Het onbenutte vermogen van aquathermie

Aquathermie, het winnen van warmte uit water, kan een belangrijke rol spelen bij de energietransitie. Maar vooralsnog is het gebruik ervan beperkt. Dat moet en kan anders, zeggen experts. In oppervlaktewater, afvalwater en drinkwater zit voldoende thermische energie. Een verhaal over de warmtewintechnieken TEO, TEA en hun kleine broertje TED.Wie een duik neemt in een Fries meer of de Noordzee zou het misschien niet meteen zeggen, maar het oppervlaktewater van Nederland bevat een gigantische hoeveelheid warmte. In een tijd waarin de uitstoot van CO2 drastisch naar beneden moet, energie als politiek wapen geldt en Nederland verwoede pogingen doet zijn huizen van het aardgas af te krijgen, is die energie uit sloten, plompen, meren en de zee een welkome aanvulling op andere bronnen. Dat thermische energie zoden aan de dijk kan zetten, bleek al in 2018 uit berekeningen van onderzoeksinstituut Deltares en milieuadviesbureau CE Delft: thermische energie uit oppervlaktewater (vaak afgekort als TEO) kan Nederland maar liefst 150 petajoule per jaar aan energie opleveren, ruim 40 procent van de warmtebehoefte in de gebouwde omgeving.Koelkast‘Met water heb je een energiebron die in Nederland overal voorradig is en geschikt is voor lagetemperatuurwarmte in de winter en koude in de zomer’, zegt Andy van den Dobbelsteen, hoogleraar klimaatontwerp & duurzaamheid en coördinator duurzaamheid bij de TU Delft. ‘Daarnaast heeft het Nederlandse deltagebied een bodem met lagen van zand, klei en veen. Dat maakt de afwisselende opslag van die warmte en koude in de ondergrond mogelijk. TEO is ideaal voor de nodige energietransitie.’Het oogsten van energie uit water is geen probleem: dat kan met warmtewisselaars (zie kader Warmtewinning). De werking daarvan is vergelijkbaar met die van een koelkast, vertelt Michiel Fremouw, onderzoeker energietransitie in de gebouwde omgeving bij de faculteit bouwkunde van de TU Delft. ‘Maar dan met water in plaats van lucht.’ Dat maakt het efficiënter, want de warmtegeleidingscoëfficient van water is vele malen hoger dan die van lucht. Fremouw: ‘Daarom warm je ook heel snel op van een heet bad en koel je snel af als je in een koud zwembad springt.’Winning van waterwarmte – aquathermie genoemd – gebeurt dan ook al op meer dan honderd plekken in Nederland. Voor nog eens zo’n honderdvijftig locaties zijn er plannen in verschillende stadia van ontwikkeling. Maar de potentie is een stuk hoger dan deze projecten vertegenwoordigen, zegt Fremouw. Daarom werkt hij mee aan het internationale project Waterwarmth, dat als doel heeft aquathermie op te schalen. Het project focust op de regio Noordwest-Europa, die loopt van Zweden tot Normandië. ‘We testen eerst op kleine schaal, wat het oplevert en of het ecosysteem in het water wordt beïnvloedt. Zijn er onverwachte problemen waar we tegenaanlopen? Dat is waar het om draait’, zegt Fremouw.WarmtewinningEen warmtewisselaar is een buizensysteem waar een vloeistof doorheen stroomt die makkelijk warmte opneemt en afstaat. Dat is doorgaans water met een antivriesmiddel erin, meestal glycol. Wanneer oppervlaktewater langs een buis stroomt waarin een koudere vloeistof zit, dan verplaatst de warmte zich daarheen. Zo kan het antivriesmiddel warmte opnemen – ook uit relatief koud oppervlaktewater. Vervolgens levert het die warmte af op de plek waar het nodig is, meestal aan water dat wordt gebruikt voor de verwarming van een gebouw.Dat water moet dan wel eerst met een warmtepomp extra worden verhit om het op de benodigde temperatuur te brengen: systemen die aan TEO genoeg hebben zijn schaars. Zelfs in de herfst, als de temperatuur van het oppervlaktewater dankzij de zomer op zijn hoogst is en het in huis nog niet heel koud, komt het slechts een enkele keer voor dat de warmtewisselaar het alleen afkan.Thermische energiewinning uit oppervlaktewater gebeurt zowel met open als met gesloten systemen. Bij open systemen bevindt de warmtewisselaar zich in het water of op het land en wordt het water over de warmtewisselaar heen gepompt. Vaak zit er dan een filter voor de warmtewisselaar om te voorkomen dat er kleine beestjes in terechtkomen. Bij gesloten systemen hangt de warmtewisselaar gewoon in het water. ‘Het voordeel van een gesloten systeem is dat er minder verstoring optreedt’, vertelt Fremouw. ‘Je hebt dan geen last van beestjes of vervuiling in het water. Het voordeel van een open systeem dat je steeds vers water hebt, dat nog niet is afgekoeld.’Bij een open systeem (rechts) wordt het water naar een warmtewisselaar getransporteerd, en stroomt het weer terug als de warmte eruit is gewonnen. Beeld: Expertisebureau ExtraqtVerstoring ecosystemenEén van de redenen dat mensen soms huiverig zijn voor aquathermie, is dat ze niet weten wat het effect zal zijn op het ecosysteem en de biodiversiteit in het water. Daarom legt het team van Waterwarmth nu vijf aquathermieprojecten aan in vijf verschillende landen, waar het deze invloed gaat meten. Eén van die projecten bevindt op de campus van de TU Delft, bij het sociale leerwerkbedrijf in de catering Firma Van Buiten. ‘We gaan het gebouw met aquathermie verwarmen en halen de warmte daarvoor uit een vrij ondiepe poel achter het gebouw’, zegt Fremouw. ‘Volgens modelsimulaties die we hebben gedaan, valt het effect van aquathermie op de temperatuur in een waterlichaam reuze mee. Dit soort experimenten moeten aantonen of dat klopt.’Als het wél effect heeft, kan dat ook een voordeel zijn, voegt Van den Dobbelsteen daaraan toe. ‘Het winnen van warmte koelt het oppervlaktewater af en dat draagt bij aan een verbetering van de waterkwaliteit. In de afgelopen eeuw hebben we datzelfde water immers opgewarmd, zowel met de klimaatverandering als met allerlei warmtelozingen uit industrie, landbouw en woonomgeving. De temperatuur van het oppervlaktewater is al zo’n drie graden hoger dan in de negentiende eeuw. Enige afkoeling kunnen we best gebruiken.’Dat wordt natuurlijk anders als het water wordt ingezet om te koelen, benadrukt Van den Dobbelsteen. ‘Dan komt de warmte uit gebouwen uiteindelijk in het oppervlaktewater terecht, wordt dat nóg warmer en krijgen we meer last van algen, bacteriën, ziektekiemen en uitheemse soorten.’ De warmte die in de zomer aan gebouwen wordt onttrokken, kunnen we volgens hem dan ook beter in de bodem bewaren voor de winter dan afvoeren naar het oppervlaktewater. Bij een gesloten systeem bevindt de warmtewisselaar zich in het waterlichaam en wordt de warmte naar de warmtepomp getransporteerd. Beeld: Expertisebureau ExtraqtFinanciële risico'sSoms zijn het ook de kosten of de financiële risico’s, die aquathermieprojecten belemmeren. De aanlegkosten zijn vaak hoog, vooral als er een warmtenet moet worden aangelegd. De onbekendheid met de techniek en de onzekerheid over hoe betrouwbaar de prognoses over de opbrengst zijn, houdt garantstellers dan weg.Zo wilde het Friese dorp Heeg, onder het motto ús doarp, ús mar, ús kâns (ons dorp, ons meer, onze kans), het dorp verwarmen met water uit het Hegermeer. Warmte die ‘s zomers niet direct nodig is, zou 150 meter onder de grond worden opgeslagen om ’s winters te kunnen gebruiken. Het idee leeft nog, maar het project staat tijdelijk stil. Dit omdat de gemeente Súdwest Fryslân, waar Heeg onder valt, uiteindelijk niet garant wil staan voor de financiële risico’s.‘Ze twijfelden, maar vonden uiteindelijk dat het niet bij de kerntaken van een gemeente hoort’, zegt Fremouw. Toch ziet gedeputeerde Sijbe Knol van Friesland de toekomst van aquathermie in zijn provincie nog steeds zonnig in. ‘We hebben een paar succesprojecten nodig, dan gaat het balletje echt wel rollen’, zei hij afgelopen december tegen Omrop Fryslân.Voor geothermie bestaat een garantiefonds, daarmee kunnen bedrijven de financiële gevolgen van een misboring afdekken. ‘Zoiets helpt’, zegt Fremouw. Aan een dergelijk waarborgfonds voor warmtenetten wordt gewerkt. De verwachting is dat het er in de loop van 2026 komt.EnergiedamwandenEen speciale manier om aquathermie te bedrijven, is met de Energiedamwand: een stalen damwand die is voorzien van een warmtewisselaar. Hierbij zitten aan de landzijde stalen leidingen en slangen waar een water-glycolmengsel doorheen stroomt. Dat neemt de warmte op en geeft het af via een warmtepomp. Gemiddeld komt hiermee 80 procent van de energie die nodig is om een huis te verwarmen uit het water en soms ook de bodem, en 20 procent uit het elektriciteitsnet. In december 2021 selecteerde De Ingenieur deze uitvinding voor de lijst ‘Het beste van 2022 – de innovaties waar we zeker meer van gaan horen’.Een nieuwe Energiedamwand kan worden aangelegd met een ingebouwde warmtewisselaar, maar er is inmiddels ook een modulair systeem dat op bestaande damwanden kan worden bevestigd, vertelt civiel ingenieur Patrick Stoelhorst, managing director van Energiedamwand Nederland. Dat is handig, in Nederland staan honderden kilometers stalen damwanden als bescherming langs de oevers van vaarten, sloten en rivieren. ‘En veel van die geïnstalleerde damwanden zijn nog lang niet aan het eind van hun levensduur, zoals bijvoorbeeld langs het Amsterdam-Rijnkanaal en in de havens van Rotterdam en Amsterdam’, zegt Stoelhorst.Het idee voor Energiedamwanden ontstond vijftien jaar geleden bij het bedrijf SPS Energy in Duitsland en waaide vervolgens over naar Nederland. De eerste proeven begonnen in 2020 in buurtschap De Zweth, gelegen tussen Delft en Rotterdam. Daar bleek een damwand die langs drie tot vier meter van de kade liep voldoende om een moderne eengezinswoning te verwarmen: de opbrengst was ongeveer anderhalve kilowatt per strekkende meter. Daarna volgden Energiedamwanden in Leeuwarden en Enkhuizen. Inmiddels zijn ze door het heel Nederland te vinden.Aanleg van een modulaire energiedamwand bij Museumwerf Vreeswijk in Nieuwegein. Beeld: Energiedamwand NederlandVroege energiekeuzeZo heeft Energiedamwand Nederland een project met een modulaire damwand lopen bij een tiny house in The Green Village van de TU Delft, een proeftuin voor energie-innovaties. Stoelhorst: ‘Mensen die dat huis bezoeken, voelen de warmte die uit het water wordt gewonnen om zich heen. Dat is leuk en de belangstelling is groot.’ Het project wordt deels betaald uit een Europese subsidie die het bedrijf in 2023 kreeg uit het project Kansen voor West. Naast de opstelling in Delft zijn hiermee ook drie andere projecten opgezet. ‘We hebben destijds goed bruikbare data uit de pilot van De Zweth gehaald. Nu willen we ook op andere plekken in het land meten om meer diversiteit in de data te krijgen, en te kijken of ze overeenstemmen met de vooraf gemaakte berekeningen.’ Tot nu toe komt de praktijk inderdaad met de theorie overeen, zegt Stoelhorst.Een ander doel van de projecten is het vergroten van de bekendheid van de Energiedamwand, zodat er bij bouwbedrijven eerder aan deze optie wordt gedacht. ‘Vaak zijn wij namelijk te laat’, zegt Stoelhorst. ‘Het eerste wat men tegenwoordig doet bij een bouwproject, nog voor de bouwvergunning wordt aangevraagd, is de energievoorziening vastleggen. Dus zelfs als wij denken dat we heel vroeg bij een project betrokken zijn, blijkt de energiekeuze vaak al te zijn gemaakt, bijvoorbeeld door een contract met een datacenter of een afvalverwerkingsbedrijf. Het is dan heel moeilijk om dat nog te veranderen.’ Eén van de redenen dat de Energiedamwand vaak niet die eerste keuze is, is de onbekendheid ervan. Daar proberen Stoelhorst en zijn collega’s verandering in te brengen. ‘De toepassing met de damwand is nog nieuw. In theorie werkt het en nu laten ook de eerst praktijkvoorbeelden zien dat het gunstig uitpakt.’RiothermieBehalve uit oppervlaktewater kan warmte ook worden gewonnen uit afvalwater. Dan heet het geen TEO maar TEA (thermische energie uit afvalwater) en geen aquathermie maar riothermie. Het grootste voordeel van riothermie is dat rioolwater meestal veel warmer is dan oppervlaktewater, vooral vanwege het warme douche- en (af)waswater dat erin terechtkomt. Wel moet de eindtemperatuur van het rioolwater hierbij in de gaten worden gehouden, want de effectiviteit van biologische zuiveringstechnieken in de rioolwaterzuiveringsinstallatie (rwzi) waar het water vervolgens heen gaat, neemt af naarmate het water kouder wordt.‘Van riothermie heb je twee hoofdsmaken’, zegt Fremouw. ‘Warmte uit grote rioolbuizen en warmte uit het effluent van een rwzi – dus uit het gezuiverde water.’ Aan rioolbuizen is geen gebrek. Het Nederlandse rioolnetwerk is meer dan honderdtwintigduizend kilometer lang.Bij het winnen van water uit grote rioolbuizen maakt men altijd gebruik van een gesloten systeem, waarbij de buizen van de warmtewisselaar zich in de rioolbuizen bevinden of er aan de buitenkant omheen zijn gewikkeld. Binnenkort krijgen 607 sociale huurwoningen in Amsterdam-Noord op deze manier warmte uit het riool, voor de verwarming en het tapwater. Dit is de eerste keer dat dit gebeurt in bestaande woningen en betreft een samenwerking tussen woonstichting Lieven de Key, Waternet en energiebedrijf Firan in opdracht van de gemeente Amsterdam. De temperatuur van het afvalwater dat gaat worden gebruikt, ligt in Amsterdam-Noord ongeveer tussen 10 graden Celsius in de winter en 20 graden Celsius in de zomer.Intussen onderzoekt gemeente Den Haag samen met het Hoogheemraadschap van Delfland of het mogelijk is om vanaf 2030 ongeveer twintigduizend woningen te verwarmen met thermische energie uit het rioolwater van afvalzuiveringsinstallatie Houtrust. Dit water van ongeveer 20 graden Celsius stroomt nu nog via de afvalwaterzuiveringsinstallatie naar de Noordzee.Het technisch potentieel van TEA ligt met 16 procent van de totale warmtevraag ongeveer 2,5 keer lager dan dat van TEO. En dan is er nog TED, het kleinste broertje van TEO en TEA, dat goed is voor maximaal 1 procent van de warmte- of koudevraag. TED staat voor thermische energie uit ‘drinkwater’. ‘Dat kan gezuiverd drinkwater zijn of ruwwater dat bijvoorbeeld van een rivier naar de duinen wordt getransporteerd om te infiltreren en uiteindelijk drinkwater te worden’, vertelt Fremouw. ‘Bloedbank Sanquin in Amsterdam haalt bijvoorbeeld warmte uit water dat van de Amstel naar de Waterleidingduinen stroomt.’ Dit gebeurt met een open systeem: van de pijp waar het ruwwater doorheen gaat is een aftakking gemaakt. Het voordeel van TED is dat de stroomsnelheid van ruw drinkwater hoog is en er rap nieuwe warmte wordt aangevoerd. AfkoelingDe stelling dat aquathermie een oneindige warmtebron is, durft Fremouw wel aan. Wel zit er een maximum aan de hoeveelheid warmte die in een bepaalde periode kan worden gewonnen. ‘Momenteel wordt onderzoek gedaan naar hoeveel warmte in bepaalde situaties duurzaam te onttrekken is’, zegt Fremouw. Het gaat daarbij om het evenwicht tussen de onttrokken warmte door de warmtewisselaars en de aan het oppervlaktewater toegevoegde warmte door de lucht erboven, de zonnestraling en de bodem. De uitkomst is afhankelijk van factoren als de diepte van het water, het temperatuurverschil tussen het water en de warmtewisselaar, en of het water stroomt of stilstaat.‘Wij meten bij onze damwanden het effect op de watertemperatuur’, vertelt Stoelhorst. ‘De invloed is nagenoeg verwaarloosbaar. Tot nu toe zien we dat natuurlijke variaties in de watertemperatuur, door een zonnige dag bijvoorbeeld, veel groter zijn dan het temperatuureffect van onze warmteonttrekking. Zelfs als we dichtbij de damwand zelf meten.’Als aquathermie écht grootschalig wordt ingezet, kan het oppervlaktewater wel kouder worden, zegt Fremouw. ‘Als Dordrecht de hele stad ermee gaat verwarmen, zal de potentie van TEO in Rotterdam daardoor iets omlaag gaan.’ De warmtebalans zal dan over de gemeentegrenzen heen moeten worden bekeken. Uiteindelijk is aquathermie daardoor een zaak van zowel waterschappen en provincies als Rijkswaterstaat en het rijk, denkt Fremouw. ‘Al vermoed ik dat het niet snel of zelfs nooit zal gebeuren dat de maximale capaciteit van een rivier wordt bereikt.’ ElfstedentochtEn dan de hamvraag – voor sommigen in ieder geval. Kan aquathermie de kans op een Elfstedentocht vergroten? Van den Dobbelsteen kiest voor de optimistische insteek: ‘Hoe kouder het water, hoe meer kans op ijs. Als we in Friesland, de provincie met een goed potentieel voor aquathermie, grootschalig inzetten op die bron, dan vergroot dat de kans op een Elfstedentocht. Zeker als we warmtewisselaars plaatsen op de mogelijk zwakke ijsplekken.’ Die hoop is vaker te horen van voorstanders van aquathermie. Maar hoeveel groter die kans is, dat blijft toch een beetje in het midden. Openingsbeeld: Robért Kroonen

Het onbenutte vermogen van aquathermie

Dit artikel lezen?

Meer artikelen