Februari 2026

Energietransitie begint bij de eindgebruiker

Wat is de beste combinatie van warmtepomp, pvt en opslag?

Tal van oplossingen om het gebruik van fossiele brandstoffen terug te dringen voor het verwarmen van woningen zijn gekoppeld aan grootschalige installaties zoals stadsverwarming. Dr. Joel Alpízar-Castillo meent dat het realistischer is om de energietransitie juist bij de eindgebruiker te starten. Voor zijn promotie aan de TU Delft ontwikkelde hij een eenvoudig energiemodel van een gemiddelde Nederlandse woning.

In Nederland zijn warmtepompen en fotovoltaïsche-thermische systemen de twee populairste oplossingen om woningen gasloos te verwarmen. Deze twee technologieën op zichzelf werken uitstekend, maar vertonen enerzijds stochastisch gedrag en vormen anderzijds een uitdaging voor zowel de gebruikers als de netbeheerders. Het stroomverbruik van een warmtepomp is bijvoorbeeld dermate hoog, dat deze het totale energie- en stroomverbruik van een gemiddelde Nederlandse woning overtreft. Als enige elektrische equivalent is het belangrijkste nadeel van fotovoltaïsche-thermische systemen dat er een logische mismatch is tussen vraag en aanbod. Het gevolg is een extra belasting van het net.

Multi-energiesysteem

Dr. Joel Alpízar-Castillo deed in het kader van zijn promotieonderzoek bij de TU Delft onderzoek naar multicarrier-energiesystemen (MCES). Dit zijn systemen die twee of meer verschillende energievormen combineren. Een pv-systeem en een batterij-energieopslagsysteem (Bess) zouden bijvoorbeeld één enkele drager vormen, terwijl het vervangen van de pv door een pvt een thermisch subsysteem toevoegt, wat resulteert in een multicarrier-energiesysteem.
Alpízar-Castillo: ‘Uit een uitgebreid literatuuronderzoek blijkt dat veel wetenschappelijk onderzoek zich richt op afzonderlijke componenten, zoals een warmtepomp, een vorm van energieopslag of een pv-systeem. Het doel is in veel gevallen het verbeteren van de prestaties, zoals het rendement. Om tot een multicarrier-energiesysteem te komen, moet je deze componenten combineren, maar dat is niet willekeurig mogelijk. Sterker nog: een verkeerde combinatie kan leiden tot uiteenlopende problemen als instabiliteit, een laag rendement of congestie. Er is dus meer onderzoek nodig naar het vinden van de optimale combinatie voor een gemiddelde Nederlandse woning. Dit is nog eens extra belangrijk, omdat juist deze systemen in woningen de benodigde flexibiliteit bieden om een goed evenwicht te verkrijgen tussen de vraag van de bewoners en het (variabele) aanbod vanuit duurzame energiebronnen.’

Thermisch netwerk diagram.

Opzet onderzoek

In zijn onderzoek heeft Alpízar-Castillo verschillende configuraties van energiesystemen voor een gemiddeld huishouden geanalyseerd. De overeenkomst is dat alle configuraties gebruik maken van een hydraulisch netwerk voor ruimteverwarming (hiermee worden onder andere infraroodpanelen en elektrische kachels voor verwarming buiten beschouwing gelaten). De configuraties zijn opgebouwd uit een of meer van de volgende componenten: pvt-systemen, Bess, een warmtepomp en een thermisch energieopslagsysteem (Tess) op basis van een ondergrondse watertank. Vervolgens zijn de combinaties beoordeeld op basis van hun thermische en elektrische prestaties en equivalente CO₂-uitstoot (CO_2-eq). Hiervoor is gebruikgemaakt van analytische modellen voor elk onderdeel (inclusief de thermische verliezen van de thermische opslag naar de grond) en de ruimteverwarmings- en elektriciteitsvraag.

Onderzoekslacunes

Om daadwerkelijk een analyse te kunnen maken van de verschillende configuraties, moesten Alpízar-Castillo en zijn team eerst aanvullend onderzoek doen. Het uitgebreide literatuuronderzoek leidde namelijk tot drie belangrijke onderzoekslacunes.
1. Pvt-systemen en Tess worden vaak gebruikt als ondersteuning voor de warmtepomp. Belangrijk is om ook te onderzoeken hoe pvt en Tess zijn te integreren als onderdeel van het hoofdwarmtenet.
2. In het geval van Tess zijn het meestal watertanks met een volume van minder dan 1 m³ die in de woning worden geplaatst. Als het de wens is om langdurig thermisch vermogen te kunnen leveren voor ruimteverwarming, dan vereist Tess een groter volume. Om te voorkomen dat kostbare ruimte binnenshuis in beslag wordt genomen, is een Tess ook ondergronds buiten de woning te plaatsen. Hierbij is aanvullend onderzoek nodig naar de thermische verliezen van een Tess naar de bodem.
3. Vaak wordt aangenomen dat warmtepompen de equivalente CO₂-emissies van het verwarmingssysteem drastisch verminderen in vergelijking met systemen met gasketels. Er moet echter nog onderzoek worden gedaan naar de CO₂-emissies die gepaard gaan met het hogere stroomverbruik van een warmtepomp om te weten wat de échte equivalente CO₂-emissies zijn.

Op basis van deze lacunes zijn vier doelstellingen geformuleerd voor het vooronderzoek.
1. Het bepalen van de thermische bijdragen van het opnemen van pvt en ondergrondse Tess in een residentieel ruimteverwarmingsnetwerk.
2. Het voorstellen van een wiskundig model voor een ondergronds watertank - Tess, rekening houdend met de temperatuurgradiënt van de bodem.
3. Het evalueren van de geschiktheid van een multicarrier-energiesystemen bestaande uit verschillende combinaties van een pvt, een warmtepomp, een Tess en een Bess voor huishoudelijke toepassingen. Dit op basis van het elektriciteitsverbruik van het net, thermische energieopwekking voor ruimteverwarming en equivalente CO₂-uitstoot.
4. Het beschikbaar stellen van een modulair, open-access model in Python om een woning te simuleren. Hierin is elke combinatie te bekijken die de volgende elementen omvat: ruimteverwarming en elektriciteitsvraag, pvt-systeem, warmtepomp, ondergronds thermisch energieopslagsysteem en batterij-energieopslagsysteem, buitentemperatuur, gewenst binnentemperatuurprofiel en elektrisch belastingprofiel.

Elektrisch netwerkdiagram.

Alpízar-Castillo: ‘Om bovenstaande vraagstukken te kunnen beantwoorden, hebben we uiteenlopende modellen ontwikkeld. Het thermische netwerk van het voorgestelde multicarrier-energiesysteem omvat een opslagsysteem voor thermische energie met watertank, een pvt en een warmtepomp om te voldoen aan de thermische vraag naar ruimteverwarming. Voor elke component is een discreet analytisch model ontwikkeld, waardoor we deze kunnen koppelen aan een thermisch netwerkmodel. Een vergelijkbare aanpak wordt gehanteerd voor de elektrische carrier van het systeem. Dit omvat een pvt en een batterij-energieopslagsysteem die voldoen aan de basisvraag naar elektriciteit. Dit aangevuld met het verbruik van de warmtepomp en eventueel stroom uit het net. De meeste van deze modellen zijn gevalideerd in de literatuur en uiteindelijk te extrapoleren op voorwaarde dat er voldoende constante waarden zijn.’

Pvt biedt geen significant voordeel op thermisch vlak

Vier scenario’s

Met deze modellen zijn uiteindelijk vier verschillende combinaties geanalyseerd waarbij gekeken is naar hun geschiktheid om een gemiddelde Nederlandse woning te voorzien van voldoende warmte en elektriciteit en de bijdrage die elke configuratie levert aan de reductie van CO₂-emissies.

Deze combinaties zijn:
• scenario I: alleen een warmtepomp,
• scenario II: een warmtepomp gekoppeld aan een thermisch energieopslagsysteem (met twee verschillende laadprotocollen),
• scenario III: een pvt-systeem gekoppeld aan een thermisch energieopslagsysteem (met twee verschillende laadprotocollen),
• scenario IV: een pvt-systeem gekoppeld aan een thermisch energieopslagsysteem (met twee verschillende laadprotocollen) en een warmtepomp.
De scenario’s zijn geëvalueerd met maximaal 10 pvt-modules, Tess-volumes tot 10 m³ en een Bess.

Steeds meer woningen zijn voorzien van een batterij-energieopslagsysteem (Bess).

Resultaten

Na de analyse zijn de verschillende scenario’s op elektrische, thermische en equivalente emissieprestaties vergeleken met een basisscenario. Dit basisscenario bestaat uit uitsluitend een gasketel die altijd voldoet aan de thermische vraag, 1.497 kg CO_2-eq produceert en een netto verbruik van 2.375 kWh heeft. Deze elektrische energie komt uit het net.
Alpízar-Castillo: ‘Vanuit het perspectief van de thermische vraag naar ruimteverwarming zijn scenario 1, 2 en 4 geschikt voor het bereiken van een binnentemperatuur boven de ingestelde temperatuur. De resultaten suggereren dat, gezien de prioriteit van de Tess boven de warmtepomp in scenario’s 2 en 4, de bijdragen van de warmtepomp aan de thermische vraag bijna verwaarloosbaar zijn. De warmtepomp wordt alleen gebruikt om de Tess opgeladen te houden bij gebruik van het volledig opgeladen protocol. In het cyclische protocol levert de warmtepomp thermisch vermogen aan het netwerk als de Tess ontladen raakt en er nog steeds thermisch vermogen nodig is. Vervolgens blijft de warmtepomp actief om de Tess terug te laden. Desondanks vermindert het gebruik van de warmtepomp om thermisch vermogen via de Tess te leveren de thermische prestaties van het systeem. Bij vergelijking van scenario 1 met scenario’s 2 en 4 is het verschil tussen de hoeveelheid opgewekte energie en de thermische vraag merkbaar.’
Lage thermische prestaties leiden ook tot slechte elektrische prestaties. In scenario 1 schommelt de COP van de warmtepomp tussen 2,18 en 3,92. Scenario’s 2 en 4 hebben daarentegen maximale COP’s onder 1 met het volledig geladen protocol en 1,4 met het cyclische protocol. Dit verhoogt het jaarlijkse elektrische energieverbruik aanzienlijk, zelfs in scenario 4 met de pvt, waardoor de kans op onderspanningen in het distributienet toeneemt. Bovendien wordt energie teruggeleverd aan het net, ondanks het gebruik van een batterij-energieopslagsysteem. Dit is in de meeste gevallen ongewenst, omdat het kan leiden tot overspanningen en congestie in het distributienet.
Alpízar-Castillo: ‘Wanneer we kijken naar de elektrische prestaties, vormen scenario’s 2 en 4 om die reden een aanzienlijke uitdaging voor netbeheerders. Scenario 3 bereikt een netto-nulverbruik, en geeft zelfs netto-positieve resultaten. De stochasticiteit van de pvt-opwekking veroorzaakt echter een bidirectionele energie-uitwisseling met het net. Hierdoor kunnen congestie en overspanningen ontstaan die ernstiger zijn dan in eerdere scenario’s; dit vanwege het lagere energiegebruik en dezelfde energieopwekking.

CO₂-emissie

Tot slot is een verbetering in CO_2-eq te bereiken met een netto toename van het elektriciteitsverbruik onder de 2.900 kWh/jaar. Dit betekent dat het totale netto energiegebruik 5.250 kWh/jaar of minder zou moeten zijn. Door alleen de warmtepomp te gebruiken, zoals in scenario 1, is het mogelijk om aan deze criteria te voldoen. Bij de overige scenario’s is dit niet het geval. Bij scenario 3 wordt het huis weliswaar netto-positief wanneer zeven pvt-modules worden gebruikt, maar de thermische vraag wordt niet gehaald. Scenario 4 kan alleen aan deze eis voldoen wanneer geen Tess wordt toegepast.
Het enige verschil tussen dit scenario en scenario 2 is feitelijk de pvt. In scenario 2 leidt de afwezigheid van pvt tot een aanzienlijke verhoging van de equivalente emissies vergeleken met alleen de warmtepomp in scenario 1. Scenario 4 heeft een lagere impact op de equivalente emissies dan scenario 2, aangezien de pvt tot 1.870 kg CO_2-eq kan compenseren bij gebruik van tien modules, maar het is onvoldoende om het gebruik van de Tess vanuit een emissieperspectief te rechtvaardigen.
Alpízar-Castillo: ‘Met dit onderzoek is tevens aangetoond dat pvt geen significant voordeel biedt op thermisch vlak. Om deze reden zou een pv-systeem dezelfde waarde toevoegen aan het verminderen van de equivalente emissies, met lagere kosten, omdat het geen hydraulische componenten nodig zou hebben. Vervolgens verhoogde het toevoegen van thermische opslag het elektriciteitsverbruik met een factor tien, en hiermee de CO_2-eq.’

De vier scenario’s met de regelstrategie van het EMS in de thermische drager (rechtsboven) en de regelstrategie van het EMS in de elektrische drager (rechtsonder).

Eindconclusie

Uitgaande van hetzelfde gewicht voor de drie criteria (thermische en elektrische prestaties en CO_2-eq), toont scenario 1 over het algemeen de beste prestaties. Dit scenario kan voldoen aan de thermische vraag met het lagere elektriciteits- en netto netverbruik; daarom ligt de CO_2-eq net onder scenario 3. Scenario’s 2 en 4 hebben bijna dezelfde thermische prestaties; scenario 4 heeft echter een beter elektrisch gedrag vanuit gebruikersperspectief dankzij de zonne-energie van de pvt, waardoor de CO_2-eq wordt verlaagd. Vanuit het netperspectief vormt scenario 4 echter de grootste uitdaging vanwege de aanzienlijke toename van het verbruik en de stochastische bidirectionele energiestroom. Scenario 3 presteert beter dan de andere scenario’s wat betreft het netto netverbruik, maar kan niet voldoen aan de thermische vraag, waardoor het een ongeschikte architectuur is.
Alpízar-Castillo: ‘De eindconclusie is dat alle scenario’s vooral geschikt zijn voor het leveren van ondersteunende diensten indien het multicarrier-energiesystemen is gedimensioneerd op basis van een specifieke ondersteunende dienst, zoals spanningsregeling of congestiebeheer. Dit in combinatie met een adequate energie-managementsysteem (EMS) -strategie. Indien dit het geval is, kunnen scenario 2 of 4 aantrekkelijker worden dan scenario 1, dankzij de combinatie van de warmtepomp en de Tess. Variabele energieprijzen zouden het bijvoorbeeld rendabeler maken om de warmtepomp te gebruiken wanneer er niet per se behoefte is aan warmte. Hierdoor is thermische energieopslag nodig, wat resulteert in een kostengestuurde vraagrespons. Evenzo zou het gebruik van de warmtepomp om de Tess op te laden in periodes met hoge vermogensinjectie, ondanks dat er geen verwarming nodig is, het net mogelijk kunnen ondersteunen bij het verminderen van overspanningen zonder het thermische comfort van de bewoners te beïnvloeden.’

Afsluiting

De resultaten van het onderzoek worden momenteel gebruikt door verschillende interne en externe stakeholders, waaronder Stedin, Eneco en de gemeente Hilversum (via de Hilversumse Energie Transitie Coöperatie, HET). Daarnaast werkt de onderzoeksgroep DCE&S momenteel aan een vervolgproject.
Het project is uitgevoerd met een Topsector Energiesubsidie van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat, uitgevoerd door RVO. De specifieke subsidie voor dit project betreft de MOOI-subsidieronde 2020.

Bronnen
Alpízar-Castillo J., ‘Residential multicarrier energy storage systems as potential flexibility providers in lowvoltage networks - A new player has joined the game’ Delft University of Technology, Delft, 2025.
Ramírez-Elizondo L.M., Bauer P., ‘Modelling and evaluating different multi-carrier energy system configurations for a Dutch house’, Applied Energy 364, Elsevier, London, 2024.

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: J. Alpízar-Castillo, iStock/Lorado/Pablo Vivaracho Hernandez/KangeStudio