WARMTEPOMPEN
Install Magazine 945 – november 2017

Vraagsturing van warmtepompen als antwoord op variabel aanbod hernieuwbare energie

Onderzoek naar potentieel van woninginstallaties

Een van de problemen bij de overschakeling op hernieuwbare energie, is dat de productie door zonnepanelen en windturbines varieert en niet altijd overeenkomt met de vraag. Daar kan gedeeltelijk aan verholpen worden door woningverwarming te gebruiken als buffer door middel van warmtepompen. De individuele warmtepompen zijn daarbij verbonden tot een slim netwerk dat de installatie inschakelt als er een groot aanbod aan groene stroom is. Zo wordt de productiecapaciteit aan hernieuwbare energie optimaal benut, en vermijdt men ook pieken in de elektriciteitsvraag door verwarming. Dieter Patteeuw (KU Leuven) deed onderzoek om in te schatten hoe groot de impact van een dergelijk systeem kan zijn.

Thermische inertie van het gebouw benutten

Het onevenwicht tussen vraag en aanbod staat een optimale benutting van groene elektriciteit in de weg. Enerzijds treden er pieken in aanbod van zonne- en windenergie op wanneer er onvoldoende vraag is. Het gevolg is dan dat er bijvoorbeeld windturbines moeten worden stilgelegd omdat ze hun elektriciteit niet kwijt kunnen. Anderzijds zijn er vraagpieken als er weinig aanbod is, bijvoorbeeld op winteravonden wanneer de productie van fotovoltaïsche elektriciteit stilligt. In die gevallen moeten er extra centrales op fossiele energie worden ingeschakeld om de pieken op te vangen. Dat is niet alleen duur, het veroorzaakt ook extra uitstoot.

Door in te grijpen op de sturing van warmtepompen zou men vraag en aanbod beter op elkaar kunnen afstemmen. Daarbij maakt men gebruik van de thermische opslagcapaciteit van de woning en de installatie. Dat is in de eerste plaats de thermische inertie van de bouwmassa. Bovendien zijn moderne warmtepompinstallaties meestal gekoppeld met een buffervat en aangesloten op vloerverwarming als afgiftesysteem, twee elementen die ook een aanzienlijke warmte-opslagcapaciteit hebben. Verder is er ook de boiler voor sanitair warm water, die eveneens als opslag gebruikt kan worden. Daardoor wordt het mogelijk om de inschakeltijd van de warmtepomp enkele uren te verschuiven zonder comfortverlies.

Concreet komt het er op neer dat het buffervat, de boiler, vloerverwarming en bouwmassa worden opgewarmd als er een overaanbod van groene elektriciteit is, om de warmtevraag van de komende uren te dekken. Als er een piek in de elektriciteitsvraag verwacht wordt, kan men daarop inspelen door vooraf de bouwmassa enkele graden hoger te verwarmen. Dit kan de twee hoofdproblemen van het variabel aanbod oplossen. Men maakt beter gebruik van het aanbod aan groene stroom en tegelijk worden de pieken en dalen in de elektriciteitsvraag afgevlakt. Zo kan men het net efficiënter beheren, en hoeven er geen dure pieklastcentrales worden ingeschakeld.

Warmtepompen als oplossing?

Het voordeel om woninginstallaties met warmtepompen te gebruiken als opslagmethode, is dat er nauwelijks extra investeringen voor nodig zijn. De meeste warmtepompinstallaties maken sowieso al gebruik van een buffervat, vloerverwarming en SWW-boiler. Bovendien gaat het om een bekende techniek: de enige extra elementen die nodig zijn, zijn slimme meters en slimme sturingen van de verwarming. Beide technieken zijn nu al op de markt beschikbaar. Er hoeven geen nieuwe technieken ontwikkeld te worden, zoals pakweg warmte-opslag met PCM. De woningeigenaars hoeven ook niet in eerste instantie te investeren in elektrische batterijen.

Een beperking is dat het comfort moet gegarandeerd blijven. Bij de verschuiving van de inschakeltijden moet men uiteraard rekening houden met de werkelijke warmtebehoefte. In de praktijk beperkt men zich tot een verschuiving van enkele uren. Men brengt daarbij het gebouw of de boiler bijvoorbeeld op temperatuur in de namiddag, als er overaanbod van groene stroom is. Door de thermische inertie is er dan nog voldoende energie opgeslagen in het buffervat en de vloerverwarming als de bewoners thuiskomen, zodat de warmtepomp dan niet hoeft aan te springen.

Dat betekent wel dat er een zekere oververwarming zal optreden. Omdat de installatie op temperatuur wordt gebracht nog voor er een effectieve warmtevraag is, zullen de warmteverliezen altijd wat hoger uitvallen dan bij een strikte sturing volgens de behoefte. De efficiëntiewinsten in de opwekking zijn in principe groot genoeg om dit ruimschoots te compenseren.

Wat brengt het op?

Tot zover het principe, maar wat is nu de werkelijke opbrengst? Om daar een idee van het hebben, voerde Dieter Patteeuw aan de KULeuven een reeks simulatieberekeningen uit. Grote aantallen woningen combineren tot een centraal gestuurd systeem is echter een ingewikkeld probleem. Als men met alle parameters en wisselwerkingen rekening moet houden, zou dat tot een onhandelbaar complex model leiden, dat veel te veel computercapaciteit zou vereisen. Daarom werd er een aantal vereenvoudigde scenario’s doorgerekend. De basisaannames waren als volgt:

een bestand van 250.000 warmtepompen, met een opgenomen elektrisch vermogen van 2 tot 5 kW elk.
de elektriciteit wordt opgewekt door 30% windturbines en 10% PV, met de rest door een mix van gasturbines en STEG-centrales. In dit scenario is de kernuitstap al een feit.
het verbruiksprofiel en weerdata zijn gebaseerd op die van 2013

Voor het gebouwenbestand definieerde men drie types (open bebouwing, halfopen bebouwing en rijhuizen) uit zes perioden (voor 1945, 1945-70, 1971-90, 1991-2005, 2006-2012, na 2012). Tevens werden er twee renovatieniveaus bepaald (licht en ingrijpend), waarbij men ervan uitging dat alle oudere gebouwen in de simulatie minstens een lichte renovatie hadden ondergaan om ze beter geschikt te maken voor een warmtepomp.

Voor de installatie waren er drie varianten:

een lucht-water warmtepomp met radiatoren
een lucht-water warmtepomp met vloerverwarming
een geothermische warmtepomp met vloerverwarming

Dan werd telkens voor die gevallen berekend wat het effect zou zijn als men de vraag zou afstemmen op een overaanbod van groene elektriciteit. Daarbij werd er wel op gelet dat de kamertemperatuur binnen de comfortgrenzen bleef. De algemene conclusie is dat de CO₂ uitstoot gereduceerd kan worden met 10 tot 20%. De impact verschilt wel naargelang het type installatie: minder goed geïsoleerde gebouwen zijn weinig geschikt voor warmtepompen. De verlaagde uitstoot wordt gerealiseerd doordat er enerzijds minder hernieuwbare energie verloren gaat omdat er windturbines moeten afgeschakeld worden, en anderzijds doordat er minder vraagpieken zijn, waarbij pieklastcentrales op gas zouden worden opgestart. Gezien de overschakeling op elektriciteit voor verwarming door de introductie van warmtepompen voor een algemeen hoger elektriciteitsverbruik zal zorgen, is het vermijden van pieken een zinvolle ingreep.

De producenten en verdelers van elektriciteit zijn gebaat met een gelijkmatigere vraag, omdat ze zo de opwekking efficiënter kunnen laten verlopen. Daar staat echter tegenover dat een vraagverschuiving tot hogere verbruiken en warmteverliezen leidt. Het elektriciteitsverbruik van de warmtepompen stijgt met 1 tot 10% om die verliezen te compenseren.

De invloed van optimalisatie van de installatie voor energie-opslag werd nagegaan, bijvoorbeeld door het aanpassen van insteltemperaturen of een grotere dimensionering van het buffervat. Dat leverde echter weinig verbetering op. Het systeem kan dus perfect werken zonder aanpassingen aan de huidige installatiepraktijk; extra kosten voor de woningeigenaar worden zo vermeden.

Hoe de klant motiveren?

Een verlaging van de CO₂-uitstoot is positief, maar wat stroomproducenten en -verbruikers voornamelijk interesseert, is een verlaging van de kosten. Ook dat werd berekend aan de hand van een gevalstudie. Daaruit bleek dat de operationele besparingen kunnen oplopen tot 150 euro per deelnemer per jaar. Door het vermijden van de piekvraag kan de totale besparing per aansluiting per jaar stijgen tot 300 euro.

Om woningeigenaars te overtuigen om in zo een systeem te stappen, moet wel een aangepast economisch model worden uitgewerkt. De winst is immers voor de producent en netbeheerder, terwijl de klant nadeel ondervindt door een hoger verbruik. Men moet tot een systeem komen dat de verbruiker beloont als hij zijn verbruiksprofiel aanpast. Daarbij blijft de mogelijke besparing beperkt tot hooguit enkele honderden euro’s per jaar, wat niet van die aard is dat een elektriciteitsleverancier of netbeheer riante voordelen aan de klant kan uitkeren.

Een mogelijke inspiratie kan gevonden worden in de Verenigde Staten. Daar zijn er programma’s om piekverbruiken in de zomer door airconditioning te vermijden. Men gebruikt daar de analogie van het verkeer: wie ‘voor de spits start om de files te ontwijken’ en dus de woning vooraf op temperatuur brengt, krijgt op het einde van het jaar een bonus toegekend.

Hoe meer deelnemers, hoe minder winst

Er werd ook onderzoek gedaan naar de effecten van het aantal deelnemers op het financieel voordeel. Daarbij werd uitgegaan van een vergelijkbare situatie als in de bovenvermelde studie, maar met een gebouwenpark van 1 miljoen goed geïsoleerde woningen met een warmtepomp. De participatiegraad werd daarbij gevarieerd tussen 5 en 100%. De winst stijgt echter niet evenredig met de participatiegraad. In absolute getallen is er wel meer winst, maar die moet dan over een groter aantal deelnemers verdeeld worden. Als slechts 5% van de kandidaten deelneemt aan een systeem van vraagsturing, is de winst per deelnemer ongeveer twee keer zo hoog als wanneer iedereen zou meedoen. Bij de invoering van zo een systeem moet men er dus op letten dat een groei van het aantal deelnemers niet contraproductief gaat werken.

Veelbelovend, maar er zijn nog uitdagingen

Hoewel de studie uiteraard alle complexiteiten van de werkelijke situatie niet vat, is het toch een sterke aanwijzing dat het aandeel van hernieuwbare energie in de elektriciteitsmix kan vergroot worden, zonder dat er op middellange termijn zware investeringen nodig zijn in nieuwe technologie. De beweging naar meer warmtepompen zal hierin een belangrijke rol spelen.

De uitdaging bestaat erin de lagere uitstoot van CO₂ te vertalen naar een economisch voordeel voor de verbruiker. Dat maakt deel uit van een bredere problematiek, waarin ook aspecten zoals het prijsbeleid voor elektriciteit en gas, de kernuitstap en netstabiliteit meespelen.

Met dank aan Dieter Patteeuw

Door Alex Baumans

Grafieken: Dieter Patteeuw

eng.kuleuven.be

Door de vraag van de warmtepompen te sturen, kan men een betere balans verkrijgen.

Een model van de Belgische situatie. In de rechtse grafiek toont de stippellijn het elektrisch verbruik zonder warmtepompen, de blauwe lijn het verbruik met warmtepompen maar zonder vraagsturing en de rode lijn het verbruik met vraagsturing. Het afvlakkingseffect van de pieken is duidelijk merkbaar.

De middelste grafiek toont het verschil in elektriciteitsvraag met (rode lijn) en zonder (blauwe lijn) vraagsturing, uitgaande van een constante kamertemperatuur van 22°C

De rechtse grafiek toont het verschil in piekvermogen met (rood) en zonder (blauw) vraagsturing.

RES: Renewable Energy Supply: productie van hernieuwbare energie

Een belangrijk effect van vraagsturing is dat hernieuwbare energiebronnen minder hoeven afgeschakeld te worden.

Uit de studie blijkt dat, hoe meer verbruikers in het systeem stappen, hoe lager de individuele winst is. Dat effect wordt meer uitgesproken naarmate er meer hernieuwbare energie in de productiemix zit.

RES: hernieuwbare energieproductie

DR: vraagsturing