Hoe werken warmtepompen, wat zijn hun sterktes? In welke toepassingen kunnen ze een significante bijdrage leveren aan de energietransitie? En welke hinderpalen zijn er voor implementatie? In dit artikel gaan we dieper in op elk van deze aspecten. Is een warmtepomp interessant voor uw bedrijf? In dit artikel komt u het zo te weten!
Hoe werkt een warmtepomp?
Beginnen doen we bij het begin. Namelijk: hoe werkt een warmtepomp. In feite is een warmtepomp het best vergelijkbaar met een omgekeerde koelkast. Ze verpompt, net als een koelkast, warmte van een kouder naar een warmer niveau. In tegenstelling tot onze koelkast is het bij een warmtepomp de warme kant waarnaar onze interesse uitgaat. Aan de koude kant wordt de warmtepomp gevoed met (gratis beschikbare) laagwaardige warmte. Deze warmte kan afkomstig zijn van verschillende bronnen: de buitenlucht, de bodem, het grondwater of restwarmte uit een proces of een warmtenet.
De warmtepomp waardeert de laagwaardige warmte op en geeft ze af aan een hogere temperatuur door middel van een compressor. Enkel die compressor heeft een elektrisch verbruik. Het grootste deel van de opgewekte warmte is afkomstig van de laagwaardige warmtebron.
Onderstaande figuur toont het principeschema. Een werkingsfluïdum (meestal een koelmiddel) neemt warmte bij lage temperatuur (TK) op in een verdamper waardoor het verdampt. Het fluïdum wordt vervolgens gecomprimeerd in de compressor met elektrische energie. De temperatuur en druk van het fluïdum stijgen daardoor, waarna de warmte aan een hogere temperatuur (TW) wordt afgegeven: aan lucht of aan water.
De efficiëntie van een warmtepomp
Hoe bepaal je nu hoe efficiënt een warmtepomp is? Daarvoor werd de COP of “Coefficient of Performance” gedefinieerd. De COP meet de verhouding tussen de hoeveelheid (nuttig) afgegeven warmte en de verbruikte hoeveelheid elektriciteit om die warmte te genereren. Hieronder is de formule van de theoretische COP weergegeven. Deze hangt enkel af van de temperatuur aan warme en koude kant.
TK (de ‘koude temperatuur’) is de temperatuur in Kelvin van de gebruikte warmtebron aan de primaire kant van het principeschema hierboven. TW (de ‘warme temperatuur’) is de afgiftetemperatuur die de warmtepomp ontwikkelt aan de secundaire kant.
In de praktijk moet nog het Carnot-rendement, typisch 50-80%, in rekening gebracht worden.
Algemeen geldt dus volgende vuistregel:
Onderstaande grafiek geeft de COP weer van een doorsnee warmtepomp bij verschillende bron- en afgiftetemperaturen. Het vermogen van de machine varieert tussen 50 en 200 kW thermisch naargelang het gekozen type en de temperatuurslift.
In de grafiek zie je dat een warmtepomp efficiënter wordt (de COP stijgt) naarmate de ingaande (TK) en afgiftetemperatuur (TW) dichter bij elkaar liggen. Warmtepompen zijn bij uitstek geschikt voor verwarming op een lage temperatuur zoals vloerverwarming bij gebouwen of droogtoepassingen in de industrie. Bij hogere temperaturen, bijvoorbeeld 80°C komen ze best tot hun recht als er restwarmte, bijvoorbeeld op 35°C, ter beschikking is.
Heeft een warmtepomp een COP van 4? Dan is 75% van de warmte bij de afgiftetemperatuur afkomstig van de laagwaardige warmtebron. Slechts 25% van de geleverde energie komt van elektriciteit.
Koeling en verwarming voor dubbele winst?
We schreven al dat een warmtepomp in feite werkt als een omgekeerde koelkast, of bij uitbreiding een omgekeerde koelmachine. Veel industriële warmtepompen zijn omgekeerd geconfigureerde chillers. De grootste opportuniteit voor warmtepompen in de industrie kan gevonden worden bij dié situaties waar tegelijk vraag is naar koude en warmte. De warmte van de koelinstallatie gaat dan niet langer naar een condensor/koeltoren om weggekoeld te worden, maar wordt nuttig ingezet om een bestaande warmtevraag in te vullen, eventueel nadat de warmte in een tweede stap nog een extra temperatuurslift krijgt. Onderstaande illustratie van GEA geeft dit mooi weer. De uitgaande warmte van de chiller (33°C) dient als warmtebron voor een warmtepomp die warm proceswater maakt van 80°C. Door de hoge brontemperatuur kan dit met een COP van 6, waardoor dit efficiënter is dan een aardgasketel.
Warmtepompen in de energietransitie
Warmtepompen kunnen in de energietransitie bijdragen tot het uitfaseren van fossiele brandstoffen, met name door ze in te zetten bij de elektrificatie van de warmtevraag. Als tegelijk gewerkt wordt aan vergroening van de elektriciteitsproductie, leidt dit tot een bijkomende reductie van de CO2-emissies voor warmte. In tegenstelling tot een elektrische weerstand wordt bij een warmtepomp de verbruikte elektriciteit 2 tot 6 maal efficiënter ingezet. Waar de temperatuurniveaus het toelaten, hebben warmtepompen dus de voorkeur boven aardgasketels of een zuivere elektrische weerstand.
Vergeleken met een condenserende aardgasketel, kan men stellen dat bij elektriciteitsopwekking met aardgas met een rendement van 50%, een COP van 2 op energetisch vlak vandaag al voldoende is om het aardgas op een even efficiënte manier te benutten als de condenserende ketel. Bij hogere COP’s realiseert men een tweevoudige winst: de energie-efficiëntie verhoogt en het verbruik van primaire energie en de CO2-emissies verminderen. Kunnen we hernieuwbare energie inzetten, dan kunnen de CO2-emissies tot nul teruggebracht worden.
Concrete case: verwarming industrieel tankpark
Bij wijze van voorbeeld onderzochten we de toepassing van warmtepompen voor de verwarming van een tankpark voor verwarmde opslag van producten. Enerzijds werd het scenario uitgewerkt van een tankpark met een bewaartemperatuur van 40°C (TP40, verwarmingskring op 55°C) en daarnaast hetzelfde tankpark met een bewaartemperatuur van 60°C (TP60, verwarmingskring op 75°C). In ons onderzoek vergeleken we de huidige situatie (verwarming met stoom op aardgas) met zuivere elektrische verwarming en enkele configuraties met een warmtepomp. Bij de warmtepomp-scenario’s werd gevarieerd met de bron van de warmte, namelijk: buitenlucht, dokwater en restwarmte op 35°C.
Onderstaande grafiek toont de CO2-emissies voor opwekking van 1 MWh warmte, met verschillende opwekkingsmethodes. Voor elektriciteitsopwekking werd gerekend met een emissiefactor van 400 kg CO2/MWhe.
Scenario 1 is verwarming via aardgas (stoom). De gewenste temperatuur (TP40 of TP60) heeft hierbij geen invloed op de CO2-emissies per MWh nuttige warmte. Dit is ook zo bij zuivere elektrische verwarming (scenario 2). De scenario’s 3-5 zijn scenario’s op basis van een warmtepomp. We zien hier dat TP40 in het voordeel is ten opzichte van TP60, omdat de gevraagde temperatuur van de warmte lager is. De warmtepomp haalt een hogere COP.
Tot slot zien we dat, zowel voor TP40 als TP60, dokwater als warmtebron net iets efficiënter is dan lucht. Verdere studie moet uitwijzen of dit voordeel opweegt tegenover de bijkomende investeringskost. Het gebruik van restwarmte geeft een aanzienlijke boost aan het voordeel van de warmtepomp.
Wat houdt de doorbraak van warmtepompen tegen?
Gezien hun efficiëntie zou men meer warmtepompen verwachten dan er momenteel geïmplementeerd zijn. Toch breken ze momenteel (nog) niet door. De oorzaak? Enerzijds is er in de industrie het “gemak” van te werken bij hoge temperaturen. De vraag of het proces ook met lagere temperaturen overweg kan, is vaak nog niet gesteld. Daarnaast is er de financiële kant. Warmtepompen zijn duurder in aankoop dan aardgasketels, en ook de verhouding tussen de prijs van aardgas en die van elektriciteit zit momenteel niet mee. De elektriciteitsfactuur is vandaag een belastingbrief met een scala aan taksen en toeslagen die weinig met elektriciteit te maken hebben. Een taks-shift van de elektriciteitsfactuur richting fossiele brandstoffen is het ultieme zetje dat de warmtepomp nodig heeft om door te breken. In afwachting daarvan ligt de focus van projecten momenteel op winstgevende combinaties tussen koeling en warmtepompen of warmtepompen met hoge brontemperaturen zoals bijvoorbeeld aangeleverd door restwarmte.
