Expert talk: Koning Winter komt eraan. Waar zijn de warmtepompen?

Tabel 1: Invloed van de verkoopprijsverhouding elektriciteit/gas op de beslissingsmatrix voor middelgrote rijtjeswoningen, met een overdimensioneringsfactor van 1,3 en een binnentemperatuurinstelling van 18°C. De beslissingsmatrix toont het aandeel warmte dat in een jaar door de warmtepomp wordt geleverd voor verschillende isolatieniveaus, zoals uitgelegd in voetnoot 9⁹. 

2. Technische haalbaarheid

De technische haalbaarheid van warmtepompen is algemeen erkend, omdat ze werken volgens de principes van de thermodynamica en effectief zijn gebleken voor zowel verwarmings- als koeltoepassingen. Vooruitgang in de technologie heeft geleid tot de ontwikkeling van zeer efficiënte en betrouwbare warmtepompsystemen, waardoor ze een technisch haalbare en duurzame optie zijn voor residentiële, commerciële en industriële verwarmings- en koelingsbehoeften.

Of er een volledig elektrische warmtepomp kan worden geïnstalleerd, wordt voornamelijk bepaald door de energieprestaties van het gebouw en het ontwerp van het temperatuurregime van het distributiesysteem. De combinatie van deze twee parameters is cruciaal om de haalbaarheid van verschillende systeemontwerpen te bepalen. Een goed begrip van in welke gevallen de ontwerplast opmerkelijk hoog is, of de bedrijfsomstandigheden suboptimaal zijn – zoals bij omstandigheden die te hoge aanvoertemperaturen vereisen – kan helpen om onnodig dure toepassingen van warmtepomptechnologie te voorkomen.

Hoewel warmtepompen voor de meeste woningen technisch haalbaar zijn, zijn de vereiste warmtepompcapaciteiten niet altijd beschikbaar. Daarom kan een verbeterde energieprestatie helpen om de vraag naar verwarming te verminderen, waardoor de benodigde omvang beperkt wordt. Afhankelijk van de huidige staat van het gebouw kunnen bescheiden ingrepen, zoals het vervangen van ramen of dakisolatie, in veel gevallen technisch gezien voldoende zijn. Voor de minst presterende woningen kunnen ingrijpende renovaties de levenscycluskosten echter nog verder verbeteren.

Aan de andere kant kan het verlagen van de aanvoertemperatuur van het hydronische verwarmingssysteem ook een lagetemperatuursysteem mogelijk maken, waardoor de kosten van de warmtepomp dalen. Deze upgrade van het emissiesysteem kan worden bereikt met boostertechnologie of gewoon met extra emissie-elementen. Als deze oplossingen niet voldoende zijn, zijn er ook hogetemperatuur-warmtepompen beschikbaar, weliswaar tegen een hogere kostprijs.

Voor gebouwen met zeer hoge thermische behoeften zijn hybride systemen – die een warmtepomp en gasboiler combineren – een andere optie. Deze systemen helpen de energie-efficiëntie te verbeteren zonder dat renovatie nodig is, maar het kan zijn dat ze in de toekomst nog steeds vervangen moeten worden door volledig elektrische warmtepompen. Dit hangt af van het langetermijnbeleid dat in elk land wordt toegepast.

3. Bijdrage van een PV-systeem

Warmtepompen hebben een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit nodig om te werken, wat vaak leidt tot de suggestie om fotovoltaïsche (PV) penelen te installeren om het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp te dekken. De context van de hervorming van de energiemarkt heeft echter de economische zin van het combineren van warmtepompen met PV-panelen omgevormd tot een iets subtielere vraag.

Met lage teruglevertarieven en een verschuiving naar capaciteitsgebaseerde netwerktarieven, is het belangrijk om het eigenverbruik van deze combinatie van technologieën te maximaliseren. Figuur 3 toont het jaarlijkse profiel van de elektriciteitsvraag van een warmtepomp voor een goed geïsoleerde, typisch Vlaamse woning in donkergroen. De lichtgroene kleur toont de elektriciteitsproductie van een groot zuidgericht PV-systeem in lichtgroen.

Figuur 3: Jaarlijks profiel van de elektriciteitsvraag van de warmtepomp voor een typische Vlaamse grote rijtjeswoning met een hoge thermische isolatie (donkergroen) en lokale PV-productie (installatie van 10 kWp, gericht op het zuiden) (lichtgroen). 

We constateren dat het eigenverbruik laag is, omdat de vraag naar verwarming en de PV-opwekking seizoensgebonden zijn en niet afgestemd op het tijdstip van de dag. De gebruikelijke thermostaatinstellingen voor een werkend gezin vereisen namelijk verwarming wanneer de zon nog niet op is, of al onder is. Dit verklaart waarom er een gemiddelde belastingdekkingsfactor (het aandeel van de belasting gedekt door PV) van net onder de 10% werd gevonden voor typische verwarmingsprofielen.

Door intelligente regelsystemen te gebruiken die reageren op de thermische buffercapaciteit van gebouwen, kan de elektriciteitsvraag in goed geïsoleerde gebouwen natuurlijk met een paar uur worden verschoven.  Dit om de vraag beter af te stemmen op de lokale PV-productie. Maar zelfs in dit geval blijft de dekking van de warmtevraag door PV beperkt tot ongeveer 15 tot 20% [5], [6].

Elektrische opslag kan dus een gedeeltelijke oplossing bieden om het dagelijkse eigenverbruik te verhogen en een betere integratie van hernieuwbare energietechnologieën mogelijk te maken. Maar, de vraag naar verwarming en de opwekking van fotovoltaïsche energie zijn seizoensgebonden. Daarom zou het efficiënter zijn om het eigenverbruik te optimaliseren op het niveau van gebouwclusters, in plaats van individuele woningen. Op deze manier zou men gebruik kunnen maken van verschillende vraagprofielen, waaronder niet-residentiële belastingen, die samen de potentieel beschikbare lokale hernieuwbare elektriciteitsproductie nauwkeuriger kunnen volgen.

4. Rol van de warmtepomp in kostenoptimale renovatie

Het nieuwste voorstel voor een herziening van de Energy Performance of Buildings Directive (EPBD)¹⁰ voorziet in Minimum Energy Performance Standards (MEPS) om een hoger renovatietempo van bestaande gebouwen te garanderen. Het doel is om tegen 2050 een volledig koolstofvrij gebouwenbestand te hebben. De beoordeling van de kostenoptimaliteit en kosteneffectiviteit van deze MEPS maakt een vergelijking tussen verschillende renovatiemaatregelen mogelijk. Dit maakt het interessant om te zien hoe warmtepompen zich verhouden tot condenserende gasboilers.

In de kostenoptimale renovatieanalyse van 135 referentiegebouwen werden haalbare energieprestatiescores uitgezet tegen de totale levenscycluskosten. Voor elk renovatiepakket werd het oorspronkelijke verwarmingssysteem uitgelicht, waarbij de pakketten werden vergeleken met een warmtepomp en met een condenserende gasboiler. Dit werd gedaan voor drie prijsscenario’s en zowel voor het theoretische EPC-berekende energiegebruik als het aangepaste “werkelijke” gebruik.

Uit de berekeningen voor het theoretische EPC-energiegebruik bleek dat de totale levenscycluskosten voor warmtepompen dalen bij lagere energieprijsverhoudingen. Ze worden vergelijkbaar met de kosten van gasboileroplossingen wanneer de verhouding rond 2,5 ligt. In dergelijke gevallen behoren warmtepompen tot de kostenoptimale oplossingen.

Zoals te zien is in Figuur 4, is het plaatje heel anders als we kijken naar het geschatte “werkelijke” verbruik. Hier zijn de totale kosten van de huidige situatie altijd lager zijn dan die van oplossingen met een warmtepomp, vooral voor slecht geïsoleerde gebouwen. Dit komt doordat het “werkelijke” huidige verbruik veel lager is dan het theoretisch EPC-berekende verbruik voor lage energieprestatieniveaus. De verschillen tussen het “werkelijke” verbruik en het EPC-berekende verbruik zijn het gevolg van twee effecten. Allereerst is er het prebound-effect, waarbij bewoners van slecht presterende gebouwen hun energieverbruik verlagen tot onder het standaard comfortniveau om geld te besparen. Daarnaast is er het rebound-effect, waarbij bewoners na renovatie meer energie verbruiken om hun comfort te verbeteren in vergelijking met daarvoor. In deze context is het nuttig op te merken dat terwijl de kostenbesparingen beperkter kunnen zijn dan verwacht, de comfortwinst en waardestijging groot kunnen zijn.

Wanneer de prestaties van het gebouw worden verbeterd naar 100 of zelfs 200 kWh/m2, worden warmtepompen echter het meest kosteneffectieve systeem voor de lagere energieprijsverhoudingen.

Uit het bovenstaande kunnen we dus concluderen dat lagere prijsverhoudingen weliswaar van essentieel belang zijn. Maar er zijn ook andere doorslaggevende factoren nodig dan louter financiële overwegingen om de levensvatbaarheid van warmtepompen te rechtvaardigen. Denk hierbij aan regelgeving en comfort, of waardevermindering. 

Figuur 4: In kaart brengen van de kosten en prestaties van verschillende renovatiepakketten voor twee-onder-een-kapwoningen van gemiddelde grootte en isolatiekwaliteit, en vijf bouwperioden (kolommen). De rijen vergelijken verschillende scenario’s voor prijsverhoudingen. De resulterende totale kosten zijn gebaseerd op de energievraag berekend met de EPC-methodologie, maar de vraag is gecorrigeerd om het werkelijke verbruik weer te geven¹¹.  

5. Netimpact

Warmtepompen kunnen het elektriciteitsnet ondersteunen als er slimme regeling wordt toegepast en het systeem is ontworpen voor zowel efficiëntie als flexibiliteit [7].

Wanneer zulke slimme regeling echter ontbreekt, kunnen warmtepompen – net als andere grote belastingen, zoals het opladen van elektrische voertuigen – congestie en stroomkwaliteitsproblemen veroorzaken in het lokale elektriciteitsnet. Zo kunnen ze cumulatief in het elektriciteitssysteem van een regio of land leiden tot een verhoogde vraag naar elektriciteitsproductie- en distributiecapaciteit.

In het algemeen zullen buurten met grotere, niet-geïsoleerde gebouwen grotere problemen ondervinden als alle gebouwen zijn uitgerust met een warmtepomp, vanwege de over het algemeen hogere vereiste capaciteiten. De gelijktijdigheid¹¹ van de belastingen speelt echter ook een belangrijke rol. En aangezien er een grote afhankelijkheid is van de buitentemperatuur, is er een grote gelijktijdigheid te verwachten tussen de warmtevraag van gebouwen in dezelfde buurt, regio of land. Voor volledig elektrische warmtepompen kan de gelijktijdigheid zelfs oplopen tot 75% in een kleine landelijke wijk die aangesloten is op één distributieleverancier, rekening houdend met Belgische residentiële gebouwen [8]. Deze gelijktijdigheid van belastingen neemt echter af naarmate het aantal belastingen toeneemt.

Wanneer beleid voor de decarbonisatie van de verwarming wordt voorgesteld, is het dus belangrijk om rekening te houden met de mogelijke impact op de voorzieningszekerheid en netstabiliteit. Dit betekent ook dat netbeheerders up-to-date moeten blijven en scenario’s moeten voorzien die ambitieuze beleidsmaatregelen voor de elektrificatie van verwarming weerspiegelen, zeker gezien de parallelle elektrificatie van mobiliteit.