Warmtepompen: visie vs. realiteit

Visie vs. realiteit - waarom politieke interventie essentieel is om het energiebesparingspotentieel van warmtepompen in industriële en commerciële toepassingen te ontsluiten.

Gebouwen hebben behoefte aan een comfortabele binnentemperatuur en luchtkwaliteit, temperatuurniveaus in industriële processen moeten tot op het punt worden geregeld, goederen in opslag en transport vereisen een gecontroleerde atmosfeer - dit zijn slechts een paar voorbeelden waarbij verwarming en koeling essentieel zijn in een moderne samenleving.

Veel te vaak worden beide diensten nog afzonderlijk aangepakt. Ketels worden geïnstalleerd om op te warmen, airconditioning- en koelapparatuur om af te koelen. Zelden worden beide als twee zijden van dezelfde medaille gezien. Het gevolg is dat energie die is opgeslagen in afvallucht of -water wordt geloosd in het milieu en zo verloren gaat voor verder gebruik.

Als in een gebouw warm water wordt verwarmd door een boiler en een airconditioningsysteem wordt gebruikt om de temperatuur van de binnenlucht te verlagen, wordt energie verspild. Als in een industrieel proces fossiele energie wordt verbrand om warmte te leveren in stap één en vervolgens een tussen- of eindproduct wordt afgekoeld, wordt energie verspild. Als industriële productie-installaties worden gekoeld door koel-/koelingsapparatuur of nabijgelegen kantoren worden verwarmd door afzonderlijke apparaten, wordt energie verspild. Kortom, wanneer verwarmings- en koelingsbehoeften onafhankelijk van elkaar worden opgelost, zonder een systeemperspectief te hanteren, is de kans op energieverspilling groot. Warmtepomptechnologie zorgt voor verwarming en

koeling op hetzelfde moment, altijd. Het is een kwestie van een goed systeemontwerp om beide kanten te benutten en zo de eenrichtingsweg van energiegebruik om te buigen in een circulaire energie-economie. Het potentieel van gesloten kringlopen is vooral groot in industriële toepassingen. In 2015 heeft de werkgroep industriële en commerciële warmtepompen (ICHP) van de European Heat Pump Association onderzoek gedaan naar het potentieel van niet-huishoudelijke warmtepomptoepassingen voor verwarming en koeling. De auteurs van die studie, Philippe Nellissen en Stefan Wolf, hebben het rapport "potentieel voor een industriële revolutie" genoemd [1].

Warmtepomptechnologieën worden erkend voor het feit dat zij bijdragen tot de energie- en klimaatdoelstellingen van de EU. Ze

• verminderen de energievraag en de CO2-uitstoot.
• hernieuwbare energie integreren en helpen het systeem koolstofvrij te maken.
• gebruik kunnen maken van afvalwarmte.
• bieden mogelijkheden voor vraagrespons en helpen het elektriciteitsnet te stabiliseren.
• zorgen voor lokale werkgelegenheid en houden knowhow in R&D
• gebruiken lokale energie en verminderen de afhankelijkheid van import.

Warmtepomptechnologie wordt algemeen aanvaard als een haalbare oplossing in de residentiële sector waar ze hoofdzakelijk hernieuwbare energie uit lucht, water en bodem gebruiken om verwarming en warm water te leveren. Veel minder bekend is de mogelijkheid om restwarmtestromen te valoriseren door de temperatuur ervan op te voeren en ze zo te gebruiken om te voorzien in de warmtebehoeften van gebruikers in de nabijheid. Dit geldt overal waar gelijktijdig koeling en verwarming nodig zijn, bijvoorbeeld bij veel industriële processen in de levensmiddelen-, papier- of chemische industrie.[1]

Warmtepomptechnologie kan het energieniveau van deze bronnen verhogen of verlagen tot het gewenste niveau van een andere toepassing, en zo afzonderlijke energielussen verbinden tot een cascade die uiteindelijk weer kan worden gesloten. Hoewel de residentiële warmtepompmarkt wordt gedomineerd door elektrische compressiewarmtepompen, worden in industriële en commerciële toepassingen verschillende warmtepomptechnologieën gebruikt (zie fig. 1).

Figuur 1: Classificatie van warmtepomptechnologieën. Bron: Wolf/Nellissen 2015 [1]

Met de momenteel beschikbare technologie kunnen warmtepompen warmte leveren op temperatuurniveaus tot 100°C met een spreiding tussen bron- en sink-temperatuur van ca. 50 K per trap. Dit is belangrijk om op te merken, aangezien tweetraps warmtepompinstallaties een grotere spreiding kunnen overbruggen.

Het gebruik van warmtepompen voor toepassingen met een warmtevraag boven 100°C is nog een uitdaging. Hoewel de onderliggende principes voor dergelijke warmtepompen bekend zijn en er prototypes voor deze temperatuurniveaus bestaan, zijn deze nog niet beschikbaar in standaardproducten. Het huidige niveau van onderzoek- en ontwikkelingsprojecten, alsook de toegenomen belangstelling van nieuwe spelers om zich in het segment van de grote warmtepompen te begeven, laten ruimte voor optimisme. In de komende jaren wordt een aantal nieuwe producten op de markt verwacht.

Zonder bestaande oplossingen voor warmtepomptoepassingen voor temperatuurniveaus boven 150°C is dit segment niet opgenomen in de huidige potentieelbeoordeling. Met dit in gedachten werden de beschikbare gegevens van Eurostat voor geëvalueerd om het potentieel voor de toepassing van warmtepompen in deze industriële sectoren te bepalen:

1. IJzer en staal/non-ferrometalen
2. Chemie en aardolie
3. Niet-metaalhoudende mineralen
4. Papier, pulp en drukkerijen
5. Machines voor voedings- en genotmiddelen
6. Hout en houtproducten
7. Uitrusting voor vervoer
8. Textiel en leder
9. Overige

Uit de gegevens voor 2012 voor de EU-28 blijkt dat de industrie 3200 TWh eindenergie verbruikt en een vraag naar warmte heeft van ongeveer 2000 TWh. Figuur 2 toont de uitsplitsing van deze warmtevraag per geanalyseerde sector en temperatuurbereik.

Figuur 2: Uitsplitsing van de warmtevraag in de industrie per sector en temperatuurbereik. [1]

Uit deze beoordeling blijkt een praktisch haalbaar potentieel voor warmtepompen in het temperatuurbereik tot 100°C van 68 TWh, voornamelijk in de chemische, papier-, voedingsmiddelen/tabak- en houtindustrie (zie blauw gearceerde balken in fig. 2). Als de sectoren warm water en ruimteverwarming worden meegerekend, komt daar nog eens 74 TWh bij (zie oranje gearceerde balken in fig. 2). Met de technische vooruitgang kan een extra potentieel van 32 TWh in het temperatuurbereik van 100 tot 150°C worden ontsloten (zie de donkerste blauwe balk in fig. 2). In totaal kan 174 TWh of 8,7% van de totale warmtevraag in de industrie door warmtepompen worden geleverd.

De hogere temperatuurbereiken die in de bovenstaande grafiek in grijs zijn weergegeven, blijven ontoegankelijk voor warmtepomptechnologie.

Het resultaat van deze beoordeling toont het realistische potentieel van warmtepomptoepassingen. Het technische potentieel is veel groter, maar kan vaak niet volledig worden benut als gevolg van praktische overwegingen. Een meer verfijnde, modelgebaseerde analyse, uitgevoerd door Wolf en Blesl, komt tot de conclusie dat het technische potentieel van warmtepompgebruik in de industrie in de 28 EU-lidstaten 1717 PJ (477 TWh) bedraagt, waarvan slechts 270 (75 TWh) of 15% toegankelijk is als economische en praktische overwegingen worden toegepast. [2] De modelmatige benadering leidt dus tot een groter technisch potentieel, maar tot een veel lager economisch potentieel.

De belangrijkste factoren die van invloed zijn op het economisch perspectief van warmtepompoperaties zijn

• Kosten van fossiele brandstoffen
• Kosten van elektriciteit
• Rentevoet
• Rendement van het warmtepompsysteem
• Gelijktijdige beschikbaarheid van warmteaanbod en warmtevraag, gelijktijdige vraag naar verwarming en koeling
• Verschillen in investeringskosten.

Besparingen op de exploitatiekosten door het gebruik van warmtepompen zijn mogelijk, indien de relatieve kosten van fossiele brandstoffen en elektriciteit kleiner zijn dan het rendement van het warmtepompsysteem. Met een nogal verstoorde energieprijs wordt dit steeds moeilijker, omdat veel overheden de kosten van vergroening van het elektrische systeem terugverdienen via de elektriciteitskosten zelf. Tegelijkertijd weerspiegelt de prijs voor fossiele brandstoffen niet de negatieve milieu-effecten van het gebruik ervan. De relatieve kosten van de warmtevoorziening pleiten dus in het voordeel van fossiele brandstoffen.

Figuur 3: Potentieel van industriële warmtepompen in de EU-28 [2].

Aangezien er een direct verband bestaat tussen de vermindering van de energievraag en de CO2-uitstoot, zal de uitbreiding van het economisch potentieel van vraagvermindering ook de CO2-uitstoot van de industriële sector verminderen. De studie komt tot een totaal CO2-emissiereductiepotentieel van 86,2 Mt, waarvan 21,5 Mt (25%) economisch haalbaar is.

Obstakels, uitdagingen en kansen

De belangrijkste obstakels die het gebruik van warmtepompen in de industrie beperken, zijn de volgende

• Extreme eisen aan het rendement van de investering, vaak wordt niet meer dan 2 jaar geaccepteerd. Dit wordt verder bemoeilijkt door een relatief lage prijs voor fossiele energie.
• Risicoaversie, met name ten opzichte van warmtepompen, die niet vertrouwd worden, maar gezien worden als een nieuwe, onbewezen technologie.
• Beperkte of geen beschikbaarheid van voorbeelden van beste praktijken die vertrouwen kunnen wekken in nieuwe oplossingen.
• Structurele belemmeringen in de industrie

o

Hoge transactiekosten voor de omschakeling van processen, aangezien veel oude processen op stoom zijn gebaseerd

o

Noodzaak om competenties en verantwoordelijkheden te integreren om een systeemperspectief te realiseren teneinde industriële processen en commerciële toepassingen energetisch te optimaliseren

Zowel het energiebesparings- als het CO2-reductiepotentieel van warmtepompen in industriële toepassingen wordt nog grotendeels onbenut gelaten. Het creëren van gunstiger politieke kadervoorwaarden zal het mogelijk maken deze trend om te buigen. Deze omvatten

• Het geven van een prijssignaal aan het gebruik van fossiele brandstoffen
• De last van belastingen en heffingen op steeds schonere elektriciteit verlichten
• lage rente en leninggaranties voor energie-efficiënte investeringen met koolstofarme technologieën, zoals warmtepompen
• meer onderzoek naar en ontwikkeling van gestandaardiseerde warmtepompoplossingen voor de betrokken industriële sectoren
• meer voorbeelden van beste praktijken aan te reiken.

Er is een gezamenlijke inspanning nodig van beleidsmakers en de industrie om het technische en economische potentieel van warmtepomptoepassingen in de industrie te ontwikkelen. Beiden moeten aan hetzelfde touwtje trekken (en in dezelfde richting) om het potentieel volledig te ontsluiten.

Auteur: Thimas Nowak, EHPA

De auteur dankt Stefan Wolf, Universiteit van Stuttgart en de leden van EHPA's ICHP groep voor de geleverde input.

Bronnen:

[1] Nellissen, P.; Wolf, S.: Heat pumps in non-domestic applications in Europe: Potentieel voor een energierevolutie. Presentatie gegeven op het 8e EHPA European Heat Pump Forum, 29.5.2015, Brussel, België .

[2] Wolf, S.; Blesl, M.: Modelgebaseerde kwantificering van de bijdrage van industriële warmtepompen aan de Europese strategie voor het tegengaan van klimaatverandering. In: 2016: Proceedings van de ECEEE Industrial Efficiency Conference 2016. Berlijn, 12.-14.09.2016. Stockholm, 2016

Notitie over de Europese warmtepompvereniging (EHPA) aisbl:

EHPA is een in Brussel gevestigde branchevereniging die tot doel heeft het bewustzijn en de juiste toepassing van warmtepomptechnologie op de Europese markt te bevorderen voor residentiële, commerciële en industriële toepassingen. De EHPA levert technische en economische input aan Europese, nationale en lokale overheden op het gebied van wetgeving, regelgeving en energie-efficiëntie. EHPA heeft onlangs een werkgroep opgericht voor industriële en commerciële warmtepompen (ICHP) om meer erkenning te krijgen voor dit toepassingsgebied en het potentieel ervan om bij te dragen aan de klimaat- en energiedoelstellingen van de EU.