Warmtepompen. Foto: Shutterstock.

Door Ed Zuiderwijk.

Mooie meiden en stoere jongens prijzen het aan. Het moet wel het beste zijn sinds gesneden wittebrood. U weet waar ik het over heb: warmtepompen.

Nederland moet aan de warmtepomp ‘voor het klimaat’, en dus van het gas af. Onwetende en naive politici zijn zo overtuigd door de verzinsels van de klimaatdominees, dat ze heel democratisch hebben verordonneerd dat u geen gasgestookte kachel, cv-ketel of combi meer mag kopen; zelfs de houtbrander moet er aan geloven.

Ondanks de sporadische berichten, want het past niet in het plaatje, over het falen van die politiek – In de winter trillen mijn kinderen van de kou – en ondanks de omstandigheid dat het elektriciteitsnet al vol zit en dus een extra vraag van een paar gigawatt helemaal niet aan kan, en afgezien van het simpele feit dat het helemaal niet nodig is ‘voor het klimaat’, wordt het concept bij de burger door de strot geramd. Zie bijvoorbeeld hier. Ref: https://www.hartvoordenhaag.nl/hart-voor-den-haag-warmtepomp-compleet-debacle-in-spoorwijk/

Drie mythen

Voordat ik over die pompen begin, eerst even drie mythen uit de weg ruimen die ik in discussies erover ben tegengekomen:

  • Ons staat een klimaatramp te wachten, als we ons leven niet beteren. Een broodje aap, nu al 40 jaar lang aan de goegemeente verkocht. De klimaatramp bestaat alleen in klimaatmodellen die zijn gebaseerd op het waanidee dat koolstofdioxide het klimaat ‘drijft’. Dat is aantoonbare nonsens. Alles wat op die modellen gebaseerd is, van bezorgdheid voor zielige ijsberen (die helemaal niet zielig zijn) en paniek over zinkende eilanden (die niet blijken te zinken) tot aan het Parijse klimaatverdrag van 2015, is dan ook onzinnig. Als de politiek om Nederland van het gas af te halen en warmte pompen in te voeren is ingegeven door vermeend klimaat gevaar, dan is het een ‘oplossing’ voor een probleem dat niet bestaat.
  • Het tijdperk van de fossiele brandstoffen is voorbij en dus moeten we ons voorbereiden op een gasloze wereld. Aantoonbare onzin; groene wensdromerij. De ‘forward look‘ van bijvoorbeeld BP gaat uit van een bijna verdubbeling van fossiele brandstofgebruik voor het jaar 2050. Het US Department of the Interior heeft niet lang geleden een inventaris gepubliceerd van nieuwe bewezen reserves in alleen al de staat Texas van bijna 50 miljard barrels schalie olie and 300 trillioen ‘cubic feet‘ hoog calories aardgas; dat is 25 jaar wereldverbruik. De lange termijn vooruitzichten voor olie en gas verbruik en exploratie wordt gemeten in eeuwen, niet in jaren. Voor gas is de schatting minstens twee eeuwen en waarschijnlijk veel langer. En dat is dan op grond van nu bewezen reserves. Het gas is voorlopig niet op. Wat Nederland dus nodig heeft zijn twee LNG terminals, een in Delfzijl en een op de Maasvlakte.
  • Het vervangen van uw gaskachel door een warmtepomp is goed voor de werkgelegenheid. Ook onzin. Die pompen, als ze er ooit komen, gaan, net als de windmolens en zonnepanelen, gemaakt worden in Japan en China, waar ze zich een bult zullen lachen om die knettergekke Nederlanders. Mitsubishi is de grootste producent van warmte pompen en die gaan kapitalen verdienen, kapitalen die wij zwaar tekort komen in de verzorgingssector. De installateurs hier kunnen ook nog een schnabbeltje verdienen door die dingen op te hangen en te installeren.

De lucht-naar-lucht warmtepomp

Maar goed, laat ik de advocaat van de duivel zijn en uitgaan van de stelling dat we van het gas af moeten om ‘het klimaat te helpen’. Helpen die pompen dan? Antwoord: nee, tenzij de elektriciteitsproductie volledig op kernenergie overgaat en er een back-up is voor serieus koud weer (gebaseerd op, eh .., aardgas).

Om dat in te zien moet je weten hoe die pompen werken, in welke omgeving ze werken, hoe ze die omgeving beïnvloeden en hoe efficiënt ze zijn. Een warmtepomp is een gesloten circuit waarin een ‘werkgas’ wordt rondgepompt om warmte uit een warmtereservoir over te brengen naar daar waar het nodig is.

De kringloop bestaat uit twee fasen: een expansiefase waarbij het werkgas sterk afkoelt tot een temperatuur ver beneden die van het warmte reservoir, waardoor het werkgas warmte opneemt uit dat reservoir, en een compressiefase waarin het werkgas sterk opwarmt tot boven de temperatuur van bijvoorbeeld de huiskamer en daardoor de eerder opgenomen warmte afgeeft. Het werkgas was vroeger een Freon-achtig inert gas maar na de Ozon paniek van de jaren 80 is dat vervangen door, minder effectieve, koolwaterstoffen.

Het rondpompen van het gas is een mechanisch proces gedreven door een, in ons geval natuurlijk, elektromotor. Het leuke van zo’n pomp is dat je meer warmte kan pompen vanuit het warmte reservoir dan het je kost om die pomp te laten lopen. Hoeveel meer wordt bepaald door de efficiëntie.

Mitsubishi geeft een waarde voor die efficiëntie van maximaal iets meer dan 300%. Dat betekent dat je 3 maal meer warmte kan pompen dan het je kost aan elektriciteit. Op het eerste gezicht klinkt dat interessant, maar er zit een addertje onder het gras. De efficiëntie hangt af van het verschil in temperatuur tussen het warmte reservoir en het werkgas op het koudste punt van de kringloop.

Als je warmtereservoir de buitenlucht is, bij een ‘air-to-air‘ systeem en de temperatuur buiten is, zeg, 10 graden dan is die factor 3 wel haalbaar. Maar als de buitentemperatuur zou dalen naar, zeg, -10C in een ouderwetse winter met een hogedrukgebied boven Scandinavie en een stevige oostenwind, dan zakt die efficientie dramatisch omdat het temperatuursverschil met het werkgas op het koudste punt in de kringloop sterk vermindert.

Met andere woorden, juist als je meer warmte nodig hebt voor verwarming dan wordt zo’n pomp minder efficiënt en heb je dus meer elektricteit nodig om de kamer warm te houden. Die verminderde efficiëntie is van groot belang: de elektriciteit komt ook ergens vandaan en wordt nu nog steeds grotendeels opgewekt met fossiele brandstoffen. De turbines in een kolencentrale hebben een efficiëntie van ongeveer 40%. Dat wil zeggen, van de chemische warmte die opgesloten zit in die kolen wordt 40% omgezet in elektriciteit terwijl de overige 60% afvalwarmte is, die raak je kwijt tenzij je het stopt in stadsverwarming (een heel goed idee).

Gasturbines zijn wat efficiënter maar niet dramatisch meer. Die elektriciteit wordt gebruikt om de warmtepomp aan te drijven. Vorig jaar werd gemiddeld 60% stroom opgewekt met fossiele brandstof, dus 40% met wind, zon, biomassa en nucleair; bij gebrek aan zon of wind wordt die 60% flink meer. Bij het maken van stroom in een gasgestookte centrale gebruik je maar 40% van de in de brandstof opgeslagen energie, maar bij het draaien van de pomp wordt dat 3 x 40% = 120%. Je gaat er onder optimale omstandigheden dus 1/5 op vooruit (20% van 100%).

Dat is een marginale winst. Je CO2 uitstoot wordt 1/6 minder (20% van 120%). Maar stel nou dat die pomp minder efficiënt wordt, zeg de factor 3 wordt 2.5, dan win je niets meer en bij nog lagere efficiëntie ga je verliezen. En dat gebeurt dus juist als het weer is om te gaan schaatsen. In dat geval is de benodigde hoeveelheid brandstof (en dus ook de CO2 -uitstoot) om de elektriciteit te genereren groter dan wanneer je in elk huis en kantoor die pomp door een gaskachel zou vervangen.

Je kan uit bovenstaande enkele conclusies trekken. Werkt het? Ja, het werkt maar bij stevige kou is het elektriciteitsverbruik veel hoger dan ons wordt voorgespiegeld en vliegt de energierekening door het dak. Dat betekent voor de meeste landgenoten in de winter flink kou lijden.

Bespaart het CO2 uitstoot? Als de elektriciteit die de pompen aandrijft (grotendeels) wordt opgewekt met fossiele brandstoffen dan is de besparing op CO2-uitstoot, als je alle gas en kolen kachels vervangt, marginaal op zijn best en totaal afwezig als het echt koud is.

Daaruit volgt dat het concept alleen kan werken als de elektriciteit opgewekt wordt met kernenergie. Ik zie dat niet gebeuren op korte termijn. Wind kan je vergeten, dat is gewoon te onbetrouwbaar en bovendien, het mooiste elfstedentocht weer is -5C en windstil.

Als je niet kunt verkopen dat de bevolking bibberend met dikke wollen truien aan de winter moet doorkomen, dan moet je een back-up systeem hebben als aanvulling of vervanging bij zeer koud weer wanneer de efficiëntie van de pompen te laag wordt en dat kan alleen maar met een gaskacheltje of boiler thuis. Als je dat niet doet dan schaft iedereen zich (al dan niet clandestien) een houtbrander aan en op een echt koude morgen is het Amsterdamse Bos ineens verdwenen.

Dat gasnet is er al, dus dat is meegenomen. Nederland van het gas af? Maar niet helemaal. Een rationeel persoon zal dan zeggen: maak daar maar ‘helemaal niet’ van.

De aardwarmte pomp

De aardwarmte pomp is een twee-traps systeem. Een koelvloeistof circuleert in een gesloten circuit, gaat koud het warmtereservoir in, komt er warmer uit en wordt dan in een warmtepomp gevoed die de opgenomen warmte overhevelt naar waar het nodig is.

Fulgence Bienvenue.

Bij de aardwarmte pomp is het primaire circuit verticaal ingebracht in een boorgat dat diep, tientallen meters, de grond in gaat. Op diepte is de grond zo’n 25 graden en dat kunnen we benutten voor stadsverwarming, is het idee. Ik vraag me af wie van al die aardwarmtepomp enthousiasten wel eens van Fulgence Bienvenue heeft gehoord, de ingenieur en ‘vader’ van de Parijse Metro. Dat zou mogelijk verhelderend gewerkt hebben.

Bienvenue had een probleem bij de aanleg van Metro lijn 4, de eerste die onder de rivier Seine zou gaan: de grond tussen het geplande station St Michel en de rivier bij Chatelet was zo drassig dat met geen mogelijkheid conventionele bouwtechnieken konden worden toegepast; alles verzakte in de modder. De oplossing die hij vond was om de ondergrond te bevriezen met twee speciaal voor dat doel gebouwde enorme warmtepompen. In de bevroren grond kon de tunnel gelegd worden en het station gebouwd zodanig dat de constructie stabiel bleef ook nadat later de omringende grond weer langzaam ontdooide.

Inderdaad, dat gebeurt als je warmte uit de grond haalt: die grond bevriest op den duur. Dat eerder genoemde addertje in het gras is hier veranderd in een wurgslang omdat bij een grondpomp het warmtereservoir beperkt is, uitgeput raakt en bevriest. Bij een air-to-air warmtepomp wordt het reservoir constant aangevuld door de wind waardoor een min of meer stationaire situatie ontstaat. Maar een grondpomp onttrekt warmte uit het natte zand wat daardoor afkoelt en dat verlies wordt niet of nauwelijks aangevuld. Van onderaf komt veel te weinig aardwarmte, van boven helemaal niets, als je dieper dan zo’n 10 meter zit, en bij de buren kan je niet aankloppen want daar zijn ook warmtepompen.

Een eenvoudige berekening laat zien hoe snel dat afkoelen kan gaan. Neem een kubieke meter water, dat is duizend liter bij een temperatuur van, zeg, 30 graden. Om 1 liter water 1 graad in temperatuur te laten stijgen moet je 1000 calorien, dat is 4200 Joule aan warmte toevoegen (de warmte capaciteit, 4.2 KJ/Kg). Als je die 4.2 KJ onttrekt aan 1 kilogram water dan daalt de temperatuur 1 graad. Om die kubieke meter water 1 graad in temperatuur te laten dalen moet je er dus 4.2 MegaJoule uithalen.

Stel je doet dat met een warmtepomp die elke seconde 1KJ (1 kilowatt vermogen) eruit pompt. Dan duurt die afkoeling, met 1 graad, 4200 seconden, dat is 1 uur 10 minuten. Als ik op die manier doorga en warmte blijf onttrekken dan bevriest mijn kubieke meter water na 30 x 4200 seconden = 35 uur.

Nu is het warmtebad bij een boorgat van een voorgestelde warmtepomp van 50 of 60 meter diepte of meer, zo’n 100 keer groter en de koelingstijd dus navenant langer. Anderzijds is de warmtecapaciteit van nat zand een stuk minder, ongeveer een derde van dat van water en is ook 1 KW wat weinig om een huis te verwarmen. De ondergrond bevriest dus na een paar maanden als de verloren warmte niet wordt aangevuld.

Bevriezend water zet uit, dus ook nat zand op 50 meter ondergronds. Dat gaat dus, in een stad, grondbewegingen veroorzaken vergelijkbaar met die in Groningen. Bovendien wordt de pomp zelf minder efficiënt naarmate de temperatuur daalt. Niet alleen dat. maar lang voordat het vriespunt wordt bereikt kan je al narigheid verwachten.

De natuur heeft een grondige hekel aan temperatuurverschillen en zal proberen de afkoeling te compenseren. Dat kan in de Nederlandse ondergrond eigenlijk alleen maar door water bewegingen. Er zullen, weliswaar trage, stromingen ontstaan in de ondergrond die warmte uit de verre omgeving naar het nu koude boorgat proberen te brengen.

Met duizenden van die boorgaten per vierkante kilometer wordt de waterhuishouding in de ondergrond behoorlijk in de war gestuurd. Hoe dat doorwerkt in bijvoorbeeld de funderingen van de bebouwing erboven, met name in oud Amsterdam, is iets wat waarschijnlijk alleen de paar nog overgebleven hydrologen weten.

De fundamentele conclusie die je uit bovenstaande trekt is dat de hoeveelheid aardwarmte die je op permanent basis kan onttrekken niet bepaald wordt door de temperatuur van het warmtebad, hoe hoog die ook moge zijn, maar door de snelheid waarmee de onttrokken warmte weer aangevuld wordt.

Er zijn daarvoor eigenlijk maar twee mogelijkheden: aardwarmte uit diepere lagen of warm water stromen uit diezelfde diepere lagen. Dat van die aardwarmte is eenvoudig: er is zo’n twee tot drie grootte ordes verschil tussen wat nodig is en wat beschikbaar is. Het totale planetaire verlies aan (aard)warmte is goed bekend en zo’n 46 TeraWatt, met 14 TW daarvan door de continenten. Dat is gemiddeld zo’n 100 KW per vierkante kilometer. Een paar duizend warmtepompen per vierkante kilometer in een stad trekken een vermogen van enkele tientallen MW, minstens honderd maal zoveel.

Een non-starter, zoals de Britten zeggen. Een diepe aardwarmtepomp kan dus alleen maar werken daar waar een poreuze rotsige ondergrond ruimte geeft aan warme waterstromen uit de diepte die voldoende warmte aandragen. Die vind je in vulkanische gebieden zoals IJsland of Nieuw Zeeland. Die vind je niet onder Amsterdam, Meppel of Zierikzee.

Diepe aardwarmtepompen in Holland als stadsverwarming dat kan helemaal niet. De beperking geldt in het algemeen voor elk ondergrondse warmtebron die men denkt te kunnen benutten. Je leest over grandiose plannen om het warme water onder klassieke Romeinse spa’s te gebruiken, Bath, Leamington, Spa, Boedapest, enzovoorts en in ons eigen land het lauw-warme water in de Limburgse mijnen.

Als de onttrokken warmte niet snel genoeg wordt aangevuld dan koelt, vroeger of later, het warmtereservoir en wordt onbruikbaar.

Grondwarmte uit uw tuin


Wederom een twee-traps systeem. Alleen hier ligt het primaire circuit horizontaal zo’n meter onder grond van uw tuin. Het warmte reservoir is dus de grond onder uw gras en de gladiolen. Er is een paar honderd vierkante meter nodig om een groot genoeg reservoir te hebben om uw huis te verwarmen en bij de aanleg wordt de tuin onderste boven gekeerd. Ook hier koelt de grond af maar de verloren warmte wordt in de zomer weer aangevuld van bovenaf, je zit dicht genoeg bij het oppervlak, voornamelijk door regenwater dat de grond in dringt. Je hebt een flinke lap grond nodig, zo’n tuin die je in Wassenaar of Bilthoven vindt, maar niet direct in Amsterdam.

Werkt het? Sommige ‘bekende personen’ zeggen van wel, hoewel een warme trui is aan te raden, maar anderen zijn niet zo gecharmeerd en klagen dat hartje winter hun huis, op het Engelse platteland, niet warmer te krijgen is dan 8C tot 10C (!) en dat ze bijstoken met een houtbrander.

***