Kennisdossier: de ontwikkelingen en kansen voor warmtepompen

Het koudemiddel zorgt voor de warmteverplaatsing in een warmtepomp. Er zijn meerdere koudemiddelen die onderling verschillen in efficiëntie, temperatuurbereik, brandveiligheid, giftigheid en duurzaamheid. In hoofdlijnen kunnen koudemiddelen worden onderverdeeld in twee categorieën, synthetische en natuurlijke koudemiddelen. Onder de synthetische koudemiddelen behoren de (H)CFK’s, HFK’s en HFO’s, die stap voor stap onder begeleiding van een EU verordening de komende jaren worden uitgefaseerden enkel binnen een strenge quotering nog beschikbaar zijn. Hiermee wordt de overstap naar natuurlijke koudemiddelen afgedwongen en slechts een kwestie van tijd. Onder de natuurlijke koudemiddelen behoren water (R718), CO2, NH3 en koolwaterstoffen. De natuurlijke koudemiddelen zijn minder schadelijk voor het milieu vanwege de lage Global Warming Potential (GWP) waarde (orde grootte 1-10).Door wetgeving wordt het gebruik van synthetische koudemiddelen structureel teruggedrongen, en wordt er meer aandacht besteed aan natuurlijke alternatieven. Een andere manier om schadelijke koudemiddelen te vermijden is door warmtepompen te ontwikkelen die geen koudemiddel nodig hebben.

Dat de warmtepomp slechts een onderdeel is van de warmtevoorziening in de gebouwde omgeving wordt nogal vaak over het hoofd gezien. Naast de warmtepomp zijn de warmtebron, het afgiftesysteem en eventueel de warmteopslag, alle met bijbehorende infrastructuur, onderdelen van het systeem dat warmte levert. Het ruimtegebruik van deze onderdelen, en daarin de inpasbaarheid van de warmtepomp in het geheel, is een belangrijke innovatierichting. De mogelijke integratie van het warmtesysteem met bouwdelen en de inpasbaarheid in slimme netten zijn daarnaast ook van essentieel belang voor een succesvolle implementatie van warmtepompen in de gebouwde omgeving. Binnen het innovatieprogramma van TKI Urban Energy komen deze innovatiethema’s terug in programmalijn (PL) 4, PL5, MMIP1 en MMIP3. De compatibiliteit van warmtepompen in slimme netten wordt onderzocht in Urban Energy projecten, waarover andere kennisdossiers op onze website meer informatie geven.

Er zijn ook andere manieren om groeimogelijkheden voor de ontwikkeling van de warmtepompen te identificeren. Afgaand op wat consumenten momenteel als grootste belemmeringen zien in de aankoop van warmtepompen kan worden ingeschat op welke aspecten de warmtepomp het meest terrein kan winnen in populariteit bij de consument. Een andere manier is om bij de producenten, leveranciers en installateurs van warmtepompen te onderzoeken wat de grootste belemmeringen zijn in de het productie en installatieproces.

Milieu Centraal onderzocht recentelijk de meest voorkomende argumenten voor en tegen de aanschaffing van een (hybride) warmtepomp. De drie meest genoemde redenen voor de aanschaf van een warmtepomp zijn, van hoog naar laag:

1. Duurzaamheid/klimaat,
2. Aardgasreductie/gasloos,
3. Kostenbesparing.

Verder komt er nog in de top 20 voor: (8) toekomstgericht, (12) onafhankelijkheid en (15) subsidie. Het mag duidelijk zijn dat de consument die geïnteresseerd is in de aanschaf van een warmtepomp als grootste drijfveer heeft om minder aardgas te gebruiken omwille van het klimaat, gevolgd door de mogelijke kostenbesparing veroorzaakt door aardgasreductie.

De vijf meest genoemde redenen tegen de aanschaf van een (hybride) warmtepomp zijn, in volgorde van hoog naar laag:

1. Hoge kosten,
2. Niet handig door woon/leefsituatie,
3. Terugverdientijd te lang,
4. CV-ketel nog niet aan vervanging toe,
5. Voorkeur volledig aardgasloos.

Verder in de top 20 redenen staan ook nog (9) ruimtegebrek, (15) geluidsoverlast en (16) onzekerheid over warmte-afgiftesysteem. Het is duidelijk dat de hoge prijs en de lange terugverdientijd de grootste belemmeringen zijn voor de mensen die geen (hybride) warmtepomp aan zouden schaffen. Een ongeschikte woon- of leefsituatie is daarna veel gehoord.

Een minder gehoord maar toch significant bezwaar is onzekerheid over de geschiktheid van de warmtepomp. De twijfel of de huidige warmtepompen wel ‘goed’ genoeg zijn om een huis te verwarmen en warm tapwater te produceren lijdt tot een afwachtende houding. Ook de groep mensen die geloven dat de warmtepomptechnologie nog in de kinderschoenen staat wacht liever af, gevoed door de hoop dat innovaties de warmtepompen beter én goedkoper zullen maken in de nabije toekomst.

In het nationaal Warmtepomp Trendrapport 2018, gepresenteerd op de Warmtepomp Business Day 2018, staan resultaten van 131 respondenten uit de warmtepompenbranche. Naast een overzicht van de huidige status van de warmtepompsector, ruim een half miljard omzet, 8663 fte en 13785 geïnstalleerde warmtepompen in 2017, geeft het rapport ook een voorspelling van de verwachte verkoop.

De warmtepompsector bestaande uit onder andere leveranciers en installateurs laten een ander geluid horen. In het rapport van TNO over de roadmap voor warmtepompen staan een aantal innovatielijnen uitgewerkt. De zes belangrijkste innovatielijnen voor de ontwikkeling van warmtepompen in Nederland zijn:

• De compatibiliteit met Smart Grids,
• Integratie met andere installaties en bouwdelen,
• Geluidsreductie,
• Alternatieve warmtepomptechniek,
• Andere koudemiddelen,
• Innovaties in productielijn/opschaling.

Deze innovatiethema’s vereisen bijna allemaal gezamenlijk onderzoek waarbij subsidiëring een cruciale katalysator is. De compatibiliteit van warmtepompen in slimme netten wordt onderzocht in Urban Energy projecten onder programmalijn (PL) 4 en 5, waarover andere kennisdossiers op onze website meer informatie geven. De andere belangrijke ontwikkelgebieden wordt hieronder beschreven.

De warmtebron is een essentieel onderdeel van het warmtesysteem waar de warmtepomp onderdeel van uitmaakt. Waar grondwarmte, de buitenlucht of oppervlaktewater als conventionele warmtebronnen worden gezien, zijn er een aantal alternatieve bronnen zoals zonne-warmte, ventilatielucht en rioolwater. Er zijn verschillende innovatieprojecten die onderzoeken in hoeverre het mogelijk en wenselijk is deze alternatieve warmtebronnen te gebruiken.

Het project MINI ontwikkelde een ventilatiewarmtepomp die warme ventilatielucht gebruikt als bron. Het project was een samenwerking van Inventum en Eneco en had als doel om een kleine toevoeging aan bestaande warmtepompen te ontwikkelen. Door relatief kleine structurele besparing te realiseren kan er op grote schaal significante besparingen in het Nederlandse gasgebruik worden bewerkstelligd. Een ander project dat gebruik maakt van een ventilatiewarmtepomp is de Groene Combi. In dit concept wordt de hete lucht die onder invloed van de zonnestraling onder de PV panelen ontstaat en vastgehouden wordt door de dakisolatie gebruikt als bronwarmte voor de ventilatiewarmtepomp. Het gebouw-geïntegreerde zonnedak produceert zo naast elektriciteit ook warmte. Wat het project uniek maakt is de integrale aanpak, waardoor het dak, de zonnepanelen en de warmtepomp perfect op elkaar afgestemd zijn.

Een ander project dat gebruik maakt van zonnecollectoren als warmtebron is het PVT InSHaPe project. In theorie is deze combinatie in staat om een nieuwbouw- en zelfs een bestaande woning energieneutraal te klimatiseren. Deze combinatie van zonnecollectoren en water-water warmtepomp heeft een hoge TRL, dus zal bij positieve resultaten snel op de markt te verkrijgen zijn. In het PVT InSHaPe project wordt dit integrale verwarmingsconcept ontworpen, gerealiseerd en gevalideerd. Randvoorwaarden als installatiegemak, regelgeving, en financiële aspecten worden ook onderzocht. Dit leidt tot functionele eisen en, de energieprestaties worden gesimuleerd en daarnaast wordt een regeling ontworpen. De rapportage van dit project wordt verwacht medio 2019.

Het project Solar Freezer richt zich op het ontwikkelen en leveren van een warmtepompinstallatie voor woningen zonder toepassing van buitenlucht of een bodemsysteem als bron. In plaats daarvan wordt een grote buffer in de kruipruimte geplaatst, waarin de latente warmte van de faseovergang van water naar ijs als bron voor de warmtepomp wordt gebruikt. In zomerbedrijf wordt de buffer geladen vanuit een laagwaardige zonnecollector (energiedak), welke in het tussenseizoen ook als bron kan functioneren. Het energiedak wordt geplaatst achter PV panelen (PV-T combinatie). Doordat in de zomer de ijsbuffer wordt ontdooid wordt omgekeerd ook koeling geleverd aan de PV panelen, waardoor de opbrengst van de PV panelen omhoog gaat. De Solar Freezer kent lagere investeringskosten dan een bodem-warmtepomp, heeft geen onaantrekkelijk buitendeel dat geluid produceert en zal naar verwachtingen een hoge Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) realiseren. Inmiddels is de Solar Freezer te verkrijgen op de markt, na de eerste succesvolle praktijktesten.

De ‘TT68’ Warmtepomp is ontwikkeld door de firma Linthorst in het project Intelligente Warmtepomp. Deze hoge temperatuur (HT) warmtepomp maakt gebruik van een warmte en koude opslag (WKO), en kan onder hoge efficiëntie verwarmings- en tapwater verwarmen tot 85˚C. Een voorbeeld is het Jacques Urlusplantsoen te Leiden waarin 450 wooneenheden all-electric worden voorzien van warmte en tapwater tot 85 ˚C met een 1,6 MW HTWP vanuit een 200 m3/h bron, zoals te lezen op deze website.

In plaats van het onderzoeken hoe warmtepompen geschikt kunnen worden voor een hoge temperatuur afgiftesysteem, staat een lage temperatuur (LT) afgiftesysteem in het project WINST centraal. De warmtebehoefte van de gebouwde omgeving is van dezelfde ordegrootte als de restwarmte die Nederland nu loost. Het project onderzoekt daarom ook wat de randvoorwaarden en de consequenties zijn van een warmte-infrastructuur die is gebaseerd op een lage temperatuur warmtenet met een aanvoertemperatuur tussen de 30°C en 60°C. In vijf deelonderzoeken worden onder andere de LT warmtebronnen, de warmte-infrastructuur en de overall business case onderzocht. Dit project wordt gedragen door de unieke samenwerking tussen DNV GL, TU Eindhoven, Thermaflex, V&S Hanab en IF Technology.

Een technisch alternatief voor het momenteel meest gangbare principe van een elektrisch aangedreven compressor is een thermisch aangedreven adsorptiewarmtepomp. Het principe van adsorptiewarmtepompen is hetzelfde als van absorptiewarmtepompen. Het verschil is dat de adsorptiemachine werkt met vaste-stof-sorptie en de absorptiemachine met vloeistofsorptie. Een adsorptiewarmtepomp kan worden toegepast als compacte en efficiënte gasgestookte warmtepomp. AWP-technologie berust anno 2018 vooral op (aard)gas als bron van hulpenergie. Momenteel wordt de techniek vooral op grotere schaal in de utiliteitsbouw toegepast. De AWP 1 t/m 5 projecten richten zich op toepassing in bestaande woningen en hebben de ambitie om zonthermie in plaats van aardgas als thermische bron te gebruiken. Door het lage gewicht is het systeem geschikt voor binnenplaatsing; de afmetingen zijn vergelijkbaar met die van een grote HR-ketel. De warmtepomp kan via een dakdoorvoer buitenlucht als warmtebron gebruiken en hij kan worden aangesloten op traditionele HT-radiatoren. Wegens confidentialiteit zijn rapportages niet publiek beschikbaar.

Een van de nieuwe warmtepomptechnologieën is gebaseerd op het thermo-akoestische principe. Door het gebruik van geluidsgolven kan warmte en koude gescheiden worden. Het project CTWB ontwerpt, fabriceert en test een compacte Thermo-Akoestische (TA) warmtepomp met een vermogen van 1kW met een loop met 50 bar Helium. Dit project vind plaats op basis van een licentie van ECN tot 100 kW. Als basis dient een bestaande compacte laboratorium TA-WP van 240 W die verbeterd en opgeschaald wordt naar 1 kW. Dit kan door een nieuwe aandrijving waarin door toepassing van een innovatieve afdichting een veel hoger rendement kan worden behaald. Het technisch prototype wordt ook aan een praktijkproef onderworpen. De resultaten van dit project worden verwacht in september 2019. De Technology Readiness Level (TRL) van de thermo-akoestische warmtepomptechnologie ligt rond de 6, wat betekent dat de technologie nog niet commercieel beschikbaar is op de korte termijn.

Een andere innovatieve warmtepomptechnologie is de magnetocalorische (MC) warmtepomp. Deze technologie maakt gebruik van het magneto-calorische effect, waar speciale magnetische materialen voor nodig zijn. De actuele kennisbarrière is de beschikbaarheid en produceerbaarheid van MC-materialen met de juiste MC-eigenschappen. Drie projecten binnen het innovatieprogramma van TKI Urban Energy ontwikkelen momenteel betere MC-materialen en onderzoeken hoe de industriële productie kan worden opgeschaald.

Het productieproces van geschikte metalen voor MC-warmtepompen is nog niet geoptimaliseerd en er ontbreekt nog veel wetenschappelijk onderzoek naar het smeltproces. Door het uitvoeren van vele experimentele onderzoeken in een nieuw project, hoopt de TU Delft in samenwerking met in samenwerking met de Stichting tot Bevordering van de Plasmafysica en BASF Nederland meer inzicht te verkrijgen in de verschillende syntheseroutes voor geschikte magnetische materialen voor het gebruik in MC warmtepompen.

Hetzelfde consortium onderneemt in een ander project een systematische zoektocht naar nieuwe materialen met verbeterde eigenschappen, waarbij de focus uitsluitend gericht is op niet-giftige materialen die in overvloed aanwezig zijn op aarde. Het project wordt uitgevoerd door de TU Delft in samenwerking met de Stichting tot Bevordering van de Plasmafysica en BASF Nederland. Momenteel wordt er met behulp van meerdere subsidieregelingen verder gewerkt aan het optimaliseren van materialen met MC-eigenschappen. De technologie bevindt zich nog in laag TRL dus staat nog ver van demo projecten in warmtepompen of implementatie in de markt.

Daarnaast ontwikkelt het deelproject 3.4 van het Project CCO een werkende magneto- calorische warmtepomp voor kleinschalige koeling/verwarming in de gebouwde omgeving (lab-model).