Solarthermie

Thermische zonne-energie - warmte van de zon

Wat is solarthermie?
Solarthermie maakt gebruik van zonnecollectoren om zonlicht te absorberen en om te zetten in warmte. Solarthermie kan worden gebruikt voor diverse toepassingen:

1. Warmwaterproductie: Solarthermie kan worden gebruikt om warm water
   te produceren voor huishoudelijk gebruik, zoals douchen, afwassen en wassen.
2. Ruimteverwarming: Solarthermie kan worden gebruikt in combinatie met een verwarmingssysteem om ruimtes in woningen en gebouwen te verwarmen.
3. Industriële processen: het is mogelijk om temperaturen ver boven 100°C te bereiken met CSP (Concentrated Sun Power). Hiermee kunnen industriële processen worden voorzien van warmte, maar er kan ook een absorptiewarmtepomp worden aangedreven.

Zonnevelden of op daken?
De keuze tussen een zonneveld en zonnecollectoren op daken hangt af van de beschikbare ruimte, het energieverbruik en de specifieke omstandigheden van een project. Hier zijn de belangrijkste overwegingen:

Zonnevelden
Voordelen:

• Efficiëntie: Zonnevelden hebben over het algemeen grotere oppervlakte waardoor men gebruik kan maken van de positieve effecten van schaalgrootte in energetische en economische zin. Daarnaast kunnen ze beter geoptimaliseerd worden voor zoninstraling.
• Schaalbaarheid: Zonnevelden kunnen gemakkelijker worden uitgebreid naarmate de energiebehoefte groter wordt.
  

Nadelen:

• Grondgebruik: Zonnevelden vereisen een aanzienlijke grondoppervlakte en kunnen daarom ten koste gaan van landbouwgrond, woningbouw of natuurgebied.
•  Infrastructuur: Ze hebben mogelijk extra infrastructuur nodig voor het transporteren van de opgewekte energie naar gebruikers.

Daken
Voordelen:

• Ruimtebesparend: Ze maken optimaal gebruik van beschikbare dakruimte zonder extra landgebruik.
• Integratie: Zonnecollectoren op daken kunnen esthetisch en installatie technisch worden geïntegreerd in een ontwerp van een nieuw gebouw.
• Onafhankelijkheid: Elk gebouw kan maximaal voorzien in zijn energiebehoefte, hetgeen de afhankelijkheid en de netcongestie beperkt.

Nadelen:

• Beschikbaarheid: Met name bij bestaande woningen zijn daken al voorzien van PV panelen voor de opwekking van elektriciteit.
• Seizoensopslag: inzet voor ruimteverwarming vergt opslag. Dit vergt een centrale oplossing en een warmtenet.

De potentie van solarthermie
Binnen warmtenetten heeft solarthermie een interessante positie ten opzichte van andere warmtebronnen vanwege zijn specifieke voordelen en mogelijkheden. Hier zijn enkele belangrijke aspecten van de positie van solarthermie in vergelijking met andere bronnen binnen warmtenetten:

• Duurzaamheid en beschikbaarheid: Solarthermie maakt direct gebruik van de bron van alle energie op aarde: de zon.
  Duurzaamheid en beschikbaarheid staan niet ter discussie.
• Temperatuur: Solarthermie biedt de mogelijkheid om warmte van een hogere temperatuur te produceren dan het geval is bij aquathermie. Wel neemt de warmteproductie van een paneel af naarmate de gevraagde temperatuur van de warmteproductie hoger is.
• Netcongestie: Solarthermie biedt de mogelijk om lokaal een maximale hoeveelheid energie zelf op te wekken. Met name bij de combinatie van warmte opwekking en elektriciteitsproductie met PVT panelen (een soort zonnepanelen die zowel elektriciteit als warmte kunnen genereren uit zonne-energie) en warmte opslag.
• Integratie met andere warmtebronnen: Solarthermie met seizoensopslag kan goed samengaan met andere warmtebronnen. Door combinatie met andere duurzame warmtebronnen, geothermische energie, aquathermie of restwarmte, kan solarthermie aanvullende warmte leveren wanneer de capaciteit van de andere bronnen onvoldoende is.

Waar wordt solarthermie voor warmtenetten al toegepast?
Elders in Europa en met name in Denemarken wordt solarthermie veelvuldig toegepast voor warmtenetten. In Denemarken zijn veel warmtenetten ontwikkeld sinds de eerste energiecrisis in de jaren ’70. De aanwezigheid van aardgas maakte dat Nederland pas veel later hoefde te gaan nadenken over duurzame alternatieven.

Innoforte heeft diverse projecten bezocht in Denemarken. De daar gemaakte keuzes en de energetische prestaties zijn gebruikt om de module ‘solarthermie’ uit het rekenmodel Caldomus te valideren. Op basis van de opgedane ervaring en de toepassing van innovatieve zonnepanelen voorzien we veel potentie voor solarthermie in Nederland.

Seizoensopslag
Om voldoende warmte te kunnen leveren in de winter (collectoren wekken weinig warmte op in de winter) is seizoensopslag nodig. Diverse systemen zijn mogelijk. Van elk systeem zijn volume en opslagtemperatuur de belangrijkste parameters.

PIT storage:
Pit storage is de meest voorkomende vorm van seizoensopslag en wordt veel toegepast in Denemarken. Pit storage bestaat uit een kuil in de grond gevuld met water. Het reservoir is bekleed met een waterdichte isolerende laag en heeft een geïsoleerde afdekking.

HoCoSto
HoCoSto is een nederlandse ontwikkeling waarbij een frame in een pit storage wordt geplaatst. Door dit frame gaat het grondoppervlakte gebruikt voor de opslag niet geheel verloren, maar kan voor verschillende toepassingen worden gebruikt. Een nadeel van deze methode is dat het frame in de opslag zorgt voor thermische geleiding en tot gevolg heeft dat de opslag een mindere mate van thermische gelaagdheid heeft. Er ontstaat meer menging in de opslag waardoor het effectieve opslagrendement lager wordt.

Ecovat
Een andere Nederlandse oplossing om het benodigde grondoppervlak te reduceren is het EcoVat. Dit is een groot geïsoleerd vat met een capaciteit van tussen de 40.000 en 98.000 m3, dat ondergronds wordt geplaatst. Boven het Ecovat is ruimte voor bijvoorbeeld groenvoorziening of zonnecollectoren. EcoVat heeft een betere isolatie dan gangbare pit storage. Helaas zijn ook de kosten van EcoVat een stuk hoger.

WKO en HTO
Warmte en Koude Opslag (WKO) in watervoerende grondlagen (aquifers) is een Nederland gangbaar systeem. In de gebruikelijke lagen (op 50 tot 200 meter diepte) is de temperatuur echter te laag voor effectieve opslag van zonnewarmte. Een nieuwe ontwikkeling is HTO (Hoge Temperatuur Opslag) in aquifers op grote diepte (>500m). Op deze diepte is de temperatuur hoger. In Nederland is recent ervaring opgedaan met HTO.

Zonnecollectoren
De zonnecollector vormt de basis van het solarthermiesysteem. Een collector bestaat meestal uit platte panelen of vacuümbuizen met een donkere absorberende coating. Deze absorberende materialen helpen zonlicht te absorberen en de energie om te zetten in warmte.
Er zijn verschillende hoofdsoorten collectoren:

Vlakke plaat collector

De meest gebruikte zonnecollectoren zijn vlakke plaat collectoren. Deze collectoren zijn gemaakt van een dun rooster waar het medium doorheen stroomt en wordt verwarmd. Om hogere temperaturen te bereiken, worden collectoren bedekt met een laag glas. Een typische temperatuur van de warmteproductie voor vlakke plaatcollectoren is 70°C.

PVT collector

Een opkomend type collector is de PVT-collector. Deze collectoren bestaan uit een thermisch gedeelte (T) en een elektrisch gedeelte (PV). In principe wordt een vlakke plaat collector achter een PV-paneel geplaatst.Dit heeft twee voordelen. Ten eerste wordt er per vierkante meter meer energie opgevangen: een deel wordt omgezet naar elektriciteit en een ander deel naar warmte. Daarnaast wordt het PV-paneel gekoeld door het thermische gedeelte, wat de PV-efficiëntie ten goede komt. Een typische temperatuur van de warmteproductie is 50°C.

Vacuüm collector

Wanneer hogere temperaturen dan 70°C gewenst zijn, kan gebruik worden gemaakt van vacuümtechniek. Het toepassen van vacuüm in zonnecollectoren zorgt voor een hoog opwekrendement bij hogere temperaturen. De keerzijde is dat deze collectoren fors duurder zijn. Tot enkele jaren geleden werden alleen vacuümbuis collectoren geproduceerd die gebruik maken van vacuüm technologie. Tegenwoordig zijn er ook voorbeelden van vacuüm vlakke plaat collectoren en vacuüm PVT-collectoren.

Systeemontwerp

Een solarthermie systeem bestaat uit een collectorveld voor de opwekking, seizoensopslag, een warmtecentrale met warmtepomp en een warmtenet.

Bij elk van deze onderdelen zijn belangrijke keuzes te maken. Denk hierbij aan bijvoorbeeld:

• Aanpassingen in de woningen (isolatie, renovatie, afgiftesystemen) ter reductie van de warmtevraag en van de benodigde temperatuur
• Aanvoer en retour temperatuur van het warmtenet
• Capaciteit van de warmtepompen en de regelstrategie
• Piek- en back-up voorziening
• Uitvoering, capaciteit, temperatuurregime en regelstrategie van de seizoensopslag
• Type, aantallen en temperatuurregime van het collectorveld

De centrale vraag is waar het optimum ligt qua duurzaamheid, integrale kosten, flexibiliteit en ruimtebeslag.

Caldomus solarthermie module

Het rekenmodel Caldomus van Innoforte simuleert op uurbasis alle mogelijke systeemontwerpen. De warmtevraag wordt gekoppeld aan klimaatfiles of aan dynamische vraagpatronen van bestaande, vergelijkbare warmtenetten.

De warmteproductie is gebaseerd op aantallen, typen, regelstrategie en ingestelde temperatuur of flow en wordt gekoppeld aan een passende klimaatfile van een gestandaardiseerd referentiejaar. Caldomus berekent per uur het samenhangende gedrag van alle onderdelen in de warmteketen. Hierdoor ontstaat inzicht in onder andere de kosten van de gehele warmteketen (capex en opex), de CO2 emissies en de gevoeligheden voor veranderende omstandigheden.