05-06-04 TNO2021 R11125 Finalreport OPVIS 20 technisch rapport

Belangrijkste conclusies en bevindingen •

•

•

•

•

•

Met de uitkomsten van de onderzochte studies (scenario’s en modeluitkomsten) wordt een breed spectrum aan mogelijke vraag naar waterstof opslagcapaciteit geschetst. Aan het speelveld van BK (op basis van scenario-aannames) wordt een extra dimensie door LSES (en ETS) toegevoegd, nl. de inzet van optimalisatie van andere flexibiliteitopties waarmee de vraag naar waterstofopslag kan worden gereduceerd. De berekende waterstofopslagcapaciteit voor de vraag-aanbodbalans in 2030 is nog zeer gering en kan in principe worden geaccommodeerd in bestaande en/of enkele nieuw aan te leggen cavernes op de ontwikkelde locaties Zuidwending en Heiligerlee. In 2050 zal de vraag naar waterstofopslagcapaciteit voor vraag-aanbodbalans fors zijn toegenomen. Hierbij zijn er significante verschillen tussen de scenario’s die met name voortkomen uit de scenariokeuzes die aan de modellen worden opgelegd en de wijze waarop de verschillende modellen de inzet van flexibiliteittechnologieën bepalen (kostenoptimalisatie versus externe keuzes). In termen van totaal opslagjaarvolume liggen de uitkomsten van de modellen en scenario’s veel dichter bij elkaar. Naast vraag-aanbodbalans zijn er nog extra zaken om mee rekening te houden, zoals aanbodzekerheid en strategische reserves. Deze zorgen voor significante extra vraag naar opslagcapaciteit.

Voor zoutcavernes geldt dat (lang-cyclische) opslag van pure waterstof op enkele plaatsen in de wereld (US, UK) technisch bewezen is. Toepassing van snel-cyclische opslag, zoals voorzien voor de balancering van het energiesysteem, moet nog worden gedemonstreerd. Voor gasvelden moet de geschiktheid voor (pure) waterstofopslag nog bewezen worden. Opslagcapaciteiten voor gasvelden in deze studie zijn dan ook voorwaardelijk en indicatief. Geologisch onderzoek en demonstratie richt zich o.a. op de mogelijke geochemische en microbiologische omzetting van opgeslagen waterstof, de afsluiting van reservoirs, het stroomgedrag van waterstof en de geomechanische effecten van snel-cyclische injectie en productie. De herziene bepaling in deze studie omvat kleine wijzingen ten opzichte van OPVIS-1 (2018) waarbij gebruik is gemaakt van de vernieuwde rekentool uit LSES. Bovendien wordt het element “praktische capaciteit” toegevoegd (i.e. rekening houdend met mogelijke ruimtelijke beperkingen in boven- en ondergrond). Er wordt hierbij nog geen rekening gehouden met eventuele waterstof die verloren gaat door diffusie, chemische omzetting, etc. De benodigde opslagcapaciteit voor de balancering van vraag en aanbod in de onderzochte scenario's (voor 2050) is in theorie inpasbaar en praktisch realiseerbaar binnen bestaande en nieuw aan te leggen cavernes en aardgasopslagen.

Mogelijk is het verstandig om bestaande aardgasopslaglocaties of lege gasvelden in te zetten om het aantal benodigde cavernes te reduceren.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

•

•

69 / 114

Indien rekening wordt gehouden met extra opslagreserves om het aanbod te verzekeren in onvoorziene situaties (extreem weer, onderbreking import, falende infrastructuur), dan zullen waarschijnlijk één of meerdere gasvelden nodig zijn om de benodigde opslagcapaciteit te accommoderen. Realisatie van de hier veronderstelde maximale opslagcapaciteit in zoutstructuren (maximaal 60 nieuw aan te leggen zoutcavernes) en gasvelden (vier extra gasvelden naast bestaande aardgasopslagen) zal resulteren in grote technische, economische en maatschappelijke uitdagingen (ruimtelijke inpassing, kosten, maatschappelijke acceptatie, wet- en regelgeving, bodemdaling, etc.).

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

6

Warmtebuffering

6.1

Introductie

70 / 114

De energiescenario’s ontworpen door BK, ETS en LSES zijn gedaan om het gehele toekomstige energiesysteem te beschouwen en modelleren. Warmtelevering door warmtenetten is daar een onderdeel van. Warmtebuffering wordt in de onderzochte studies en scenario’s niet of beperkt meegenomen in de modellering54. Het belang is echter groot omdat warmtebuffering ruimte kan bieden voor inzet van meer (duurzame) basislast in warmtenetten en kan bijdragen aan een meer efficiënte inzet van duurzame (zomerse) warmtebronnen. Om beter inzicht te krijgen in het effect van toepassing van grootschalige toepassing van warmtebuffering op de rest van het energiesysteem, heeft EBN voor deze studie een inhouse model ontwikkeld dat de potentie voor warmtebuffering in warmtenetten voor ieder scenario doorrekent op basis van de uitkomsten van de onderzochte energiescenario’s. Het model berekent hoeveel warmte bespaard kan worden en via welke bron (bijv. aardgas, biomassa). Daarnaast evalueert het model de mogelijke efficiëntiewinst die grootschalige warmtebuffering op de inzet van duurzame warmtebronnen met lage marginale kosten kan hebben (met zonthermie als voorbeeld). De potentiële inzet van warmtebuffering is afgezet tegen de geografische verspreiding van het ondergrondse potentieel voor hoge temperatuuropslag in aquifers (High Temperature Aquifer Thermal Energy Storage, hierna HT-ATES).

Daarbij wordt specifiek gekeken naar het dieptebereik dat relevant is voor de mijnbouwwet. Koudeopslag en ondiepe bodemwarmtesystemen worden buiten beschouwing gelaten. Tenslotte is onderzocht of de opslagbehoefte van warmtenetten aansluit op de capaciteit en andere karakteristieken van een HT-ATES-systemen. Dit hoofdstuk behandelt de volgende onderwerpen in deze volgorde en sluit af met een discussie en conclusies: • Methodologie • Input vanuit scenariostudies • Resultaten • Praktische implicaties en ruimtelijke inpassing 6.2

Methodologie

De studies van LSES en ETS nemen geen warmtebuffering mee in hun modellering en scenario’s. BK rapporteert eveneens geen uitkomsten voor warmtebuffering. Met de recente aanpassingen van het ETM (mei/juli 2020) is wel warmtebuffering meegenomen, maar deze implementatie kent enkele beperkingen voor het onderzoeken van de vraagstelling in dit rapport. De uitkomsten van het ETM zijn openbaar toegankelijk en relatief eenvoudig te bewerken. Ze geven een gedetailleerd overzicht van de inzet en samenhang van technologieën voor energieopwek, -conversie en -gebruik (vermogen per uur). De in-house ontwikkelde tool van EBN (zie Appendix A voor een gedetailleerde beschrijving) omvat een theoretisch model van 54

Revisie van de BK-scenario’s (nog niet gepubliceerd) zal wel een vorm van HTO implementeren

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

71 / 114

een HT-ATES-systeem en gebruikt de ETM-uitkomsten van de BK-scenario’s als input (gedownload vanaf de ETM-website55 op 19-08-2020). Dit betreft de uitkomsten van het gereviseerde ETM-model, waardoor waardes af kunnen wijken van de gerapporteerde getallen in het BK-rapport56). Bij de implementatie van warmtebuffering in het gebruikte model worden de volgende aannames meegenomen: • Grootschalige warmtebuffering wordt alleen ingezet binnen warmtenetten. • In de zes warme maanden (april - september) worden warmteoverschotten gebruikt voor buffering. In de originele ETM-modeluitkomsten worden deze overschotten niet gebruikt (“unused heat”). • In de zes koude maanden leveren de warmtebuffers deze warmte terug aan de warmtenetten (rekening houdend met de efficiëntie van een HT-ATES). • Levering van warmte uit een HT-ATES wordt beschouwd als een secundaire warmtebron bovenop de reguliere basislast (o.a. restwarmte, geothermie) en de warmtebronnen met de laagste marginale kosten (zoals zonthermie). • De extra warmte die de warmtebuffer produceert, wordt bij de overige (“secundaire”) warmtebronnen naar rato in mindering gebracht. • Het model test de effecten van verhoogde inzet van basislast of zonthermie. Om vraag en aanbod in balans te houden, wordt deze extra geproduceerde warmte in absolute zin afgetrokken van de hoeveelheid warmte die geproduceerd wordt door gasboilers.

• HT-ATES wordt beschouwd als een secundaire warmtebron die geen extra piekwarmte kan leveren bovenop de standaard levering. Pieklevering (het snel en incidenteel leveren van warmte bij piekvraag en als backup) blijft daarom ongewijzigd plaatsvinden via gasboilers. Binnen het gebruikte model kunnen warmteoverschotten in de warme maanden in theorie alle vormen van duurzame warmte met lage marginale kosten omvatten. Voorbeelden zijn basislast (geothermie, restwarmte), seizoensgebonden warmtebronnen (o.a. zonthermie57) of warmtepompen die bij goedkope stroom en/of veel omgevingswarmte (in de zomermaanden) overschotten kunnen leveren. In de gepubliceerde BK-scenario’s (rapport) wordt alleen gebruik gemaakt van basislast en worden warmteoverschotten weergegeven als ongebruikte warmte. De gebruikte terminologie van de warmtebronnen zijn hieronder beschreven op inzetvolgorde (merit order): • Basislast (bijv. geothermie, industriële restwarmte) • Zonthermie (inzet van grootschalige zonnewarmte) • Levering door warmtebuffer (HT-ATES) • Secundaire warmtebronnen (bijv. boilers, warmtepompen) • Backup/pieklevering (piekgasboilers) Deze studie heeft geen invloed op de invulling van de scenario’s, zoals gerapporteerd voor bijvoorbeeld BK (zie Hoofdstuk 2). De keuze voor welke warmtebron dan ook, zoals

Quintel, december 2019, Regionale sturing (verouderd) – Energietransitiemodel, accessed: 20-10-2020, link: https://pro.energytransitionmodel.com/scenarios/606411 56 Ouden, B. den, Kerkhoven, J., Warnaars, J., Terwijl, R., Coenen, M., Verboon, T., Tiihonen, T., Koot, A. 2020: Klimaatneutrale energiescenario’s 2050, Scenariostudie ten behoeve van de integrale infrastructuurverkenning 2030-2050, maart 2020, Berenschot en Kalavasta 55

57

De revisie van de BK-scenario’s (nog niet gepubliceerd) bevat wel deels zonthermie.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

72 / 114

geothermie, aardgasboilers en boilers op houtpellets is gemaakt door de auteurs van die studie(s), en is niet een keuze van de auteurs van dit rapport. 6.3

Input

Voor deze studie wordt aangenomen dat de toepassing van grootschalige warmtebuffering alleen van nut is bij warmtenetten. Dit is niet of slechts beperkt onderzocht door de onderzochte energiesysteemstudies. Tabel 6.1. De grootte van warmtenetten in de scenariostudies binnen beschouwing. Sommige groottes zijn ingeschat omdat ze niet letterlijk gerapporteerd zijn, aannames zijn onder de tabel beschreven. Studie

REG2050

NAT2050 / NM2050

EU2050

INT2050

BK LSES

55,2 TWh

30,6 TWh

32,8 TWh

38,3 TWh

-

~15,3 TWh1

-

-

ETS (AD2050)

~54,8 TWh2

ETS (TR2050)

~78,7 TWh2

1. Voor LSES (NM2050) is geprobeerd het originele scenario NAT2050 na te bootsen, maar dan in het

model OPERA, wat op fundamentele gronden een ander type model met andere randvoorwaarden is dan het ETM-model. Hierdoor komen het energiesysteem en de uitkomsten niet precies overeen. De gerapporteerde uitkomsten58 van LSES spreken van een warmtevoorziening via warmtenetten ter grootte van 12% van het totale warmtesysteem t.o.v. de 25% die warmtenetten innemen in het scenario dat ingevuld is met het ETM-model. Dit is hier geïnterpreteerd als ongeveer de helft. 2. Uitgaande van respectievelijk 91 TWh en 131 TWh levering van warmte, waarvan 60% in warmtenetten, gebaseerd op pagina 45 en 46 in het ETS-rapport. In deze scenario’s levert geothermie niet aan de gebouwde omgeving door aangenomen kostenaspecten. Dit kan in TR2050 echter groeien +12,5 TWh (maar dat gaat af van warmtelevering vanuit de industrie). De base case gaat uit van warmtelevering van industrie naar de landbouwsector en gebouwde omgeving, met de respectievelijke verdeling van ongeveer 49 TWh en 44 TWh. De base case geothermieproductie is ongeveer 12 TWh en 11 TWh voor respectievelijk de industrie en de landbouwsector (te vinden op pagina 55 van het ETS-rapport59).

De grootte van warmtelevering door warmtenetten is weergegeven in Tabel 6.1. De scenario’s resulteren in een range van 30 tot 55 TWh met twee uitschieters van ongeveer 15 en 80 TWh. Zoals verderop uit dit hoofdstuk zal blijken, is voor warmtebuffering niet zozeer de absolute grootte, maar meer de mix van warmtebronnen in het warmtenetsysteem bepalend voor de inzetbaarheid van warmtebuffering. 6.3.1 Beschrijving van gemodelleerde warmtenetten in BK De vier scenario’s van BK zijn uitgebreid toegelicht in Hoofdstuk 3. Figuur 6.1 geeft een overzicht van de rol die warmtenetten spelen in de verschillende scenario’s. Hierbij worden de volgende belangrijke verschillen opgemerkt: 1. De omvang van de totale hoeveelheid geleverde warmte aan de verschillende sectoren verschilt sterk. BK rapporteert dat het aandeel van warmtenetten binnen de totale warmtevoorziening voor huishoudens en gebouwde omgeving bij REG2050, NAT2050, EU2050 en INT2050 respectievelijk 45%, 25%, 15% en 15% bedraagt (zie Tabel 6.2). 2. Het soort bronnen dat warmte levert aan warmtenetten verschilt. De precieze omschrijving van de aanwezige bronnen is opgenomen in A.1 Methodiek HT-ATESmodellering . Opvallend is dat drie scenario’s ten minste één type bron bevat die als 58

Tabel 12 uit: Sijm, J., Janssen, G., Morales-Espana, G., Stralen, J. van, Hernandez-Serna, R., Smekens, C., augustus 2020: The role of large-scale energy storage in the energy system of the Netherlands, 2030-2050, TKI New Gas Project Name: Large Scale Energy Storage in Salt Caverns and Depleted Gas Fields, TNO (nr: TNO 2020 P11106) (d.d. nog niet gepubliceerd) 59 Scheepers, M., Gamboa Palacios, S., Jegu, E., Pupo Noguieira De Oliveira, L., Rutten, L., Stralen, J. van, Smekens, K., West, K., mei 2020, Towards a sustainable energy system for the Netherlands in 2050, TNO.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

73 / 114

basislast dient, en één scenario niet (of nauwelijks, nl. INT2050). Daarnaast valt op dat bij EU2050 de capaciteit van de basislast op ieder moment precies is afgestemd op de verwachte vraag, kortom: er zijn geen warmteoverschotten. Tabel 6.2. Warmtelevering als aandeel van de totale warmtevraag per sector voor ieder scenario, zoals gerapporteerd in het BK-rapport. Scenario Huishoudens Gebouwen Landbouw GT Landbouw WKK

REG2050 45% 45% 60%

NAT2050 25% 25% 60% 5%

EU2050 15% 15% 40%

INT2050 15% 15% 40% 25%

De BK-scenario’s en het ETM zijn bepalend voor hoe warmtenetten worden ingezet binnen deze studie. Hierbij worden de volgende opmerkingen geplaatst: • In het ETM worden warmtenetten alleen ingezet voor de warmtevraag binnen de gebouwde omgeving (inclusief huishoudens) en de landbouwsector. Grootschalige warmtevraag binnen de industriële sector wordt buiten beschouwing gelaten. Daarnaast valt uit de ETM-output op te maken dat de landbouwsector alleen bij de scenario’s NAT2050 en EU2050 van warmtenetten gebruik maakt. • Het overzicht in Tabel 6.2 doet vermoeden dat inzet van geothermie in de landbouwsector in het ETM niet via warmtenetten wordt geleverd. De inzet van geothermie in deze sector is aanzienlijk (tussen de 8 en 12 TWh volgens het BKrapport). Dit heeft tot gevolg dat de inzet van geothermie in voor de landbouwsector niet wordt meegenomen bij de analyse van warmtebufferpotentie in deze studie en dat de voordelen dus onvolledig in beeld worden gebracht. Momenteel wordt o.a. gewerkt aan de implementatie van een HT-ATES-demonstratieproject60 voor zomerse warmteoverschotten in de tuinbouwsector. 6.3.2 Potentie voor HT-ATES in BK-scenario’s In Tabel 6.3 is de omvang van warmteoverschotten weergegeven.

De beperkte overschotten in EU2050 en INT2050 worden gestuurd door de internationale energievoorziening: grote beschikbaarheid (voor import) van waterstof en interconnectie voor elektriciteit. De totale hoeveelheid warmteoverschotten definieert de bovengrens voor de totale hoeveelheid beschikbare warmte om te bufferen. Het is slechts de bovengrens omdat, vanwege de timing, niet alle warmte gebufferd kan worden (bijvoorbeeld als er overschotten zijn wanneer er ook de buffers worden geproduceerd zoals tijdens de winter). Verder zullen er ook verliezen optreden bij transport en bereiken warmtewisselaars geen 100% efficiëntie. Tenslotte zal een deel van de warmte in de buffers verloren gaan waardoor er uiteindelijk minder wordt geproduceerd dan opgeslagen. Omdat er ondergronds menging plaatsvindt met de omgevingstemperatuur, neemt de productietemperatuur steeds verder af naarmate het stookseizoen vordert. Dit proces wordt in meer detail beschreven in Appendix A.2

Tabel 6.3. De totale grootte van overschotten van warmtelevering. Dit is in de scenario’s de bovengrens voor de beschikbare warmte die in warmtebuffers gebruikt zou kunnen worden. (ETM-output61) Scenario BK

REG2050 6,2 TWh

NAT2050 1,4 TWh

EU2050 0,74 TWh

INT2050 0,91 TWh

60

HEATSTORE, 2020, HEATSTORE Dutch national project, accessed: 11-11-2020, link: https://www.heatstore.eu/national-project-netherlands.html

Quintel, december 2019, Regionale sturing (verouderd) – Energietransitiemodel, accessed: 20-10- 2020, link: https://pro.energytransitionmodel.com/scenarios/606411 61

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

Piekgas Warmtepomp Boiler (biomassa)

Boiler (gas) Aardwarmte Restwarmte

WKK (gas) Boiler (waterstof)

Figuur 6.1. Warmteproductie voor warmtenetten. Grafische weergave van de BK-scenario’s zonder warmtebuffering. Voorbeelden van belangrijke warmtebronnen staan in de figuur aangegeven. De rode lijn geeft het verbruik weer.

TNO PUBLIEK

74 / 114

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

6.4

75 / 114

Resultaten

In de rest van dit hoofdstuk worden de resultaten steeds aan de hand van de warmteprofielen voor BK-REG2050 toegelicht. De resultaten voor de andere scenario’s worden alleen in de tabellen genoemd. Figuur 6.2 toont de warmteproductie binnen warmtenetten voor het BK-scenario REG2050 zonder en met toevoeging van HT-ATES. Het warmteleveringsprofiel van het totale warmtenetsysteem is voor een standaard weerjaar (zie Paragraaf 3.3) in beeld gebracht. In het bovenste warmteproductieprofiel van Figuur 6.2 is geen HT-ATES toegepast. De overschotten in de zomermaanden (basislast hoger dan warmtevraag) gaan daarbij verloren als ongebruikte warmte. In het onderste warmteprofiel worden de overschotten opgeslagen in HT-ATES. In de herfst is de HT-ATES gevuld en gaat deze bijdragen aan de warmteproductie als secundaire warmtebron. Daarbij worden andere warmtebronnen vervangen (in dit geval warmte geleverd door gasboilers). Tijdens het leeg produceren verliest de buffer gaandeweg vermogen, tot een minimum is bereikt, en worden gasboilers weer in toenemende mate ingezet. Met een grotere buffercapaciteit of een ander moment van opstarten van productie uit HT-ATES, kan de inzet ten opzichte van andere warmtebronnen worden geoptimaliseerd. In de volgende paragrafen worden de resultaten in verder detail toegelicht.

Warmteoverschot ongebruikt

Bijdrage HT-ATES aan warmteproductie

Warmteoverschot naar HT-ATES

Piekgas Warmtepomp

Boiler (gas) Boiler (biomassa)

HT-ATES Restwarmte

Aardwarmte

Figuur 6.2. Warmteproductieprofiel voor warmtenetten. Boven: ETM-output van het REG2050-scenario zonder buffering. Onder: hetzelfde scenario maar bewerkt met het HTATES-model van deze studie. De rode lijn geeft het verbruik weer

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

76 / 114

6.4.1 Toepassing HT-ATES-model Tabel 6.4 toont de resultaten voor alle scenario’s met en zonder HT-ATES. In het algemeen geldt dat met warmtebuffering de basislast in de scenario’s efficiënter kan worden ingezet, wat vervolgens in de wintermaanden resulteert in een besparing van o.a. gas, biomassa en elektriciteit voor het genereren van warmte. Dit bijkomend effect wordt nader toegelicht in Paragraaf 6.4.5. Al met al zal de inzet van warmtebuffering dus een potentiële efficiëntiewinst voor het hele energiesysteem opleveren. In Tabel 6.5 staan de hoeveelheden gebufferde warmte en het totaal benodigde vermogen om de maximale output te halen. Deze getallen zijn berekend op systeemniveau. Om de grootte en het vermogen van individuele buffers te verkrijgen is specifieke informatie nodig omtrent de grootte van het betreffende warmtenet, evenals de soorten warmtebronnen in dat specifieke warmtenet. Paragraaf 6.5.1 bespreekt enkele aannames die zijn gedaan om hiervoor een grove indicatie te kunnen geven. In de scenario’s EU2050 en INT2050 wordt er relatief weinig bespaard op secundaire warmtebronnen. Dit komt in de eerste plaats door de relatief beperkte overschotten waardoor er ook niet veel warmte gebufferd kan worden. Figuur 6.1 laat zien dat de basislast in genoemde scenario’s tijdens de zomermaanden in zeer beperkte mate boven de warmtevraag uitkomt.

Er is bij het opstellen van de scenario’s mogelijk relatief weinig basislast ingericht om veel overproductie (en dus niet bruikbare warmte) te voorkomen. Modelleren met warmtebuffering biedt in dat opzicht kansen om toch meer inzet van basislast mogelijk te maken (en/of meer duurzame warmte met lage marginale kosten), wat vervolgens weer inzet van secundaire warmtebronnen kan besparen. Paragraaf 6.4.2 en 0 gaan hier dieper op in. Tabel 6.4. Uitkomsten van berekeningen zonder en mét warmtebuffering Totale warmteproductie

Totaal nietbasislast

Bespaard op niet-basislast

Efficiëntie van HT-ATES

%

%

14%

70%

6%

78%

2%

78%

2%

78%

BK-scenario TWh

TWh

55,2

28,2

REG2050

ETM-output zonder buffer Incl. HT-ATES-model

51,2

24,2

ETM-output zonder buffer Incl. HT-ATES-model

30,6

19,7

NAT2050

29,5

18,6

ETM-output zonder buffer Incl. HT-ATES-model

32,8

24,1

EU2050

32,2

23,6

ETM-output zonder buffer Incl. HT-ATES-model

38,3

37,2

INT2050

37,6

36,5

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

77 / 114

Tabel 6.5. Geleverde warmte door HT-ATES, het aandeel in warmtelevering door warmtebuffers in warmtenetten en het benodigd vermogen van HT-ATES op systeemniveau door implementatie van het HT-ATES-model.

BK-scenario REG2050 NAT2050 EU2050 INT2050

Geleverde warmte [TWh]

Aandeel in warmtenet

Max ouput [GWh/d]

Vermogen [MW]

4,30 1,09 0,58 0,71

8% 4% 2% 2%

57,7 13,1 6,9 8,5

2400 550 290 350

6.4.2 Effecten van verhoogde inzet basislast Deze paragraaf analyseert de mogelijkheden en gevolgen van het inzetten van meer basislast binnen de bestaande scenario’s, in samenhang met de aanleg van warmtebuffers die de overtollige warmte in de zomermaanden opslaan. Dit wordt toegelicht aan de hand van aanpassingen binnen het scenario REG2050 (zie Figuur 6.3). Om de effecten binnen het energiesysteem te testen, is in het aangepaste scenario het aandeel van warmtelevering door gasboilers (exclusief piekgas) vervangen door basislast. Hierbij moet worden opgemerkt dat het vervangen van variabele warmteproductie met basislast + warmtebuffering altijd zorgt voor een hogere primaire warmteproductie aangezien een warmtebuffer niet 100% efficiënt is vanwege warmteverliezen. Daar tegenover staat dat de buffer wordt gevoed door bronnen die anders tijdens de zomermaanden (deels) stil zouden staan (o.a. geothermie, zonthermie), hun warmte lozen (restwarmte) en/of onbenut blijven (bijv. inzetten van warmtepompen met goedkope stroom). Een variabel inzetbare warmtebron vervangen door basislast betekent bijna per definitie verlies van efficiëntie: een deel van de basislast zal verloren gaan als er niet voldoende warmtevraag is. Dit wordt grotendeels opgelost als het warmtesysteem gecombineerd wordt met een warmtebuffer. Beide effecten zijn terug te zien in Tabel 6.6. Tabel 6.6.

Uitkomsten van het scenario REG2050 en een aanpassing waarbij de warmtelevering door gasboilers vervangen is door basislast. Productie uit warmtebuffers start bij het starten van de koude maanden, of één of twee maanden verschoven. Totale Totaal Bespaard Efficiëntie van warmtenietop nietHT-ATES productie basislast basislast

REG2050

Aangepast scenario: warmte gasboiler vervangen door basislast

TWh

TWh

%

ETM-output zonder buffer

55,2

28,2

0%

Zonder buffer

61,1

23,1

18%

55,1

17,2

39%

57%

54,2

16,2

43%

66%

53,5

15,5

45%

74%

Met buffer, 0 mnd verschuiving Met buffer, 1 mnd verschuiving Met buffer, 2 mnd verschuiving

%

De vervanging van de warmteproductie uit gasboilers met basislastproductie in scenario REG2050 resulteert weliswaar in een besparing van niet-basislast (5 TWh), maar zorgt, zonder inzet van warmtebuffering, ook voor netto meer primaire warmteproductie (6 TWh). Door het inzetten van een warmtebuffer wordt deze toename weer tenietgedaan en neemt bovendien de benodigde hoeveelheid aan secundaire warmtebronnen verder af. Dit komt omdat warmtebuffering hoger in de merit order staat en dus de inzet van secundaire warmtebronnen verdringt.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

Piekgas Warmtepomp

Boiler (gas) Aardwarmte

HT-ATES Restwarmte

78 / 114

Boiler (biomassa)

Figuur 6.3. Warmteproductieprofiel voor warmtenetten in het aangepaste REG2050-scenario met hogere basislast, zoals in de tekst beschreven. Boven: aangepaste scenario zonder buffering. Midden: inclusief HT-ATES, start productie bij aantreden koude maanden. Onder: inclusief HT-ATES, start productie 2 maanden verschoven. De rode lijn geeft het verbruik weer

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

79 / 114

Afhankelijk van het moment waarop productie uit de warmtebuffering wordt gestart, levert dit een totale besparing van 11 tot 13 TWh op (t.o.v. het originele scenario). De uitkomsten zijn ook weergegeven in Figuur 6.3. Door het aangepaste scenario kan ruim 40% op nietbasislast (secundaire warmtebronnen én piekgasboilers) bespaard worden. Warmtebuffering levert in dit aangepaste scenario 6 tot 8 TWh aan het warmtenetsysteem (resp. 11% tot 14% van de warmte geleverd door warmtenetten). 6.4.3 Effecten van inzet zonthermie Evenals een hogere inzet van basislast, kan warmtebuffering ook bijdragen aan een grotere en efficiëntere inzet van zonthermie binnen warmtenetten. Beurskens en De Keizer (2020)62 schatten het potentieel voor zonnewarmte voor alleen stadsverwarming op bijna 2,8 TWh zónder en 5,5 TWh mét warmteopslag. Dit lijkt equivalent aan de observaties voor uitbreiding van basislast. Als warmtebuffering beschikbaar is, dan wordt het toepassen van basislast, en dus ook zonthermie, een stuk aantrekkelijker. In het geval van zonnewarmte verdubbelt dit de potentie voor toepassing in warmtenetten. Het maximum potentieel van ongeveer 5,5 TWh is toegepast in een aangepast scenario gebaseerd op REG2050. De inzet van zonthermie wordt gecompenseerd door een gereduceerde warmteproductie uit gasboilers.

Warmtelevering door zonthermie is gemodelleerd met een versimpeld model zoals weergegeven in Figuur 6.4 en geïnspireerd door de schematische weergave van de IEA factsheet63. Als voorbeeld zijn ook de grafieken voor warmtebuffering met resp. 0 en 2 maanden verschuiving weergegeven. De resultaten van deze analyse worden voor alle scenario’s weergegeven in Tabel 6.7. Opvallend is dat door de inzet van bijna 5,5 TWh aan zonthermie en een warmtebuffer met een efficiëntie van ca. 70%, er in absolute zin ongeveer 2,5 TWh minder warmte geproduceerd wordt t.o.v. het scenario zonder buffering. Dit komt omdat in het scenario mét warmtebuffering ook sprake is van een efficiëntere inzet van de basislast. Implementatie van zonthermie en warmtebuffering zorgt daardoor voor ca. 30% (8 TWh) besparing op nietbasislast. Warmtebuffering levert in dit aangepaste scenario 6 tot 8 TWh aan het warmtenetsysteem (resp. 11% tot 15% van de warmte geleverd door warmtenetten). Tabel 6.7. Uitkomsten van het scenario REG2050 en een aanpassing waarbij zonnewarmte bijna 5,5 TWh levert, wat effectief van de warmtelevering door gasboilers afgehaald wordt. Productie uit warmtebuffers start bij het starten van de koude maanden, of één of twee maanden verschoven. Totale Totaal Bespaard Efficiëntie van warmtenietop nietHT-ATES productie basislast basislast TWh

TWh

%

ETM-output zonder buffer

55,2

28,2

0%

Zonder buffer Aangepast scenario: Met buffer, deel van warmte gasboiler vervangen 0 mnd verschuiving Met door centraal buffer, 1 mnd verschuiving opgewekte Met zonnewarmte buffer, 2 mnd verschuiving

60,2

27,8

2%

54,1

21,6

23%

57%

53,1

20,6

27%

66%

52,3

19,8

30%

74%

REG2050

62

%

Beurskens, L., Keizer, C. de, 2020, Aanzet tot Routekaart Zonnewarmte, RVO project 060.42721, TNO (nr: TNO 2020 R10975) 63 IEA SHC Task 55, 2019, IEA SHC || Task 55 || Integration of Large SHC Systems into DHC Networks, Factsheet Store Solar Energy in Summer for Heating in Winter, IEA SHC, accessed: 02-11-2020, link: http://task55.iea-shc.org/

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

Piekgas Warmtepomp

Boiler (gas) Zonthermie

Restwarmte HT-ATES

80 / 114

Boiler (biomassa) Aardwarmte

Figuur 6.4. Warmteproductieprofiel voor warmtenetten in het aangepaste REG2050-scenario met zonthermie, zoals in de tekst beschreven. Boven: aangepaste scenario zonder buffering. Midden: inclusief HT-ATES, start productie bij aantreden koude maanden. Onder: inclusief HT-ATES, start productie 2 maanden verschoven. De rode lijn geeft het verbruik weer

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

81 / 114

6.4.4 Koude winters De invloed van extra koude perioden in de winter is voor het scenario REG2050 weergegeven in Tabel 6.8 en Figuur 6.5. In een normaal weerjaar kan met warmtebuffering de inzet van secundaire warmtebronnen binnen dit scenario met ca. 4 TWh worden gereduceerd. Deze reductie bedraagt voor hetzelfde scenario in een koud weerjaar ca. 3,4 TWh. Het verschil kan met name worden verklaard door het feit dat voor dit weerjaar de “warme” zomermaanden ook kouder zijn, en er dus minder warmteoverschotten beschikbaar zijn voor buffering. Koude winters hebben dus niet of nauwelijks invloed op de inzet van warmtebuffers. Basislastbronnen leveren normaal gesproken al op maximaal vermogen en overige overschotten in de zomer blijven in een koud jaar ongeveer hetzelfde als in een normaal (standaard) weerjaar. Een goed ingerichte warmtebuffer zal volgens hetzelfde vermogen blijven presteren, onafhankelijk van het type weerjaar. Bij een onverwacht koude periode in de winter zal de extra warmte derhalve moeten komen van secundaire warmtebronnen (zoals biomassa en gas) en piekgasinstallaties. Het gevolg is dat er in dat geval geen extra voordeel te behalen is met de inzet van warmtebuffers. Tabel 6.8. Uitkomsten van berekeningen zonder en mét warmtebuffering van het scenario REG2050, zonder en met koud weerjaar.

Totale Totaal niet- Bespaard Efficiëntie van warmte- basislast op nietHT-ATES productie basislast [TWh] [TWh] [%] [%]

Scenario ETMoutput zonder buffer Incl. HT-ATESmodel ETM output without buffer REG2050 – koude winter Incl. HT-ATESmodel

55,2

28,2

0%

51,2

24,2

14%

71,4

44,4

0%

68,0

41,0

8%

REG2050

Piekgas Warmtepomp

Boiler (gas) Aardwarmte

HT-ATES Restwarmte

70%

70%

Boiler (biomassa)

Figuur 6.5. Warmteproductieprofiel voor warmtenetten in REG2050, met als input een koud weerjaar (gebaseerd op 1987). De warmtebuffer start met productie bij aanvang van de koude maanden. De rode lijn geeft het verbruik weer

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

82 / 114

6.4.5 Effect van warmtebuffering op de rest van het energiesysteem Zoals eerder in dit hoofdstuk besproken, kan het grootschalig toepassen van warmtebuffering de inzet van secundaire warmtebronnen besparen. Een samenvatting hiervan is gegeven in Tabel 6.9, waarbij de geleverde warmte gelijk is aan de besparing aan warmte geleverd door secundaire warmtebronnen. Dit zal op gezette momenten de vraag naar deze bronnen doen dalen. Voor bijvoorbeeld aardgas zou dit mogelijk zelfs de behoefte aan opslag kunnen beïnvloeden. De totale hoeveelheid energiebesparing is in voorgaande secties al besproken. Tabel 6.9 Geleverde warmte door en benodigd vermogen van HT-ATES op systeemniveau door implementatie van het HT-ATES-model. Herhaling van Tabel 6.5. BK-scenario REG2050 NAT2050 EU2050 INT2050

Geleverde warmte [TWh] 4,30 1,09 0,58 0,71

Max ouput [GWh/d] 57,7 13,1 6,9 8,5

Vermogen [MW] 2400 550 290 350

In Figuur 6.6 is de invloed op de drie secundaire bronnen in het scenario REG2050 weergegeven. De totale besparing op secundaire bronnen (“netto surplus”) is gelijk aan de effectieve warmteproductie uit HT-ATES en drukt het verschil uit tussen de modeluitkomsten mét en zonder warmtebuffering. De dagelijkse besparing op deze bronnen is opgesplitst in een profiel voor levering door gas, biomassa en warmtepompen. De andere scenario’s (NAT2050, EU2050 en INT2050), alsmede de aangepaste scenario’s (meer basislast en inzet zonthermie) zijn hier buiten beschouwing gelaten. Op het hoogste punt (in de herfst) wordt er in dit aangepaste scenario rond de 0,03 TWh/d aan gas en biomassa bespaard. Ter indicatie: 0,03 TWh/d is het equivalent van 3 mln. Nm3/d aardgas (bij 35 MJ/Nm3 en 24 uur per dag levering). Dezelfde hoeveelheid energie wordt dus ook nog eens in de vorm van biomassa bespaard, wat het equivalent is van ongeveer 6 kiloton aan pellets per dag (uitgaande van 18 MJ/kg). Daarnaast wordt er ook bij pieken rond 0,01 TWh/d aan warmte uit warmtepompen bespaard. Als we ervan uitgaan dat de warmtepompen 24 uur per dag draaien, en de Coefficient of Performance (COP) een waarde 4 heeft, komt de besparing neer op een elektrisch vermogen van 105 MW.

Figuur 6.6. Besparing op secundaire warmtebronnen door inzet van warmtebuffering, voor het scenario REG2050. Merk op dat “netto surplus secondaire bronnen” gelijk is aan het bufferprofiel.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

6.5

83 / 114

Praktische implicaties en ruimtelijke inpassing

Om gevoel te krijgen voor de praktische consequenties die samenhangen met de inzet van de ingeschatte hoeveelheid warmtebuffering binnen warmtenetten, worden in deze sectie de volgende onderdelen bekeken: • De orde-grootte van de benodigde warmtebuffering per warmtenet • De geografische verspreiding van de potentie voor HT-ATES • De geografische verspreiding van de potentie voor warmteaanbod • De geografische verspreiding van de potentie voor vraag naar warmtebuffering 6.5.1 Orde-grootte gemiddelde warmtebuffering per warmtenet Inzicht in de minimumgrootte van een warmtenet en de grootte van de benodigde warmtebuffer per warmtenet is nodig om te kunnen inschatten of warmtebuffering op basis van HT-ATES ook op grote schaal kan worden ingezet. Bij kleinschaligere warmtenetten zal de nadruk eerder liggen op de inzet van kleinere systemen zoals bijvoorbeeld warmteopslag in begraven tanks en geïsoleerde bassins (zie paragraaf 2.3.4). Inschatting aantal warmtenetten Het aantal warmtenetten in 2050 is ingeschat op basis van een gemiddelde grootte. De statistische spreiding van groottes is daarbij buiten beschouwing gelaten. Aan de hand van de gemiddelde grootte van een warmtenet is bepaald hoeveel warmtenetten er in totaal ondergebracht kunnen worden in een scenario. Voor het aantal warmtebuffers is uitgegaan van één warmtebuffer per warmtenet.

De grootte van een warmtenet wordt alleen gebruikt om de grootte van een gemiddelde warmtebuffer in te schatten, niet zozeer om het aantal toekomstige warmtenetten te voorspellen. Bij de huidige warmtenetten is er sprake van een grote spreiding aan groottes (zie Figuur 6.7). De meeste huidige warmtenetten vallen in het domein hoge temperatuur (>75 °C) of midden-temperatuur (55 - 75 °C). In de toekomst zal waarschijnlijk een verschuiving optreden naar midden-temperatuur- en (zeer) lage-temperatuurwarmtenetten (resp. 10 - 30 °C en 30 55 °C). Dit resulteert met name in minder transportverliezen. Impliciet betekent dit ook dat de aangesloten huizen beter geïsoleerd zullen zijn, en daarmee dat er minder warmte nodig is. De geleverde hoeveelheid warmte per aansluiting zal dus waarschijnlijk afnemen.

Figuur 6.7. Grootte warmtenetten (data uit Segers et al. (2019)64). De doorgetrokken rode lijn geeft de voorgestelde gemiddelde levering per warmtenet weer, en de rood gestreepte lijn een lagere optie. 64

Segers et al (2019), CBS en TNO, Warmtemonitor 2017 (nr: TNO 2019 P10792)

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

84 / 114

Op basis van Figuur 6.7 is in deze studie aangenomen dat de gemiddelde toekomstige warmtelevering per warmtenet ca. 1 PJ zal zijn. Om te onderzoeken wat de consequenties zijn van een lagere warmtelevering per warmtenet is ook gekeken naar een gemiddelde warmtelevering van 0,3 PJ per warmtenet. Deze aangenomen gemiddelden kunnen gebruikt worden, samen met de totale warmtelevering door warmtenetten per scenario (zie Tabel 6.1), om het aantal warmtenetten per scenario te berekenen. Dit is weergegeven in Tabel 6.10. Tabel 6.10. Een globale schatting van het aantal warmtenetten op basis van 1 PJ levering per warmtenet (rood) en op basis van 0,3 PJ levering per warmtenet (blauw). Gebaseerd op Tabel 6.1. Studie BK

REG2050 199

NAT2050

662

LSES ETS AD2050 ETS TR2050

~197

~658

~283

~944

110

367

~55

~184

EU2050 118

394

INT2050 138

460

Grootte benodigde warmtebuffering per warmtenet De grootte van de warmtebuffer wordt enerzijds bepaald door de mix van warmtebronnen. Deze verschilt per scenario. Anderzijds is het aantal warmtenetten bepalend. Als de warmteopslagbehoefte op systeemniveau (Tabel 6.5) en het aantal warmtenetten (Tabel 6.10) bekend is, kan daarmee de grootte van de warmtebuffer per warmtenet (per scenario) berekend worden. Dit is weergegeven in Tabel 6.11. Inzet van HT-ATES-systemen wordt in principe effectief geacht bij warmtenetten met een vermogen van > 5 MW (het bereik 3 - 12 MW is daarmee redelijk in overeenstemming). In de praktijk zullen kleine warmtenetten ook kleinere warmtebuffers gebruiken die mogelijk buiten het inzetbare bereik van HT-ATES vallen. Bij zeer grote warmtenetten zal het mogelijk wenselijk zijn om meerdere HT-ATES-systemen of een combinatie van warmtebuffertechnieken aan te leggen. Tabel 6.11. Levering door, aandeel van en vermogen van warmtebuffering in warmtenetten. Herhaling van Tabel 6.5 met als toevoeging de verdeling over het aantal warmtenetten zoals in Tabel 6.10, waarbij rood en blauw staan voor 1 en 0,3 PJ warmtelevering per warmtenet.

REG2050 NAT2050 EU2050 INT2050

Geleverde warmte [TWh] 4,30 1,09 0,58 0,71

Aandeel in warmtenet [%] 8% 4% 2% 2%

Vermogen Geleverde warmte Vermogen per per warmtenet warmtenet [MW] [GWh] [MW] 2400 21,6 6,5 12,1 3,6 550 9,9 3,0 5,0 1,5 290 4,9 1,5 2,5 0,7 350 5,1 1,5 2,6 0,8

Alternatieven voor warmtebuffering, zoals in het rapport van Ecovat beschreven65, richten zich met name op kleinere opslagvolumes en kleinere vermogens. In dat rapport ligt de midcase van het aantal aansluitingen op 3500 huishoudens, terwijl 1 PJ per warmtenet tegen de 15000 huishoudens voorstelt (zie Figuur 6.7). Een kanttekening hierbij is dat het rapport het uitgangspunt hanteert dat 25% van de geleverde warmte (voor die 3500 huishoudens) uit de warmtebuffer komt. Dit komt niet overeen met het berekende aandeel van de warmtelevering 65

Groot, S. de, 2020, Economic and thermal performance of Ecovat and comparable thermal energy storage technologies, Ecovat.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

85 / 114

door warmtebuffers in warmtenetten (zie Tabel 6.11). Daarom is het beter om de vergelijking te baseren op de hoeveelheid opgeslagen warmte. De geleverde warmte door warmtebuffering in de mid-case van het Ecovat-rapport is 7 GWh (25% van de warmte voor 3500 huishoudens). Dit kan door een aantal technologieën geleverd worden, waarvan HT-ATES er dus één is. Boven deze schaalgrootte zal de inzet van HT-ATES steeds meer de voorkeur hebben. De gemiddelde opslagbehoefte voor de scenario’s, zoals genoemd in Tabel 6.11, ligt dus binnen de range waar HT-ATES samenvalt met de mogelijke inzet van alternatieve warmtebuffersystemen. HT-ATES heeft het voordeel dat het een relatief goedkope technologie is, zeker wanneer een groot opslagvolume kan worden gebruikt. Eén van de grote nadelen is dat de prestatie sterk afhankelijk is van de lokale geologische omstandigheden en dat de Nederlandse ondergrond niet overal geschikt is voor aanleg en toepassing van HT-ATES. Dit wordt in de volgende paragraaf besproken. 6.5.2 Geografische verspreiding van de potentie voor HT-ATES Verschillende studies bieden inzichten in de geografische verbreiding van geologische formaties die mogelijk geschikt zijn voor aanleg van HT-ATES. Wesselink (2016)66 is daar een voorbeeld van.

Daarnaast onderhoudt de openbare website Warmteatlas67 een interactieve GIS-kaart met daarin ook kaartlagen voor warmteopslag in gesloten en open ATES-systemen (zie Figuur 6.8).

Figuur 6.8. Potentieel voor warmteopslag in ATES-systemen tot een diepte van 250 m68. Links: open aquifersystemen, rechts: gesloten aquifersystemen. In de Randstad ligt de waarde zo op het oog tussen de 3 en 5 TJ per hectare per jaar. Merk op dat dit exclusief diepere aquifersystemen is. Kaarten van Warmteatlas

De meest up-to-date analyse voor HT-ATES-potentie is uitgevoerd binnen het project WINDOW69. Hierin zijn potentiekaarten gemaakt waarbij locaties zijn geclassificeerd naar de

66

Wesselink, M., July 2016: Prospects for HT-ATES in the Dutch energy system, MSc thesis, University of Utrecht and TNO. 67 Warmteatlas, RVO, accessed: 29-10-2020, link: www.warmteatas.nl 68 RVO, Potentieel warmte opslag open WKO systeem per buurt – Nationale EnergieAtlas, accessed: 02-11-

2020, link: https://nationaleenergieatlas.nl/potentieel-warmte-opslag-open-wko-systeem-per-buurt 69

Dinkelman, D., Bergen, F. van, Veldkamp, J., 2020: Geological model, shallow subsurface temperature model and potential maps for HT-ATES in the Netherlands. WINDOW research programme. (nr: TNO 2020 R11686) (incl. Appendix 4: Potential Map Results)

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

86 / 114

categorieën “gunstig”, “mogelijke showstopper”, en “één of meer showstoppers”. De criteria worden benoemd in Tabel 6.12. De geologische formaties die binnen het WINDOWonderzoek zijn bekeken, zijn (in het Engels): • Kiezelloöliet Formation • Peize & Waalre Formation • Peelo Formation • Maassluis Formation • Oosterhout Formation • Breda Formation • Brussels Sand Member • Lower Detfurth Sandstone Member De rapportage van het WINDOW-project geeft aan dat dit overzicht verbeterd kan worden door de resultaten van aanvullende beschikbare boorgegevens in Nederland mee te nemen. Hierdoor geven de kaarten alleen een globale indruk, die lokaal kan afwijken van bevindingen door boringen. Figuur 6.9 laat het totale geaggregeerde niveau zien van de toegekende labels van alle geologische formaties. Als een gebied een groen label heeft, dan is er ten minste één geologische formatie met gunstige eigenschappen voor HT-ATES (i.e. alle criteria van Tabel 6.12 hebben het label “gunstig”). Een geel gebied heeft ten minste één formatie waarin misschien HT-ATES toegepast kan worden, maar waarvoor wel één of meerdere mogelijke barrières geconstateerd zijn. Rood gebied heeft zeer waarschijnlijk geen HT-ATES-potentie. Tabel 6.12. Criteria gebruikt voor screeningstudie potentieel HT-ATES in Nederland (door WINDOW). De criteria zijn gebaseerd op een workshop door de WINDOWuitvoerders.

Merk op dat lithologie (silt-clay; limey-sand, glauconite, sand) niet is meegenomen in deze studie. * meter below ground surface

1 2 3 4 5 6 7

8

Criterium Barrière Mogelijke barrière Gunstig Diepte zandpakket <50, >500 m bgs* 50-500 m bgs* Dikte zandpakket < 10 m 10-15 m > 15 m Horizontale hydraulische < 5 meter/dag ≥ 5 meter/dag conductiviteit Aanwezigheid afsluitende Risico op Zekerheid over toplaag (klei) afwezigheid toplaag aanwezigheid Breuken < 1 km > 1 km Stroomsnelheid grondwater > 20-30 meter/jaar < 20-30 meter/jaar Concentratie chloride Zoet en brak water Zout water (zout/zoet-waterinterface) Beschermde Binnen beschermd Buiten beschermd grondwatergebieden gebied gebied

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

87 / 114

Figuur 6.9. Geografische verspreiding ondergronds potentieel HT-ATES, uit WINDOW. Deze kaart is niet gekalibreerd met productiegegevens. De kaart blijkt uit gegevens van bestaande WKO-systemen misschien wat pessimistisch te zijn. De kleine kaart in de hoek laat de resultaten zien met meer optimistische aannames.

6.5.3 Geografische verspreiding van de potentie voor warmteaanbod Warmtebronnen binnen warmtenetten die gecombineerd kunnen worden met grootschalige warmtebuffering zijn onder andere: zonthermie, omgevingswarmte, geothermie, aquathermie en restwarmte. De laatste drie zijn gebonden aan specifieke geografische condities. De potentie voor warmte in het bereik midden-temperatuur en hoger, is weergegeven in Figuur 6.10. Voor geothermie valt op dat de kaarten redelijk veel potentie weergeven in bewoond gebied in Zuid-Holland en Noord-Brabant. Onder het stedelijk gebied

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

88 / 114

rondom Amsterdam tonen deze kaarten weinig potentie voor geothermie. Daarbij moet worden opgemerkt dat de kaarten van de Warmteatlas in delen van Nederland een grote onzekerheid kennen. Met het beschikbaar komen van nieuwe gegevens en analyses van de ondergrond kan het beeld lokaal veranderen. EBN en TNO werken samen aan het SCANprogramma70, waarin de evaluatie van geothermisch potentieel in gebieden met weinig of minder betrouwbare gegevens wordt verbeterd.

Figuur 6.10. Potentie voor warmtebronnen op midden-temperatuur (MT) en hogetemperatuur. Links de indicatie voor aardwarmtepotentie (in paars), inclusief de markering van woongebieden, rechts de indicatie voor MT-warmtebronnen en voor aquathermie. Deze kaarten gelden als indicatie. Bron: Warmteatlas

6.5.4 Geografische verspreiding van de potentie voor inzet van warmtebuffering De gebieden die in aanmerking komen voor inzet van HT-ATES liggen met name in stedelijk of bewoond gebied en in gebieden waar glastuinbouw in samenhang met warmtenetten aanwezig is of mogelijk ontwikkeld kan worden. De combinatie van bewoond gebied en HTATES-potentie is weergegeven in Figuur 6.11. De kans voor grootschalige toepassing van HT-ATES is in Nederland relatief groot. Op basis van de combineerde kaarten wordt het stedelijk gebied Rotterdam-Den Haag, Leiden, Alphen aan den Rijn, Gorinchem, Amsterdam, Purmerend, Almere, en delen van Utrecht-Nieuwegein en Apeldoorn aangemerkt als gunstig gebied voor inzet van HT-ATES (ingezoomd groene gebied in Figuur 6.12). Andere bewoonde gebieden in het overgrote deel van Nederland (“geel” gebied in Figuur 6.11) heeft in principe nog steeds potentie, maar daar moet verder onderzoek worden verricht naar “mogelijke showstoppers”. De belangrijkste showstoppers zijn met name geïdentificeerd in oostelijk Nederland en het zuiden van Zeeland en Limburg.

70

Duurzame energie in Nederland – SCAN aardwarmte, EBN en TNO, https://scanaardwarmte.nl/

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

Figuur 6.11. Kaart van potentie voor HT-ATES met een indicatie van stedelijk gebied (grijs) (niet al het bewoond gebied is aangegeven). Kaart op basis van Figuur 6.9.

TNO PUBLIEK

89 / 114

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

90 / 114

Figuur 6.12. Snapshot van Figuur 6.11, ingezoomd op de randstad. Het stedelijk gebied Rotterdam-Den Haag, Leiden, Alphen aan den Rijn, Amsterdam, Almere, maar mogelijk ook delen van Utrecht-Nieuwegein liggen in gunstig gebied.

6.6

Discussie

Deze studie probeert te bepalen wat de waarde van warmtebuffering kan zijn voor warmtenetten en voor het gehele energiesysteem. Het heeft niet de doelstelling de aannames en keuzes in de modellen en studies ter discussie te stellen die voor deze studie bekeken zijn. Specifieke gevolgen voor warmtebuffering door keuzes in de scenario's of modellering zijn eerder in dit hoofdstuk per onderwerp benoemd en worden hier niet herhaald. 6.6.1 Discussie over de inrichting van warmtenetten In de praktijk zorgt het verschil in weerjaren voor een onvoorspelbaarheid die het nodig maakt om overcapaciteit (bijv. in de vorm van secundaire bronnen) in te bouwen in het systeem. Voor de huidige studie, en de onderliggende BK-scenario’s, is niet bekeken welke inrichting van het warmtenetsysteem zo kosteneffectief mogelijk is. Dit heeft gevolgen voor de inrichting van het warmtesysteem, specifiek wanneer er rekening gehouden moet worden met koude jaren. Aanpassingen van de onderzochte scenario's met meer basislast en/of zonthermie zullen waarschijnlijk grote(re) besparingen op secundaire bronnen veroorzaken, wat een grotere invloed op de rest van het energiesysteem en overige energieopslag zal hebben. Dit is in deze studie niet verder onderzocht.

6.6.2 Discussie over de praktische inpassing in warmtenetten Voor deze studie is voor het inschatten van de grootte van de benodigde warmtebuffering per warmtenet de aanname gemaakt dat elk warmtenet even groot is en binnen het bekeken scenario dezelfde karakteristieken heeft, zoals de warmtevraag en type warmtebronnen. In de realiteit zal er een spreiding in grootte zijn tussen een aantal grote (en/of gekoppelde) warmtenetten, en kleine lokale warmtenetten. Deze zullen ieder hun eigen karakteristieken hebben, met name in de combinatie van warmtebronnen per net, maar ook transport- en distributie-infrastructuur, vraagprofiel, temperatuurniveau(s) en ontwikkelingsperspectief.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

91 / 114

Het is waarschijnlijk dat grote netten een type warmtebron hebben voor de basislast (geografisch afhankelijk, denk aan geothermie of restwarmte), één of twee typen secundaire warmtebronnen en een piekleveringsinstallatie. Het is ook heel goed mogelijk dat de kleinste warmtenetten helemaal geen basislast hebben, en slechts warmtebron voor de primaire levering (zoals een warmtepomp of een boiler) en een warmtebron voor de pieklevering. De warmtenetten zonder basislast of goedkope bronnen in de zomer (omgevingswarmte, zonthermie) zullen ook geen behoefte hebben aan een seizoensbuffer. Dit zou kunnen betekenen dat de behoefte aan grootschalige warmtebuffering (in het bijzonder HT-ATES) vooral voor zal komen bij de middelgrote en grote warmtenetten, en per definitie alleen bij de warmtenetten met tenminste één warmtebron die in de zomer warmteoverschotten heeft en/of erg goedkoop is. Voor middelgrote warmtenetten en groter lijkt het toepassen van HT-ATES verstandig, maar dit is wel volledig afhankelijk van het type warmtevoorziening van het warmtenet. Bij een gemiddelde warmtelevering van 1 PJ per warmtenet is de gemodelleerde (jaarlijkse) warmtelevering uit de warmtebuffer ergens tussen de 5 en 22 GWh, afhankelijk van het BKscenario. Bij scenario’s met weinig (of praktisch geen) basislast (REG2050, EU2050) zijn er weinig warmteoverschotten, en dus valt er ook weinig te bufferen.

Bij dit soort scenario’s is het wel extra belangrijk om in meer detail te kijken naar de inrichting van individuele warmtenetten (“deze heeft wel basislast, deze niet”), dat is niet gedaan in deze studie. Aan de andere kant van het spectrum, bij veel inzet van basislast (restwarmte, geothermie) ligt de gemiddelde warmtelevering uit warmtebuffers op 10-22 GWh. Opnieuw dient hier opgemerkt te worden dat alle vier de scenario’s uit BK zo ingericht zijn dat er geen rekening gehouden is met warmtebuffering. Zoals eerder gezien in dit hoofdstuk, maakt het toepassen van warmtebuffering de mogelijkheden voor basislast en zonthermie een stuk gunstiger. Rekening houden met warmtebuffering kan dus betekenen dat er meer gebruik gemaakt zal worden van warmtebuffering dan nu gemodelleerd met deze scenario’s. In werkelijkheid zal een spreiding van warmtenetgroottes bestaan. De huidige warmtenetten leveren 0,1 tot 3,5 PJ per jaar. Dit zou een spreiding van ongeveer 0,5 GWh tot pakweg 75 GWh aan opslagbehoefte betekenen (uitgaand van de warmtenetconfiguraties van de BKscenario’s). Alle BK-scenario’s zouden meer gebruik kunnen maken van warmtebronnen met duurzame overschotten in de zomer als er rekening gehouden wordt met beschikbaarheid van warmtebuffering. Dit zou betekenen dat de gemiddelde warmtebuffers voor die scenario’s groter zouden worden.

Zeer grote HT-ATES-systemen van tegen de 100 GWh worden niet uitgesloten voor de toekomst, maar concrete ervaring met dit formaat projecten ontbreekt. Een concreet voorbeeld van HT-ATES-project wordt gerealiseerd door ECW in Middenmeer71. Deze warmtebuffer heeft een grootte van ongeveer 10-20 GWh. Dit lijkt erg op de gemiddelde groottes die bepaald zijn in Paragraaf 6.5.1 en Tabel 6.11 (met name REG2050 en NAT2050, die voldoende warmtebronnen hebben met overschotten in de zomer). 6.6.3 Discussie over de geografische inpassing In het algemeen is het belangrijk te benadrukken dat de resultaten van de onderliggende studies (zoals WINDOW) gebruikt kunnen worden voor een eerste screening, maar dat meer onderzoek in specifieke locaties altijd nodig is. Dit geldt zowel voor locaties die liggen in een 71

Meer informatie via IF Technology https://iftechnology.nl/kennisbank/hto-een-sleutelrol-in-deenergietransitie/ en HEATSTORE https://www.heatstore.eu/national-project-netherlands.html

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

92 / 114

gebied waarin mogelijk één of meerdere showstoppers liggen, als voor locaties die in gunstig gebied liggen. De potentiële grootte van de ondergrondse inpassing van een HT-ATES geeft inzicht in de ruimtelijke implicaties. Op basis van ondergrondmodellering voor o.a. HEATSTORE zijn de ondergrondse afmetingen van een middelgrote tot zeer grote HT-ATES-projecten geschat op een areale doorsnede van enkele honderden meters tot ongeveer een kilometer. Dat is dus maximaal ongeveer een vierkante kilometer per project. Inrichting van enkele honderden projecten zou dus in theorie goed moeten passen in Nederland (oppervlak vasteland ~ 40.000 km2). De ruimtelijke inpassing zal echter wel regie vergen, omdat de verschillende HT-ATES-projecten en andere ondergrondse belangen zo min mogelijk moeten interfereren. Uiteraard is ook draagvlak voor HT-ATES-projecten in de gebouwde omgeving belangrijk, dat daarom ook invloed kan hebben op het technisch potentieel dat geïmplementeerd kan worden. Een ander aandachtspunt is het totaal aan uit te voeren projecten. De keten van partijen die HT-ATES-projecten kunnen leveren is nog niet klaar om grote hoeveelheden projecten binnen afzienbare tijd te realiseren. De realisatietijd is dus een belangrijk aandachtspunt. Kortom, het is technisch waarschijnlijk mogelijk om de in kaart gebrachte opslagbehoefte te realiseren.

Echter, gezien de omvang van de opslagbehoefte, gaat dit om veel projecten, wat uitdagingen oplevert op het gebied van realisatietijd en ruimtelijke inpassing. 6.6.4 Discussie over de revisie van de BK-scenario’s en input voor het ETM Voor het onderdeel “Warmtebuffering” in de huidige studie is de originele BK-input gebruikt. Intussen (sinds juni 2020) is een revisie van de scenario’s te vinden op de ETMwebsite. Deze revisie is ontstaan door review van en discussie met een ‘klankbordgroep’ en ‘experts’ (Afman en Douwes, 2020)72. De revisie van de originele BK-scenario’s en -input laat voor warmtenetten een aangepast beeld zien. Dit is nog niet gepubliceerd in een vervolgrapport. Omdat deze resultaten nog niet in een publiek rapport gepubliceerd zijn en de modellen pas in een laat stadium vrijgegeven zijn, is de revisie in dit hoofdstuk vrijwel buiten beschouwing gelaten. De input en output van de revisie zijn niet in detail onderzocht. Om toch een indruk te geven is in Appendix A een uitgebreide samenvatting van de wijzigingen gegeven, evenals een indruk van de effecten die revisie van de scenario’s hebben op het stuk warmtebuffering. Aanpassingen in revisie voor warmtenetten t.o.v. “originele input”, zoals opgesomd in Afman en Douwes (2020): • Het ETM bevat nu een betere, uurlijkse modellering van warmtevraag. • De inzetvolgorde van warmtebronnen is aangepast.

• Warmtebuffering is toegevoegd in alle scenario's. • Power-to-heat als flex-oplossing is toegevoegd (in NAT2050). • Zonthermie is toegevoegd (in REG2050). Een exacte weergave van (het verschil in) warmtebronnen is weergegeven in Tabel A1 in A.1 Methodiek HT-ATES-modellering. Opvallend is het verdwijnen (na de revisie) van de inzet van restwarmte in de meeste scenario’s, het toevoegen van warmte door afvalverbranding in de meeste scenario’s en het toevoegen van zonnewarmte in alle scenario’s. Merk op dat de opmerking hierboven over zonthermie (“alleen in REG2050”) niet lijkt te kloppen. Het verdwijnen van de restwarmte in de meeste scenario’s wordt niet genoemd in de opsomming. Afman, M., Douwes, M., 2020: Aanpassingen klimaatneutrale energiesysteem scenario’s 2050, Werkgroep iNET, Netbeheer Nederland. 72

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

93 / 114

Interessant genoeg heeft de revisie van de scenario’s ervoor gezorgd dat een groot deel van de algemene observaties van dit hoofdstuk beter zijn meegenomen (gebruik warmtebuffering, er is ruimte voor zonthermie in, er is ruimte voor meer basislast). Het warmtebuffer-model zoals geïmplementeerd in het ETM verschilt van het HT-ATES-model zoals voorgesteld in deze studie, met name doordat er geen rekening is gehouden met het dalend vermogen door temperatuurval. Dit heeft als consequentie dat het profiel van warmtelevering in het warmtebuffer-model (van het ETM) ogenschijnlijk evenredig over de koude maanden verdeeld is en dat er geen rekening is gehouden met een variabele warmtebuffer-efficiëntie. Dat gezegd hebbende, is de invloed op het gehele energiesysteem in hoeveelheden benodigde energie per jaar een stuk verbeterd, al zal er over de invloed op pieken op dag- en uurbasis nog wel gediscussieerd kunnen worden. In het algemeen lijkt de potentie voor warmtebuffering in REG2050 en NAT2050 te zijn toegenomen. In EU2050 is de potentie nagenoeg verdwenen. Er is geen verdere kwantitatieve analyse gedaan naar de verschillen in de originele en revisie-scenario’s. Meer informatie over de verschillen is te vinden in Appendix A.

6.7

Conclusies •

•

•

•

De bestudeerde studies met de bestaande modellen nemen nog onvoldoende de inzet van grootschalige warmtebuffers mee. Aanpassing van de modellering van het energiesysteem door inpassing van warmtebuffering zou volgens de huidige studie een besparing op de warmteproductie uit secundaire warmtebronnen (bijv. gas, biomassa, elektriciteit) kunnen opleveren. De kleinste besparing kwam voort uit aanpassing van EU2050, dat potentieel heeft voor jaarlijks ongeveer 0,5 TWh (in 2050) (2% van de warmte geleverd door warmtenetten). De grootste besparing kwam voort uit aanpassing van REG2050, ongeveer jaarlijks 4,5 TWh (in 2050) (8% van de warmte geleverd door warmtenetten). In de bestudeerde scenario’s kwamen de warmteoverschotten van basislastproductie in de zomer. Feitelijk zou je kunnen zeggen dat het niet meenemen van warmtebuffering gelijk staat aan de curtailment van deze warmtebronnen. Het implementeren van warmtebuffering maakt het mogelijk om meer goedkope duurzame warmte in het systeem te integreren. Dit betreft zowel duurzame basislast (zoals geothermie en restwarmte), als warmtebronnen die goedkoop zijn in de zomer (zoals omgevingswarmte en zonthermie). Effectief zou dit betekenen dat er minder inzet van secundaire bronnen nodig is (zoals gas of biomassa).

Dit is conceptueel getest voor het scenario REG2050 door de hoeveelheid basislast te verhogen ten koste van de warmtelevering door gasboilers (exclusief pieklevering). De grootte van de geleverde warmte uit de HT-ATES is dan ongeveer 6 tot 8 TWh (in 2050) (resp. 11% tot 14% van de warmtelevering door warmtenetten). De besparing van secundaire bronnen ligt in dit aangepaste scenario hoger (t.o.v. het originele scenario) doordat de levering van gasboilers al vervangen is: ongeveer 11 tot 13 TWh. Een soortgelijke observatie kan gedaan worden over de bijdrage van grootschalige zonthermie. In combinatie met warmtebuffering kan dit een nuttige bijdrage leveren aan de warmtevoorziening door warmtenetten. Dit is conceptueel getest voor het scenario REG2050, waardoor de grootte van de geleverde warmte uit de HT-ATES dan ongeveer 6 tot 8 TWh is (in 2050) (resp. 11% tot 15% van de warmtelevering door warmtenetten). De besparing van secundaire bronnen is zelfs

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

•

•

•

•

•

•

94 / 114

iets hoger, doordat zonthermie in de zonnige maanden de inzet van secundaire warmtebronnen al iets laat afnemen. Het effect van toepassing van warmtebuffering in warmtenetten op het gehele energiesysteem is niet onaanzienlijk. Los van de bespaarde hoeveelheden energie, is voor de dagelijkse energievraag in REG2050 bepaald dat dit op de pieken (de start van het inzetten van de warmtebuffer) gelijk staat aan de inzet van gezamenlijk ongeveer 3 mln N m3/d aardgas, 6 kiloton pellets per dag en het vragen van 24 uur aan 100 MW elektrisch vermogen. Op basis van de bekeken BK-scenario’s valt een inschatting te maken van het aantal warmtenetten en benodigde warmtebuffers. Uitgaande van een gemiddelde warmtelevering per warmtenet van 1 PJ is het aantal benodigde warmtebuffers in de BK-scenario’s ingeschat op 100-200 stuks (uitgaande van 0,3 PJ is het aantal 350700). Deze getallen dienen slechts ter indicatie. Dit zou voor REG2050 gemiddeld de grootste warmtebuffers opleveren, met een opslagcapaciteit en piekvermogen (voor gemiddeld 1 PJ per warmtenet) van 22 GWh en 12 MW. Voor EU2050 zou dit gemiddeld de kleinste warmtebuffers opleveren, met een opslagcapaciteit en piekvermogen van 5 GWh en 2,5 MW (voor gemiddeld 1 PJ per warmtenet). Deze groottes liggen in het bereik van HT-ATES, al zijn er, zeker voor het gemiddelde van EU2050, alternatieven beschikbaar.