Decarbonisatie van warmtenetten: strategieën en technologieën voor de energietransitie

Warmtenetten kunnen een belangrijke rol spelen in de verduurzaming van onze warmtevoorziening. Maar een warmtenet is niet automatisch duurzaam.

De werkelijke CO₂-impact wordt in belangrijke mate bepaald door de energiebronnen die het netwerk voeden, de temperaturen waarop het werkt, de efficiëntie van de distributie en de manier waarop warmteproductie en -verbruik op elkaar worden afgestemd.

Veel bestaande warmtenetten werden oorspronkelijk ontwikkeld rond centrale warmteproductie met fossiele brandstoffen en relatief hoge nettemperaturen. De uitdaging voor de komende decennia is daarom tweeledig: nieuwe warmte- en koudenetten zo efficiënt en flexibel mogelijk ontwerpen én bestaande netwerken geleidelijk transformeren naar koolstofarme energiebronnen.

Restwarmte, geothermie, grote warmtepompen, thermische opslag en hernieuwbare elektriciteit bieden daarvoor verschillende mogelijkheden.

Wat betekent decarbonisatie van een warmtenet?

Decarbonisatie betekent dat de CO₂-uitstoot die gepaard gaat met de productie en distributie van warmte stapsgewijs wordt verminderd. Bij een warmtenet kan dat op verschillende manieren gebeuren. De meest voor de hand liggende stap is fossiele warmteproductie vervangen door energiebronnen met een lagere CO₂-impact. Maar daar stopt het niet.

Ook het netwerk zelf moet worden aangepast zodat nieuwe energiebronnen efficiënt kunnen worden geïntegreerd. Dat betekent onder andere:

• lagere nettemperaturen waar mogelijk
• beperking van warmteverliezen
• efficiënte hydraulica
• integratie van meerdere warmtebronnen
• gebruik van thermische opslag
• slimme regeling en monitoring
• en een infrastructuur die toekomstige aanpassingen toelaat

Decarbonisatie is dus geen afzonderlijke technologie, maar een transformatie van het volledige energiesysteem.

Waarom zijn warmtenetten interessant voor de energietransitie?

Een individueel verwarmingssysteem is doorgaans gekoppeld aan één gebouw. Een warmtenet verbindt daarentegen verschillende warmteproducenten en gebruikers met elkaar. Dat biedt een belangrijk voordeel. Energie die op één locatie beschikbaar is, kan elders worden gebruikt. Een industriebedrijf kan bijvoorbeeld restwarmte produceren terwijl een nabijgelegen woonwijk warmte nodig heeft.

Een data center moet continu warmte afvoeren terwijl kantoren, woningen of een ziekenhuis in de omgeving een verwarmingsvraag hebben. Een geothermische bron kan warmte leveren aan meerdere gebouwen tegelijk. Het leidingnet maakt het mogelijk om deze energiestromen met elkaar te verbinden.

Daardoor kan een warmtenet evolueren van een klassieke centrale warmtevoorziening naar een platform voor de uitwisseling en distributie van thermische energie.

Strategie 1: de temperatuur van het netwerk verlagen

Eén van de belangrijkste ontwikkelingen binnen moderne warmtenetten is de evolutie naar lagere aanvoer- en retourtemperaturen. Dat heeft verschillende voordelen. Hoe lager de temperatuur van het medium ten opzichte van de omgeving, hoe kleiner het potentiële warmteverlies tijdens de distributie.

Maar minstens even belangrijk is dat lagere nettemperaturen het eenvoudiger maken om koolstofarme warmtebronnen te integreren. Veel duurzame of gerecupereerde warmte is namelijk beschikbaar op een relatief laag temperatuurniveau. Denk bijvoorbeeld aan:

• restwarmte uit data centers
• industriële restwarmte
• oppervlaktewater
• afvalwater
• geothermie
• en andere omgevingswarmte

Hoe lager de benodigde nettemperatuur, hoe minder deze warmte moet worden opgewaardeerd voordat ze bruikbaar is.

Van derde naar vierde en vijfde generatie warmtenetten

De evolutie naar lagere temperaturen wordt vaak beschreven aan de hand van verschillende generaties warmtenetten. Traditionele netwerken werkten met relatief hoge temperaturen. De zogenaamde vierde generatie warmtenetten werkt met lagere temperaturen en is ontworpen om hernieuwbare energie, restwarmte en efficiënte warmteproductie gemakkelijker te integreren.

Bij vijfde generatie warmte- en koudenetten gaat het concept nog verder. Deze netwerken kunnen op zeer lage temperaturen werken en warmte- en koudeproducenten met elkaar verbinden. Gebouwen kunnen daarbij niet alleen energie afnemen, maar onder bepaalde omstandigheden ook thermische energie aan het netwerk leveren. Hierdoor ontstaat een veel dynamischer energiesysteem.

Strategie 2: industriële restwarmte benutten

Industrie vormt een interessante potentiële warmtebron. Bij veel productieprocessen komt warmte vrij die niet volledig binnen het proces kan worden hergebruikt. Wanneer die warmte voldoende beschikbaar is en zich relatief dicht bij potentiële gebruikers bevindt, kan ze via een warmtenet nuttig worden ingezet. Dit kan bijvoorbeeld interessant zijn bij:

• voedingsindustrie
• chemische industrie
• productieprocessen
• afvalverwerking
• koelinstallaties
• en andere processen met een continue warmtestroom

De technische haalbaarheid hangt onder andere af van temperatuur, beschikbaar vermogen, bedrijfsuren, afstand en continuïteit van de warmtebron. Een goede potentieelanalyse is daarom essentieel.

Strategie 3: restwarmte van data centers gebruiken

Ook data centers vormen een steeds interessantere warmtebron. Servers produceren continu warmte die via koelsystemen moet worden afgevoerd. In plaats van deze energie rechtstreeks aan de buitenlucht af te geven, kan ze onder bepaalde omstandigheden worden gerecupereerd.

Via warmtewisselaars en eventueel grote warmtepompen kan deze warmte worden opgewaardeerd en in een lokaal warmtenet worden geïnjecteerd. Hierdoor ontstaat een directe koppeling tussen data center cooling en district heating. De warmte die bij het ene proces moet worden afgevoerd, wordt zo een energiebron voor een andere toepassing.

Voor locaties waar data centers, industrie en gebouwen met een grote warmtevraag dicht bij elkaar liggen, kan dit bijzonder interessant zijn.

Strategie 4: geothermie integreren

Geothermie maakt gebruik van warmte uit de ondergrond en kan een stabiele energiebron vormen voor warmtenetten. In tegenstelling tot zonne-energie is geothermische warmte niet afhankelijk van het moment van de dag of de weersomstandigheden. Afhankelijk van de diepte en geologische situatie kunnen verschillende temperatuurniveaus beschikbaar zijn.

Bij diepe geothermie wordt warm water uit de ondergrond opgepompt. Dat water kan sterk gemineraliseerd zijn en daardoor specifieke eisen stellen aan warmtewisselaars, leidingen en andere installatiecomponenten. Materiaalkeuze en corrosiebestendigheid worden bij dergelijke toepassingen dan bijzonder belangrijk.

Strategie 5: grote warmtepompen inzetten

Grote warmtepompen vormen één van de belangrijkste technologieën om warmtebronnen met een lage temperatuur bruikbaar te maken voor een warmtenet. Ze kunnen energie onttrekken aan bijvoorbeeld:

• buitenlucht
• oppervlaktewater
• grondwater
• afvalwater
• bodem
• industriële restwarmte
• data centers
• of andere koelprocessen

Met behulp van elektriciteit wordt deze warmte vervolgens naar een hoger temperatuurniveau gebracht. Hoe kleiner het temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overbruggen, hoe gunstiger de efficiëntie doorgaans kan zijn. Daarom gaan grote warmtepompen en lage-temperatuurwarmtenetten vaak hand in hand.

Elektriciteit en warmte steeds sterker met elkaar verbinden

Door de groei van wind- en zonne-energie wordt de productie van elektriciteit steeds variabeler. Op bepaalde momenten kan veel hernieuwbare elektriciteit beschikbaar zijn, terwijl de vraag relatief laag is. Warmtesystemen kunnen helpen om die flexibiliteit te benutten. Grote warmtepompen kunnen elektriciteit omzetten in bruikbare warmte.

Ook elektrische boilers kunnen onder bepaalde omstandigheden worden ingezet om elektriciteit rechtstreeks in warmte om te zetten. Deze koppeling tussen verschillende energiesectoren wordt vaak sector coupling genoemd. Warmtenetten kunnen daardoor niet alleen warmte distribueren, maar ook helpen om flexibiliteit in het bredere energiesysteem te creëren.

Strategie 6: thermische energie opslaan

Warmteproductie en warmtevraag vinden niet altijd op hetzelfde moment plaats. Thermische opslag kan helpen om dit verschil op te vangen. Een warmtebron kan bijvoorbeeld energie produceren wanneer die beschikbaar of economisch interessant is, terwijl de warmte pas later wordt gebruikt. Er bestaan verschillende vormen van thermische opslag.

Kortetermijnopslag

Buffervaten kunnen warmte gedurende uren of dagen opslaan. Ze kunnen helpen om pieken in productie en verbruik op te vangen en warmtebronnen efficiënter te laten functioneren.

Seizoensopslag

Grotere opslagsystemen kunnen energie gedurende langere periodes bewaren. Zo kan bijvoorbeeld warmte die tijdens de zomer beschikbaar is later in het verwarmingsseizoen worden gebruikt. Afhankelijk van het project kan gebruik worden gemaakt van grote waterbuffers, ondergrondse opslag of andere thermische opslagsystemen.

Thermische opslag maakt het netwerk flexibeler en kan helpen om een groter aandeel variabele of hernieuwbare energiebronnen te benutten.

Strategie 7: verschillende warmtebronnen combineren

Een toekomstbestendig warmtenet hoeft niet afhankelijk te zijn van één energiebron. Integendeel.
Een combinatie van verschillende bronnen kan de flexibiliteit en bedrijfszekerheid verhogen. Een netwerk kan bijvoorbeeld gebruikmaken van:

Basislast
Geothermie of continue industriële restwarmte.

Variabele productie
Zonthermie of beschikbare restwarmtestromen.

Opschaling
Grote warmtepompen.

Flexibiliteit
Thermische opslag.

Piekvermogen of back-up
Een aanvullende warmtebron voor uitzonderlijke omstandigheden.

Welke combinatie optimaal is, hangt af van de lokale situatie.

Decarbonisatie van warmtenetten is daarom bij uitstek een projectspecifieke uitdaging.

Niet iedere warmtebron hoeft dezelfde temperatuur te hebben

Wanneer verschillende warmtebronnen worden gecombineerd, beschikken deze niet noodzakelijk over hetzelfde temperatuurniveau. Een industriële warmtebron kan bijvoorbeeld warmte op hoge temperatuur leveren, terwijl een data center veel warmte op een lager niveau beschikbaar heeft. Dat betekent dat het netwerk voldoende flexibel moet worden ontworpen.

Warmtewisselaars, warmtepompen, opslag en intelligente regeling kunnen helpen om deze verschillende energiestromen samen te brengen. Hoe lager de benodigde nettemperatuur, hoe groter doorgaans het aantal warmtebronnen dat rechtstreeks of met beperkte opwaardering kan worden ingezet.

Decarbonisatie begint daarom ook bij de gebruikers

Een warmtenet kan zijn temperatuur alleen verlagen wanneer de aangesloten gebouwen met die lagere temperaturen kunnen functioneren. Ook de secundaire installaties verdienen daarom aandacht. Gebouwen met goed gedimensioneerde lage-temperatuurverwarming kunnen met lagere aanvoertemperaturen werken dan installaties die afhankelijk zijn van hoge watertemperaturen. Denk bijvoorbeeld aan:

• vloerverwarming
• plafondverwarming
• grote warmtewisselaars
• aangepaste radiatoren
• en andere lage-temperatuurafgiftesystemen

De verduurzaming van het warmtenet en de renovatie van het gebouwenbestand zijn daardoor nauw met elkaar verbonden.

Warmte en koude samen bekijken

De energietransitie gaat niet uitsluitend over verwarming. Ook de vraag naar koeling neemt toe. Dat maakt het interessant om warmte en koude steeds vaker samen te bekijken. Een gebouw dat gekoeld wordt, produceert immers aan de andere zijde van het koelproces warmte. Die energie kan mogelijk elders worden gebruikt.

Vooral in gebieden met een combinatie van kantoren, woningen, ziekenhuizen, data centers en industrie kunnen gelijktijdige warmte- en koudevragen ontstaan. Moderne warmte- en koudenetten kunnen helpen om deze energiestromen met elkaar te verbinden. In plaats van warmte afzonderlijk te produceren en elders opnieuw af te voeren, kan energie binnen het netwerk worden uitgewisseld.

Een efficiënt leidingnet blijft essentieel

De warmtebron kan nog zo duurzaam zijn: wanneer tijdens het transport veel energie verloren gaat, vermindert de efficiëntie van het volledige systeem. Het leidingnet vormt daarom een essentieel onderdeel van de decarbonisatiestrategie. Belangrijke aandachtspunten zijn:

• thermische isolatie
• leidingdiameter
• drukverlies
• pompenergie
• nettemperatuur
• leidinglengte
• retourtemperatuur
• en materiaalkeuze

Een efficiënt netwerk zorgt ervoor dat zoveel mogelijk van de beschikbare thermische energie daadwerkelijk bij de gebruikers terechtkomt.

Warmteverlies beperken

Iedere kilowattuur warmte die onderweg verloren gaat, moet aan de bron opnieuw worden geproduceerd. Dat geldt ook wanneer die energie afkomstig is van een duurzame bron. Geothermische energie of gerecupereerde restwarmte die tijdens de distributie verloren gaat, kan niet meer door een gebruiker worden benut.

Lagere nettemperaturen, een correcte isolatie en een goed ontworpen leidingnet dragen daarom rechtstreeks bij aan een efficiënter gebruik van de beschikbare energie.

Ook hydraulische efficiëntie telt

Niet alleen warmteverlies vraagt energie. Het medium moet ook door het netwerk worden verpompt. Drukverlies bepaalt mee hoeveel elektrische energie daarvoor nodig is. Leidingdiameter, debiet, stroomsnelheid, lokale weerstanden en oppervlakteruwheid spelen allemaal een rol. Een thermisch efficiënt netwerk dat onnodig veel pompenergie verbruikt, is niet optimaal.

Daarom moeten thermische en hydraulische prestaties samen worden beoordeeld.

Welke eisen stelt de energietransitie aan leidingmaterialen?

Warmtenetten zijn infrastructuur voor meerdere tientallen jaren. Tijdens die periode kunnen de omstandigheden veranderen. Nieuwe warmtebronnen kunnen worden aangesloten, temperaturen kunnen worden aangepast en het netwerk kan worden uitgebreid. Het leidingmateriaal moet daarom passen binnen de verwachte bedrijfscondities en de toekomstige ontwikkeling van het netwerk.

Belangrijke eigenschappen zijn onder andere:

• corrosiebestendigheid
• geschikte temperatuur- en drukbestendigheid
• lange technische levensduur
• hydraulische eigenschappen
• betrouwbare verbindingstechniek
• thermische prestaties
• montagegemak
• en uitbreidbaarheid

De keuze van het leidingsysteem moet daarom vanaf de ontwerpfase deel uitmaken van de totale energiestrategie.

PP-RCT als alternatief voor traditionele leidingmaterialen

Voor bepaalde temperatuur- en drukbereiken kan PP-RCT worden toegepast in warmte- en koudenetten. Het materiaal is corrosiebestendig en heeft geen bijkomende bescherming tegen roestvorming nodig. De gladde binnenwand zorgt voor een lage oppervlakteruwheid en gunstige hydraulische eigenschappen.

PP-RCT heeft daarnaast een aanzienlijk lagere thermische geleidbaarheid dan metalen leidingmaterialen en is relatief licht, wat transport en verwerking op de werf kan vereenvoudigen. De verbindingen worden gerealiseerd door middel van thermische lastechnologie waarbij leiding en fitting tot een materiaalhomogene verbinding versmelten.

Of PP-RCT geschikt is, moet uiteraard altijd worden beoordeeld op basis van de specifieke temperatuur, druk, medium en bedrijfscondities van het project.

aquatherm energy voor warmte- en koudenetten

aquatherm energy is een voorgeïsoleerd leidingsysteem voor de ondergrondse distributie van warmte en koude. Het systeem combineert een PP-RCT-mediumleiding met thermische isolatie en een beschermende buitenmantel. Hierdoor kan het onder andere worden toegepast voor:

• warmtenetten
• koudenetten
• industriële energienetten
• geothermie
• verbindingen met grote warmtepompen
• distributie van gerecupereerde restwarmte
• en verbindingen tussen energiecentrales en gebouwen

Voor moderne warmtenetten is vooral de combinatie van thermische prestaties, hydraulische eigenschappen, corrosiebestendigheid en verwerkbaarheid relevant.

Monitoring als onderdeel van de energietransitie

Een toekomstbestendig warmtenet moet niet alleen efficiënt worden ontworpen, maar ook efficiënt blijven functioneren. Daarvoor is inzicht nodig in de werkelijke prestaties. Monitoring kan onder andere gegevens verzamelen over:

• aanvoer- en retourtemperaturen
• debieten
• druk
• energieproductie
• energieafname
• pompenergie
• en mogelijke afwijkingen of lekkages

Op basis van deze informatie kan het netwerk verder worden geoptimaliseerd. Een te hoge retourtemperatuur, afwijkend debiet of onverwacht energieverlies kan bijvoorbeeld zichtbaar worden voordat het probleem grote gevolgen heeft.

Bestaande warmtenetten stap voor stap transformeren

Niet ieder netwerk kan onmiddellijk volledig worden vernieuwd. Decarbonisatie zal daarom vaak gefaseerd plaatsvinden. Een bestaand warmtenet kan bijvoorbeeld eerst worden geoptimaliseerd door:

1. de huidige energie- en warmteverliezen in kaart te brengen
2. de retourtemperaturen te verlagen
3. het temperatuurregime waar mogelijk te reduceren
4. inefficiënte netwerkdelen te renoveren
5. restwarmte of hernieuwbare bronnen toe te voegen
6. grote warmtepompen te integreren
7. thermische opslag toe te voegen
8. monitoring en regeltechniek verder uit te bouwen

Op die manier kan een bestaand netwerk geleidelijk evolueren zonder dat de volledige infrastructuur in één keer moet worden vervangen.

Nieuwe netwerken meteen toekomstgericht ontwerpen

Bij nieuwe warmte- en koudenetten is er meer vrijheid. Daar kan vanaf het begin rekening worden gehouden met lagere temperaturen, verschillende warmtebronnen, toekomstige uitbreidingen en bidirectionele energiestromen. Het is daarbij belangrijk om niet uitsluitend naar de energiebronnen te kijken die vandaag beschikbaar zijn. Een warmtenet kan tientallen jaren functioneren.

De infrastructuur moet daarom voldoende flexibel zijn om toekomstige technologieën en nieuwe gebruikers te integreren. Dat maakt een goed ontworpen leidingnet tot veel meer dan een transportmiddel voor de huidige warmtebron. Het wordt een langetermijninfrastructuur voor thermische energie.

Decarbonisatie vraagt een systeembenadering

Er bestaat geen universele technologie waarmee ieder warmtenet in één stap koolstofarm wordt. De optimale oplossing hangt af van lokale omstandigheden:

• welke warmtebronnen zijn beschikbaar?
• waar bevinden de gebruikers zich?
• welke temperaturen hebben zij nodig?
• hoeveel warmte en koude wordt gevraagd?
• wanneer treedt die vraag op?
• welke opslagmogelijkheden bestaan?
• hoe kan het netwerk later uitbreiden?
• en welke infrastructuur is daarvoor nodig?

Daarom moeten warmteproductie, distributie, opslag en verbruik samen worden ontworpen.

De rol van aquatherm Belux-France

aquatherm Belux-France kan studiebureaus, energiebedrijven, exploitanten, installateurs en andere projectpartners ondersteunen bij de technische uitwerking van moderne warmte- en koudenetten met aquatherm energy. Daarbij kan onder andere ondersteuning worden geboden bij:

• keuze van het geschikte leidingsysteem
• hydraulische dimensionering
• drukverliesberekeningen
• technische productgegevens
• beoordeling van temperatuur- en drukcondities
• systeemconfiguratie
• BIM-data
• en projectspecifieke technische oplossingen

Door het leidingnet vroeg in het ontwerp mee te nemen, kunnen warmtebron, temperatuurregime, hydraulica, thermische prestaties en toekomstige uitbreidingsmogelijkheden beter op elkaar worden afgestemd.

Conclusie: decarbonisatie is meer dan de warmtebron vervangen

De verduurzaming van warmtenetten wordt soms voorgesteld als een eenvoudige omschakeling van fossiele naar hernieuwbare energie. In werkelijkheid gaat de transformatie veel verder. Lagere nettemperaturen, restwarmte, geothermie, grote warmtepompen, thermische opslag, sector coupling, monitoring en efficiënte distributie moeten samen één energiesysteem vormen.

Warmtenetten hebben daarbij een belangrijk voordeel: ze kunnen verschillende warmtebronnen en gebruikers met elkaar verbinden. Daardoor kan energie die op één locatie beschikbaar is elders nuttig worden ingezet. Het leidingnet vormt de infrastructuur die deze uitwisseling mogelijk maakt.

Hoe efficiënter, flexibeler en toekomstgerichter die infrastructuur wordt ontworpen, hoe eenvoudiger nieuwe koolstofarme energiebronnen gedurende de komende decennia kunnen worden geïntegreerd.

Werken aan een toekomstgericht warmte- of koudenet?

aquatherm Belux-France ondersteunt studiebureaus, energiebedrijven, exploitanten en installateurs bij de technische uitwerking van ondergrondse warmte- en koudenetten met aquatherm energy. Van hydraulische dimensionering en materiaalkeuze tot technische productinformatie en projectspecifieke ondersteuning: we kunnen het leidingconcept vanaf de ontwerpfase mee evalueren.

Neem contact op met aquatherm Belux-France om samen te bekijken hoe het leidingnet kan worden afgestemd op de huidige én toekomstige energiebronnen van jouw project.