Energie-efficiënte ontvochtiging met een warmtepomp als bron van duurzame energie voor kasverwarming

In het Europese Interreg-project ENERGLIK zijn allerlei deelaspecten onderzocht die de ontwikkeling richting een fossiel-vrije tuinbouwsector faciliteren. Fossielvrije tuinbouw impliceert dat het bedrijf geen aardgas of andere fossiele energiedragers meer gebruikt. Dit doel kan behaald worden door kassen met biobrandstoffen te verwarmen, duurzame warmte van elders te betrekken of door gebruik van een elektrisch aangedreven warmtepomp. De elektriciteit daarvoor wordt dan verondersteld uit duurzaam te zijn, zoals steeds meer het geval is.

Het gebruik van de warmtepomp in combinatie met ontvochtiging zal vooral voor tuinbouwbedrijven die geen gebruik kunnen maken van opties zoals geothermie of industriële restwarmte. Dit geldt vooral voor solitaire bedrijven, maar er zijn ook clustergebieden waar geen duurzame warmtebronnen voorradig zijn.

Warmtepompen produceren ongeveer 4x zoveel warmte als dat ze aan stroom gebruiken. Verwarming van een kas die bijvoorbeeld 200 kWh warmte per m² per jaar nodig heeft zou 50 kWh elektriciteit gebruiken. De ‘truc’ die de warmtepomp hiervoor gebruikt is dat ¾ van de energie die als warmte wordt afgegeven wordt betrokken uit ‘afvalwarmte’, warmte die gratis ter beschikking staat. De warmtepompen die steeds meer in de gebouwde omgeving worden toegepast gebruiken hiervoor buitenlucht. En ook zijn er systemen die de warmte uit een nabijgelegen kanaal onttrekken, of uit de bodem. In dit rapport heeft Wageningen University&Research met simulatieberekeningen een doorvertaling gemaakt van resultaten die in ENERGLIK zijn behaald met de toepassing van een warmtepomp-ontvochtiger in een intensief belichte komkommerteelt.

In ENERGLIK is gewerkt aan warmtepompen die het overtollige vocht uit de kaslucht gebruiken als ‘afvalwarmtebron’ door dit te laten condenseren op een koud oppervlak. Bij de condensatie gaat het vocht over in vloeibaar water en komt de verdampings­warmte vrij (de zogenaamde latente warmte). Dat water komt daarmee weer beschik­baar voor de irrigatie van het gewas, en de warmte kan worden benut voor de kas­verwarming. Zo wordt met de warmtepomp een water- en energiekringloop gesloten. Deze gesloten water- en energiekringloop is een alternatief voor de gangbare tuinbouw, waarin de warmte-input afkomstig is uit aardgas en de latente warmte onbenut wordt afgevoerd door de ramen op een kiertje te zetten als het in de kas te vochtig wordt.

Het bovenbeschreven systeem is niet nieuw, maar wordt om verschillende redenen weinig toegepast. De belangrijkste reden is de dominante positie van Warmte-Kracht koppeling in de Nederlandse en Vlaamse tuinbouw. Bij het gebruik van WKK wordt aardgas omgezet in warmte en elektriciteit. De elektriciteit kan in de regel goed verkocht worden in het openbare net of wordt gebruikt voor belichting van gewassen in de winter. Met de waarde van de elektriciteit kan de kostprijs van gas al bijna gedenkt worden zodat de kostprijs voor warmte gemiddeld erg laag ligt. Onderstaande grafiek toont de gemid­delde gasprijs en de gemiddelde warmteprijs nadat de elektriciteit die met het gas ge­pro­duceerd wordt is gewaardeerd tegen de gemiddelde marktprijs. De grafiek geldt voor de Nederlandse situatie, maar in Vlaanderen is de situatie vergelijkbaar.

Zowel in Nederland als in Vlaanderen zijn echter verduurzamingsdoelstellingen gefor­muleerd, waarbij het gebruik van aardgas over een zeker tijdpad wordt afgebouwd. Dit noopt tot een zoektocht voor werkbare alternatieven, waaronder dus het gebruik van de warmtepomp.

In het teeltexperiment met een belichte komkommerteelt van november ’24 tot begin april ’25 en daarna een (onbelichte) zomerteelt komkommer werd kennis en ervaring opgedaan met een warmtepomp-aangedreven ontvochtigingsinstallatie. Behalve deze innovatieve ontvochtigingsinstallatie, waarbij door toevoeging van een passieve lucht/lucht wisselaar in de luchtbehandelingskast het elektriciteitsverbruik voor de ontvochtiging kon worden verlaagd, was de kas uitgerust met een dubbel schermsysteem. Het onderste transparante scherm was niet doorlatend voor vocht en was bijna de hele winter gesloten. Het bovenste schermdoek was een hoog-isolerend donkerdoek dat in principe elke nacht gesloten werd, en op donkere winterse dagen ook overdag. Door de hoge lichtintensiteit van de belichtingsinstallatie (300 µmol/(m² s)) werd de groei van het gewas op zulke dagen nauwelijks gehinderd door het gesloten donkerdoek en bleef de isolatiegraad van de kas hoog. De goed geïsoleerde kas, waarvan de ramen de winter door slechts incidenteel werden geopend, zorgde in combinatie met de hoge lichtsommen die per dag werden nagestreefd (20 mol PAR-licht per m² per dag) er voor dat de ontvochtigingsunit veel draaiuren maakte en daarmee veel energie aan de kaslucht onttrok. Onderstaande grafiek toont de hoeveelheid waterdamp die per dag aan de kas werd onttrokken.

De grafiek laat duidelijk de twee teeltcycli zien en dat er in de winter veel meer wordt ontvochtigd dan in de zomer. In de zomer gaan de ramen immers al gauw open in verband met de oplopende kasluchttemperatuur.

Parallel aan de afvoer van het vocht produceert de warmtepomp warmte, en in de volgende figuur is te zien dat deze hoeveelheid warmte het grootste deel van het jaar veel meer is dan de warmtevraag van de kas. De warmtevraag en warmteproductie zijn berekend met een kasklimaatsimulatiemodel, maar geverifieerd met gemeten data in de onderzoekskas.

Indien de ontvochtiging zou worden gebruikt zoals hierboven getoond zou de ontvochtiging 54 kWh/(m² per jaar gebruiken. Daarnaast zou de kas 240 kWh/m² aan stroom verbruiken voor de belichting. Samen is dat 294 kWh/(m² jaar). De hoeveelheid warmte die nog moet worden aangevuld (een beetje in november en een beetje in mei) is verwaarloosbaar. De komkommerproductie in deze kas bedraagt 120 kg/m² per jaar, de som van de winterproductie van 65 kg/m² en de zomerproductie van 55 kg/m² (zie rapporten over de resultaten in dit experiment).

Het CO₂-verbruik van de kas is volgens de modelberekeningen 37 kg/m² per jaar. Dit is laag in vergelijking tot gebruikelijke hoeveelheden omdat de kas door de ontvochtigingsinstallatie de ramen vaak dicht kan houden. In de zomer kan dat niet, omdat het ontvochtigingssysteem de kas niet kan koelen. De maximale doseercapaciteit Dat er desondanks beperkt CO₂ wordt toegediend komt doordat voor de maximale doseercapaciteit 180 kg/(ha uur) is aangehouden en de maximale CO₂-concentratie op 725 ppm was ingesteld, overeenkomend met de CO₂-concentratie die bij Botany is aangehouden.

Uiteraard zal bij praktijk-implementatie naar een andere oplossing worden gezocht dan met behulp van een warmtepomp vocht uit de kas te onttrekken om vervolgens de daarbij vrijkomende warmte onbenut te laten. Er kunnen drie wegen bewandeld worden. In de eerste plaats kan gekozen worden voor een lagere belichtingsintensiteit. Als er minder belichting wordt gebruikt daalt de vochtproductie (ongeveer evenredig) en stijgt de warmtevraag. Dat laatste omdat de lampen behalve licht ook warmte afgeven, maar de stijging van de warmtevraag is niet groot omdat bij een lagere lichtsom ook een lagere temperatuur hoort.

Verlaagde lichtintensiteit

Onderstaande grafiek laat het effect zien van het terugschroeven van de belichtingsintensiteit naar 180 µmol/(m² s). Uiteraard heeft dit alleen effect op de data voor de winter, want in de zomer staan de lampen uit. Warmtevraag en warmteproductie zijn duidelijk naar elkaar toe gekomen en het totale elektriciteitsverbruik is gedaald naar 145 kWh/(m² jaar) voor de belichting en 50 kWh voor de ontvochtiging (dus naar 195 kWh/m² in totaal). Ook in dit geval is de resterende warmtebehoefte verwaarloosbaar. Er is door de afname van de lampintensiteit echter ook 890 mol/m² minder PAR-licht beschikbaar voor de plantengroei, en met een lichtbenuttingsefficiëntie van 23 gram per mol (de waarde die bij Botany in de winterperiode gemiddeld gerealiseerd werd), zou dit een opbrengstdaling van 20 kg komkommer betekenen. Het verminderen van de belichtingsintensiteit bespaart dus 99 kWh/m² jaar aan elektriciteit, ten koste van 20 kg komkommer. Het energieverbruik per kg komkommer is afgenomen van 294/120 naar 195/100, en dus van 2.45 kWh/kg komkommer naar 1.95 kWh/kg komkommer. Dit toont de algemene trend die verlaging van de hoeveelheid lamplicht in de regel leidt tot een betere energie-efficiëntie van een teelt.

Beperking interne ontvochtiging

In de tweede plaats kan er gekozen worden voor een combinatie van interne ontvochtiging en ontvochtiging met buitenlucht. Praktisch gesproken betekent dit dat steeds een deel van het vocht via de ontvochtiger wordt afgevoerd, maar dat ook de schermen op een kiertje worden gezet en, indien nodig ook de ramen. Hiermee kunnen warmtevraag en warmteproductie precies op elkaar komen te liggen, zoals getoond in onderstaande grafiek. Omdat in dit geval de ontvochtiger minder draaiuren maakt wordt er op stroomverbruik bespaard. Het verbruik voor de belichting is in dit geval weer 245 kWh/(m² jaar), maar het totaalverbruik daalt naar 281 kWh/(m²jaar). De warmtepomp-ontvochtiger gebruikt dan namelijk nog slechts 36 kWh/(m² jaar). Ook deze aanpassing leidt dus tot een efficiënter energieverbruik, aangenomen dat de productie gelijk blijft. Om de productie gelijk te houden moet er overigens in dit geval wel meer CO₂ worden gedoseerd dan in geval de ontvochtiger de kas gesloten kan houden. Het simulatiemodel berekent een toename van 5.5 kg CO₂ per m² jaar en komt daarmee op een jaarlijkse CO₂-verbruik van 42.5 kg/m².

Combinatie met onbelichte teelt

De derde optie is om naast de intensief belichte kas ook een onbelichte kas te gebruiken. Die onbelichte kas maakt dan gebruik van de warmte die over is uit de belichte kas. In feite gebeurt dat in de huidige praktijk ook bij veel kassen die WKK gebruiken. De WKK wordt dan elektrisch gedimensioneerd op de elektriciteitsvraag van de belichting, maar de warmte uit de stroomproductie wordt verdeeld tussen het belichte en het onbelichte deel van het bedrijf. De belichte en onbelichte teelt lopen daarbij niet synchroon. De teeltwisseling in het ene deel is op een moment dat het andere deel volop in productie is. Onderstaande grafiek toont de warmtevraag en warmteproductie uit de warmtepomp voor het gecombineerde bedrijf, dus een bedrijf wat voor de helft belicht wordt zoals dat in het Energlik-experiment is gedaan en voor de andere helft bestaat uit een onbelichte teelt. Dit onbelichte gedeelte is wel voorzien van een energiezuinig schermsysteem, bestaande uit een transparant doek en een donkerdoek. Dat donkerdoek wordt in geval van een onbelichte teelt alleen ’s nachts gebruikt. De 50-50 verdeling van belichte en onbelichte teeltafdelingen is gangbaar in de huidige praktijk.

De grafiek laat zien dat bij deze 50-50 verhouding de productie van de warmte-‘oogst’ uit de belichte afdeling niet voldoende is om in de volledige warmtebehoefte van de kas te voorzien, maar de warmtevraag wel grotendeels dekt. De resterende warmtevraag wordt verondersteld door middel van een ketel te worden ingevuld. Deze ketel gebruikt dan 8.2 m³ aardgas/(m² jaar) (aardgas met een verbrandingswaarde van 31.65 MJ/m³). Het elektriciteitsverbruik van deze combinatie van belichte en onbelichte teelt wordt berekend op 151 kWh/(m² jaar), waarvan 123 kWh/m² voor de belichting (de helft van het eerstgenoemde verbruik omdat de belichting slechts op de helft van het bedrijf is geïnstalleerd) en 28 kWh/(m² jaar) voor de warmtepomp. Uiteraard is ook dit getal de helft van het eerstgenoemd verbruik.

De gewasproductie in het belichte deel is weer de eerder genoemde 120 kg/(m² jaar) en voor de productie in het onbelichte deel wordt 80 kg/(m² jaar) verondersteld, een praktijk-conform productieniveau. Gemiddeld over het hele bedrijf wordt er dus een gewasproductie gerealiseerd van 100 kg/m² per jaar bij een elektriciteitsverbruik van 151 kWh/m², plus een gasverbruik van 8.2 m³/m². Als voor het gemak het gasverbruik even wordt omgerekend naar kWh, dan zou gesteld kunnen worden dat deze combinatie met 223 kWh/(m² jaar) 100 kg komkommer per m² oplevert. En dus qua efficiency tussen de twee andere opties in ligt.

Het CO₂-gebruik van het belichte deel is weer de eerstgenoemde 37 kg/m² per jaar en het CO₂ verbruik van het onbelichte deel is 33 kg/(m² jaar). Het feit dat het verbruik hier lager is dan in de belichte teelt komt doordat de verbruiken in de zomer praktisch gelijk zijn, maar er in de winter veel minder gewas in de kas staat en daardoor ook dit deel van het bedrijf de ramen meestal dicht heef

Deze laatste optie, dus de combinatie van een intensief belicht deel, samen met een onbelicht deel kan worden vergeleken met de huidige praktijk. Dat is voor de groenteteelt vaak een bedrijf met WKK, waar volstaan wordt met 1 scherm. In het belichte deel is dat een verduisteringsdoek en in het onbelichte deel is dat een transparant doek. In deze referentiesituatie is een WKK van 500 kWe/ha (gerekend over de combinatie van belicht en onbelicht deel) passend bij het stroomverbruik van de lampen in het belichte deel. In de zomer wordt de WKK gebruikt voor de verkoop van elektriciteit. Als het totale bedrijf 4 ha omvat betekent dit een WKK-vermogen van 2 MW, wat verdeeld zou kunnen worden over een machine van 1.2 MW en een kleinere van 800 kW. Onderstaande grafiek toont weer de warmtevraag en warmteproductie, waarbij ditmaal de warmteproductie uit de WKK komt.

Het productieniveau vanuit deze situatie wordt verondersteld gelijk te zijn aan die van de (allmost) all-electric situatie omdat in de grafiek te zien is dat des uitvoeringsvorm geen voordeel heeft van een verhoogde CO₂-beschikbaarheid in de zomer. De warmtevraag is door de energiezuinige regeling laag en daardoor zal in de zomer meestal maar één van de twee machines draaien en kan er CO₂ worden gedoseerd van 100 tot 140 kg/(ha uur). Het totaal aantal equivalente vollastdraaiuren van de WKK-installatie is 4500 uur.

Het jaarlijkse gasverbruik van dit gecombineerde bedrijf wordt berekend op 65 m³/m² (ook hier weer, uitgaand van aardgas met een verbrandingswaarde van 31.65 MJ/m³). Slechts 4.5 m³ van dit totaal wordt in de wintermaanden door de ketel verbruikt en de rest gaat naar de WKK. Die produceert daarmee 225 kWh, waarvan 125 kWh/m² op het bedrijf wordt gebruikt (vooral voor de belichting). Het bedrijf produceert dus 100 kWh/m² aan elektriciteit voor het openbare net.

De CO₂-emissie van het bedrijf bedraagt 65*1.8 = 117 kg/m² per jaar en aangezien het overgrote deel van deze emissie uit de WKK komt bedraagt de CO₂-emissie in broeikasgasequivalenten 137 kg CO₂-equivalenten per m² per jaar.

Samenvattend kan worden gesteld dat een komkommerbedrijf dat intensief belicht op de helft van het oppervlak op basis van zelf geproduceerde elektriciteit, en de vrijkomende warmte van de WKK verdeelt over de belichte en onbelichte helft, vergeleken zou kunnen worden met een (almost) all-electric situatie. Aansluitend op het Energlik-experiment bij Botany met een intensief belichte komkommerteelt wordt de rol van de WKK als warmtebron dan vervangen door een ontvochtigingssysteem op basis van een warmtepomp in het belichte deel. Bij hoge belichtingsintensiteiten (hier 300 µmol/(m² s)) komt daar zoveel warmte bij vrij dat hiermee niet alleen de belichte kas, maar ook de onbelichte afdeling grotendeels met deze warmte-‘oogst’ verwarmd kan worden. Uiteraard geldt dit alleen als de warmtevraag van beide kas-afdelingen fors wordt verlaagd door de toepassing van extra schermen, extra scherm-uren en een energiezuinige klimaatregeling. Omdat in de Energlik-experimenten de productieniveaus van de energiezuinige uitvoeringsvormen niet significant verschilden van de referentie-kassen (waar gangbare teeltregimes werden toegepast) is dat ook in de vergelijking van kassystemen in dit rapport verondersteld.

Waar in de referentiesituatie 65 m³ aardgas per m² per jaar wordt verbruikt, voornamelijk door de WKK, is dat in de ‘Energlik’-uitvoering teruggebracht naar een ketelgasverbruik van 8.2 m³/m². De CO₂ emissie van het bedrijf, die in de referentiesituatie 137 kg CO₂-equivalenten bedraagt daalt in de ‘Energlik’-uitvoering naar ongeveer 45 kg/m². Hier staat ‘ongeveer’ omdat er voor de CO₂ dosering 35 kg/m² wordt gebruikt en er bij de ketel 14.8 kg/m² vrijkomt, die in de winter deels gebruikt kan worden om de CO₂-vraag in te vullen. Er wordt dus aangenomen dat 5 van de 35 kg CO2 dosering per m² per jaar uit met de ketelrookgassen kan worden ingevuld. De overige 30 kg wordt gedoseerd in perioden waarin de ketel niet wordt gebruikt (het grootste deel van het jaar).

Gasverbruik en CO₂-emissie gaan dus fors omlaag, maar het bedrijf wordt van een netto stroomproducent (100 kWh/(m² jaar)) een forse stroomgebruiker (151 kWh/m² jaar). Omgerekend naar een kWh stroomverbruik per vermeden m³ aardgas is dit 4.4 kWh per m³ aardgas. Dit effect kan ook worden uitgedrukt als stroomverbruik per kg verminderde CO₂-emissie en komt dan op 2.7 kWh/kg vermeden CO₂-equivalent (het resultaat van 250/(137-45)). Uitgedrukt in temen van CO₂-emissie per eenheid elektriciteitsproductie is dit 360 gram/kWh.

Deze besparing op CO₂-emissie door de (allmost) all-electric kas met ontvochtiging en warmtepompen kan worden vergeleken met de gemiddelde emissie die gerelateerd is aan elektriciteitsproductie in het openbare net. Is die minder dan 360 gram/kWh dan levert dit systeem een lagere totaal-emissie. Met totaal-emissie wordt gedoeld op de som van de emissie bij het tuinbouwbedrijf en de met het bedrijf samenhangende emissie elders.
In het huidige energievoorzieningssysteem is de CO₂ emissie in het openbare net, vaak hoger, vooral in de winter. De overstap van WKK naar het gebruik van warmtepompen leidt in het hier uitgewerkte voorbeeld dus alleen tot een overall-daling van de CO₂-emissie als openbare elektriciteitsnet vergaand is vergroend.

Voor de sectordoelstellingen telt overigens alleen de reductie van CO2-emissie op het bedrijf. Vanuit dat oogpunt leidt de hier uitgewerkte case tot een grote reductie, namelijk een afname van een emissie van 137 kg CO₂-equivalenten per m² per jaar naar 45 kg CO₂-emissie. Om dit te kunnen realiseren heeft het bedrijf (nog steeds half intensief belicht en half onbelicht) een elektrische aansluitcapaciteit van ongeveer 550 kWe per ha nodig, 500 kW voor de belichting en 50 kW voor de warmtepomp-ontvochtiger.