Aquathermie: warmte uit water

Water zélf kan een bron zijn van energie. Met aquathermie is het mogelijk koude en warmte te benutten uit oppervlaktewater, afvalwater en drinkwater. Wel is het van belang om bij de toepassing rekening te houden met mogelijke onbedoelde neveneffecten, bijvoorbeeld op drinkwater. Onder welke randvoorwaarden is aquathermie een duurzame bron voor warmte of koude?

Aquathermie kan een belangrijke rol spelen in de energietransitie. Maar net als voor andere koude- en warmtetechnieken, zoals geothermie en Warmte-Koudeopslagsystemen (WKO’s), geldt ook voor aquathermie dat het alleen duurzaam is als eventuele risico’s zoveel mogelijk worden beperkt of uitgesloten.

Aquathermie werkt als een warmtewisselaar, maar dan met oppervlaktewater, afvalwater of drinkwater als medium. “In water zit koude en warmte”, vertelt Benno Schepers, themaleider Duurzame Steden bij onderzoeks- en adviesbureau CE Delft. “De temperatuur van water kan erg variëren. In de winter is oppervlaktewater ongeveer 7 graden, maar in de zomer kan het door de zon opwarmen tot 25 graden. Restwarmte die vanuit de industrie in een rivier terechtkomt, heeft ook invloed op de watertemperatuur. Daarnaast kan water in een drinkwaterleiding opwarmen of afkoelen door de temperatuur van de bodem.”

Aquathermie kent drie varianten: thermische energie uit oppervlaktewater (TEO), uit afvalwater (TEA) en uit drinkwater (TED).

• Thermische energie uit oppervlaktewater
  TEO maakt gebruik van warmte uit oppervlaktewater, zoals een rivier of waterplas. Dat water wordt via een warmtenet naar woningen of gebouwen geleid. Daar kan het via een warmtewisselaar worden overgedragen voor direct gebruik of opslag in de bodem, in een WKO-systeem. Het afgekoelde water gaat weer terug naar het oppervlaktewater waaraan de warmte onttrokken is.
• Thermische energie uit afvalwater
  Bij TEA wordt de warmte ingezet die afkomstig is van het gezuiverde afvalwater afkomstig van rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI). TEA is iets anders dan riothermie, waarbij warmte uit wegstromend douche- of afwaswater met een warmtewisselaar van de rioolleiding wordt overgezet naar het warmtenet voor hergebruik.
• Thermische energie uit drinkwater
  Bij TED wordt gebruik gemaakt van warmte en koude uit drinkwater. Vanuit de drinkwaterleiding kan warmte of koude via een dubbelwandige warmtewisselaar worden overgedragen voor direct gebruik of opslag in de bodem in een WKO-systeem. Het drinkwater stroomt vervolgens weer het drinkwaterleidingnet in.

Aquathermie gaat dus vaak samen met warmte- en koudeopslag in een WKO-systeem. Zodra huizen of gebouwen in de winter verwarmd moeten worden, wordt water uit de ondergrondse warmwaterbel omhoog gepompt en met tussenkomst van een warmtepomp op de gewenste temperatuur gebracht. Het koude water uit de winter kan in de zomer worden ingezet voor koeling van gebouwen.

Het is belangrijk dat aan de ontwikkeling van aquathermie goede randvoorwaarden worden gesteld, zegt Andreas Moerman, onderzoeker bij KWR Water Research Institute. “Als je aquathermie op een juiste manier toepast, heeft het vooral voordelen. Een belangrijke voorwaarde is wel dat het winnen van thermische energie uit drinkwater (TED) – de enige van de drie die direct gerelateerd is aan drinkwater – geen invloed mag hebben op de drinkwaterkwaliteit. Bij KWR doen we onderzoek naar de microbiologische effecten van TED en helpen we met berekeningen om zoveel mogelijk rendement uit de techniek te halen.”

Frank Oesterholt, senior onderzoeker bij KWR ziet belangrijke voordelen bij de inzet van aquathermie. “Het onttrekken van warmte vermindert de kans op bacteriegroei van drinkwater in leidingen in warme zomerperioden. Daarnaast heeft het temperatuurverschil door koudeonttrekking nauwelijks invloed op de waterkwaliteit. Door menging van waterstromen blijft het temperatuurverschil namelijk beperkt tot enkele graden.”

Wel moet bij milieuvoordelen rekening worden gehouden met de extra energie die nodig is om het kraanwater in huis weer op te warmen, bijvoorbeeld voor een douche- of afwasbeurt, zegt Moerman. “Hoe meer warmte uit water wordt onttrokken, hoe kouder het water dat uit de kraan stroomt. Maar in de praktijk merkt de klant hier vrijwel niets van. Nadat de warmte uit het water is onttrokken, heft de warmte in de bodem de temperatuurverandering namelijk weer op. Netto levert aquathermie dus energiewinst op. Maar je moet het beetje extra energie dat nodig is voor opwarming van het water in de woningen wel meenemen in berekeningen.”

Ten opzichte van TEO en TEA heeft TED als voordeel dat het water als ‘energiedrager’ schoon door de warmtewisselaar gaat. Daardoor is er geen aanvullende zuivering van het water nodig, zegt Oesterholt. “Drinkwater is immers al gezuiverd door een drinkwaterbedrijf. Oppervlaktewater moet nog worden gefilterd voordat de warmte wordt afgegeven in de warmtewisselaar. En afvalwater is zo vuil dat zelfs het gebruik van een hoog efficiënte warmtewisselaar niet mogelijk is. Bij TED is ook het materiaal van een warmtewisselaar erg belangrijk. De materialen die in contact komen met drinkwater moeten aan strenge eisen voldoen. Metalen RVS platen zijn erg geschikt, die worden ook in de voedingsindustrie toegepast.”

In 2018 publiceerden CE Delft en Deltares een rapport waarin het nationaal potentieel van aquathermie was onderzocht. Uit de analyse kwam naar voren dat TEO in theorie kan voldoen aan 40 procent van de warmtevraag in stedelijk gebied. Bij TEA en TED ligt dat aandeel op respectievelijk 15 en 1,5 procent. “De percentages zijn geen optelsom, omdat sommige vormen overlappen en een combinatie vormen”, benadrukt Schepers van CE Delft. De lagere potentie voor TED is een conservatieve schatting, zegt Moerman. “Op basis van de totale drinkwaterproductie in Nederland en het feit dat op meerdere plaatsen achter elkaar aquathermie gewonnen kan worden, schat KWR de potentie van TED op 2 tot 4 procent.”

De Nederlandse drinkwatersector is nauw betrokken bij de ontwikkeling van aquathermie. In 2019 tekende de sector de Green Deal Aquathermie, waarin afspraken zijn gemaakt over een verantwoorde ontwikkeling van aquathermie. Daarnaast doet het consortium WarmingUP onderzoek naar de effecten van aquathermie op bijvoorbeeld de waterkwaliteit. Drinkwaterbedrijven zoals Dunea, Brabant Water en Waternet werken aan projecten waarbij warmte uit (drink)water duurzaam wordt ingezet.

Drinkwaterbedrijven kijken verschillend aan tegen hun rol, zegt Moerman van KWR. “De primaire taak van drinkwaterbedrijven is het leveren van schoon en voldoende drinkwater. Aquathermie komt altijd op de tweede plaats. Om die reden kiezen sommige drinkwaterbedrijven ervoor om de ontwikkeling van aquathermie helemaal over te laten aan andere partijen. Maar een deel van de bedrijven ziet het als verlengstuk van verantwoord maatschappelijk ondernemen. Als KWR voorzien we de drinkwaterbedrijven van kennis en kunde, zodat ze zelf een goede afweging kunnen maken.”