Q&A Aquathermie en Thermische Energie uit Drinkwater (TED)

Laatst bijgewerkt op: 5 januari 2022

1. Wat is Aquathermie?

Aquathermie is de verzamelnaam voor thermische energie die uit waterbronnen (terug)gewonnen kan worden voor het leveren van warmte en/of koelcapaciteit aan bedrijven of huishoudens. Er is onderscheid gemaakt tussen thermische energie uit oppervlaktewater (TEO), uit afvalwater (TEA) en uit drinkwater (TED). Elke categorie is nader onder te verdelen in verschillende typen bronnen. Binnen TED kan bijvoorbeeld onderscheid gemaakt worden tussen ruw water en rein water[1].

Aquathermie is een ‘zeer lagetemperatuurwarmtebron’ (10-30 °C)[2]. Dit betekent dat er een warmtepomp nodig is om deze warmte op een bruikbare temperatuur te brengen voor (ruimte)verwarming[3]. De benodigde temperatuur is afhankelijk van de mate van isolatie (energielabel) van het te verwarmen gebouw.

Door Aquathermie toe te passen in combinatie met seizoensopslag in de bodem (OBES[4]), kan warmte, gewonnen in de zomer, in de winter worden ingezet als vervanging voor fossiele energiebronnen. 

2. Hoe kan een drinkwaterbedrijf warmte of koelcapaciteit leveren?

Om de mogelijkheden van TED goed te begrijpen, is het allereerst van belang om de temperatuur van het drinkwater in het leidingnet te begrijpen. De temperatuur van het drinkwater is tijdens het transport in het drinkwaterleidingnet niet constant. Uit onderzoek is gebleken dat het drinkwater de bodemtemperatuur aangenomen heeft wanneer het de klant bereikt[5]. Dit komt door de warmte-uitwisseling met de bodem tijdens het verblijf van het water in het drinkwaterleidingnet. De invloed van de bodem op de drinkwatertemperatuur is het kleinst in grote transportleidingen en het grootst in de kleinere leidingen in het distributienet. Afhankelijk van de bron (grondwater, oppervlaktewater) en het seizoen warmt het drinkwater dus op of koelt het af gedurende het transport van bron naar klant.

Vanuit het perspectief van warmtelevering betekent dit dat het drinkwaterleidingnet in de zomer functioneert als een ‘collector voor bodemenergie’.

Een drinkwaterbedrijf kan uitsluitend warmte of koelcapaciteit beschikbaar stellen zolang dat niet ten nadele is van de primaire taak (drinkwaterlevering). Warmte of koeling kan in de praktijk geleverd worden door een deel van de volumestroom in een leiding door een warmtewisselaar[6] te leiden en na warmte-uitwisseling weer te mengen met de rest van het water in de leiding[7]. Bij warmtewinning uit drinkwater neemt de temperatuur van het drinkwater af. Bij koeling door drinkwater neemt de temperatuur van het drinkwater toe.

3. Is TED veilig voor de waterkwaliteit?

Ja; uit onderzoek blijkt dat de huidige toepassing van TED geen negatieve gevolgen heeft voor de drinkwaterkwaliteit[8]. Integendeel; in geval van onttrekking van warmte kan sprake zijn van een voordeel voor de waterkwaliteit, omdat microbiologische processen in het drinkwater hierdoor tijdelijk vertragen. Wel zijn er aandachtspunten te noemen. Deze zijn benoemd onder vraag 7.

Effecten van TED moeten altijd in de lokale context worden geplaatst. In de ene situatie kan het koelen met drinkwater, waardoor het drinkwater opwarmt, ongewenst zijn (bijvoorbeeld in de zomer in het distributienet) terwijl dit in een andere situatie geen probleem is.

Voor alle TED-systemen die eerder in BTO- en TKI-projecten onderzocht zijn (zie voetnoot nr. 7) geldt dat de uitgaande temperatuur (na menging in de drinkwaterleiding) niet boven 15 °C kwam[9]. Binnen het WarmingUP-onderzoeksprogramma[10] doet KWR onderzoek naar mogelijke effecten van TED bij hogere temperaturen[11]. De resultaten van dit onderzoek worden in 2022 verwacht.

4. Kan TED ook ingezet worden voor het leveren van koelcapaciteit?

Ja; afhankelijk van de situatie kan TED een bron zijn van duurzame koude. Voorbeelden hiervan zijn het bestaande TED-systeem bij Sanquin in Amsterdam (Waternet)[12] en het TED-systeem voor koudelevering aan winkelcentrum The Mall of the Netherlands (Dunea)[13]. Bij beide systemen wordt in het winterseizoen ‘koude gewonnen’ en opgeslagen in een WKO-installatie voor koeling in de zomer.

5. Is het potentieel van TED daadwerkelijk interessant voor de warmtetransitie?

Ja, hoewel het mogelijke aanbod van warmte of koelcapaciteit uit TED sterk varieert per locatie. Het potentieel wordt met name bepaald door de volumestroom op een locatie en het temperatuurverschil[14] dat toegepast kan worden. Op de openbaar beschikbare Aquathermieviewer is een kaart beschikbaar waar het potentieel van TED per buurt is weergegeven.

Een goed uitgangspunt is dat grotere (transport)leidingen altijd interessant zijn voor toepassing van TED als er een afnemer in de buurt is. Maar ook distributieleidingen kunnen interessant zijn wanneer er voldoende[15] drinkwater doorheen stroomt. Omdat het drinkwater in distributieleidingen in de zomer doorgaans verder opwarmt dan in transportleidingen, is bij distributieleidingen doorgaans wel een groter temperatuurverschil beschikbaar dan bij transportleidingen.

6. Kan TED ingezet worden als oplossing voor ongewenste opwarming van drinkwater in de zomer?

Nee. Lokaal kan er door warmteonttrekking via TED in de zomer een positief effect zijn op de kwaliteit van het drinkwater[16]. Dit is echter een lokaal en tijdelijk effect, omdat het water door de warmere bodem weer opwarmt voordat het de klant bereikt. TED is dus geen systematische “bron-tot-kraan-oplossing” voor ongewenste opwarming van drinkwater door klimaatverandering of bronnen die veel warmte afgeven aan de bodem[17], zoals (hoge- of middentemperatuur) warmtenetten.

7. Welke technische randvoorwaarden gelden voor TED?

Bij de ontwikkeling en toepassing van TED gelden de volgende aandachtspunten:

• Om de drinkwaterkwaliteit te garanderen is toepassing nodig van een dubbelwandige platenwarmtewisselaar in combinatie met een hogere druk aan de drinkwaterzijde ten opzichte van het secundaire circuit (zijde van warmte-afname). Verder mag de (nieuwe) temperatuur van het drinkwater geen negatieve invloed hebben op de drinkwaterkwaliteit[18], dat wil zeggen dat na inzet van TED nog steeds voldaan wordt aan de eisen voor drinkwaterkwaliteit uit het Drinkwaterbesluit.
• Toepassing van materialen en chemicaliën. Alle materialen die toegepast worden in de TED-installatie en waarvoor geldt dat deze in contact (kunnen) komen met drinkwater moeten zijn voorzien van een door de wetgever erkende kwaliteitsverklaring[19].
  Voor alle reinigings- en desinfectiemiddelen die gebruikt worden om het primaire deel van de TED-installatie te reinigen en te desinfecteren geldt dat deze voorzien moeten zijn van een certificaat[20].
• Monitoring. Een TED-installatie dient op verschillende punten boven- en benedenstrooms van de warmtewisselaar gemonitord te worden op temperatuur-, druk- en volumestroommetingen.
• Er moet binnen het drinkwaterbedrijf voldoende kennis zijn over de werking en aansturing van TED-systemen, ook wanneer de warmtelevering in handen is van een derde partij.

Binnen het WarmingUP-onderzoeksprogramma is de rapportage ‘Aquathermie configuraties’ opgesteld, waarin ook een hoofdstuk over TED opgenomen is. Deze rapportage is hier te downloaden.

8. Hoe is TED tot nu toe ingezet?

Er zijn op moment van schrijven van deze Q&A zijn er 12 werkende TED-systemen in Nederland. Daarnaast zijn enkele systemen in voorbereidings- of realisatiefase. De systemen hebben een aantal overeenkomstige kenmerken, maar er zijn ook verschillen te benoemen:

Overeenkomsten:

• Alle huidige TED-systemen maken gebruik van platenwarmtewisselaars voor uitwisseling van thermische energie met het drinkwater en zijn in de basis dus vergelijkbaar wat betreft het technisch ontwerp.
• Temperatuurverandering. Voor alle huidige systemen geldt dat de netto temperatuurverandering in de benedenstroomse drinkwaterleiding[21] na het passeren van de TED-installatie beperkt is, maximaal ongeveer 2 °C.

Verschillen:

• Warmte of koeling. De meeste systemen leveren alleen koelcapaciteit of alleen warmte. Er zijn ook enkele systemen die beide kunnen leveren.
• De meeste systemen leveren warmte of koelcapaciteit aan utiliteitsbouw zoals kantoren of bedrijven. Enkele systemen leveren warmte of koelcapaciteit aan huishoudens.
• Capaciteit. Er zijn grote verschillen in de omvang van de bestaande TED-installaties. Het thermisch vermogen varieert tussen ongeveer 45 kW voor de kleinste installatie tot ongeveer 2.500 kW voor de grootste installatie.
• Seizoensopslag. Enkele systemen maken gebruik van seizoensopslag om warmte in de zomer of koude in de winter te kunnen onttrekken en respectievelijk in de winter en zomer te kunnen inzetten.

De daadwerkelijke realisatie van een TED-systeem is altijd maatwerk en is afhankelijk van de lokale omstandigheden van zowel vraag (klant) als aanbod van warmte of koelcapaciteit (drinkwater).

9. Leidt warmtewinning door TED merkbaar tot extra kosten voor warmtapwater bij de drinkwaterklant?

Nee; uit onderzoek[22] is gebleken dat bij een netto[23] temperatuurverlaging van 1-2 °C in de drinkwaterleiding eventuele extra stookkosten bij benedenstroomse klanten verwaarloosbaar zijn (maximaal enkele euro’s per jaar). Voor het grootste deel van de benedenstroomse klanten geldt dat er in het geheel geen sprake is van een meetbare temperatuurverandering omdat de bodem rondom de drinkwaterleidingen de temperatuurverandering neutraliseert, voordat het drinkwater de klant bereikt[24]. Dit effect is afhankelijk van de reistijd van het water tussen het TED-systeem en de klant. Eventueel meetbare effecten van TED moeten in verhouding gezien worden tot de natuurlijke variatie in temperatuur waarmee het drinkwater bij de klant aankomt. Deze variatie ontstaat door de wisseling van de seizoenen; in de nazomer is het water warmer dan in het voorjaar. De eventueel resterende temperatuurverandering als gevolg van TED bij de klant is klein en staat in geen verhouding tot deze natuurlijke variatie van de drinkwatertemperatuur gedurende het jaar.

10. Leidt warmtewinning door TED tot extra CO₂-uitstoot elders?

Mogelijk, hoewel dit sterk afhankelijk is van de locatie van het TED-systeem. Op niveau van de drinkwaterklant geldt, analoog aan het antwoord over eventuele extra kosten (vraag 9), dat de extra CO₂-uitstoot per klant marginaal is. Op systeemniveau geldt dat de uiteindelijke CO₂-besparing van een TED-systeem ruim opweegt tegen de eventuele totale extra CO_2­-uitstoot benedenstrooms van dat systeem[22].

Om er zeker van te zijn dat de CO₂-besparing opweegt tegen eventuele extra CO₂-uitstoot wordt aanbevolen om in het voorontwerp van een TED-systeem op dit criterium te toetsen.

11. Kan TED toegepast worden zonder gebruik te maken van seizoensopslag van warmte?

Ja, TED kan ook zonder toepassing van seizoensopslag van warmte (OBES[25]) plaatsvinden. Dit heeft in de meeste gevallen echter wel gevolgen voor het potentiële aanbod van warmte of koelcapaciteit. Zonder toepassing van seizoensopslag zal het potentieel van TED doorgaans lager zijn. In de winter kan er nu eenmaal meer koelcapaciteit geleverd worden en in de zomer meer warmte, terwijl voor de vraag naar warmte en koeling het omgekeerde patroon geldt. Toepassing van TED zonder seizoensopslag heeft wel voordelen voor de businesscase; er hoeven in dat geval geen bronnen voor de OBES-installatie te worden geboord. Verder is het zo dat niet overal geboord mag worden, in bijvoorbeeld boringsvrije zones of grondwaterwingebieden is het niet toegestaan om een OBES aan te leggen.

Vanuit het perspectief van seizoensopslag van warmte (OBES) is Aquathermie een interessante en duurzame bron voor ‘regeneratie’. Voor OBES-systemen geldt dat ze in balans moeten zijn. Dat betekent dat er (over een bepaalde periode) evenveel warmte onttrokken wordt aan de bodem als dat er toegevoegd wordt. Voor de meeste gebouwen geldt dat de vraag naar koeling in de zomer niet exact gelijk is aan de vraag naar warmte in de winter. Daarom heeft een OBES een zogenaamde ‘regeneratievoorziening’ nodig om thermisch in balans te blijven. TED heeft daarbij ten opzichte van TEO het voordeel dat de infrastructuur (drinkwaterleidingnet) er al ligt. Voor TED in bebouwd gebied geldt daarom dat kostbare aanleg van warmte-infrastructuur maar beperkt nodig is; er hoeft slechts een “bypass” van enkele tientallen meters gemaakt te worden aan de drinkwaterleiding die toch al in de straat aanwezig is.

De combinatie ‘TED-OBES’ is dus interessant vanuit zowel het perspectief van TED (potentieel) alsook vanuit het perspectief van OBES (duurzame bron voor regeneratie ‘naast de deur’). Door Dunea Warmte en Koude, Waternet en KWR zijn in de afgelopen jaren kosten-batenanalyses uitgevoerd vanuit het perspectief van de volledige levensduur (Total Cost of Ownership; TCO). Deze laten zien dat regeneratie met TED op langere termijn goedkoper is dan bijvoorbeeld de inzet van droge koelers.

Wanneer TED toegepast wordt zonder OBES is een dagbuffer nog steeds noodzakelijk. Dit komt omdat de volumestroom in een drinkwaterleiding sterk fluctueert over de dag als gevolg van de fluctuatie van de drinkwatervraag (specifieke transportleidingen uitgezonderd). Hierdoor kent het aanbod van warmte of koelcapaciteit vanuit TED een zeer sterke dynamiek.

Voetnoten

• [1] Zie voor een algemene inleiding op drinkwaterinfrastructuur en TED het rapport ‘Berekening potentieel TED; uitgangspunten en achtergronden’
• [2] Over kwalificaties zoals ‘hoge’, ‘middel’ en ‘lage’ temperatuur is vaak discussie. Hier is het temperatuurbereik aangehouden uit de brochure ‘Warmtenetten Ontrafeld’ van TKI Urban Energy;
• [3] Ergo, Aquathermie is dus pas volledig duurzaam wanneer de warmtepomp aangedreven wordt met groene stroom.
• [4] Open BodemEnergieSysteem, ook wel ‘WKO’ genoemd.
• [5] Blokker, E.J.M. et al. (2017), Drinkwatertemperatuur, bedreigingen en kansen, TVVL Magazine 46 (2017), pagina 16-18, KWR, Nieuwegein.
• [6] Ook wel ‘tegenstroomapparaat’ of ‘TSA’ genoemd.
• [7] Technisch zijn er ook andere mogelijkheden voor warmtewisseling denkbaar, waarbij het drinkwater zelf niet in contact komt met de warmtewisselaar, zoals een zogenaamde ‘wikkelbuis’. Deze methoden worden op dit moment in praktijk echter niet toegepast en hebben nadelen voor (1) toegankelijkheid van de waterleiding bij een leidingbreuk (conflict primair en secundaire taak) en (2) de efficiëntie van warmte-uitwisseling; deze is veel lager bij wikkelbuizen dan bij toepassing van platenwarmtewisselaars. Verder kan bij wikkelbuizen de discussie gevoerd worden in hoeverre er daadwerkelijk sprake is van Aquathermie.
• [8] Bloemendal, Van Bel, N. et al. (2018), Verdieping Warmte en Koude uit Drinkwater, Rapport nr. BTO 2017.072, KWR, Nieuwegein.
• Moerman, A. et al. (2019), Aquathermie in Tilburg: warmte en koude uit drinkwater; Evaluatie TED-installatie bij Fontys Hogeschool, Rapport nr. KWR 2019.021, KWR, Nieuwegein.
• Ahmad, J.I. et al. (2020), Effects of cold recovery technology on the microbial drinking water quality in unchlorinated distribution systems Environmental Research, Volume 183, 109175.
• [9] Dit betrof de temperatuur in de bypass die de warmtewisselaar van de TED-installatie met het leidingnet verbindt. De temperatuur van het drinkwater uitgaande de warmtewisselaar en na menging met de hoofdstroom lag dus lager.
• [10] www.warmingup.info
• [11] https://www.kwrwater.nl/projecten/thermische-energie-uit-drinkwater-ted/
• [12] https://www.waternet.nl/nieuws/2017/juli/waternet-levert-kou-aan-bloedbank/
• [13] https://www.dunea.nl/algemeen/projecten-en-innovatie/mall-of-the-netherlands
• [14] Het daadwerkelijk toepasbare temperatuurverschil op een locatie wordt bepaald door de drinkwatertemperatuur ter plaatse en de karakteristieken van de potentiële afnemer.
• [15] Als vuistregel kan hier (op moment van opstellen van deze Q&A) ongeveer een gemiddelde volumestroom van 10 m³/h voor aangehouden worden (bij een gemiddeld dagverbruik).
• [16] Bloemendal, Van Bel, N. et al. (2018), Verdieping Warmte en Koude uit Drinkwater, Rapport nr. BTO 2017.072, KWR, Nieuwegein.
  Hierbij dient opgemerkt te worden dat (i) de toepassing van TED niet tot lagere temperaturen aan de kraan van de consument leidt, omdat door invloed van de bodem het drinkwater weer opwarmt voordat het de klant bereikt heeft.
• Moerman, A. et al. (2019), Aquathermie in Tilburg: warmte en koude uit drinkwater; Evaluatie TED-installatie bij Fontys Hogeschool, Rapport nr. KWR 2019.021, KWR, Nieuwegein.
• [17] https://www.kwrwater.nl/projecten/drinkwater-klimaatbestendig-nu-en-in-de-toekomst/
• [18] Dit punt vraagt in de praktijk om enige nuance om twee redenen: (1) er is nog geen wetenschappelijke onderbouwing naar effecten van TED in het temperatuurbereik 15 – 25 °C, dit onderzoek loopt, zie voetnoten 6 en 11 en (2) er is van nature al sprake van variatie in temperatuur waarmee het drinkwater bij de klant aankomt. De discussie rondom de opgelegde temperatuurverandering moet altijd in deze context gezien worden.
• [19] Meerkerk, J. (2017), PCD 3 Richtlijn drinkwaterleidingen buiten gebouwen; Ontwerp, aanleg en beheer (gebaseerd op NEN-EN 805:2000) (oktober 2020), Rapport nr. PCD 3:2020, KWR, Nieuwegein.
• [20] Zie voor een actueel overzicht van gecertificeerde chemicaliën en middelen: https://www.praktijkcodesdrinkwater.nl/certificatie/gecertificeerde-producten-en-processen/overzicht/
• [21] Dat wil zeggen; na menging tussen de deelstroom langs de warmtewisselaar en de hoofdstroom in de transport- of distributieleiding.
  De temperatuurverandering in de deelstroom kan dus hoger liggen, maar mag nooit hoger zijn dan 25 °C.
• [22] Moerman, A. et al. (2019), Aquathermie in Tilburg: warmte en koude uit drinkwater; Evaluatie TED-installatie bij Fontys Hogeschool, Rapport nr. KWR 2019.021, KWR, Nieuwegein.
  Blokker, E.J.M. et al. (2013), Thermal energy from drinking water and cost benefit analysis for an entire city. Journal of Water and Climate Change, 4(1): p. 11-16.
• [23] Dat wil zeggen: na menging van de deelstroom uit de warmtewisselaar met de hoofdstroom.
• [24] Vice versa is er dus ook geen kostenvoordeel voor de klant wanneer drinkwater opgewarmd wordt in het geval van koudewinning.
• [25] Open BodemEnergieSysteem, ook wel ‘WKO’ genoemd.