In de transitie naar een volledig duurzaam energiesysteem zijn thermische systemen een sleuteltechnologie om de CO2-uitstoot en lokale vervuiling aanzienlijk te verminderen, restenergiebronnen te integreren en flexibiliteit te benutten. 


Tegen 2050 zullen regionale, geïntegreerde en onderling verbonden thermische netwerken hun gebruikers koolstofarme, efficiënte, betrouwbare en betaalbare energieoplossingen bieden op basis van een hoog aandeel hernieuwbare energiebronnen, ondersteund door digitalisering. Digitalisering stelt energiebedrijven in staat gediversifieerde producten en diensten aan te bieden die sterk geautomatiseerd, gestandaardiseerd en gepersonaliseerd zijn. EnergyVille voert fundamenteel, toegepast en industriegedreven onderzoek uit om thermische netwerken intelligenter, gedigitaliseerd, autonomer en energiezuiniger te maken. Dit leidt tot generieke technologieën en methodologieën die resulteren in nieuwe producten en diensten die een optimaal ontwerp, optimale controle en verbeterd onderhoud van thermische netwerken mogelijk maken.
Bij thermische opslag wordt overtollige warmte of koude opgeslagen om te worden gebruikt wanneer dat nodig is. Dit lost de dagelijkse onbalans op tussen de warmtevraag op huishoudelijk niveau en de toevoer van warmte uit hernieuwbare bronnen (zoals zonnecollectoren of PV-gekoppelde warmtepompen). EnergyVille doet onderzoek naar de ontwikkeling, demonstratie en implementatie van intelligente controlesystemen voor energieopslagsystemen. Daarnaast behoren ook intelligente laadtoestandsbepaling van opslag, geïntegreerde opslagconcepten en compacte thermische energieopslag tot de onderzoeksonderwerpen.


Binnen de activiteit conversietechnologie ontwikkelen we technologische oplossingen die een verhoogde recuperatie van rest- en hernieuwbare thermische energie mogelijk maken via efficiënte, flexibele en kosteneffectieve conversiesystemen en die de overdracht van thermische energie binnen en tussen verschillende energienetwerkdragers vergemakkelijken. De ontwikkeling van tools voor een geautomatiseerd componentontwerp draagt bij aan het creëren van innovatieve conversiesystemen door hun volledige potentieel te benutten.
 

Erik De Schutter

Contact

Erik De Schutter

Business Developer Thermal Energy Systems at EnergyVille/VITO
Johan Van Bael

Contact

Johan Van Bael

Project Manager Energy Technology at EnergyVille/VITO
Thermische netwerken
Thermische opslag
Thermische conversietechnologieën

Slimme controle van warmtenetten

thermische systemenEnergyVille werkt aan technologieën die de energie-efficiëntie van stadsverwarmingsnetwerken aanpakken. We hebben een slimme DHC-controller ontwikkeld op basis van zelflerende algoritmen die het mogelijk maakt om het gebruik van restwarmte en hernieuwbare energiebronnen in DHC-netwerken te maximaliseren. De controller optimaliseert het verbruik van de gebouwen en districten en de vraag van het netwerk en maakt optimaal gebruik van de mogelijkheid om de thermische massa van het gebouw als thermisch energieopslagsysteem te activeren. De technologie beheert ook de aanbod- en verbruikszijde ('demand side management') van stadsverwarmingsnetwerken en de verschillende componenten van het energiesysteem (zoals opslageenheden, warmtepompen, enz.).

Netwerkontwerp

netwerkontwerpThermische netwerken zijn een belangrijk middel om het primaire energieverbruik voor verwarming en koeling te verminderen. Gezien de vele ontwerpvariabelen, mag een optimaal ontwerp van thermische netwerken niet triviaal zijn. Omdat handmatige en intuïtieve ontwerpen meestal tot suboptimale oplossingen leiden, wordt het gebruik van optimalisatiemethoden geadviseerd. Binnen EnergyVille werken we aan de volgende generatie optimalisatie van netwerktopologie op basis van geospatiale informatie (bijv. energiebronnen, energiegebruikers, geïnstalleerde opslagsystemen). Vertrekkende van deze input kan het optimale routing- en temperatuurniveau voor de thermische netwerkleidingen en de optimale locatie van opslag- en conversie-units worden bepaald.

Analyse

Onderstations in thermische netwerken zorgen voor de verbinding tussen het net en de gebouwen of installaties die ermee verbonden zijn. Traditioneel worden ze gebouwd met een of meer warmtewisselaars, enkele leidingen en kleppen om de stroming en druk te regelen, en een regelkader in combinatie met (beperkte) sensorapparatuur. Elke fout of storing in deze onderstations resulteert in een verhoogde retourtemperatuur van het warmtenet, wat uiterst nadelig is voor gebruik bij lage temperaturen en energie-efficiëntie. Deze gebreken en fouten komen in de praktijk vaak voor; studies hebben aangetoond dat tot 75% van alle geïnstalleerde onderstations een soort van fout vertonen.

Om deze fouten of gebreken snel te identificeren, heeft EnergyVille geautomatiseerde methoden ontwikkeld. Door deze intelligentie toe te voegen aan onderstation- en / of netwerkcontrollers, kunnen inefficiënties in het systeem eenvoudig en op afstand worden gedetecteerd, waardoor de kosten voor onderhoud en bedrijfskosten voor zowel servicebedrijven als netwerkoperatoren worden verlaagd. Tevens werkt EnergyVille aan methodes om de retourtemperatuur in warmtenetten zo laag mogelijk te krijgen om de efficiëntie van energiesystemen te verhogen.

EnergyVille is ook lid van:

energyville_is_lid_van

 

EnergyVille focust zich ook op thermische energieopslagtechnologieën. Hierbij slaat men overschotten aan warmte of koude op om te gebruiken wanneer nodig. Met andere woorden, het aanleveren van warmte of koude wordt losgekoppeld van de vraag. Dit lost de dagelijkse onbalans op tussen de warmtevraag op huishoudelijk niveau en de toevoer van warmte uit hernieuwbare bronnen (zoals zonnecollectoren of PV-gekoppelde warmtepompen). Verschillende technieken kunnen gebruikt worden om warmte of koude op te slaan, van watertanks tot de meer exotisch klinkende PCM (Phase Change Material) en thermochemische opslag. Het stijgend gebruik van hernieuwbare energiebronnen en restwarmte van bedrijven en gebouwen zijn drijvende krachten achter het gebruik van energieopslag. Verder kan opslag ook operationele flexibiliteit toevoegen en draagt het bij tot de verhoging van de efficiëntie van het energiesysteem.


Thermische energieopslagsystemen worden vooral gebruikt in industriële processen en gebouwen. In deze toepassingen wordt ongeveer de helft van de energie gebruikt in de vorm van thermische energie. Thermische energieopslagsystemen kunnen helpen de energievraag en –toevoer in balans te houden en dat in verschillende tijdsframes. Een waterbuffer voor huishoudelijk warm water slaat bijvoorbeeld warmte op gedurende enkele uren of dagen, terwijl ondergrondse boorgat-energieopslag warmte kan opslaan gedurende een heel seizoen.


Thermische opslag kan ook een belangrijke rol spelen in het verbinden van thermische en elektrische netten. Om thermische energieopslag te koppelen aan een elektrisch net zijn er conversiesystemen zoals warmtepompen of ORC’s nodig. Bij thermische netten kan opslag een balancerende rol spelen tussen de energieproductie, de conversiesystemen en de gebruikers, zowel op korte (dag-nacht) als op lange termijn (winter-zomer). EnergyVille doet onderzoek naar de ontwikkeling, demonstratie en implementatie van intelligente controlesystemen voor energieopslagsystemen. Daarnaast behoren ook intelligente laadtoestandsbepaling van opslag, geïntegreerde opslagconcepten en compacte thermische energieopslag tot de onderzoeksonderwerpen.

Optimale warmtebenutting

Voor een optimale warmteterugwinning via warmtewisselingen moeten verschillende parameters tegelijkertijd worden geoptimaliseerd. Het is belangrijk om een warmtewisselaar te hebben met een hoge efficiëntie en gereduceerde drukval, maar aan de andere kant is het ook belangrijk om het materiaalgebruik te minimaliseren en in sommige gevallen ook de afmetingen/grootte te beperken (of passen binnen bepaalde randvoorwaarden).

Binnen EnergyVille richten we ons op de ontwikkeling van softwarepakketten voor gedetailleerde simulatie en optimalisatie van stromingen en warmteoverdracht in (compacte) warmteoverdrachtsapparatuur. De software is gebaseerd op nieuwe modelleringstechnieken op macroschaal voor een snelle evaluatie van de ‘gemiddelde’ stroming en temperatuur in warmteoverdrachtsapparatuur. Om nieuwe ontwerpen van warmtewisselaars te valideren, beschikken we over een testinfrastructuur op microschaal.

Energie op lage temperatuur 

Voor energieopwekking op lage temperatuur richten we ons op:

  • Steady-state modellering en optimalisatie van ORC-voedingssystemen inclusief thermodynamische optimalisatie, thermo-economische optimalisatie, optimale vloeistofkeuze en hybride koelsystemen
  • Dynamische modellering en besturing van ORC-voedingssystemen via Modelica (de ThermoCycle-bibliotheek) met focus op snelle variaties in randvoorwaarden en geoptimaliseerd opstarten en uitschakelen
  • Evaluatie van optimale werkvloeistoffen voor ORC's met behulp van de open-source Coolprop-bibliotheek
  • Ontwerp van kleinschalige prototypes van ORC's

Flexibele warmtepompen

Wat betreft het thema 'flexibele warmtepompen richten we ons op:

  • Beoordelen van de invloed van de regelstrategie op warmtepompinstallaties om hun energieflexibiliteit te benutten, inclusief de impact op de prestaties van de warmtepomp, de wederzijdse invloed van de regelstrategie en ontwerpspecificaties en de interactie van verschillende energiesystemen in warmtepompinstallaties  
  • Ontwerpoptimalisatie en compacte warmtewisselaars voor het verminderen van de lading van warmtepompen met milieuvriendelijke koelmiddelen
  • Beoordelen van innovatieve warmtepomptechnologieën (bijv. warmtepompen op hoge temperatuur voor terugwinning van afvalwarmte of absorptiekoeling met zonne-energie)
  • Testen van energie-flexibele warmtepompen met warmtepomp hardware-in-the-loop-configuraties (testen van verschillende regelstrategieën en systeemconfiguraties)