Verwarmingstechnologieën om emissies te verminderen

• Het verminderen van emissies en het bereiken van netto nul voor verwarming is een complexe taak

• Mogelijkheden: doorgaan met het verbranden van brandstoffen of massa, maar deze moeten een duurzame oorsprong hebben …

• …of warmte absorberen van andere bronnen zoals de zon, de grond, de lucht, het water of restwarmte …

• …maar we kunnen ook hernieuwbare elektriciteit omzetten in warmte

• Er zijn dus verschillende opties, maar deze opties zijn op dit moment duurder dan het verbranden van fossiele brandstoffen

Inleiding:

Het leven op aarde is afhankelijk van warmte om te overleven. Op de ouderwetse manier wordt warmte opgewekt door iets te verbranden (een brandstof of een massa) om de lucht of een vloeistof die gecontroleerd kan bewegen te verhitten. Het verbranden van hout of gas is bijvoorbeeld de traditionele manier van verwarmen. Meer dan 70% van verwarming en koeling wordt opgewekt met fossiele brandstoffen. Om af te stappen van deze traditionele manier van verwarmen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, wordt het proces veel ingewikkelder. In deze notitie zoomen we in op alternatieve verwarmingstechnologieën om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. We leggen eerst uit wat warmte is en richten ons dan op de warmtebronnen en de technologieën.

Wat is warmte?

Warmte is de thermische energie die wordt overgedragen van het ene lichaam naar het andere als gevolg van een temperatuurverschil. Dus als twee lichamen met verschillende temperaturen samen worden gebracht, wordt energie overgedragen, d.w.z. warmte stroomt van het warmere naar het koudere lichaam. Dit gebeurt door geleiding, convectie en straling. Alle stoffen boven het absolute nulpunt hebben thermische energie, wat betekent dat de deeltjes erin op de een of andere manier bewegen. Als je daarentegen op een koude dag buiten zit, voel je je "koud" omdat de warmte die van de zon naar jou wordt overgedragen minder is dan de stralingswarmte die je afgeeft (samen met de convectieve warmteoverdracht die je afkoelt). De belangrijkste stralingswarmtebronnen in het huis zijn de warmte van de muren, het dak, de ramen en het lichaam. Convectie is de energie die wordt overgedragen door moleculaire beweging. Straling is de energie die wordt overgedragen door elektromagnetische golven en geleiding is de energie die wordt overgedragen door direct contact.

Warmtebronnen in een wereld zonder uitstoot

Iets blijven verbranden

Om de uitstoot voor het creëren van warmte te verminderen, kunnen fossiele brandstoffen worden vervangen door brandstoffen die minder of geen uitstoot veroorzaken. Voorbeelden hiervan zijn het verbranden van hout uit duurzaam beheerde bossen. Het verbranden van dit hout is koolstofneutraal, omdat de CO2-uitstoot die vrijkomt tijdens het verbranden gelijk is aan de CO2-uitstoot die geabsorbeerd is tijdens de groei van de bomen. Een ander voorbeeld is het gebruik van biogas, biomethaan of bio-LPG, maar de beschikbaarheid en/of productie van deze brandstoffen is te beperkt om het gebruik van fossiele brandstoffen te vervangen, dus dit is een grote uitdaging. Verbranding van brandstof zou de eenvoudigste oplossing zijn om warmte te creëren. Ketels en thermisch aangedreven warmtepompen gebruiken brandstof om warmte te creëren. Een boiler verhit een brandstof en brengt de warmte over op water. Het warme water wordt dan door het huis gepompt. In elektriciteitscentrales worden ketels gebruikt om stoom onder hoge druk te produceren door water te verhitten, zodat de centrale elektriciteit kan opwekken.

Thermisch aangedreven warmtepompen zijn warmtepompen die warmte of een motor gebruiken om de sorptie- of compressiecyclus aan te drijven. Er zijn drie soorten thermisch aangedreven warmtepompen: gas sorptie warmtepomp, thermische compressie warmtepomp en gasmotorwarmtepomp.

Om de warmte van een bron te absorberen

De zon als warmtebron

Het is ook mogelijk om warmte op te nemen van een bron. Het kan worden geabsorbeerd van de zon, van de lucht of het water om ons heen of van de warmte diep in de grond. We beginnen met technologieën die warmte van de zon kunnen absorberen.

Thermische zonne-energietechnologie zet zonlicht om in warmte, die vervolgens wordt gebruikt om warm water te produceren, gebouwen te verwarmen of zelfs te koelen. De meeste thermische zonne-energiesystemen werken in combinatie met een verwarming. Bijvoorbeeld een condensatieketel of een warmtepomp, die in werking treedt wanneer de vraag naar warmte te groot is voor het zonnesysteem alleen. Gemiddeld kan een eengezinswoning tot 60% van de warmtebehoefte voor warm water dekken met zonne-energie. Een zonneboilersysteem bestaat uit: zonnecollectoren, op het dak gemonteerde elementen die energie van de zon verzamelen, een warmwatertank om het door het systeem verwarmde water op te slaan, een circuit en een warmtewisselaar om de warmte van de collectoren naar de warmwatertank over te brengen. De installatiekosten van een zonneboilersysteem zijn over het algemeen vrij hoog, omdat je rekening moet houden met steigers, loodgieterswerk en de benodigde aanpassingen aan je dak. Een voorbeeld is een thermisch zonnepaneel op het dak. Er zijn twee gesloten circuits met een warmtewisselaar. In het primaire circuit passeert de koude warmteoverdrachtvloeistof de zonnepanelen. Straling van de zon verwarmt het en gaat naar een warmtewisselaar om thermische energie over te dragen aan het secundaire circuit en de cyclus te herhalen. In het secundaire circuit gaat de warmteoverdrachtvloeistof naar het opslagsysteem. In het opslagsysteem geeft het zijn thermische energie af aan het water dat erin is opgeslagen. Er zijn verschillende thermische zonne-energietechnologieën: niet beglaasde zonnecollectoren, getranspireerde zonne-luchtcollectoren, vlakke plaat zonnecollectoren, vacuümbuis zonnecollectoren, thermodynamische zonnepanelen en geconcentreerde zonne-energie.

In niet beglaasde zonnecollectoren absorbeert een warmtegeleidend materiaal zonlicht en brengt de energie over op een vloeistof die door of achter het warmtegeleidende oppervlak loopt. Het heeft geen glazen bedekking. De collectoren werken het best voor toepassingen met een lage temperatuur (klein of middelmatig) die een temperatuur onder 30 graden Celsius vereisen, zoals zwembadverwarming en ruimteverwarming.

Transpireerbare zonnecollectoren bestaan meestal uit een donkergekleurd, geperforeerd metalen bekledingsmateriaal dat op een bestaande muur aan de zuidkant van een gebouw wordt gemonteerd. Een ventilator trekt buitenlucht door de perforaties en in de ruimte achter de metalen bekleding, waar de lucht wordt verwarmd tot wel 30F-100F (-1 graden Celcius -38 graden Celcius) boven de omgevingstemperatuur. De ventilator trekt de lucht vervolgens het gebouw in, waar het wordt verdeeld via het ventilatiesysteem van het gebouw. De getransporteerde zonnecollector is een bewezen maar nog steeds opkomende zonneverwarmingstechnologie. Dit type technologie is het meest geschikt voor het verwarmen van lucht en het ventileren van binnenruimtes (bron: www.epa.gov). 

Vlakke plaat zonnecollectoren met beglazing bestaan uit koperen buizen en andere warmte absorberende materialen binnen een geïsoleerd frame of behuizing, bedekt met helder glas. Deze collectoren kunnen efficiënt werken bij een breder temperatuurbereik dan niet beglaasde collectoren. Ze kunnen worden gebruikt voor toepassingen tot ongeveer 80 graden Celsius. Vlakke-plaatcollectoren worden vaak gebruikt als aanvulling op traditionele waterboilers, waarbij water wordt voorverwarmd om de vraag naar brandstof te verminderen. Het ontwerp van het zonnepaneel is over het algemeen iets minder compact en minder efficiënt in vergelijking met een vacuümbuis systeem, maar dit vertaalt zich in een lagere prijs. Dit ontwerp van zonnepanelen werkt goed in alle klimaten en kan een levensduur van meer dan 25 jaar hebben.

Vacuümbuiscollectoren bestaan uit dunne, koperen buizen gevuld met een vloeistof, zoals water, die in grotere, vacuüm afgesloten buizen van helder glas of plastic zitten. Vacuüm buizen gebruiken de energie van de zon efficiënter en kunnen om een paar redenen hogere temperaturen produceren dan vlakke-plaatcollectoren (tot 120 graden Celsius). Ten eerste betekent de cilindrische vorm van vacuüm buizen dat ze de hele dag door zonlicht kunnen opvangen (vanuit veel verschillende hoeken) en op elk moment van het jaar. Ten tweede hebben de buizen ook een gedeeltelijk vacuüm binnen de doorzichtige glazen behuizing, wat het warmteverlies naar de buitenomgeving aanzienlijk vermindert - het vermindert geleidings- en convectieverliezen bij energieoverdracht. Het is een van de populairste zonneboilersystemen die in gebruik zijn. De buizen kunnen afzonderlijk worden vervangen als er een defect raakt, zodat niet de hele collector hoeft te worden vervangen. Het systeem is efficiënt en duurzaam: het vacuüm in de collectorbuizen gaat aantoonbaar meer dan twintig jaar mee.

Thermodynamische zonnepanelen zijn een nieuwe ontwikkeling (en vereisen meer onderzoek en ontwikkeling). Het zijn door zonne-energie ondersteunde warmtepompen. Ze zijn een hybride tussen een thermisch zonnepaneel en een warmtepomp. Ze kunnen niet alleen stroom opwekken uit direct zonlicht, maar ook uit warmte in de lucht. Ze lijken op zonnepanelen, maar hun functie is meer die van een warmtepomp. Ze worden op het dak of op de muren geplaatst en hoeven niet op het zuiden gericht te zijn. Deze panelen werken door een extreem koud vloeibaar koelmiddel door de buizen in het paneel te laten circuleren. Wanneer het koelmiddel het systeem binnenkomt, heeft het meestal een temperatuur van ongeveer -22 graden Celcius. De panelen absorberen warmte uit de omringende lucht en dragen de energie over aan het koude koelmiddel. Tijdens dit proces stijgt de temperatuur van het koelmiddel, waardoor het uiteindelijk in een gas verandert. Het gas wordt vervolgens samengeperst, waardoor de temperatuur stijgt. Vervolgens wordt het gas doorgegeven aan een warmtewisselaar die zich in een warmwaterboiler bevindt. Het hete gas gaat dan door een warmtewisselaar, waarbij de thermische energie wordt overgedragen aan de watertoevoer, zodat het water wordt verwarmd voor huishoudelijk gebruik. Tot slot keert het koelmiddel terug naar zijn oorspronkelijke vloeibare toestand en circuleert het opnieuw door het systeem, waardoor het proces opnieuw begint. Het voordeel van thermodynamische panelen is dat ze in verschillende weersomstandigheden kunnen werken, zelfs 's nachts of tijdens bewolkte dagen. Ze absorberen warmte van direct zonlicht, maar kunnen ook warmte uit de omgevingslucht halen. Dit komt doordat ze warmte aan de lucht kunnen onttrekken, vergelijkbaar met hoe grondwarmtepompen werken. Ze kunnen worden gebruikt voor de productie van warm water en vloerverwarming.

Geconcentreerde zonne-energie (CSP) is een methode om elektriciteit op te wekken via spiegels. Deze technologie gebruikt spiegels om zonlicht te weerkaatsen en te richten op een thermische ontvanger. De intense CSP-energie verhit de vloeistof (heat-transfer fluid of HFT) in de ontvanger tot hoge temperaturen. Deze warmte of thermische energie wordt gebruikt om een turbine te laten draaien en zo elektriciteit op te wekken (bron: energysystems.com). De thermische energie in de vloeistof kan worden opgeslagen voor later gebruik. CSP-energie heeft ook directe industriële toepassingen in waterontzilting en voedselverwerking. Geconcentreerde zonne-energie heeft ook een hoge energieopbrengst, waardoor het geschikt is voor grootschalige elektriciteitsopwekking. Een van de belangrijkste nadelen zijn de hoge kapitaal- en onderhoudskosten. Bovendien is de technologie nog relatief nieuw en is er een gebrek aan ervaren professionals op dit gebied.

De grond als warmtebron

Een andere bron waaruit warmte kan worden opgenomen is de grond. Dit wordt gedaan door geothermische of grondwarmtepompen. Ze kunnen een huis verwarmen of koelen en zelfs warm water leveren door warmte van of naar de grond te verplaatsen. Ze kunnen in elk klimaat werken vanwege de constante ondergrondse temperatuur van de aarde. De temperatuur stijgt in het grootste deel van de wereld met ongeveer 25-30 graden/km diepte nabij het oppervlak door de warmtestroom vanuit de veel hetere mantel. Het effect van het weer, de zon en het seizoen bereikt slechts een diepte van ruwweg 10-20 m (www.energy.gov). Geothermische warmtepompen hebben elektriciteit nodig om te werken. Ze kunnen worden aangesloten op zonnepanelen. Warmtepompen zijn zeer efficiënt.

Lucht of water als warmtebron

De lucht om ons heen of het water in de buurt kan een bron van warmte zijn. Warmtepompen kunnen deze warmte absorberen en reeds bestaande warmte uit de omgeving overbrengen naar een gebouw. Ze gebruiken voornamelijk de energie die is opgeslagen in het grondwater of de lucht voor ruimteverwarming, warm water, ventilatie en koeling. Er zijn water-water warmtepompen, lucht-water warmtepompen en luchtwarmtepompen. Ze zijn zeer efficiënt. Ze werken goed met goed geïsoleerde gebouwen; distributiesystemen die werken bij lage temperatuur, d.w.z. vloerverwarming en grote radiatoren en een hogere temperatuur van de warmtebron (bodem, grondwater of lucht) (bron: ehi). Maar ze hebben wel elektriciteit nodig om te werken.

De uitdaging voor warmtepompen

Een groot aantal warmtepompen gebruikt gefluoreerde gassen of F-gassen als koelmiddel. Gefluoreerde gassen zijn door de mens gemaakte gassen die worden gebruikt in bijvoorbeeld warmtepompen en schakelapparatuur. Deze F-gassen worden mondjesmaat gebruikt, maar ze zijn extreem krachtig: F-gassen zijn tussen 1.400-22.800 krachtiger dan CO2. Momenteel zijn F-gassen verantwoordelijk voor 2,5% van de uitstoot van broeikasgassen in de EU. De warmtepompsector heeft toegezegd de overschakeling van F-gassen naar natuurlijke koelmiddelen waar mogelijk te ondersteunen en heeft al aanzienlijke vooruitgang geboekt in het segment van monoblok buitenunits. De huidige EU-verordening heeft als doel de uitstoot van F-gassen tegen 2030 met tweederde te verminderen ten opzichte van 2014. De Europese Commissie heeft voorgesteld de uitstoot van F-gassen tot 2050 met 90% te verminderen ten opzichte van 2015. Op 21 juli 2023 werd de EU-deal over F-gassen uitgesteld. Drie kwesties zorgden voor de impasse: warmtepompen, schakelapparatuur - de dozen die de elektrische stroom regelen - en Bijlage IV, die regels geeft voor wanneer verschillende soorten producten worden verboden. Er zijn al warmtepompen op de markt met natuurlijke koelmiddelen met een lager aardopwarmingsvermogen (GWP), zoals lucht, CO2, ammoniak, koolwaterstoffen en water).

Restwarmte

Restwarmte is de warmte die vrijkomt als bijproduct van industriële processen of elektriciteitsopwekking. In veel gevallen wordt deze warmte verspild. Het gebruik van restwarmte wordt echter steeds gebruikelijker. Het draagt bij aan een efficiënter energiegebruik, waardoor er minder energiebronnen nodig zijn. Er zijn verschillende manieren om restwarmte te gebruiken. Warmteterugwinning verwijst naar het terugwinnen van een deel van de energie die wordt verspild door het gebruik in verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen. Warmtekrachtkoppeling (WKK) is het gebruik van een warmtemotor of energiecentrale om tegelijkertijd elektriciteit en nuttige warmte op te wekken. Het gaat hierbij om de gelijktijdige productie van elektriciteit of mechanische energie en nuttige thermische energie (verwarming en/of koeling) uit één enkele energiebron (bron: energy.gov). Warmtekrachtkoppeling (WKK) is een zeer efficiënt proces (meer dan 80%) dat de warmte die een bijproduct is van het proces van elektriciteitsopwekking opvangt en gebruikt. De elektriciteit kan ook worden opgewekt uit hernieuwbare bronnen. Door gelijktijdig warmte en elektriciteit op te wekken, kan WKK de koolstofuitstoot tot 30% verminderen in vergelijking met de afzonderlijke conventionele manier van opwekking via een ketel en elektriciteitscentrale. De warmte die tijdens dit proces wordt opgewekt, wordt geleverd aan een goed afgestemde warmtevraag waaraan anders door een conventionele ketel zou worden voldaan.

Een andere manier om restwarmte te gebruiken is stadsverwarming. Bij stadsverwarming wordt warmte op een centrale locatie opgewekt en vervolgens gedistribueerd naar woningen, bedrijven en industrie in een lokaal gebied. Stadsverwarming is de distributie van warmte van grootschalige opwekkings- en afvalwarmtebronnen over grote gebieden, meestal in steden, waarbij gemeenschappelijke verwarmingssystemen met elkaar worden verbonden. Typische centrale energiebronnen: elektriciteitscentrales, EfW (energie uit afval), gasgestookte warmtekrachtkoppelingseenheden, biomassa warmtekrachtkoppeling, industriële warmtepompen, zonne-/geothermische bronnen. De belangrijkste voordelen van stadsverwarming zijn drieledig: lagere energiekosten, milieuvoordelen (door de vermindering van koolstofemissies) en voorzieningszekerheid. Volgens het IEA bleef de productie van stadswarmte in 2022 relatief gelijk aan het voorgaande jaar en voorzag ze in ongeveer 9% van de wereldwijde behoefte aan eindverwarming in gebouwen en de industrie. Stadsverwarming biedt een groot potentieel voor efficiënte, kosteneffectieve en flexibele grootschalige integratie van emissiearme energiebronnen in de energiemix voor verwarming.

Warmte creëren uit elektriciteit

Warmte maken uit elektriciteit of elektrische energie omzetten in warmte wordt kortweg power-to-heat genoemd. Hernieuwbare energiebronnen kunnen elektriciteit produceren en deze elektriciteit wordt omgezet in warmte. Er zijn verschillende manieren om dat te doen en de toepassingen verschillen voor huishoudens en de industrie. Voor huishoudens zijn de belangrijkste verwarmers elektrische weerstandverwarmers (plintverwarmers, paneelverwarmers, vloerverwarming en wandverwarmers), infraroodverwarmers of een combinatie (elektrische haarden). Vloerverwarming zorgt voor stralingswarmte die vanaf de vloer naar boven wordt overgedragen. Plint- en paneelverwarmers zijn convectiekachels en elektrische haarden zijn een combinatie van infraroodstraling en convectie.

Voor industriële toepassingen zijn er de volgende vormen van verwarming: weerstandsverwarming, inductieverwarming, infraroodverwarming, magnetronverwarming, grafeenverwarming en koolstofnanobuisverwarming. We leggen nu in het kort deze verschillende industriële verwarmingstechnologieën uit (bron: ee-ip.org).

Weerstandsverwarming is een veelgebruikte verwarmingstechnologie waarbij een elektrische stroom door een materiaal met hoge weerstand wordt geleid, zoals een metaaldraad of een legering. Ze worden geregeld met een thermostaat. De weerstand genereert warmte die gebruikt wordt om het materiaal op te warmen. Weerstandsverhitting kan worden gebruikt voor temperaturen tot 1200 graden Celcius. Inductieverwarming is de technologie waarbij elektromagnetische inductie wordt gebruikt om een materiaal op te warmen. Het is een contactloze techniek voor het verwarmen van metalen of andere elektrisch geleidende materialen door elektromagnetische inductie. Er wordt een wisselend magnetisch veld opgewekt rond het materiaal, dat een elektrische stroom induceert in het materiaal, waardoor warmte wordt geproduceerd. Inductieverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 2500 graden Celcius. Infraroodverwarming gebruikt infraroodstraling om een materiaal op te warmen. De infraroodstraling wordt geabsorbeerd door het materiaal, dat opwarmt. Infraroodverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 1000 graden Celcius. Microgolfstraling wordt gebruikt om een materiaal op te warmen. Microgolven zijn niet-ioniserende straling. Dit betekent dat ze atomen en moleculen niet veranderen en cellen niet beschadigen zoals ioniserende straling doet. De microgolven dringen het materiaal binnen en prikkelen de moleculen, waardoor warmte wordt geproduceerd. Microgolfverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 3000 graden Celcius. Grafeenverwarming is een relatief nieuwe verwarmingstechnologie waarbij grafeen wordt gebruikt om warmte te genereren. Wanneer een elektrische stroom door grafeen wordt geleid, genereert de weerstand van het materiaal warmte. Grafeen kan worden gebruikt in elektrische vloerverwarming, maar ook in industriële processen. Grafeenverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 2000 graden Celcius. Koolstofnanobuisverwarming is een andere nieuwe verwarmingstechnologie waarbij koolstofnanobuizen worden gebruikt om warmte op te wekken. Wanneer een elektrische stroom door koolstofnanobuizen wordt geleid, worden ze warm en genereren ze warmte. Koolstofnanobuisverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 3000 graden Celcius.

Conclusie

Verwarming gebeurt meestal door de verbranding van fossiele brandstoffen. Het terugdringen van de uitstoot en zelfs het bereiken van netto nul in 2050 voor verwarming is een enorme uitdaging. Er zijn verschillende manieren om dit aan te pakken. We kunnen iets blijven verbranden. Maar dan moet de brandstof of massa vervangen worden door een meer duurzame en emissiearme brandstof of massa. De beschikbaarheid en de productie van deze brandstoffen zijn nog beperkt en niet voldoende om fossiele brandstoffen te vervangen. Er zijn ook andere bronnen om warmte op te wekken namelijk de zon (via thermische zonnecollectoren), de grond, lucht en water (via warmtepompen). De mogelijkheden zijn beschikbaar, maar de kosten zijn nog steeds hoog in vergelijking met de verbranding van fossiele brandstoffen. Er is nog een andere uitdaging met betrekking tot warmtepompen. Het is waarschijnlijk dat de EU de regelgeving verder zal aanscherpen om het gebruik van gefluoreerde gassen (F-gassen), die als koelmiddel in warmtepompen worden gebruikt, terug te dringen. Dit zou de uitrol en/of acceptatie van warmtepompen kunnen belemmeren. Restwarmte is een andere warmtebron die voornamelijk wordt verspild. Het potentieel van restwarmte voor de industrie en stadsverwarming is aanzienlijk. Tot slot kan hernieuwbare elektriciteit worden omgezet in warmte voor huishoudens en de industrie.

Dit artikel maakt deel uit van de SustainaWeekly van 18 september