Hoe komt de integrale ontwikkeling van warmte en elektriciteit tot stand in de gebouwde omgeving? Deel 1: Techniek en configuratie doen ertoe

Van waarom naar hoe

In een kennisartikel dat wij schreven voor het Warmtenetwerk bespraken we waarom de warmtetransitie en de ontwikkeling van het elektriciteitsnet steeds sterker met elkaar verbonden zijn. Netcongestie maakt duidelijk dat warmte en elektriciteit niet langer als afzonderlijke vraagstukken kunnen worden ontworpen.

In deze serie gaan we een stap verder. Want als warmte en elektriciteit als één systeem moeten worden beschouwd, hoe ziet zo’n systeem er dan technisch uit? In dit eerste deel kijken we naar de techniek en configuratie. Hoe verandert de energievraag wanneer woningen overstappen van aardgas naar een duurzaam warmtesysteem? Welke invloed heeft dat op het elektriciteitsnet? En hoe kunnen warmtebuffers, batterijen, koeling en een Energy Management System (EMS) ervoor zorgen dat verschillende energiestromen als één systeem gaan functioneren?

Voor projectontwikkelaars, woningcorporaties, gemeenten en VvE’s betekent dit dat keuzes over warmtevoorziening niet meer los kunnen worden gemaakt van keuzes over de elektravoorziening.

Van losse installaties naar één energiesysteem

In een geïntegreerd energiesysteem werken verschillende technieken samen, bijvoorbeeld:

• zonnepanelen leveren duurzame elektriciteit;
• zonne-energie wordt ingezet voor de (collectieve) warmtevoorziening;
• batterijen beperken piekbelasting en zorgen voor het opvangen van het dag- en nachtritme;
• eventuele buffers slaan warmte tijdelijk op en voorkomen daarmee ook het belasten van het net op piekmomenten;
• laadvoorzieningen leveren wanneer duurzame stroom beschikbaar is;
• een Energy Management System (EMS) stemt alle energiestromen op elkaar af.

Wat is de basis

In bestaande bouw hebben de meeste woningen een G4-gasaansluiting voor het verwarmen van de woning en koken op gas. Dat betekent dat op piekmomenten er circa 55 kW aan warmte geproduceerd kan worden. In de praktijk hebben de meeste huishoudens een cv-systeem dat 23 kW nodig heeft voor de verwarming en 28 kW voor het warme tapwater. Door het jaar heen gebruikt een huishouden circa 1500 m³ gas voor verwarmen en circa 400 m³ voor tapwater en koken. Dat is circa 15 m³ gas per dag in het stookseizoen. (circa 140 kWh)

Wat de overstap van het net vraagt

Bij een transitie naar all-electric wordt deze warmtevraag door andere oplossingen overgenomen. Zonder aanpassingen wordt het vermogen van het warmtepompsysteem namelijk snel 11 kW of zwaarder. De oorspronkelijke netaansluiting en buurt zijn hierin niet voorzien en vragen dan al snel een verzwaring van het lokale net.

Die verzwaring komt niet uit het niets. Een woning met een aansluiting van 1×35 A heeft zo’n 8 kW elektrisch vermogen beschikbaar; bij 3×25 A is dat ongeveer 17 kW. Een warmtepomp van 11 kW vraagt op een koude dag 4 tot 5 kW elektrisch vermogen, en het vermogen dat een elektrisch bijverwarmingselement of een elektrische boiler nodig heeft komt daar bovenop. Op woningniveau past dat vaak nog. Op buurtniveau loopt het vast, omdat het bestaande net per woning is ontworpen op een gelijktijdig vermogen van 1 tot 2 kW. Daarmee is niet de woning, maar de gelijktijdigheid in de straat de begrenzende factor.

Buurt of woning: twee verschillende afwegingen

Four Energy ontwerpt voor een buurt of een complex, en dat is een andere opgave dan het optimaliseren van een enkele woning. Een bewoner weegt af binnen de grenzen van de eigen woning en de eigen rekening: de investering die past, de ruimte die vrijgemaakt kan worden en het gewenste comfort. Die afweging is navolgbaar en levert per woning vaak een verstandige keuze op, maar dit is niet automatisch de keuze die voor de buurt als geheel het beste uitpakt.

Optimalisatie op woningniveau wordt in de praktijk gedreven door de portemonnee van de bewoner en is gericht op het verlagen van de eigen kosten. Netcongestie komt in die afweging alleen naar voren wanneer het gewenste comfort hierdoor wordt beperkt of het tot meerkosten leidt, bijvoorbeeld bij een verzwaring van de aansluiting of bij een wachttijd op transportcapaciteit. Op buurtniveau is die congestie juist een uitgangspunt van het ontwerp, omdat de gelijktijdigheid van alle woningen samen bepaalt wat er op de kabel past. Een collectieve aanpak is per definitie niet beter dan een individuele, maar het zorgt er wel voor dat er rekening kan worden gehouden met een zorgvuldige belasting van het net.

Eerst efficiënter, dan verzwaren

De eerste stap in al die processen is de warmte efficiënter gebruiken en opwekken. Dat kan op individueel niveau, met buffers of boilers in de woningen waar ruimte is, en met communicatie tussen de systemen om te zorgen dat niet alles tegelijk een legionella- of defrostcyclus doorloopt, zodat een hoge stroompiek wordt vermeden. Daarnaast kan de warmte collectief buiten de woning worden opgewekt. Bij deze laatste oplossing kan er efficiënter gebruikgemaakt worden van de beschikbare netcapaciteit, als de netbeheerder hierin kan meewerken.

Efficiënter gebruiken begint bij de afgiftekant. Een warmtepomp levert zijn rendement bij een lage aanvoertemperatuur en dat vraagt om een andere binnenhuisinstallatie. De radiatoren of vloerverwarming moeten met 35 tot 45 graden uit de voeten kunnen en het isolatieniveau moet op orde zijn om met een lage temperatuur de woning te kunnen verwarmen. Naast de warmteafgiftesystemen moet er in de technische ruimte van de woning rekening worden gehouden met de plaatsing van een buffervat of boiler. Deze nemen al snel een halve tot een hele kubieke meter in beslag.

Buffers in onze systemen

In de warmtesystemen van Four Energy gebruiken we een aantal buffers. Dit kunnen warmtebuffers zijn (voorraadvat warm water), maar ook elektrisch in de vorm van een batterij.

Warmte produceren is het meest logisch wanneer de prijs laag is en de netbeschikbaarheid hoog. Dat is niet altijd het moment waarop de warmte nodig is. We produceren dan warmte om op te slaan in buffervaten of in het lokale netwerk. Soms is onze productiecapaciteit lager dan gewenst, en soms is de hoeveelheid warmte zo groot dat de buffer die niet kan bergen.

Dan slaan we de energie op in een batterij, om deze later alsnog in warmte om te zetten of als elektriciteit te leveren aan bijvoorbeeld laadpalen.

Door ons systeem op elkaar af te stemmen, kunnen we zorgen dat het net ontlast wordt en optimaal gebruik kan maken van de voorzieningen die er zijn, zonder in te leveren op comfort.

Koeling en regeneratie

Een geïntegreerd energiesysteem gaat niet alleen over warmte. Woningen die goed geïsoleerd zijn en op lage temperatuur verwarmd worden, vragen in de zomer koeling, en die koudevraag groeit sneller dan de warmtevraag krimpt. Bij bodemgebonden oplossingen is dat eerder winst dan last: de warmte die in de zomer uit de woning wordt gehaald, regenereert de bron voor het volgende stookseizoen. Daarmee wordt koeling een onderdeel van de energiebalans in plaats van een extra belasting van het net.

Waar het EMS op stuurt

Het Energy Management System is de plek waar de keuzes samenkomen. Het stuurt op drie signalen: de prijs op de markt, de beschikbare ruimte op de aansluiting en het net, en de weersverwachting voor de komende vierentwintig uur. Op basis daarvan bepaalt het systeem wanneer er warmte wordt geproduceerd, wanneer de buffer wordt gevuld en wanneer de batterij laadt of ontlaadt. Daarbij is vastgelegd wie regie houdt als een van de bronnen uitvalt, zodat comfort en tapwatervoorziening voorgaan op optimalisatie. Bij collectieve opwek buiten de woning ligt die regie bij Four Energy; op individueel niveau ligt de regie bij de bewoner, met het EMS als begrenzing.

Van technische configuratie naar een haalbare oplossing

Met deze technische bouwstenen kan een geïntegreerd energiesysteem worden ontworpen waarin warmte, elektriciteit, opslag en flexibiliteit samenkomen.

Maar daarmee is nog niet gezegd dat de gekozen oplossing ook daadwerkelijk kan worden gerealiseerd. Beschikbare netcapaciteit, wet- en regelgeving, eigenaarschap, besluitvorming en financiële haalbaarheid bepalen uiteindelijk of een technisch ontwerp uitvoerbaar is.

Daarom kijken we in het tweede deel van deze serie welke randvoorwaarden gelden, wie welke rol heeft, hoe verschillende toekomstscenario’s worden doorgerekend en hoe op basis daarvan de businesscase en oplossingsrichting worden bepaald.