rol. Warmtepompen halen alleen een hoog rendement als een lage temperatuurverwarmingssysteem wordt toegepast. Tevens heeft een warmtepomp een warmtebron nodig: via een warmtewisselaar kan warmte uit de bodem worden benut.

Technische gegevens en kostenaspecten
Ketels
Er zijn alleen nog VR-ketels en HR-ketels op de markt. De kosten voor een combi-ketel bedragen respectievelijk ca. ? 2100 en ? 2400 inclusief installatie per woning in de bestaande bouw. De kosten in de nieuwbouw voor een HR107-combiketel bedragen ca. 1500 ?/woning (Menkveld, 2004)

Warmtepompen
Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt als de COP. De COP geeft de verhouding aan tussen de aandrijfenergie en de verkregen bruikbare warmte. Omgevingswarmte wordt niet meegenomen bij het bepalen van de COP. De COP is dus altijd groter dan 1. Afhankelijk van de temperatuur van de warmtebron en de temperatuur van het warmteafgifte systeem kan een COP van ca. 4 worden gerealiseerd voor ruimteverwarming en een COP van 2 voor bereiding van warm tapwater. Het rendement op primaire energie is bij een elektrische warmtepomp lager omdat dan ook het opwekkingsrendement van elektriciteit moet worden meegenomen.

Kostenschattingen voor toepassing van een warmtepomp in de nieuwbouw lopen uiteen van ? 4500 tot ruim ? 9000 per woning (Menkveld 2004). De range wordt waarschijnlijk bepaald door het al dan niet meenemen van de investeringen voor een lage temperatuursysteem in de kosten voor het warmtepompsysteem.

Zonneboiler
Een zonneboiler dekt ca. 45% van de warm tapwatervraag en heeft een eigen elektriciteitsverbruik van 60 kWh.

Een zonneboiler is duurder dan een HR-ketel en de huidige meerinvestering kan gedurende de levensduur niet met de besparingen worden terugverdiend. In de bestaande bouw kost een zonneboiler inclusief installatie ca. ? 2700 en een zonnegascombi bijna ? 5000. In de nieuwbouw kan dat iets goedkoper: ca. ? 2200 voor een zonneboiler en ca. ? 4800 voor een zonnegascombi (Menkveld, 2004).

Micro-WKK
Het elektrisch rendement van een micro-WKK installatie is 10% voor een strirlingmotor, 20% voor een gasmotor en 30% a 40% voor aan brandstofcel. Het totaalrendement is 95 a 100%. Bij de kosten van een micro-WKK installatie moet rekening worden gehouden met additionele kosten ten opzichte van een HR-ketel voor bijvoorbeeld de brandstofcel unit, reforming van aardgas, warmtewisselaar, warmtebuffering, meet- en regeltechniek en DC/AC converter. De huidige meerprijs van een micro-WKK installatie t.o.v. een HR-ketel ligt boven de 5000 ? per woning, uitgaande van een 1 kW_e systeem (Menkveld, 2004).

Stadsverwarming
De kosten voor een warmtedistributienet zijn afhankelijk van het aantal aangesloten woningen en de woningdichtheid, maar bedragen gemiddeld ca. ? 5000 per woning voor het distributienet met bijbehorende onderstations en hulpwarmteketels en warmtewisselaars in de woning voor warmteafgifte en de warmtemeters. Dit is beduidend hoger dan de kosten voor de aanleg van een aardgasnet.

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004