Aquathermie: theorie en praktijk

Wat is aquathermie?

Aquathermie is de verzamelnaam voor de winning, opslag en distributie van warmte en koude uit oppervlaktewater; afvalwater en drinkwater. Aquathermie haalt energie uit water en is daarmee één van de alternatieven voor duurzame energie die goed past bij energieneutrale bebouwing. Zowel in nieuwbouw als in bestaande bouw. Daarnaast wordt deze techniek ook ingezet om bedrijfsprocessen te voorzien van warmte of koude.

Varianten

Er zijn drie vormen van aquathermie:

• •  Thermische energie uit oppervlaktewater (TEO). Bij TEO wordt warmte of koude uit het oppervlaktewater gehaald.
• •  Thermische energie uit afvalwater (TEA). Bij TEA gaat het om energiewinning uit de riolering, rioolgemalen, rioolpersleidingen en het effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties.
• •  Thermische energie uit drinkwater (TED). Bij TED wordt uit drinkwater warmte en koude gewonnen.

Bij alle drie de technieken wordt er warmte of koude gewonnen uit water. Het water wordt langs een warmtewisselaar geleid waarna het weer wordt geloosd. Omdat er in Nederland van nature veel oppervlaktewater in en rondom stedelijke gebieden aanwezig is, is TEO de techniek die het meest wordt toegepast en gerealiseerd. Daarom gaat de rest van het artikel over TEO. Hieronder wordt deze techniek nader toegelicht.

TEO

Bij TEO wordt de energie uit het oppervlaktewater gewonnen. Water wordt ingenomen uit het oppervlaktewater, gefiltreerd waarna het door de warmtewisselaar stroomt en vervolgens wordt teruggevoerd naar het oppervlaktewater. Deze techniek kan toegepast worden als rechtstreekse warmte- of koudelevering of als seizoensopslag voor een Koude-opslagsysteem (WKOsysteem). Hierbij is de toepassing van aquathermie vaak een onderdeel van een totaal installatieconcept. In de regel wordt aquathermie gekoppeld aan grondwatercircuits, een tussenmedium of rechtstreeks verdamperzijdig ingekoppeld op een warmtepompcentrale. Wanneer er een hogere temperatuur gevraagd wordt, bijvoorbeeld om woningen te verwarmen, dan kan met een collectieve of individuele warmtepomp de temperatuur verhoogd worden.

Inlaatconstructies

Bij de realisatie van een TEO-systeem is het van belang om de in- en uitlaat op de juiste wijze aan te brengen, zodat er geen thermische kortsluiting in het oppervlaktewater ontstaat. Er bestaat een grote diversiteit aan inlaatconstructies, waarbij onder andere rekening gehouden dient te worden met toegankelijkheid, waterdiepte en peilfluctuaties. Bij onderhoud van het systeem dienen de filterplaten van de warmtewisselaar en het filter van de inlaatkoker frequent gereinigd te worden. Daarnaast is de bereikbaarheid van alle onderdelen ook een belangrijk aandachtspunt. De verdere monitoring is afhankelijk van de vergunningseisen.

Bodemenergie

Nu gaan we in op de meest toegepaste vorm van TEO, namelijk TEO in combinatie met een bodemenergiesysteem. Met het TEO-systeem wordt er warmte of koude gewonnen uit het oppervlaktewater en deze wordt middels een bodemenergiesysteem ondergronds opgeslagen in de Warmte-Koude Opslag-bronnen (WKO-bronnen). Het bodemenergiesysteem dient hierbij als seizoensbuffer. De opgeslagen warmte of koude wordt dan in de winter voor verwarming en in de zomer voor koeling gebruikt van bijvoorbeeld woningen. Naast seizoensopslag wordt TEO, vergelijkbaar met een droge koeler, vaak ook ingezet als regeneratie voor de bodemenergiebalans. Het is namelijk wettelijk verplicht om te zorgen voor een goede energiebalans in de bodem.

Hydraulisch gescheiden

Het WKO-systeem en het TEO-systeem zijn hydraulisch van elkaar gescheiden, zodat het op zichzelf staande systemen zijn die afzonderlijk van elkaar kunnen functioneren. Het oppervlaktewater en het grondwater zijn van elkaar gescheiden middels een warmtewisselaar (TSA). Bovenaan de pagina is een schematische weergave van een TEO-systeem in combinatie met een WKO-systeem in zomerstand, als er warmte wordt geladen. In de winterstand is dit principe hetzelfde, echter dan omgekeerd.

Warmtepomp

Het grondwater in de warme bron van het bodemenergiesysteem dat in de zomer wordt aangevuld met warmte van het TEO-systeem, heeft in de winter nog niet de benodigde temperatuur voor warm tapwater en verwarming. Het grondwater in de bron heeft dan namelijk een temperatuur van zo’n 15-17ºC. Door gebruik te maken van verschillende soorten warmtepompen kan het water precies de temperatuur krijgen die nodig is voor ruimteverwarming en de productie van warm tapwater. Zo kan er water met een temperatuur van 70°C gemaakt worden voor slechter geïsoleerde woningen en water met een temperatuur van 50 °C gemaakt worden voor woningen waar al het nodige aan geïsoleerd is.

Potentie

Aquathermie is op veel plaatsen in Nederland toepasbaar. Vooral in binnenstedelijke gebieden blijkt de potentie van aquathermie erg groot. Volgens een studie van CE Delft uit 2018 kunnen we 40% van de warmtevraag in binnenstedelijke gebieden, in potentie, uit het omliggende water halen. Warmtewinning uit water is veel efficiënter dan uit lucht. De warmtecapaciteit van water is namelijk circa 3.500 x zo groot als die van lucht.

Ecologische voordelen

Bijkomend ecologisch voordeel van de techniek is dat door afkoeling van het oppervlaktewater in de zomer de kans op schadelijke bacteriën zoals blauwalg aanzienlijk verkleind wordt. Daarnaast kan het koel houden van water in de zomer een positief effect hebben op de hittestress in stedelijke gebieden.

Toekomst

Waarom is aquathermie dan toch nog relatief onbekend? Aquathermie wordt nog beperkt toegepast, omdat de techniek nog onbekend is en we in de leercurve zitten. Er is nog geen helder juridisch kader voor vergunningverlening. En dat brengt uitdagingen met zich mee.

Door onze klimaatdoelstellingen en de grote potentie van aquathermie zullen we er uiteindelijk niet omheen kunnen om deze bron van warmte en koude te gaan gebruiken. Om deze bron grootschalig te kunnen gaan toepassen, is meer kennisontwikkeling voor verdere standaardisatie en kwaliteitsborging nodig. Het netwerk aquathermie (NAT), Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en onderzoeksprogramma WarmingUp zetten hier stappen in. Een impuls van de overheid zou hierin niet misstaan.

Praktijkvoorbeeld

Het voormalige terrein van De Mariastichting in Haarlem Zuid, tot 2004 het Spaarne Ziekenhuis, is opnieuw ingericht. Deze locatie heeft nu een woon- en kantoorfunctie. Als energievoorziening voor de gebouwen is in 2008 een WKO-systeem gerealiseerd bestaande uit één doublet.

 

Het project kent echter een grotere warmte- dan koudevraag. Om de verplichte bodemzijdige energiebalans te kunnen handhaven, wordt er ingezet op het regenereren van warmte via een TEO-systeem vanuit de rivier de Spaarne. Het TEO-systeem functioneert inmiddels 6 jaar. De jaarlijkse energieopbrengst in de zomerperiode is maximaal 700 MWht/jaar. Tijdens de zomerperiode (watertemperatuur boven 15 °C) zal met een debiet van 50 m3/h maximaal 130.000 m3 aan oppervlaktewater worden onttrokken. Tegelijkertijd wordt grondwater onttrokken aan de koude grondwaterbron en ook naar de technische ruimte getransporteerd.

Middels een warmtewisselaar staat het oppervlaktewater warmte af (dT rond de 6 °C) aan het grondwater dat ook door dezelfde warmtewisselaar loopt. In de warmtewisselaar blijft het oppervlaktewater gescheiden van het grondwater. Het afgekoelde oppervlaktewater (circa 9°C of hoger, afhankelijk van de oppervlaktewatertemperatuur) wordt vervolgens via de transportleidingen weer op het oppervlaktewater geloosd. Het opgewarmde grondwater wordt via de bestaande warme grondwaterbron in de bodem geïnfiltreerd. Aan het oppervlaktewater worden geen stoffen toegevoegd (om bijvoorbeeld leidingen te reinigen).

Voor de meeste aquathermiesystemen is de grootste uitdaging de in- en uitlaat op de juiste manier te positioneren en in te passen. De in- en uitlaat moeten dusdanig ver uit elkaar staan, dat er geen thermische kortsluiting kan plaatsvinden. Bij de Mariastichting is gekozen voor een inlaatconstructie onder een steiger. Op deze manier is het systeem uit het zicht en beschermd. Het systeem veroorzaakt geen geluidsbelasting.

Voor de uitlaatconstructie is de lozingsleiding van het TEO-systeem aangesloten op een hemelwaterafvoer die uitmondt in de Spaarne. De lozingsleiding is aan de binnenzijde van de kade op de hemelwaterafvoer aangesloten. De pompput ligt in de directe nabijheid van het inlaatwerk. Hierin is onder andere de innamepomp, het hoofdfilter en de TSA geplaatst. Voor de technische ruimte is een kelder ingegraven op het buitenterrein.

 

Auteurs: Jorrit Reukers & Toke van den Hemel, IF Technology