Koeling van de koude grond

Waar het 's zomers te warm is en 's winters te koud, zou opslag van warmte en kou uitkomst kunnen bieden. Opslag van koude heeft de beste papieren Jas aan, jas uit? Wie zich 's morgens warm inpakt loopt 's middags te puffen. Vraag en aanbod van warmte en kou zijn in het dagelijks leven meestal slecht op elkaar afgestemd. Daardoor gaat veel energie verloren. Op zonnige dagen snort in menig gebouw de airconditioning, maar zodra het buiten frisser wordt moet de verwaming al weer aan.

Warmte-opslag lijkt hier het antwoord. Opgevangen zonnewarmte kan men 's avonds gebruiken, 's zomers opgewarmd water kan in de bodem worden bewaard voor verwarming in de winter. Pionieronderzoek werd in Zweden verricht met opslag van zonnewarmte in steen. In de Groningse wijk Beijum werd een experiment uitgevoerd, waarbij 96 huizen met zonnecollectoren werden uitgerust. Het opgewarmde water werd via slangen door de grond geleid, waarbij de slangen werden "getrild' om hun warmte aan de bodem af te staan. Dat alles leidde tot de spijtige conclusie dat het systeem uitstekend voldeed, maar te duur was voor grootschalige toepassing. Het afgraven van de grond en het aanbrengen van de slangen is tamelijk bewerkelijk.

Eenvoudiger lijkt het idee om warm water op te slaan in een zogenaamde aquifer, een watervoerende laag in de bodem, meestal een zandlaag tussen twee water-ondoorlatende kleilagen. Het warme water kan dan rechtstreeks in de grond worden gepompt en vervangt het oorspronkelijke grondwater in de aquifer. Later wordt het water weer opgepompt en gebruikt.

In verschillende landen is hiermee ervaring opgedaan. In principe is 80 procent van de Nederlandse bodem geschikt als aquifer. De zandlaag kan enkele meters dik zijn, soms zelfs honderden meters. Het idee is met succes toegepast bij het kantoor van Bredero in Bunnik, waarbij niet alleen zonnewarmte, maar ook restwarmte van de computerruimte werd opgeslagen, terwijl de installatie bovendien werd uitgebreid met een warmtepomp. Dat bleek, althans bij de energieprijzen van begin jaren tachtig, rendabel.

Pas later kwam men op het idee om ook koud water op te slaan. Dat kan dan op warme dagen worden gebruikt voor koeling van bijvoorbeeld bakkerijen of drukkerijen. Waarschijnlijk kleven aan koudeopslag minder technische problemen en daarom zal het rendabeler zijn dan warmte-opslag.

In China is koude-opslag al sinds 1960 gemeengoed. Op veel plaatsen waar vroeger grondwater voor koeling werd gebruikt is men overgeschakeld op koude-opslag om verspilling van grondwater tegen te gaan. In Zweden werden de eerste haalbaarheidsstudies verricht na de eerste olieciris van 1973, tussen 1980 en 19990 zijn zo'n 50 projecten voor warmte- en of koudeopslag van de grond gekomen, waarbij het water wordt opgeslagen in aquifers, in tanks of boorgaten in harde rotsformaties. Zo maakt ook het in 1988 opgeleverde hoofdkantoor van de Scandinavische luchtvaartmaatschappij SAS gebruik van seizoensopslag voor koeling en (voor-) verwarming van de gebouwen. Dat bespaart per jaar zo'n 150.000 gulden aan energiekosten, terwijl de investeringskosten overeenkwamen met die voor een conventioneel systeem. Ook Canada, waar het klimaat schommelt van -35 tot +30 ºC en veel geschikte aquifers bestaan, heeft een enorm potentieel voor seizoensopslag. In ons land is het klimaat minder extreem, maar de elektriciteitsprijs is hoger, 15 tot 18 cent per kWh tegenover 10 cent per kWh in Zweden en Canada.

De Volkskrant

De Nederlandse primeur voor koudeopslag berust bij de Perscombinatie in Amsterdam, waar de Volkskrant, Trouw en Het Parool worden gedrukt. In 1987 werd de drukkerij gemoderniseerd, waarbij een nieuwe offsetpers werd geplaatst, die veel warmte afgeeft. 's Winters vindt koeling plaats aan de buitenlucht, maar zodra het kwik boven de 11 graden stijgt komen de koelmachines op gang. Na de renovatie was een extra koelmachine nodig, maar een koelmachine is een energievreter bij uitstek. Bovendien dragen de gebruikte CFKs bij aan de afbraak van de ozonlaag. Daarom werd door Heidemij Adviesbureau en Techniplan Adviseurs een alternatief plan ontwikkeld, waarbij in extra koelcapaciteit wordt voorzien door winterkou op te slaan voor de volgende zomer.

Het principe is eenvoudig. Via een put wordt grondwater uit een ondergrondse zandlaag onder het bedrijfsterrrein in Amsterdam omhoog gepompt. Op het dak staan grote waterkoelers waarin het grondwater met behulp van warmtewisselaars aan de buitenlucht wordt gekoeld van 10 naar 6 ºC.Daarna wordt het afgekoelde water via een andere put weer in de zandlaag gepompt. Het koude water verdringt het oorspronkelijke grondwater rond de put. De afstand tussen de koude en de warme bron bedraagt zo'n 75 meter. Het water wordt ongeveer 100 meter diep in de grond gepompt.

Is het buiten kouder dan 4 graden, dan wordt de koude-opslag volgeladen. Is het warmer dan 11 graden dan wordt deze voorraad aangesproken. Om het enorme reservoir helemaal te vullen, moet 's winters 200.000 kubieke meter water worden opgepompt, afgekoeld en weer in hetzelfde pakket teruggeperst. Dat levert een koelcapaciteit van 550 kilowatt. De totale koelcapaciteit in het bedrijf bedraagt sinds de renovatie 1650 kilowatt, waarvan tweederde voor de drukkerij en eenderde voor de kantoren.

Technisch gezien functioneert het hele systeem uitstekend, maar ongelukkig genoeg volgde prompt na de installatie, eind 1987, een van de zachtste winters van deze eeuw. De koude-opslag werd nog niet voor een kwart gevuld. Ook de volgende twee winters waren uitzonderlijk zacht - zo'n rijtje winters tref je statistisch gezien maar eens in de 300 jaar. Dat kwam slecht uit, temeer omdat dit systeem een aanlooptijd van enkele jaren nodig heeft. Aanvankelijk gaat iets meer dan de helft van de ondergronds opgeslagen kou verloren aan de omgeving, pas na een jaar of drie wordt een opslagrendement van zo'n 70 procent bereikt. Pas de afgelopen winter is het voor het eerst gelukt om de koude-opslag van 200.000 kubieke meter helemaal vol te krijgen.

In totaal kan daarmee jaarlijks iets meer dan 1000 Megawatt uur (aan "kou', of liever gezegd, aan "thermische energie') worden opgeslagen. Daarmee kan dan per jaar zo'n 250 Megawatt uur (aan elektrische energie) op het elektriciteitsverbruik worden bespaard. Aan koeling is men nu 50 procent minder stroom kwijt dan wanneer voor een conventionele mechanische koelmachine was gekozen. Daar staat een meerinvestering van 410.000 gulden tegenover. Bij normale winters werd daarvoor een terugverdientijd becijferd van 8,5 tot 10,2 jaar. Door de warme winters echter zijn de opbrengsten enigszins tegengevallen. Anderszijds zorgt de extra subsidie van de EG en van het Ministerie van Economische Zaken ervoor, dat de terugverdientijd van dit demonstratieprojekt voor de Perscombinatie beperkt blijft tot vijf jaar. Het totale projekt heeft ruim een miljoen gulden gekost inclusief voorstudies en drie jaar vervolgonderzoek.

Een probleem apart is dat bij dit gebouw, zoals overal in Amsterdam, van nature veel zetting optreedt, een proces dat nog 20 tot 25 jaar zal duren zolang de onderliggende veenlagen in beweging zijn. Metingen wijzen uit dat de extra zetting door het koude-opslagprojekt te verwaarlozen is en hooguit enkele millimeters bedraagt. Een speciale eis aan dit ontwerp was dat de putten en andere voorzieningen allemaal onder de grond weggewerkt moesten worden. Zware vrachtwagens die elke dag 120 rollen papier aan de drukkerij leveren moeten daar overheen kunnen rijden. Dat maakte het ontwerp er niet goedkoper op.

De aquifer bevat brak tot zout water, tamelijk hard van kwaliteit en ijzerhoudend. Het systeem moet daar tegen bestand zijn. Daarom is gekozen voor kunststof leidingen. Bij de pompen en enkele andere stalen onderdelen zijn geen serieuze problemen ontstaan. Om oxydatieproblemen te voorkomen moet worden gezorgd dat er geen zuurstof in het water komt. Zolang zuurstof en voedingsstoffen ontbreken krijgen micro-organismen in het circuit geen kans en bovendien is het water daarvoor veel te zout.

Koude-opslag kan bij allerlei industriële sectoren, zowel voor de koeling van processen als van gebouwen interessant zijn, waarschijnlijk eerder dan warmte-opslag, omdat het technisch eenvoudiger en dus goedkoper is. ""Het probleem is dat de energieprijzen op dit moment nog relatief laag zijn'', zegt ir. L.J.M. van Loon van Heidemij Adviesbureau. ""Begin jaren tachtig zag het er naar uit dat de energieprijzen wat harder zouden stijgen en dan komen zulke technieken economisch wat sneller in beeld. Zoals het er nu voorstaat is warmte-opslag nog wat marginaal, koude-opslag is duidelijk kansrijker.'' Volgens Van Loon speelt daarbij mee dat steeds meer provincies een grondwaterbeschermingsplan maken. Zij geven geen vergunningen meer om grondwater voor koelingsdoeleinden te onttrekken en vervolgens op het oppervlaktewater te lozen. Bij koude-opslag wordt het grondwater niet permanent aan de bodem onttrokken, maar alleen "geleend'. In feite is het een gesloten systeem en daarom vanuit milieu-oogpunt een aantrekkelijk alternatief.

""Voor een ondernemer ligt de grens meestal bij een terugverdientijd van hooguit vijf jaar'', zegt Van Loon. ""Uit onze modelberekeningen blijkt dat voor sommige bedrijven de investering in koude-opslag meteen al goedkoper is dan mechanische koeling. Dan heb je helemaal geen terugverdientijd nodig.''

Voor middelmatig grote, nieuw te bouwen kantoren met een vloeroppervlak boven de 10.000 vierkante meter lijkt koude-opslag aantrekkelijk.

Inmiddels zijn ook op het gebied van warmteopslag interessante nieuwe ontwikkelingen gaande. De Rijksuniversiteit Utrecht beschikt bij haar nieuwe gebouwen op de Uithof in Utrecht over twee eigen warmte-krachtcentrales, waar aardgas wordt gebruikt om elektriciteit en warmte op te wekken. Het universiteitscomplex, waar 24.000 studenten en 8000 medewerkers rondlopen, verbruikt per jaar zo'n 10 miljoen kubieke meter aardagasequivalent voor verwarmingsdoeleinden, het elektriciteitsverbruik is bijna 40 miljoen kWh per jaar. Voor zo'n grootverbruiker is een eigen warmte-krachtinstallatie aantrekkelijk, maar voor de warmte is 's zomers als de verwarming uit staat onvoldoende emplooi. Sinds het voorjaar van 1991 wordt die warmte in de zomer op meer dan 200 meter diepte in de bodem opgeslagen in de vorm van water van 90 graden Celsius. Het opslagrendement bedraagt 60 tot 70 procent. Behalve om de bedrijfstijd van een warmte-krachtinstallatie in de zomer te verlengen kan zo'n systeem ook interessant zijn als een gratis afvalwarmtebron beschikbaar is, bijvoorbeeld bij een vuilverbranding. Volgens de Novem bedraagt de terugverdientijd (althans, voor een herhalingsproject waarvoor minder voorstudies nodig zijn) vijf jaar. Met een opslagsysteem van deze capaciteit kan 350.000 gulden per jaar worden bespaard, maar daarvoor moet dan eerst twee miljoen (exclusief BTW) op tafel komen. Voorlopig bestaan daar nog subsidies voor.

Hoe dat bevalt moet de komende twee jaar op de Uithof blijken.