Innovatieve energieconcepten en pilots voor de energieneutrale gebiedsontwikkeling in 2050

Innovatieve energieconcepten en pilots voor de energieneutrale gebiedsontwikkeling in 2050 B. Jablonska G.J. Ruijg E.M.M. Willems1 T. Epema2 I.J. Opstelten3 H. Visser M. Nuchelmans-Van Wanum1 1

Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs 2

TNO

3

SEV

ECN-E--10-071

Februari 2011

Verantwoording Work described in this report has been carried out within the Energy Research Subsidy regulation (EOS) – long term, with financial support of the Ministry of Economic Affairs, Agriculture and Innovation. Project no. at ECN is 7.9117.

Abstract The Dutch project ‘Transition in Energy and Process for a Sustainable District Development’ focuses on the transition to sustainable, energy neutral districts in 2050, particularly on energy concepts and decision processes. The main objective of the technical research is to develop four to six innovative energy concepts for 2050 for the four Dutch cities of Almere, Apeldoorn, Nijmegen and Tilburg, as well as the roadmap for realising this target. Firstly, 14 variations of six general energy concepts have been developed and calculations conducted on the energy neutrality in 2020, 2035 and 2050 by means of an Excel model designed for this purpose. Three concepts are based on the idea of an energy hub (smart district heating, cooling and electricity networks, in which generation, storage, conversion and exchange of energy are all incorporated): the geo hub (using waste heat and/or geothermal energy), the bio hub (using waste heat and/or biomass) and the solar hub (using only solar energy). The fourth concept is the so-called all-electric concept, based predominantly on heat pumps, PV and conversion of high temperature heat from vacuum collectors to electricity. The fifth concept uses only conventional technologies that have been applied since the second half of the previous century, and the sixth one uses only hydrogen. Calculations show that by implementing the hub concepts, the energy neutrality in 2050 ranges from 130 % (solar hubs) to 164% (geo hubs), excluding personal transport within the district. With the all-electric concept, an energy neutrality of 157% can be reached. Hydrogen only and Conventional concepts perform worse, but nevertheless reach an energy neutrality of around 115% in 2050. The energy neutrality shows the extent to which a district, in which the given concept is implemented, can supply itself with sustainable energy on a net year balance basis. Based on the six general concepts, the most optimal energy concepts tailored for the involved four cities have been drawn up and elaborated as pilots, in close cooperation with the representatives of the involved municipalities. The research up to now has shown that it is possible to realise energy neutrality in 2050 by implementing innovative technical concepts on district level. In this approach, different districts have different sustainable energy potentials that have their peak supply at different times. The smart approach therefore is not the autarkic district, but an exchange of surplus sustainable energy with neighbouring districts and import of the same amount of energy in case of a shortage. Keywords: energy neutrality, district, energy concept, energy hub, all-electric

2

ECN-E--10-071

Voorwoord Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van werkpakket 3 – “Technische concepten” – van EOS LT project Transep DGO. Deze tussenrapportage geeft een beeld van het onderzoek en resultaten van het eerste anderhalf jaar. Het grootste gedeelte van dit vooral fundamenteel onderzoek is afgerond. Dit rapport vormt het fundament van het nader onderzoek dat nog plaats moet vinden binnen dit werkpakket. Het team van onderzoekers van TNO, Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs en ECN hoopt met deze tussenrapportage inspirerende en goed toepasbare ideeën aan te reiken aan de belangrijke spelers zoals gemeenten, landelijke politiek, woningbouwverenigingen, projectontwikkelaars, producenten en leveranciers van duurzame-energiecomponenten en systemen, energiebedrijven, energieadviseurs, architecten en stedenbouwkundigen over de eigenlijk niet zo verre toekomst van energievoorziening van wijken, gebieden of hele steden. De daadwerkelijke, effectieve, toepassing van innovatieve energieconcepten is niettemin ook sterk afhankelijk van het wegnemen van barrières op bestuurlijk, organisatorisch, economisch en juridisch gebied. Het werkpakket 1 buigt zich verder over deze kwestie. Dank gaat uit naar de vier pilotgemeenten betrokken bij het project: Almere, woningcorporatie Ymere te Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg en andere bedrijven en personen die onderdeel vormen van de klankbordgroep en/of hun bijdrage hebben geleverd aan de georganiseerde workshops.

Acknowledgements The authors would like to thank the Dutch Ministry of Economic Affairs for their financial support of this research, and Mr Sander Koomen (Ymere housing association in Almere); Ms Marleen Bijker and Mr Theo van Es (municipality of Apeldoorn); Mr Fons Claessen and Mr Harm Eetgerink (municipality of Nijmegen) and Mr Pieter Biemans (municipality of Tilburg) for sharing information and their enthusiastic cooperation.

ECN-E--10-071

3

Inhoud Inhoud

4 

Lijst van tabellen

6 

Lijst van figuren

6 

Samenvatting

8 

1. 

Inleiding

18 

2. 

Afbakening en werkwijze 2.1  Afbakening 2.2  Werkwijze 2.2.1  Onderzoek naar de energievoorziening in 2050 2.2.2  Ontwikkeling van de technische concepten 2.2.3  Conceptkeuze voor de pilotgemeenten

20  20  21  22  22  23 

3. 

Toekomstige energiehuishouding – uitgangspunten 3.1  Gebouwen energieneutraal met Trias Energetica 3.2  Gebieden energieneutraal met Trias Energetica 3.3  Energiestromen in een gebied 3.4  Keuze van duurzame energietechnologieën 3.5  Energievraag gebied 3.5.1  Gebouw 3.5.2  Omgeving 3.5.3  Vervoer 3.6  Duurzame energiebronnen en technologieën voor energie conversie en -opslag 3.6.1  Bestaande technologieën 3.6.2  Toekomstige technologieën vóór 2020 3.6.3  Nog te ontwikkelen technologieën ná 2020 3.7  Overige uitgangspunten: referentie, dakoppervlakte en CO2-emissie 3.8  Samenvatting uitgangspunten

26  26  27  28  29  31  32  33  34  34  35  45  49  51  53 

4. 

Gebiedsenergieconcepten voor de toekomst 4.1  Inleiding 4.2  Zes typen energieconcepten 4.2.1  Restwarmte en/of geothermie: geohubs 4.2.2  Restwarmte en/of biomassa: biohubs 4.2.3  Alles-op-zon concepten: zonhubs 4.2.4  All-electric concepten 4.2.5  Conventionele concepten met PV 4.2.6  Waterstof concept 4.3  Mate van energieneutraliteit van energieconcepten 4.3.1  Rekentool 4.3.2  Resultaten 4.4  Nadere beschouwingen 4.4.1  Import duurzame energie

55  55  56  56  56  57  57  57  58  58  58  59  63  63 

5. 

Concretisering 5.1  Inleiding 5.2  Matrix met gebiedskenmerken 5.2.1  Achtergrond en functies van de matrix en pasfoto 5.2.2  Het meerlagen model

66  66  66  66  67 

4

ECN-E--10-071

5.3 

5.2.3  Als voorbeeld een ingevulde matrix Duurzame energievoorziening betrokken gemeentes 5.3.1  Duurzame energievoorziening Almere, de Kruidenwijk

68  70  71 

5.3.1.1 Kenmerken gebied

71 

5.3.1.2 Visie Gemeente Almere

72 

5.3.1.3 Kenmerken energieconcept 2050 Almere Kruidenwijk

73 

5.3.1.4 Stappen naar 2050 5.3.2  Duurzame energievoorziening Apeldoorn, Kanaalzone

77  78 

5.3.2.1 Kenmerken gebied

78 

5.3.2.2 Visie gemeente Apeldoorn

80 

5.3.2.3 Kenmerken energieconcept 2050 Apeldoorn Kanaalzone

81 

5.3.2.4 Stappen naar 2050 5.3.3  Duurzame energievoorziening Nijmegen, Waalsprong, Waalfront en binnenstad

83  83 

5.3.3.1 Kenmerken gebied

83 

5.3.3.2 Visie Gemeente Nijmegen

85 

5.3.3.3 Kenmerken energieconcept 2050 Nijmegen

85 

5.3.3.4 Stappen naar 2050 87  5.3.4  Duurzame energievoorziening Tilburg, nieuwbouw & renovatie Tilburg Noord 87 

5.4  6. 

5.3.4.1 Kenmerken gebied

87 

5.3.4.2 Visie Gemeente Tilburg

88 

5.3.4.3 Kenmerken energieconcept 2050 Tilburg Noord

88 

5.3.4.4 Stappen naar 2050 Samenvatting en conclusies

90  91 

Conclusies en vervolgstappen 6.1  Conclusies 6.2  Vervolgstappen

Referenties

94  94  95  96 

Lijst met afkortingen WP3 rapportage

100 

Begrippenlijst

102 

Bijlage A  A.1 

Achtergrond van de “Potentieelstudie 2050” Introduction

106  106 

Bijlage B 

Passiefhuis kenmerken

107 

ECN-E--10-071

5

Lijst van tabellen Tabel 3.1  Tabel 3.2  Tabel 3.3  Tabel 3.4  Tabel 3.5  Tabel 4.1  Tabel 4.2  Tabel 4.3  Tabel 4.4  Tabel 4.5  Tabel 4.6  Tabel 4.7  Tabel 4.8  Tabel 5.1  Tabel 5.2  Tabel 5.3 

Overzicht van de Nederlandse energieverbruiken ten behoeve van de gebouwde omgeving buiten de gebouwen ................................................................................ 33  Aangenomen ingaande, uitgaande en gemiddelde collectortemperaturen per maand ..................................................................................................................... 40  Beschikbaarheid van biomassa in Nederland [Ree, 2002] ..................................... 45  CO2 uitstoot weergegeven per energievraag .......................................................... 52  Overzicht uitgangspunten voor de invoer rekentool ............................................... 54  Overzicht uitgangspunten toepassingsgebied energieconcepten ............................ 56  Overzicht uitgangspunten geohubs ......................................................................... 56  Overzicht uitgangspunten biohubs.......................................................................... 56  Overzicht uitgangspunten zonhubs ......................................................................... 57  Overzicht eigenschappen All-electric concepten .................................................... 57  Overzicht eigenschappen Conventionele concepten met PV .................................. 58  Overzicht eigenschappen Waterstofconcepten ....................................................... 58  Mate van energieneutraliteit van de gebiedsenergieconcepten in 2020, 2035 en 2050, zowel zonder als met energiegebruik voor personenvervoer ........................ 60  Matrix met gebiedskenmerken ................................................................................ 69  Energieconcept voor Almere .................................................................................. 74  Overzicht van de geselecteerde concepten voor de vier steden .............................. 92 

Lijst van figuren Figuur 2.1  Route op weg naar de energieconcepten ................................................................ 21  Figuur 2.2  Route naar keuze van concrete energieconcepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg ............................................................................................... 24  Figuur 2.3  Stappen bij backcasting .......................................................................................... 25  Figuur 3.1  De driestappen strategie ofwel Trias Energetica ................................................... 26  Figuur 3.2  Trias Energetica voor energieneutrale gebiedsonwikkeling [CHRI, ECN, 2010] . 28  Figuur 3.3  Energiebronnen en energiestromen in een gebied [Bron: Willems 2010]. ............ 28  Figuur 3.4  Energiestromen in een gebied [CHRI] .................................................................. 29  Figuur 3.5  Invloed van de grootte van een woongebied op de keuze van toegepaste technologieën [Bron: CHRI] .................................................................................. 30  Figuur 3.6  Energievraag in GJ per woning per jaar geraamd voor 2050 [ECN, 2010] ........ 31  Figuur 3.7  Van bronnen naar technologieën ............................................................................ 35  Figuur 3.8  Principeschets van diepe geothermie [Heekeren, 2007] ........................................ 37  Figuur 3.9  Voorbeeld van een vlakkeplaatzonnecollector, hier als onderdeel van een zonneboiler met bijbehorende warmteopslagvat, warmtepomp en regeling .......... 39  Figuur 3.10  Principeschema en prototype van het ECN quasi-continue sorptiesysteem voor individuele koeling van woningen [De Boer, 2008] ............................................... 41  Figuur 3.11  Voorbeeld van een Urban Wind Turbine: de Montane van Fortis Wind Energy (ca. 6kW) ................................................................................................................. 43  Figuur 3.12  De energiehub in zijn omgeving [Opstelten, 2006] ................................................ 47  Figuur 3.13  Vraag-aanbod afstemming met PowerMatcherTM [ECN, 2010] ............................. 50  Figuur 5.1  De drie lagen van het meerlagen model [www.RuimteXmilieu.nl, 2010] .............. 67  Figuur 5.2  Voorbeeld van de woningen in de Kruidenwijk [Ymere] ........................................ 71  Figuur 5.3  Voorbeeld van de woningen in de Kruidenwijk [Ymere] ........................................ 72  Figuur 5.4  Energiestromen in Almere ...................................................................................... 75 

6

ECN-E--10-071

Figuur 5.5  Plattegrond Almere met de locatie van Kruidenwijk. Woningen in het paars zijn van Ymere. Woningen in het groen en rood zijn van andere woningcorporaties. Woningen in het grijs zijn in particulier bezit ........................................................ 77  Figuur 5.6  Luchtfoto Kanaalzone [Bron: Masterplan Kanaalzone Noordoost; met toestemming van Marleen Bijker, gemeente Apeldoorn]........................................ 79  Figuur 5.7  Voorbeeld van de mix van wonen, kleinschalige industrie en recreatie in Kanaalzone Noordoost [gemeente Apeldoorn] ...................................................... 80  Figuur 5.8  Energiestromen in Apeldoorn [CHRI] ................................................................... 82  Figuur 5.9  Bouwplannen gemeente Nijmegen [Bron: Gemeente Nijmegen] ........................... 84  Figuur 5.10  Energiestromen in Nijmegen [CHRI] ..................................................................... 86  Figuur 5.11  Energiestromen in Tilburg [CHRI] ........................................................................ 89  Figuur 5.13  Planning gebiedsontwikkeling Tilburg-Noord 2010-2020 [bron: WonenBreburg] ...................................................................................................... 90 

ECN-E--10-071

7

Samenvatting Dat energieneutrale nieuwbouw mogelijk is, is al bekend. Het realiseren van energieneutrale gebouwde omgeving op een gebiedschaal is echter een uitdaging. Slimme combinaties van bestaande en nog te ontwikkelen technologieën, samen met gebiedsgebonden maatregelen zijn een voorwaarde voor energieneutrale wijken en vooral steden anno 2050. Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg nemen het voortouw. INTRODUCTIE Het jaar 2050 lijkt te ver weg om mee bezig te zijn. Voor energieneutrale gebieden in 2050 is het echter van groot belang om nu al actie te ondernemen. Het voorbereiden van de toe- en inpassing van de benodigde innovatieve energieconcepten en bijbehorende infrastructuur is daarvoor nu al vereist. Eén derde van de Nederlandse energievraag komt op dit moment vanuit de gebouwde omgeving. Een kenmerk van de gebouwde omgeving is dat deze zeer langzaam verandert. Jaarlijks wordt ongeveer 1procent aan nieuwbouw aan de bestaande voorraad toegevoegd. Wat op dit moment wordt gebouwd, staat er over minimaal vijftig jaar nog. De doelstelling van de Nederlandse overheid is 20% duurzame energie in 2020. Tevens pleiten vooraanstaande politieke partijen in een partijoverstijgend voorstel Nederland krijgt nieuwe energie [www.nederlandkrijgtnieuweenergie.nl] voor een volledig hernieuwbare energievoorziening in 2050. De innovatieve energieconcepten leveren bijdrage aan deze ambities van Deltaplan Nieuwe Energie. ENERGIENEUTRAAL GEBIED Een energieneutraal gebied hoeft de gemeentegrenzen niet te volgen en bestaat hoofdzakelijk uit woningbouw waar een kleiner aandeel utiliteitsbouw deel van kan uitmaken. Aangenomen is dat de benodigde energie voor industrie en transport anders dan personenvervoer buiten het gebied wordt opgewekt. Daarbij vallen landbouwgronden en bronnen, zoals windturbines (bijvoorbeeld op zee) en biomassa (bossen, landbouw en dergelijke) af. Een uitzondering is de restwarmte van grootschalige afvalenergiecentrales die voornamelijk huishoudelijk en bedrijfsafval verbranden en daarmee een directe relatie met de gebouwde omgeving hebben. Definitie van een energieneutraal gebied voor dit project: Een gebied is energieneutraal als op jaarbasis geen netto-import van energie van buiten de gebiedsgrens nodig is. Een energieneutraal gebied is geen autarkisch gebied (een gebied dat geen uitwisseling van energie met zijn omgeving kent). Energieoverschotten kunnen worden geëxporteerd en dezelfde hoeveelheid energie kan in het geval van energietekort worden geïmporteerd uit omliggende gebieden. Vooral voor elektriciteit geldt dat im- en export meer voor de hand ligt dan opslag. TRIAS ENERGETICA Het ontwerpen van energieneutrale gebieden volgt de stappen van Trias Energetica. Voor de energieneutrale gebouwde omgeving wordt meer nadruk gelegd op energieopslag, uitwisseling en conversie van duurzame bronnen uit de omgeving, als volgt: 1. energievraag beperken, 2. duurzame bronnen optimaal inzetten; 3. uitwisselen van energie in energiehubs en via smart-gridtoepassingen; 4. bufferen van energie op de tijdschaal van dag, week en seizoen om vraag en aanbod van duurzame energie te matchen;

8

ECN-E--10-071

5. efficiënt toepassen van geïmporteerde energie en brandstof om optredende ongelijktijdigheid van de duurzame energieopwekking op te heffen en als noodvoorziening. In de onderstaande afbeelding staat de Trias Energetica voor een energieneutrale gebiedsontwikkeling weergeven in vijf stappen. De vijf stappen zijn even belangrijk en moeten alle vijf worden beschouwd binnen een energieconcept. Maximale inzet duurzame energiebronnen Geïmporteerde energie en brandstoffen

Energievraag gebied

3

4

5

Buffering van energie

Energie-uitwisseling in energie-Hubs

2

1 Beperken energievraag

Trias Energetica voor energieneutrale gebiedsontwikkeling in vijf stappen [CHRI, ECN, 2010]

TOEKOMSTIGE ENERGIEHUISHOUDING Bij het vaststellen van de energievraag van de energieconcepten in 2050 is uitgegaan van de resultaten van de zogenaamde Building Future Potentieelstudie 2050 [Koene et al; 2008] en [Visser et al; 2011]). Building Future, zoals het samenwerkingsverband van ECN en TNO op gebied van gebouwde omgeving wordt genoemd, heeft hoge ambities geformuleerd voor de energieneutrale gebouwde omgeving anno 2050. Technologische en niet-technologische ontwikkelingen zijn gekoppeld aan de natuurlijke momenten van groot onderhoud van gebouwen. Verregaande reductie van energievraag met liefst 70% procent is essentieel. Dit wordt mogelijk door toepassen van bestaande en nieuwe technologieën. Bijvoorbeeld nieuwbouw en renovatie zullen worden gerealiseerd volgens principes van passief bouwen. Ontwikkeling van technologieën zoals warmteterugwinning uit afvalwater en compacte warmteopslag is essentieel. Duurzame energie kan de resterende vraag dekken. Volgens de Building Future Potentieelstudie 2050 zijn de hoofdkenmerken van de energievoorziening in 2050: - De energievraag van een gebied kan opgesplitst worden in een energievraag van • gebouwen; • vervoer in het gebied; • omgeving van gebouwen in het gebied. - Door een verregaande vraagreductie wordt de totale gemiddelde energievraag per woning in 2050 circa 33 GJ per jaar, uitgesplitst in: ‐ warm tapwater (4,5 GJ of 185 m3 gas per jaar); ECN-E--10-071

9

‐ ‐ ‐ ‐ ‐

ruimteverwarming (6,5 GJ of 300m3 gas per jaar); elektriciteit (9 GJ of 2450 kWh per jaar); elektriciteitsvraag buiten gebouwen (0,3 GJ); koelvraag (1,6 GJ of 300 kWhe per jaar) en personenvervoer (11 GJ).

Energievraag in GJ per woning per jaar (2050) (Totaal: 33 GJ) warm tapwater (4,5)

4.5 11

ruimteverwarming (6,5)

6.5

elektriciteit (9) elektriciteit buiten gebouwen (0,3)

1.6 0.3

koelvraag (1,6)

9

personenvervoer (11)

Energievraag in GJ per woning per jaar geraamd voor 2050 [ECN]

TECHNOLOGIEËN VAN DE TOEKOMST Duurzame technologieën die in energieconcepten kunnen worden toegepast zijn onder te verdelen in bestaande, toekomstige (binnen circa 10 jaar) en nog te ontwikkelen technologieën (na 2020). Onder bestaande duurzame technologieën worden hoge- en lagetemperatuurwarmtenetten, geothermische bronnen, warmte-koudeopslag (WKO), vlakkeplaat- en vacuümbuiszonnecollectoren, warmtepompen, warmtegedreven koeling, zonnepanelen (PV), urban wind en biomassa verstaan. Toekomstige technologieën zijn onder andere organic rankine cycle (ORC), warmtepompenbooster (Warmtepomp om tapwater dat met lagetemperatuurwarmtedistributie is verwarmd tot 40 oC na te verwarmen tot 65 oC om legionellaproblemen te voorkomen.), elektriciteitshub, heat- en powermatcher, compacte seizoenopslag van warmte en waterstof als energiedrager. Technologieën die al bedacht zijn maar waarvan de ontwikkeling nog moet beginnen zijn onder andere bi-directionele warmtenetten, warmte- en energiehubs. ENERGIE-HUBs Een energiehub is een nieuw concept bedacht door Building Future en verder binnen dit project ontwikkeld. Een energiehub kan gezien worden als een centraal punt in de wijk waar alle energiedistributiesystemen bij elkaar komen, en energiestromen in elkaar kunnen worden omgezet. Auto’s kunnen er (bio)gas of vloeibare biobrandstoffen tanken, (bio)gas kan worden gebruikt in warmtekrachtsystemen om warmte en elektriciteit te genereren, de elektriciteit kan worden gebruikt om elektrische auto’s op te laden en met warmtepompen kan warmte en/of koude worden gegenereerd. Ook wordt verwacht dat energiehubs zullen zijn uitgerust met mogelijkheden voor seizoensopslag van warmte en koude. Energiemanagement, gebaseerd op de heat- en powermatchertechniek zoals PowerMatcher™ en HeatMatcher (nog in ontwikkeling), wordt gebruikt om de productie en vraag van alle stromen en conversies te

10

ECN-E--10-071

coördineren. De energiehub zorgt in essentie voor een volledigere benutting van het gehele duurzame energie opwekpotentieel van de systemen die er aan verbonden zijn.

Vraag-aanbod afstemming met PowerMatcherTM [ECN]

ENERGIECONCEPTEN VOOR 2050 Eerst is onderzocht hoe de toekomstige energievoorziening er uit zou kunnen zien. Er is daarbij geïnventariseerd welke energievraag nog resteert en welke technologieën er nu en in de toekomst beschikbaar zullen zijn om deze energievraag met duurzame bronnen binnen het gebied op te wekken. Met behulp van berekeningen is aangetoond welke mate van energieneutraliteit wordt bereikt bij toepassing van de energieconcepten. Aansluitend is voor pilotprojecten een keuze gemaakt voor een concreet energieconcept. De route is weergegeven in onderstaande figuur.

ECN-E--10-071

11

Doorrekenen van energieconcepten Bepalen van de mate van energieneutraliteit

Route op weg naar de energieconcepten In een Excel-rekenmodel zijn de energieprestaties van de diverse energieconcepten berekend. De energetische prestatie is uitgedrukt in mate van energieneutraliteit (of zelfvoorzienendheid) die is gedefinieerd als de in het gebied opgewekte duurzame energie gedeeld door de energievraag van het betreffende gebied. Als de mate van energieneutraliteit groter is dan 100 procent is er sprake van een energieleverend gebied. Bij een kleiner percentage zal import van energie, al dan niet uit duurzame bronnen nodig zijn om in de totale energievraag te voorzien. Door het weloverwogen combineren van technologieën genoemd in Hoofdstuk 3.6 zijn zes typen energievoorzieningconcepten voor gebieden ontwikkeld. 1. geohubs; 2. biohubs; 3. zonhubs; 4. all-electricconcepten; 5. conventionele concepten; 6. waterstofconcepten. De hubconcepten maken gebruik van de restwarmte, geothermische-, biomassa- of zonnewarmte. All-electricconcepten maken gebruik van vooral warmtepompen en PV. Conventionele concepten zijn ter vergelijking beschouwd en laten zien wat kan worden bereikt met gasketels, zonneboilers en PV. Waterstofconcepten zijn ook beschouwd, maar niet verder uitgewerkt. Bij waterstof gaat het om een opslagmedium voor elektriciteit in plaats van een duurzame energiebron. Binnen de zes hoofdconcepten is een aantal zinvolle varianten gedefinieerd. Van elk van de varianten is de energieprestatie bepaald en uitgedrukt in de mate van energieneutraliteit voor 2020, 2035 en uiteindelijk voor 2050. De eerste stap in alle energieconcepten is het beperken van de vraag, door nieuwbouw of renovatie op passiefhuisniveau. Nieuwbouw bereikt het passiefhuisniveau met een goede gebouwschil (isolatie en kierdichting), lage temperatuur verwarming en warmteterugwinning uit ventilatielucht. De ruimteverwarmingvraag daarvan is 15 kWh/m2 vloeroppervlakte per jaar.

12

ECN-E--10-071

Renovatiebouw heeft een hogere warmtevraag: 28 kWh/m2 per jaar. Beide typen woningen hebben ook warmteterugwinning uit afvalwater. Er komt steeds meer beschikbare dakoppervlakte voor zonne-energietoepassingen, zoals zonnecollectoren, zonnepanelen of PVT (zonnecollectoren en zonnepanelen in één). In 2050 kan 28,1 m2 per woning worden gebruikt voor de opwekking. De toename van het beschikbare dakoppervlak komt vooral door steeds vaker zongerichte oriëntatie van de nieuwe woningen. De energieconcepten zijn samengevat in de tabel hieronder.

Mate van energieneutraliteit van de energieconcepten in 2020, 2035 en 2050 [ECN] Alle concepten kunnen in 2050 leiden tot volledige energieneutraliteit. Indien het persoonlijke vervoer wordt meegenomen, is de volledige energieneutraliteit met geen der concepten haalbaar. PILOTS IN VIER STEDEN Bovenstaande algemene energieconcepten dienen als een blauwdruk voor de keuzes van de concrete energieconcepten van de gemeentes. Deze keuzes zijn afhankelijk van meerdere aspecten, zoals de gebiedskenmerken, beschikbaarheid en type energiebronnen, eigenschappen van bestaande gebouwen en aanwezige infrastructuur, grootte van het gebied en de energievisies van de gemeentes. Het is uiteindelijk vooral een economische keuze welk concept er wordt gekozen. ALMERE – De Kruidenwijk De Kruidenwijk is een laagbouw woonwijk uit de jaren zeventig in het noordwesten van Almere Stad. Ten noorden van de wijk liggen de Noorderplassen, zandwinputten van ongeveer 20 meter diep. De woningen hebben grotendeels platte daken, gevels zijn voor iets meer dan de helft op het zuiden georiënteerd. Gevels kunnen naar passiefhuisstandaard worden gerenoveerd. In de Kruidenwijk is een warmtenet met hogetemperatuurwarmte aanwezig dat zich ook over andere delen van de stad uitstrekt. Vanwege het reeds beschikbare warmtenet en de aanwezigheid van de Noorderplassen wordt in Almere gekozen voor concept 1, hogetemperatuurgeothermie met mogelijke bijdrage van biomassa (concept 2). Indien geothermie niet mogelijk blijkt, dan heeft concept 3, lagetemperatuuropslag (in de Noorderplassen) met ORC en/of warmtepompen voorkeur.

ECN-E--10-071

13

Woningen in de Kruidenwijk [Ymere]. APELDOORN - De Kanaalzone Noordoost Volgens zogenaamde Roadmap 2020 [Apeldoorn barst van de energie, 2009] wordt Apeldoorn in 2020 100 procent energieneutraal. De gemeente Apeldoorn richt zich op een all-electric concept, waarnodig met kleinschalige warmtenetten. Deze doelstelling is in 2010 aangepast [De Ligt, 2009]. De energieneutraliteit zal in stappen worden bereikt, zoals volgt: • 2020 - alle overheidsgebouwen en huishoudens • 2025 – bedrijfsgebouwen • 2035 – 100 procent energieneutraliteit inclusief vervoer De Kanaalzone Noordoost wordt tot 2025 herontwikkeld. Daarna typeert dit gebied zich door een mix van bestaande bouw, nieuwbouw en kleinschalige industrie. Ook zal een deel van De Kanaalzone als een recreatiegebied dienen. Door het hele gebied loopt een kanaal. De nu aanwezige industriegebouwen worden vervangen door kantoren en woningen. Gemeente Apeldoorn streeft naar een combinatie van wonen en werken, met behoud van het kleinschalige karakter en de cultuurhistorische en natuurlijke waarden. Biomassa en huishoudelijk afval worden in de toekomst uit de wijk getransporteerd en niet direct in de wijk gebruikt als energiebron. Wel wordt het biogas na opwerking tot aardgaskwaliteit naar de stad getransporteerd, waar het met bio-wkk installaties in stroom en warmte wordt omgezet. De bodem onder Apeldoorn is waarschijnlijk geschikt voor een duurzame warmte- en koudevoorziening. De resterende, naar verwachting lage, koudevraag (passiefhuizen hebben geen serieuze koudevraag, kantoren wel) kan door WKO uit grondwater worden opgewekt. Warmte kan met elektrische warmtepompen worden opgewekt (ORC in winterbedrijf). Voor het gebruik van het Apeldoornskanaal als warmte- koudebron is het noodzakelijk dat hierin voldoende stroming is. Hoewel het water in het kanaal nauwelijks stroomt, is het op een energetisch interessante manier in beweging te krijgen door oppompen en laten stromen op bepaalde locaties met juiste hoogteverschillen buiten het gebied. Vanwege de ambities van de gemeente Apeldoorn en het karakter van de Kanaalzone Noordoost lijkt het concept 4, all-electric in combinatie met het concept 3, lagetemperatuuropslag met ORC of warmtepompen het meest geschikt.

14

ECN-E--10-071

Energiestromen in Apeldoorn [CHRI]

NIJMEGEN – Waalfront, Waalsprong en binnenstad De Waalsprong is een laagbouw woonwijk uit het begin van de 21e eeuw van 8.500 woningen, ten noorden van de Waal tegenover de binnenstad. Het Waalfront is een voormalig industrieterrein ten westen van de binnenstad aan de zuidoever van de Waal, waar ongeveer 2.650 woningen worden gebouwd. In de binnenstad zijn vele panden uit de wederopbouwperiode aan renovatie toe. Deze drie locaties zullen in 2050 als een geheel energieneutraal worden. De nieuwbouw in Waalsprong en Waalfront kan overtollige energie leveren aan de binnenstad. Vanwege de bestaande en vooral historische gebouwen en naar verhouding weinig dakoppervlakte voor energieopwekking is het onwaarschijnlijk dat de binnenstad op zich energieneutraal kan worden. Gemeente Nijmegen heeft de ambitie om de Waalsprong in 2020 energieneutraal te krijgen met een hybride warmtenet. Op de Waal wordt binnenkort een bypass gerealiseerd en ontstaan twee eilanden. De Waal kan worden gebruikt voor koeling en opwekking van energie uit stroming. De koelte zal vooral in de kantoren worden gebruikt. WKO levert koude uit grondwater die direct voor gebouwkoeling kan worden ingezet. Warmte kan met elektrische warmtepompen worden opgewekt, met het grondwater als bron. Een geothermische bron (uitgevoerd als een doublet) waaruit hogetemperatuuraardwarmte kan worden gewonnen is een mogelijkheid. Dit doublet kan dienen als een tijdelijke opslag voor overschot aan hogetemperatuurwarmte, ook zonnewarmte opgewekt door vacuümbuiscollectoren. Afvalverwerking ARN levert ook warmte (40 - 50°C) die niet ten koste gaat van elektrisch rendement. Electrabel-centrale G13 sluit in 2035. Omdat Nijmegen over restwarmte en genoeg mogelijkheden voor het winnen van geothermische en zonne-energie beschikt, en vanwege de aanwezigheid van de Waal wordt voor Nijmegen gekozen voor concept 1 of 2 (geo- of biohub met matigtemperatuurrestwarmtebenutting) eventueel in combinatie met concept 3 (zonhub met centrale opslag van hogetemperatuurzonnewarmte).

ECN-E--10-071

15

TILBURG-Noord Tilburg-Noord wordt tot 2020 herontwikkeld. Er staat groot onderhoud gepland aan circa 1.100 woningen (bouwjaar 1965-1970). Tevens wordt aan de noordkant van de stad een nieuwbouwwijk gerealiseerd met 700 - 800 woningen. In het grootste gedeelte van de stad is stadsverwarming aanwezig. Het hogetemperatuurwarmtenet wordt door de kolengestookte Amercentrale van warmte voorzien. De ambitie van de gemeente Tilburg is in 2045 energieneutraal te zijn. Een van de hoofddoelen daarbij is verduurzaming van het aanwezige warmtenet. Gemeente Tilburg zet onder meer in op grootschalige warmte-koudeopslag. Indien de Amercentrale ooit zou sluiten, kan het warmtenet van warmte worden voorzien met warmte vanuit zonnecollectoren en bio-wkk-installaties (biomassa gestoken warmtekrachtkoppelingen), eventueel in combinatie met geothermische bronnen. Opslag van warmte vindt plaats door gebruik te maken van compacte thermochemische opslag toegepast in woningen en/of geothermische doubletten. Opslag van elektriciteit vindt in principe niet plaats op de energiehub, maar door de accu’s van auto’s te koppelen aan een elektriciteitsnet van de woningen of andere gebouwen. Dit is mogelijk door zo het zogenaamde ‘Vehicle-to-grid’ system (V2G). De elektriciteit die niet op deze manier kan worden opgeslagen, kan worden uitgewisseld met de rest van Europa. Aangezien de ambitie van Tilburg is om het warmtenet te verduurzamen en er voldoende duurzame energiebronnen zijn die de continuering van het warmtenet mogelijk maken, wordt voor Tilburg gekozen voor een energiehub. In het gebied vindt mogelijk een overgang plaats van concept 1 of 2, geo- of biohub (hogetemperatuurrestwarmtebenutting, met gebruik van biomassa) naar concept 3, zonhub (hogetemperatuuropslag van zonnewarmte). CONCLUSIES Uit het uitgevoerde onderzoek kunnen de volgende voorlopige conclusies worden getrokken: ‐

Energieneutraliteit van de gebouwde omgeving kan op termijn slechts bereikt worden door een verregaande verlaging van de energievraag. Zongerichte nieuwbouw en renovatie volgens passiefhuisstandaard en ontwikkeling van warmteterugwinning uit afvalwater zijn hiervoor essentieel.

‐

Energieneutraliteit van de gebouwde omgeving is in 2050 mogelijk met alle onderzochte energieconcepten. De geo- en biohubconcepten en het all-electricconcept leiden tot de hoogste mate van energieneutraliteit, gevolgd door de zonhubs. Conventionele concepten met zonnepanelen en het waterstofconcept kunnen energieneutraliteit net bereiken. Belangrijk gevolg van het feit dat alle concepten energieneutraliteit bereiken, is dat transitie vanuit bestaande energie-infrastructuren mogelijk is. Gedane investeringen worden daarmee niet vernietigd.

‐

Energieneutraliteit voor gebouwde omgeving inclusief vervoer is binnen het gebied niet haalbaar onder gedane aannames. Het energieverbruik voor vervoer blijft daar ook in 2050 te hoog voor.

VERVOLGSTAPPEN Binnen de studie, uitgevoerd met subsidie van het ministerie van Economische Zaken; regeling Energie Onderzoek Subsidie: lange termijn, wordt nog onderzoek gedaan naar verschillende niet-technische aspecten van de energieconcepten. De Excel rekentool geeft de mate van energieneutraliteit aan in 2020, 2035 en 2050. Voor 2050 en in sommige gevallen ook voor 2035 worden waarden van meer dan 100 procent gevonden. Het is interessant om te zien welke energieconcepten of een combinatie van energieconcepten meest optimaal zijn om in een bepaald jaar een bepaalde mate van energieneutraliteit te kunnen

16

ECN-E--10-071

halen, bijvoorbeeld: 20 procent energieneutraliteit in 2020, 50 procent in 2030 en 100 procent in 2040. Een dergelijke beschouwing geeft een verschil tussen haalbare en gewenste mate van energieneutraliteit en daarmee vrijheid van keuze, bijvoorbeeld voor financieel-economische optimalisatie van de te kiezen maatregelen. Het concept energiehub lijkt veelbelovend en daarom is het interessant om verschillende types van energiehubs nader uit te werken. Naast de reductie in energie en CO2 kan verdere verdieping van de keuze tussen concepten mogelijk gehaald worden uit een exergetische beschouwing, dat wil zeggen een slimme benutting van de temperatuurniveaus van de warmtestromen. Noot: Deze samenvatting is in september 2010 gepubliceerd in een aangepaste vorm als een artikel in het tijdschrift Verwarming en Ventilatie (VV+), onder de titel: Innovatieve concepten voor gebiedsontwikkeling [Energieneutrale gebieden in 2050 heel gewoon]. Noot: Deze samenvatting is gepubliceerd als een zelfstandige ECN rapportage “ECN-O-10-037”.

ECN-E--10-071

17

1.

Inleiding

Het verduurzamen van onze samenleving wordt steeds urgenter, onder andere ingegeven door discussies over klimaatverandering, het uitputten van fossiele brandstofreserves en de daaruit volgende internationale politieke kwesties. Hierop heeft de Nederlandse overheid het beleidsprogramma 'Schoon en Zuinig: Nieuwe energie voor het klimaat' opgesteld. Hierin wordt de ambitie uitgesproken een energiebesparing van 2 % per jaar en een aandeel van 20 % duurzame energie in 2020 te realiseren. Eén derde van de Nederlandse energievraag komt vanuit de gebouwde omgeving. De gebouwde omgeving is daarmee een van de belangrijkste sectoren om aan het bereiken van deze doelstelling een bijdrage te leveren. Door de bestaande bouw is een energieneutrale gebouwde omgeving zonder gebiedsmaatregelen niet mogelijk, dit blijkt uit het rapport UKP-NESK Energieneutrale kantoorgebouwen [Smoor, 2010] en de “Potentieelstudie 2050” [Visser et al., 2011]. De opbrengst uit de verschillende duurzame energiebronnen is afhankelijk van o.a. dag-nacht, weergesteldheid en de seizoencyclus, hierdoor ontstaan overschotten en tekorten van dag- tot seizoenbasis. Door een gebouw in zijn omgeving te beschouwen is energieneutraliteit te realiseren door energievraag, energieaanbod, conversie en opslag onderling af te stemmen. Bovendien moet nieuwbouw worden voorbereid op energielevering aan bestaande bouw of aan energie voor mobiliteit. Delen van de bestaande bouw kunnen door hun (soms monumentale) status niet aangepast worden om energieneutraliteit te bereiken. Voor 2050 is het van groot belang om nú al bij gebouw- of gebiedsontwikkeling de toe- en inpassing van de benodigde innovatieve energieconcepten en bijbehorende infrastructuur voor te bereiden. Een kenmerk van de gebouwde omgeving is namelijk dat deze zeer langzaam verandert. Jaarlijks wordt ongeveer 1% aan nieuwbouw aan de bestaande voorraad toegevoegd. Wat op dit moment gebouwd wordt, staat er over minimaal vijftig jaar nog. Het doel van dit rapport is het verschaffen van inzicht en het bevorderen van de discussie over energieleverende gebouwde omgeving. Als resultaat worden energieconcepten voor duurzame gebiedsontwikkeling gepresenteerd om op lange termijn tot een energieneutrale gebouwde omgeving te komen. De energieconcepten zijn samengesteld uit een zinvolle combinatie van technologieën en maatregelen. Gebiedsmaatregelen als onderdeel van de energieconcepten zijn bijvoorbeeld afstemming op het ruimtebeslag van energievoorziening, teelt van gewassen met het oog op de benodigde biomassa-mix voor een lokale bio-energiecentrale en aansluiting op een smart-grid van diverse duurzame opwekkers. Dit rapport beperkt zich tot gebieden met woningbouw en/of utiliteitsbouw, het energie verbruik van industrie en transport wordt hierin niet beschouwd. Wel wordt er een doorkijk gegeven naar duurzaam vervoer voor huishoudelijke doeleinden. Met energieneutraal wordt hierbij bedoeld dat het energiegebruik binnen de gebiedsgrens gelijk is aan de hoeveelheid duurzame energie die binnen de gebiedsgrens wordt opgewekt. Om de concepten te ontwikkelen zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd: Eerst is onderzocht hoe de toekomstige energievoorziening er mogelijk uit zal zien. Er is daarbij geïnventariseerd welke energievraag nog resteert en welke technologieën er nu en in de toekomst beschikbaar zullen zijn om deze energievraag met duurzame bronnen binnen het gebied op te wekken. Met behulp van berekeningen is aangetoond wat bij toepassing van de verschillende concepten de verhouding is tussen de energievraag en de energie opgewekt binnen

18

ECN-E--10-071

het gebied. Aansluitend is een selectiemethode opgezet om op basis van de gebiedseigenschappen een afweging te kunnen maken voor een bepaald concept. Vervolgens is bij elk van de vier bij het project betrokken pilotgemeenten (Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg) onderzocht op welke wijze gebiedseigenschappen van invloed zijn op de keuze van een energieneutraal concept. Voor deze pilotprojecten op vier geselecteerde gebieden is een matrix met gebiedskenmerken opgesteld, waarmee per pilotproject een keuze is gemaakt voor het meest toepasbare energieconcept. De structuur van dit rapport is als volgt: In Hoofdstuk 2 wordt uitleg gegeven over de doelstellingen en de werkwijze. Hoofdstuk 3 beschrijft de uitgangspunten bij de toekomstige energievoorziening en de eigenschappen van de verschillende technologieën. Hoofdstuk 4 beschrijft de concepten en of deze aan de eis van energieneutraliteit voldoen. In hoofdstuk 5 wordt voor vier verschillende gebieden een concept gekozen aan de hand van ingevulde matrix met gebiedseigenschappen. Tot slot volgen in hoofdstuk 6 de aanbevelingen en conclusies. Ook is hier te lezen welke onderzoeksstappen nog zullen volgen binnen werkpakket 3.

ECN-E--10-071

19

2.

Afbakening en werkwijze

2.1

Afbakening

Gebiedsontwikkeling is in hoofdzaak een gemeentelijke aangelegenheid. De insteek van dit onderzoek focust zich op een benadering vanuit gemeentelijk perspectief. In dit project hebben wij ons beperkt tot gebieden met in hoofdzaak woningbouw waar een kleiner aandeel utiliteitsbouw van deel kan uitmaken. Aangenomen is dat de benodigde energie voor industrie en transport anders dan personenvervoer elders (buiten het gebied) opgewekt wordt. Daarom is in de doelstelling de systeemgrens, d.w.z. de grens waarbinnen duurzame energie opwekking ten behoeve van het eigen project wordt toegestaan [PEGO, 2009], om het met woningen en utiliteitsgebouwen bebouwde gebied getrokken. Gemeentegrenzen, bestuurlijke grenzen of andere afbakening is niet beschouwd. Daarbij vallen ook de landbouwgronden of buitengebieden buiten de gekozen systeemgrens. Hierdoor vallen bronnen zoals windturbines buiten het gebied (bijvoorbeeld op zee) en biomassa van buiten het gebied (bossen, landbouw e.d.) af. Een uitzondering is de restwarmte van grootschalige biomassacentrales en afvalverbranding. Afvalverbranding verwerkt voornamelijk huishoudelijk en bedrijfsafval en heeft daarmee een directe relatie met de gebouwde omgeving. Door deze keuze te maken worden de hoogste energie-eisen aan de gebouwde omgeving gesteld. Indien we er in slagen binnen deze systeemgrenzen oplossingen te vinden is er een behoorlijk perspectief voor een energieneutrale toekomst. Vanwege de rol van elektrische auto’s is een doorkijk gegeven naar duurzaam vervoer voor huishoudelijke doeleinden. Door elektrisch vervoer neemt de elektriciteitsvraag toe maar komt ook buffercapaciteit beschikbaar. Pieken in vraag en aanbod kunnen in de voertuigaccu opgevangen worden. Definitie van een energieneutraal gebied in dit project: Voor het Transep-DGO project gaan we uit van de onderstaande definitie: • Een gebied is energieneutraal als er op jaarbasis geen netto import van energie van buiten de systeemgrens nodig is. Dit betekent dat het energiegebruik binnen de systeemgrens gelijk is aan de hoeveelheid duurzame energie die binnen de systeemgrens wordt opgewekt. In afwijking van de definitie van Platform Energietransitie gebouwde omgeving [PEGO, 2009] wordt het energieverbruik dat voortkomt uit de oprichting en sloop van de gebouwen in dit onderzoek niet meegerekend. • In een energieneutraal gebied worden op energetisch en economisch optimale wijze de lokaal beschikbare energiebronnen (inclusief eventuele grondstoffen ter winning van energie) geëxploiteerd. • Een energieneutraal gebied is geen autarkisch gebied dat geen uitwisseling van energie met zijn omgeving kent. Overschotten aan energie kunnen geëxporteerd worden en dezelfde hoeveelheid energie kan in het geval van energietekort worden geïmporteerd uit omliggende gebieden. (Vooral voor elektriciteit geldt dat transport meer voor de hand ligt dan opslag).

20

ECN-E--10-071

2.2

Werkwijze

In het onderzoek zijn concepten ontwikkeld voor energieneutrale gebiedsontwikkeling om op lange termijn tot een energieneutrale gebouwde omgeving te komen die binnen geheel Nederland te realiseren is.

Doorrekenen van energieconcepten Bepalen van de mate van energieneutraliteit

Eerst is onderzocht hoe de toekomstige energievoorziening er uit zou kunnen zien. Er is daarbij geïnventariseerd welke energievraag nog resteert en welke technologieën er nu en in de toekomst beschikbaar zullen zijn om deze energievraag met duurzame bronnen binnen het gebied op te wekken. Met behulp van berekeningen is aangetoond welke mate van energieneutraliteit wordt bereikt bij toepassing van de energieconcepten. Aansluitend is voor pilotprojecten een keuze gemaakt voor een concreet energieconcept. De route is weergegeven in Figuur 2.1.

Figuur 2.1 Route op weg naar de energieconcepten [ECN] Bij het project zijn vier gemeenten betrokken: Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg. In deze zogenaamde pilotgemeenten zijn pilotprojecten gedefinieerd die in dit rapport fungeren als praktijkvoorbeeld en testcase. Met de verantwoordelijke personen voor het energiebeleid binnen de gemeentes zijn interviews gehouden. Een uitzondering is Almere, waar het interview bij de woningcorporatie Ymere plaatsvond. De interviews gaven een nadere toelichting op de gebiedskenmerken, de energievisies en het beleid van de gemeentes. De kansen en belemmeringen zijn natuurlijk afhankelijk van de sterktes en bedreigingen van het gebied of de gemeente. De concepten zijn besproken en naar aanleiding hiervan verbeterd. Een ander doel van de bezoeken aan gemeentes was het enthousiasmeren van de beleidsmakers, het bewust maken van de noodzakelijke langetermijnvisie bij gebiedsontwikkeling en de toepassing/inpassing van de energieconcepten en het project in algemeen. De achterliggende gedachte is dat een persoonlijk contact en een uitwisseling van ideeën bijdraagt aan het creëren van draagvlak vanuit de techniek.

ECN-E--10-071

21

Van de geselecteerde gebieden in de pilotgemeenten is zoveel mogelijk materiaal met achtergrondinformatie over gebiedskenmerken en energievisies van de gemeenten verzameld en bestudeerd. De energieconcepten zijn geconfronteerd met de gebiedskenmerken en de energievisies van de steden. Op basis van die confrontatie zijn tenslotte concrete energieconcepten voor de vier steden gekozen.

2.2.1 Onderzoek naar de energievoorziening in 2050 Waar wordt hoeveel energie voor gebruikt en welke technologieën zullen nu en in de toekomst beschikbaar zijn om dit doel te bereiken? Alle duurzame energiebronnen – zon, wind, aardwarmte, biomassa, waterkracht, omgeving en restwarmte – en de bijbehorende technologieën voor de conversie naar warmte, koude, brandstof en elektriciteit zijn beschouwd. Hieruit volgt een lijst met duurzame technologieën op gebiedsniveau ingedeeld naar technologieën die: • op dit moment al bestaan en in de markt toegepast worden; • in een later stadium van ontwikkeling zijn en in pilots toegepast en getest worden; • die wel al bedacht zijn maar nog niet in pilots zijn getest. Deze categorie technologieën is van groot belang voor de concepten 2050. Een paar voorbeelden zijn bi-directionele warmtenetten, energiehubs (energy-organisers), fotovoltaïsche zonnepanelen met dubbel rendement ten opzichte van 2010 en toepassing van compacte thermochemische warmteopslag in het bijzonder in de gebouwde omgeving. Voor de volgende deelaspecten van de concepten zijn nieuwe en bestaande technologieën in kaart gebracht: • mogelijkheden van reductie van de vraag naar warmte, koude en elektriciteit binnen de gebouwde omgeving. • duurzame opwekking in relatie tot bouwkundige en stedenbouwkundige parameters, zoals beschikbare oppervlakte voor zonnepanelen en zonnecollectoren, ondergrondse structuur en mogelijkheden voor warmte/koude opslag, inzet biomassa en wind, etc. • verschillende mogelijkheden en vormen van opslag voor warmte, koude en elektriciteit op gebiedsniveau. • conversie van duurzaam opgewekte energiedragers naar energiedragers die aansluiten bij de lokale vraag. • realiseren en organiseren van netten voor diverse energiestromen zoals warmte, koude (d.w.z. verschillende temperatuurniveaus) en elektriciteit in relatie tot aanbod, vraag en opslag.

2.2.2 Ontwikkeling van de technische concepten De energievraag en het duurzame aanbod (mix van duurzame bronnen) moeten op gebiedsniveau op elkaar worden afgestemd. Hierbij moet rekening worden gehouden met van zowel vraag als aanbod: - Energievorm - Energiehoeveelheid (uitgedrukt in Joules of kiloWatturen), - Vermogen (Watts), - Temperatuurniveau - Gelijktijdigheid van vraag en aanbod. - Locatie van vraag en aanbod.

22

ECN-E--10-071

Voor het bereiken van deze afstemming zijn de energieconcepten ontwikkeld, zijnde gebiedsafhankelijke, logische systeemcombinaties voor opwekking, conversie en distributie van duurzame energie. Met behulp van berekeningen is aangetoond in welke mate de concepten leiden tot energieneutraliteit of zelfs energielevering. Door het weloverwogen combineren van bovengenoemde technologieën zijn zes typen energievoorzieningconcepten voor gebieden ontwikkeld. Dit zijn: 1. Geohubs 2. Biohubs 3. Zonhubs 4. All-electric concepten 5. Conventionele concepten en 6. Waterstofconcepten Binnen de zes hoofdconcepten zijn een aantal zinvolle varianten gedefinieerd. Van elk van de varianten is de energieprestatie bepaald en uitgedrukt in de mate van energieneutraliteit voor 2020, 2035 en uiteindelijk voor 2050. Deze concepten staan in detail in Hoofdstuk 4 nader omschreven. Om de mate van energieneutraliteit te bepalen is een Excel rekentool ontwikkeld op basis van de eigenschappen van de toekomstige energievoorziening uit hoofdstuk 3. De uitgangspunten zijn gebaseerd op de Potentieelstudie 2050 [Visser et al, 2011].

2.2.3 Conceptkeuze voor de pilotgemeenten Er is weergegeven hoe de energieconcepten in algemene zin toegepast kunnen worden. De conceptkeuze hangt af van de fysieke (o.a. gebiedseigenschappen, bouwopgave, bestaande bouw) en niet-fysieke (o.a. sturingsvorm, organisatie gemeente, invloed bewoners) eigenschappen van het gebied. Er worden vier concrete concepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg uiteengezet. Er wordt een beeld gegeven van de energieneutrale energievoorziening in 2050 en ook van de stappen die daartoe vanaf anno nu zouden moeten worden gezet. Het gaat hierbij om: • Kruidenwijk in Almere • Kanaalzone Noordoost in Apeldoorn • Waalsprong, Waalfront en de binnenstad van Nijmegen • Tilburg Noord Belangrijk onderdeel is het inventariseren van de gebiedskenmerken. Hiervoor is de pasfoto bedacht die de fysieke en niet-fysieke kenmerken van het gebied weergeeft. Hiervoor is de matrix ontwikkeld, waarin de gebiedskenmerken en energievisies op overzichtelijke wijze ingevuld kunnen worden. In de matrix zijn de variabelen van gebiedskenmerken en energievisies opgenomen. Deze methode sluit aan bij de pasfoto die ook in werkpakket 1 is ontwikkeld voor de keuze van de sturingsvorm bij gebiedsontwikkeling. Hierdoor wordt de interactie tussen energieconcept en sturingsvorm in beeld gebracht. De ‘pasfoto’ is een hulpmiddel om de afwegingen voor een optimaal energieconcept te kunnen doen. In het onderstaande diagram is de aanpak weergegeven om voor elk pilotproject tot een concreet energieconcept te komen.

ECN-E--10-071

23

Figuur 2.2 Route naar keuze van concrete energieconcepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg [ECN] De zes algemene energieconcepten dienen als een blauwdruk voor de keuzes van de concrete energieconcepten van de gemeentes. De ambities en mogelijkheden van de gemeentes voor 2050 kunnen verschillen van de mate energieneutraliteit die een algemeen energieconcept kan bieden. Nadat de gewenste energievoorziening in 2050 is vastgesteld, wordt dit beeld naast de pasfoto van 2010 gelegd. Verder wordt de “backcasting” methode ingezet om de strategie voor transitie naar de energieneutrale gebieden in de betrokkene gemeentes uit te werken. Uitgaand van een ambitieus gewenst eindbeeld worden de stappen gedefinieerd om vanuit de huidige situatie op termijn bij dat gewenste eindbeeld uit te komen. In Figuur 2.3 is de werkwijze “backcasting” schematisch weergegeven.

24

ECN-E--10-071

Schematische weergave van backcasting toets toets Eindbeeld energievoorziening

Energievoorziening van nú

2050

2010

Stap 1

Stap 2

2020

2035

Energieneutraal gebied

2050

Stap 3

Stap 4

Stap 5

Figuur 2.3 Stappen bij backcasting [ECN] De complete backcasting voor al de vier gemeentes zal in nader onderzoek nog worden uitgewerkt.

ECN-E--10-071

25

3.

Toekomstige energiehuishouding – uitgangspunten

In een Excel-rekenmodel zijn de energieprestaties van de diverse energieconcepten die de energievoorziening vormen voor gebieden berekend. De energetische prestatie is uitgedrukt met het begrip mate van energieneutraliteit mate van energieneutraliteit dat gedefinieerd is als de in het gebied opgewekte duurzame energie gedeeld door de energievraag van het betreffende gebied. Als de mate van energieneutraliteit groter is dan 100% is er sprake van een energieleverend gebied. Bij een kleiner percentage zal fossiele brandstof nodig zijn om in de totale energievraag te voorzien. In dit hoofdstuk staan de uitgangspunten van de rekenmethode beschreven. Voor alle getallen is een onderbouwing gegeven. Een aantal aannames zijn van toepassing op nog te ontwikkelen technologieën. Daarom is een apart onderscheid gemaakt naar bestaande en nog te ontwikkelen technologieën. Het is daarom zaak om in de loop van de tijd de waarde van de uitgangspunten te bewaken en zonodig bij te stellen aan de hand van de stand van techniek. De energieconcepten en uitgangspunten zijn bepaald voor het eindbeeld in 2050. Door backcasting kan worden afgeleid welke stappen noodzakelijk zijn zonder dat deze de realisatie van het eindbeeld op langere termijn blokkeren. Aan de hand van deze methode zullen de eindbeelden – en de weg er naar toe – voor de pilotprojecten in de vier deelnemende gemeenten worden beschreven.

3.1

Gebouwen energieneutraal met Trias Energetica

Op gebouwniveau is het gebruikelijk om energieconcepten samen te stellen aan de hand van de Trias Energetica: 1) energievraag beperken; 2) duurzame bronnen optimaal inzetten 3) de rest zo schoon mogelijk opwekken met fossiele brandstof;

Figuur 3.1 De driestappen strategie ofwel Trias Energetica [www.renewable-energy-now.org] Bij het samenstellen van de energieconcepten is beperking van de energievraag (stap 1) en de inzet van duurzame bronnen (stap 2) het uitgangspunt. Om de optredende ongelijktijdigheid tussen vraag en aanbod van energie kostenefficiënt op te vangen, is incidentele import, export

26

ECN-E--10-071

en opslag van energie wenselijk. In het geval geïmporteerde energie uit niet-duurzame bronnen afkomstig is, dient deze zo schoon en efficiënt mogelijk gebruikt te worden (stap 3). In geval van energieneutraliteit wordt de incidentele import van fossiele brandstoffen gecompenseerd door de export van een even zo grote hoeveelheid primaire energie uit duurzame bronnen. Uit de Potentieelstudie 2050 [Visser et al., 2011] blijkt dat er ingrijpende maatregelen nodig zijn om een energieneutrale gebouwde omgeving in 2050 te realiseren. Ter illustratie: nagenoeg alle bestaande en nieuw te bouwen gebouwen zullen een energievraag moeten bezitten op passief huis niveau (15kWh/m2 ruimteverwarming/koeling voor de nieuwbouw en 28 kWh/m2 ruimteverwarming/koeling voor de gerenoveerde bestaande bouw [Koene et al., 2010]. Daarnaast zijn nieuwe hoogrendement technologieën noodzakelijk voor warmteterugwinning uit afvalwater en voor de opwekking, opslag en conversie van energie. Deze nieuwe technologieën samen met reeds bestaande technologieën zullen naast elkaar algemeen worden toegepast in de gebouwde omgeving. De Potentieelstudie 2050 beschouwt alleen de technische aspecten van de energiehuishouding in de gebouwde omgeving anno 2050. Voor meer informatie over de Potentieelstudie 2050 zie Bijlage A.

3.2

Gebieden energieneutraal met Trias Energetica

Energieconversie en energieopslag op gebiedsniveau zijn noodzakelijk voor een energieneutrale gebouwde omgeving. Het ontwerpen van energieneutrale gebieden volgt de stappen van Trias Energetica. Voor de energieneutrale gebouwde omgeving wordt meer nadruk gelegd op energieopslag, -uitwisseling en conversie van duurzame bronnen uit de omgeving, zoals volgt: 1. energievraag beperken, 2. duurzame bronnen optimaal inzetten 3. uitwisselen van energie in energiehubs en via smart-grid-toepassingen 4. bufferen van energie op de tijdschaal van dag, week en seizoen om vraag en aanbod van duurzame energie bij elkaar te brengen 5. efficiënt toepassen van geïmporteerde energie en brandstof om optredende ongelijktijdigheid van de duurzame energieopwekking op te heffen en als noodvoorziening. In de onderstaande figuur staat de Trias Energetica voor een energieneutrale gebiedsontwikkeling weergeven in vijf stappen. De vijf stappen zijn even belangrijk en zullen alle vijf beschouwd moeten worden binnen een energieconcept.

ECN-E--10-071

27

Maximale inzet duurzame energiebronnen Geïmporteerde energie en brandstoffen

Energievraag gebied

3

4

5

Buffering van energie

Energie-uitwisseling in energie-Hubs

2

1 Beperken energievraag

Figuur 3.2 Trias Energetica voor energieneutrale gebiedsonwikkeling [CHRI, ECN, 2010]

3.3

Energiestromen in een gebied

De definitie van een energieneutraal gebied, gegeven in het Hoofdstuk 2, zegt onder meer dat “in een energieneutraal gebied de lokaal beschikbare energiebronnen (inclusief hernieuwbare grondstoffen) op de energetisch en economisch meest optimale wijze worden geëxploiteerd”. Kosten kunnen worden geminimaliseerd door grootte van installaties en transportafstanden te minimaliseren. Daarom is in Figuur 3.3 een visie gegeven over ruimtelijke plaatsing van onderdelen van de energieconcepten in een schematische weergave:

Figuur 3.3 Energiebronnen en energiestromen in een gebied [Willems 2010]. 28

ECN-E--10-071

Drie energiedragers kunnen worden onderscheiden: warmte, koude en elektriciteit die verschillende eigenschappen hebben voor transport en opslag. Warmte en koude kan met aanzienlijk opslagrendement worden opgeslagen, zelfs op seizoenstermijn. Opslag elektriciteit op grotere schaal staat nog in de kinderschoenen. Voorlopig lijkt waterstof een de meest aantrekkelijke opties.

elk een van van

Voor warmte- en koude geldt dat de transportverliezen groot zijn. Tevens is een fysiek omvangrijke infrastructuur van leidingen noodzakelijk indien deze energiedragers over langere afstanden (> 2 km) getransporteerd moeten worden. Elektriciteit daarentegen kan met weinig verlies in grote vermogens over duizenden kilometers getransporteerd worden. Deze goede transporteerbaarheid en een fijnmazig net van afnemers maakt dat de noodzaak van elektriciteitsopslag kan worden vermeden. Hiervoor zullen in de komende tijd zogenaamde smart-grid oplossingen toegepast gaan worden. Daarom is in Figuur 3.3 aangegeven dat energieopslag voor warmte en koude dicht bij de opwekkers plaatsvindt, en dat voor elektriciteit grotere schaalafstanden toepasbaar zijn. In de onderstaande figuur is schematisch aangegeven hoe energiestromen in een gebied in het Excel rekenblad worden verrekend.

Figuur 3.4 Energiestromen in een gebied [CHRI] In een Excel-rekenblad is voor dit project (zie ook 4.3.1 Rekentool) voor elk energieconcept de energieprestatie voor het jaar 2050 berekend, uitgedrukt in een mate van energieneutraliteit.

3.4

Keuze van duurzame energietechnologieën

Optimale combinaties van bestaande en innovatieve technologieën als onderdeel van energieconcepten kunnen per gebiedsontwikkeling verschillen en moeten daarom ook per gebied worden afgewogen. Van voorname invloed op de keuze van energieconcepten zijn: - beschikbaarheid en type duurzame bronnen; - eigenschappen bestaande gebouwen en aanwezige infrastructuur; - grootte van het te beschouwen gebied.

ECN-E--10-071

29

Verschillen in energieconcepten treden onder andere op omdat de beschikbaarheid van duurzame bronnen per gebied verschilt. Zo zijn er bijvoorbeeld regio’s met veel windpotentieel en andere gebieden met meer potentieel in geothermie of biomassa. Het kan ook voorkomen dat binnen een groter gebied verschillende energieconcepten naast elkaar toegepast worden. Naast duurzame bronnen zijn bij bestaande bebouwing de gebouwkwaliteit en de reeds aanwezige infrastructuur bepalend voor de conceptkeuze. Bijvoorbeeld bij renovatie van een wijk vergen warmtepompen met bodembron een complexere ingreep dan bij nieuwbouw. Is er een warmtenet aanwezig, dan kan het meer voor de hand liggen om centraal duurzame warmte op te wekken dan op elke woning afzonderlijk. Tenslotte is de gebiedsgrootte van invloed op de keuze van de technologieën die in een energieconcept toegepast kunnen worden. Een leidraad voor het toepassen van technologieën staat weergegeven in Figuur 3.5. De tabel laat zien welke technologieën geschikt zijn (vooral vanuit ruimtelijk, economisch en energetisch oogpunt). Te onderscheiden zijn: - micro gebieden (1-10 woningen); - meso gebieden (10-200 woningen) en - macro gebieden (meer dan 200 woningen).

Figuur 3.5 Invloed van de grootte van een woongebied op de keuze van toegepaste technologieën [CHRI] Op gebiedsniveau zullen verder verschillende aspecten binnen een energieconcept moeten worden uitgewerkt, zoals: ‐ teruglevering van warmte, koude en elektriciteit mogelijk maken; ‐ opzetten van een intelligent centraal management systeem (een hub) voor energiestromen; ‐ stadsverwarming bi-directioneel maken (geschikt voor teruglevering van warmte); ‐ beschikbaar maken van oplaadpunten voor elektrische auto’s; ‐ aanleggen en renoveren van stadsverwarming; ‐ indien geothermische energie op gebiedsniveau geschikt en gewenst is, (nader) onderzoek uitvoeren en aanboren van de bron; ‐ bodemcapaciteit evalueren en eerlijk verdelen (voor warmtepompen); ‐ verbinden van alle leveranciers en afnemers om energieuitwisseling mogelijk te maken; ‐ toepassing van gebiedsgebonden windenergie. Bij de uitwerking van de technologieën in paragraaf 3.6 komen deze onderwerpen terug.

30

ECN-E--10-071

3.5

Energievraag gebied

Bij het vaststellen van de energievraag van de energieconcepten in 2050 (eindbeeld) is uitgegaan van de resultaten van de Potentieelstudie 2050. De hoofdkenmerken van de energievoorziening in 2050, volgens de Potentieelstudie 2050 [Visser et al., 2011], zijn samengevat hieronder: - De energievraag van een gebied kan opgesplitst worden in een energievraag van gebouwen, het vervoer in het gebied en de omgeving van gebouwen in dat gebied; - Door een verregaande vraagreductie wordt de totale gemiddelde energievraag per woning (met een gemiddelde oppervlakte van 120m2) in 2050 circa 33 GJ per jaar. Figuur 3.6 laat zien welk deel van de totale energievraag wordt toegeschreven aan de posten: o warm tapwater (4,5 GJ of 185 m3 gas per jaar) o ruimteverwarming (6,5 GJ of 300m3 gas per jaar) o elektriciteit (9 GJ of 2450 kWh per jaar) o elektriciteitsvraag buiten gebouwen (0,3 GJ) o koelvraag (1,6 GJ of 300 kWhe per jaar) en o personenvervoer (11 GJ). Er komt steeds meer beschikbare dakoppervlakte voor zonne-energie toepassingen. In 2050 kan 28,1 m2 per woning gebruikt worden voor de opwekking. De toename van het beschikbare dakoppervlak komt vooral door zongerichte oriëntatie van de nieuwe woningen. -

In de gemiddelde energievraag per woning is het energieverbruik om te koken niet opgenomen. De energievraag is afhankelijk van de energiedrager. Indien op gas gekookt wordt, wordt er 2,5 GJ verbruikt. Indien er op elektriciteit gekookt wordt er 1,3 GJ verbruikt.

Figuur 3.6 Energievraag in GJ per woning per jaar geraamd voor 2050 [ECN, 2010] De totale CO2 uitstoot komt neer op 1,2 ton CO2 per jaar per woning. Inclusief vervoer op fossiele brandstof is de uitstoot 2,1 ton CO2 per jaar per woning.

ECN-E--10-071

31

3.5.1 Gebouw Warm tapwater In 2010 is een energievraag voor warmtapwaterverwarming van gemiddeld 12 GJ voor een woning van 100 m2 bij een opwekkingstemperatuur van 60°C. Door het toepassen van warmteterugwinning uit douchewater wordt verwacht dat de vraag in 2020 gedaald is tot 9,5 GJ. Een verdere daling naar een vraag van 4,5 GJ in 2050 wordt bereikt door warmteterugwinning uit alle warme afvalwater (niet alleen douchewater) en door een hoger rendement van de opwekkingsinstallatie voor warmtapwaterverwarming. Voor 2035 wordt de warmtapwatervraag op 7,5 GJ per jaar gesteld. Voor het grootste gedeelte van de vraag naar warm tapwater, namelijk het douche- en badwater, is water met een temperatuur van 40°C uit comfortoverwegingen voldoende. Omdat er dan risico bestaat op legionellabesmetting is uitgegaan van een opwekkingstemepratuur van 60°C. Er zijn nog geen systemen waarmee op lage temperatuur legionellavrij tapwater gegarandeerd kan worden. Omdat het een gezondheidseffect betreft, wordt niet geanticipeerd op mogelijke technologische ontwikkelingen in 2050. De onderstaande hoofdtechnologieën zijn op dit moment in ontwikkeling om legionellabacterien bestrijden: ‐ thermische behandeling die weinig energie kost; ‐ een filter per tappunt; ‐ een methode met ultraviolet licht. Ruimteverwarming In 2010 is er een energievraag voor ruimteverwarming van gemiddeld 24 GJ voor een woning van 100 m2. Door nieuwbouw te realiseren volgens stand van passiefhuistechniek en het naisoleren van de bestaande bouw kan dit in 2020 omlaag zijn gebracht naar 22 GJ. Door steeds te renoveren volgens de stand der techniek, zal in 2050 de ruimteverwarmingsvraag gedaald zijn tot 6,5 GJ. Voor 2035 wordt de ruimteverwarmingsvraag op 16 GJ per jaar gesteld. Volgens de bovenstaande uitgangspunten reduceert de totale warmtevraag – de som van warm tapwater en ruimteverwarming – tussen 2010 en 2050 met 70%. Dat betekent dus dat er naast de warmtetechnieken beschouwd in deze studie ook een aanzienlijke inspanning vereist is om de genoemde besparingen op de warmtevraag nodig te maken. Koeling De koelvraag neemt de komende jaren geleidelijk toe tot gemiddelde 3,2 GJ voor een woning van 100 m2 in 2020 en 2035. In de jaren daarna neemt de koelvraag af, door een hogere kwaliteit van renovatie- en nieuwbouw ten aanzien van zomercomfort. In 2050 is de gemiddelde koelvraag per woning van 100 m2 gedaald tot 1,6 GJ. Elektriciteit In 2010 is er een gemiddelde elektriciteitsvraag van 13,0 GJ. Dit komt overeen met een verbruik van 3.600 kWhe/jaar. In 2020 zal dit gedaald zijn naar 9 GJ, wat overeen komt met een verbruik van circa 2600 kWhe/jaar. Dit is lager dan het hedendaagse gemiddelde, maar volgens het project Rigoureus [Koene et al., 2010] studie is dit al met matige inspanning haalbaar, hoofdzakelijk door de reeds ingezette trend dat bewoners hoofdzakelijk A-label apparatuur aanschaffen [Koene, Knoll, 2008]. Hoewel er steeds hogere eisen aan comfort worden gesteld neemt efficiency van de verkochte apparatuur sterker toe dan het meerverbruik.

32

ECN-E--10-071

Wij veronderstellen dat de daadwerkelijke toename zal plaatsvinden door meer koeling en elektrische warmtepompen, en in latere jaren door elektrisch vervoer. Omdat koeling, verwarming en vervoer in deze studie apart zijn benoemd, is het uitgangspunt van stabilisatie van het elektriciteitsverbruik op 2450 kWhe/jaar (8,8 GJ) gerechtvaardigd [Visser et al., 2011].

3.5.2 Omgeving Warmte In de bedrijfsvoering van stadsverwarmingsnetten worden de warmteverliezen geschat op 10 GJ per aansluiting per jaar. Er wordt vanuit gegaan dat de tegenwoordige trend naar lage temperatuur warmtedistributie zal leiden tot halvering van deze verliezen. Dit lijkt gerechtvaardigd, omdat het temperatuurverschil met de omgeving halveert [Roos, 2009]. Er wordt van uitgegaan dat in 2050 de warmteverliezen van HT netten zijn gehalveerd door verbeterde isolatie en door het vernieuwen van bestaande netten. Elektriciteit Naast de energie die in de gebouwde omgeving zelf wordt gebruikt voor woonwijken en bedrijventerreinen zijn de volgende verbruiken geïdentificeerd: - openbare verlichting; - verkeersregelinstallaties; - leidingwaterproductie en -distributie; - rioolbemaling; - rioolwaterzuivering; - polderbemaling. De post polderbemaling is pro memori gesteld, omdat het voor het aantal weg te malen m3 per jaar niet veel zal uitmaken of het landelijk gebied danwel bebouwde kom betreft. Verder is dit afhankelijk van de lokale omstandigheden. Voor de bepaling van de energieverbruiken voor een woonwijk of bedrijventerrein is er van uitgegaan dat de verhoudingen van een individuele locatie niet veel zullen afwijken van de landelijke verhoudingen, en dat die van bedrijventerreinen niet veel zullen afwijken van woonwijken. Dan kunnen de landelijke gemiddelden representatief worden geacht voor de individuele locaties. De verhoudingen voor de verschillende posten ten opzichte van het finale elektriciteit verbruik van de sectoren Huishoudens, Handel, Diensten en Overige (HHDO), zoals die door het CBS wordt aangehouden, zijn samengevat in Tabel 3.1: Tabel 3.1 Overzicht van de Nederlandse energieverbruiken ten behoeve van de gebouwde omgeving buiten de gebouwen GW Ten opzichte van h sector HHDO Openbare verlichting 650 1,3% Verkeerslichten 90 0,2% Leidingwater 440 0,8% Rioolgemalen 370 0,7% Rioolwaterzuivering 770 1,3% --------- + Totaal 2320 4,2%

ECN-E--10-071

33

De sector huishoudens gebruikt relatief veel drinkwater. Het energieverbruik voor drinkwater plus riolering is 2,8% van het huishoudelijk elektriciteitsverbruik. De grootste relatieve besparing (plm 70%) kan worden bereikt door toepassing van LED lampen bij verkeerslichten. Bij openbare verlichting kan met LED lampen ook nog een additionele besparing worden bereikt. Vermindering van het elektriciteitsverbruik voor leidingwater-, rioolpompen en -waterzuivering moet waarschijnlijk in waterbesparing worden gezocht, bijvoorbeeld door het toepassen van waterbesparende (vliegtuig)toiletten, en in scheiding van afval- en hemelwater. Het externe elektriciteitsverbruik ten behoeve van de gebouwde omgeving bedraagt ongeveer 4% van het totale elektriciteitsverbruik in woningen en gebouwen. Voor een gemiddelde woning in 2050 betekent dit dat er een vraag is naar elektriciteit van 0,3 GJ.

3.5.3 Vervoer Onder personenvervoer wordt vervoer per auto verstaan voor huishoudelijke doeleinden. Dit betreft nu nog benzine- en dieselauto’s, maar een trendbreuk kan worden bereikt met elektrisch en hybride vervoer. Dat zou kunnen leiden tot een elektrisch verbruik van 11 GJ/jaar in 2050. Nederlandse auto’s reden in 2004 gemiddeld zo’n 15½ duizend kilometer per jaar [Dohmen, Mullenders, 2006]. Bij een gemiddeld verbruik van 1 liter per 14 kilometer komt dit overeen met een verbruik van 34 GJ per huishouden. Dit is een stabilisatie van het huidige niveau. Hierbij is verondersteld dat weliswaar de auto's steeds zuiniger worden, maar dat er meer auto's per huishouden komen, waarmee meer wordt gereden. Er mag bij conventionele voertuigen worden uitgegaan van een tank to wheel rendement van ten hoogste 20%. Dezelfde vervoersprestatie kan dan worden geleverd met 9 GJ/jaar per woningequivalent mechanische energie. Met een acculaadrendement van 90% en mechanisch rendement van 90% heeft men in het geval van elektrisch vervoer 11 GJ/jaar elektriciteit nodig. Er wordt verondersteld dat in 2020 25% van de autokilometers elektrisch wordt afgelegd, en dat dit in 2050 is opgelopen tot 75%.

3.6

Duurzame energiebronnen en technologieën voor energie conversie en -opslag

In deze paragraaf wordt uitleg gegeven over de duurzame technologieën die in de energieconcepten zijn opgenomen, de status van de ontwikkeling en de mogelijkheden van toepassing. Een aantal technologieën zijn directe invoer voor het Excel-rekenmodel, andere technologieën zijn indirect in het model verwerkt. Zo kunnen bijvoorbeeld geothermische bronnen dienen als bron voor een hoog temperatuurwarmtenet. Alleen het hoge-temperatuurnet is een directe invoer in het Excel rekenmodel. Technologieën die in duurzame energiesystemen kunnen worden toegepast zijn onder te verdelen in bestaande, toekomstige (binnen ca. 10 jaar) en nog te ontwikkelen technologieën (ná 10 jaar):

34

ECN-E--10-071

Figuur 3.7 Van bronnen naar technologieën [ECN, 2010] Bestaande technologieën: - hoge-temperatuur-warmtenetten; - lage-temperatuur-warmtenetten (inclusief lage-temperatuur legionella verwijdering); - geothermische doubletten; - warmte- koude opslag (WKO); - vlakkeplaat- en vacuümbuis-zonnecollectoren; - warmtepompen (WP); - warmtegedreven koeling; - zonnepanelen (PV); - urban wind; - biomassa. Toekomstige technologieën (vóór 2020) - Organic Rankine Cycles (ORC); - Warmtepompenbooster (WP-booster (voor uitleg zie de Begrippenlijst)); - elektriciteitshub; - waterstof als energiedrager in technologische toepassingen. Nog te ontwikkelen technologieën (ná 2020): - Bi-directionele warmtenetten; - warmtehub; - energiehub; - compacte warmteopslag in gebouwen (CHS).

3.6.1 Bestaande technologieën In deze paragraaf worden reeds bestaande technologieën beschreven die kunnen worden gebruikt in duurzame energiesystemen. Hoge temperatuur warmtenetten In Nederland zijn enkele steden voorzien van een hoog temperatuur warmtenet zoals: Utrecht, Leiden, Rotterdam, Amsterdam, Almere, Breda en Tilburg. De aanvoertemperatuur van hoge-

ECN-E--10-071

35

temperatuur-netten is hoger dan 70°C, meestal tot 90°C. De retourtemperatuur hangt af van het systeemontwerp en de aard van de warmtegebruikers, en kan dalen tot beneden 40°C. Met de hoge-temperatuur-netten kan er zonder risico op legionellavorming rechtstreeks warmtapwater verwarmd worden. In bestaande woningen kunnen de aanwezige HT-radiatoren gehandhaafd blijven. Door het hoog temperatuur net is er sprake van een groot warmteverlies aan de omgeving. Het verlies wordt geraamd op 10 GJ/jaar per woning met de aanname dat er gemiddeld per woning ca. 10 m’ warmtedistributienet nodig is. Bij zeer hoge of zeer lage woningdichtheden kan deze waarde afwijken. Hieraan ten grondslag ligt een voorbeeld berekening van een warmtenet in Delft [DWA-notitie, 2006]. Mogelijk kunnen de monodirectionele warmtenetten omgebouwd worden tot een bi-directioneel net waarmee overschotten duurzame warmte uit zonne-energie worden verzameld. Invoer rekenmodel: Jaar Verlies 2008 10 GJ per aansluiting 2012 10 GJ per aansluiting 2020 10 GJ per aansluiting 2035 10 GJ per aansluiting 2050 5 GJ per aansluiting Lage temperatuur warmtenetten Op dit moment zijn er nog geen lage temperatuur warmtenetten in gebruik. De plannen voor zo’n net in Nijmegen zijn echter dermate ver gevorderd dat we hier toch van bestaande techniek durven spreken. Bij afvalverbrandingsinstallaties (AVI) komt uit de rookgaswassers veel warmte vrij van 45°C. Om deze warmte te kunnen benutten in een hoge temperatuur warmtenet moet de temperatuur worden verhoogd. Dit wordt gedaan door naverwarming met stoom die uit de lage-druk-trap van de stoomturbine van de AVI wordt onttrokken. Deze aftapstoom kan nu niet gebruikt worden voor elektriciteitsproductie, dit resulteert in een lager elektrisch rendement. Ook moet de retourtemperatuur van het water uit het warmtenet laag genoeg zijn om warmte uit de wassers te kunnen benutten. Doordat het elektrisch rendement afneemt is er geen sprake meer van restwarmte of duurzame warmte en kan dit geen onderdeel zijn van een energieneutrale concepten. Indien het warmtenet met een aanvoertemperatuur van 45°C, en een retourtemperatuur van ongeveer 25°C werkt, gaat warmtelevering niet ten koste van de elektriciteitsproductie, en wordt de restwarmte als duurzame bron benut. De lage-temperatuur-warmteafgiftesystemen in de woningen, zoals vloer- en wandverwarming kunnen met dergelijke temperaturen prima functioneren. Daarom heeft Cauberg-Huygen en Builddesk een systeem bedacht met individuele warmtepompen die op basis van warmte van ca. 25°C een temperatuur van het warmtapwater van 65°C kunnen opwekken [Roos, 2009].

36

ECN-E--10-071

Invoer rekenmodel: Jaar Verlies 2008 5 GJ per aansluiting 2012 5 GJ per aansluiting 2020 5 GJ per aansluiting 2035 5 GJ per aansluiting 2050 2,5 GJ per aansluiting Geothermische doubletten In de Nederlandse bodem zijn op diverse diepten poreuze waterhoudende zandsteenlagen aanwezig, waaruit warm water gewonnen kan worden om tuinbouwkassen, woningen en gebouwen te verwarmen. In [Lokhorst, 2007] staat beschreven waar je in Nederland plaatsen kunt vinden voor winning van geothermische energie. Om de energie te winnen moeten in de zandsteenlagen putten worden geboord, vergelijkbaar met de olie- en gaswinning. Om te zorgen dat de druk in het gesteente niet daalt en de poriën dichtgedrukt worden en omdat het water zodanig veel mineralen etc. bevat dat het niet op het oppervlaktewater mag worden geloosd, wordt het via een put opgepompte water even verderop door een andere put weer geïnjecteerd. Een samenstelling van een extractie- en een injectieput wordt doublet genoemd. Diepe geothermische doubletten kosten enkele miljoenen euro’s, maar kunnen enkele duizenden woningen van warmte voorzien. Bijvoorbeeld in het Den Haag project worden 4000 woningen vanuit één doublet bediend [Anon., 2007]. In Bleiswijk is een doublet in gebruik voor de verwarming van tomatenkassen [Platform Geothermie, 2008].

Figuur 3.8 Principeschets van diepe geothermie [Heekeren, 2007] Over de goede werking van geothermische doubletten op lange termijn is nog weinig vanuit ervaring bekend. Over het algemeen kan worden gesteld dat geothermische doubletten na gemiddeld 30 jaar raken uitgeput, soms treedt al na enkele jaren “doorslag” op van koud water in de extractieput. Een methode is dan om een stuk verderop een nieuwe extractieput te boren. Langdurige werking van een geothermisch doublet kan worden zeker gesteld door er van uit te gaan dat ’s zomers het doublet wordt geregenereerd met zonnewarmte uit collectoren. Zodoende

ECN-E--10-071

37

ontstaat een mogelijkheid voor het toepassen van geothermie in combinatie met hoge temperatuur-seizoensopslag van zonnewarmte. Warmte-koude opslag Er zijn gesloten en open systemen. Als men spreekt over een open systeem, wordt er grondwater opgepompt en teruggevoerd. Warmte Koude Opslag (WKO) vindt plaats in de bodem in de zogenaamde aquifers (watervoerende zandpakketten). Bij gesloten systemen van verticale bodem warmtewisselaars (VBWW) worden er verticaal lussen met vloeistof (water of mengsel van water/glycol) in de bodem gebracht en is er alleen sprake van thermische geleiding door de bodem zonder uitwisseling van grondwater. Open systeem In de zomer wordt door het grondwater warmte opgenomen, vervolgens wordt dit warme water teruggevoerd naar de bodem. Door het terugvoeren van warm water wordt er dus warmte opgeslagen dat gebruikt kan worden in de winter (warme bel). In de winter wordt het grondwater uit de warme bron onttrokken en via een warmtewisselaar naar een hogere temperatuur gebracht. Dit warme grondwater staat zijn warmte af aan het gebouw (verwarmen) en het koele water wordt teruggevoerd naar de bodem waar het kan worden gebruikt in de zomer (koude bel). Het grondwater heeft een temperatuur van ca. 12°C (afhankelijk van de diepte), de terugvoer temperatuur aan de warme bel is ca. 16°C, de terugvoer temperatuur aan de koude bel is ca. 8°C. Dit betekent niet dat de warme bel na één zomerperiode 16°C is. Na verloop van ca. 3 jaar neemt normaliter de brontemperatuur met 1°C toe. De maximale toename is ca. 2°C. Hetzelfde geldt voor de koude bron. Bij een conservatief ontwerp van de bronnen dient daarom altijd uitgegaan te worden van de natuurlijke grondwatertemperatuur. Vlakke plaat- en vacuümbuiszonnecollectoren Zonnecollectoren zijn bedoeld om warmte uit zonnestraling te winnen ten behoeve van de warmtevoorziening van een woning of gebouw. Gezien de beschikbaarheid zal deze warmtevoorziening vooral tapwater betreffen, tenzij er seizoensopslag aanwezig is. Er zijn meerdere typen zonnecollectoren. Vlakkeplaat- en vacuümbuiscollectoren zijn de bekendste. Maximaal haalbare temperaturen voor de spectraal selectieve met enkelglas afgedekte vlakkeplaatcollector liggen in de orde van 70 à 80°C.

38

ECN-E--10-071

Figuur 3.9 Voorbeeld van een vlakkeplaatzonnecollector, hier als onderdeel van een zonneboiler met bijbehorende warmteopslagvat, warmtepomp en regeling [Remeha] Vacuümbuiscollectoren vangen iets minder zon op, maar hebben een aanzienlijk lager warmteverlies. Daardoor presteren ze bij hogere temperaturen beter dan vlakkeplaatcollectoren. Met vacuümbuizen zijn temperaturen tot 150°C haalbaar, genoeg om organic rankine cycles (ORC’s) aan te drijven om elektriciteit te produceren. In de betreffende energieconcepten worden vacuümbuiscollectoren toegepast. Voor bepaling van de zonne-energiebijdrage van deze collectoren zijn de volgende uitgangspunten gebruikt: 1. De vacuümbuiscollector heeft de volgende karakteristieke eigenschappen: η0 = 0,72, a1 = 1,3 W/(m2K) en a1 = 0,01 W/(m2K). Het leidingverlies in het collectorveld bedraagt 0,2 W/K per m2 collectoroppervlakte; 2. De collectoren staan opgesteld tussen ZO en ZW onder 30-40° met het horizontale vlak. De bijbehorende zonnestralingsgegevens en buitentemperaturen zijn bepaald voor middenNederland; 3. De ingevangen warmte wordt geleverd aan een bidirectoineel warmtenet (zie ook hoofdstuk 3.6.3), dat ’s winters op 50°C staat en ’s zomers op 90°C (zie Tabel 3.2 hieronder voor meer details); 4. Bij de verdere ontwikkeling van vacuümbuissystemen neemt niet alleen het rendement toe, maar ook de ruimte tussen de vacuümbuizen af.

ECN-E--10-071

39

Tabel 3.2 Aangenomen ingaande, uitgaande en gemiddelde collectortemperaturen per maand [ECN]

Januari Februari Maart April Mei Juni

Tin [°C]

Tout [°C]

Tm [°C]

45 45 65 65 65 75

50 50 75 75 75 90

47,5 47,5 70 70 70 82,5

Tin [°C] Juli Augustus September Oktober November December

75 75 65 65 65 45

Tout [°C] 90 90 75 75 75 50

Tm [°C] 82,5 82,5 70 70 70 47,5

Voor deze uitgangspunten zijn de volgende energiebijdragen voor de vacuümbuiscollector bepaald. Invoer rekenmodel: Jaar Energieopbrengst 2008 1,55 GJ/jaar per m2 2012 1,55 GJ/jaar per m2 2020 1,75 GJ/jaar per m2 2035 1,95 GJ/jaar per m2 2050 1,95 GJ/jaar per m2 Hierbij is in beschouwing genomen dat de ruimte tussen de vacuümbuizen zal afnemen zonder dat het rendement per buis afneemt. Warmtepompen (WP) Warmtepompen zijn apparaten die onbenutte energie uit de omgeving, zoals buitenlucht of grondwater, omzetten in bruikbare warmte. Gangbaar zijn warmtepompen die werken op elektriciteit of op gas. Warmtepompen kunnen worden ingezet voor het verwarmen van woningen en gebouwen. Hiertoe moet naast een warmte-afgiftesysteem ook een bronsysteem worden aangelegd. Met inzet van 1 kWe is de warmtepomp, afhankelijk van de omstandigheden, in staat 3 tot 6 kWh warmte te leveren. Deze COP-waarde van een warmtepomp is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen warmtebron en warmte-afgiftesysteem, en de COP is hoger naarmate dit verschil kleiner is. Daarom is voor de meeste huidige warmtepompen de COP-waarde van de warmtapverwarming lager dan dat van de ruimteverwarming. Verwacht wordt dat door aanpassing van het thermodynamisch proces in de warmtepomp het rendement voor warmtapwater de komende jaren aanzienlijk zal stijgen [Visser et al., 2011]. Invoer rekenmodel: COP ruimteverwarming 2008 4,0 2010 4,0 2020 4,0 2035 4,5 2050 5,0

40

COP warm tapwater 3,0 3,0 4,0 4,5 5,0

ECN-E--10-071

Warmtegedreven koeling Warmtegedreven sorptiekoeling is gebaseerd op het principe dat een damp kan oplossen in een geschikt sorptiemiddel waarbij de warmte vrij komt op een hogere temperatuur dan die waarbij de damp uit condensaat is ontstaan. Als het sorptiemiddel vloeibaar is spreekt men van absorptiekoeling en als het vast is van adsorptiekoeling. Voor absorptiekoeling is typisch 90110°C warmte nodig; bij adsorptiekoeling is dat 70-90°C. Bij adsorptiekoeling wisselen uitstoken en bevochtigen elkaar af. Men kan van dit intermitterende systeem een quasi-continu systeem maken door meerdere reactoren met vast sorptiemiddel toe te passen, zoals getoond in bijgaande principeschets van het ECN sorptiekoelsysteem.

Figuur 3.10

Principeschema en prototype van het ECN quasi-continue sorptiesysteem voor individuele koeling van woningen [De Boer, 2008]

De COP van dit koelsysteem is 0,7. Dat betekent dat met 1 kWh warmte 0,7 kWh koude wordt gemaakt. Daarbij komt tegelijk 1,7 kWh laagwaardige warmte vrij, die meestal moet worden weggekoeld. Er wordt niet verwacht dat deze COP-waarde in de loop der jaren zal stijgen. Invoer rekenmodel: Jaar COP 2008 0,7 2010 0,7 2020 0,7 2035 0,7 2050 0,7 PV (zonnepanelen) PV (PhotoVoltaic) of zonnepanelen zetten zonlicht direct om in elektriciteit. Tegenwoordige PV panelen kunnen per vierkante meter minstens 100 kWh elektriciteit per jaar produceren. Daarbij gaan de ontwikkelingen in opwekkingsrendementen snel. Onlangs is onder

ECN-E--10-071

41

aanvoering van Solland Solar een consortium opgestart dat met ECN technologie zonnecellen gaat fabriceren met een rendement van 20% [ECN, 2010]. Dit betekent een maximum vermogen van 200 Watt piek per vierkante meter, waarmee 160 kWh/m2 per jaar kan worden opgewekt. ECN denkt dat hiermee het einde van de mogelijkheden nog niet is bereikt, en dat 200 kWh/m2a binnen enkele tientallen jaren haalbaar is [Lenzmann, 2009]. ECN verwacht dat vóór 2050 een opbrengst van 250 kWh/m2 per jaar wordt bereikt [Visser et al., 2011]. In de praktijk zullen niet alle PV panelen optimaal geplaatst kunnen worden. Tot 2050 is niet meer dan de helft van de voor PV bruikbare daken op het zuiden gericht met een optimale hellingshoek. Voor niet-optimaal georiënteerde daken wordt 5% opbrengstvermindering in rekening gebracht voor 2020-2050. Met een stijgend rendement van zonnepanelen wordt het installeren op minder gunstig georiënteerde daken (zelf op het westen en oosten) steeds interessanter en rendabeler. Bovendien wordt voor deze jaren een correctiefactor van 5% toegepast voor de aanwezigheid van eerder geplaatste PV systemen met lagere opbrengst. De totale correctie bedraagt daarmee ongeveer 0,93. Invoer rekenmodel: Jaar Opbrengst 2008 100 kWh/m2 2010 100 kWh/m2 2020 130 kWh/m2 2035 185 kWh/m2 2050 232 kWh/m2 Gebouwgebonden windenergie Wijkgebonden windturbines zijn kleine windmolens en worden dan Urban Wind Turbines genoemd, in de vermogensrange 0,1 tot 30 kW. Het is ook mogelijk om enkele grote windturbines op strategisch gekozen plaatsen in of vlak bij het gebied te plaatsen.

42

ECN-E--10-071

Figuur 3.11

Voorbeeld van een Urban Wind Turbine: de Montana van Fortis Wind Energy (ca. 6kW) [fortiswindenergy.com]

De getoonde windmolen in figuur 3.9 is een groter type dat een hoge opbrengst heeft. Er bestaan ook kleinere types maar hun opbrengst blijft procentueel ver achter bij de axiale molens. In navolging van [Visser et al., 2011] wordt ervan uitgegaan dat er aan kleine windturbines per huishouden 1 kWe aan vermogen kan worden opgesteld, en dat zo’n wind turbine 1000 equivalente vollasturen per jaar haalt. De opbrengst is dan 1000 kWhe per woning per jaar. Als alternatief is het mogelijk een aantal grote windturbines aan de rand van de stad te plaatsen of anderszins op een plaats waar ze weinig overlast veroorzaken. Grootschalige wind op land heeft tegenwoordig een gemiddelde opbrengst van 2257 equivalente vollasturen per jaar [Langenbach, 2008], ruim het dubbele van kleine windturbines. Voor de invoer van het rekenmodel wordt rekening gehouden met de uitfasering van ‘oude’ windturbines, die minder equivalente vollasturen hebben. Invoer rekenmodel Jaar Equivalente vollasturen 2008 2000 2010 2000 2020 2000 2035 2100 2050 2200 Biomassa Kleinschalige biomassavergisting en -vergassing vormen een kans voor toepassing van biomassa voor de Nederlandse energievoorziening. Het biogas kan worden ingezet in warmte/kracht systemen, die zo een bron kunnen worden van CO2 vrije elektriciteit en warmte. Maar het kan ook worden opgewerkt tot aardgaskwaliteit en worden ingebracht in het gasnet.

ECN-E--10-071

43

Omdat het duur is (en energie kost) om biologisch afval over grote afstand te transporteren, lijkt het vanzelfsprekend dat het binnen of vlakbij het gebied wordt ingezet. Voor het rendement wordt een thermische opbrengst van 15 MW (LHV-onderwaarde) als minimumgrootte van biomassa vergassers beschouwd, vergisters kunnen kleiner zijn, vanaf 1 MW. Het omzettingsrendement van vergassers wordt geschat op 55%, dat van vergisters wat lager, op ongeveer 45% [Uil, 2009]. Het grote voordeel van vergisters boven vergassers is dat ze waterige biomassa zoals mest en zuiveringsslib kunnen verwerken, waar vergassers droge biomassa nodig hebben. Verder is de technologie van vergisters verder ontwikkeld en zo goed als marktrijp. In Tabel 3.3 is te zien dat er in Nederland jaarlijks zo’n 76 PJ aan organisch afval beschikbaar is, wat zou kunnen stijgen tot ongeveer 115 PJ per jaar in 2020 [Ree, 2002].

44

ECN-E--10-071

Tabel 3.3 Beschikbaarheid van biomassa in Nederland [Ree, 2002] Organische reststroom PJ Conversie PJ Hout 17 55% 9 Gras en stro 25 55% 14 Mest 10 45% 5 Zuiveringsslib 1 45% 0 Organisch afval van voedingsindustrie 22 50% 11 Groente, fruit en tuinafval (GFT) 1 50% 1 Totaal organische reststromen 76 52% 40 Idem schatting 2020 115 52% 62 De eerste twee stromen kunnen worden vergast, de volgende twee moeten worden vergist. De laatste twee zijn ongeveer half nat, half droog. Samen kunnen deze afvalstromen ongeveer 40 PJ per jaar of 1,25 miljard m3 biogas opleveren, wat ongeveer 150 m3 per jaar per huishouden is. Voor 2020 kan dit zo’n 220 m3 per huishouden per jaar worden. Welk deel van de opbrengst voor de gebouwde omgeving mag worden gereserveerd is een nogal arbitraire keuze. Ondanks dat alleen zuiveringsslib en GFT afval rechtstreeks uit de gebouwde omgeving afkomstig zijn, kiezen we er in deze studie voor alle gas aan de huishoudens toe te rekenen. Zodoende wordt de gemiddelde opbrengst aan biogas 7,4 GJ per huishouden per jaar. Wij gaan er in deze studie van uit dat binnenlands beschikbare biomassa in 2050 volledig benut wordt. In 2020 wordt geschat dat de benutting 20% bedraagt. Verder wordt verondersteld dat deze opbrengst in gelijke mate moet worden gedeeld met industrie en vervoer, dus huishoudens kunnen dan in 2050 2,5 GJ gebruiken, en als vervoer wordt meegenomen 5,0 GJ. Als het gehalte CO2 in biogas wordt verlaagd tot 8% is de Wobbe-index gelijk aan die van Gronings aardgas, wat het geschikt maakt voor invoeding in het gasnet. We nemen aan dat er voldoende seizoensopslagcapaciteit in het gastransportsysteem aanwezig is om verschillen in vraag en aanbod over de dag en de seizoenen uit te middelen. De energie uit huishoudelijk restafval is niet meegenomen in de berekeningen, omdat er van uit gaan wordt dat in 2050 meer dan 95% wordt gerecycled. Invoer rekenmodel Jaar Biomassa 2008 0,10 GJ/huishouden 2010 0,10 GJ/huishouden 2020 0,49 GJ/huishouden 2035 1,48 GJ/huishouden 2050 2,47 GJ/huishouden

3.6.2 Toekomstige technologieën vóór 2020 In deze paragraaf staan de technologieën beschreven die in ontwikkeling zijn en binnen 10 jaar kunnen marktrijp zijn. Omkeerbare ORC/WP Een ORC (Organic Rankine Cycle) lijkt het meest op een stoommachine, met als verschil dat een ORC een organische vloeistof zoals een (gehalogeneerde) koolwaterstof of ammoniak als

ECN-E--10-071

45

werkmedium gebruikt. Voorbeelden van ORC systemen in Nederland zijn Tri-O-gen, een ORC die met behulp van de restwarmte uit uitlaatgas van gasmotoren elektriciteit maakt (Tri-O-gen, 2007), en de in ontwikkeling zijnde CombiVolt van Daalderop [Energetix, 2007], [Energetix, 2009]. Dit micro-WKK (warmtekracht) systeem heeft een primair circuit met een temperatuur van ongeveer 110°C. Dat betekent dat het ook vanuit een vacuümbuiszonnecollector kan worden verwarmd. Daarmee heeft dit systeem de mogelijkheid overtollige zomerwarmte om te zetten in elektriciteit. Bij dergelijke temperaturen mag een elektrisch rendement rond 10% worden verwacht. Net als een warmtepomp heeft een ORC een verdamper en een condensor. In principe is het daarom mogelijk een ORC die ’s zomers met zonnewarmte elektriciteit maakt ’s winters warmte te laten maken met behulp van elektriciteit. Het grote verschil is dat bij een ORC de verdamper een hogere druk heeft dan de condensor, zodat op dit drukverschil een expander kan werken. Bij een warmtepomp is de werking omgekeerd: de condensor heeft een hogere druk dan de verdamper, en de damp moet worden gecomprimeerd. Als de expander van de ORC niet geschikt is om in compressorbedrijf te werken kan een aparte compressor worden toegevoegd. Het toevoegen van een expansieventiel is simpel. WP-naverwarmer bij LT-warmtelevering (warmtepompenbooster) Huidige Legionella bestrijding betreft verwarming van tapwater tot 65°C, in buffervaten tenminste 1 x per week. Een hoge temperatuur warmtenet levert deze temperatuur. Bij een lage temperatuur warmtenet is nog naverwarming van het warmtapwater nodig. Voor de jaren tot 2020 wordt aangenomen dat het tapwater nog 25 K moet worden naverwarmd en dat dat gebeurt met een warmtepomp die al snel 50% van de maximale COP voor het huidige warmtepompproces levert. In de jaren daarna zal de warmtepomp worden uitgefaseerd, omdat lage-temperatuur Legionella-bestrijding beschikbaar komt: bijvoorbeeld met de ‘saniteur’ of UV-belichting. Deze technologieën zijn hier niet afzonderlijk uitgewerkt, maar onder deze WPnaverwarming opgenomen. Het beperkte energiegebruik wordt in COP-termen op 20 geschat. Invoer rekenmodel: Jaar COP WP-naverwarmer 2008 4,5 (uit gelijkwaardigheidsverklaring TNO, project Waalsprong) 2010 4,5 2020 6,8 2035 10 2050 20 Elektriciteitshub De elektriciteitshub is een virtuele installatie waarin op decentrale wijze de power-matching fysiek tot stand komt, gestuurd vanuit een centrale softwarematige aansturing van deze decentrale sturingsapparaten. De onderstaande figuur geeft de onderdelen weer die wat betreft besturing in een elektriciteitshub kunnen samenkomen.

46

ECN-E--10-071

Import of sustainable energy produced outside built environment

E-hub

E&Thermal local production

E-management & buffer Figuur 3.12

De energiehub in zijn omgeving [Opstelten, 2006]

Het opslaan van elektriciteit lijkt weinig zinvol omdat er in Europees verband een goede uitwisselbaarheid van elektriciteit is die, als het advies van de European Climate Foundation wordt opgevolgd, zelfs nog uitgebreid zal gaan worden om 100% gebruik van duurzame energie mogelijk te maken [Persson, 2010]. Er is dus altijd wel een vraag naar stroom. Indien er de verwachting is van een wezenlijk overschot op regelmatige tijden, dan kan het opslaan zinvol zijn. De vraag is dan nog of dat in hubs zou moeten of dat ons elektrisch transport hier de voornaamste pieken in kan opvangen. Elektriciteitshubs vormen een onderdeel van het toekomstige smart-grid waarover nu veel te doen is. Een smart grid is een organisatie van prijsvorming en marktmechanisme waarmee aanbieders en vragers van stroom een haast continue inzicht hebben in de prijzen en daarmee hun gedrag kunnen afstemmen. Zo’n elektriciteitshub kan een prima hulpmiddel zijn om overschot aan elektriciteit ook fysiek aan het elektriciteitsnet kwijt te kunnen. Van oudsher hebben we het elektriciteitsnet gedimensioneerd rondom grootschalige opwekkers en kleinschalige gebruikers. Door de decentrale opwekkers en grotere belastingverschillen van het net is het zaak de belasting van het net beter de beheersen. Zo zou het kunnen dat stroom uit windbronnen bij plotselinge productie niet overal even duur zal zijn vanwege overbelasting op gedeelten van het elektriciteitsnet. Elektriciteit kan opgeslagen en aan het net afgeleverd worden door elektrische auto’s. Onderzoek naar zo genaamd V2G (Vehicle to Grid) systeem is gaande. Deze discussie zal afhangen van de doorbraak van elektrisch rijden en de ontwikkelingen in de automotiveindustrie. De technische concepten voor de gebouwde omgeving zullen hierin volgende zijn. Waterstof als energiedrager Waterstof wordt door sommigen gepropageerd als energiedrager van de toekomst. Dit houdt in dat waterstof met duurzame bronnen geproduceerd moet worden om als duurzame brandstof beschouwd te kunnen worden. Een van de grote voordelen is de hoge energiedichtheid waardoor

ECN-E--10-071

47

opslag en transport vergelijkbaar kunnen worden georganiseerd als met fossiele brandstoffen. Tevens is de brandstofcel als WKK-installatie herkenbaar wat betreft energieopbrengst en technische inpassing in installatie met de (bio)gas-WKK motoren. Hierbij zullen nieuw veiligheidsnormen ontwikkeld moeten worden vanwege de hoge explosiegevaarlijkheid indien waterstof in contact komt met zuurstof (knalgas). In deze beschouwing wordt geanalyseerd welke rol waterstof in de gebouwde omgeving zou kunnen gaan spelen. Productie van waterstof Waterstof komt op aarde niet vrij voor, maar uitsluitend in de vorm van verbindingen, en dan meest water. Waterstof moet uit die verbindingen worden gemaakt om vrij toepasbaar te zijn. Hiervoor zijn twee manieren: 1. uit water met behulp van elektrolyse of hoge temperatuur splitsing; 2. uit fossiele of biologische brandstoffen. Ad 1) Waterstof uit water met behulp van elektrolyse of hoge temperatuur splitsing Eén van de routes voor waterstof die wordt voorgesteld, is het electrolyseren van water met behulp van elektriciteit uit duurzame bronnen zoals zon, wind of waterkracht. Sommigen vinden dat kernenergie hier ook toe hoort. Eén van de essentiële eigenschappen is het ketenrendement. Uitgegaan wordt van elektriciteit. Via elektrolyse hiervan waterstof maken heeft een rendement van ten hoogste 80%. Waterstof zal vooral in de zomer worden gemaakt, wanneer er elektriciteit over is. Dan is er niet veel vraag naar; die zal er vooral ’s winters zijn wanneer er elektriciteit tekort is om het te maken. Er zal dus seizoensopslag van waterstof nodig zijn. Dit kan net als met aardgas in ondergrondse zoutholtes geschieden, onder een druk van 300 bar. Het rendement van transport en opslag zal dan plusminus 90% zijn. Ad 2) Waterstof uit fossiele of biologische brandstoffen De andere manier van waterstof productie is uit fossiele of biologische brandstoffen. De omzetting van fossiele brandstoffen in waterstof wordt geacht een rendement van ongeveer 80% te hebben. Vervolgens gaat ook hier 10% verloren in transport en opslag. Per huishouden is 7 GJ per jaar binnenlandse biomassa beschikbaar. Als men hiervan waterstof maakt, blijft er ruim 5 GJ over. Dit is onvoldoende om het huishouden zelfvoorzienend mee te maken, vooral als bedacht wordt dat ook de industrie nog een deel van de biomassa zal claimen. Productie van warmte en kracht met brandstofcellen op waterstof Het rendement van aandrijving van auto’s met waterstof wordt verwacht hoger te zijn dan rechtstreeks met fossiele brandstoffen in een verbrandingsmotor (20%). Als de brandstofcelaandrijving een rendement van 50% heeft en de waterstof inclusief transport en opslag met een rendement van 72% is gemaakt, is het totaalrendement vanuit elektriciteit of brandstof zo’n 36%. Dit is weliswaar veel beter dan het rendement van de verbrandingsmotoraandrijving, maar men wordt er niet onafhankelijk van fossiele bronnen door, iets dat met elektriciteit principieel wèl mogelijk is. Verder is het ketenrendement van elektrisch vervoer minstens het dubbele van dat op waterstof: het opslagrendement van Lithium-ion accu’s ligt boven 90%, de andere verliezen zijn van dezelfde orde als in het geval van waterstof, dus het ketenrendement is meer dan 80%. Wanneer ‘s winters van waterstof met behulp van brandstofcellen weer elektriciteit en warmte gemaakt wordt, is het rendement weliswaar hoger. Voor een waterstof brandstofcel wordt uitgegaan van een elektrisch rendement van 50% en een thermisch rendement van 40%, totaalrendement hooguit 90%. Het totale ketenrendement van een warmtekrachtsysteem gebaseerd op waterstof kan zodoende niet hoger zijn dan 65%, waar aardgasgedreven 48

ECN-E--10-071

warmtekrachtsystemen 90% of zelfs hoger kunnen halen. Het totaalrendement van bijvoorbeeld een Stirling warmtekrachtsysteem benadert zelfs dat van een HR-ketel. Invoer rekenmodel: Jaar Elektrisch rendement Thermisch rendement Rendement H2-productie brandstofcel brandstofcel 2008 0,50 0,40 0,75 2010 0,50 0,40 0,75 2020 0,50 0,40 0,75 2035 0,50 0,40 0,78 2050 0,50 0,40 0,80

3.6.3 Nog te ontwikkelen technologieën ná 2020 In deze paragraaf worden duurzame technologieën beschreven die nog ontwikkeld moeten worden en naar verwachting pas na 2020 in duurzame energiesystemen toegepast kunnen worden. Bi-directionele warmtenetten De tegenwoordige warmtenetten zijn allen nog mono-directioneel: warmte wordt vanaf de warmtebron naar de afnemers getransporteerd. Soms komt het al voor dat één warmtenet door meerdere warmtebronnen wordt gevoed. Een bi-directioneel warmtenet maakt het mogelijk dat de afnemers zelf producent van warmte worden. In de zomer leveren zonnecollectoren vaak meer warmte dan er vraag naar tapwater is. Tot nog toe wordt dan de circulatie door de zonnecollectoren stilgezet indien een bufervat geladen is, waardoor het overschot aan warmte verloren gaat in stagnatie. Een bi-directioneel warmtenet maakt het mogelijk om deze stagnatieverliezen te verzamelen en in eerste plaats door te leveren naar andere gebruikers die geen zonnecollectoren hebben, en in tweede instantie naar een centrale seizoensopslag, waaruit de warmte in het koude seizoen weer naar de afnemers kan worden getransporteerd. Om een warmtenet bi-directioneel te maken is het nodig om een extra warmtewisselaars in de woning te plaatsen waarmee warmte op de aanvoerleiding kan worden afgegeven. Een regelsysteem zal de energiestromen moeten bewaken zodat warmte-uitwisseling naar het net wordt verhindert zolang de temperatuur in het net lager is dan van de warmtebuffer. Hoe lager de temperatuur van warmtenetten is hoe groter de benuttingsgraad van zonnewarmte naar het net toe. Warmtehub Omdat hier sprake kan zijn van distributie van zowel warmte als koude, is deze optie het meest geschikt voor woon/werk gebieden met hoge bebouwingsdichtheid (binnenstedelijk). Er wordt vanuit gegaan dat dergelijke bebouwing door de compacte bouw onvoldoende zuidgeoriënteerde vlakken bezit om met zonne-energie in de eigen energiebehoefte te voorzien, wat import nodig maakt. Een warmtehub zal vanwege de warmwaterinfrastructuur eerder leiden tot een fysieke plaats in een gebied dan een elektriciteitshub. Omdat bij elektriciteitsproductie door biomassa ook warmte vrijkomt kan een dergelijke conversietechniek er wel onderdeel van uitmaken, evenals een compacte warmteopslag. Naar gelang de belangrijkste warmtebron wordt de warmtehub onderscheiden in: geohub, biohub en zonhub.

ECN-E--10-071

49

Een warmtehub kan nog onderscheid maken in temperatuurniveaus. In essentie worden temperatuurniveaus niet gemengd vanwege het optredende exergieverlies. Energiehub Een energiehub of e-hub is een centraal punt in de wijk waar alle energiedistributiesystemen bij elkaar komen, en energiestromen in elkaar omgezet kunnen worden. Auto’s kunnen er (bio)gas of vloeibare biobrandstoffen tanken, (bio)gas kan worden gebruikt in warmtekrachtsystemen om warmte en elektriciteit te genereren, en elektriciteit kan er worden gebruikt om elektrische auto’s te laden en om met warmtepompen warmte en/of koude te genereren. Er wordt ook verwacht dat energiehubs zullen zijn uitgerust met mogelijkheden voor seizoensopslag van warmte en koude. Energiemanagement, gebaseerd op PowerMatcher™ (en HeatMatcher in ontwikkeling) technologie wordt gebruikt om de productie en vraag van alle stromen en conversies te coördineren).

Figuur 3.13

Vraag-aanbod afstemming met PowerMatcherTM [ECN, 2010]

De energiehub zorgt in essentie voor een volledigere benutting van het gehele duurzame energie opwekpotentieel van de systemen die er aan verbonden zijn. De hub kan dit realiseren door: - Afstemmen van energiestromen van vragers en aanbieders in een gebied;. Met name de gebouwde omgeving leent zich hier goed voor door de inherente flexibiliteit in de vraagzijde op het gebied van warmte/koude op dagbasis; - Energieconversie bij energievraag en -aanbod van andersoortige energiedragers; - Korte termijn en seizoens-energieopslag; - Sturing op marginale kosten, waarmee voorrang verleend wordt aan energie opgewekt uit duurzame bronnen. De optimale uitwisseling van de energiehub zorgt er daarmee voor dat de andere vraag-aanbod matching-strategie, zijnde energie-opslag, relatief klein gedimensioneerd kan worden (zowel ruimtelijk als economisch verstandig). Het uitwerken van een ecologisch-economisch optimum tussen conversie- en opslagtechnologieën valt buiten de scope van dit deel van deze studie.

50

ECN-E--10-071

In een vervolgonderzoek dat specifiek ingaat op de dimensionering van de energieconcepten en de energiehub, zou dit nader kunnen worden onderzocht. De energieconversie in de energiehub zorgt er verder voor dat naast uitwisseling binnen de gebouwde omgeving ook uitwisseling tussen de gebouwde omgeving en de andere energievragende sectoren (vooral transport en wellicht in mindere mate ook industrie) mogelijk wordt. Compacte warmteopslag in gebouwen De tot nu toe meest gebruikte vorm van warmteopslag in de gebouwde omgeving is het geïsoleerde vat met water. Meest bekende voorbeeld is de huishoudelijke tapwater boiler. Deze vorm van warmteopslag is goed te gebruiken voor periodes van een halve dag tot ten hoogste enkele dagen. Naast het toch wel aanzienlijke warmteverlies heeft het geïsoleerde vat als nadeel de lage opslagcapaciteit van ten hoogste 0,2 gigajoule (GJ) per kubieke meter. Dit is het equivalent van 6 kubieke meter aardgas. Gezocht wordt naar methoden die meerdere GJ per kubieke meter kunnen opslaan, met minder verliezen. Het onderzoek richt zich op thermochemische materialen (TCM’s), waarvan verwacht wordt dat ze een dichtheid kunnen halen van 1-2 GJ/m3. De compacte warmteopslag (CWO of Compact Thermal Energy Storage CTES) is gebaseerd op omkeerbare endo/exotherme reacties tussen stoffenparen, zoals het chemisch binden van water aan zoutkristallen. Met behulp van zonnewarmte wordt het kristalwater uit het zout verwijderd. Het zout kan nu lange tijd worden opgeslagen en behoudt zijn warmteopslagcapaciteit, zolang er geen waterdamp bij kan komen. De zo “opgeslagen” warmte komt weer grotendeels vrij als het TCM met waterdamp in contact wordt gebracht. Op dit moment is een geschikt TCM gevonden en op laboratoriumschaal zijn reactoren gemaakt waarin dit TCM kan worden opgeladen en ontladen. Systeemontwikkeling wordt verkend. De potentieelstudie gaat uit van een opslagrendement van 85% in 2050 [Visser et al., 2011].

3.7

Overige uitgangspunten: referentie, dakoppervlakte en CO2-emissie

Referentie Referentie laat de energievoorziening zien (zie de tabel hieronder) die gebaseerd is op een aanname dat er geen extra maatregelen worden genomen en geen van de in deze rapportage genoemde energieconcepten worden toegepast. Dit wil zeggen dat aardgasgestookte HR-ketels in de warmtevraag voorzien, elektriciteit uit het centralepark komt, en compressiekoelmachines in de koudebehoefte voorzien. De primaire energievraag is bepaald op basis van de warmte-, koude-, elektriciteits- en vervoersvragen voor de verschillende jaren, zoals beschreven in hoofdstuk 3.5. Daarbij is ervan uitgegaan dat bij elektriciteitsopwekking het duurzame aandeel oploopt van 7% nu naar 50% in 2050. Invoer rekenmodel: Jaar Primair energiegebruik Elektriciteitsproductie 2008 2,23 GJprim/GJelek 2010 2,23 GJprim/GJelek 2020 1,76 GJprim/GJelek 2035 1,47 GJprim/GJelek

ECN-E--10-071

Primaire energievraag 67,4 67,4 52,4 49,2

Primaire energievraag+ vervoer 101,3 101,3 82,6 76,8

51

2050 1,00 GJprim/GJelek 21,2 37,7 Dakoppervlakte In de Potentieelstudie 2050 [Visser et al., 2011] is het voor toepassing van PV panelen en zonnecollectoren geschikte dakvlak geschat. De kleinste AgentschapNL voorbeeldrijwoning met een dakoppervlakte van 35 m2 is daarbij als uitgangspunt gebruikt. De oriëntatie van bestaande en dus ook renovatiewoningen is random. Er wordt aangenomen dat de helft van de woningen met zadeldak geschikt is voor toepassing van zonne-energiesystemen. Nieuwbouwwoningen krijgen een groter dak van 50 m2 met optimale hellingshoek op het zuiden. In de sector woningbouw is 72% laagbouw en 28% is gestapelde bouw. Voor gestapelde bouw is er voor renovatie en nieuwbouw respectievelijk 20 m2 en 28 m2 geschikt dakvlak. Een visiedocument opgesteld door TNO en ECN [Opstelten, 2007] over de energieneutrale gebouwde omgeving in 2050 - gaat uit van een groei van het aantal woningen tot 8,2 miljoen in 2050. Ongeveer 3,3 miljoen daarvan betreft nieuwbouw. Het aandeel nieuwbouwwoningen met groter dakvlak en betere oriëntatie stijgt met de jaren en daarmee op de oppervlakte van het dakvlak geschikt voor opvang van zonne-energie. Invoer rekenmodel: Jaar Dakvlak m2 2008 19,6 2010 20,6 2020 22,7 2035 25,6 2050 28,1 CO2-emissie In onderstaande tabel is de CO2 uitstoot weergegeven per energievraag. Tabel 3.4 CO2 uitstoot weergegeven per energievraag [Nederlandse Gasunie, 1988] kg/GJ Opmerking Specifieke CO2 uitstoot Ruimteverwarming referentie 56 Gronings aardgas, 100% rendement Tapwater referentie 56 Elektriciteit referentie 120 Koeling referentie 20 COP = 3 Vervoer referentie 56 Voor de bepaling van de CO2 uitstoot voor elektriciteit is uitgegaan van een mix van half duurzaam, half fossiel. Fossiel bestaat weer uit een mix van kolen en gas, met een gemiddeld elektrisch rendement boven 50%. Een ander uitgangspunt bij elektriciteit is dat een overschot zonder verlies aan het net kan worden geleverd en op een later moment weer kan worden afgenomen. De overheid heeft als doelstelling dat in 2020 20% van de Nederlandse energievoorziening duurzaam is. Deze doelstelling is niet officieel naar de doelstellingen voor warmte en elektriciteit vertaald. Omdat de opwekking van duurzame elektriciteit om meerdere redenen beter haalbaar is dan de opwekking van duurzame warmte, wordt er aangenomen dat het aandeel van duurzame elektriciteit hoger zal liggen in 2020. Dit aandeel kan, indien de overheid een aanvullende financiële steun kan verstrekken, zelfs tot boven 35% oplopen [Planbureau voor Leefomgeving, 2010].

52

ECN-E--10-071

Voor de referentie wordt er aangenomen dat in 2020, 20% elektriciteit duurzam wordt opgewekt. Vooralsnog wordt uitgegaan van 50% duurzame elektriciteit in Nederland in 2050, alhoewel er aanwijzingen zijn dat 100% goed mogelijk is [ECF, 2010]. De CO2 uitstoot is bepaald op basis van de warmte-, koude-, elektriciteits- en vervoersvragen voor de verschillende jaren, zoals beschreven in hoofdstuk 3.5. Daarbij is ervan uitgegaan dat bij elektriciteitsopwekking het duurzame aandeel in 2050 50% is. Het aandeel elektrisch gereden kilometers is voor 2050 75% geschat. Invoer rekenmodel: Jaar CO2CO2-uitstoot uitstoot vervoer 2050 1,18 2,14 ton/jaar ton/jaar

3.8

incl.

Samenvatting uitgangspunten

Met de hierboven beschreven duurzame technologieën zijn in het vervolg combinaties gemaakt die als basis van duurzame energie systemen kunnen dienen. Deze zijn beschreven en doorgerekend in hoofdstuk 4. In de tabel hieronder staat een overzicht van de uitgangspunten voor de rekentool.

ECN-E--10-071

53

Tabel 3.5 Overzicht uitgangspunten voor de invoer rekentool

Tapwater Ruimteverwarming Koeling Koken gas Koken elektrisch Elektriciteit Wijkvraag buiten gebouwen Vervoer elektrisch Vervoer brandstof Warmteverlies W-net Warmteverlies LT W-net

2008 12,0 24,0 0,0 2,5 1,3 13,0 0,4 11 34 10 5

2012 12,0 24,0 0,0 2,5 1,3 13,0 0,4 11 34 10 5

2020 9,5 22,0 3,2 2,5 1,3 9,4 0,4 11 34 10 5

2035 9,5 22,0 3,2 2,5 1,3 9,4 0,4 11 34 10 5

2050 4,5 6,5 1,6 2,5 1,3 7,2 0,3 11 34 5 2,5

Opwekking PV Opwekking PV Vac. Collectoren Biomassa

100 0,36 1,55 0,10

100 0,36 1,55 0,10

130 0,46 1,75 0,49

185 0,66 1,95 0,49

232 0,82 1,95 2,47

Urban wind Dakvlak

2008 3,6 19,6

2012 3,6 20,6

2020 3,6 22,7

2035 3,6 25,6

2050 3,6 28,1

KoelCOP Abs.koelCOP

3,0 0,7

3,0 0,7

3,0 0,7

3,3 0,7

3,5 0,7

Percentage E-kilometers PEverbruik centrales Perc.Duurzame Opwekking PEverbruik Eprod Ref PE vraag Ref PE+verv.vraag Tapwater COP Ruimteverw COP COP WPbooster E-rendement brandstofcel th-rendement brandstofcel Rendement H2-productie

0% 2,4 7% 2,23 67,4 101,3 3,0 4,0 6,8 0,50 0,40 0,75

0% 2,4 7% 2,23 67,4 101,3 3,0 4,0 6,8 0,50 0,40 0,75

25% 2,2 20% 1,76 52,4 82,6 4,0 4,0 6,8 0,50 0,40 0,75

35% 2,1 30% 1,47 49,2 76,8 4,5 4,5 10,0 0,50 0,40 0,78

75% 2,0 50% 1,00 21,2 37,7 5,0 5,0 20,0 0,50 0,40 0,8

Windmolens vollasturen CO2

2000

2000

2000

2100

2200 1,18

CO2 incl vervoer

54

2,14

Energiedrager w w k g e e e e b w w

unit GJ GJ GJ GJ GJ GJ GJ GJ GJ GJ kWh/ m2j GJ/m2j GJ/m2j GJ/hhj

e w b Energiedrager e

unit GJ/hhj m2 GJpe/ GJe GJpe/ GJe GJ GJ

pe pe pe pe

h/j ton/j ton/j GJpe/ GJe GJpe/ GJe

ECN-E--10-071

4.

Gebiedsenergieconcepten voor de toekomst

4.1

Inleiding

Door het weloverwogen combineren van technologieën uit het vorige hoofdstuk zijn zes typen energievoorzieningsconcepten voor gebieden ontwikkeld. Dit zijn: 1) Geohubs 2) Biohubs 3) Zonhubs 4) All-electric concepten 5) Conventionele concepten en 6) Waterstofconcepten Deze concepten zijn beknopt beschreven in 4.2. De eerste vier concepten zijn verder uitgewerkt. Conventionele concepten zijn ter vergelijking beschouwd en laten zien wat kan worden bereikt met zonneboilers en PV. Daarmee wordt ook aangetoond dat nieuwe technologieën nodig zijn om energieneutraliteit voor gebieden te realiseren. Waterstofconcepten zijn ook beschouwd, maar in hoofdstuk 3.6.2 beschreven redenen niet verder uitgewerkt. Bij waterstof gaat het om een opslagmedium voor elektriciteit in plaats van een duurzame energiebron. Binnen de zes hoofdconcepten zijn een 14-tal zinvolle varianten gedefinieerd. Van elk van de varianten is de energieprestatie bepaald en uitgedrukt in de mate van energieneutraliteit. Met mate van energieneutraliteit wordt aangegeven welk percentage van het na besparingen resterende energieverbruik vanuit het gebied zelf kan worden geleverd. De berekeningen zijn uitgevoerd met de Excel rekentool beschreven in hoofdstuk 4.3.1. Daar zijn ook de resultaten gepresenteerd. Toepassingsgebied De gebieden waarvoor de energieconcepten zijn doorgerekend, hebben woningen en gebouwen die nieuw gebouwd of gerenoveerd zijn. Nieuwbouw is op passiefhuisniveau met lage temperatuur verwarming en warmteterugwinning uit ventilatielucht: de ruimteverwarmingsvraag daarvan is 15 kWh/m2 vloeroppervlakte per jaar. Renovatiebouw heeft een hogere warmtevraag: 28 kWh/m2 per jaar. Beide typen woningen hebben ook warmteterugwinning uit rioolwater. De beschikbare dakoppervlakte voor zonthermisch en/of PV is gemiddeld 22,7 m2 (2020), 25,6 m2 (2035) respectievelijk 28,1 m2 (2050) per woning of woningequivalent. Er komt dus steeds meer beschikbare dakoppervlakte de toepassing van voor zonne-energie opwekkingstechnologie. De toename van het beschikbare dakoppervlak komt vooral door zongerichte oriëntatie van de nieuwe woningen. Voor zover geschikte dakvlakken niet in gebruik zijn voor zonnecollectoren worden ze gevuld met PV panelen. De PVT (zonnecollectoren en zonnepanelen in één) zijn niet beschouwd omdat in de concepten vacuümbuiscollectoren worden toegepast. Een thermisch zonnepaneel (PVT) is een combinatie van een zonnepaneel en een klassieke vlakkeplaat zonnecollector.

ECN-E--10-071

55

Tabel 4.1 Overzicht uitgangspunten toepassingsgebied energieconcepten Ruimteverwarming Nieuwbouw: - passiefhuisniveau: 15 kWh/m2 vloeroppervlakte per jaar - LTV (lage-temperatuurverwarming) - WTW uit ventilatielucht (warmteterugwinning) Renovatie: - 28 kWh/m2 vloeroppervlakte per jaar Warmtapwater WTW uit alle afvalwater Geschikt dakvlak Collector- en/of PV-oppervlakte per woningequivalent: - 2020: 22,7 m2 - 2035: 25,6 m2 - 2050: 28,1 m2

4.2

Zes typen energieconcepten

4.2.1 Restwarmte en/of geothermie: geohubs Technische aspecten Hoofdkenmerk: warmtedistributie op 70oC of hoger (hoge temperatuur). Restwarmtebron: industrie, elektriciteitscentrale of geothermisch doublet 1 . Bij elektriciteitscentrales leidt dit tot een lager elektrisch opwekkingsrendement. Maar als gasgestookte cv-ketels vervangen worden door warmtedistributie uit elektriciteitscentrales wordt toch primaire energie bespaard. De twee varianten van geohubs verschillen in de toegepaste koelingtechnologie: Energieconcept 1: koudelevering met elektrisch (uit PV) gedreven compressiekoeling. Energieconcept 2: koudelevering met zonthermisch gedreven sorptiekoeling. Tabel 4.2 Overzicht uitgangspunten geohubs Hoofdkenmerk Warmtedistributie op 70oC Eigenschappen Industrie, elektriciteitsproductie, geothermie restwarmtebron Koeling Compressiekoeling uit PV of sorptiekoeling uit zon

4.2.2 Restwarmte en/of biomassa: biohubs Technische aspecten Hoofdkenmerk: warmtedistributie op 40 à 50oC (matige temperatuur). Restwarmtebron: meestal afvalverbrandingsinstallatie (AVI). Biomassa maakt tot de helft van de verbrandingswaarde van grijs afval uit. In AVI’s komt de meeste restwarmte op 40 à 50oC vrij uit de rookgasreinigers. Gebruik van deze restwarmte leidt niet tot een lager elektrisch rendement, in tegenstelling tot warmtegebruik op hogere temperatuur. De twee varianten van biohubs verschillen in de toegepaste koelingtechnologie: Energieconcept 3: koudelevering met elektrisch (uit PV) gedreven compressiekoeling. Energieconcept 4: koudelevering met zonthermisch gedreven sorptiekoeling. Tabel 4.3 Overzicht uitgangspunten biohubs Hoofdkenmerk Warmtedistributie op 40oC Eigenschappen Industrie, elektriciteitsproductie, verbranding van afval en/of restwarmtebron biomassa Koeling Compressiekoeling uit PV of sorptiekoeling uit zon

1

Hierbij moet worden aangetekend dat – zoals in hoofdstuk 3 al aangegeven – een geothermisch doublet een eindige levensduur heeft en uiteindelijk weer “geladen” moet worden met zonne-energie om echt duurzaam te zijn.

56

ECN-E--10-071

4.2.3 Alles-op-zon concepten: zonhubs Technische aspecten Variant 1: Alles-op-zon met hoge temperatuur opslag van zonnewarmte Hoofdkenmerk: warmte uit vacuümbuiscollectoren wordt door een bidirectioneel warmtenet op hoge temperatuur verzameld en opgeslagen op ongeveer 60oC in ondiepe geothermisch doubletten. ’s Winters volgt distributie van bewaarde warmte op 40 à 50oC. Warmtebron: 100% zon. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de toegepaste koeling technologie: Energieconcept 5: koudelevering met elektrisch (uit PV) gedreven compressiekoeling. Energieconcept 6: koudelevering met zonthermisch gedreven sorptiekoeling. Variant 2: Alles op zon met lage temperatuur opslag van zonnewarmte Hoofdkenmerk: warmte uit vacuümbuiscollectoren wordt door een bidirectioneel warmtenet op hoge temperatuur verzameld. Een Organic Rankine Cycle (ORC) maakt hiermee elektriciteit. De lage temperatuur restwarmte wordt opgeslagen, bijvoorbeeld in een diepe plas (zoals in Almere). ’s Winters wordt de werking van de ORC omgekeerd, zodat hij als warmtepomp gaat dienen, waarna distributie van bewaarde warmte op 40 à 50oC volgt. Warmtebron: 100% zon. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de toegepaste koeling technologie: Energieconcept 7: koudelevering met elektrisch (uit PV) gedreven compressiekoeling. Energieconcept 8: koudelevering met zonthermisch gedreven sorptiekoeling. Tabel 4.4 Overzicht uitgangspunten zonhubs Hoofdkenmerk Warmtedistributie op 40oC; warmtecollectie op 70 à 100 oC. Eigenschappen Zon, omgevingswarmte warmtebron Koeling Compressiekoeling uit PV of sorptiekoeling uit zon

4.2.4 All-electric concepten Technische aspecten Hoofdkenmerk: elektriciteit uit PV en onshore wind uit de wijk wordt gebruikt om individuele elektrische warmtepompen aan te drijven. De warmtepompen gebruiken verticale bodemwarmtewisselaars als warmtebron. De bodem onder de gebouwen wordt ’s zomers geregenereerd met behulp van gebouwkoeling, die daardoor geen extra energie kost. Warmtebron: 100% bodem. Energieconcept 9: warmtapwaterlevering voor een deel met zonnecollectoren. Energieconcept 10: warmtapwaterlevering volledig met de warmtepomp. Levering van warmtapwater door de warmtepomp met elektriciteit uit PV is efficiënter dan warmtapwater uit zonnecollectoren, maar als de laatste goedkoper blijkt gaat daar de voorkeur naar uit. Tabel 4.5 Overzicht eigenschappen All-electric concepten Hoofdkenmerk Individuele warmtepompen met verticale bodemwarmtewisselaars Eigenschappen Koeling van gebouwen, omgevingswarmte, zon warmtebron Koeling Vrije koeling met bodemwarmtewisselaar

4.2.5 Conventionele concepten met PV Technische aspecten Hoofdkenmerk: warmte wordt door gasgestookte HR-ketels geproduceerd en elektriciteit met PV. Deze concepten zijn ter vergelijking uitgewerkt om te bepalen hoeveel de andere concepten besparen ten opzichte van doorontwikkeling van de bestaande situatie. Warmtebron: aardgas en/of biogas.

ECN-E--10-071

57

Energieconcept 11: warmtapwaterlevering volledig met de HR-ketel en koudelevering met elektrisch gedreven compressiekoeling. Energieconcept 12: warmtapwaterlevering voor een deel met zonnecollectoren en koudelevering met elektrisch gedreven compressiekoeling. Energieconcept 13: warmtapwaterlevering voor een deel met zonnecollectoren en koudelevering zonthermisch gedreven sorptiekoeling. Tabel 4.6 Overzicht eigenschappen Conventionele concepten met PV Hoofdkenmerk Individuele HR-gasketels Eigenschappen Aardgas en/of biogas, zon warmtebron Koeling Compressiekoeling uit PV of sorptiekoeling uit zon

4.2.6 Waterstof concept Technische aspecten Hoofdkenmerk: elektriciteit uit PV wordt gebruikt om waterstof te produceren. Deze wordt opgeslagen en ’s winters ingezet in brandstofcellen. Om vraag en aanbod van elektriciteit en warmte in evenwicht te brengen kan het systeem worden aangevuld met individuele elektrische warmtepompen. Warmtebron: waterstof. Tabel 4.7 Overzicht eigenschappen Waterstofconcepten Hoofdkenmerk Productie waterstof met PV, opslag, inzet in brandstofcellen. Individuele warmtepompen voor bijstook. Eigenschappen Zon (voor waterstofproductie), omgevingswarmte warmtebron Koeling Vrije koeling met bodemwarmtewisselaar

4.3

Mate van energieneutraliteit van energieconcepten

4.3.1 Rekentool Voor de schatting van de mate van de mate van energieneutraliteit van de genoemde gebiedsenergieconcepten is een rekentool in Excel ontwikkeld. Hiermee wordt op eenvoudige wijze geschat hoeveel energie voor de verschillende functies in de gebouwde omgeving nodig is, en in hoeverre de concepten in de vraag naar energie kunnen voldoen. In de rekentool wordt uitgegaan van jaarvragen naar energie en jaaropbrengsten van de verschillende duurzameenergiemaatregelen. In jaargemiddelde energiemodellen, zoals het gebruikte rekentool, is de jaaropbrengst vaak zodanig over het jaar verdeeld dat die niet geheel ten goede kan komen aan de beoogde energiefunctie. Een voorbeeld is zonnewarmte: in de zomer rijkelijk voorradig, terwijl de meeste warmte juist in de winter wordt gevraagd. In dergelijke gevallen moet een gefundeerde schatting worden gemaakt van de mate waarin de optie kan voorzien in de jaarlijks gevraagde warmte. Dit wordt de dekkingsgraad genoemd. Onderstaand wordt voor de verschillende energieconcepten de dekkingsgraad geschat. Dekkingsgraad voor geo- en biohubs De levering van warmte door geothermische doubletten of restwarmte uit industrie, afvalverbranding of biomassaverwerking is niet seizoensafhankelijk zoals zonnewarmte. Daarom wordt gesteld dat 100% warmtelevering mogelijk is voor ruimteverwarming, warmtapwater en warmtenetverliezen. Ook wordt verondersteld dat er niet meer teruglevering aan het net plaats vindt dan door andere afnemers gebruikt wordt. Daarmee is ook het ‘opslagrendement’ 100%.

58

ECN-E--10-071

Dekkingsgraad voor zonhubs Alles-op-zon concepten hebben duidelijk te maken met het verschijnsel dat de warmte meest beschikbaar is als de vraag het laagst is. Daarom moet in deze concepten seizoensopslag van warmte plaatsvinden. Dit kan decentraal geschieden met behulp van thermochemische materialen (TCM’s), of centraal in geschikte geothermische formaties zoals aquifers. In de Groningse wijk Beijum valt uit een dergelijk opslagsysteem 50% á 60% van de uit de zonnecollectoren gewonnen warmte terug te winnen voor gebruik in de winter [Kristinsson, 2002]. Aangenomen wordt dat met verdere technologische ontwikkeling een opslagrendement van 75% haalbaar wordt. Voor de lage temperatuur warmteopslag van de energieconcepten 7 en 8 wordt een opslagrendement van 95% verondersteld. Dergelijke warmteopslag vindt ongeveer in evenwicht met de omgeving plaats, waardoor warmteverliezen op het ene moment positief en het andere moment negatief kunnen zijn. Voor koeling wordt een dekkingsgraad van 100% aangenomen, omdat de vraag naar koeling gelijktijdig plaatsvindt met de hoogste opbrengst aan zonnewarmte. De warmtapwatervraag is gedurende het jaar min of meer constant. Verondersteld wordt dat 50% van de vraag rechtstreeks vanuit de collectoren kan worden voldaan. Op deze 50% hoeft dan het opslagrendement niet te worden toegepast. De andere 50% wordt voldaan vanuit de seizoensopslag. Hierop wordt wel het opslagrendement toegepast. Hetzelfde is van toepassing op het warmtenetverlies, dat gedurende het jaar constant wordt verondersteld. De ruimteverwarmingsvraag treedt vooral op als het aanbod zonnewarmte laag is. Toch valt er in het koude seizoen nog zonnewarmte te winnen, vooral als vacuümbuiscollectoren worden toegepast. Verondersteld wordt dat 25% van de ruimteverwarmingsvraag nog rechtstreeks kan worden geleverd. Dekkingsgraad voor zonnecollectoren zonder seizoensopslag In de energieconcepten 9, 12 en 13 worden individuele zonnecollectoren zonder seizoensopslag toegepast. Er is alleen korttermijn-opslag. Van deze collectoren is bekend dat een deel van de mogelijk te produceren warmte niet benut kan worden en dan in stagnatieverliezen verloren gaat. Hoeveel dat is hangt samen met de verhouding tussen de maximaal mogelijke opbrengst en de samenhangende vraag, en met de gelijktijdigheid. Omdat de vraag naar koeling meestal samenvalt met de momenten waarop de zonopbrengst hoog is, wordt verondersteld dat 90% van de potentiële opbrengst voor sorptiekoeling kan worden gebruikt. Voor tapwater wordt aangehouden dat 60% van de potentiële opbrengst aan de vraag bijdraagt. Dit is het gemiddelde van meerdere geteste systemen [De Boer & van Teylingen, 2002].

4.3.2 Resultaten Op basis van de uitgangspunten voor de energiemaatregelen in hoofdstuk 3.6 en de aannamen voor de dekkingsgraden van de technologieën in hoofdstuk 4.3.1 zijn met het rekentool schattingen gemaakt voor de mate van energieneutraliteit van de verschillende concepten. Mate van energieneutraliteit geeft aan welk percentage van het, na besparingen, resterende energieverbruik vanuit het gebied zelf kan worden geleverd, ten opzichte van energielevering door een HR-combi-ketel, elektriciteit uit een centralepark en compressiekoelmachine. Tabel 4.8 geeft de resultaten weer van de berekeningen, zowel zonder als met energiegebruik voor personenvervoer.

ECN-E--10-071

59

Tabel 4.8 Mate van energieneutraliteit van de gebiedsenergieconcepten in 2020, 2035 en 2050, zowel zonder als met energiegebruik voor personenvervoer [ECN] Energieconcept Collectief / Koeling 2020 2035 2050 individueel Mate van Inclusief Mate van Inclusief Mate van Incl energievervoer energievervoer energievervoer neutraliteit neutraliteit neutraliteit Restwarmte en/of geothermie: geohubs 1 Hoge temperatuur restwarmte StadsCompressie96% 61% 121% 73% 165% 96% benutting of geothermie verwarming koeling 2 Hoge temperatuur restwarmte StadsSorptie95% 61% 119% 72% 163% 95% benutting of geothermie verwarming koeling Restwarmte en/of biomassa: biohubs 3 Matige temperatuur Stadsrestwarmtebenutting verwarming 4 Matige temperatuur Stadsrestwarmtebenutting verwarming

5 6 7 8

60

Alles-op-zon concepten: zonhubs Hoge temperatuur opslag zonnewarmte Hoge temperatuur opslag zonnewarmte Lage temperatuur opslag ORC/WP Lage temperatuur opslag ORC/WP

van Stadsverwarming van Stadsverwarming met Stadsverwarming met Stadsverwarming

Compressiekoeling Sorptiekoeling

93%

60%

120%

72%

165% (*)

96%

93%

59%

118%

71%

162%

94%

Compressiekoeling Sorptiekoeling Compressiekoeling Sorptiekoeling

53%

34%

74%

45%

131%

76%

52%

33%

72%

44%

129%

75%

47%

30%

73%

44%

132%

77%

46%

29%

70%

42%

130%

75%

ECN-E--10-071

All Electric concepten: 9 Individuele WPen met PV en Individueel zonnecollectoren 10 Individuele WPen met PV Individueel

Conventionele concepten met PV: 11 Individuele HR-ketels met PV Individueel 12 Individuele gasketels zonnecollectoren met PV 13 Individuele gasketels zonnecollectoren met PV

en Individueel en Individueel

Waterstof concept: 14 Waterstof met individuele Individueel brandstofcellen + WPen met PV

BodemWWkoeling BodemWWkoeling

71%

45%

102%

61%

150%

87%

73%

47%

106%

64%

157%

92%

Compressiekoeling Compressiekoeling Sorptiekoeling

36%

23%

64%

38%

112%

65%

40%

25%

68%

41%

118%

69%

36%

23%

61%

37%

109%

64%

BodemWWkoeling

15%

7%

57%

30%

115%

54%

(*) Indien slechts gebiedsgebonden biomassa wordt beschouwd, wordt de mate van energieneutraliteit in 2050 131% (zonder vervoer) en 82% (met vervoer). Zie het volgende hoofdstuk voor de uitleg.

ECN-E--10-071

61

Het onderzoek en de rekenresultaten in Tabel 4.8 geven aanleiding tot de volgende bevindingen en overwegingen: 1. Wellicht ten overvloede moet worden gemeld dat de mate van energieneutraliteit van het gebied is bepaald voor een energievraag van woningen en gebouwen die gaandeweg de jaren sterk wordt teruggebracht ten opzichte van de huidige energievraag. Dat betekent dat als basis al een aanzienlijke inspanning moet worden geleverd: de ruimteverwarmingsvraag van nieuwbouw moet op passiefhuisniveau worden gebracht en ook renovatie moet aan strenge besparingseisen voldoen. Daarnaast moet bij alle woningen en gebouwen in hoge mate warmte worden terruggewonnen uit afvalwater. Bovendien moeten koelvraag en elektriciteitsgebruik worden beperkt. 2. Onder de genoemde aannamen kan met geen enkele van de gebiedsenergieconcepten in 2020 energieneutraliteit worden bereikt. De geo- en biohubs komen het meest dichtbij. De gehanteerde technologieën zullen nog verder doorontwikkeld moeten worden. De grootste vooruitgang wordt bij PV verwacht: van 100 kWh/m2 per jaar nu naar 250 kWh/m2 per jaar na 2040. 3. Inclusief personenvervoer kan met geen van de gebiedsenergieconcepten in 2050 energieneutraliteit worden bereikt. De geo- en biohubs komen het meest dichtbij. Dit komt omdat vervoer erg veel energie vergt. Hierbij moet worden aangetekend dat hier alle personenvervoer is meegenomen, ook vakantievervoer en uitjes. Als alleen dagelijks binnenstedelijk vervoer wordt beschouwd, zou het beter kunnen uitkomen, maar de vraag is of dit terecht is. Anderzijds is dit geen groot probleem wanneer vervoer elektrisch is, omdat er elders wellicht voldoende duurzaam potentieel is. In 4.4.1 wordt dit nader beschouwd. 4. Geo- en biohubs kunnen in 2035 al ruimschoots in de dan nog bestaande eigen energievraag voorzien. In de praktijk komt er een extra energiestroom het gebied binnen, hetzij vanuit de bodem onder het gebied (geothermie), hetzij biomassa van naast het gebied. Het gebied zelf zal niet voldoende biomassa opleveren om de biohub van brandstof te voorzien, want de interne opbrengst is geschat op 7 GJ per woning. Maar wanneer er een grote bron van restwarmte dicht in de buurt aanwezig is, zoals een afvalverbrandingsinstallatie of biomassacentrale, is het wel verstandig deze te benutten. Hiermee wordt eigenlijk de definitie van een energieneutraal gebied niet helemaal nauw gevolgd, maar anders zou de restwarmte verloren gaan. De aanname is dat een geo- en biohub voldoende warmte kan leveren voor de ruimteverwarming en tapwater. Hierdoor hoeven geen zonneboilers op daken geplaatst te worden en zijn de daken volledig voor PV beschikbaar. 5. Indien er slechts met gebiedsgebonden biomassa gerekend wordt, behaalt een biohub in 2050 de mate van energieneutraliteit van 131% (zonder vervoer), of 82% (met vervoer). Deze prestatie komt in de buurt van een zonhub. De daken zouden dan deels door zonnecollectoren gevuld moeten worden. 6. Een geohub maakt gebruik van energie gewonnen uit een geothermisch doublet. Dit doublet is na ongeveer 30 jaar uitgeput en zal met zonne-energie geladen moeten worden. Op deze manier verandert een geohub na circa 30 jaar in een zonhub. Omdat in het concept geohub alle daken gevuld zijn met zonnepanelen (zie hierboven de reden waarom), is er geen ruimte meer voor zonnecollectoren. De levensduur van PV is tegenwoordig circa 20 jaar, maar in de praktijk leveren ze na 20 jaar steeds circa 80% op. De verwachting is dat de levensduur van PV in de toekomst toeneemt. Derhalve zouden na 30 jaar de zonnepanelen ruimte kunnen maken voor de benodigde zonnecollectoren. 7. Concepten met gebiedsmaatregelen (elektriciteit-, warmte- of energiehubs) scoren hoger op de mate van energieneutraliteit. 8. Elektriciteit opgewekt door PV heeft een groot aandeel in de mate van energieneutraliteit. 9. Indien ook het personenvervoer wordt meegenomen, kan geen van de concepten, waar de hele daken met PV worden gedekt, elektriciteit exporteren. Er wordt wel meer

62

ECN-E--10-071

10.

11.

12. 13. 14.

4.4

elektriciteit opgewekt dan de gebouwen nodig hebben, maar dit overschot wordt gebruikt voor het opladen van elektrische auto’s. De gebieden waar alles-op-zon energieconcepten worden toegepast zijn met de gehanteerde veronderstellingen in 2050 ruimschoots energieneutraal. Dit komt doordat het opstelvlak voor zonnecollectoren en PV tussen nu en 2050 met ongeveer 40% kan groeien door zongeörienteerd bouwen en door warmteverliezen in het warmtenet en de thermische opslag te beperken, bijvoorbeeld door het toepassen van vacuümgeïsoleerde leidingen. De combinatie van compressiekoeling met PV leidt tot hogere mate van energieneutraliteit dan sorptiekoeling die wordt aangedreven door warmte uit vacuümbuiscollectoren, ondanks dat de vraag naar koeling goed in tijd overeen komt met het aanbod zonnewarmte. Dit komt vooral door de hoge opbrengst van PV. Het verschil is echter niet groot. Dus als de combinatie van zonnecollectoren met sorptiekoeling goedkoper is dan PV met compressiekoeling, dan verdient sorptiekoeling de voorkeur. De all-electric gebiedsenergieconcepten zijn met name gebaseerd op warmtepompen. Mede door de hoge opbrengst van PV en de inherente zuinigheid van warmtepompen zijn de all-electric concepten vanaf 2035 in staat om gebieden energieneutraal te maken. De conventionele concepten met HR-CV-ketels halen volledige energieneutraliteit in 2050. Hier is het effect van de hoge opbrengst van PV goed merkbaar doordat de optie met compressiekoeling het best scoort. Het waterstofconcept behaalt een mate van energieneutraliteit vergelijkbaar met die van de conventionele concepten. Inclusief vervoer presteert het waterstofconcept slechter, zoals reeds eerder beschreven in paragraaf 3.6.2.

Nadere beschouwingen

4.4.1 Import duurzame energie Uit Tabel 4.8 blijkt dat wanneer vervoer wordt meegenomen, het niet mogelijk is lokaal alle benodigde energie uit duurzame bronnen te winnen. Er zal dan energie moeten worden geïmporteerd van buiten het gebied. Het valt nog te bezien of deze energie inderdaad van buiten het bebouwde stadsgebied voorhanden is. Hier volgt een korte beschouwing die nader ingaat op energieneutraal Nederland waarvan de energieneutrale gebouwde omgeving (met de beschouwde gebiedsenergieconcepten) deel zal uitmaken. Grootschalige duurzame opwekking Er zijn grote ontwikkelingen gaande in grootschalige windenergie (op zee) en geconcentreerde zonne-energie in Zuid-Europa en Noord-Afrika. Het kan uit economisch, ruimtelijk en sociaal oogpunt veel interessanter blijken om in plaats van met veel moeite stedelijke gebieden voor de laatste 10-20% energieneutraal proberen te maken, om de duurzame energie te importeren van buiten de stad. Er zijn grote gebieden met betere mogelijkheden voor winning van duurzame energie, waar energiewinning niet op gespannen voet staat met ander ruimtegebruik, zoals wonen en werken. Een argument voor lokale opwekking is dat transportverliezen van warmte kleiner zijn, en transport kostbaar. Warmte kan vanwege verliezen beter niet van buiten het gebied worden geïmporteerd of er naar toe geëxporteerd (behalve in een geval van een AVI vlak buiten het gebied die restwarmte levert die anders verloren zou gaan). Voor elektriciteit ligt dat anders. Uit ervaringen met de in 2008 in gebruik genomen NorNed kabel tussen Nederland en Noorwegen en ervaringen in Nieuw Zeeland blijkt dat de transportverliezen over 600 km minder dan 6% bedragen (zelfs 3.7%), en de kostprijs van transport ongeveer 1 €ct/kWh bedraagt [Tennet, 2008], [ABB, 2005], [ABB,2009].

ECN-E--10-071

63

Hoe kan in het licht van duurzame gebiedsontwikkeling energie-import vorm krijgen? Energie kan worden geïmporteerd in de vorm van brandstof en van elektriciteit. Import van warmte is vanwege verliezen economisch en energetisch minder interessant . De mogelijkheden om brandstoffen te verduurzamen zijn beperkt. Het binnenlandse potentieel is becijferd op 7 GJ per huishouden per jaar. Dit kan niet volledig worden benut, omdat de industrie ook brandstof nodig heeft, en wel vaak voor hoogwaardiger toepassingen dan gebouwverwarming, koeling en elektrisch transport. Gevolg is dat biobrandstoffen moeten worden geïmporteerd. Wanneer alle landen deze bovengenoemde strategie zouden volgen zou er lang niet voldoende bruikbare grond op de wereld zijn om zonder grote inspanningen en ecologische gevolgen (denk aan ontbossing en waterverbruik) de wereld van duurzame energie te voorzien. Biobrandstoffen zullen dus slechts gedeeltelijk in de import kunnen voorzien. Efficiency maatregelen zijn voor een energieneutraal gebied noodzakelijk, maar zullen op zich niet afdoende zijn. In de meest optimistische scenario’s wordt van efficiënter gebruik van energie niet meer dan een derde deel vermindering van het primaire energieverbruik verwacht [Krewitt, 2005]. Ook in deze studie is er al van uit gegaan dat mogelijke besparingen bijna maximaal zijn benut. Willen we naar een 100% klimaatneutrale energievoorziening, dan zal in de resterende vraag met duurzame energiebronnen moeten worden voorzien. De energiedrager die wel kan worden toegepast is elektriciteit. De opwekking van duurzame elektriciteit is bijna niet in concurrentie met overige vormen van land of watergebruik. Waar in Nederland windturbines zijn geplaatst kunnen de normale landbouwactiviteiten bijna ongehinderd worden voortgezet. Slagschaduw en geluidshinder zijn voorname redenen om windenergie niet in de nabijheid van woningen en kantoren te plaatsen. En omdat in Nederland vrijwel overal wordt gewoond en gewerkt is het moeilijk om geschikte locaties te vinden. In de natuurgebieden worden windturbines om meerdere redenen doorgaans niet geplaatst. Hoe belangrijk is het om de windturbines binnen Nederland te plaatsen? Helaas is offshore windenergie nog duurder dan wind op land, ook al brengt een windturbine op zee meer op dan op land. Het potentieel van windenergie op het Nederlandse deel van de Noordzee is enkele malen groter dan de binnenlandse vraag. In Europa is het potentieel in minder dicht bevolkte gebieden nog veel groter. In Europa is het aanbod van windenergie vrijwel constant. Meestal wordt windstilte aan de ene kant van Europa gecompenseerd door storm elders [ECF, 2010]. Verder zijn er nog vele mogelijkheden in het Middellandse Zee gebied, niet alleen voor windenergie, maar ook voor geconcentreerde zonne-energie. Wanneer in de Sahara een gebied ter grootte van Frankrijk, ofwel 23% van Algerije, zou worden volgebouwd met Concentrating Solar Power centrales zou dat al voldoende zijn om de hele wereld van elektriciteit te voorzien [Czisch, 2006]. Met de restwarmte van de CSP centrales zou zeewater kunnen worden ontzilt, waardoor het wereldwaterprobleem zou kunnen worden verlicht [Marchie van Voorthuysen, 2006]. Het lijkt er dus op dat het niet nodig is om alle benodigde energie lokaal, en dan wel binnen de steden, te produceren. Er mag best energie geïmporteerd worden, als het maar zo min mogelijk is en duurzaam is of kan worden. Elektriciteit is hiervoor de beste mogelijkheid. Men kan zijn eigen energie vergroenen door voor zichzelf duurzame energie te kopen. Op termijn kan alle stroom duurzaam worden. Wat moet men dan lokaal doen om er voor te zorgen dat dit mogelijk wordt? 1. Stimuleren van efficiënt gebruik van alle vormen van energie. 2. De import van brandstof van buiten de stad beperken tot dat wat de aarde duurzaam kan leveren. Dit is in Nederland ongeveer 7 GJ biogas per huishouden.

64

ECN-E--10-071

3. Lokaal beschikbare warmte zo goed mogelijk benutten. Denk hierbij aan industriële restwarmte, warmte uit zonnecollectoren en bodemwarmte in de vorm van warmtepompen of geothermie. 4. Voor overige import alleen nog gebruik te maken van elektriciteit. Die heeft de potentie op termijn duurzaam te worden. 5. Stimuleren van het gebruik van elektriciteit ten koste van brandstof door het promoten van elektrische voertuigen, en elektrische warmtepompen als de warmtewinning tekortschiet. Men hoeft lokaal niet meer dan dit te doen om globaal tot een duurzame energievoorziening te komen en een eerlijke verdeling van welvaart en welzijn.

ECN-E--10-071

65

5.

Concretisering

5.1

Inleiding

Dit hoofdstuk beschrijft eerst de matrix die is ontwikkeld voor het creëren van een zogenaamde ‘pasfoto’ van het gebied. Vervolgens wordt per gemeente die bij dit project zijn betrokken (Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg), één gebied of wijk besproken. Per gebied is een pasfoto voor de huidige situatie gemaakt. Naast het eindbeeld worden tussenstappen genoemd, die genomen moeten worden om tot dit eindresultaat in 2050 te komen. Door te kiezen voor één gebied kunnen de concepten geconcretiseerd worden en is de omvang herkenbaar en beheersbaar voor een projectorganisatie zoals die in de praktijk kan optreden. Deze gebiedsconcepten zijn een maat voor een gemiddelde projectomvang als onderdeel van de transitie die een stad kan doormaken. Uiteraard kan een dergelijk proces ook voor de andere gebieden van de stad worden gevolgd. In combinatie kunnen ze zo een eindbeeld voor 2050 voor de hele stad opleveren.

5.2

Matrix met gebiedskenmerken

De in dit hoofdstuk beschreven matrix moet worden gezien als een tussenvorm, zoals die een jaar geleden als compleet beschouwd werd. In Werkpakket 2 wordt gewerkt aan een instrument om de pasfoto te creëren. Dit leidt tot nieuwe inzichten, op basis waarvan de matrix verder ontwikkeld wordt. Net zoals in Werkpakket 1 de keuze van de sturingsvorm bij gebiedsontwikkeling afhankelijk is van de pasfoto, wordt ook het geschiktste energieconcept gekozen op basis van de pasfoto. Hierdoor ontstaat ook een relatie tussen energieconcept en sturingsvorm.

5.2.1 Achtergrond en functies van de matrix en pasfoto In de eerste fase van gebiedsontwikkeling moet bekend worden hoe het gebied er uit ziet en wat de eigenschappen zijn. Op basis van de eigenschappen zijn de mogelijkheden van het gebied te bepalen. Welke eigenschappen kunnen worden benut? En met welke eigenschappen moet rekening gehouden worden? In de matrix kan alle informatie worden opgeslagen, die nodig is om energieconcepten te ontwikkelen voor energieneutrale gebieden. Het geeft de grondslag voor de bepaling van vraagprofielen, geschikte opwekkers van duurzame energie met betreffende aanbodkarakteristieken, evenals bijbehorende conversie- en opslagtechnieken en distributiemogelijkheden. Op basis van de gegevens in de matrix kan voor het gebied een afweging gemaakt worden voor het toepassen van een energieconcept. Hierbij moet in ogenschouw worden gehouden dat de beschikbare informatie zelf en de betrouwbaarheid ervan, ook invloed heeft op de keuze van het energieconcept. In Werkpakket 2 worden instrumenten ontwikkeld voor het maken van de afweging. Dit kan bijvoorbeeld met behulp van een SWOT analyse, op zowel technologisch, institutioneel als ruimtelijk niveau. Ontbrekende informatie kan eerst op basis van schattingen ingevuld worden. Gaandeweg de planologische ontwikkeling wordt de relevantie duidelijker en men kan zich in details verdiepen. De matrix geeft de eigenschappen van het te ontwikkelen gebied weer, waaruit de zogenaamde 'pasfoto' gevormd wordt. De pasfoto is op meerdere manieren te gebruiken:

66

ECN-E--10-071

1) De pasfoto van de huidige situatie geeft de mogelijkheden van het gebied, inclusief de aanwezige/gewenste sturingsvormen. De pasfoto werkt ondersteunend bij de keuze voor een energieconcept. 2) De gewenste situatie (‘droombeeld’) kan weergegeven worden in de pasfoto van 2050 (en tussenliggende jaren). Op basis hiervan kan vanaf de andere kant inzichtelijk worden gemaakt welke keuzes en stappen genomen moeten worden. 3) Een rijtje pasfoto’s geeft de ontwikkeling weer en kan gebruikt worden voor monitoring.

5.2.2 Het meerlagen model In de linker kolom van de matrix staan de eigenschappen van het gebied opgesomd. Deze zijn onderverdeeld in vier lagen. De basis daarvoor is gelegd in het meerlagenmodel voor gebiedsontwikkeling waarin drie lagen worden onderscheiden: occupatie-, netwerk- en ondergrondlaag [www.RuimteXmilieu.nl, 2010]. Omdat het energiegebruik afhankelijk is van het klimaat is voor duurzame gebiedsontwikkeling daar nog een vierde laag aan toegevoegd: de klimaatlaag.

Figuur 5.1 De drie lagen van het meerlagen model [www.RuimteXmilieu.nl, 2010] De occupatielaag bevat de menselijke activiteiten als wonen werken en recreëren. Deze laag is het meest flexibel, veranderingen vinden veelal plaats binnen één generatie (10 - 40 jaar). Vragen die hierin spelen zijn bijvoorbeeld: wat is de kwaliteit van de bebouwing? Welke activiteiten vinden plaats? En hoe kan het oppervlak worden benut voor energieopwekking? De netwerklaag bevat de infrastructuur: bijvoorbeeld wegen, kanalen, elektriciteit- en gasleidingen. Aanpassingen hierin vergen vaak een hoge investering en aanlooptijd, veranderingen vinden plaats in 20-80 jaar. Hierin spelen onder andere de volgende vragen: Hoe wordt het gebied ontsloten? Hoe sterk is het elektriciteitsnet? Is er ruimte voor een leidingstelsel voor stadsverwarming? De ondergrond- of bodemlaag heeft er het langst over gedaan om zijn huidige vorm te krijgen en bevat het (grond)watersysteem en het biotisch systeem. Veranderingen duren langer dan een

ECN-E--10-071

67

eeuw tijd. Vooral belangrijk voor de energie-infrastructuur is te weten hoeveel warmte in de bodem opgeslagen of zelfs uit de diepe ondergrond gewonnen kan worden. De klimaatlaag bevat invloeden van buiten af: wat is de gemiddelde zoninstraling? Hoe hard waait het? En wat is de buitentemperatuur? Het klimaat verandert zeer langzaam. Toch moet rekening worden gehouden met extremen, er is een trend waarneembaar dat deze toenemen. Zo moet bijvoorbeeld met waterberging rekening worden gehouden met grotere kans op hevige neerslag. Tot slot zijn nog enkele overige eigenschappen van het gebied toegevoegd, die niet zozeer van het gebied afhangen maar van de mensen die er in wonen en werken. Deze eigenschappen kunnen zeer snel omslaan, bijvoorbeeld bij nieuwe verkiezingen of subsidieregelingen. Hierin komen de belangrijkste redenen om het gebied te ontwikkelen aan de orde, wat voor een groot deel de gebiedsontwikkeling bepaalt.

5.2.3 Als voorbeeld een ingevulde matrix In de middelste twee kolommen zijn als voorbeeld de eigenschappen van het gebied Kanaalzone noordoost in Apeldoorn ingevoerd. De achtergronden hiervan staan beschreven in hoofdstuk 5.3. In de drie meest rechtse kolommen zijn referentie waarden weergegeven voor verschillende gebiedtypen met een specifieke bebouwingsgraad [www.RuimteXmilieu.nl, 2010]. Deze geven een indicatie voor de mogelijke waarden voor het specifieke gebied. De totstandkoming van de gegevens over het energieverbruik worden verder uitgelegd in hoofdstukken 3 en 4.

68

ECN-E--10-071

Tabel 5.1 Matrix met gebiedskenmerken Apeldoorn Kanaalzone noord oost Van tot MEERLAGEN: Occupatie aantal woningen m2 bedrijven en voorzieningen oppervlakte [ha] Hoog/laagbouw verdeling huur/koop aantal arbeidsplaatsen /hectare aantal banen/woning verkaveling (oriëntatie) ruimte voor zelfvoorzienendheid onverhard (recreatie) WK-bronnen [Pmax,GJ/jr en Temp] Biomassa beschikbaar Tuinbouw? aantal parkeerplaatsen (ebuffers) kwaliteit bebouwing [EPC] geschikt (dak)oppervlak zonne-energie [horizontaa] publieke ruimte voorzieningen geluid dB(A) flexibiliteit

1100 28000 20 hoog nvt 1000 20000 0,9 1,8 zuid-zuidoost beperkt 25%

stedelijk

Referentie suburbaan [per hectare]

villawijk

40-60

20-40

10-20

hoog

laag

laag koop

50-57%

<75%

>100 >2

25%

nvt nee 1/woning mogelijk tot 0

nieuw 5 ha nvt nvt 55 nauwelijks

10 ha ++ 55

50 (stil)

45 (rustig)

infrastructuur Verkeer gebruiksintensiteit onverhard/groenvoorziening Water beschikbaar energienet (gas/elektra/H2/warmte) benodigde capaciteit gas [m3/h] elektra (capaciteit) warmte/koudenet (capaciteit, temperaturen) H2 Biogas capaciteit

ECN-E--10-071

Langzaam verkeer gescheiden netwerk, autoverkeer (en busvervoer) via Noordradiaal nvt basis kanaal en singels

2800

veel OV modaliteiten matig intensief basis

autoluw extensief verhoogd

zeer extensief

4100

69

Afval flexibiliteit CO2 bodem grondwaterstroming [m/jaar] maaiveld [m boven NAP] waterberging warmte opslagcapaciteiten: Gesloten bodemwarmtewisselaar WKO aquifers Diepe geothermie

klimaat windsnelheid [m/s] windsnelheid h = 100m [m/s] zonuren /jaar (buiten-, bodemtemperatuur)

100 -3

200 -5 zeer belangrijk

redelijk restrictie gebied voor warmtewisselaars tot 50m 4.5

5.5

8 1450

9 1550 hitte-eiland

overig bewustheid gebruikers Wensen, Voorkeuren, Visies etc flexibiliteit budget beschikbaar warmtevraag koelvraag elektriciteitvraag [TJ] (ex vervoer) [TJ = 1012 J] EPL

5.3

Vermogen 800 kWt 3800 kWt

vraag 7700 MWht/a 2900 MWht/a >7

>7

Duurzame energievoorziening betrokken gemeentes

In deze paragraaf worden de kenmerken van het gebied en de gebouwen beschreven van alle betrokkene steden. Op basis hiervan is een eerste keuze gemaakt voor de te gebruiken energieconcepten. Ten slotte is de verhouding tussen verbruikte en geleverde energie berekend. Er is ook ingegaan op de gevolgen voor infrastructuur en gebouwen in het gebied indien het gekozen energieconcept toegepast wordt. De genoemde te nemen stappen in het toepassen van de concepten zullen in nader onderzoek in meer detail worden uitgewerkt. Voor de Kruidenwijk te Almere wordt de duurzame energievoorziening volledig beschreven. Omdat vele kenmerken van de duurzame energievoorziening in de andere drie steden op Almere lijken, is bij Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg de beschrijving ingekort en wordt er ingezoomd op de kenmerken die verschillend zijn.

70

ECN-E--10-071

10

Wat uiteindelijk in de steden gerealiseerd zal zijn, hangt af van het traject dat de komende 40 jaar gevolgd gaat worden. Dat traject is van vele externe factoren afhankelijk en zal nauwgezet moeten worden gestuurd en bewaakt, bijvoorbeeld met sturingsmodellen uit WP1 en instrumenten uit WP2.

5.3.1 Duurzame energievoorziening Almere, de Kruidenwijk Almere heeft onlangs een studie laten uitvoeren waaruit blijkt dat CO2-neutraliteit kan worden bereikt. De genoemde maatregelen hiervoor zijn niet specifiek gemaakt, maar als een longlist weergegeven. In deze studie gaan we uit van energieneutraliteit waarbij concrete energieconcepten en maatregelen zijn beschreven voor de Kruidenwijk. 5.3.1.1 Kenmerken gebied De Kruidenwijk is een laagbouw woonwijk uit eind jaren 80, in het noordwesten van AlmereStad. Ten noorden van de wijk liggen de Noorderplassen, dat zijn zandwinputten van ongeveer 20 meter diep. Dit betekent dat er relatief diepe gedeeltes in het meer zitten. De plas heeft hoofdzakelijk de bestemming voor waterhuishouding en recreatie, maar bouwwerken, geen gebouwen zijnde, ten behoeve van nutsvoorzieningen zijn ook 'toelaatbaar'. De benutting van de plas voor andere functies staat en valt met de impact op het beeld van de plas, de gebruiksmogelijkheden voor recreatie en het effect op de waterkwaliteit. De waterkwaliteit wordt nauwlettend beheerd door het waterschap Zuiderzeeland met de provincie op de achtergrond [Koomen, 2009]. De woningen hebben grotendeels platte daken, en zijn voor iets meer dan de helft zuidgeoriënteerd. Eén straat heeft aan een kant aflopende daken aan de achterzijde, gelegen op het ZWZ.

Figuur 5.2 Voorbeeld van de woningen in de Kruidenwijk [Ymere]

ECN-E--10-071

71

Figuur 5.3 Voorbeeld van de woningen in de Kruidenwijk [Ymere] In de Kruidenwijk is een warmtenet met hoge-temperatuur aanwezig dat zich ook over andere delen van de stad uitstrekt. Potentieel diepe geothermie Het is nog niet bekend of een geothermisch doublet mogelijk is, waaruit hoge temperatuur aardwarmte kan worden gewonnen. Ten behoeve van regeneratie (om uitputting op langere termijn te voorkomen) kan in dit doublet ook een tijdelijk overschot aan hoge temperatuur warmte worden opgeslagen. Uit informatie van TNO [Pagnier, et al, 2007] blijkt dat onder Almere Rotliegendes zandsteen voorkomt, al is niet bekend wat het geothermisch potentieel is. Geschikt Rotliegendes wordt gevonden ten noorden van Almere. Onder het Gooimeer bij Almere Haven begint ook een veld Trias zandsteen, maar ook hiervan is het geothermisch potentieel vooralsnog onbekend. Potentieel bodem De bodem in Almere is geschikt voor ondiepe warmte- en koudeopslag. Voor het gebruik van grondwater uit de ondiepe bodem (tot circa 200 meter) dient aan een aantal voorwaarden voldaan te worden die samenhangen met de Waterwet. Beperking treedt in de praktijk op indien er diepe mobiele bodemverontreinigingen en waterwinning aanwezig is binnen het hydraulische invloedsgebied. Er wordt hier van uitgegaan dat in de Kruidenwijk geen belemmeringen aanwezig zijn. Potentieel biomassa Biomassa en huishoudelijk afval worden uit de wijk getransporteerd en niet direct in de wijk gebruikt als energiebron. Wel wordt het biogas, na opwerking tot aardgaskwaliteit, naar de stad getransporteerd, waar het met bio-wkk installaties in stroom en warmte wordt omgezet. Potentieel zon en wind De zoninstraling bedraagt in Almere circa 1100 kWh/m2 per jaar, variërend. De gemiddelde windsnelheid in onbebouwd gebied bedraagt op 10 m hoogte 5 à 5,5 m/s. 5.3.1.2 Visie Gemeente Almere [De Almere Principles], het manifest van de gemeente Almere, pleit voor innovatie en duurzaamheid in de stedelijke ontwikkeling de Schaalsprong. De Schaalsprong staat voor 60.000 woningen erbij tot aan 2030. Er loopt een aantal nieuwbouw projecten in Almere voor energiezuinig en duurzaam bouwen. Almere Poort wordt een energieneutrale en meest duurzame wijk van Almere [Kustzone Almere Poort…, 2009]. Verder worden in Almere circa 2000 energie efficiënte woningen gebouwd in

72

ECN-E--10-071

Noorderplassen West en Columbuskwartier [Almere - project: cRRescendo, Concerto] en er is een grootschalige gebiedsontwikkeling gaande in Almere Oost. Op de duurzame renovatie in Almere wordt minder nadruk gelegd. Omdat het potentieel van energiebesparing in de bestaande bouw groot is, is hier gekozen om voor een bestaande doorsnee woonwijk een energieconcept te ontwikkelen. Een aaneenschakeling van energieneutrale woonwijken in Almere (die ook onderling energie uitwisselen) kan tot een energieneutrale stad leiden. Energieneutrale gebiedsontwikkeling voor bestaande wijken is in lijn met De Almere Principles. 5.3.1.3 Kenmerken energieconcept 2050 Almere Kruidenwijk In deze paragraaf wordt beschreven welke bronnen en energievormen beschikbaar zijn. Op basis daarvan wordt een keus gemaakt voor een energieconcept uit hoofdstuk 4. Met het model is de energieprestatie van het gebied berekend. Energiebronnen De warmte in het aanwezige hoge temperatuur warmtenet is afkomstig van fossiele brandstoffen en wordt geleidelijk gevoed door geothermische en zonnewarmte. Ten noorden van de Kruidenwijk liggen de Noorderplassen, die als warmteopslag op omgevingstemperatuur kunnen dienen. De mogelijkheid van de WKO (warmte/koude opslag) is door NUON rond 2001/2002 al onderzocht om de wijk Noorderplassen West in 10% duurzame energie te voorzien. Later is dat idee, hoogstwaarschijnlijk in verband met kosteneffectiviteit, vervangen door het eiland met de zonnecollectoren, wat nu in aanbouw is [Koomen, 2009]. De platte daken van de woningen zijn bij uitstek geschikt voor de toepassing van zonne-energie opwekkingstechnologieën. Biogas kan gewonnen worden uit huishoudelijke en wijkgebonden afval en afvalwater. De woonwijk wordt niet verenigbaar geacht met windenergie. Indien het gehele gebied rondom gemeente Almere beschouwd wordt, is windenergie mogelijk wel een optie. Energieconcept 2050 De gebiedskenmerken leiden tot de keuze voor een combinatie van concept 1 en 7 of 8. Dit wordt later nog onderbouwd met de pasfoto. Concept 1 is een hoog temperatuur warmtenet gevoed door geothermie. Indien geothermie technisch niet realiseerbaar is, komen Concept 7/8 in aanmerking die zijn gebaseerd op WKO met ORC (Organic Rankine Cycle) of warmtepomp. In hoofdstuk 4 worden de concepten uitgebreid besproken. In onderstaande tabel staat het energieconcept voor Almere weergegeven. Energieconcepten van andere steden worden weergegeven in een gezamenlijke tabel aan het eind van dit hoofdstuk.

ECN-E--10-071

73

Tabel 5.2 Energieconcept voor Almere [CHRI} ALMERE Technologie / Concept 1 met 7 Energiebron HT* restwarmte/Geothermie Warmte Kracht Warmte Koppeling Zonnewarmte

Concept 1 met 8

Organic Rankine Cycle Compressiekoelmachine Koude

Sorptiekoelmachine Warmte en Koudeopslag

Elektriciteit

PV* panelen Warmte Kracht Koppeling Organic Rankine Cycle Biogas Bron

Biomassa

Biogas input

Warmte Opslag

Koude

Elektriciteit * HT-Hoge temperatuur * PV – fotovoltaïsche zonnepanelen * TCM-Thermo-chemische materialen

Gebouw Warmte Kracht Koppeling

Gebouw Warmte Kracht Koppeling

Geothermie/ TCM*/ Geothermie/ TCM*/ Warmte en Warmte en Koudeopslag Koudeopslag Warmte en Warmte en Koudeopslag Koudeopslag Vehicle to grid Vehicle to grid

Warmte Vanwege het reeds aanwezige warmtenet wordt gekozen voor hoge temperatuuropties, zoals geothermie en winning van zonnewarmte uit vacuümbuiscollectoren. In verband met de aanwezigheid van de Noorderplassen is tevens gekozen voor warmteopslag op omgevingstemperatuur. In de plas wordt ’s zomers overtollige warmte uit zonnecollectoren opgeslagen, nadat het temperatuurverschil benut is voor productie van elektriciteit met behulp van een ORC. ’s Winters wordt de aanvullend benodigde warmte uit meerwater onttrokken, en met de ORC die dan in warmtepompmodus werkt, opgewaardeerd tot gematigde temperatuur. Het biogas kan uit rioolslib worden gewonnen. Rioolwater wordt verzameld en afgevoerd naar zuiveringsinstallaties buiten de stad. Het zuiveringsslib wordt samen met GFT afval en mest uit om de stad gelegen boerderijen vergist. Het vrijkomende biogas wordt na opwerking tot aardgaskwaliteit weer naar de stad getransporteerd. Biogas kan hoge temperatuur warmte leveren, tot een temperatuur van circa 1100°C. Bij het toekennen van de duurzame bronnen naar toepassingen is het het beste om op exergetische wijze te kijken naar de beste verdeling tussen industrie en woongebied.

74

ECN-E--10-071

De vacuümbuiscollectoren op daken zorgen niet alleen voor aanvoer van warmwater voor de ORC, maar worden ook gebruikt als bron van warmtapwater. Koude Er wordt vanuit gegaan dat alleen de utiliteitsbouw nog een serieuze koudevraag heeft. De woningen zullen in 2050 door slim ontwerp (passief-huis standaard: zonwering, overstekken, nachtventilatie en gebouwmassa) een heel lage koudevraag hebben, geschat op 1,6 GJ (zie Hoofdstuk 3.5.1). Er kan gekozen worden voor sorptiekoeling (zongedreven) of compressiekoeling (PV-gedreven). Compressiekoeling verdient de voorkeur, dit is circa twee procent zuiniger. Maar afhankelijk van toekomstige prijsontwikkelingen kan sorptiekoeling economisch aantrekkelijker zijn dan compressiekoeling. Elektriciteit Het biogas wordt na opwerking tot aardgaskwaliteit naar de stad getransporteerd, waar het met bio-wkk installaties in stroom en warmte wordt omgezet. Alle woningen worden van PVpanelen voorzien (in combinatie met zonnecollectoren voor de warmte). Energiestromen In onderstaande figuur is weergegeven hoe de energiestromen in het energieconcept lopen.

Figuur 5.4 Energiestromen in Almere [CHRI] Energieneutraliteit Met de rekentool zoals beschreven in Hoofdstuk 4 is berekend dat bij bovenstaande eigenschappen, onder de voorwaarde dat diepe geothermie mogelijk is, in 2050 een energieprestatie wordt gehaald van 165% exclusief vervoer en 96% inclusief vervoer. Dit betekent dat het gebiedsenergiesysteem 65% meer energie kan produceren dan de woningen en gebouwen voor gebouwgebonden en niet-gebouwgebonden verbruik nodig hebben. Indien ook het energieverbruik voor personenvervoer wordt meegenomen, kan het gebiedsenergiesysteem 96% van de totale referentie energievraag leveren. Overtollige warmte zal waar nodig uit de wijk worden getransporteerd naar omliggende wijken. Er zal geen overtollige elektriciteit zijn, omdat de elektriciteit die de gebouwen niet kan gebruiken nodig zal zijn voor het laden van elektrische auto’s. ECN-E--10-071

75

Indien geothermie niet mogelijk is, is men aangewezen op de zonconcepten 7 of 8. Dan bereikt de energieprestatie in 2050 gemiddeld 131%. Inclusief personenvervoer bedraagt de energieprestatie 76%. In 2020 wordt in de wijk met diepe geothermie een energieprestatie gehaald van 96% en 61% inclusief vervoer. Dit betekent dat respectievelijk 4% en 39% ergens anders vandaan moet komen. Gevolgen voor de gebiedsinfrastructuur De woningen en gebouwen zijn aangesloten op het hoge-temperatuur-warmtenet, uitgaande van een temperatuurniveau voor de verwarming voor warm tapwater, maar ook de geringe energiehoeveelheid voor ruimteverwarming die nog nodig zal zijn, kan door het warmtenet worden geleverd. Door het gebruik van duurzame warmtebronnen die op woningniveau warmtapwater op kunnen wekken, kan de temperatuur van het net in de toekomst (in elk geval voor een groot deel van het jaar) dalen. Hierdoor worden de transportverliezen beperkt en kan de benuttinggraad van duurzame bronnen hoger uitvallen. Er is een koudenet voor koeling voor de woningen en vooral utiliteitsbouw, want ondanks de goede zonwering, zomernachtventilatie en andere maatregelen is er behoefte aan koeling. Bidirectioneel warmtenet Het warmtenet is bi-directioneel uitgevoerd, wat wil zeggen dat wanneer een gebruiker warmte over heeft, met een temperatuur hoger dan die van het net, deze zijn overtollige warmte aan het net mag leveren. Dit is bijvoorbeeld warmte uit vacuümbuiscollectoren op de daken. ’s Zomers zou deze warmte anders in stagnatieverlies verloren gaan. Deze warmte wordt allereerst doorgeleverd aan andere gebruikers die warmte te kort komen. De overgebleven warmte wordt gebruikt voor elektriciteitsopwekking in de Organic Rankine Cycle. De restwarmte daarvan wordt afgevoerd naar het kanaal of via ondiepe geothermie opgeslagen. Energiehub De energiehub is het verzamel-, uitwisselings- en conversiecentrum voor alle vormen van energie (warmte, koude, gas en elektriciteit). Deze hub kan gelokaliseerd worden ter plaatse van de onderstations van de warmtedistributie in te renoveren gebieden. Om de verliezen te beperken moet de hub op een optimale locatie geplaatst worden. In de energiehubs bevinden zich faciliteiten (hardware, software) die de vraag en het aanbod van warmte- en elektriciteitgebruikers en -producenten op elkaar afstemt, zoals PowerMatcher dat voor elektriciteit kan doen en HeatMatcher (nog in ontwikkeling) voor warmte. Gevolgen voor de gebouwen De woningen en gebouwen hebben een aantal gemeenschappelijke kenmerken: 1. Renovatie heeft plaatsgevonden (en vindt plaats) op passief huis niveau (zie Bijlage B). Daarbij is rekening gehouden met de dan geldende opvattingen over het gevelbeeld. 2. Het verwarmingssysteem werkt op een lage temperatuur en per vertrek is een vraaggestuurde CO2-geregelde ventilatievoorziening of gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning aanwezig. Voor nieuwbouw is zelfs een combinatie van beide mogelijk hoewel de toename van de energiebesparing beperkt is ten opzichte van de eerste twee genoemde ventilatiesystemen. 3. In verband met legionella-veilige warmtapwaterinstallaties wordt uitgegaan van tapwater met een minimale temperatuur van 65oC, al zullen er in de toekomst wellicht mogelijkheden komen om bacterievrij warmtapwater van lagere temperatuur te maken. 4. Energiegebruik voor gebruikersgebonden apparatuur en huishoudelijke apparaten wordt als een gegeven beschouwd en verder niet meegenomen in de berekeningen. 5. Platte daken zijn zo veel als nodig benut voor zonnecollectoren en vervolgens met zonnepanelen aangevuld.

76

ECN-E--10-071

5.3.1.4 Stappen naar 2050 Renovatie Kruidenwijk Aan de hand van de geplande activiteiten in Almere wordt een stappenplan gegeven waarmee het geschetste eindbeeld behaald kan worden. In de Kruidenwijk staat groot onderhoud gepland. In 2009 is de dakbedekking vernieuwd. Verder wordt in 2010 schilderwerk uitgevoerd en worden mogelijk de gevels schoongemaakt.

Figuur 5.5 Plattegrond Almere met de locatie van Kruidenwijk. Woningen in het paars zijn van Ymere. Woningen in het groen en rood zijn van andere woningcorporaties. Woningen in het grijs zijn in particulier bezit [Ymere] Te nemen stappen Zonder een volgorde en een tijdspad te suggereren zijn de volgende stappen te definiëren: − − − − − − − − − − − −

Gebouwen op passief huis niveau renoveren Gebouwen met PV-panelen en zonnecollectoren uitrusten Nieuwbouw ook aansluiten op het bestaande warmtenet Bidirectioneel warmte- en elektriciteitsnet Vergistingsinstallatie bouwen buiten de wijk Afvoer reststromen gebouwen naar biogas installatie WKK-centrale ombouwen naar biogas/biomassa (Bio)gas tankstation bouwen ORC bouwen Elektriciteitshub aanleggen Warmtehub aanleggen Geothermie bron maken

Eerste stap

ECN-E--10-071

77

Voor een reeds bekende gebiedsontwikkeling die in de komende 10 jaar zal plaatsvinden worden de eerste stappen in de omgeving ervan verkend. De besluiten die hierbij moeten worden genomen moeten passen binnen het geschetste raamwerk van het eindbeeld van 2050. Er is aangegeven welke natuurlijke renovatiemomenten er in de bestaande bouw reeds zijn, uitgaande van het woningbezit. Stap 1: Renovatie van bestaande woningen op passief huis niveau. Indien dit niet behaald kan worden, kunnen de woningen het beste zodanig gerenoveerd worden dat in de toekomst de woning tot passief huis opgewaardeerd kan worden. Stap 2, doorlopend De invulling van de elektriciteitshub kan in feite al direct worden opgestart. Elektriciteit kan nu al uitgewisseld worden omdat de Power Matcher in principe beschikbaar is. Het effect van de Power Matcher zal groter zijn als er meer elektrische voertuigen zijn, en er meer bio-wkk (warmte kracht koppeling op biogas) rondom de stad zou kunnen worden geplaatst. Op korte termijn zullen elektrische auto’s als Plug In-type op de markt komen. Stap 3 Stap 3 is het uitrusten van de woningen met zonnecollectoren en PV. Naarmate het aantal zonnecollectoren toeneemt zal de behoefte om het warmtenet bi-directioneel uit te voeren toenemen. Stap 4 Verkennen van de mogelijkheid om een geothermisch doublet aan te boren. In het geval van een gunstig resultaat kan de overtollige warmte van de zonnecollectoren in het doublet worden opgeslagen. Stap 5 In het geval dat de diepe geothermie geen optie is kan een alternatief worden uitgevoerd. Als de levering van warmte aan het warmtenet door de zonnecollectoren zodanig groot geworden is dat doorlevering van warmte aan woningen die geen warmte over hebben geen afzet meer oplevert, is het moment aangebroken dat het systeem met een omkeerbare Organic Rankine Cycle (ORC) kan worden uitgebreid, waarmee ’s zomers elektriciteit kan worden opgewekt.

5.3.2 Duurzame energievoorziening Apeldoorn, Kanaalzone “De Kanaalzone is een parelketting, waar mooie concepten worden ontwikkeld en langzamerhand aan elkaar worden gekoppeld.” Deze visie van de gemeente Apeldoorn maakt de kanaalzone in Apeldoorn een geschikt gebied om nader onder de loep te nemen. In dit hoofdstuk worden de kenmerken van het gebied en het plan (Masterplan kanaalzone Noordoost, 2009) beschreven. Op basis hiervan is een keuze gemaakt voor het te gebruiken energieconcept en ten slotte de verhouding tussen verbruikte en geleverde energie berekend. 5.3.2.1 Kenmerken gebied De Kanaalzone wordt tot 2025 herontwikkeld. Daarna typeert dit gebied zich door een mix van bestaande bouw, nieuwbouw en kleinschalige industrie. Ook zal een deel van De Kanaalzone als een recreatiegebied dienen. Door het hele gebied loopt een kanaal. De nu aanwezige industrie wordt vervangen door kantoren en woningen. Het streven is een combinatie van wonen en werken te realiseren, met behoud van het kleinschalige karakter en de cultuurhistorische en natuurlijke waarden. Er worden 1100 woningen (130.000m2) en 28.000 m2 bedrijfsoppervlak gerealiseerd in een groene stedelijke omgeving [IF Technology, 29 juli 2008].

78

ECN-E--10-071

Het is mogelijk om de nieuwbouw nu al volgens de meest vooruitstrevende methodes te bouwen. Zo kunnen nu al de panden volgens de passiefhuis-eisen gerealiseerd worden, dit is echter niet in de bouwplannen opgenomen. De bestaande woningen met historische waarde zullen hier niet op aangepast worden en een hogere warmtevraag hebben. Het aantal is echter zeer beperkt en zal niet nader worden beschouwd. Vanwege de huidige industrie zal er een relatief zwaar elektriciteitnetwerk liggen. Potentieel geothermie Diepe geothermie is onzeker. Potentieel bodem De bodem onder Kanaalzone Noordoost heeft tweemaal zoveel capaciteit als nodig is voor een duurzame warmtevoorziening met behulp van warmtepompen. Vanwege de oude functie is bodemsanering noodzakelijk, dit is te combineren met WKO. Potentieel biomassa, zon en wind Potentieel van deze energiebronnen komt overeen met het potentieel van Almere. Het waait in Apeldoorn iets minder; de gemiddelde windsnelheid in onbebouwd gebied bedraagt op 10 m hoogte 4 à 4,5 m/s.

Figuur 5.6 Luchtfoto Kanaalzone [Bron: Masterplan Kanaalzone Noordoost; met toestemming van Marleen Bijker, gemeente Apeldoorn]

ECN-E--10-071

79

5.3.2.2 Visie gemeente Apeldoorn Volgens de zogenaamde Roadmap 2020 [Apeldoorn barst van de energie, 2009] wordt Apeldoorn in 2020 100% energieneutraal. De gemeente Apeldoorn richt zich op een all-electric concept, waarnodig met kleinschalige warmtenetten. Deze doelstelling is in 2010 aangepast [De Ligt, 2009]. De energieneutraliteit zal in stappen worden bereikt, zoals volgt: - 2020 – alle overheidsgebouwen en huishoudens - 2025 – bedrijfsgebouwen - 2035 – 100% energieneutraliteit inclusief vervoer. De roadmap schrijft voor dat kleinschalige decentraal-democratische systemen worden toegepast. De elektriciteit voorzieningen moeten dichtbij afnemers komen. Uitgangspunt hierbij is dat PV in 2015 rendabel wordt. Er is een projectplan voor 4 km2 PV op daken van nieuwbouwwoningen. Het passiefhuisconcept wordt een belangrijke rol toegedicht bij het bereiken van energieneutraliteit. Elektrisch vervoer zal op kleinschalig, decentraal niveau democratisch worden ingevoerd. Elektrische auto’s dienen in 2020 als elektriciteitsbuffer. Binnen 10-20 jaar zou elke woning een grote accu kunnen hebben en op een ‘smart grid’ aangesloten zijn. Er wordt gewerkt aan een lokaal duurzaam gemeenschappelijk energiebedrijf, later in vorm van een holding (publieke organisatie). De zeggenschap over duurzaamheid komt zo dichterbij de burger te liggen. Het gemeenschappelijk energiebedrijf verbindt in de stad versnipperde projecten, die nu niet van elkaar leren en koppelt de projecten met een hoog rendement met de onrendabele projecten. Er worden fondsen opgericht en constructies mogelijk gemaakt om investeringen over langere termijn terug te verdienen. Onzekerheid is een kostenpost, het is voordelig dit risico in de eigen organisatie op te kunnen vangen. Een grotere organisatie kan deze risico’s beter aan.

Figuur 5.7 Voorbeeld van de mix van wonen, kleinschalige industrie en recreatie in Kanaalzone Noordoost [gemeente Apeldoorn]

80

ECN-E--10-071

5.3.2.3 Kenmerken energieconcept 2050 Apeldoorn Kanaalzone Energiebronnen Diepe geothermie is onzeker en bovendien beter in te zetten ten behoeve van de warmtevraag in omliggende wijken. Daarom is gekozen diepe geothermie buiten de systeemgrenzen van het beschouwde gebied te plaatsen. Diepe geothermie wordt daarom niet verder in beschouwing genomen. KWO levert koude uit grondwater dat direct voor gebouwkoeling kan worden ingezet. Warmte kan met elektrische warmtepompen worden opgewekt (ORC in winterbedrijf). Voor het gebruik van het Apeldoorns kanaal als warmte/koude bron is het noodzakelijk dat hierin voldoende stroming is. Hoewel het water in het kanaal nauwelijks stroomt, is het op een energetisch interessante manier in beweging te krijgen. Door Rijnwater bij Dieren (7 m +NAP) in het kanaal (14 m +NAP) te pompen (hoogteverschil = 7 m), stroomt het via de sluizen naar de IJssel (1 m +NAP) in Hattum (hoogteverschil= 13 m). De benodigde energie voor het oppompen (al dan niet met behulp van windenergie) kan dus bij de sluizen teruggewonnen worden. Hierdoor kan het kanaalwater wel als warmte/koude bron worden gebruikt voor warmtepomp of koeling. Het gebied is moeilijk verenigbaar met de windenergie. Het industriegebied is een transformatiegebied en wordt de combinatie van wonen en werken. Hierin zal onder andere het geluid van windturbines hoorbaar zijn. De hindercirkel van windturbines staat bewoning in de weg. Biomassa en huishoudelijk afval wordt uit het gebied getransporteerd en niet direct in het gebied gebruikt als energiebron. Wel wordt het biogas na opwerking tot aardgaskwaliteit naar de stad getransporteerd, waar het met bio-wkk installaties in stroom en warmte wordt omgezet. Alle benodigde zonne-energie moet opgevangen worden met zonnepanelen en thermische zonnecollectoren. Schuine daken dienen zongericht te zijn, tussen zuid-oost en zuid-west. Hoogte van de omliggende bebouwing moet naar het noorden oplopen, en bij elke open ruimte lager beginnen. Daarnaast kan het asfalt van de Noord-radiaal gebruikt worden als asfaltcollector om warmte in te vangen of te lozen. Energieconcept 2050 Vanwege de ambities van de gemeente Apeldoorn en het karakter van de Kanaalzone Noord lijken de concepten 9 en 10 - all-electric - in combinatie met het concept 7 of 8 - Koude opslag met ORC of warmtepompen - het meest geschikt. In onderstaande tabel is het energieconcept samengevat. Het concept is uitgebreid beschreven in hoofdstuk 4. Warmte De energie uit de zon wordt met behulp van vacuümbuiscollectoren omgezet in de benodigde warmte voor de ORC en tevens ingezet als warm tapwater. De restwarmte van de ORC wordt afgevoerd naar het kanaal en in de winter wordt het kanaalwater gedistribueerd. Met behulp van warmtepompen (ORC in winterbedrijf) wordt bij weinig zon de warmte uit de bodem (of het kanaal) gepompt en verhoogd tot de gewenste temperatuur voor ruimteverwarming en warm tapwater. Ook de bio-WKK levert warmte aan de woningen. Zie verder de toepassing in Almere. Koude Het kanaal of de bodem wordt ingezet als koelmachine. Het koele water hoeft niet verder gekoeld te worden, dit is vrije koeling. Ter aanvulling kan voor de koeling gekozen worden voor zongedreven sorptiekoeling of compressiekoeling gedreven door PV.

ECN-E--10-071

81

Elektriciteit Alle woningen worden van zonnepanelen voorzien (in combinatie met zonnecollectoren voor de warmte). Ook de bio-WKK levert electriciteit. Zie verder de toepassing in Almere. Opslag Omdat er in de ondergrond en eventueel het kanaal veel warmteopslagcapaciteit is, wordt gekozen voor een concept met ORC’s en warmtepompen en warmte/koude opslag. Opslag van elektriciteit vindt in principe niet plaats op de energiehub maar door de accu’s van auto’s te koppelen aan een elektriciteitsnet van de woningen of andere gebouwen. Dit is mogelijk middels zogenaamd “Vehicle to Grid”(V2G) system. De elektriciteit die niet op deze manier opgeslagen kan worden, kan worden uitgewisseld met de rest van Europa, waar altijd wel ergens nuttige vraag is, en later teruggekocht, met minder dan 20% verlies. Energiestromen In onderstaande figuur is weergegeven hoe in het energieconcept de energiestromen lopen.

Figuur 5.8 Energiestromen in Apeldoorn [CHRI] Energieneutraliteit Met het model zoals beschreven in hoofdstuk 4 is berekend dat door het toepassen van een allelectric concept, in 2050 een energieprestatie wordt gehaald van gemiddeld 153% exclusief vervoer en 89% inclusief vervoer. Dit betekent dat het gebiedsenergiesysteem 53% meer energie kan produceren dan de woningen en gebouwen voor gebouwgebonden en niet-gebouwgebonden verbruik nodig hebben. Indien ook het energieverbruik voor personenvervoer wordt meegenomen, kan het gebiedsenergiesysteem 89% van de totale referentie energievraag leveren. In 2020 wordt in het gebied een energieprestatie gehaald van gemiddeld 72% exclusief vervoer en 46% inclusief vervoer. Dit betekent dat respectievelijk 28% en 44% ergens anders vandaan moet komen. Gevolgen voor de gebiedsinfrastructuur

82

ECN-E--10-071

De infrastructuur in de Kanaalzone Noord-Oost is slechts deels vergelijkbaar met Almere. Naar verwachting is er een sterk elektriciteitsnet aanwezig vanwege de industrie in het gebied, geschikt voor het toepassen van het all-electric concept. Kleinschalige warmtenetten zullen aangelegd moeten worden. Bidirectioneel warmtenet en energiehub De oplossingen lijken op oplossingen die toegepast zijn in Almere. Vanwege het gekozen allelectric concept met eventueel kleinschalige warmtenetten zal in Apeldoorn de elektriciteitshub dominerend zijn terwijl de warmte-koudehub kleinschalig zal worden toegepast. Gevolgen voor de gebouwen Gevolgen voor gebouwen in Apeldoorn zijn vergelijkbaar met Almere. In tegenstelling tot de Kruidenwijk te Almere staan in Apeldoorn ook gebouwen met schuine daken en wordt er ook de nieuwbouw gerealiseerd, terwijl alle platte daken met zonnecollectoren en PV gericht op het zuiden gevuld kunnen worden, schuine daken moeten wel een gunstige oriëntatie hebben. De nieuwbouw moet op passiefhuis niveau plaatsvinden. 5.3.2.4 Stappen naar 2050 Te nemen stappen De te nemen stappen zijn vergelijkbaar met Almere. In Apeldoorn betreft het ook nieuwbouw. De geothermie is niet in beschouwing genomen. Kanaalzone De Kanaalzone wordt tot 2025 herontwikkeld. Na de herontwikkeling bestaat dit gebied uit een mix van bestaande bouw, nieuwbouw en kleinschalige industrie. Een deel van de Kanaalzone zal als recreatiegebied dienen. Nieuwbouwwoningen worden zonnecollectoren en PV.

op

passief

huis

niveau

gebouwd

en

uitgerust

met

De gas- en elektriciteitsnetten kunnen worden gebruikt in de transitieperiode. In de loop der tijd zullen de PV panelen worden vervangen door nieuwere efficiëntere versies.

5.3.3 Duurzame energievoorziening Nijmegen, Waalsprong, Waalfront en binnenstad Nijmegen heeft een ambitie opgesteld die de gehele stad bestrijkt. Om de plannen te concretiseren wordt in dit eindbeeld ingezoomd op de Waalsprong, het Waalfront en de binnenstad. 5.3.3.1 Kenmerken gebied De Waalsprong is een laagbouw woonwijk uit het begin van de 21e eeuw van 8.500 woningen, ten noorden van de Waal tegenover de binnenstad. Het Waalfront is een voormalig industrieterrein ten westen van de binnenstad aan de zuidoever van de Waal, waar ongeveer 2.650 woningen gebouwd gaan worden. In de binnenstad zijn vele panden uit de wederopbouwperiode aan renovatie toe.

ECN-E--10-071

83

Waalsprong

Waalfront Centrum Figuur 5.9 Bouwplannen gemeente Nijmegen [Bron: Gemeente Nijmegen] Deze drie locaties zullen in 2050 als één geheel energieneutraal worden. De nieuwbouw in Waalsprong en Waalfront kan overtollige energie leveren aan de binnenstad. Vanwege de bestaande en vooral historische gebouwen en naar verhouding weinig dakoppervlakte voor energieopwekking is het onwaarschijnlijk dat de binnenstad op zich energieneutraal zou kunnen worden. Potentieel diepe geothermie Hoge temperatuur aardwarmte kan uit geothermisch doublet gewonnen worden. Maar ook kan in dit doublet een tijdelijk overschot aan hoge temperatuur warmte worden opgeslagen voor later gebruik. Uit informatie van TNO [Pagnier, et al, 2007] blijkt dat onder Nijmegen Rotliegendes zandsteen voorkomt, al is niet bekend wat het geothermisch potentieel is. Potentieel bodem De bodem onder Nijmegen is voor het grootste gedeelte geschikt voor een duurzame warmtevoorziening [IF Technology, 23 juni 2008]. Potentieel biomassa Energie kan gewonnen worden uit biomassa, afkomstig uit huishoudelijke en gebiedsgebonden afval. Potentieel zon en wind Potentieel is vergelijkbaar met de waardes voor Apeldoorn.

84

ECN-E--10-071

5.3.3.2 Visie Gemeente Nijmegen De gemeente Nijmegen heeft de ambitie om de Waalsprong in 2020 energie-neutraal te krijgen met het ‘Hybride warmtenet’. Er zijn enkele tientallen woningen aangesloten op een hoog temperatuurnet gevoed door een gasgestookt ketelhuis. Dit net is niet geschikt voor lage temperatuur warmtedistributie, wegens een te kleine diameter van de leidingen. Nijmegen overweegt een pilot op te zetten, (status is nog onduidelijk) met laag temperatuur 40-45ºC met warmtepomp voor tapwater tot 65ºC om legionella te doden. Deze warmtepomp zorgt ’s zomers voor koeling. De warmtepomp is nog niet te koop, de ontwikkeling is gaande. Binnenkort wordt een proef uitgevoerd met deze nieuwe technologie (10 – 65°C). De warmtepompen kunnen als een back-up dienen, in het geval van pieken, onderhoud en uitval. Deze oplossing kan zorgen voor een grote CO2 reductie. De eerste stap naar energie neutraal is de energievraag met 50 % te reduceren. Vervolgens wordt de rest duurzaam opgewekt. Afvalverwerking ARN (40% eigendom overheid) levert ook warmte (40 à 50°C) die niet ten koste gaat van elektriciteit. Electrabel centrale G13 sluit in 2035. 5.3.3.3 Kenmerken energieconcept 2050 Nijmegen Energiebronnen Diepe geothermie is onzeker, maar wel een mogelijkheid. Daarom is gekozen diepe geothermie binnen de systeemgrenzen van het beschouwde gebied te plaatsen. Diepe geothermie wordt daarom verder in beschouwing genomen. Warmte/koude opslag, biomassa en windenergie worden toegepast op een vergelijkbare wijze zoals in Apeldoorn. Indien het gehele gebied beschouwd wordt, is windenergie mogelijk wel een optie. Rioolwater wordt net als nu verzameld en afgevoerd naar zuiveringsinstallaties buiten de stad. De benodigde zonne-energie kan opgevangen worden met elektrische PV-panelen en thermische zonnecollectoren. Energieconcepten 2050 In onderstaande tabel is het energieconcept samengevat. Er is hier gekozen voor concept 3/4 eventueel in combinatie met concept 5/6. Concept 3/4 betreft het hubconcept: matige temperatuur restwarmtebenutting. Concept 5/6 betreft het hubconcept: hoge temperatuur centrale opslag van zonnewarmte. In hoofdstuk 4 worden de concepten uitgebreid besproken. Warmte Nijmegen heeft voor Waalsprong en Waalfront reeds gekozen voor een gematigde temperatuur warmtenet, dat verwarmd gaat worden vanuit de afvalverbrandingsinstallatie ARN. Wanneer ooit de ARN zou sluiten kan het net verwarmd worden met een grote elektrische warmtepomp op Waalwater. Tapwater wordt per woning naverwarmd met een warmtepomp. Dit energiesysteem kan eventueel worden gecombineerd met winning van zonnewarmte uit vacuümbuiscollectoren (voor tapwater). Voor winnen van energie uit biomassa zie de oplossing voor Almere. Koude Zie de koudevoorziening van Almere. Elektriciteit Alle woningen worden van PV-panelen voorzien (in combinatie met zonnecollectoren voor de warmte).

ECN-E--10-071

85

Opslag Mogelijk kan ’s zomers de restwarmte uit de ARN worden opgeslagen in een ondiep geothermisch doublet. Verder vindt opslag van warmte plaats door gebruik te maken van compacte thermochemische opslag toegepast in woningen en/of geothermisch doublet. Voor opslag van elektriciteit zie de aanpak van Apeldoorn. Energiestromen In onderstaande figuur is weergegeven hoe in het energieconcept de energiestromen lopen.

Figuur 5.10

Energiestromen in Nijmegen [CHRI]

Energieneutraliteit Toepassen van de concepten 3 of 4, eventueel 5 of 6 leidt tot de mate van energieneutraliteit van gemiddeld 163% (concepten 3 of 4) of 130% (concepten 5 of 6) exclusief vervoer. Inclusief personenvervoer is de energieprestatie gemiddeld 95% (concepten 3 of 4) of 75% (concepten 5 of 6). Dit betekent dat het gebiedsenergiesysteem respectievelijk 63% en 30% meer energie kan produceren dan de woningen en gebouwen voor gebouwgebonden en niet-gebouwgebonden verbruik nodig hebben. Indien ook het energieverbruik voor personenvervoer wordt meegenomen kan het gebiedsenergiesysteem respectievelijk 95% en 75% van de totale referentie energievraag leveren. Overtollige warmte zal waar nodig op projectbasis uit het gebied worden getransporteerd naar omliggende gebieden. In 2020 wordt in het gebied een energieprestatie gehaald van 93% (concepten 3 of 4) of gemiddeld 52% (concepten 5 of 6) exclusief vervoer. Inclusief personenvervoer is de mate van energieneutraliteit 59% (concepten 3 of 4) of 33% (concepten 5 of 6).

86

ECN-E--10-071

Gevolgen voor de gebiedinfrastructuur De woningen en gebouwen zijn aangesloten op het anno 2010 in ontwikkeling zijnde matige temperatuur warmtenet, vooral voor warm tapwater. De weinige ruimteverwarming die nog nodig kan zijn, kan door het warmtenet worden geleverd. In verband met legionella wordt de temperatuur van het tapwater verhoogd naar 65 oC met zonnecollectoren. Als de zonnecollectoren tekortschieten, worden elektrische warmtepompen gebruikt voor de naverwarming. Een koudenet voor koeling kan worden aangelegd als daar behoefte aan blijkt te zijn. Maar goede zonwering en zomernachtventilatie zullen de gebouwen ook op een aangename temperatuur kunnen houden. Bidirectioneel warmtenet De oplossingen voor het bi-directioneel warmtenet lijken op die van Almere. Voor warmteopslag kan de Waal worden gebruikt. Energiehub In energiehub komen ook de warmteleidingen aan die restwarmte uit de eventueel nog bestaande Afval Verbrandings Installatie en eventueel de elektriciteitscentrale naar de stad transporteren, verder zie Almere. Gevolgen voor de gebouwen De gevolgen voor gebouwen lijken op de situatie in Almere. Woningen zijn gebouwd of gerenoveerd volgens de nieuwste stand van techniek. Uiteindelijk worden het (bijna) allemaal passiefhuizen en –gebouwen. Ook de panden van de wederopbouw in de binnenstad, die geen monumenten zijn, kunnen met deze technologie worden gerenoveerd (zie bijlage B). De platte en schuine daken worden zo veel als nodig benut voor zonnecollectoren. Resterend dakvlak met gunstige oriëntatie wordt zo veel mogelijk met PV (zonnecellen die elektriciteit produceren) aangevuld. 5.3.3.4 Stappen naar 2050 Te nemen stappen De te nemen stappen lijken op de aanpak voor Almere en Apeldoorn. Nieuwbouw en renovatie van Waalsprong, Waalfront en de binnenstad van Nijmegen De Waalsprong is een laagbouw woonwijk uit het begin van de 21e eeuw van 8.500 woningen, ten noorden van de Waal tegenover de Binnenstad. Het Waalfront is een voormalig industrieterrein ten westen van de Binnenstad aan de zuidoever van de Waal, waar ongeveer 2.650 woningen gebouwd gaan worden. In de binnenstad zijn vele panden uit de wederopbouwperiode aan renovatie toe.

5.3.4 Duurzame energievoorziening Tilburg, nieuwbouw & renovatie Tilburg Noord 5.3.4.1 Kenmerken gebied Op dit moment is in het grootste gedeelte van de stad stadsverwarming aanwezig (hoog temperatuur warmtenet), dat door de Amer elektriciteitscentrale (kolengestookt) van warmte wordt voorzien. Omdat de warmtelevering een derving van het elektriciteitsopwekkingsrendement tot gevolg heeft kunnen we op dit moment niet spreken van rest-, afval- of duurzame warmte. Tilburg-Noord wordt tot 2020 herontwikkeld. Er staat groot onderhoud gepland aan circa 1.100 woningen (bouwjaar 1965-1970). Tevens wordt aan de noordkant van de stad een nieuwbouwwijk gerealiseerd met 700 à 800 woningen.

ECN-E--10-071

87

Het is nu al mogelijk de panden volgens de passiefhuis-eisen te realiseren, dit is echter niet in de bouwplannen opgenomen. Potentieel geothermie Geothermische potentieel is vergelijkbaar met dat van Apeldoorn. Uit informatie van TNO [Pagnier, et al, 2007] blijkt dat onder Tilburg mogelijk een geschikte bodemlaag (Vroeg-Trias zandsteen uit de Onder-Germaanse Trias Groep) voorkomt, al is niet bekend wat het geothermisch potentieel is. Potentieel bodem De bodem onder Tilburg is geschikt voor warmte- en koudeopslag. Potentieel biomassa De energie kan worden gewonnen uit alle soorten afval. Zie ook de aanpak voor Almere. Potentieel wind en zon Potentieel is vergelijkbaar met het potentieel van Apeldoorn. 5.3.4.2 Visie Gemeente Tilburg Tilburg wil in 2030 voor 50% CO2-neutraal zijn en in 2045 voor 100% CO2-neutraal. De gemeente Tilburg zet onder meer in op grootschalige KoudeWarmteOpslag (KWO)toepassing. De gemeente heeft een KWO-potentiekaart laten opstellen [Potentie kaart KWOgemeente Tilburg] om te beslissen of KWO haalbaar is bij bovengrondse ontwikkelingen. Stadsverwarming op hoge temperatuur is een belangrijke voorziening in Tilburg en is zeker nog niet CO2-neutraal. De gemeente Tilburg is van plan om de stadsverwarming te verduurzamen en uiteindelijk afspraken te maken met Essent Warmte, de eigenaar van het net. 5.3.4.3 Kenmerken energieconcept 2050 Tilburg Noord Energiebronnen Uit de KWO potentiekaart van de gemeente Tilburg blijkt dat gedeelten van de stad wel geschikt zijn, en gedeelten niet. Dit heeft met zowel bestuurlijke aspecten (bv. beschermd gebied) als met technische aspecten (stroomsnelheid) te maken. Diepe geothermie is onzeker, maar wel een mogelijkheid. Daarom is gekozen diepe geothermie binnen de systeemgrenzen van het beschouwde gebied te plaatsen en verder in beschouwing te nemen. Voor de windenergie, biomassa en zonne-energie zie de beschrijving van Apeldoorn. Daarnaast kan asfalt gebruikt worden als asfalt collector om warmte in te vangen of te lozen. Energieconcepten 2050 Er vindt in het gebied mogelijk een overgang plaats van concept 1/2 naar concept 5/6 (indien de Amercentrale sluit). Concept 1/2 is een hubconcept: hoog temperatuur restwarmte benutting of geothermie. Concept 5/6 is een hubconcept: hoog temperatuur centrale opslag van zonnewarmte. De concepten zijn uitgebreid beschreven in hoofdstuk 4. Warmte De warmte komt van de met biomassa gestookte Amercentrale en/of van een geothermisch doublet. Overgebleven biogas kan met bio-wkk (warmte kracht koppeling op biogas) installaties in stroom en warmte worden omgezet. Indien de Amercentrale ooit zou sluiten, kan het warmtenet van warmte voorzien worden met warmte vanuit zonnecollectoren en bio-wkk installaties, eventueel in combinatie met

88

ECN-E--10-071

geothermische bronnen. Het vrijkomende biogas wordt na opwerking tot aardgaskwaliteit weer naar de Amercentrale en de stad getransporteerd. De energie uit de zon wordt met behulp van vacuümbuiscollectoren omgezet in de benodigde warmte. Koude Zie Almere. Elektriciteit Zie Almere. Opslag Opslag van warmte vindt plaats door gebruik te maken van compacte thermochemische opslag en/of geothermie toegepast in woningen. Opslag van elektriciteit is te vergelijken met de oplossing voor Apeldoorn. Warmte/Koude Opslag levert koude uit grondwater dat direct voor gebouwkoeling kan worden ingezet. Warmte kan met elektrische warmtepompen worden opgewekt. Energiestromen In onderstaande figuur is weergegeven hoe in het energieconcept de energiestromen in Tilburg lopen.

Figuur 5.11

Energiestromen in Tilburg [CHRI]

Energieneutraliteit Met het model zoals beschreven in hoofdstuk 4 is berekend dat bij het toepassen van concepten 1 of 2 in 2050 een mate van energieneutraliteit wordt gehaald van gemiddeld 163% exclusief personenvervoer en 95% inclusief vervoer, indien het warmtenet gevoed wordt vanuit biomassa

ECN-E--10-071

89

of geothermie. Indien het warmtenet door zonnecollectoren van warmte wordt voorzien, wordt in 2050 een energieprestatie gehaald van gemiddeld 130% exclusief vervoer en 75% inclusief vervoer. Dit betekent dat het gebiedsenergiesysteem 63% meer energie kan produceren dan de woningen en gebouwen voor gebouwgebonden en niet-gebouwgebonden verbruik nodig hebben. Indien ook het energieverbruik voor vervoer wordt meegenomen kan het gebiedsenergiesysteem 95% van de totale energievraag leveren. Overtollige warmte zal waar nodig op projectbasis uit het gebied worden getransporteerd naar omliggende gebieden. In 2020 kan een mate van energieneutraliteit worden gehaald van gemiddeld 94% exclusief vervoer en 60% inclusief vervoer, indien het warmtenet gevoed wordt vanuit biomassa of geothermie. Indien het warmtenet door zonnecollectoren van warmte wordt voorzien, wordt in 2020 een energieprestatie gehaald van 52% exclusief vervoer en 33% inclusief vervoer. Gevolgen voor de gebiedsinfrastructuur De infrastructuur in Tilburg Noord is vergelijkbaar met Almere. Bidirectioneel warmtenet en energiehub Zie Almere. Gevolgen voor de gebouwen Zie Almere en Apeldoorn. De nieuwbouwwoningen (van 2010 tot 2050) zijn ook op passief huis niveau. Platte daken en schuine daken met een gunstige oriëntatie zijn zo veel als nodig benut voor zonnecollectoren. Resterend dakvlak met gunstige oriëntatie zijn zo veel mogelijk met PV (zonnecellen die elektriciteit produceren) aangevuld. 5.3.4.4 Stappen naar 2050 Gebiedsontwikkeling Tilburg-Noord In Tilburg Noord staat groot onderhoud gepland aan circa 1.100 woningen (bouwjaar 19651970). Tevens wordt aan de noordkant van de stad een nieuwbouwwijk gerealiseerd met 700 a 800 woningen. Vuilstort cq. gaswinning 746

Nieuwbouwwijk

Complex 729 2010-2015: 220 grondgebonden woningen

743 734 729 744

Stokhasselt 748

Nieuwbouw 2010-2020: 700/800 grondgebonden woningen

733

Vlashof

Overige complexen 2010-2015: ca1000 gestapelde bouw Quirijnstok 756

Figuur 5.12

90

Planning gebiedsontwikkeling Tilburg-Noord 2010-2020 [bron: WonenBreburg]

ECN-E--10-071

Te nemen stappen voor Tilburg Noord De stappen zijn vergelijkbaar met de stappen voor Apeldoorn en Almere. In Tilburg moet een WKK-centrale worden gebouwd. Bestaande bouw zal volgens de regels van passiefhuis bouwen worden gerenoveerd. De nieuwbouwwijk (RugDijk) moet energieleverend zijn in 2050. De wijk zal daarbij worden aangesloten op het HT-net. Het overschot aan energie kan worden afgezet in de bestaande bouw. Hierdoor kunnen kosten in de bestaande bouw worden bespaard doordat deze niet geheel energieneutraal hoeft te zijn vanuit de compensatie van de nieuwbouwwijk. Tevens zijn natuurlijke renovatiemomenten in de bestaande bouw aangegeven die geschikt zijn voor het toepassen van maatregelen; uitgaande van het woningbezit van Wonen BreBurg. In de figuur is aangegeven welke renovatie wordt uitgevoerd door WonenBreburg. Indien passief huis niveau niet behaald kan worden, dienen de woningen zodanig gerenoveerd te worden dat in de toekomst de woning tot passief huis opgewaardeerd kan worden. In de toekomst is er de behoefte om het warmtenet bi-directioneel uit te voeren. De warmtehub wordt dan geplaatst tussen de warmteleverende nieuwbouwwijk en de warmtevragende bestaande bouw.

5.4

Samenvatting en conclusies

Bij de keuze van een concept wordt gebruik gemaakt van de pasfoto als richtinggevend hulpmiddel. De pasfoto geeft aan de hand van de gebiedskenmerken een eerste indicatie welke energieconcepten het meest kansrijk zullen zijn. De lijst hieronder laat het overzicht van de energieconcepten zien: Overzicht concepten: ƒ Concepten 1 en 2 – Hoge temperatuur restwarmte benutting en/of geothermie (geohubs) ƒ Concepten 3 en 4 - Matige temperatuur restwarmte benutting en/of biomassa (biohubs) ƒ Concepten 5 en 6 - Hoge temperatuur opslag van zonnewarmte (zonhubs) ƒ Concepten 7 en 8 – Lage temperatuur opslag van zonnewarmte met ORC/WP (zonhubs) ƒ Concepten 9 en 10 – Individuele WPs, PV (en zonnecollectoren) – (all-electric) ƒ Concepten 11, 12 en 13 – Individuele gasketels en zonnecollectoren met PV (conventionele concepten) ƒ Concept 14 – Waterstof met individuele brandstofcellen, WPs en PV (waterstof concept) Tabel 5.3 hieronder geeft het overzicht weer van de geselecteerde concepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg.

ECN-E--10-071

91

Tabel 5.3

Overzicht van de geselecteerde concepten voor de vier steden [ECN, CHRI] Apeldoorn Almere

Nijmegen

Tilburg

Technologie / Energiebron Energieprestatie (zonder vervoer)

Concept Concept 1 met 7 1 met 8 165%

Concept Concept 9 10 153%

Concept 3/4 163%

Concept 3/4 met 5/6 130%

Concept 1/2 163%

Concept 1/2 met 5/6 130%

Energieprestatie (met vervoer)

96%

89%

95%

75%

95% z

75%

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

Warmte

Koude

Elektriciteit

Biomassa

HT* restwarmte Matige temperatuur restwarmte Geothermie Warmte Kracht Koppeling Zonnewarmte Organic Rankine Cycle Compressiekoelmachine Sorptiekoelmachine Warmte en Koudeopslag PV* panelen Warmte Kracht Koppeling Organic Rankine Cycle Biogas Bron Biogas input Warmte

Opslag

Koude

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z z

z z

z

z

z

z

z

z

z

z (3)

z(5)

z (1)

z(5)

z (4)

z(6)

z(2)

z(6)

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z Gebouw Matige temperatuur restwarmte / WKK

WKK* Geothermie/ TCM*/ WKO* WKO

z

TCM/WKO

Geothermie/ TCM*/ Warmte en Koudeopslag

HT WKK restwarmte/ WKK Geothermie/ TCM*/

WKO

Elektriciteit Vehicle to grid *HT-hoge temperatuur; * PV – fotovoltaïsche zonnepanelen; * TCM-thermo-chemische materialen; *WKK – warmte-kracht koppeling; * WKO – warmtekoude opslag 92

ECN-E--10-071

De tabel laat zien dat de energieconcepten op een optimale wijze zo veel mogelijk alle beschikbare energiebronnen binnen het gebied benutten. Het concept voor Apeldoorn is een all-electric concept, met eventueel kleinschalige warmtenetten. De concepten voor Almere, Apeldoorn en Tilburg zijn hubconcepten. Warmtenetten worden gevoed door de restwarmte (later, nadat een AVI sluit, vervangen door zonnewarmte), geothermische warmte, warmte uit WKK op biogas of zonne-warmte. In de meeste hubconcepten zijn de zonnecollectoren toegepast die warmte aan het net leveren. Ook in het geval van de geothermische warmtelevering wordt na het uitputten van de bron (na circa 30 jaar) de levering door de zonnecollectoren overgenomen en ontstaat op deze wijze een zonhub. Een andere mogelijkheid is het aanboren van een nieuwe bron in de omgeving. Energieneutraliteit die bereikt wordt door het toepassen van het gekozen energieconcept is richtinggevend omdat het gebaseerd is op een referentie. In de vermelde energieprestaties is de combinatie van de energieconcepten in een gebied niet meegenomen. De vermelde energieprestatie heeft betrekking op het concept dat dominant is. De aanbeveling is om de energieprestaties van de gegeven concepten te berekenen voor de werkelijke gebiedskenmerken van de betrokken steden en voor de werkelijke combinaties van de energieconcepten.

ECN-E--10-071

93

6.

Conclusies en vervolgstappen

6.1

Conclusies

Uit het uitgevoerde onderzoek kunnen de volgende voorlopige conclusies worden getrokken:

94

‐

Energieneutraliteit van de gebouwde omgeving kan op termijn slechts bereikt worden door een verregaande verlaging van de energievraag, vooral de vraag voor ruimteverwarming en warmtapwater, met maar liefst 70% ten opzichte van de gemiddelde warmtevraag van nu. Zongerichte nieuwbouw en renovatie volgens passiefhuisstandaard en ontwikkeling van warmteterugwinning uit afvalwater zijn hiervoor essentieel.

‐

Energieneutraliteit van de gebouwde omgeving in 2050 is mogelijk met alle onderzochte energieconcepten. De geo- en biohubconcepten en het all-electric concept leiden tot de hoogste mate van energieneutraliteit, gevolgd door de zonhubs. Conventionele concepten met zonnepanelen en het waterstofconcept kunnen energieneutraliteit net bereiken. Belangrijk gevolg van het feit dat alle concepten energieneutraliteit bereiken, is dat transitie vanuit bestaande energie-infrastructuren mogelijk is. Gedane investeringen worden daarmee niet vernietigd.

‐

Energieneutraliteit voor gebouwde omgeving inclusief persoonlijk vervoer is binnen het gebied niet haalbaar onder gedane aannames. Het energieverbruik voor vervoer blijft daar ook in 2050 te hoog voor.

‐

In werkelijkheid heeft geen van de concepten een netto overschot aan elektriciteit. Elektriciteit die niet in de gebouwen wordt gebruikt, wordt voor de elektrische auto’s ingezet. Zoals hierboven al gezegd, indien het persoonlijke vervoer wordt meegenomen, kan door geen van de concepten energieneutraliteit behaald worden. Dit houdt in dat de elektriciteit niet netto geëxporteerd kan worden. Netto export van warmte (lage temperatuur) naar omliggende wijken is daarentegen wel mogelijk, rekening houdend met verliezen. Overschot aan hoge-temperatuur warmte kan via ORC in elektriciteit worden omgezet en dus binnen het gebied benut worden.

‐

De energieconcepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg benutten op een optimale wijze alle beschikbare energiebronnen binnen het gebied.

‐

Het concept voor Apeldoorn is een all-electric concept, met eventueel kleinschalige warmtenetten.

‐

De concepten voor Almere, Apeldoorn en Tilburg zijn hubconcepten. Warmtenetten worden gevoed door de restwarmte (later, nadat een AVI sluit, vervangen door zonnewarmte), geothermische warmte, warmte uit WKK op biogas of zonnewarmte. In de meeste hubconcepten zijn de zonnecollectoren toegepast die warmte aan het net leveren. Ook in het geval van de geothermische warmtelevering wordt na het uitputten van de bron (na circa 30 jaar) de levering door de zonnecollectoren overgenomen en ontstaat op deze wijze een zonhub. Een andere mogelijkheid is het aanboren van een nieuwe bron in de omgeving.

‐

Energieneutraliteit die bereikt wor-dt door het toepassen van het gekozen energieconcept is richtinggevend. In de vermelde energieprestaties is de combinatie van de energieconcepten in een gebied niet meegenomen. De vermelde energieprestatie heeft betrekking op het concept dat dominant is.

ECN-E--10-071

6.2

Vervolgstappen

Binnen de studie, uigevoerd met subsidie van het ministerie van Economische Zaken; regeling Energie Onderzoek Subsidie: lange termijn, wordt nog aanvullend onderzoek gedaan naar verschillende aspecten van de energieconcepten. Het Excel rekentool geeft de mate van energieneutraliteit aan in 2020, 2035 en 2050. Voor 2050 en in sommige gevallen ook voor 2035 worden waarden van meer dan 100 procent gevonden. Het is interessant om te zien welke energieconcepten of een combinatie van energieconcepten meest optimaal zijn om in een bepaald jaar een bepaalde mate van energieneutraliteit te kunnen halen, bijvoorbeeld: 20 procent energieneutraliteit in 2020, 50 procent in 2030 en 100 procent in 2040. Een dergelijke beschouwing geeft een verschil tussen haalbare en gewenste mate van energieneutraliteit en daarmee vrijheid van keuze, bijvoorbeeld voor financieel-economische optimalisatie van de te kiezen maatregelen. Het concept energiehub lijkt veelbelovend en daarom is het interessant om verschillende types van energiehubs technisch en socio-economisch nader uit te werken. Naast de reductie in energie en CO2 kan verdere verdieping van de keuze tussen concepten mogelijk gehaald worden uit een exergetische beschouwing, dat wil zeggen een slimme benutting van de temperaturenniveaus van de warmtestromen. De aanbeveling is om de energieprestaties van de concrete (combinaties van) concepten voor Almere, Apeldoorn, Nijmegen en Tilburg te berekenen voor de werkelijke gebiedskenmerken van de betrokken steden. De energievisies van de gemeentes zullen hierbij een belangrijke rol spelen.

ECN-E--10-071

95

Referenties ABB (2005); NorNed – a sustainability showcase for Europe (http://www.abb.ca/cawp/seitp202/96936AA69FE1B456C1256FF20043EC79.aspx) ABB (2009); New Zealand HVDC – the interisland link (http://www.abb.com/cawp/gad02181/c1256d71001e0037c125683400270fa 6.aspx) Almere (project: cRRescendo, Concerto); http://www.naarenergieneutraal.nl/project/32/Almere%28project-cRRescendo-Concerto%29.html. Anon (2007); Den Haag Zuid-West gebruikt aardwarmte. Apeldoorn barst van de energie (2009); Klimaatprogramma 2009-2013 (Roadmap 2020). Biermans, P. (2009): persoonlijke mededelingen; dienst Beleidsontwikkeling; Afdeling Milieu, Team Beleid en Omgeving; gemeente Tilburg. Bijker, M. (2009): persoonlijke mededelingen, programma manager Kanaalzone, gemeente Apeldoorn. Boer, R. de (2008); Duurzame koeling stap dichterbij, ECN, Petten, www.ecn.nl. BuildDesk Nederland (2007); CO2-neutrale steden, rapport-07Hm70003. Claessen, F. (2009): persoonlijke mededelingen; senior adviseur Duurzame Ontwikkeling; gemeente Nijmegen. Czisch, G. (2006) Viable scenarios for a Future Electricity Supply based 100% on Renewable Energies, ISET, Kassel University, Kassel, www.iset.uni-kassel.de. De Almere Principles; Gemeente Almere. De Boer & van Teylingen (Den Haag) (2002) Warm water van de zon : bouwstenen voor voorlichtingsmateriaal over zonneboilers, Novem, Sittard ; Utrecht, 10 October 2003. De Bosatlas van ondergronds Nederland (2009), [Bron plaatje: TNO/IF Technology] DGMR Bouw BV (2007) Voorbeeldwoningen bestaande bouw 2007, AgentschapNL (SenterNovem), Sittard. Dohmen, A.; Mullenders F. (2006) Auto's rijden gemiddeld 42 kilometer per dag, Centraal Bureau voor de Statistiek, Voorburg/Heerlen; CBS Webmagazine, www.cbs.nl. DWA (2006); Viable scenarios for a Future Electricity Supply based 100% on Renewable Energies, ISET, Kassel University, Kassel, www.iset.uni-kassel.de. DWA-notitie (2006); Gelijkwaardigheidsberekening warmtenet Delft, bepalingsmethode.

96

ECN-E--10-071

ECN (2010); Solland Solar kondigt consortium aan voor ontwikkeling van de 'emitter wrap through' zonnecel, ECN, Petten, www.ecn.nl. ECF; Imperial College London; KEMA; McKinsey&Company; Oxford Economics & Office of Metropolitan Architecture (2010) Roadmap 2050: A practical guide to a prosperous, low-carbon Europe, European Climate Foundation, Brussel/Den Haag, www.roadmap2050.eu;http://www.europeanclimate.org/index.php?option=com_con tent&task=view&id=72&Itemid=79. Eetgerink, H. (2009); persoonlijke mededelingen; projectleider energie en klimaat; gemeente Nijmegen. Energetix (2007) Domestic combined heat and power in a wall hung boiler, Energetix Group plc, Chester UK, www.energetixgroup.com. Energetix (2009) Combivolt Boiler Product Agreement with Daalderop BV, Energetix Group plc, Chester UK, www.energetixgroup.com; www.daalderop.nl. Es, T. van (2009): persoonlijke mededelingen, adviseur Duurzaamheid; gemeente Apeldoorn. Heekeren, V. van (2007); Smart Energy Mix, Stichting Platform Geothermie, Den Haag, www.geothermie.nl. IF technology (23 juni 2008): Kansenkaart energieopslag MARN-regio, IF technology (29 juli 2008): Kansen voor bodemenergie en sanering Kanaal zone Apeldoorn. Koene, F. G. H.; Knoll B. (2008) Renovation concepts for saving 75% on total domestic energy consumption, Eurosun Conference, Lisboa (P). Koene, F.G.H.; Clocquet, R.M. (DHV); Oel, C.J. van (TUD); Haas, G.J. de (TUD); Donkervoort, D.R. (TNO), Klerks, S.A.W. (TNO) (2010); Rigoureus Renovatieconcepten voor 75% energiebesparing - Renoveren is vooruitzien, ECN, TU-Delft, TNO; www.ecn.nl; http://www.rigoureus.net/rapporten/ Koomen, S. (2009); persoonlijke mededelingen; adviseur Markt & Vastgoed, woningcorporatie Ymere, Almere. Krewitt, W.; Klann U.; Kronshage S. & Teske S. (2005) Energy Revolution, Greenpeace, DLR, A sustainable pathway to a clean energy future for Europe, Greenpeace International. Kristinsson, ir. J. (2002) Integraal Ontwerpen, Kristinsson-Reitsema BV, Deventer, ISSN/ISBN90-75365-58-6 , www.kristinsson.nl. Kustzone Almere Poort wordt energieneutrale wijk (2009) .(http://www.idealize.nl/2009/03/kustzone-almere-poort-wordt-energieneutralewijk/). Langenbach, J. (2008) Wind Energy Statistics NL, Windservice Holland (WSH), Wâldsein, http://home.wxs.nl/~windsh/. Lenzmann, F. (2009); Persoonlijke mededelingen, ECN Solar Energy, Petten, www.ecn.nl.

ECN-E--10-071

97

Ligt, S. (2010) Roadmap to Energy Neutrality (presentation); I love Energy Neutral conferentie, Apeldoorn 2010. Lokhorst, A.; Wong, Th.E. (2007); Geothermal energy, geology of the Netherlands, Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, pages 341-346. Marchie van Voorthuysen, E. H. d. (2006) Zon is de toekomst, Stichting GEZEN, Website van de stichting ter bevordering van Grootschalige Exploitatie van Zonne-ENergie, Stichting GEZEN, Groningen NL, www.gezen.nl. Masterplan Kanaalzone Noordoost; concept 07 januari 2009. Nederland krijgt nieuwe energie – voor welvaart en welzijn in de 21ste eeuw; www.nederlandkrijgtnieuweenergie.nl Nederland krijgt nieuwe energie (2009); Een partijoverstijgend voorstel voor Deltaplan Nieuwe Energie; http://www.nederlandkrijgtnieuweenergie.nl/main.asp Nederlandse Gasunie (1988); Physical properties of natural gases, Groningen: Nederlandse Gasunie, 1988. Opstelten, I. J. (2006) Presentatie Building Future voor RGD, Building Future (ECN/TNO), Petten, the Netherlands, www.ecn.nl. Opstelten, I.J., et al. (2007); Potentials for energy efficiency and renewable energy sources in the Netherlands, ECN, Petten, The Netherlands. Opstelten, I.J. (2010); Energy in the Built Environment at ECN, ECN, Petten, www.ecn.nl. Pagnier, H.J.M.; et al. (2007); Renewed interest in geothermal energy, TNO B&O, www.tno.nl. PEGO (2009); “Stevige ambities, klare taal”(2009); Platform Energietransitie gebouwde omgeving (PEGO); Utrecht. Persson, M. (2010) Duurzaam betekent investeren in kabels, Groene, decentraal opgewekte elektriciteit moet makkelijk door Europa verspreid kunnen worden, Volkskrant, Amsterdam, www.volkskrant.nl. Planbureau voor Leefomgeving (2010): Referentieraming energie en emissies 2010-2020. Platform Geothermie (2007); Informatie van de stichting Platform Geothermie, Stichting Platform Geothermie, Den Haag, www.geothermie.nl. Platform Geothermie (2008); Nieuwsbrief Geothermie, Platform Geothermie, Den Haag; Nieuwsbrief Geothermie, 18, www.geothermie.nl. Potentie kaart KWO-gemeente Tilburg (http://www.tilburg.nl/bpmappupload/download/fstore/9107105412011d1c 86 c347 12065178696 -552a/kwopotentiekaart-gemeente-tilburg.pdf). Projectgroep DEPW (2008); Duurzame Gebiedsontwikkeling Almere Oost. Ree, R. v. (2002) Implementation of Biomass in the Dutch (energy)infrastructure, Development and Implementation of (Advanced) Biomass Conversion Systems for the Production of a Variety of Secondary Energy Carriers, Chemicals and Products in the

98

ECN-E--10-071

Netherlands, ECN, Petten, ECN-RX--02-029. Roos, J.; Braber, K.; Willems, E.; Pfeiffer, E.; Kaandorp, A. (2009); Hybride LT-warmtenet; Waalsprong Nijmegen; rapportnummer: 80313, BuildDesk Benelux B.V. Smoor, P.; Willems, E. (2010); UKP-NESK Energieneutrale kantoorgebouwen, CaubergHuygen Raadgevende Ingenieurs BV Tennet (2008): Langste onderzeese hoogspanningskabel ter wereld geopend (http://www.tennet.org/tennet/nieuws/langste_onderzeese_hoogspanningskabel_ter_ wereld_geopend.aspx). Tri-O-gen (2007) Power from Heat, Tri-O-gen, Goor, the Netherlands, www.triogen.nl. Uil, H. d.; Reith, J.H. (2009) Persoonlijke mededelingen, ECN, Petten, www.ecn.nl. Visser, H.; Koene, F.G.H.; Paauw, J.; Opstelten, I.J.; Ruijg, G.J.; Smidt, R.P. de (2011); Sustainable energy concepts for residential buildings, Packages of current and future techniques for an energy neutral built environment in 2050, ECN, Petten/ECN-E--09-021. (“Potentieelstudie 2050”) Willems, E. (2010); Energieneutrale kantoren? Kijk eens om je heen! TVVL Magazine augustus 2010. www.knmi.nl. www.ruimteXmilieu.nl (2010).

ECN-E--10-071

99

Lijst met afkortingen WP3 rapportage

100

-

AVI Bio-WKK BVO CBS CHRI CHS CO2 COP CTES CWO DE productie ECN EOS-LT: EPC Eprod H2 HDO HR-ketel HT-net KWO

-

LT-net LTV NAP ORC PCM PE PV Ref T TCM TNO

-

V2G VBWW W-hub WKK WKO W-net WP WP1/ WP2 WTW WW

Afvalverbrandingsinstallaties Warmte Kracht Koppeling op biomassa Bruto Vloeroppervlakte Centraal Bureau voor de Statistiek Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs BV Compacte warmteopslag in gebouwen Koolstofdioxide Coëfficiënt of performance Compact Thermal Energy Storage Compacte Warmteopslag Productie duurzame energie Energy research Centre of the Netherlands Regeling Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn Energieprestatiecoëfficïent Elektriciteit productie Waterstof Huishoudens, Diensten en Overige (sectoren) Hoogrendementsketel gastec typekeuring HR107 Hoge-temperatuur warmtenet seizoensgebonden Koude Warmte opslag in aquifers (ook wel WKO genoemd) Lage-temperatuur warmtenet Lage temperatuur verwarming Normaal Amsterdams Peil Organic Rankine Cycle Phase change materials Primaire energie Fotovoltaïsche zonnecellen (PV cellen) Referentie Temperatuur Thermochemische materialen Nederlandse organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek Vehicle to Grid Verticale bodem warmtewisselaars Warmte hub Warmte Kracht Koppeling Warmte Koude Opslag Warmte net Warmtepomp Werkpakket 1/ Werkpakket 2 Warmteterugwinning Warmte wisselaar

ECN-E--10-071

Eenheden: - °C - GJ - GJelek - GJprim - GWh - h/j - K - kWe - kWh/m2 - kWhe - MW - PJ - W

ECN-E--10-071

Graden Celsius Gigajoule Gigajoule elektriciteit Gigajoule primaire energie GigaWattuur (1000 kWh) Uur per jaar Kelvin Kilowatt elektrisch Kilowatturen per vierkante meter vloeroppervlak Kilowatturen elektrisch Megawatt Petajoule (1.000.000.000.000.000 J) Watt

101

Begrippenlijst All-electric

Aquifer AVI Balansventilatie

Bi-directionele warmtenetten

Biomassa Biogas Bodemwarmtewisselaar

Brandstofcel

Compacte warmteopslag Compressiekoeling

CSP

102

Concepten waarbij niet meer van gas of warmte gebruik wordt gemaakt om in de temperatuurbehoefte van de bewoners/gebruikers te voorzien. Praktisch betekent dit dat elektriciteit de enige energiedrager is die nog wordt gebruikt, en dat warmte zowel als koude met elektrische machines (warmtepompen) wordt opgewekt. Watervoerende poreuze laag in de bodem Afvalverbrandingsinstallatie. Grootschalige installatie waarin afval wordt verbrand, en die is uitgerust met goede rookgasreiniging. Ventilatiesysteem met ventilatoren voor zowel toevoer als afvoer van ventilatielucht, waarbij gestreefd wordt naar gelijke volumestromen, zodat het gebouw geen over- of onderdruk heeft. Wordt vaak toegepast in combinatie met warmteterugwinning Warmtenetten waaruit afnemers warmte geleverd kunnen krijgen, maar die het ook mogelijk maken dat afnemers die bijvoorbeeld zonnecollectoren hebben hun tijdelijke overschotten aan kunnen terugleveren. Dit is analoog aan het elektriciteitsnet waar bezitters van PV panelen stroom aan kunnen terugleveren. Alle mogelijke brandstoffen van biologische oorsprong. Mengsel van methaan en kooldioxide, gemaakt door vergisting of vergassing van biomassa. Kan door verlaging van het kooldioxidegehalte worden opgewerkt tot aardgasvervanger. Gesloten systeem waarmee warmte aan de bodem kan worden onttrokken of toegevoegd. Kan horizontaal op ca. 1 m diepte worden ingegraven in een tuin, maar ook verticaal tot zo’n 100 m diepte in de bodem worden gestoken. De wisselaar kan worden gebruikt als warmtebron voor een warmtepomp, en worden geregenereerd door ’s zomers met behulp van dit systeem het gebouw te koelen. Door dit laatste neemt de bodemtemperatuur weer toe, wat bevorderlijk is voor het rendement van de warmtepomp. Zodoende is deze vorm van koeling “gratis”. Voor grotere systemen wordt dit WKO genoemd. Elektrochemisch apparaat waarmee bepaalde brandstoffen direct zonder tussenkomst van verbranding en mechanische componenten in elektriciteit kunnen worden omgezet, het best te vergelijken met een accu. Afhankelijk van het type kan de brandstof waterstof of koolmonoxide zijn. Dit laatste kan via een proces dat reforming wordt genoemd uit iedere koolstofhoudende gasvormige, vloeibare of vaste brandstof worden gemaakt. Warmteopslag met een opslagcapaciteit per liter die de capaciteit van water (ruim) overtreft. Onderzoek naar CWO richt zich vooral op ThermoChemische Materialen (TCM’s) en Faseovergangsmaterialen (Phase Change Materials, PCM’s) Koeling doormiddel van elektrisch aangedreven compressiekoelmachines, die gebruik maken van een thermodynamisch kringproces van verdampen en condenseren voor het opwekken van de koude. Concentrating Solar Power, techniek waarbij met behulp van spiegels of lenzen zonlicht geconcentreerd wordt om zo een hoge temperatuur te verkrijgen, zodat elektriciteit kan worden opgewekt met een hoger rendement dan zonder zonlichtconcentratie mogelijk is. Deze techniek is vooral geschikt voor woestijngebieden met een

ECN-E--10-071

Dekkingsgraad Duurzame energiebronnen Energieconcept

Energieneutraliteit Energiehub

Geothermisch doublet

GJ Gronings aardgas HeatMatcher™ Hoge temperatuur warmtenet HR-ketel HRe-ketel HVDC

Hybride vervoer KWO Lage-temperatuur verwarming Lage-temperatuur warmtenet LHV Onderwaarde

ECN-E--10-071

hoog aantal zonuren. Mate waarin een bepaalde aanbodoptie kan voorzien in de vraag waarvoor die bedoeld is. Windenergie, zonne-energie, waterkracht en biomassa Samenstelling van energie-opwekkers, –omzetters en – transportsystemen en besparingsmaatregelen die gezamenlijk kunnen voorzien in de behoeften van een gebied waarvoor energie wordt gebruikt (zijnde temperatuur, licht, verse lucht, transport en kracht). “in een energieneutraal gebied de lokaal beschikbare energiebronnen (inclusief hernieuwbare grondstoffen) op de energetisch en economisch meest optimale wijze worden geëxploiteerd”. In goed Nederlands: energienaaf. Centraal punt in een wijk of gebied waar energiedistributiesystemen samen komen en waar verschillende vormen van energie kunnen worden opgeslagen, herverdeeld, of in elkaar kunnen worden omgezet. Een samenstel van twee putten die tot op een diepte van meer dan een kilometer in poreuze watervoerende bodemlagen zijn gebeurd. Via de ene put wordt warm water opgepompt, via de andere wordt het afgekoelde water weer in de laag teruggebracht. Gigajoule, eenheid van energie, hier meest gebruikt voor warmte. 1 GJ warmte is 278 kWh thermisch Mengsel van methaan en stikstof zoals dat in het bekende Slochteren aardgasveld in de provincie Groningen wordt aangetroffen, met een onderste verbrandingswaarde van 31.669 MJ/m3 Een zelfde softwareinstrument als PowerMatcher™ maar dan om vraag en aanbod van warmte op elkaar af te stemmen, met het doel de benutting van duurzame warmte zo hoog mogelijk te krijgen. Een net voor warmtedistributie met een aanvoertemperatuur van tenminste 70 oC. Verwarmingsketel met een rendement van minimaal 100% op onderwaarde. Een HR-ketel waarmee simultaan naast warmte ook elektriciteit kan worden gemaakt. High voltage direct current, ofwel hoogspanning gelijkstroom. Nieuwe mogelijkheid om met weinig (<5%) verlies grote hoeveelheden elektriciteit over duizenden kilometers te kunnen transporteren. Bekendste voorbeeld is de 600 km lange onderzeese NorNed kabel tussen Noorwegen en Nederland Auto’s en bestelauto’s die zowel elektrisch als met een verbrandingsmotor kunnen worden voortbewogen Koude- en Warmteopslag, zie WKO Verwarmingssysteem in woning of gebouw dat met minder dan 40 o C kan werken. Bijvoorbeeld vloer- en wandverwarming Een net voor warmtedistributie met een aanvoertemperatuur tussen 40 en 50 oC. Engels: Lower Heating Value, onderste verbrandingswaarde van aardgas Of: onderste verbrandingswaarde. Hoeveel warmte die vrijkomt bij de verbranding van aardgas, waarbij de mogelijke condensatiewarmte van de waterdamp die bij de verbranding ontstaat niet is meegerekend. Rendementen van HR-ketels en elektriciteitscentrales worden tegenwoordig ten opzichte van de onderwaarde opgegeven. Omdat HR-ketels ook gebruik maken van condensatiewarmte van de waterdamp kunnen deze een rendement

103

ORC

ORC/WP

Passiefhuizen PowerMatcher™

PV Sorptiekoeling

Stadsverwarming

Trias Energetica

Urban wind Vacuümbuiscollectoren

Warmtepomp

Warmtepompbooster Warmteterugwinning

104

tot 110% halen Een ORC (Organic Rankine Cycle) lijkt het meest op een stoommachine, met als verschil dat een ORC een organische vloeistof zoals een (gehalogeneerde) koolwaterstof of ammoniak als werkmedium gebruikt. Een ORC die ’s winters als er onvoldoende zonnewarmte beschikbaar is qua werking kan worden omgekeerd en dan als warmtepomp wordt gebruikt. Dit kan omdat ORC en warmtepomp vele componenten gemeen hebben, zoals een verdamper en een condensor. Gebouwen die zich met behulp van interne warmteproductie en ingevangen zonnewarmte zonder hulp van extern aangevoerde energie op de gewenste temperatuur kunnen houden. Door ECN ontwikkeld softwareinstrument dat zorgt dat vraag en aanbod van (duurzame) elektriciteit zo goed mogelijk op elkaar afgestemd worden, waardoor de benutting van duurzame energie zo goed mogelijk wordt. Photovoltaics, zonnepanelen waarmee rechtstreeks elektriciteit uit zonlicht wordt gemaakt. Niet te verwarren met zonnecollectoren die bedoeld zijn om warmte te winnen. Oudste vorm van kunstmatige koeling. Warmtegedreven sorptiekoeling is gebaseerd op het principe dat een damp kan oplossen in een geschikt sorptiemiddel waarbij de warmte vrij komt op een hogere temperatuur dan die waarbij de damp uit condensaat is ontstaan. Als het sorptiemiddel vloeibaar is spreekt men van absorptiekoeling en als het vast is van adsorptiekoeling. Voor absorptiekoeling is typisch 90-110°C warmte nodig; bij adsorptiekoeling is dat 70-90°C. Verwarming van een grote groep woningen en gebouwen door middel van warmtedistributie met geïsoleerde waterleidingen vanuit één of enkele centrale warmtebronnen zoals elektriciteitscentrales, AVI’s, procesindustrie of geothermische doubletten Voorkeursvolgorde bij het verminderen van energieverbruik, bestaande uit 3 stappen: 1) energievraag beperken; 2) duurzame bronnen optimaal inzetten; 3) de rest zo efficiënt mogelijk opwekken met fossiele brandstof. Kleinschalige (minder dan 50 kW, typisch 1 tot 3 kW) windturbines die in de gebouwde omgeving kunnen worden toegepast Thermische zonnecollectoren die zijn opgebouwd uit vacuüm geïsoleerde buizen met reflectoren aan de achterzijde. Hiermee kunnen hogere temperaturen worden bereikt dan met klassieke vlakkeplaatzonnecollectoren. Een apparaat dat met inzet van 1 eenheid elektriciteit 2 à 4 eenheden lage temperatuur warmte kan opnemen en dan 3 à 5 eenheden warmte afgeeft. Bekendste voorbeeld is het koelmachientje in de huishoudkoelkast. Warmtepomp om tapwater dat met lagetemperatuurwarmtedistributie is verwarmd tot 40 oC na te verwarmen tot 65 oC om legionellaproblemen te voorkomen. Het voorwarmen van aangevoerde ventilatielucht met behulp van afgevoerde ventilatielucht. Dit wordt meestal toegepast in combinatie met balansventilatie

ECN-E--10-071

Waterstof

WKK

WKO

Zonnecollectoren

Zongerichte

Lichtste in het heelal aanwezige element, en mogelijk nieuwe brandstof voor de toekomst. Komt op aarde niet in vrije vorm voor, en zal moeten worden geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen of met behulp van (duurzame) elektriciteit uit water door elektrolyse Warmte-kracht koppeling. Het gecombineerd opwekken van elektriciteit en warmte. Bij de opwekking van elektriciteit met behulp van brandstoffen komt altijd warmte vrij. Wanneer deze restwarmte wordt benut is er sprake van WKK. Meest wijdverbreide toepassing is de aardgasmotor in de glastuinbouw, maar ook de gasturbine in de procesindustrie. Warmte- en koudeopslag. Techniek waarbij de ondiepe bodem (10100 m) onder een gebouw of gebied wordt gebruikt om ’s winters kou op te slaan om in de zomer voor koeldoeleinden te worden gebruikt. Door de winterse afkoeling met behulp van warmtepompen te bewerkstelligen kan de vrijkomende warmte voor verwarming worden gebruikt. Thermische collectoren voor de winning van zonnewarmte voor de (voor-)verwarming van warm tapwater en eventueel ruimteverwarming. Met een gevel en/of dakvlak gericht tussen Zuidoost en Zuidwest

oriëntatie

ECN-E--10-071

105

Bijlage A

Achtergrond van de “Potentieelstudie 2050”

Report: Sustainable energy concepts for residential buildings Packages of current and future techniques for an energy neutral built environment in 2050 Auteurs: Visser, H.; Koene, F.G.H.; Paauw, J.; Opstelten, I.J.; Ruijg, G.J.; Smidt, R.P. de, ECN-E--09-021, maart 2011

A.1

Introduction

In the Netherlands, more than one third of the energy is used in the built environment. Thermal insulation of buildings, local production of sustainable energy and more efficient use of fossil fuel have considerably improved the energy performance of buildings in the previous decades. However, the potential for further improvement of the energy performance is still very large. Climate change and exhaustion of fossil energy sources increase the urgency to put into action all measures for a better energy performance in the built environment, thereby implementing national and international policy. Dutch research institutes TNO and ECN strategically work together to make this energy saving and sustainable energy transition in the built environment possible. In their Building Future vision, both institutes state that that by the middle of the century energy neutrality in the Dutch built environment can be achieved, provided that developments needed for that are picked up and handled efficiently. During the drafting of Building Future, support for energy neutrality in 2050 came from performance of available measures and techniques that are under development and foreseen. This general information was implemented in a mathematical model calculating generic variables like gas, electricity and primary energy use of existing, refurbished and new buildings. The calculation tool considers both residential and non-residential buildings including development of the building stock. Assumptions were made for the implementation of measures available now and foreseen in future. The Building Future vision document (Opstelten, 2007) presents the results of this work. Emphasis of the work described in this report was to further detail the Building Future vision with available real and realistic future technologies, thus confirming the vision and possibly revealing weaker elements. The work consisted of two parts: ƒ

ƒ

Collection of experts’ opinions on suitability of technologies for possible realization of the vision. Technologies were listed and ranked for the specific sub-targets within the vision for gas and electricity use for refurbished and new buildings, for local electricity production and for district systems. Creation of combinations of measures and technologies that enable realization of the Building Future goal. Combinations were derived from the ranking of technologies indicated above. Most combinations turn out to be robust as they cover more than one of the BF sub-targets and have significant applicability.

Identification of technologies as indicated above also gives technical input to research and development needed for the 2050 goal. Together with socio-economical input, actions for the Building Future transition to happen shall be formulated.

106

ECN-E--10-071

Bijlage B

Passiefhuis kenmerken

Definitie op basis van prestatie-eisen: -

Warmtevraag voor ruimteverwarming < 15 kWh/m2 totale primaire energiebehoefte < 120 kWh/m2

Maatregelen in algemene zin: Deze worden doorgaans bereikt met de volgende praktische eisen aan de gebouwschil: - Rc dichte geveldelen > 6,5 m2K/W - U-waarde ramen < 0,8 W/m2K, drievoudige beglazing en thermisch geïsoleerde kozijen - Koudebrugvrije constructie - qv,10 waarde 0,15 dm3/s/m2 Installatiemaatregelen: -

balansventilatie met WTW (warmteterugwinning) of CO2-gestuurde ventilatie zonneboiler, liefst zonnegascombi zuinige witgoedapparatuur, hotfill voorzieningen (vaatwasser, wasmachine)

ECN-E--10-071

107