Naar 100% hernieuwbare energie – De mogelijkheid van thermische opslag in beton

Op heel wat terreinen zit hernieuwbare energie nog in een ontwikkelingsfase. Een van de huidige uitdagingen is om de momenten waarop de hernieuwbare energie wordt gegenereerd en die waarop we ze nodig hebben, beter af te stemmen. Willen we naar een systeem van uitsluitend hernieuwbare energie, dan zal onze energievoorziening meer flexibiliteit nodig hebben dan vandaag. Een deel van de oplossing kan liggen in een gebouw met veel massa, zoals een constructie in (geprefabriceerd) beton. De mogelijkheid om thermische energie op te slaan in de constructie van het gebouw maakt die flexibelere energieconsumptie al deels mogelijk.

Van de thermische opslagcapaciteit van beton – de zogenaamde thermische massa – werd altijd al dankbaar gebruik gemaakt om de energie-efficiëntie te verhogen. In de zomer neemt de massa de overtollige warmtebelasting van de zonnestraling op. Die warmte kan ’s nachts worden vrijgegeven door ventilatie. In de winter kan men dan maximaal van zonnestraling in de massa profiteren, waardoor de behoefte aan klassieke verwarming zal dalen.

Men kan nog een stap verder gaan met ‘thermisch geactiveerde bouwelementen’ of TABS (Thermally Activated Building Systems), betonelementen waardoorheen waterleidingen (voor koud of warm water) of luchtleidingen lopen. Zij kunnen de hoeveelheid energie die opgeslagen of afgegeven wordt in het beton, opvoeren.

De warmte of koelte wordt heel direct afgeleverd, via de grote oppervlakte van de betonelementen, zelfs wanneer de temperatuur van het koeling- of verwarmingsmedium (lucht of water) heel dicht bij de kamertemperatuur ligt. TABS kunnen op die manier zeer efficiënte, goedkope en comfortabele verwarming of koeling aanbieden.

De uitdaging voor een 100% hernieuwbaar elektriciteitsnet ligt in het niet-continue aanbod van de bronnen. Daarom zullen we enerzijds de energievraag zelf moeten verkleinen, anderzijds het tijdstip van vraag afstemmen op het aanbod, samen met de boven vernoemde opslag van de energie.

Vraag en aanbod

Voor de energievoorziening in gebouwen moet de vraag naar energie kunnen verminderd worden tijdens piekperiodes (“peak clipping” of “shaving”). Daarnaast kunnen we energievoorziening ook verplaatsen in tijd (“load shifting” en “valley filling”) – zie figuur 1. Dat kan via de zogenaamde de ‘vraagrespons’: de consument past zijn vraag (bewust of via automatisering) aan aan de voorziening van het elektriciteitsnet, om zo overbelasting te beperken en hernieuwbare bronnen te maximaliseren. Zo’n vraagrespons zou kunnen worden aangemoedigd via differentiatie in prijzen, afhankelijk van wat op het net voorhanden is. Maar het blijft wel zo dat er tijdelijke opslag van energie nodig is om maximale flexibiliteit te bieden.

Als we aan opslag denken, denken we snel aan batterijen. Maar ook thermische opslag is mogelijk. Gebouwen met veel massa zijn omwille van hun thermische opslagkwaliteit uitermate geschikt voor een dergelijke vraagrespons. Energie kan namelijk tijdelijk opgeslagen worden, zonder dat dit invloed heeft op de binnentemperatuur en het comfort van de bewoners of gebruikers. Voor een optimaal gebruik moeten verwarming en koeling elektrisch en automatisch gebeuren – via een zogenaamde intelligente controle, en aangesloten worden op het ‘intelligente net’.

Kostenbesparend

Een dergelijk systeem heeft potentieel enorme voordelen. Het is kostenbesparend voor de consument, die energie verbruikt op momenten waarop die goedkoper is. Elektriciteit genereren om te kunnen voldoen op piekmomenten, zal minder aan de orde zijn. Daardoor kan hernieuwbare energie nog verder doordringen. Dat brengt uiteraard ook een dalend koolstofverbruik mee. Volgens een studie van The Concrete Initiative kan een actieve vraagrespons met behulp van structurele warmte-energieopslag tot 25% CO₂-reductie per woning bereiken, en tot 50% vermindering van de behoefte aan piek-stroomvoorzieningscapaciteit. Dat zouden besparingen van maximaal € 300 per huishouden per jaar kunnen inhouden.

Een andere vraag is natuurlijk hoe we dat idee in de praktijk toepassen. De vraagrespons via de thermische energieopslag in de structuur van een gebouw kan gebruikt worden met een traditioneel verwarmingssysteem. De energie wordt dan getransfereerd naar de lokalen via traditionele verwarmings- of koelinstallaties. Maar om echt te profiteren van het potentieel, is het aan te raden om met TABS te werken. Die maken het mogelijk om de betonstructuur rechtstreeks op te laden, samen met intelligente automatisering en intelligente controles.

Deze tekst is een aanpassing van het artikel van Karel Downey ‘Renewable energy and thermal storage in concrete buildings’.
Karl Downey is Sustainable Construction Manager bij CEMBUREAU en afgevaardigde in ‘The Concrete Initiative’. De oorspronkelijke versie van het artikel is terug te vinden op www.febe.be/nl/publicaties/categorie/structuurelementen-in-prefab-beton

Bronnen

The Concrete Initiative, “Structural Thermal Energy Storage in Heavy Weight Buildings – Analyse en Aanbevelingen om Flexibiliteit te bieden aan het Elektriciteitsnet”.

Energy-storage concrete – Thermal Component Activation, http://www.zement.at/downloads/downloads_2017/Planning_guide_Energy_storage_concrete.pdf