September 2024
Flexibel en schakelbaar energiegebruik met ondergrondse warmtebuffer
Geld verdienen met CO2-warmtepomp, e-boiler en warmtebuffer
Het is een leerzame en veelbelovende proeftuin geworden: het kantoorpand van engineersbureau Sparkling Projects op bedrijventerrein Ecofactorij in Apeldoorn. Bovenop een ondergrondse warmtebuffer van 60 kuub staan daar een industriële CO2-warmtepomp en een e-boiler opgesteld. Met de buffer speel je slim in op pieken en dalen in het energiegebruik en valt aardig geld te verdienen.
Bedrijventerrein Ecofactorij in Apeldoorn beschikt over een van de weinige gesloten distributiesystemen (GDS) in Nederland. Het stroomnetwerk is eigendom van de energiecoöperatie die gevormd wordt door de 25 bedrijven op het terrein, waaronder een vrieshuis, een betonfabriek en groothandels. Het terrein heeft één 20 MVA hoofdaansluiting bij Liander. Alles wat daarachter zit, is in handen van de coöperatie. De aansluiting is relatief ‘klein’. De smart grid-oplossing zorgt ervoor dat de bedrijven niet over het aansluitvermogen heen gaan en stroom onderling uitwisselen als dat nodig is. Help je de buurman die zijn elektrische vrachtwagens moet opladen door zelf je vriezers even af te schakelen of je batterij te legen, dan krijg je daar een vergoeding voor.
Batterijen, AI en digital twin
‘Er werd tot voor kort nog lacherig gedaan over het systeem, nu wordt het doodgeknuffeld’, zegt Steven Lobregt, eigenaar van Sparkling Projects. Zijn bedrijf adviseert de industrie over duurzame verwarmings- en koelingsoplossingen en is gehuisvest op de Ecofactorij. Nu netcongestie een halt toeroept aan nieuwe en zwaardere aansluitingen, kijkt de markt plotseling met andere ogen naar het intelligente GDS van de Ecofactorij. Het feit dat de bedrijven een relatief kleine aansluiting hebben, over flexibel vermogen beschikken en daar zelf in kunnen schakelen, wekt veel interesse.
Met RVO-subsidie voor Missiegedreven Onderzoek, Ontwikkeling en Innovatie (MOOI) ontwikkelen de coöperatie en projectpartners het smart grid nu verder door. Er worden batterijen en een op AI-gebaseerde sturingsregeling toegevoegd en een digital twin van het net gemaakt. Lobregt: ‘Daarmee willen we het stroomnetwerk optimaliseren en het vermogen verder flexibiliseren. In plaats van één grote batterij van 10 MW, zetten wij bij tien bedrijven een batterij van elk 600 kWh neer. Daarmee kunnen de bedrijven hun verbruik en de vrije ruimte op hun stroomaansluiting optimaal beheren en vlakken we het vraagpatroon op de hoofdaansluiting verder af.’
Drie-componenten-oplossing
Bij zijn eigen kantoorgebouw ging Lobregt nog een stap verder. Hij verving de pelletkachel voor een CO2-warmtepomp in combinatie met een e-boiler. En voegde daar ook een warmtebuffer aan toe: een geïsoleerde prefab betonnen ‘kelder’. De industriële drie-componenten-oplossing is wellicht wat ‘over the top’ voor het bescheiden kantoorgebouw van 600 m2, maar Lobregt ziet het met name als een proeftuin. Hij doet hier dan ook vooral kennis en ervaring mee op om het concept bij industriële klanten uit te kunnen rollen. De geïnstalleerde oplossing maakt dat Lobregt nog slimmer gebruik kan maken van het smart grid en de energiemarkten.
Warmtepompen die gebruik maken van CO2 in plaats van traditionele koudemiddelen, kunnen beter hoge watertemperaturen bereiken, ook bij lage buitentemperaturen. Daarmee zijn ze ideaal voor industriële processen. De 60 kW CO2-warmtepomp die bij Sparkling Projects staat, is uitgerust met een extra grote warmtewisselaar en is aangepast op het gebruik in het smart grid. Lobregt: ‘Wij willen de warmtepomp zo snel mogelijk kunnen laten schakelen, om optimaal mee te doen op de energiemarkten. Tennet meldt elk kwartier of er een tekort of overschot is op het hoofdspanningsnet. Als mijn warmtepomp een kwartier nodig heeft om in of uit te schakelen, kan ik daar niet op inspelen. Daarom hebben we extra ‘energie’PLC-besturing toegevoegd - één die de warmtepomp aanstuurt op basis van informatie uit sensoren en de energiemarkten – en gebruiken we in plaats van een inductiemotor, een permanente magneetmotor voor de aandrijving van de compressor. Het voordeel van dit type motor is dat die sneller kan schakelen zonder schade aan te richten aan de warmtepomp.’
Netcongestie voorkomen
In dezelfde machinekamer, naast de binnenunit van de warmtepomp, staat de 36 kW elektrische boiler. Er is bewust gekozen voor een standaard doorstroom-heater, omdat die het aansturen makkelijker maakt.
De e-boiler is door de korte op- en afregeltijden
(<10 seconde) snel inzetbaar. De warmtepomp en de e-boiler werken complementair aan elkaar. Het smart grid-systeem zorgt dat de CO2 -warmtepomp inschakelt als er sprake is van goedkope stroom. De e-boiler start op als er een negatieve stroomprijs is en als het bedrijf kan bijdragen aan het voorkomen van netcongestie op het hoofdnet.
In het gebouwtje naast het kantoor van Sparkling Projects staat de industriële CO2-warmtepomp en de e-boiler
Gelaagde temperatuuropbouw
Jochem Waverijn, student chemische technologie aan de Hogeschool Utrecht, studeert af bij Sparkling Projects (SP) op de gelaagde warmtebuffer. Hij legt de systeemwerking uit: ‘Koud water wordt onderuit de buffer opgenomen en in de machinekamer via een verdeelstation verdeeld over óf de e-boiler óf de warmtepomp. Ze kunnen nooit tegelijkertijd draaien. Zowel de warmtepomp als de e-boiler produceren 60 graden water, dat weer direct bovenin de goed geïsoleerde ondergrondse warmtebuffer wordt gepompt. De buffer heeft een gelaagde temperatuuropbouw: onderin is het ongeveer 25 graden, bovenin rond de 60. Waverijn: ‘Het warme water uit de bovenlaag gaat naar onze luchtbehandelingskast, de afgekoelde retourstroom gaat daarna naar de vloerverwarming om vervolgens terug te keren naar de ‘koude laag’ onderin de buffer. Omdat we de waterpomp het water geleidelijk aan terug laten voeren op basis van een ingebouwde temperatuurregeling, voorkomen we werveling in het water en houden we de gelaagdheid in stand. Door ongewenste menging kan je buffer naar een gemiddelde temperatuur van 40 graden gaan en dat is niet goed voor het rendement van de warmtepomp. Die presteert het beste bij opwarming van 20 naar 60 graden. Ook het constant aanvoeren van warm en koud water draagt bij aan het handhaven van de gelaagdheid.’
‘Verdienen maandelijks 200 tot 500 euro door te ‘spelen’ met e-boiler en batterij’
Voorspellende software
De buffer bevat 60 kuub water en kan vier dagen lang het kantoorgebouw verwarmen zonder dat de warmtepomp of e-boiler aan hoeft. Ook als het buiten -10 graden is. De voorspellende software en de regeling die de twee warmteopwekkers laat reageren op elkaar, zijn essentieel voor een optimale werking van het systeem, legt Lobregt uit. ‘Onze ‘energie’PLC leest af wat ons kantoor gebruikt van het net, naar welke stroomvragers dat gaat en hoe vol de batterij zit. Het smart grid-systeem geeft aan wanneer je het beste kunt schakelen op bijvoorbeeld de noodvermogenmarkt of de onbalansmarkt. We lezen alle data op secondebasis uit, werken met 24-uursvoorspellingen om posities in te kunnen nemen en accu’s te vullen en kijken vier uur vooruit voor de finetuning en de prijsontwikkeling op de energiemarkten. Op basis daarvan besluit het systeem om de e-boiler of de warmtepomp in te schakelen.’
Financieel aantrekkelijk
Al in de eerste maand dat het volledige systeem werkte, verdiende Sparkling Projects meer aan de onbalansmarkten dan dat het betaalde voor de ongeveer 6.000 kWh stroom die het bedrijf die maand verbruikte. ‘Door optimalisatie zal dat nog verder gaan toenemen. Zoals het er nu naar uit ziet gaan wij - als kleinverbruiker - maandelijks tussen de 200 en de 500 euro verdienen door te ‘spelen’ met de e-boiler en de batterij. Het concept is dus financieel heel aantrekkelijk voor industriële bedrijven met een hoge afhankelijkheid van stroom. Zeker bij nieuwe of zwaardere aansluitingen.’
Noodzaak flexibel vermogen blijft
Lobregt verwacht niet dat de noodzaak van flexibel vermogen ooit nog zal verdwijnen. Ook niet als we het net gaan verzwaren of omdat we de energie beter gaan sturen en verdelen met zijn allen. Dus zijn boodschap is: maak je energiegebruik flexibel en maak het schakelbaar, want alleen zo kan je slim inspelen op pieken en dalen, kosten drukken en als bedrijf scherp blijven concurreren in de markt. Een vrieshuis dat zijn vriezers 20 procent goedkoper kan laten draaien dan een concullega, heeft daarmee namelijk een immens concurrentievoordeel.’
Overschotten in boilers stoppen
Lobregt is er dan ook van overtuigd dat warmteaccu’s en flexibel sturen een grote vlucht gaan nemen. Bij de industrie, op bedrijventerreinen, maar ook bij woningen. ‘Mensen zullen steeds vaker boilers plaatsen met 1.000 of 2.000 liter buffers, daar hun eigen zonnestroomoverschotten in gaan stoppen en er een eigen sturing aan koppelen, of dat laten doen door het energiebedrijf. In een enkele situatie zal ons systeem niet kansrijk zijn, zoals bij datacenters, die continu stabiele warmte hebben van de servers, maar verder biedt het eigenlijk altijd voordelen.’
Stroomvuilnismannen
In de praktijk draait de e-boiler zo veel, dat de thermische buffer al snel na de start tot de nek aan toe vol zat en er niet meer gebufferd kon worden, zo zag Jochem Waverijn. ‘We moesten de buffer met de warmtepomp af gaan koelen om ruimte vrij te maken. Dat is natuurlijk niet de bedoeling. Sowieso is het idioot dat we de e-boiler zo veel ‘moeten’ gebruiken en daarmee verdienen aan het vernietigen van stroom. We noemen onszelf inmiddels gekscherend de ‘stroomvuilnismannen’. We halen stroom weg van het hoofdnet als daar teveel is en Tennet er geld op toegeeft om dat op te ruimen. Daar zijn we niet trots op. Het druist in tegen onze duurzame principes dat het nu vaak interessanter is om de e-boiler te laten draaien. Net als dat tuinders de verlichting aanzetten in een lege kas om overschotten op het net weg te halen. Maar zolang politici in Den Haag het probleem niet begrijpen en consumenten willen blijven verdienen aan de salderingsregeling, ontkomen we daar niet aan.’