Warmtepompen - een over het hoofd geziene kans?

Energie terugwinnen, niet verspillen!

Wat hebben een Noorse fjord, een Belgische brouwerij, een Deense zuivelfabriek, een Fins datacenter, een Duits kantoorgebouw en een Frans sportcentrum (en nog veel meer) met elkaar gemeen? Ze gebruiken warmtepompen - en niemand weet het.

Warmtepomptechnologie is welbekend voor de efficiënte en betrouwbare voorziening van verwarming, koeling en warm water voor woongebouwen. Minder bekend zijn de grotere neven van residentiële warmtepompen - industriëleen commerciële units. Hoewel zij dezelfde primaire diensten leveren, voegen zij een belangrijke factor toe aan energiesystemen in steden, grote gebouwen of industriële processen: Grote warmtepompen sluiten energiekringlopen.

Overal waar mensen actief zijn, hebben ze energie nodig. Energie "stroomt" altijd van een hoger naar een lager temperatuurniveau. Het resultaat is een overschot aan energie op een niveau dat gewoonlijk als niet nuttig wordt beschouwd. In een typisch woongebouw hebben de gebruikers verwarming en koeling, verlichting, entertainment enz. nodig en terwijl de bewoners van deze diensten genieten, gaat er uiteindelijk energie verloren. Hetzelfde geldt voor commerciële gebouwen, ziekenhuizen, scholen.

Warmtepompen kunnen energie leveren, maar ze kunnen ook helpen de absolute energievraag te verminderen door ze te integreren in warmteterugwinningssystemen. In grotere gebouwen kan een slim, op warmtepompen gebaseerd energiebeheer de energie verdelen tussen delen van het gebouw die moeten worden verwarmd en delen die moeten worden gekoeld. Dit kan ook gebeuren tussen verschillende gebouwen.

Het effect is nog groter in de industrie. Afgezien van de noodzaak om gebouwen te verwarmen/koelen en warm water te leveren voor keuken en douches, verlopen veel industriële processen tegenwoordig bij temperaturen van minder dan 100°C. Dit maakt ze geschikt voor het gebruik van warmtepompen. Prototypes kunnen zelfs temperaturen tot 170°C leveren. Een evaluatie van het technische potentieel van warmtepompen in industriële toepassingen heeft een energiebesparingspotentieel van 174 TWh aan het licht gebracht, of ongeveer 10% van de energievraag voor verwarming in de industrie. Het besparingsbedrag is zelfs nog groter wanneer rekening wordt gehouden met de integratie van koel- en koelingsprocessen in het systeem.

Het verbinden van de punten is een belangrijke uitdaging om het potentieel volledig te benutten.

De energiestromen in de industrie zijn vaak complex. Zij vragen en leveren energie op verschillende tijdstippen, locaties en temperatuurniveaus, en in verschillende hoeveelheden.

Elke energie-input resulteert in energieafval op een lager niveau, elk koel-/koelingsproces produceert afvalwarmte en zelfs als een warmtepomp wordt gebruikt voor verwarming, resulteert dit in afvalkoeling. Deze energie kan ofwel worden weggegooid in het milieu of worden teruggewonnen om de algemene energie-efficiëntie te verbeteren.

Men moet dit proces begrijpen om een positieve beslissing te kunnen nemen over de invoering ervan. De deskundigen die verantwoordelijk zijn voor het ontwerp en de exploitatie van industriële processen zijn wellicht ook niet op de hoogte van de mogelijkheden. Een typische opmerking van een fabrieksdirecteur was: "een bijprodukt van ons hoofdproces is energie bij 50°C, maar het is nutteloos voor ons. Erger nog, het wordt een kostenfactor, omdat we moeten investeren in installaties om ervan af te komen".

De uitdaging is om toepassingsgebieden met elkaar te verbinden en een toepassing te vinden voor afvalwarmte van een koelproces of voor afvalkoude van een verwarmingsproces is de uitdaging. Soms is er alleen wat creatief denkwerk voor nodig, soms kan dat alleen door het hele productieproces opnieuw te ontwerpen. Als het lukt, zijn de efficiëntieverbeteringen enorm. In die mate zelfs dat de begunstigden van deze verbeteringen niet willen dat anderen het weten; zij verkiezen zo lang mogelijk van het kostenvoordeel te profiteren.

Warmtepompen worden state-of-the-art in commerciële toepassingen

Kantoorgebouwen, hotels, restaurants, ziekenhuizen en sportfaciliteiten hebben allemaal verwarming en koeling nodig - vaak meer verwarming dan koeling. De meeste van hen hebben ook warm water nodig voor verschillende doeleinden. Het installeren van een warmtepomp als stand-alone oplossing of in een hybride configuratie wordt steeds gebruikelijker. Het gebruik van slechts één machine om te verwarmen en te koelen is economisch nog efficiënter

Industriële processen

Warmtepompen kunnen in veel industriële productieprocessen worden toegepast. Toepassingsgebieden zijn onder meer:

• Verwarming / koeling van gebouwen
• Reinigen
• Drogen - meestal worden energielussen gesloten door de afvalenergiezijde te verbinden met de bronenergiezijde en het temperatuurverschil te overbruggen via de warmtepomp. Indien nodig wordt een fossiele brander toegevoegd als back up energiebron of om de piekvraag te dekken.
• Productie en verwerking van levensmiddelen (vlokken, brouwen, mouten, groenten en fruit, gistnoedels, aardappelen, maar ook vlees, melk en kaas),
• Algemene productie (zoals textiel, houtindustrie, rubber en kunststoffen, papier, brouwerij, productie van moutsteen, en metaalcoating).

Het verbinden van energiekringlopen door de restenergie van een proces te gebruiken, deze naar een nuttig niveau te verschuiven en aan een ander proces te leveren, is de heilige graal van efficiënt procesontwerp.

De volgende voorbeelden geven inzicht in de gerealiseerde voordelen van grote warmtepompinstallaties in diverse toepassingsgebieden voor kantoorgebouwen, stadsverwarming, papierfabrieken, warmteketels en zuivelproductie. Ze kunnen alleen maar een aanzet zijn om warmtepomptoepassingen verder te overwegen. Om dit potentieel ten volle te benutten, moet niet alleen de industrie de technologie verder ontwikkelen, maar is ook politieke slagkracht nodig. Beleidsmakers moeten kaders en markten creëren die warmtepompgebaseerde systemen als de meest duurzame oplossingen bevoordelen. Zij moeten de voorkeur geven aan een vermindering van de vraag naar energie door gebruik te maken van teruggewonnen energie, net zoals zij vandaag de voorkeur geven aan het gebruik van hernieuwbare energie.

Last but not least is de oplossing van het huidige marktmechanisme de olifant in de kamer. De terugverdientijd van warmtepompen die aanvaardbaar is voor de industrie en de beschikbaarheid van financieringsmogelijkheden hangen grotendeels af van de vergelijking met de kosten van alternatieven voor fossiele brandstoffen. Als beleidsmakers het marktmechanisme willen gebruiken voor de energietransitie, moeten ze een correct prijssignaal afgeven.

De staatshoofden en regeringsleiders hebben in december in Parijs de COP21-overeenkomsten ondertekend om de opwarming van de aarde te beperken tot beduidend minder dan 2 graden Celsius.

Door ten volle gebruik te maken van het potentieel van grote warmtepompen in residentiële en commerciële gebouwen, industriële processen en steden zal het veel gemakkelijker worden om deze doelstelling te halen.Maar zelfs meer dan dat: een decarbonisatie van het energiesysteem is onmogelijk zonder een decarbonisatie van de verwarmingssector; een decarbonisatie van de verwarmings- en koelingssector is onmogelijk zonder warmtepompen.

Achtergrond: warmtepomptechnologie

Warmtepompen zetten lucht, bodemwarmte en water om in energie - zo eenvoudig is het! Het algemene principe van de technologie is identiek en onafhankelijk van de toepassing. Een warmtepomp kan verwarming, koeling en sanitair warm water leveren voor residentiële, commerciële en industriële toepassingen. Warmtepompen zetten energie uit hernieuwbare energiebronnen (lucht, aardwarmte, geothermische energie en water, hydrothermische energie) om in bruikbare warmte. Ze kunnen ook gebruik maken van teruggewonnen energie uit industriële processen, infrastructuurinstallaties (riolering, metro, ondergrondse parking) of afvoerlucht van gebouwen. De omzetting gebeurt via de koelcyclus. Het systeem bestaat uit een warmtebron, de warmtepompunit en een distributiesysteem om het gebouw te verwarmen/koelen, meestal ofwel luchtkanalen of waterleidingen.

Hoewel er een aantal technische varianten voor warmtepomptechnologie bestaan, wordt de elektrische compressiecyclus het meest gebruikt. In een elektrische compressiewarmtepomp transporteert een transportvloeistof (koelmiddel) de warmte van een lage energiebron naar een hoger energieput. Er is hulpenergie - meestal elektriciteit of gas - nodig om de compressor en de warmtepompen te laten werken.

De koelmiddelcyclus zorgt voor verwarming en koeling, continu

Warmtepompsystemen zijn geoptimaliseerd voor verwarming of koeling. In de verwarmingsmodus is omgevingsenergie de warmtebron en is het gebouw/proces het koellichaam. In de koelmodus wordt het gebouw/proces afgekoeld met gebruikmaking van de buitenlucht als het koellichaam. Het is duidelijk dat de efficiëntie van een systeem sterk toeneemt in toepassingsgebieden met een parallelle vraag naar verwarming en koeling, wat dergelijke systemen een extra economisch voordeel geeft.

Positieve neveneffecten van het gebruik van warmtepompen zijn lokale werkgelegenheid, vermindering van de afhankelijkheid van invoer, stabielere en voorspelbare energiekosten, en het overbruggen van de elektrische en thermische sectoren door vraagrespons te bieden en het elektriciteitsnet te stabiliseren.

Warmtepompen zijn een dwarsdoorsnede van het moderne, toekomstgerichte energiesysteem. De vereiste decarbonisatie van het energiesysteem kan niet worden bereikt zonder de verwarmingssector te decarboniseren. De verwarmingssector kan niet koolstofvrij worden gemaakt zonder warmtepompen!

Dit artikel werd voor het eerst gepubliceerd in Revolve "Renewing Energy", zomer 2016