v rende w rmte
transport over water: de juiste weg! ‘Navigare necesse est, vivere non est necesse’: zo sprak - naar Plutarchus - Gnaius Pompeius in het jaar 56 voor Christus tijdens de belegering van Rome. Gnaius Pompeius gebood zeilers tijdens een zware storm voedsel uit Afrika naar Rome te brengen. Dus, met behulp van zijn eigen fortuin, durf en energie, vulde hij de zee met schepen en de markten met graan. In feite voer hij zo veel dat er een overschot overbleef voor het gebruik van mensen buiten Italië. Zo ook in onze tijd. Onze overschotten zijn zo groot, dat we hiervan zouden kunnen leven, als we ze handig benutten. Iets dichter bij huis: dit geldt ook voor restwarmte. Vaak is dit een onbruikbaar product, dat op het verkeerde moment op de verkeerde plaats ligt. Dat biedt uitdagingen!
de uitdaging van een warmteoverschot Varende warmte: echt iets voor ons waterrijke Nederland De
ver
doorgevoerde
planologie
in
Nederland helpt ons een handje als het om varende warmte gaat. Concentraties van
De uitdaging voor alle overschot aan warmte is een oplossing te bedenken waarmee fysieke en tijdsafstand op een creatieve en veilige manier wordt overbrugd en waarbij de warmte op een hoog temperatuurniveau wordt vastgehouden. Dat kan alleen door de spelregels te veranderen. De ingenieurs van DWA bedachten zo’n oplossing.
zware industrie met veel restwarmte, worden afgewisseld door woongebieden
Spelregels
met stadsverwarming, veelal verbonden
De status quo van (fossiel) energietransport is dat we al millennia lang hout vervoeren, en meer
door groot open vaarwater. Dit zijn prima condities voor varende warmte.
dan tweehonderd jaar steenkool transporteren. Voor aardolie is dit honderd jaar, en voor gas een jaar of vijftig. Transport van warmte gaat tot op heden altijd per pijpleiding, met een maximale afstand van circa vijftien kilometer. Naast een kleinschalig concept van warmtetransport in containers bestaan er nauwelijks bewezen concepten voor de combinatie van grootschalige opslag en transport van warmte. Het concept van varende warmte beoogt de spelregels voor warmtetransport te veranderen. Transport van warmte hoeft niet meer per pijpleiding, en kan een grotere fysieke en tijdsafstand overbruggen dan tot op heden gebruikelijk. Hierdoor openen zich perspectieven die eerder technisch en/of economisch niet haalbaar waren. Context Om de landelijke duurzaamheidsdoelstellingen daadwerkelijk te behalen, is het noodzakelijk beschikbare restwarmte en duurzame warmte te benutten. Dit geeft een grote sprong voorwaarts in het op kosteneffectieve wijze terugdringen van de CO2-uitstoot. Reducties tot 80% zijn dan mogelijk. De focus moet daarbij voornamelijk liggen op bestaande woningen en utiliteitsgebouwen in gebieden met een hoge bebouwingsdichtheid. Warmtenetten zijn daar het meest rendabel. In Nederland is veel restwarmte beschikbaar. Oorzaken waarom deze restwarmte nog niet massaal benut wordt, zijn onder andere: •
In veel gevallen bevindt het warmteaanbod zich op een dusdanige afstand van de warmtevragers dat uitkoppelen via een transportleidingnet niet economisch haalbaar is.
•
De aanbieders zijn meestal niet bereid een langdurige overeenkomst aan te gaan, omdat zij de warmtelevering niet langjarig kunnen garanderen.
•
In de opstartfase van een warmteproject zijn er onvoldoende garanties dat er voldoende warmteafnemers gevonden kunnen worden die de investering in een transportleiding tussen het stadsdeel en de warmtebron rechtvaardigen.
•
Bancaire financiering van een transportnet, dat een hoge investering vooraf vraagt, stuit om de hierboven genoemde redenen vaak op problemen vanwege hoog ingeschatte risico’s.
Het transporteren en opslaan van warmte via schepen biedt een oplossing voor deze problematiek. Industriële gebieden met restwarmte zijn vaak gelegen aan het water, vanwege de aanvoer van brandstof en grondstoffen, de afvoer van het product, en niet te vergeten de mogelijkheid om afvalwarmte op het water te lozen.
Ten aanzien van duurzame energie en meer specifiek: duurzame warmte, geldt dat ook daar de ongelijktijdigheid van vraag en aanbod in snel toenemende mate uitdagingen biedt. Hier is niet de vraag van transporteerbaarheid het knellende punt, maar wel de overbrugging van de tijdsperiode tussen productie van duurzame energie en de vraag ernaar. Naarmate het opwekkingspotentieel aan duurzame energie groeit (vooral die vormen waarvan de opbrengst niet constant is, zoals zonne- en windenergie), wordt de behoefte aan opslag groter. Het innovatieve idee: varende warmte
bestaansrecht heeft. Vanaf ruim drieduizend woningequivalenten is
Het idee van varende warmte ontstaat door het geschikt maken
het transporteren van warmte met een duwbak economisch haalbaar.
(opschalen) van bestaande technologie voor warmteopslag, in
Gelet op de toepassing – verwarming in de bestaande bouw – is
combinatie met de voor Nederland meest kenmerkende infrastructuur:
smelttemperatuur vereist van het PCM van minimaal 80 °C. Een
het water. Zoals het vervoer over water voor bulkgoederen de
duwbak kan circa 800 GigaJoule aan warmte vervoeren. Een vast
concurrent is van het transport per trein of vrachtauto, zo geldt dat
leidingnet met een afstand van 15 kilometer tussen vraag en aanbod,
ook voor warmte.
wordt pas attractief vanaf circa 15.000 woningequivalenten.
De ver doorgevoerde planologie in Nederland helpt hierbij een handje.
Phase Change Materials: internationale stand der techniek
Concentraties van zware industrie met veel restwarmte, worden
Voor de hand liggend is om bij warmtetransport gebruik te maken van
afgewisseld door woongebieden met stadsverwarming, veelal
stoffen waarin per volume- en gewichtseenheid zo veel mogelijk
verbonden door groot open vaarwater. Dit zijn prima condities voor
warmte kan worden opgeslagen en waarbij de warmte kan worden
varende warmte.
afgegeven bij een geschikte temperatuur. PCM’s hebben veel van de gevraagde eigenschappen en zijn daarom geschikte opslagmaterialen
Doel
voor het transporteren van warmte. In Duitsland wordt PCM al
De doelstelling van varende warmte is het dusdanig ontwikkelen en
toegepast
optimaliseren van transport van warmte per schip (duwbak met
toekomstperspectief is Thermo Chemische Materialen (TCM’s) die
opslagtanks) dat dit binnen een jaar zowel technisch als financieel
per volume-eenheid veel warmte kunnen vasthouden. De
haalbaar is voor toepassing in de Nederlandse markt. Een belangrijk
ontwikkeling van TCM’s bevindt zich nog in de laboratoriumfase. Om
onderdeel bij varende warmte is het compact kunnen opslaan van de
deze reden is gekozen voor toepassing van PCM’s, die inmiddels in
warmte. Het gebruik van een Phase Change Material (PCM) biedt
voldoende mate beschikbaar zijn.
in
warmtecontainers
bij
wegtransport.
Het
hiervoor een goed perspectief. In een PCM wordt gebruikgemaakt van de relatief grote hoeveelheid energie die opgeslagen wordt c.q.
De meest veelbelovende PCM-categorieën zijn:
vrijkomt bij fase overgangen van massa (stollen/smelten). Naast de
• Paraffines en vetzuren (relatief duur, brandbaar, niet corrosief,
grote opslagcapaciteit hebben PCM’s ook het voordeel van een
stabiel)
langere opslagperiode en het opslaan van warmte bij een constant
• Zouthydraten (goedkoop, onbrandbaar, corrosief, minder stabiel)
(hoog) temperatuurniveau. Gebruik van een PCM kan in een bepaald
• Suikeralcoholen (nieuwe groep van PCM’s die nog in pre-
temperatuurgebied de warmteopslagdichtheid tot een factor drie
vergroten. De projectscope richt zich op het traject van onderzoek
Bij de ontwikkeling en toepassing van PCM’s ligt de uitdaging in het
naar en keuze van het geschikte PCM en het ontwerp van de
verkrijgen van een materiaal dat tegen lage kosten beschikbaar is,
opslagtank met warmtewisselaar, tot en met de keuze voor een
een hoge warmteopslagdichtheid vertoont in het te benutten
demonstratieproject. Internationale kennis van zowel PCM’s als
temperatuurgebied. Daarnaast moet het materiaal voor langdurig
warmtewisselaars is al beschikbaar en zal vooral moeten worden
gebruik stabiel blijven en dient het tevens hanteerbare risico’s te
opgeschaald (levensduur, laad/ontlaadtemperatuur, opslagcapaciteit
hebben voor veiligheid en gezondheid.
commercieel stadium zit)
en vermogen) Warmtewisselaar Concept en technologie
Warmtewisselaars voor kleinere PCM-opslagsystemen, zoals met
Randvoorwaarden
natriumacetaat zijn reeds bekend. Voor varende warmte zal een nieuw
Een verkennende studie die DWA medio 2013 in opdracht van de
type opslagsysteem met geïntegreerde warmtewisselaar worden
Provincie Zeeland uivoerde, heeft aangetoond dat varende warmte
ontworpen, dat voldoet aan de volgende eisen:
• Korte laadtijd (ordegrootte van een dag) • Langere ontlaadtijd (ordegrootte van dagen) • Eenvoudige constructie van de warmtewisselaar met lage productiekosten;
geschiktheid voor serieproductie
• Samenhang met het logistieke concept: optimalisatie laden, ontladen, transport en
investeringskosten. Het principe is dat met een minimale investering zo veel mogelijk
GJ’s jaarlijks kunnen worden getransporteerd.
Transportmodaliteit De transportmodaliteit is eigenlijk het eenvoudigste onderdeel van het concept. De basis is een duwbak, waarin de opslagtanks worden gemonteerd. Er zal met minimale aanpassingen gebruik gemaakt worden van beschikbare middelen, die commercieel goed verkrijgbaar zijn. Toepassingen In de loop van de ontwikkeling van het concept van varende warmte openen zich steeds meer perspectieven voor toepassingen. Waar het concept aanvankelijk alleen gericht is op toepassing van (mobiele) warmte voor de gebouwde omgeving, blijkt dat het concept vanuit de industrie ook op veel belangstelling kan rekenen. Dit geldt zowel mobiele (varende) als statische (warmteoptimalisatie) toepassingen. Zonder compleet te willen zijn, kunnen de volgende potentiële toepassingen worden genoemd: • Restwarmte uit de industrie koppelen aan stadsverwarmingsnetten • Piekcentrale in een stadsverwarmingsnet • Combinatie met geothermie; pieklevering • Afvalverbranders en biomassacentrales: optimalisatie rendement en subsidie • Warmteoptimalisatie in industriële batchprocessen • Duurzame warmte voor de industrie • Optimalisatie van warmtekrachtcentrales • Tuinbouwsector (in combinatie met duurzame warmte) • Power to heat (indien overschot aan duurzame elektriciteit uit wind of zon) Bij de consortiumleden zijn verschillende potentiële demonstratieprojecten bekend. Een concrete toepassing is mogelijk in de Provincie Zeeland, waar binnen de ‘Green Deal’ overeengekomen is een project met mobiele warmte te realiseren. De Provincie Zeeland is bereid dit uit te voeren. Betekenis voor de BV Nederland De betekenis van het concept van varende warmte voor Nederland is als volgt te schetsen. In de eerste plaats genereert het kennis op een gebied van energie-efficiencyverbetering en duurzame energie, zoals hierboven aangegeven. In de tweede plaats is deze kennis herbruikbaar in landen met een vergelijkbare economie en infrastructuur (Duitsland, Zweden, Denemarken, UK, België, voormalig Oostblok, USA). Hierdoor ontstaan exportmogelijkheden van zowel kennis als producten. Als derde punt kan genoemd worden dat de chemische industrie en haar toeleveranciers hiermee hoogwaardige producten kunnen ontwikkelen en leveren (PCM’s, warmtewisselaars). Tot slot biedt het concept van varende warmte werkgelegenheid: zowel voor de productie van de opslagen transportmiddelen, als voor de exploitatie ervan. De potentie voor varende warmte voor de gebouwde omgeving in de komende tien jaar wordt voor Nederland ingeschat als • Tot 2019: vijf projecten met een omvang van minimaal 3.500 woningen • Na 2019: per jaar minimaal twee projecten met een omvang van minimaal
3.500 woningen
• In deze inschatting is nog geen rekening gehouden met andere (industriële)
toepassingen die hierboven genoemd zijn.
Consortium Het consortium dat het concept varende warmte ontwikkelt bestaat uit: • DWA (concept, toepassingen) • ECN (PCM-onderzoek) • Bronswerk
Heat
Transfer
(ontwerp
warmtewisselaar en tank) • HVC (warmtebedrijf) • VSH (infra, business case) • Stemat (maritieme kennis) • ISPT
(Institute for Sustainable Process
Technology) Industriële partijen die geïnteresseerd zijn in dan wel actief betrokken zijn bij het project (stand 9 december 2013) zijn: • DOW Chemical: kennis van PCM’s en warmtewisselaars • Sabic: restwarmte • Tata Steel: restwarmte • Attero: restwarmte Een
viertal
provincies
stimuleert
de
ontwikkeling van varende warmte en heeft toezeggingen
gedaan
om
hierin
te
participeren. De participatie van provincies is belangrijk: zij vervullen een sleutelrol in regionale vraagstukken als warmtenetten en restwarmte.