In Nederland wordt minder dan 4 procent van de warmtevraag in de gebouwde omgeving door stadsverwarmingssystemen geleverd. Toch wordt stadsverwarming als een serieuze oplossing gezien voor stedelijke gebieden om aardgasinfrastructuur voor verwarming te gaan vervangen. Om volledig op hernieuwbare bronnen te werken, moeten de systemen anders worden ontworpen. De vijfde generatie stadsverwarming en -koeling (5GDHC) biedt de mogelijkheden hiertoe. Het Mijnwater-systeem in Heerlen brengt dat al in de praktijk en ontwikkelt zich tot een net op stedelijke schaal.
In de Europese Unie verbruiken gebouwen 50 procent van de totale energievraag en zijn verantwoordelijk voor 26 procent van de CO2–uitstoot. De meeste van deze gebouwen zijn te vinden in steden, dorpen en buitenwijken, omdat 72,5 procent van de EU-inwoners in stedelijke gebieden woont. Om de VN-klimaatdoelstellingen te bereiken, is daarom een overgang naar een fossielvrij stedelijk energiesysteem nodig.
Stadsverwarmingssystemen zijn een alternatief
In Nederland hangt de overgang naar het toekomstige stedelijke energiesysteem direct samen met het kabinetsbesluit om te stoppen met het gebruik van aardgas. Stadsverwarmingssystemen zijn een alternatief om warmte te leveren in stedelijke omgevingen. Deze leveren heet water of stoom aan consumenten via een netwerk van leidingen. Stadsverwarmingsnetwerken kunnen lokaal zijn voor een groep gebouwen of afzonderlijke buurten, of hele steden overspannen. Warmte wordt meestal geproduceerd in een centrale faciliteit, vaak een fossiele brandstofgestookte warmtekrachtcentrale. Hoewel dit een zeer efficiënt proces is, is het niet gebaseerd op hernieuwbare bronnen en daarom geen duurzaam alternatief voor het gebruik van aardgas.
D2Grids is een project dat de 5e generatie stadsverwarmings- en koelingsnetwerken (5G DHC) in heel Europa moet opschalen. Als eerste bij de vijf proeflocaties: Brunssum, Parijs-Saclay, Bochum, Glasgow en Nottingham. Maar ook bijvoorbeeld in Vlaanderen. D2Grids (afkorting voor ‘demand driven grids’) is een project van Interreg NWE, gecoördineerd door Mijnwater.
Hernieuwbare warmte
Naast de conventionele systemen zijn er stadsverwarmingssystemen met lage temperatuur. Deze zullen in 2050 mogelijk vijf keer zoveel warmte kunnen leveren als conventionele stadsverwarmings-systemen. Hernieuwbare bronnen met lage temperaturen, zoals geothermisch water, oppervlaktewater en rioolwater, kunnen straks ongeveer een derde van de Europese warmtevraag leveren. Het thermische potentieel is hiermee groter dan van bronnen als biomassaverbranding of warmteafgifte van afval. Ook in Nederland ver heeft lage temperatuur geothermische energie het grootste potentieel voor het leveren van hernieuwbare warmte. Het potentieel voor hernieuwbare hoge temperatuurbronnen zoals biogas en vaste biomassa is beperkt, waardoor ze ongeschikt zijn voor grootschalige toepassing in stedelijke energiesystemen.
Vijfde generatie stadsverwarming- en koeling
Momenteel wordt in Nederland minder dan 4% van de warmtevraag in de gebouwde omgeving door stadsverwarmingssystemen geleverd. Toch wordt stadsverwarming als een haalbare oplossing gezien voor stedelijke gebieden om aardgasinfrastructuur voor verwarming te gaan vervangen. Om volledig op hernieuwbare bronnen te werken, moeten de systemen echter anders worden ontworpen. De vijfde generatie stadsverwarming en -koeling (5GDHC) biedt de mogelijkheden hiertoe. Deze systemen werken met bijna-grondtemperaturen en zorgen voor bidirectionele uitwisseling van warmte en koude tussen verbonden gebouwen, gefaciliteerd door seizoensopslag. 5GDHC heeft geen retourstromen als zodanig, maar warme en koude leidingen. Deze eigenschappen zijn niet nieuw in lokale verwarmingssystemen. De uitdaging is echter om deze principes op te schalen naar de schaal van een stad, met een veelvoud aan vraagtypen en bronnen van warmte en koude.
Verschillen overbruggen
Verschillende soorten consumenten – bewoners, industrie, kantoren – hebben verschillende soorten belastingprofielen. Sommige hiervan zijn in de loop van het jaar in evenwicht, andere worden door warmte of kou gedomineerd. De rol van het warme en koude netwerk is niet om warmte of koude lineair van een leverancier naar een consument te transporteren, maar om de uitwisseling van restwarmte of koude tussen verbonden gebouwen te vergemakkelijken. Opslagfaciliteiten fungeren als buffers om de tijdelijke verschillen tussen vraag en aanbod te overbruggen. Hernieuwbare elektriciteitsbronnen worden geïntegreerd door transportpompen en warmtepompen te laten draaien in tijden van hoge beschikbaarheid van hernieuwbare elektriciteit.
5GDHC-systeem bieden hoge mate van flexibiliteit
Bronnen met een grote thermische straal, zoals ondiepe geothermische energie, kunnen over de stad worden verspreid, waarbij optimaal gebruik wordt gemaakt van de beschikbare warmte en koude. Het gebruik van zowel kortetermijn- als seizoensgebonden energieopslag is een belangrijk onderdeel van een 5GDHC-systeem. Het maakt het overbruggen van de tijdelijke kloof tussen vraag en aanbod van warmte en koude mogelijk, evenals tijdelijke verschillen tussen de beschikbaarheid van duurzame elektriciteit en bedrijfsmomenten voor warmtepompen. Warmte-energieopslag kan ook het vereiste vermogen van de warmtepomp aanzienlijk verminderen, wat een grote impact heeft op de investeringskosten. 5GDHC-systemen bieden dus een hoge mate van flexibiliteit als gevolg van hun integratie van infrastructuur voor verwarming, koeling en elektriciteit en de beschikbaarheid van opslagfaciliteiten bij verschillende temperaturen en tijdschalen. De complexiteit die hierbij komt kijken, maakt het tegelijk echter wel noodzakelijk om 5GDHC-systemen verder te optimaliseren.
Groeiende koelvraag dekt deel warmtevraag
Een niet onbelangrijke ontwikkeling is dat de vraag naar koeling de komende decennia aanzienlijk zal groeien. Vooral in steden waar het effect van het hitte-eiland in de stad leidt tot een snellere temperatuurstijging dan in landelijke gebieden. Met de absolute koelvraag in de EU – ongeveer een zesde van de absolute warmtevraag in 2050 – kan een groot deel van de verwarmingsbelasting in stedelijke gebieden worden gedekt met behulp van een recupererende koelretourstroom. De resterende vraag moet worden gedekt met behulp van hernieuwbare warmtebronnen zoals diep of ondiep geothermisch, oppervlaktewater of rioolwater, thermische zonne-energie of een andere bron die lokaal beschikbaar is. Een groter 5GDHC-systeem kan meerdere soorten warmte- en koudebronnen mogelijk maken. Omdat het systeem modulair is, kunnen nieuwe bronnen worden toegevoegd naarmate het systeem groeit.
5GDHC in de praktijk
Het Mijnwater DHC-systeem in Heerlen is technologisch een van de meest geavanceerde 5GDHC-systemen en brengt de 5GDHC-principes in de praktijk. Oorspronkelijk was het een lokaal stadsverwarmings- en koelingsnetwerk dat een overstroomde kolenmijn als geothermische bron bij lage temperatuur gebruikte. Inmiddels is het getransformeerd in een stedelijk slim DHC-net, met verschillende gedecentraliseerde warmtebronnen. Het systeem omvat een datacenter, restwarmte van supermarktkoelkasten en van kleinschalige industriële processen, evenals de warme retourstroom van ruimtekoeling in de verbonden gebouwen. Momenteel bedient Mijnwater meer dan 200.000 m2 vloeroppervlak. Mijnwater heeft een belangrijke rol gekregen in de regionale energiestrategie om de regio met 250.000 inwoners in 2040 over te schakelen naar een CO2-neutraal energiesysteem. De ontwikkeling van Mijnwater weerspiegelt de principes van 5GDHC. Het ontwikkelt zich van een lokaal project, ontworpen voor een individuele warmtebron, naar een modulair net op stedelijke schaal.
Proefprojecten voor 5GDHC
Mijnwater geldt internationaal als één van de technologisch meest geavanceerde 5GDHC-systemen. Op basis van de in Heerlen geteste principes worden vijf proefprojecten voor 5GDHC ontwikkeld als onderdeel van het Interreg NWE-project D2Grids. Deze projecten bevinden zich in Bochum (Duitsland), Brunssum (Nederland), Parijs (Frankrijk), Glasgow en Nottingham (Verenigd Koninkrijk). Dit project beoogt industriële normen voor 5GDHC te ontwikkelen om de modulariteit van het ontwerp te verbeteren.
Dit artikel is een samenvatting van een wetenschappelijke paper, geschreven door Stef Boesten, Wilfried Ivens, Stefan C. Dekker en Herman Eijdems. Hierin worden onder meer voorstellen gedaan om 5GDHC-systemen nog verder te verbeteren. De oorspronkelijke, volledige tekst, inclusief bronvermeldingen, is hier beschikbaar.
