1. Wat is het?

Warmteopslag is het opslaan van warmte voor gebruik later. Je kan warmte opslaan voor een korte termijn (uren), een dag, een week of een seizoen. Dit gebeurt grootschalig bij tuinders, warmtebronnen en warmtenetten, maar ook kleinschalig bij individuele gebouwen en woningen.

Methoden voor warmteopslag

In het onderstaande overzicht staan verschillende technieken voor opslag benoemd op verschillende schaal- en temperatuurniveau’s.

Opslag in water is de meest voorkomende methode voor warmteopslag. Dit kan bijvoorbeeld in boven- of ondergrondse tanks of in de bodem door middel van warmtekoudeopslag (WKO).

Warmteopslag in tanks die niet onder druk staan kan tot maximaal 98^oC, onder druk kan het op een hogere temperatuur. Bij warmteopslag wordt gebruikgemaakt van het principe dat warmer water ‘drijft’ op kouder water, de tanks blijven meestal volledig gevuld.

De meeste WKO-systemen zijn tussen de 50 en 500 meter diep en slaan water met een lage temperatuur van maximaal 25 graden op. Opslag op hogere temperatuur mag alleen met een speciale vergunning en kan tot technische problemen leiden. Ga je dieper dan kan het water op hogere temperaturen worden opslagen. Er wordt onderzoek gedaan naar opslag van warmte tussen de 75 en 90^oC in de bodem op een diepte van 100 – 500 meter. Meer informatie over deze techniek vind je in de factsheet Geothermie en WKO.

Het nadeel van warmteopslag in water is dat het veel ruimte inneemt. Er zijn daarom methodes in ontwikkeling die gebruikmaken van andere materialen en daardoor een stuk compacter zijn. Meer informatie over deze nieuwe technieken vind je in het kennisdossier Warmteopslag van TKI Urban Energy.

Waarom warmteopslag?

Warmteopslag verhoogt de inzet van duurzame energiebronnen

In tegenstelling tot een kolen- of gascentrale kunnen veel hernieuwbare energiebronnen niet aan en uit worden gezet. Een voorbeeld zijn zonnecollectoren en -panelen, die leveren alleen overdag energie en leveren in de winter veel minder energie dan in de zomer. Een ander voorbeeld is een geothermiebron of industriële restwarmte, die leveren een constante stroom aan warmte, ongeacht of er op dat moment vraag naar die warmte is.

Warmteopslag maakt het mogelijk om overtollige warmte tijdelijk op te slaan en te gebruiken op een moment dat er wel vraag naar is. Hierdoor wordt de warmte uit energiebronnen efficiënter ingezet waardoor de energiebronnen ook meer rendabel kunnen worden. In de figuur wordt deze dempende werking van warmteopslag inzichtelijk gemaakt.

Warmteopslag verlaagt de inzet van piekketels en dient als back-up

Op een koude winterdag is de vraag naar warmte erg hoog. Het is technisch en economisch niet zinvol om bijvoorbeeld een geothermiebron zó groot te maken dat hij altijd alle warmte kan leveren. Het vermogen van zo’n bron is meestal 20 tot 30% van de maximale warmtevraag op een erg koude winterdag. Dit is voor een groot deel van het jaar voldoende om de warmte te leveren. De bron levert dan ongeveer 80% van de totale warmte in het jaar. De overige 20% wordt traditioneel opgewekt met gasketels. Die springen bij als er veel warmte gevraagd wordt en dienen als back-up.

Met warmteopslag kun je de inzet van gasketels verkleinen, of voorkómen. Je gebruikt dan de opgeslagen warmte van de duurzame bron. Op het moment dat de duurzame bron uitvalt dient de warmteopslag ook als back-up.

Warmteopslag kun je gebruiken in combinatie met fluctuerende hernieuwbare elektriciteitsproductie

Ook overtollige elektriciteit kun je als warmte opslaan. Dit kan met behulp van een collectieve of individuele warmtepomp. Je kunt de warmtepomp extra laten draaien als er een overschot aan elektriciteit is en de prijs hiervan laag is. Deze extra warmte kun je vervolgens tijdelijk opslaan tot het moment dat elektriciteit schaars en duur is. Door de opgeslagen warmte dan in te zetten kun je de warmtepomp tijdelijk uitzetten waardoor je dure elektriciteit bespaart. Als elektriciteit erg goedkoop is, is het ook mogelijk om de warmteopslag met een elektrisch element te verwarmen.

Andersom kan er ook een WKK (warmte-krachtkoppeling) worden gekoppeld aan een warmteopslag. Hiermee wordt tegelijkertijd warmte en elektriciteit geproduceerd. Een WKK zet je dan juist aan als de elektriciteitsprijzen hoog zijn, waarbij je de vrijkomende warmte opslaat. Dit wordt ook vaak toegepast in de glastuinbouw.

Op het moment dat je heel lokaal en direct een WKK of warmtepomp met warmteopslag kunt koppelen aan wind- of zonne-energie kan dat gunstig zijn voor de belasting op het elektriciteitsnet.  

Als op termijn een groter aandeel van de warmtevoorziening wordt geëlektrificeerd, kan warmteopslag ook ingezet worden om perioden te overbruggen met weinig zon en wind (windstille winterweken).

2. Waar is het geschikt?

Grootschalige warmteopslag speelt vooral een rol bij warmtenetten met een bron die niet gestuurd wordt door de warmtevraag, zoals bij zonnewarmte, geothermie en afvalverbrandingsinstallaties.

Bij de bron of bij de afnemers?

Warmteopslag gebeurt bij voorkeur zo dicht mogelijk bij de afnemers. Het voordeel hiervan is dat er kleinere warmteleidingen nodig zijn vanaf de bron. Het nadeel is dat het nodig kan zijn om de opslag te verdelen over verschillende clusters van afnemers. Ook zijn er bij de afnemers niet altijd geschikte locaties te vinden omdat ze vaak in stedelijk gebied liggen. De uiteindelijke locatie van de warmteopslag zal een afweging zijn tussen beschikbare locaties, investeringen in het warmtenet en schaalvoordelen van de warmteopslag zelf.

Ruimtebeslag

Warmteopslag in water in bovengrondse tanks neemt veel ruimte in beslag. Bij ondergrondse opslag is de ruimtelijke impact kleiner.

Stel dat je 10% van het jaarlijkse warmteverbruik wilt kunnen opslaan voor gebruik in de winter, dan heb je al snel een inhoud van 25 – 30 m³ per woning nodig. Hiermee kun je dan de grootste piekvraag in de winter opvangen.

Soms wordt er gewerkt met een combinatie van dagopslag en seizoensopslag op wijkniveau. Bijvoorbeeld bij zonthermie kan dan de dagopslag vooral worden gebruikt voor de tapwatervoorziening en de seizoensopslag vooral voor de winterperiode. Bij een opslag voor tapwatervoorziening moet je denken aan ongeveer 100 liter per woning.

Warmteopslag en hernieuwbare elektriciteit

Met behulp van een collectieve warmtepomp, gekoppeld aan een warmteopslag, kun je overtollige elektriciteit als warmte opslaan. Vaak wordt de warmtepomp aangevuld met elektrische weerstandsverwarming omdat deze sneller kan reageren. Je kunt de warmtepomp extra laten draaien als er een overschot aan elektriciteit is en de prijs hiervan laag is. Andersom kun je de warmteopslag benutten als de elektriciteitsprijs hoog is. Het op deze manier koppelen van de warmte- en elektriciteitsmarkt wordt ook wel sectorintegratie genoemd. Op dit moment is hier vaak nog geen positieve business case voor te behalen. Door een toenemend aandeel fluctuerende energiebronnen op het elektriciteitsnet kan dit in de toekomst wel interessanter worden.

Als er lokaal een knelpunt in het elektriciteitsnet ontstaat bij de hernieuwbare elektriciteitsproductie en de warmteopslag zit daarbij in de buurt, dan kan het omzetten van elektriciteit naar warmte een oplossing zijn. De producent van hernieuwbare elektriciteit kan dan toch zijn stroom kwijt en de netbeheerder hoeft mogelijk geen netverzwaring toe te passen.

Omdat het voordeel van deze oplossing bij verschillende partijen ligt (warmteleverancier, netbeheerder, producent hernieuwbare elektriciteit) is een goede afstemming tussen deze partijen wel cruciaal.

3. Hoe duurzaam is het?

Warmteopslag kan de benutting van een hernieuwbare energiebron vergroten. Hierdoor zijn er minder andere energiebronnen nodig. Wel is er bij het opslaan sprake van warmteverlies. Voor een grootschalige, korte termijn opslag is dat meestal gering en kan tot 90% van de warmte weer uit de opslag gehaald worden. Bij lange-termijnopslag en kleinschalige opslag is dat vaak ongunstiger.

Bij warmteopslag in water zijn er meestal geen duurzaamheidsaspecten. Als warmte in aquifers (bodemlaag waar water in kan worden opgeslagen) in de bodem opgeslagen wordt mag de temperatuur niet meer dan 25 °C worden om bacteriegroei te voorkomen. Er kan wel een vergunning verleend worden voor hogere temperatuur opslag.

4. Betrokken partijen

Gebouweigenaar / bewoner

Grootschalige warmteopslag vindt plaats bij de warmtebron of bij het warmtenet. In dit geval is de eigenaar/bewoner meestal niet betrokken. Soms wordt er een initiatief gestart vanuit een energiecoöperatie van bewoners om in de eigen warmtebehoefte van de wijk te voorzien, bijvoorbeeld met zonthermie. Bij dergelijke lokale concepten is er vaak een rol voor warmteopslag.

Kleinschalige warmteopslag vindt bij het gebouw/de woning plaats. De gebouweigenaar/bewoner is in dit geval vaak de initiatiefnemer. 

Exploitant warmtenet en/of bron

Een exploitant van een warmtenet en/of -bron kan door inzet van een warmteopslag de geleverde warmte duurzamer maken. Ook kan een warmteopslag tot kostenbesparing leiden doordat de warmtebron efficiënter kan worden ingezet.

Gemeente

De gemeente kan in de transitievisie warmte opnemen welke rol ze ziet voor warmteopslag bij de verduurzaming van de gebouwde omgeving. Ook kan de gemeente partijen bij elkaar brengen die een belang hebben bij warmteopslag, zoals een exploitant van een warmtenet, netbeheerder en lokale ontwikkelaar van zon- of windenergie. Bij de ontwikkeling van een warmteopslag speelt de gemeente een belangrijke rol als vergunningverlener en eventueel met onderzoek om een geschikte locatie voor grootschalige warmteopslag te vinden.

Netbeheerder

Voor de netbeheerder van elektriciteit kan warmteopslag een rol spelen als de warmteopslag is in te zetten om overschotten van elektriciteit om te zetten in warmte en op te slaan. Als er elektriciteit gebruikt wordt om de warmte te maken met een warmtepomp, kan door de opslag het elektriciteitsgebruik tijdelijk worden gestopt, bijvoorbeeld om het elektriciteitsnet te stabiliseren.

Op de site van Netbeheer Nederland vind je meer informatie over de rol van, en eventuele ondersteuning vanuit de netbeheerder ten behoeve van de transitievisie warmte.

5. Stand van de techniek

Huidige toepassing

Warmteopslag in tanks gebeurt nu al op veel plaatsen in Nederland. Meestal zijn deze opslagtanks geplaatst bij installaties die zowel warmte als elektriciteit produceren (WKK of STEG) om deze flexibel in te kunnen zetten op het moment dat de elektriciteitsprijzen gunstig zijn. Dit zie je in combinatie met warmtenetten maar ook vaak bij tuinders.

Ook warmteopslag in de bodem (WKO) wordt in Nederland al meer dan 30 jaar toegepast, zowel de open als gesloten systemen. In Nederland zijn ruim 2.000 WKO’s in bedrijf en meer dan 40.000 gesloten systemen met bodemlussen (GBES).

Warmteopslag in ondergrondse opslagvaten wordt door een aantal leveranciers in Nederland aangeboden. De techniek bevindt zich in de demonstratiefase. Voor opslag gedurende een seizoen zijn in Nederland nog weinig voorbeelden. In Denemarken zijn er wel veel warmteopslagen die een seizoen (gedeeltelijk) kunnen overbruggen.

Verwachte ontwikkelingen

De verwachting is dat warmte op termijn compacter kan worden opgeslagen, bijvoorbeeld in zouten. Het principe hierbij is dat zoutkristallen ontbinden als je er warmte aan toevoegt en er warmte wordt afgegeven als de zoutkristallen weer worden gevormd. Voor de opslag in zouten kunnen ook duurzaamheidseisen een rol spelen. Bij de selectie van zouten wordt daarom gekeken of er veiligheids- of duurzaamheidsrisico’s aan kleven.

De technieken voor opslag in andere materialen zijn nog in ontwikkeling. Meer informatie hierover vind je in het kennisdossier Warmteopslag van TKI Urban Energy. Voor kleinschalige warmteopslag is een vergelijking en business case gemaakt in dit rapport binnen het kennisdossier.

Grootschalige ondergrondse opslag in vaten is in ontwikkeling, een aantal partijen in Nederland is hierin actief.

Verder wordt onderzoek gedaan naar hoge temperatuur opslag in de bodem, bijvoorbeeld binnen WarmingUp. Op het gebied van de techniek, effecten in de bodem en het juridische kader zijn hier nog belangrijke uitdagingen.

Tenslotte zal de ontwikkeling van slimme meet- en regeltechniek kunnen bijdragen aan het optimaliseren van de inzet van warmteopslag. Denk daarbij aan voorspellende modellen die op basis van weersverwachting en prijzen voor warmteproductie bepalen of de buffer moet worden geladen of ontladen. Ook het gebruik van het warmtenet als buffer kan daarbij een rol spelen.  

Verder is de koppeling van warmteopslag met de elektriciteitsmarkt een belangrijke ontwikkeling. Als er steeds meer hernieuwbare elektriciteit wordt gebruikt voor het verwarmen van gebouwen (bijvoorbeeld met warmtepompen) ontstaan er grote pieken in het stroomnet en sluiten vraag en aanbod van hernieuwbare elektriciteit niet aan. Er worden nieuwe business modellen ontwikkeld die warmteopslag gebruiken om dit op te vangen.

6. Meer informatie

Voorbeeldprojecten

• Dit rapport beschrijft een voorbeeldproject uit Denemarken met grootschalige warmteopslag.
• In de wijk Beijum (Groningen) draait nog steeds een collectief zonnecollector systeem met seizoensopslag uit de jaren tachtig.
• In Drake Landing in Canada wordt een woonwijk verwarmd met zonthermie die wordt opgeslagen op hoge temperatuur in de bodem.
• Een voorbeeld van een warmtebuffer die is gekoppeld aan een warmtekrachtinstallatie is hier te vinden.
• Ecovat en Hocosto zijn commerciële bedrijven die gespecialiseerd zijn in warmteopslag in water. Op hun website kun je voorbeeldprojecten vinden.
• Een voorbeeld van een innovatieproject voor slimme aansturing van warmtenetten is te vinden op de website van de TKI Urban Energy.

Meer informatie

• De Stichting Warmtenetwerk is een platform van verschillende partijen die betrokken zijn bij collectieve warmte.
• In opdracht van Invest-NL is onderzoek gedaan naar de marktpotentie van warmteopslag en is een handreiking opgesteld voor toepassing van warmteopslagsystemen.
• Het consortium WarmingUp onderzoekt de rol van ondergrondse warmteopslag op hoge temperatuur.
• Binnen het kennisdossier Duurzame Warmte en Koude van TKI Urban Energy is ook een kennisdossier Warmteopslag aanwezig met meer informatie over warmteopslag en innovaties.
• Het rapport 'Flexibiliteit en Warmte in de Gebouwde Omgeving' van Tennet en andere partijen geeft meer inzicht in de sectorkoppeling tussen elektriciteit en warmte en gaat onder andere in op de rol van warmteopslag.
• In opdracht van het ministerie van EZK hebben TNO en EBN het rapport 'Ondergrondse energieopslag in Nederland 2030 - 2050' opgesteld, waarin ook warmteopslag een rol speelt.
• In de Handreiking Systeemintegratie van Energie Samen komt warmteopslag ook aan bod als één van de mogelijkheden.