Toekenning NWO-subsidie voor opstellen proof-of-concept van bodemenergie-triplet

Efficiënter dan conventionele bodemenergie

Seizoensschommelingen in temperatuur zorgen ervoor dat we in Nederland onze gebouwen moeten koelen en verwarmen. In de zomer is sprake van een warmteoverschot, terwijl in de winter juist een warmtetekort optreedt. De energie die voor het koelen en verwarmen nodig is, kan significant omlaag door warmte en koude tijdelijk op te slaan. In Nederland gebeurt dit al veelvuldig met open bodemenergiesystemen (OBES), een toepassing die de afgelopen decennia sterk is gestegen. Als gevolg hiervan is in ons land al ruim 25 jaar praktijkervaring met deze bodemenergiesystemen opgedaan, waarvan er inmiddels zo’n 3.000 operationeel zijn.

Bij conventionele OBES is vooral de toepassing van koeling voordelig. Dit kan namelijk direct vanuit de koude grondwaterbron gebeuren. De Coëfficiënt of Performance ofwel COP – een kengetal om de verhouding tussen geleverde en gebruikte energie aan te geven – van deze manier van koelen kan oplopen tot wel 30. Dat is tien keer beter dan de prestatie van een koelmachine. Tijdens het koelen wordt echter maar een beperkte temperatuursprong in het grondwater gemaakt. Dit betekent dat wanneer een gebouw in de zomer tot ongeveer 20°C moet worden gekoeld, het grondwater niet verder kan worden opgewarmd dan circa 18°C. Deze opgeslagen warmte is onvoldoende om in de winter te gebruiken. Daarom is in aanvulling hierop een warmtepomp nodig, die de temperatuur opkrikt van 18°C naar 40-45°C. Warmtepompen kunnen die kleine temperatuursprong efficient bewerkstelligen waardoor dit efficiënter is dan verwarmen met een gasketel.

Ten opzichte van conventionele koelmachines en gasketels is de huidige toepassing van OBES dus al een flinke verbetering. Alleen gebruiken deze systemen nog steeds relatief veel energie, en hiervan neemt de warmtepomp ongeveer 60% voor zijn rekening. Hiervoor bestaat een slim alternatief: het bodemenergie-tripletsysteem.

Figuur 1. Schematische weergave van een bodemenergie-tripletsysteem zonder warmtepomp [1]

Veelbelovende techniek

Tijdens verkennend onderzoek door KWR is achterhaald hoe goed een bodemenergie-tripletsysteem[ML1]  kan presteren in energiebesparing. Voor een fictief kantoorgebouw van 50.000 m2 bruto vloeroppervlak is een vergelijking gemaakt van de totale kosten (total costs of ownership, TCO ) voor een gasketel en koelmachine, een conventioneel OBES en een bodemenergie-tripletsysteem. Dit gebeurde op basis van vijf jaar klimaatdata voor de Bilt (2011-2015). Ook is het energieverbruik van de circulatie-/bronpompen in de berekeningen meegenomen. Op basis van de benodigde energievraag is vastgesteld hoeveel droge koelers en zonnecollectoren nodig zijn om de benodigde warmte en koude te kunnen invangen en opslaan, en welke investering daarmee gemoeid is.

De resultaten laten zien dat een tripletsysteem qua businesscase vergelijkbaar is met een OBES, maar dat het primaire energiegebruik en dus de emissies lager zijn. Voor de exploitatiekosten is naast de energiekosten voor onderhoud uitgegaan van 5 procent van de investeringskosten per jaar. Er is in totaal circa 2.000 m2 aan zonnepanelen nodig, en het vermogen van de droge koeler die nodig is om voldoende koude te kunnen invangen moet ruim 1 MW zijn. Al met al lijkt het een veelbelovende techniek.

Figuur 2. Totaal energieverbruik, CO2-emissies en pompdebieten voor conventionele energievoorziening (fossiel), conventioneel OBES (doublet, met warmtepomp) en een bodemenergie-tripletsysteem (zonder warmtepomp) [2]

Haalbaarheidsstudie

Om de haalbaarheid van het bodemenergie-tripletsysteem nader te kunnen uitwerken, heeft NWO een subsidie toegekend voor een proof-of-concept. Hierin worden de volgende aspecten onderzocht:

• Nader onderzoek naar de energiebalans van het systeem om op gedetailleerd niveau kennis op te doen over temperatuurtrajecten in het gebouw, schakelschema’s tussen de bronnen en systeemcomponenten.
• Onderzoek naar het optimaliseren van de onttrekkingstemperatuur uit de warme bron door slimme plaatsing van bronnen of gestratificeerd winnen en onttrekken. Tevens een verkenning van de schaalgrootte (type en grootte van gebouwen) waarbij het bodemenergie-tripletsysteem vooral goed zal werken. Hoge temperatuur opslag in de bodem is nog geen bewezen techniek; zeker bij temperaturen hoger dan 45°C liggen uitdagingen ten aanzien van recovery efficiëntie.

Het project wordt uitgevoerd door TU Delft en TU Eindhoven, met bijdragen door het kennisplatform bodemenergie, Kropman, Royal HaskoningDHV en KWR.