Slimmer opslaan: hoe TNO warmteopslag optimaliseert

Duurzame energievoorziening

Voor een duurzame energievoorziening zijn verdere ontwikkelingen cruciaal. Zoals het verhogen van opslagtemperaturen, systemen beter in de ondergrond inpassen en het slimmer omgaan met seizoensfluctuaties. TNO werkt aan oplossingen voor deze uitdagingen, zodat het potentieel van warmteopslag volledig benut kan worden.

Het groeipotentieel van open bodemenergie

Open bodemenergie (OBES), Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in het Engels, levert al decennia betrouwbare warmte en koeling aan duizenden Nederlandse gebouwen. Van kantoren tot ziekenhuizen, van datacenters tot glastuinbouw. Deze bewezen technologie vormt een solide basis, maar de warmtetransitie vraagt om een volgende stap.

OBES gebruikt 2 of meer bronnen die gelijktijdig grondwater onttrekken en injecteren en de warmte via het grondwater opslaan en terugwinnen als de stromingsrichting tussen de bronnen wordt omgedraaid.

Martin Bloemendal is de lead scientist bij TNO voor warmteopslag: “De potentie in de ondergrond is enorm en nog deels onderbenut. Er zijn twee belangrijke uitdagingen: opschalen in temperatuurniveau en opschalen in aantallen. Waar standaard OBES, ook wel bekend als warmte-koudeopslag (WKO) werkt tot 25°C, openen hogere temperaturen nieuwe mogelijkheden.

Voor temperaturen tussen 25 en 50°C spreken we van midden-temperatuur OBES (MTO) en boven de 50°C van hoge-temperatuur OBES (HTO). Deze systemen kunnen warmte die in de zomer beschikbaar is op 40-90°C opslaan voor gebruik in de winter. Dit maak ze geschikt voor grootschalige warmtesystemen en industriële toepassingen.”

Een TNO-benchmarkstudie (in het Engels) toont aan dat HTO bij voldoende schaal, vanaf ongeveer 300.000 m³ opgeslagen warmwater per jaar, technisch en financieel aantrekkelijk wordt. Maar de voordelen gaan verder dan alleen kosten. HTO-systemen maken warmtenetten robuuster door extra bronnen toe te voegen en verdringen gasgestookte piekketels, wat direct bijdraagt aan CO2-reductie.

Innovaties voor gesloten bodemsystemen

Naast open systemen werkt TNO ook aan innovaties in gesloten bodemenergie systemen (GBES). In 2024 werder hier al zo’n 130.000 woningen mee verwarmd in Nederland. GBES gebruikt een gesloten buizensysteem waarin vloeistof circuleert die warmte uitwisselt met de ondergrond, zonder dat er grondwater wordt onttrokken.

TNO onderzoekt hoe GBES-systemen naar 400-800 meter diepte kunnen worden gebracht, waardoor het vermogen mogelijk vertienvoudigd wordt. Hoewel GBES de bodem als thermische buffer gebruikt, is de opslagcapaciteit beperkter dan bij OBES. Daarom richt TNO zich bij GBES vooral op collectieve toepassingen waar veiligheid van het grondwater cruciaal is.

Daarnaast werken we aan het goedkoper maken van OBES zodat het bij individuele woningen kan worden toegepast. OBES heeft de voorkeur voor grootschalige seizoensopslag.

Andere manier van denken nodig

Om het volledige potentieel van warmteopslag te benutten, is een verschuiving in ons denken nodig. Martin vervolgt: “Bij het huidige ontwerp van bodemenergiesystemen zitten veel veiligheidsmarges ingebouwd. Systemen hebben overcapaciteit om onzekerheden in gebruik en klimaat aan te kunnen. Daarom worden ze verder uit elkaar geplaatst dan onder normale omstandigheden nodig is.

Op plekken met grote vraag naar bodemenergie zorgt dit voor onnodige beperkingen. Vergunningen zijn eigenlijk virtuele piketpaaltjes in de ondergrond: je mag niet over elkaars paaltjes heen. Maar die piketpaaltjes staan nu veel te ruim.

We werken daarom aan nieuwe technische en ordeningsconcepten. Door slimmer om te gaan met de ondergrondse ruimte, kunnen we hier meer systemen kwijt, zonder dat de betrouwbaarheid in het geding komt. Dit vraagt om innovatieve ontwerpmethoden, betere monitoring en flexibelere vergunningverlening en beheer.”

Daarnaast geeft TNO inzicht in welke bodemlagen geschikt zijn voor bodemenergie, zodat ook nieuwe, diepere lagen kunnen worden benut.

Oplossingen voor de warmtetransitie

TNO werkt aan verschillende oplossingen voor de warmtetransitie, zoals de optimalisatie van seizoensopslag en techniek.

Seizoensopslag verder optimaliseren

Warmteopslag is van nature een oplossing voor seizoensfluctuaties, maar de uitdaging wordt groter als we volledig van het gas af willen. Daarom ontwikkelen we slimmere manieren om met deze onzekerheid om te gaan. Door meerdere gebouwen aan meerdere warmteopslagsystemen te koppelen, spreiden we risico's. Bij een warme winter gevolgd door een koele zomer vangen andere gebruikers in een geïntegreerd systeem de fluctuaties op.

Steeds vaker wordt warmteopslag ook ingezet tegen netcongestie. Bij overschot aan wind- of zonne-energie zetten power-to-heat systemen elektriciteit om in warmte voor opslag. Zo ontlast warmteopslag het elektriciteitsnet én creëert het een buffer voor periodes met minder duurzame opwekking. We werken aan het verbeteren van power-to-heat systemen en opslagcombinaties.

Technische optimalisatie

De verhoging van opslagtemperaturen is een belangrijk onderzoeksgebied. Maar voor systemen met temperaturen boven de 25°C is er geen formeel afwegingskader waaraan systemen moeten voldoen, onder andere door nadelige milieueffecten. Vergunningverlening is hiervoor dus complexer. TNO onderzoekt hoe we temperaturen kunnen verhogen zonder nadelige milieueffecten.

In Middenmeer monitort TNO de langetermijnprestaties van Nederlands eerste hoge-temperatuuropslag. Bij het Utrecht Science Park koppelt het ACCEL-UTES (in het Engels) project warmteopslag aan zonne-energie. Deze projecten leveren waardevolle inzichten voor verdere temperatuurverhoging. Bij temperaturen boven 100°C blijft water onder voldoende druk vloeibaar in de ondergrond, wat mogelijkheden opent voor industriële toepassingen.

Verder werkt TNO ook aan technische innovaties ten aanzien van het boren en ontwerp van de bronnen.

Beleidsondersteuning en kennisdeling

“We adviseren provincies over vergunningverlening en dragen bij aan discussies over regelgeving, zoals de conservatief vastgestelde 25°C-grens. Door 'digital twins' van de ondergrond kunnen overheden virtueel in de ondergrond 'kijken' zonder te graven. Hierdoor kunnen ze flexibeler vergunningen verlenen,” vervolgt Bijl.

Opgedane kennis wordt breed gedeeld via open tools zoals de Design Toolkit voor beleidsmakers, ThermoGIS voor potentieel en risico's van warmteopslag en DINOloket voor ondergrondgegevens.

Samenwerken met TNO

TNO werkt graag samen met partners die bezig zijn met duurzame warmte. We kunnen helpen bij:

• Optimalisatie van vraag en aanbod bij seizoensfluctuaties
• Complexe ondergrondvraagstukken waar standaardoplossingen niet volstaan
• Inzet en ontwikkeling van systemen met temperaturen boven de 25°C
• Opschaling naar wijkniveau, waar systeemintegratie, inpassing en ruimtelijke ordening samenkomen
• Integratie in en met warmtenetten, geothermie of power-to-heat
• Voorkomen van netcongestie door slimme inzet van warmteopslag en power-to-heat
• Nieuwe boortechnologieën om de warmtetransitie te versnellen
• Beleidsondersteuning en advisering over regelgeving

De warmtetransitie vraagt om nieuwe manieren van denken en werken. Onze expertise in warmteopslag draagt bij aan de warmtetransitie. Neem contact op met TNO om te kijken hoe we jouw warmteproject vooruit kunnen helpen.