De toekomst van woningverwarming

Ruimteverwarming. Nederland telt ongeveer 7.8 miljoen woningen waarvan ruim 85% wordt verwarmd met CV ketels. Ongeveer 19% van de totale Nederlandse CO₂ uitstoot is toe te wijzen aan deze woningen. Bijna twee derde van deze CO₂ uitstoot komt voor rekening van ruimteverwarming en warm tapwater, de rest komt voor rekening van de elektriciteitsopwekking voor gebruik in woningen. Daarmee vormt de CO₂ uitstoot voor ruimteverwarming van woningen en tapwater de grootste bijdrage van de CO₂ uitstoot van huishoudens.

Nieuwbouw. De CO₂ uitstoot voor ruimteverwarming van nieuwbouw is in verhouding zeer beperkt. Relatief gezien is het jaarlijkse aantal nieuwe woningen beperkt (0.8% groei van de woningvoorraad), en deze nieuwe woningen hebben door goede isolatie een lage warmtevraag. Die lage warmtevraag maakt het vervolgens mogelijk om lage temperatuur vloerverwarming toe te passen. Hierdoor is, ongeacht welke opwekmethode, de warmtevraag en bijbehorende CO₂ uitstoot gering.

 

Bestaande bouw. De grootste besparing op ruimteverwarming moet dus gehaald worden in bestaande woningen die nu voor een groot deel met gasgestookte ketels en hoge temperatuur (HT) verwarmingssystemen worden verwarmd. Deze woningen hebben immers een veel grotere warmtevraag dan nieuwbouwwoningen en vormen de komende tientallen jaren nog steeds het overgrote deel van de woningvoorraad. Hier ligt dus, zowel economisch als technisch, dé grote uitdaging.
Allereerst zal waar mogelijk de warmtevraag naar beneden gehaald moeten worden door verbeterde isolatie en/of (kostbare) renovatie van de woningschil. Daarnaast zal per type woning of gebied gekeken moeten worden naar methodes om de warmte met minder CO₂ intensiteit op te wekken.

CO₂ uitstoot van verschillende verwarmingsoplossingen

 

Van-het-gas-af. Van diverse kanten wordt geopperd om de komende jaren woningen van het gas af te sluiten, en op andere manieren te verwarmen. In dichtbebouwde gebieden kunnen hiervoor soms warmtenetten worden toegepast als in de omgeving (industriële) restwarmte van voldoende kwaliteit of warmte uit efficiënte WKK’s beschikbaar is. Dit geldt echter maar voor een beperkt gedeelte van de bestaande bouw. Daarnaast worden elektrische warmtepompen vaak als duurzaam alternatief genoemd voor HR-ketels. Om de CO₂ besparing hiervan te beoordelen is het zinvol om de CO₂ intensiteit van de opgewekte warmte van elektrische warmtepompen te vergelijken met die van moderne HR-ketels en met die van de thermisch aangedreven warmtepomp.

 

CO₂ intensiteit van warmte. Een moderne HR-ketel levert warmte met een gemiddelde CO₂ intensiteit van 1.89 kg CO₂ per m3 gas, ofwel 0.20 kg/kWh warmte. Voor een elektrische warmtepomp ligt het iets complexer, daar kan de CO₂ intensiteit van de warmte berekend worden door de CO₂ intensiteit van de gebruikte elektriciteit te delen door het jaarronde rendement (SCOP = Seasonal Coefficient of Performance) van de warmtepomp. Voor het bepalen van de CO₂ intensiteit van elektrische warmtepompen zijn deze beide getallen cruciaal, maar tegelijk bestaan er veel misverstanden over. Enige toelichting volgt daarom hieronder.

 

De CO₂ intensiteit van de elektriciteitsmix uit het net wordt jaarlijks door het CBS gepubliceerd [1], middels twee getallen: de gemiddelde emissiefactor (integrale methode) en de marginale emissiefactor (referentiepark methode). De gemiddelde emissiefactor gaat uit van de totale elektriciteitsproductie (hernieuwbaar plus niet hernieuwbaar), de marginale emissiefactor gaat uit van de elektriciteitsproductie uit fossiele brandstoffen en kernenergie. Voor de analyse van het effect van een verandering in het elektriciteitsproductiesysteem t.g.v. besparingen (bijvoorbeeld door plaatsing van zonnepanelen) of extra verbruik (bijv. verschuiving van gasketels naar elektrische warmtepompen) geldt de marginale emissiefactor. Met andere woorden: het plaatsen van zonnepanelen verlaagt de benodigde centraal fossiel opgewekte elektriciteit, en het plaatsen van elektrische warmtepompen verhoogt de benodigde centraal fossiel opgewekte elektriciteit, met dezelfde factor. Dit is het geval zolang er geen overschot is aan duurzame elektriciteit, en dit zal de komende tientallen jaren, helaas, het geval zijn – zeker tijdens het stookseizoen.
Onderstaande figuur toont de ontwikkeling van de marginale emissiefactor in Nederland. De daling in 2016 wordt veroorzaakt door de sluiting van drie oude kolencentrales. Het huidige niveau zal naar verwachting na 2030 enigszins dalen, richting 0.50 kg/kWh, als nog enkele kolencentrales sluiten.

SCOP’s van elektrische warmtepompen. Met deze getallen kan worden uitgerekend welke SCOP een elektrische warmtepomp nu en in de toekomst minimaal moet halen om tot een lagere CO2 intensiteit dan de HR-ketel te komen. Op dit moment is dat ongeveer:

In de toekomst na sluiting van de kolencentrales daalt deze waarde naar ongeveer 2.5.

Voor hoge temperatuur (HT) centrale verwarmingssystemen halen elektrische warmtepompen een SCOP van maximaal 2.5. Dergelijke rendementen zijn nog steeds zeer aantrekkelijk als de elektriciteit vrijwel volledig duurzaam (Scandinavië) of met kernenergie (Frankrijk) wordt opgewekt, maar in Nederland is dat vanwege onze fossiele stroom onvoldoende om op CO₂ uitstoot te concurreren met de HR-ketel. Om die reden worden in Nederland doorgaans ook lage temperatuur (LT) vloerverwarmingssystemen toegepast in combinatie met lucht-water warmtepompen. Om dergelijke vloerverwarmingssytemen in bestaande woningen door het hele huis aan te leggen zijn echter doorgaans wel zéér kostbare aanpassingen van de woning nodig zijn.

Een recent artikel van het gerenommeerde Duitse Fraunhofer onderzoeksinstituut levert belangrijke conclusies over de gemeten performance van lage temperatuur (LT) lucht-water warmtepompen in praktijksituaties (veelal door fabrikanten zelf geïnstalleerd) [2]:

• Allerbeste resultaten: SCOP = 4.2
• Gemiddelde resultaten: SCOP = 3.2
• Slechtste resultaten: SCOP = 2.2

Dit gaat om systemen die na 2012 geplaatst zijn, in de jaren daarvoor waren de resultaten slechter. Bovenstaande getallen gelden voor ruimteverwarming alleen, dus zonder de bereiding van heet tapwater! Vanwege de benodigde hoge temperatuur (60 °C) van heet tapwater daalt de totale SCOP van het totale verwarmingssysteem, doorgaans met ongeveer 0.5. Dit is echter sterk afhankelijk van de gebruikerssituatie: de verhouding tussen de hoeveelheid tapwater en ruimteverwarming. Dit betekent dat de beste LT warmtepompen in de praktijk maximaal SCOP = 4.0 halen, maar dat voor de meeste LT warmtepompen in de praktijk geldt dat de SCOP rond de 3.0 ligt, inclusief tapwater bereiding.
Bovenstaande getallen komen overeen met vuistregels uit de professionele installatiesector: een goed geïnstalleerd LT warmtepompsysteem kan tegenwoordig SCOP = 4.0 halen, maar SCOP = 3.0 is vaker de realiteit, inclusief tapwater bereiding.

Conclusies vergelijking CO₂ intensiteit. Bovenstaande betekent dat de gemiddelde CO₂ uitstoot van LT warmtepompen op een vergelijkbaar of zelfs een iets hoger niveau ligt dan de uitstoot van een HR ketel. Met andere woorden: zolang de kolencentrales in Nederland niet gesloten zijn heeft het voor de CO₂ uitstoot weinig zin om grootschalig LT elektrische warmtepompen in de bestaande bouw te introduceren, laat staan HT warmtepompen. Met goed geïnstalleerde systemen is hooguit een kleine winst te halen – tegen een hoge prijs.

In onderstaand diagram wordt de CO₂ uitstoot van de opgewekte warmte van de verschillende technologieën vergeleken, genormeerd ten opzichte van de HR ketel.

Bij bovenstaande argumentatie zijn nog enkele opmerkingen te plaatsen:

• Deze argumentatie geldt zolang er in het stookseizoen op het Nederlandse elektriciteitsnet geen overschot is aan duurzame elektriciteit. Zover bekend is dit zeker tot ver voorbij 2030 het geval.
• In bovenstaande redenering zijn extra verliezen in het elektriciteitsnet ten gevolge van de piekbelastingen door elektrische warmtepompen niet meegenomen. Netbeheerders verwachten dat het elektriciteitsnet bovengemiddelde verliezen kent wanneer veel warmtepompen tegelijk draaien, waardoor de marginale CO2 uitstoot op dat moment in feite hoger wordt dan de jaargemiddelde getallen. 
• In vergelijking met de HR ketel kunnen hybride warmtepompen wel voor een daling van de CO2 uitstoot zorgen doordat in de minder koude periodes van het seizoen het warmtepompdeel met een iets gunstiger COP kan draaien. In de koude periodes en voor heet tapwater wordt teruggevallen op de HR-ketel.
• Water-water LT warmtepompen met een bodem warmtewisselaar kunnen voor een flinke reductie van de CO2 uitstoot zorgen. Volgens hetzelfde artikel van het Duitse Fraunhofer onderzoeksinstituut [2] leveren de nieuwste systemen gemiddeld SCOP = 4.3, de allerbeste systemen doen dit met SCOP = 5.4. Dit betekent 27% en 42% reductie in CO2 uitstoot in vergelijking met de HR-ketel. Deze oplossing is in de bestaande bouw echter niet eenvoudig toepasbaar.

Referenties

1. https://www.cbs.nl/nl-nl/achtergrond/2018/04/rendementen-en-co2-emissie-elektriciteitsproductie-2016
2. M. Miara, 10 years of heat pumps monitoring in Germany. Outcomes of several monitoring campaigns. From low-energy houses to un-retrofitted single-family dwellings. 12th IEA Heat Pump Conference 2017 (pdf).