IrNO innovation. for life. Speurwerkprogramma Thema Water en Klimaat. Bijstelling TNO-rapport TNO 2015 P Datum 8 september 2015

IrNO

innovation for life

TNO-rapport

Leefomgeving Princetonlaan 6 3584 CB Utrecht Postbus 60015 3508 TA Utrecht

TNO 2015 P11186

www.tno.nl T +31 86 66642 56 F +31 88 66644 75

Speurwerkprogramma 2015-2018 Thema Water en Klimaat. Bijstelling 2016

Datum

8 september 2015

Auteur(s)

Erik Tielemans Monique Oldenburg Peter Paul van ‘t Veen Henk Miedema Jan Hoegee Pieter Boersma Frans van Geer

Exemplaarnummer Oplage Aantal paginas Aantal bijlagen Opdrachtgever Projectnaam Projectnummer

33 (mcl. bijlagen)

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor opdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan. © 2015 TNO

TNO-rapport

1

2 1 33

TNO-rapport 1 Bijstelling VP 2016 Thema Water

3133

Inhoudsopgave 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Vraaggestuurd Programma Karakterisatie van grondwater; dynamiek, samenstelling en processen Inleiding Doelstelling Relatie met Topsector Water Focuspunten Markten Stakeholders Samenwerking Programma2ol6

5 5 6 7 7 10 10 10

2 2.1 2.2 2.3

Vraaggestuurd Programma Maritiem en Offshore Inleiding Bijstelling VP2016 Samenwerkings initiatieven 2016

13 13 14 15

3 3.1 3.2 3.3 3.4

Vraaggestuurd Programma Deltatechnologie-Infrastructuur Inleiding Beoogde impacten aanpak Programmavoor2ol6-2018 Samenwerking en strategische partnering

17 17 17 19 22

4 4.1 4.2 4.3

Vraaggestuurd Programma Watertechnologie Beoogde impact en doelgroep Samenwerking Programma voor 2016

25 25 26 27

5

Ondertekening

33


4! 33


5133

Vraaggestuurd Programma Karakterisatie van grondwater; dynamiek, samenstelling en processen Characterising Groundwater; dynamics, composition and processes. 1.1

Inleiding

In de Kennis- en lnnovatieagenda 2016-2019 TKI Watertechnologie van de Topsector water worden verschillende tendensen ten aanzien van de wereldmarkt voor watertech nologie gesignaleerd te weten klimaatverandering, verstedelijking, groei van de wereldbevolking en een groeiende waterbehoefte per hoofd van de bevolking. De achtergrond hiervan is een toekomstvisie met betrekking tot het efficiënt beschikbaar hebben en (her)gebruiken van voldoende water met een voor het gebruik geschikte kwaliteit. Hiertoe zijn enerzijds innovaties op het terrein van waterbehandeling en waterprocesbesturing noodzakelijk. Anderzijds kan de technologie van de waterketen niet los worden gezien van de processen in de natuurlijke compartimenten van de keten. Dit vraaggestuurde programma focusseert op de processen in de ondergrond die verschillende rollen in de waterketen spelen. Al heel lang is grondwater een bron van (veilig) drinkwater. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het bufferend en het zelfreinigend vermogen van de ondergrond. Echter, als gevolg van allerlei natuurlijke en maatschappelijke ontwikkelingen worden wij steeds meer geconfronteerd met de eindigheid van de zoete grondwatervoorraad. Verzilting is bijvoorbeeld een belangrijke bedreiging in Nederland, maar zeker ook in andere kustgebieden. Ook speelt het grondwater een belangrijke rol in het transport van water, opgeloste stoffen en warmte. De mogelijkheden van het gebruik van grondwater in de waterketen wordt beperkt door randvoorwaarden die andere gebruiksfuncties met zich mee brengen, zoals veiligheid (kritische waterspanning in dijken en rond kunstwerken) en grondwaterafhankelijke natuurwaarden. Het belang van deze laatste functie wordt onder meer onderstreept door de Grondwaterrichtlijn1 die in het verlengde van de Europese Kaderrichtlijn Water is uitgebracht. Een goed afgewogen beheer van grondwater in relatie tot de andere onderdelen van de waterketen is noodzakelijk om alle gebruiksfuncties evenwichtig te kunnen ondersteunen. Vrijwel alle gebruik van de grondwatercomponent vereist informatie en kennis ten aanzien van de dynamiek, de samenstelling en de processen met betrekking tot grondwater. De Geologische Dienst Nederland (GDN) heeft als primaire taak het verzamelen, beheren, interpreteren en uitleveren van gegevens en informatie van de Nederlandse ondergrond, zowel qua geologische opbouw en eigenschappen als qua kwantiteit en kwaliteit van natuurlijke hulpbronnen die in de ondergrond voorkomen. In de afgelopen jaren heeft de GDN haar focus vooral gericht gehad op het karakteriseren en modelleren van de 3D ondergrond. Mede in verband met de RICHTLIJN 2006/118/EG VAN HET EUROPEES PARLEMENT EN DE RAAD van 12 december 2006 betreffende de bescherming van het grondwater tegen verontreiniging en achteruitgang van de toestand. Publicatieblad L372, 12-12-2006, pp. 19-31


6/33

realisatie van de Basis Registratie Ondergrond (BRO) zal dit ook in de komende jaren een focuspunt blijven. Daarnaast is het van belang om methoden te ontwikkelen om de dynamiek van de ondergrond 4D in beeld te brengen en om data over grondwaterkwaliteit, -kwantiteit en sedimentgeochemie tot informatieproducten om te vormen. Daarom is in de roadmap van de GDN2 (Van der Meulen et al, 2015) gesteld, dat de eerstvolgende belangrijke innovatiestap in de geomodellering3 bestaat uit het ontwikkelen van geo-informatie die dynamische processen in de ondergrond beschrijft (dus van 3D naar 4D). Ten aanzien van het grondwatersysteem betekent dit voor het onderzoek meer focus op het verwerven van kennis en het ontwikkelen van informatieproducten betreffende grondwaterdynamiek en grondwatersamenstelling (mcl. menging, contaminatie, aanvulling en zoet-zoutproblematiek). In 2015 is een begin gemaakt met dit onderzoek en zijn enkele prototype karakterisatie- en informatieproducten ontwikkeld. De GDN beheert een uitgebreide databank met ondergrondgegevens, inclusief data van grondwaterstanden, stijghoogte en samenstelling, op tienduizenden locaties in Nederland. Bovendien beschikt de GDN over kennis ten aanzien van data-analyse, (geo)statistiek, onzekerheidsanalyse, meten en monitoring en het ontwikkelen van informatieproducten. Door een verdere investering in het ontwikkelen van de karakterisatie van de dynamiek, de samenstelling en de processen van grondwater kan de GDN een goede bijdrage leveren aan de realisatie van de doelstellingen van het innovatiecontract Watertechnologie. Enerzijds in de vorm van algemene informatieproducten, zoals een grondwaterkwaliteitsatlas via Dl NO-loket, anderzijds door specialistische kennis en informatieproducten voor individuele marktpartijen. Bovendien kan de samenwerking met andere partijen die zijn aangesloten bij het innovatiecontract Watertechnologie worden geïntensiveerd, zoals bijvoorbeeld door middel van participatie in het NWO-programma Urbanising Deltas of the World en het STW-programma WaterNEXUS. Doelstelling

1.2

Het doel van dit VP is het onderzoeken op welke wijze de dynamiek, de samenstelling en de processen met betrekking tot grondwater inzichtelijk gemaakt kunnen worden, alsmede het ontwikkelen van bijbehorende data-analyse en informatieproducten, waarbij ook het geavanceerd meten en monitoren en de intetactie tussen grondwater en sediment aan de orde komt. De kennisontwikkelingsactiviteiten binnen dit VR moeten leiden tot: Een verbreding van het generieke informatieaan bod via de kanalen van de GDN; Specialistische advisering van stakeholders met betrekking tot meten, monitoren, data-analyse en processen aangaande de dynamische aspecten van de kwaliteit en kwantiteit van het grondwater; -

-

2

Meulen, M.J. van der, T.M. van Daalen, S.F. van Gessel. 1. Kroon, 2015. Roadmap Geological Survey of the Netherlands. TNO, 43 pp. Geomodellering: het voorspellen van de opbouw- en eigenschappen van de ondergrond. TNO brengt op deze manier systematisch de Nederlandse ondergrond in kaart, gericht op het daarmee samenhangende natuurlijk kapitaal (bijvoorbeeld gas, aardwarmte, olie, zout, grondwater en bouwgrondstoffen) en natuurlijke risico’s (implicaties grondgedrag voor de mens, natuur en de bebouwde omgeving).


-

-

7/ 33

Bijdrage aan nationale ontwikkelingen, zoals de kennis- en innovatieagenda 2016 —2019 IKI Watertechnologie, waarbij specifieke kennis ten aanzien van grondwater en ondergrond wordt ontwikkeld en ingebracht; Bijdrage aan Europese en internationale ontwikkelingen, onder andere via deelname aan werkgroepen van de Europese Kaderrichtlijn Water en een actieve tol in de EuroGeoSurveys4.

Door de verbreding van het informatie- en dienstenpakket, krijgt de GDN niet alleen nationaal, maar ook internationaal (m.n. Europees) een steviger positie. 1.3

Relatie met Topsector Water

Er is een onderverdeling gemaakt in drie innovatiethema’s: Resource efficiency, Smart water systems en Sustainable cities. Kennis en informatie ten aanzien van de processen in de ondergrond zijn voor alle innovatiethema’s van belang, maar dit vraaggestuurde programma raakt met name de kern van het innovatiethema Smart water systems, in het bijzonder het sub thema Se,vices. Vanuit haar missie is de GDN sterk gericht op het beschikbaar maken van informatie ten aanzien van de ondergrondse processen (waaronder grondwater) in een vorm die is toegesneden de verschillende groepen van stakeholders. Hierbij gaat het enerzijds om het beschikbaar maken van actuele informatie over het voorkomen en de dynamiek van waterkwantiteit en waterkwaliteit, met een focus op nutriënten en zoeUzout water. Anderzijds betreft dit geïnterpreteerde informatieproducten ten aanzien van trends, kwetsbaarheid, risico’s en de relatie tussen het grondwater en andere compartimenten van de waterketen. Voorbeelden hiervan zijn: de verandering van het (grond)water regiem als gevolg van watermanagement en klimaatsverandering, en de relatie tussen grondwater en oppervlaktewater in verband met nutriëntenuitspoeling. Ook is er een duidelijke relatie met het subthema monitoring, met name wat betreft het monitoren van zoet en zout grondwater met behulp van airborne electromagnetic technieken, zoals die bijvoorbeeld worden toegepast binnen het STW-project WaterNEXUS. 1.4

Focuspunten

Om binnen de randvoorwaarden van beschikbare tijd en middelen significante vooruitgang te realiseren, concentreert het VP zich vooralsnog op vier focuspunten, ‘waterkwaliteit en herkomst’, ‘zoet en zout grondwater’, ‘grondwaterdynamiek’ en ‘visualisatie en presentatie’. De algemene aanpak is het werken vanuit de sterke positie van de GDN op het terrein van data, meten, monitoren en de karakterisatie van het vaste fase in de ondergrond, naar de proceskennis en informatieproducten ten aanzien van de dynamiek, samenstelling en processen van het grondwater. Hierbij is inbegrepen de interactie van processen in het grondwatercompartiment met andere compartimenten uit de waterketen. De focuspunten zijn ingegeven door actuele ontwikkelingen, zoals de implementatie van de KRW en de behoefte aan voorspellingen van de effecten van klimaat scenario’s met als achterliggend doel het duurzaam beheer van de zoetwatervoorraad. De problemen die aan deze ‘

EurGeoSurveys is een not-for-profit Organisatie die 33 Europese geologische diensten vertegenwoordigt in Brussel, gericht op het gezamenlijke aanpak in Europese vraagstukken met een aardwetenschappelijke component (waaronder grondwater).


8

1 33

ontwikkelingen ten grondslag liggen zijn zeker niet alleen voor Nederland relevant. Zoutwaterintrusie, zoetwaterbeschikbaarheid, gevolgen van intensieve landbouw en verstedelijking zijn bijvoorbeeld voor vrijwel alle deltagebieden in de wereld van belang. 1.4.7

Focuspunt 7: Waterkwaliteit en herkomst Voor het duurzaam produceren van drinkwater (maar ook voor andere vraagstukken zoals het beheersen van uitspoeling van nutriënten naar oppervlaktewater en het realiseren van een goede kwaliteit van grondwaterafhankelijke ecosystemen) is het noodzakelijk om niet alleen de samenstelling van het grondwater op een bepaalde locatie en tijd te kennen (meten), maar ook te beschikken over de verblïjftijd van het water in de ondergrond, de herkomst van het water en de ‘natuurlijke’ variaties van de grondwatersamenstelling in de tijd. Dit is bijvoorbeeld van belang ten behoeve van een efficiënte zuivering van het water. Tot vrij recent werd de grondwaterkwaliteit vooral via analyses aan watermonsters bepaald. Deze methode is relatief duur en de meetfrequentie is over het algemeen laag. Bovendien werden er zelden dateringen van het water uitgevoerd, zodat er veelal geen directe metingen zijn van de ouderdom van hert water. Momenteel is een enorme ontwikkeling gaande op het gebied van de toepassing van sensoren om informatie over de grondwatersamenstelling te verzamelen tegen lagere kosten. Er zijn verschillende sensoren ontwikkeld. Sommige sensoren zijn geschikt voor het leveren informatie over hoogfrequente signalen. Andere geven een meting als gemiddelde concentraties over een tijdvak. Ook is de datering van het grondwater via isotopen analyse een toegankelijke methode geworden. Deze ontwikkelingen geven in combinatie met de aardwetenschappelijke kennis van de GDN de mogelijkheid voor de ontwikkeling van ruimtelijke en temporele overzichten van grondwatersamenstelling, trends, herkomst en kwetsbaarheid op nationale, regionale en sub regionale schaal. De nieuwe mogelijkheden van meten leveren verschillende typen gegevens op met verschillende supportschalen en aggregatieniveaus. Dit maakt het opportuun om te onderzoeken hoe een monitoring systeem opgezet kan worden door een (kosten) optimale combinatie van verschillende typen informatie (inclusief data van andere compartimenten zoals oppervlaktewater). Hierbij dient uiteraard onderscheid gemaakt te worden naar monitoring doel (waterwinning, uitspoeling landbouwstoffen, enz.).

7.4.2

Focuspunt 2: Zoet en zout grondwater Zowel door menselijk ingrijpen in het hydrologische systeem, als door klimaatsverandering, zeespiegelstijging en bodemdaling, is zoutwater intrusie een belangrijk probleem in het watermanagement zowel in het oppervlaktewater als in het grondwater. Een van de nieuwe methoden om het v6ôrkomen van zout grondwater in 3D te meten is Airborne Electromagnetic (AEM) monitoring5. AEM monitoring geeft een schatting van het patroon van de ruimtelijke verdeling van zoet en zout grondwater op een bepaalde tijd (momentopname). De uitdaging is om door combinatie met geologische karakterisatie van de ondergrond en de integratie met dynamische, lange termijn grondwaterstromingsmodellen niet alleen een beeld te

Faneca anchez, M., Gunnink, ].L, Van Baaren, ES., Oude Essink, G.H.P., Siemon, B., Auken, E., Elderhorst, W., De Louw, P.G.B., 2012. Modelling climate change effects on a dutch coastal groundwater system using airborne electromagnetic measurements. Hydrology and Eafth System Sciences 16(12), 4499-4516


9/33

krijgen van het v6ôrkomen van het zoute water in de ondergrond, maar ook van de dynamiek ervan6. Dit geeft dan weer de mogelijkheid om voorspellingen te doen en (klimaat)scenario’s door te rekenen. De problematiek rond zoet en zout grondwater noopt tot samenwerking tussen verschillende disciplines, waaronder monitoring, karakterisatie, numerieke modellering en onzekerheidsanalyse. Dit heeft bijvoorbeeld ook geleid tot de consortia van NWO- en STW-projecten waar de GDN aan deelneemt. Specifiek voor de GDN is een bijkomende uitdaging om de kennis over de dynamiek van zoet en zout grondwater om te zetten in op stakeholders toegesneden informatieproducten. 1.4.3

Focuspunt 3: Grondwaterdynamiek Heden ten dage wordt de grondwaterstand en stijg hoogte veelal gemeten met automatische drukopnemers. Waar tot voor kort de standaard meetfrequentie 24 maal per jaar was, kennen veel meetreeksen nu een aanzienlijk hogere frequentie (vaak 1 maal per dag). In principe levert de hoogfrequente monitoring een schat aan informatie, in vergelijking met de lage monitoringfrequentie. Voor tal van toepassingsvelden, zoals drinkwaterwinning, landbouw en natuur is kennis en informatie over de temporele en ruimtelijke patronen van de stijghoogte zeer waardevol. Daarbij gaat het zowel om fluctuaties die binnen het normale’ patroon passen als om structurele veranderingen van dit patroon in de tijd. Bovendien zijn ook relaties met andere variabelen van het hydrologische systeem, al dan niet in combinatie met een grondwaterstromingsmodel, van belang. Data analyse technieken hebben het voordeel dat zo min mogelijk subjectieve keuzes worden gemaakt, maar het is voor de toepassing op hoogfrequente reeksen verre van triviaal en veel stakeholders beschikken niet over voldoende tijd en expertise om zelf methoden die toegesneden zijn op specifieke vragen te ontwikkeLen en toe te passen. Bij dit focuspunt gaat het zowel om de analyse van monitoringdata, als om het opzetten en evalueren van de monitoringsystemen zelf.

1.4.4

Focuspunt 4: Visualisatie en presentatie Als gevolg van ontwikkelingen op het gebied van sensortechnologie en automatisering is er een enorme toename van de datadichtheid, waarin veel informatie is opgeslagen. Tegelijkertijd zijn er steeds meer groepen stakeholders, die zelf geen grondwaterspecialist zijn. Om de informatie die binnen de voorgaande drie focuspunten wordt ontwikkeld, toch goed bruikbaar te maken voor stakeholders, dient de analyse en informatie in een voor de stakeholder toegesneden vorm te worden gepresenteerd en gevisualiseerd. Moderne lOT technieken bieden hiertoe uitgebreid mogelijkheden. Te denken valt aan overlays en animaties van scenario’s, maar ook aan interactieve services7. Visualisatie en presentatie speelt bij alle drie bovengenoemde focuspunten en kan gezien worden als een dimensie dwars op de data analyse daarvan.

6

De Louw, P.G.B., Eeman, S., Siemon, B., Voortman, B.R., Gunnink, J.L., Van Baaren, E.S., Oude Essink, G.H.P., 2011. Shallow rainwater lenses in deltaic areas with saline seepage. Hydrology and Earth System Sciences 8, 7657-7707 Dabekaussen, W., Van Geer, F.C., 2013. Procedure for automatic, online presentation of spatial interpolated groundwater heads. Geophysical Research Abstractsl 5, EGU2O1 3-11952. EGU General Assembly 2013, Vienna.


1.5

10! 33

Markt en Stakeholders

De ‘markt’ voor grondwaterkarakterisatie bestaat uit partijen die grondwater als grondstof gebruiken voor drinkwater, industriewater, landbouw en natuur. Elk op hun eigen schaalniveau heeft behoefte aan betrouwbare grondwaterkarakteristieken (dynamiek en samenstelling) en efficiënte monitoring. De resultaten van dit VP moeten leiden tot producten in drie categorieën: generieke informatieproducten gekoppeld aan de gegevensbestanden van de GDN. Deze generieke informatieproducten zijn openbaar beschikbaar, specifieke informatieproducten en —diensten gekoppeld aan de gegevensbestanden van de GDN, die via menusturing tailor made worden gemaakt voor specifieke stakeholders. Deze specifieke informatieproducten zijn opvraagbaar middels een accounting systeem. Specialistisch advies en informatie direct geleverd aan een vragende partij. -

-

-

Voor derden levert het programma methoden om grondwater gerelateerde processen efficiënter (goedkoper) in kaart te brengen en daarop de bedrijfsvoering aan te kunnen passen. Dit wordt onder meet gedemonstreerd in het project ‘Rise and FalI’, binnen het NWO-programma: Urbanasing Deltas of the World in de Mekong Delta in Vietnam. In dit project participeren onder meer Deltares, Vitens en verantwoordelijke Vietnamese instanties. 1.6

Samenwerking

Voor het uitvoeren van verschillende onderdelen van dit VP is samenwerking noodzakelijk met andere partijen. Zonder compleet te zijn betreft dit in elk geval kennisinsteil ingen: Deltares (numerieke rekenmodellen, meten en monitoren); KWR (ecology en data analyse); Alterra (nutriënten en uitspoeling). en de marktpartijen: Vitens (drinkwatervoorziening); Eijkelkamp (monitoring instrumenten). -

-

-

-

-

Daarnaast zal worden samengewerkt met de relevante academische groepen op de UU, WUR, TUD en VU. De samenwerking omvat onder meer het indienen van gezamenlijke voorstellen bij NWO en STW, bijdragen aan het studieprogramma van de UU en inzet van MSc studenten bij de uitvoering van dit VP. 1.7

Programma 2016

Het programma voor 2016 is een rechtstreekse voortzetting van het programma 2015. Concrete punten die daarbij aan de orde zullen komen zijn: In 2015 wordt gewerkt aan prototypes om zinvolle achtergrondinformatie over de grondwaterkwaliteit ruimtelijk in beeld te brengen, onderscheiden naar leeftijd, diepte enz. Hierbij komen verschillend stoffen aan de orde. Tevens is een begin gemaakt met het analyseren en visualiseren van concentratie-diepte profielen. In 2016 worden deze prototypes verder uitgebouwd en zal er veel aandacht zijn voor interactie met stakeholders op -


11/33

basis van deze prototypes. Het onderzoek zal leiden tot methoden voor de presentatie en interpretatie van grondwatersamenstellingskarakteristïeken. Voor de analyse van de leeftijd en herkomst van het grondwater onder meer gebruik gemaakt worden van isotopen; Deelname aan het NWO project ‘Rise and falI’, dat eind 2014 is gestart zal worden voortgezet. Dit project richt zich op de ruimtelijke verdeling en dynamiek van zoet en zout grondwater, middels grootschalige hydrologische modellering en in situ monitoring, aangevuld met AEM. Focus van het NWO project is de interactie tussen grondwater, oppervlaktewater en bodemdaling. Het proefgebied is de Mekong delta, waar nauw samengewerkt wordt met lokale partijen. In de tweede helft van 2015 start het STW project Water NEXUS, waarin het efficiënt gebruik en beheer van zout grondwater centraal staat. Specifiek focuspunt hierbij is de bijdrage van de verschillende bronnen van informatie aan de reductie van de onzekerheid in de voorspelling van het dynamisch gedrag van zout grondwater. Met name de toegevoegde waarde van AEM metingen in relatie tot de monitoringkosten in onderwerp van onderzoek. In 2015 is een Python programma ontwikkeld om enkelvoudige en meervoudige tijdreeksanalyses uit te voeren. Dit programma vormt de basis voor de ontwikkeling van een serie informatieproducten om de dynamiek in het grondwater te karakteriseren. In 2016 zal de nadruk liggen het automatiseren van het rekenproces en op de postprocessing ten einde de temporele karakteristieken overzichtelijk naar stakeholders te kunnen presenteren. Ook de relatie tussen enerzijds de tijdreekskarakteristieken en anderzijds de geologische schematisatie (met name de hydrogeologische informatie systemen REGIS en Ge0TOP) en hydrologische modellen (zoals bijvoorbeeld NHI) komen in 2016 aan de orde. Daarnaast vormt het Python programma ook de basis voor gespecialiseerde adviezen. Voor de verdere ontwikkeling de dynamische karakterisatie van de stijghoogte zal nadrukkelijk contact gezocht worden met diverse groepen stakeholders. Onderzoek naar en prototyping van web-based toepassingen om de resultaten van bovenstaande inhoudelijke punten beschikbaar te maken. Naar verwachting zal in 2015 het onderdeel ‘Isohypsen online’ gerealiseerd worden in een GDN-web omgeving waar grondwater informatie beschikbaar gesteld kan worden aan stakeholders. In 2016 zullen nieuwe informatie producten via deze web site beschikbaar gemaakt worden en zal aandacht worden besteed aan de robuustheid van het onderliggende rekenproces. Bijdragen aan het MSc programma aan de UU met betrekking tot grondwaterkwaliteit, onzekerheid en monitoring, onder meer via het ondersteunen met twee bijzonder hoogleraren.


12/ 33

13133


2 Vraaggestuurd Programma Maritiem en Offshore 2.1

Inleiding

De roadmap Maritiem & Offshore (M&O): Blue Growth, die de basis vormt voor het Vraaggestuurd Programma (VP) voor de periode 2015 2016 maakt onderdeel uit van de transitie: -

Energie: “Van conventionele bronnen naar duurzame energiesystemen” De roadmap M&O is gericht op onderzoek om de Innovatiethema’s Winnen op Zee, Schone Schepen, Slim en veilig varen en Effectieve Infrastructuur, zoals beschreven in het Innovatiecontract Maritiem, onderdeel van de Topsector Water, adequaat te ondersteunen. De exploratie en exploitatie van de oceanen is een domein waar we, tezamen met andere spelers, in deze strategie periode meer aandacht voor gaan vragen. TNO Maritiem & Offshore staat met haar personeel en faciliteiten gereed om op een adequate wijze de uitdagingen van de maatschappij ook in de komende strategische periode 2015 —2018 aan te gaan. Een terugtrekkende overheid zal tot gevolg hebben dat er nieuwe initiatieven tot samenwerking gezocht moeten gaan worden. Dit is in zichzelf al een transitie en vraagt een grensoverschrijdende manier van denken en werken. Eén van de sterktes van TNO, namelijk de integrator rol, geeft mogelijkheden tot nieuwe vormen van business-ontwikkeling over grenzen heen, bijv. ‘civiel en defensie maritiem’ en ‘ecologie/biologie en technologie’. Om een nog sterkere kennisbasis in Nederland op te bouwen zal het samenwerkingspotentieel met universiteiten sterker worden uitgebouwd en bekrachtigd worden in o.a. het Delft Offshore Technology Centre. Samenwerking binnen het maritiem & offshore en mariene domein vanuit de grote onderzoeksinstituten geeft op een aantal (inter)nationale terreinen veel mogelijkheden: offshore wind, aquafarming, tidal energie, deep sea mining en zal verder invulling krijgen vanuit het MUST-initiatief (Maritime consortium for Environmental Science & Technology). Een bredere inbedding in de sector in het Europese domein gaat ruimte en draagvlak geven voor Publiek private samenwerkingsvormen zoals PPP Vessels for the Future, een consortium dat naar verwachting eind 2015 door de Europese Commissie zal worden geaccordeerd.


2.2

14133

Bijstelling VP 2016

De basis voor de aanpak van dit vraaggestuurde programma is gelegd in het Innovatiecontract Maritiem (onderdeel Topsector Water), waarbij de economische en maatschappelijke uitdagingen zijn gecombineerd in 4 innovatie thema’s: o o o o

Schone schepen Slim en veilig varen Winnen op Zee Effectieve infrastructuur

Binnen de roadmap zal in 2016 de focus gericht zijn op de volgende aandachtsgebieden bij TNO: Asset Integriteit

• • •

duurzame, veilige- en betrouwbare infrastructuur op zee veilige en betrouwbare constructies en systemen t.b.v. op- en overslag op zee (Cryogeen/LNG) verlaging van de instandhoudingskosten van Offshore constructies (goede probabilistische modellen t. b.v. fracture/fatigue)

Monitoring systemen & sensoren

• • •

Technologieontwikkeling t.b.v. nauwkeurige positionering op en onder water Autonome inspectiesystemen & onderwatercommunicatie Onderwater objectidentificatie & classificatie

Operaties op zee

• • •

Optimaliseren van een voorspelbare en veilige inzetbaarheid van de mens/schip interactie Brandstofbesparing/emissiereductie van uitstoot en onderwatergeluid Autonoom varen en het gebruik van “data-science-toepassingen t.b.v. kosten reductie

Aan de hand van deze aandachtsgebieden zal er een passend aanbod van Joint Industry Programma’s worden opgezet. Tevens zal er op passende (Europese H2020) initiatieven met behoefte aan contra-financiering worden ingezet. Om een adequate versterking van de kennisportfolio te realiseren, moet hierbij worden gedacht aan projecten en programma’s op onderstaande gebieden: • • • • •

Oplossingen voor vraagstukken om naar “zero emission” te komen op zowel voortstuwing als het onderwatergeluid; Het voorspelbaar en duurzaam kunnen implementeren van “schone energie” op zee zoals wind, golf- en stromingsenergie; Het beschikken van informatie over onderwateromstandigheden aan de hand van sensoren (netwerken) en monitoringssystemen; De interactie tussen ecosystemen en constructies op zee (bio-corrosie, fouling) Betrouwbaar, veilig en voorspelbaar gedrag van constructies en materialen. Hierbij moet nieuwe wet en regelgeving omgezet worden in kansen vanuit


•

•

•

•

15/33

innovatieve oplossingen. Steeds extremere omstandig heden (koude, druk/diepte en ontwerpoptimalisaties) dagen ons uit op dit vlak: Het verkennen van toepassingen met nieuwe materialen zoals composieten in het licht van “Smart Industries”: Het veilig kunnen implementeren van MEGA constructies die t.g.v. hun grootte buiten de huidige normen vallen: Kostenverlagende oplossingen voor Offshore renewables (wind, getijde en golfenergie). Hierbij richten wij ons vooral op de constructieve aspecten en de combinatie mens-machine t.b.v. onderhoud op zee: Het versterken van de betrouwbaarheid van mens-machine systemen (resilient engineering & design) teneinde ongewenste situaties voor schip en bemanning te voorkomen en catastrofale effecten te vermijden: Het ontwikkelen van oplossingen op autonoom varen en het gebruik maken van de datageneratie van steeds meet componenten en systemen aan boord.

2.3

Samenwerkings initiatieven 2016

Om een wereldwijde technologische toppositie te realiseren en te behouden zijn er ten behoeve van het onderzoek en ontwikkelingsactiviteiten adequate faciliteiten nodig. Hiermee kan TNO een belangrijke bijdrage leveren aan de benodigde innovaties in de maritieme cluster. TNO wil samen met andere partners in kennis samenwerken waarbij ook wordt gekeken naar langdurige programma’s en samenwerking op onderzoeksfaciliteiten. In 2016 zal er een vervolg worden gegeven op de volgende samenwerkingsinitiatieven: •

Het DOTC / Offshore Technologie Centrum, een publiek private samenwerking met de TU-DeIft, M2i en de Industrie • Het MUST / Maritime consortiUm for environmental Science & Technology, een samenwerkingsinitiatief met NIOZ, Imares en Deltares • Op Topsectoren overstijgend niveau (Aerospace, Automotive, Maritime) wordt samen de met Industrie, M2i en kennisinstellingen ingezet aan gezamenlijke cross-sectorale vraaggestuurde innovatie op het gebied van scheepsbouw, composieten en materialen. • Op basis van de Smart Industry agenda zullen in overleg met betrokken partijen (oa. Innovation Quartet) kansen verder worden benut binnen het maritieme domein. Verder geeft TNO M&O in de periode 2016 een verder vervolg op de meerjaren Early Research Programs. In deze ERP-programma’s wordt de industriële participatie in zogenaamde “use-cases” voorzien. De ERP’s waarin in de periode 2016 actief wordt geparticipeerd zijn: • • •

Structural Integrity Making Sense of Big Data Human EnhancemenUAdaptive automation

In de bovengenoemde kennisontwikkelingsprogramma’s zijn doorsnijdingen met andere domeinen en technologieën voorzien. De synergie wordt gezocht met Defensie (betrouwbaarheid en voorspelbaarheid), Infrastructuur (voorspelbare


16/33

constructies), Mobiliteit (autonome systemen en veiligheid en emissie) en Olie en Gas voor wat betreft extreme omstandigheden (diepwater en arctisch). Vanuit technologieontwikkelingsstandpunt zal in de komende jaren steeds meer aandacht gevraagd worden voor relevante onderwerpen zoals: Probabilistische benadering van vraagstukken De mens in interactie met constructies en situaties Het ontwikkelen en integreren van sensor en monitoringstechnieken Big” Data t.b.v. het verkrijgen van gedragsgegevens over mens en constructie en het ontwikkelen van betere voorspellingsmodellen Virtuele scenario analyse- en trainingsmogelijkheden serious gaming” -

-

-

-

-


17/33

3 Vraaggestuurd Programma Deftatechnologie Infrastructuur 3.1

Inleiding

Zestig procent van de 39 megasteden wereldwijd bevinden zich op minder dan 100 km van de kust, inclusief 12 van de 16 steden met meer dan 10 miljoen inwoners. Laaggelegen kustgebieden verstedelijken in een snel tempo, leidend tot groeiende economische activiteiten en investeringen. Daarbij zijn deze laag gelegen gebieden erg kwetsbaar voor de gevolgen van klimaatverandering, zeespiegelstijging en de gevolgen van menselijk ingrijpen en veranderend landgebruik in lokale stroomgebieden. Dit leidt tezamen tot een toenemende wereldwijde vraag naar oplossingen voor verstedelijkingsvraagstukken in deltagebieden in het algemeen en oplossingen voor vraagstukken ten aanzien van de infrastructuur in het bijzonder. Veel van de infrastructurele werken in Westerse landen waaronder Nederland zijn in de jaren 50 80 van de vorige eeuw aangelegd. Met een (technische) ontwerplevensduur van 70 tot 100 jaar is het de verwachting dat de kosten voor de instandhouding van deze assets in de komende jaren sterk toeneemt. Op het gebied van waterbouwkundige constructies (sluizen en stuwen) is de uitdaging nog groter. De leeftijd is vaak hoger. Daarnaast is de functionele levensduur vaak langer, waardoor de technische levensduur eerder reden is voor vervanging dan bij weginfrastructuur. De verwachting is dat totale jaarlijkse kosten voor onderhoud en vervanging van civiele infrastructuur in Nederland alleen van ca. 6 miljard euro per jaar nu, in 2030 zijn opgelopen tot een veelvoud van dit bedrag. Vanwege het intensieve gebruik van onze infrastructuur en de hoge (maatschappelijke) kosten van verstoringen, is het van groot belang dat ook hinder (indirecte kosten) bij onderhoud en vervanging tot een minimum beperkt wordt. Dit vraaggestuurde programma richt zich op de instandhouding van infrastructurele kunstwerken in dicht bevolkte stedelijke delta’s, met bijzondere aandacht voor de natte infrastructuur. In dit programma wordt voortgebouwd op het TO2-project ‘Natte Kunstwerken voor de Toekomst’. -

3.2

Beoogde impact en aanpak

Ontwikkeling van technologie voor verbetering van assetmanagement van infrastructurele kunstwerken (bruggen, sluizen, viaducten, etc.) heeft niet alleen een groot maatschappelijk belang, maar gezien het wereldwijd voorkomen van de vraagstukken en de vooraanstaande kennispositie van Nederland, ligt hier ook een kans voor versterking van bedrijven nationaal, maar ook op de internationale markt. De Nederlandse kennispositie op dit onderwerp is sterk en kan de GWW-sector en consultancy ondersteunen bij het versterken van een internationale een positie als het gaat om het inspelen op en aandragen van oplossingen op deze terreinen. Een track-record in de Nederlandse context, dat gezien kan worden als proeftuin voor innovaties op het gebied van stedelijke ontwikkeling en deltatechnologie, speelt hierbij een belangrijke rol.


18 / 33

Het verlengen van de technische levensduur van de kunstwerken zorgt in het algemeen voor een verlaging van de totale kosten. Omdat de ontwerpfilosofie van infrastructurele kunstwerken gebaseerd is op een conservatieve voorspelling, wordt het nauwkeuriger modelleren en voorspellen van het gedrag in toenemende mate lucratief. Het aantonen van verborgen sterktes levert een substantiële bijdrage in de verlaging van de levensduurkosten (langere levensduur). Ook het ontwikkelen van degradatiemodellen en inspectie- en monitoring methoden helpt bij het terugdringen van de kosten voor infrastructuur. TNO stelt zich tot doel om samen met de stakeholders in de gebouwde omgeving een reductie van de life cycle kosten tot stand te brengen van 20% in 2020 en 50% in 2050. Om dat te kunnen realiseren zal TNO kennis ontwikkelen met betrekking tot de onderscheiden technologielijnen: Beoordehngskaders en beslissingsondersteuning Beslissingsondersteunende systemen, waarmee de beslisser op een gebruikersvriendelijke manier toegang heeft tot de gegevens uit monitoring en inspectie uitkomsten, gemanaged via BIM en GIS systemen, via de KPI-modellen geanalyseerd en vertaald in actuele en toekomstige prestaties van de kunstwerken. Modellering Modellen waarmee de belangrijkste prestaties (KPI’s) van infrastructurele kunstwerken kunnen worden voorspeld, als basis voor de planning van onderhoud en beheer. Inspectie, monitoring en datamanagement. Binnen de bestaande onderhoudsaanpakken worden interventies in belangrijke mate gepleegd als reactie op schade-incidenten, op basis van routinematige USER REEDS RESIDUALSERVICEUFE • LOW URE CYO.E COStS • NOTRAFFICDISRUP11ON .

PROJECT REOUIREMENTT • • • •

4V—

PERFORMANCE REQUIREMENTS SYSTEM SPECIFICAÏ1ON (PA VAWEORINFORMAflON

-

-

ASETMANAGEMENT • RISK BASED MMNTANANCE CONDrnON.BASED OBJECT MANITENANCE • DEOON.MAKINGSTHATEGIES RISKBASEDDEOSION PROCESSE5 MAINTARACE PNNING MODE PERFORMANCEMODELSFORINTERVEN11ONS .

-

INTEGRATEDCONDIS1ON MONITORINGSYSTEMS • BASELINEASSESSMENT PROOF LOADING & (S)PEM • 0108.5E DAMAGE DIAGNOSIS BRA000RADEDOPTICflRERS AESYSTEMS • LOCAL OETERIORA11ON (CORROSJON)PROGN0SOCS MUL11.SENSOR DATA RJSBON SYSTEMS

%%

DATA HANOUNG • DATA ACQUIS0N • DATA IRANSMISSION DATA (DATA MINING)

• SJMULM1ON MOORIS COMOS1ON PR0GRUSSMODEL INTERFACE DEGRADAT1ON MODEL SERVICE URE MODEL (SARETYAND DURABIUTY) . PRORABIUST1CFEM MODEWNG METHODE • DATA FUSION _ • FLEET LEADER CONCEPT


19 / 33

onderhoudsschema’s, of gestuurd door menselijke (visuele) inspecties. Hier kan grote winst worden geboekt door de ontwikkeling en inzet van next generation, geautomatiseerde monitoring en inspectie technologieën. Voor het datamanagement is van belang BIM en GIS systemen, die primair gebruikt worden in de ontwerp- en realisatiefase, door te ontwikkelen tot platforms die ook geschikt zijn voor opslag, beheer en management van monitoring- en inspectiegegevens over de gehele levenscyclus. Met de grote hoeveelheden beschikbare data de toepassing van data mining technieken steeds belangrijker. De samenhang tussen deze technologielijnen in een integrale aanpak van asset management van kunstwerken is gegeven in de figuur hierboven. 3.3

Programma voor 201 6-2018

Recente ontwikkelingen 3.3.1 Visie asset management Met een 5-tal high level representanten van asset owners, met TU Delft en TNO is een gezamenlijke Visie “Future Maintenance lnfra” opgesteld. Met een kerngroep van bedrijven wordt, samen met een aantal infra-eigenaars, toegewerkt naar een gemeenschappelijk onderzoek & ontwikkeling agenda ‘Future Maintenance 1 nfra’ Natte Kunstwerken voor de toekomst Op het gebied van natte infrastructuur wordt in de nabije toekomst overgegaan naar een andere manier van normeren, en ligt er een grote opgave bij het HoogWaterBeschermingsProgramma (HWBP). Vele (honderden) Nederlandse, maar ook buitenlandse natte kunstwerken naderen het einde van hun levensduur (grote vervangings- en renovatieopgave). Hierdoor is er behoefte aan duurzame, multifunctionele, adaptieve en kosten-optimale oplossingen. Om deze opgave te realiseren is gestart met activiteiten om op de volgende onderwerpen kennis en toepassingen te ontwikkelen: •

Een eenduidig probabilistisch format en toetskader voor het bepalen van de veiligheid, de beschikbaarheid en de betrouwbaarheid van (natte) kunstwerken; • Probabilistische methodieken om de veiligheid (en beschikbaarheid en betrouwbaarheid) en de (rest)levensduur van natte kunstwerken te bepalen; • Inspectie- en monitorsystemen (en een generiek platform) om de actuele toestand in detail te kunnen bepalen en om levensduur van natte kunstwerken mee te verlengen; • Beoordelingscriteria en toets- en testmethoden voor innovatieve oplossingen voor vervanging en renovatie van natte kunstwerken.

Smart Bridge We hebben recent een geavanceerd monitoringssysteem (patent akoestische emissie) en daaraan gekoppeld model ontwikkeld, waarmee dekplaatscheuren in stalen bruggen veel nauwkeuriger zijn te voorspellen. Dat heeft zich in een field pilot op de Van Brienenoordbrug in praktijk bewezen. We hebben met onderzoek in het lab een nog gevoeliger monitoringssysteem klaar gemaakt voor toepassing in een fieldpilot (patent guided wave). Ook is de routine voor het ontwerp van een


20133

optimaal adaptief draadloos sensornetwerk op een brug gereed voor toepassing in een field pilot, en zijn de modellen gereed voor de scheurgroeivoorspelling van dekpiaatscheuren en voor de probabilistische doorvertaling van meetresultaten en verwachte scheurgroei naar constructieve veiligheid (wanneer repareren! renoveren/ vervangen). Deze aanpak zal doorontwikkeld worden waarbij vooral kennis zal worden ontwikkeld voor het uitbreiden van het monitoringssysteem voor ander type scheuren in stalen bruggen en het verder voor de praktijk geschikt maken van de guided wave techniek. Connecting data-performance We hebben een aanpak ontwikkeld en demo gestart om uit grote hoeveelheden beschikbare data de maatgevende prestatie van een constructie te kunnen voorspellen (bottom-up) en een keuze te maken uit meettechnieken om de prestatie van een constructie te kunnen voorspellen (top-down). Deze demo wordt doorontwikkeld tot een praktijkaanpak, in eerste instantie voor bovenbouw spoor, en daarna verbreed naar ander infra asset management.

3.3.2 Programma De verdere ontwikkelingen zullen bij wat boven beschreven is aansluiten en richten zich in het bijzonder op de ontwikkeling van kennis en toepassingen met betrekking tot de veiligheid van kunstwerken, met de nadruk op natte kunstwerken: Beoordelingskaders en beslissingsondersteuning Aan de hand van de wettelijke kaders volgens het Bouwbesluit en de Waterwet worden de bestaande beoordelingskaders voor de prestaties van kunstwerken ten aanzien van veiligheid, duurzaamheid, en levensduur worden op een drietal aspecten doorontwikkeld: • Veiligheidsfilosofie voor nieuwe en bestaande constructies, • Nieuwe materialen en constructievormen, • Robuustheid en multi-hazards. Specifieke ontwikkelpunten met betrekking tot natte kunstwerken daarbij zijn: • Beoordeling van de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van natte kunstwerken zowel die in primaire keringen, als daarbuiten, rekening houdend met de verschillende kaders (Waterwet! Bouwbesluit) en functies; • Nadere analyse van de technische consequenties van gestelde functionele eisen (RAMS) • KPI’s voor kritische sterkte-eigenschappen van beton- en staalconstructies. • Eenduidig probabilistisch format en toetskader voor bepalen van de veiligheid, beschikbaarheid en betrouwbaarheid van kunstwerken; • Probabilistische methodieken om de veiligheid (en beschikbaarheid en betrouwbaarheid) en (rest)levensduur van kunstwerken te bepalen; • Beoordelingscriteria en toets- !testmethoden voor innovatieve oplossingen voor vervanging en renovatie van kunstwerken.


21/33

Modellering constructies en netwerken • Verdere ontwikkeling van probabilistische rekenmethoden voor natte kunstwerken op het gebied van belastingen met een stochastisch karakter, • Het integreren van verschillende modellen binnen een probabilistisch kader, bijvoorbeeld ten behoeve van voorspellingen met betrekking tot de interactie tussen grond en constructie • Modelleren van onzekerheden en het beter bepalen van onzekerheden door metingen of expert meningen onderzoek • Modelleren van onzekerheden en bepalen additioneel risico van niet waterkerende constructies (zoals pijpleidingen en windmolens) in primaire waterkeringen i.r.t. de nieuwe normering • Modellering van vermoeiingsbelasting en vermoeiingsgedrag en dynamische aspecten bij stalen (verkeers- en spoor)bruggen; • Ontwikkeling multi-scale aanpak om verschillende tijdschalen te verbinden en zo nodig te verbinden met stappen op de afstandschalen; • Responsmodellering van tijdsafhankelijke processen die de veiligheid op termijn beïnvloeden (materiaaldegradatie, ASR, vermoeiingsbelastingen bij constructies) en het gedrag bij (extreme) dynamische belastingcondities bij spoor- en verkeersbruggen (stochastische, tijdsafhankelijke belasting-, respons en materiaalmodellen); • Modellering van de effecten van onderhoudsmaatregelen op de levensduur. • Modellering van belasting en respons bij grond-constructie-interactie; • Tijdsafhankelijke modellen en curves, o.a. voor corrosion fatigue van verschillende materialen bij sluizen en waterkeringen. Inspectie, monitoring en datamanagement Op het gebied van inspectie, monitoring en datamanagement ligt de nadruk op de vertaling van inspectie en monitoring resultaten naar informatie die gebruikt kan worden voor beslissingen over onderhoudsplanning en asset management, bijvoorbeeld door gebruik te maken van geavanceerde data-analyse-technieken gebaseerd op Bayesian Belief Nets: • Ontwikkeling faaldetectie van kunstwerken in navolging van lJkdijk en monitoringsmethodieken voor natte kunstwerken voor tijdsadaptief asset management • Gebruik van nieuwe meettechnieken zoals satellietmetingen, metingen uit de lucht en sonar wordt verder geëxploreerd; • Ontwikkeling van waarschuwingssystemen voor dynamische belaste betonnen en stalen kunstwerken; • Ontwikkeling en toepassing van nieuwe inspectietechnieken voor het vaststellen van de actuele staat. In het bijzonder de toestand van metselwerken kademuren en moeilijk te bereiken onderdelen in de kunstwerken. • Methodiek voor optimalisatie van inspecties op basis van monitoring; • Ontwikkeling van proefbelastingconcepten voor bruggen met een kleine overspanningen (combinatie van belasten, monitoren en beoordelen); • Voorsorteren op ontwikkeling van technieken voor optimaal gebruik van data voor onderhoud (BIM/GIS, conversie bruikbare standaarden, data mining);


3.4

22/33

Samenwerking en strategische partnering

Rijkswaterstaat en InfraQuest

Rijkswaterstaat is een belangrijke partner, omdat een groot deel van de vervangingsopgave van (grote) natte kunstwerken bij RWS ligt. In MultiWaterWerk zoekt RWS naar mogelijkheden om te standaardiseren om zo Life Cycle Costs te verminderen. Rijkswaterstaat, Technische Universiteit Delft en TNO hebben op het gebied van wegen en constructies krachten gebundeld in lnfraQuest. Gezien het strategisch belang van lnfraQuest is een belangrijk deel van de kennisinvesteringen op het gebied van infrastructuur afgestemd met de Masterplannen van lnfraQuest met betrekking tot Droge Kunstwerken, Natte Kunstwerken en Tunnels. Waterschappen

Op dit moment is dit nog een partij waar TNO vooral indirect mee te maken heeft (bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van leidraden voor primaire waterkeringen). De waterschappen hebben ook veel (kleinere) kunstwerken in beheer, die nu of in de komende jaren hun einde levensduur bereiken en daarmee hebben ook zij behoefte aan mogelijkheden om de levensduur te verlengen of efficiënt te vervangen. ProRail

ProRail en TNO werken samen aan verbetering van het spoorsysteem in haar omgeving door innovaties te ontwikkelen en te realiseren. Daarbij staat bundeling centraal van kennis van TNO over nieuwe technologieën ook uit andere sectoren met kennis van ProRail over de spoorweginfrastructuur en omgeving. Belangrijk onderdeel van het spoorsysteem zijn de kunstwerken. Deltares en Marin

TNO, Deltares en Marin hebben een corn plementaire positie bij het onderzoek op het gebied van waterveiligheid en natte kunstwerken: kennis van de ondergrond, water en hydraulica zijn het domein van Deltares en Marin, terwijl de probabilistische- en beoordelingskennis en kunde bij TNO beschikbaar zijn. Deze complementariteit bestaat ook voor problematiek rondom geïnduceerde aardbevingen. De intensieve samenwerking van TNO en Deltares op het gebied grond/constructie is geformaliseerd door middel van een samenwerkingsverband dat door beide partijen zijn aangegaan. ECTP/Reline

Task Force lnfrastructure van het European Construction Technology Platform (ECTP) is een forum van bedrijven en kennisinstellingen dat zich richt op de formulering en realisatie van een middellange termijn onderzoeksprogramma: ReFINE (Onderzoek for Future lnfrastructure Networks in Europe). TNO is een van de deelnemende partijen. Bouwcampus

Deze campus verenigt SBR, CURNET en Vernieuwing Bouw. Samen zorgen zij voor verspreiding en gebruik van kennis, bedoeld voor het ontwikkelen en in stand houden van het beheer van onze fysieke leefomgeving, waaronder bouw en


23/33

infrastructuur. Het is een plek voor workshops, scholing en training, waar mensen fysiek bij elkaar komen. En daarnaast is de Bouwcampus belangrijk als virtueel kennis- en innovatiecentrum met onder meer TNO als partner voor kennisontwikkeling. NKWK In het nationaal kennis- en innovatieprogramma water en klimaat werken partijen uit de gouden driehoek samen aan diverse onderzoekslijnen. TNO is daarbij betrokken en trekt de onderzoekslijn Toekomstbestendige Natte Kunstwerken. Dit hangt nauw samen met de TKI Deltatechnologie.


24/33


25/33

4 Vraaggestuurd Programma Watertechnologie 4.1

Beoogde impact en doelgroep

Het deelprogramma ‘Watertechnologie’ richt zich op het ontwikkelen, testen en demonstreren van innovatieve technologieën voor decentrale waterbehandeling. Het voldoende beschikbaar hebben van water van voldoende kwaliteit en efficiënt kunnen zuiveren van (afval)water is een voorwaarde voor duurzame sociaaleconomische ontwikkeling. In veel gebieden wereldwijd is er een tekort aan schoon water en raken watervoorraden en ecosystemen bedreigd door de lozing van ongezuiverd afvalwater. Klimaatverandering en een groeiende bevolking dragen bij aan het feit dat zoetwatervoorraden onder druk staan. Nederland heeft internationaal een sterke positie op het gebied van watertechnologie, zowel als het gaat om het ontwikkelen van nieuwe technologieën als om het implementeren van waterzuiveringssystemen. Gezien de grote behoefte aan water van voldoende kwaliteit is er een aantrekkelijke internationale markt voor watertechnologie. Nationaal en vooral ook internationaal bestaat er behoefte aan lokale en integrale oplossingen voor de watervoorziening met aandacht voor hergebruik (waterbesparing door kringloopsluiting), terugwinning van grondstoffen en nutriënten en mineralen (bijv. Fosfaat) en het gebruik of mogelijke opwekking van energie. Een opkomend thema betreft het voorkomen van hormoon verstorende stoffen in het water. Het gaat hierbij niet alleen om medicijnresten maar ook om de effecten van nano-deeltjes, pesticides en natuurlijke hormonen. TNO richt zich in het deelprogramma Watertechnologie op waterbehandeling en sensing waarbij de focus ligt op decentrale waterzuivering en optimalisatie van de waterketen door gebruik te maken van gerichte sensortechnologie. Belangrijke toepassingsgebieden zijn de drinkwatersector, glastuinbouw en diverse industrieën: papier, raffinage, mineralen, voeding en chemische industrie. Daarbij wordt met partners in de hele waterketen samengewerkt: eindgebruikers, service providers, bedrijven uit de water-technologiesector, overheid. Beleidsmatige ontwikkelingen, in het bijzonder de Kaderrichtlijn Water (KRW), Beleidsnota Drinkwater en de Kamerbrief Groene Groei: voor een sterke, duurzame economie’, zijn in dit kader relevant en mede uitgangspunt voor de programmering. Als kennisinstelling is TNO gericht op het bewerkstelligen van grote veranderingen in industrie en maatschappij door het beschikbaar maken van innovatieve oplossingen waarbij in dit VP de focus ligt op innovaties voor waterzuivering voor het bedrijfsleven, in het bijzonder op fysisch-chemische scheidingstechnologie. Hierbij worden de volgende routes bewandeld waarbij (industriële) partners en technologiebedrijven vrijwel altijd betrokken zijn: • Ontwikkelen, testen, prototypen van nieuwe scheidingstechnologieën en sensortechnologieën. Ofwel in consortia, ofwel in opdracht van een enkel bedrijf en veelal gekoppeld aan co-financieringstrajecten (PP-financiering, MKB-regelingen e.d.). • Opzetten en uitvoeren van fieldlabs in samenwerking met de sector. Fieldlabs worden veelal met de gehele waterketen (probleembezitters, watertechnologie-bedrijven, service providers, publieke organisaties/overheid) opgezet om tot demonstratie en acceptatie van nieuwe technologieconcepten te komen.

TNO-rapport Bijstelling VP 2016 Thema Water

26/33

Sector/branche-gerichte coördinatie. Hiertoe behoort TNO’s betrokkenheid in Europese coördinatie-activiteiten zoals WSSTP European 1 nnovation Partnersh ip (EIP) Water en ChemWater. Samenwerking met overheden en industrie, technologie-, drinkwater- en afvalwaterbedrijven gebeurt in projecten waarvoor een maatschappelijk en/of industriële behoefte bestaat. Het programma zet in op een bijdrage aan de Topsector Water door aan te sluiten bij de daarin benoemde speerpunten. Innovatie komt mede tot stand door gebruik te maken van innovatie- en stimuleringsmaatregelen, zoals cofinancieringsinstrumenten, Europese programma’s, zoals KP7/H2020 en B2B financiering. Er is een patentportefeuille opgebouwd op verschillende technologische ontwikkelingen, zoals op diverse membraancontactor technologieën (b.v. Memstill, slug flow pertractie).

4.2 42.7

Samenwerking Nationale samenwerking

Binnen het TKI-Watertechnologie stemmen KWR, Wetsus, Deltares, NWO, Stowa en TNO hun onderzoeksagenda op elkaar af. Tevens vindt er op projectbasis samenwerking plaats met de afzonderlijke partners. De koppeling tussen fundamenteel onderzoek en toegepast onderzoek past binnen de samenwerking die bestaat met universitaire onderzoeksgroepen aan de TU-Delft, Universiteit Twente en Wageningen University en vindt mede plaats in gezamenlijke projecten voor STW en NWO. Daarnaast is TNO actief betrokken bij verschillende brancheorganisaties waaronder Envaqua en VML. 4.2.2

Internationale samenwerking en Horizon-2020 Het WSSTP (Water Supply and Santitation Technology Platform) is het technologie platform voor de Europese commissie op het gebied van watertechnologie en levert gevraagd en ongevraagd in put voor de Europese onderzoeksagenda. TNO participeert tevens in het European Innovation Partnership “Water” als onderdeel van het Europese kaderprogramma voor onderzoek 2014-2020, Horizon-2020. Een door TNO ingediend voorstel voor een Action Group Industrial Water Re-use and Recycling’ is in 2013 door het EIP geselecteerd. De Action Groups leveren mede input voor “Horizon-2020”. Het doel van de Action Group ‘Industrial Water Re-Use and Recycling’ is het ontwikkelen en implementeren van (lokale) innovatieve technische, sociale en duurzame oplossingen op het gebied van industrieel waterhergebruik. Hierbij wordt gekeken naar verschillende bronnen: industrieel, stedelijk, landbouw, ecosystemen (wetlands). Meer dan 40 partners uit 10 Europese landen en 7 landen buiten Europa (waaronder Australië, China, India, Singapore en Zuid-Afrika) participeren in deze Action Group. Vanuit Nederland participeren Evides, Arkema, DOW Benelux, TNO en TU-DeIft.

Een belangrijk deel van het Vraaggestuurd Programma voor Watertechnologie is gekoppeld aan Europese onderzoeksprojecten. Deze projecten worden voor ongeveer 60% gefinancierd door de EC en voor het overige uit het Vraaggestuurd Programma Watertechnologie. TNO streeft er naar dat zoveel mogelijk Nederlandse bedrijven participeren in dezelfde EU-projecten als waarin TNO participeert. Daarnaast is TNO partner in het Europese Knowledge and Innovation Community (KIC)-Climate. Hierbinnen wordt actief deelgenomen om met bedrijven en universiteiten innovaties te ontwikkelen en marktimplementatie te


27/33

bewerkstellingen. Het KIC-Climate is een programma dat ressorteert onder het European Institute for Innovation and Technology van de Europese Unie. 4.3

Programma voor 2016

TNO sluit met het Vraaggestuutd Programma Watertechnologie aan op de drie onderscheiden l nnovatiethema’s uit het l nnovatiecontract Watertechnologie 2016 2019 die in het lnnovatiecontract als volgt beschreven zijn:

—

Resource Efficiency Met resource efficiency wordt binnen de sector het efficiënter omgaan met natuurlijke hulpbronnen door middel van kringloopsluiting bedoeld. Dit is daarmee een invulling van het streven naar een meet circulaire economie. Efficiëntieverbeteringen in de keten leveren niet alleen kostenbesparingen op, maar kunnen ook leiden tot energiebesparing en C02-reductie. Er wordt onderscheid gemaakt in het hergebruik van drie soorten hulpbronnen: energie, grondstoffen en water zelf.

Smart Water Systems Water is een sector met verbindingen naar vele andere sectoren, zoals landbouw, energie en chemie. Water vormt in steden het zenuwstelsel met sterke verbindingen naar de burger en is daarom bij uitstek een sector waar onderzoek en innovatie de samenleving ten goede komt. Veel perspectief is er voor innovaties op het grensvlak van de fysieke en digitale wereld. Sensoren en modellen die steden slimmer maken in hun dienstverlening aan de burgers en die burgers beter betrekken bij de vormgeving en het beheer van hun omgeving. Dit moet bijdragen aan de leefbaarheid, minder watervervuiling, efficiënter gebruik van water en energie en terugwinning en hergebruik van grondstoffen. Sustainable Cities Steden zijn steeds meer een thuisbasis voor velen. Er zijn

momenteel meer dan 400 steden met meer dan 1 miljoen inwoners en 23 megasteden (steden met meer dan 10 miljoen inwoners). Steden spelen een hoofdrol in de economische ontwikkeling. Ze zijn centra van communicatie, innovatie en creativiteit, en spelen een grote rol op sociaal en cultureel gebied. Een duurzame stad is een stad ontworpen met aandacht voor de milieu-impact, en met inwoners die gebruik van energie, water en voedsel minimaliseren, uitstoot van afval en broeikasgassen beperken, en watervervuiling minimaliseren. Vanuit het perspectief van watertechnologie zijn het Urban Water Cycle concept, een innovatieve infrastructuur en slim assetmanagement pijlers voor de duurzame stad. TNO richt het onderzoek in dit Vraaggestuurd Programma Watertechnologie op de thema’s ‘Resource Efficiency’ en ‘Smart Water Systems’. Het programma voor 2016 wordt in onderstaande nader beschreven. We zien duidelijke meerwaarde van de ontwikkelingen die op de thema’s ‘Resource Efficiency’en ‘Smart Water Systems’ worden gedaan voor het thema ‘Sustainable Cities’. Een nadere uitwerking en de bijstelling voor 2016 wordt in onderstaande paragrafen gegeven.


Thema Innovatiecontract Resource Efficiency

28/33

Te adresseren kennisthema’s Innovatiecontract en inzet VP ‘Watertechnologie’ Te adresseren kennisthema’s uit 1 nnovatiecontract: Drinkwater en industriewater, Afvalwaterbehandeling, Nieuwe waterbronnen, Terugwinning van mineralen (nutriënten en hergebruik van reststoffen), Winning van energie, Watersystemen en kringlopen Inzet: •

Smart Water Systems

Waterbehandelingstechnologie voor terugwinning van nutriënten (o.a. zeldzame mineralen, zouten en fosfaat) • Decentrale waterbehandelingstechnologie voor waterhergebruik en —cascadering in industrie en waterketen; • Benutting restwarmte uit industriële processen voor waterbehandeling • Decentrale waterbehandeling met co-generatie van energie • Waterbehandelingstechnologie voor nieuwe bronnen voor drinkwaterproductie (zout water). • Geavanceerde verwijdering van toxische componenten uit grond/drink/afvalwater (As,F, fosfaten, pesticiden, endocrine disruptors). Te adresseren kennisthema’s uit Innovatiecontract: Drinkwater en industriewater, Afvalwaterbehandeling; Winning van energie; Sensoring & control; Watersystemen en kringlopen. Inzet: •

• •

4.3.1

Decentrale waterbehandelingstechnologie voor waterhergebruik en —cascadering in industrie en waterketen. Sensing en Control in decentrale waterbehandeling Sensornetwerken gericht op monitoring van watersystemen (KRW)

Innovatiethema 1: Resource Efficiency

De terugwinning van waardevolle grondstoffen uit (afval)water is van belang om duurzamer om te springen met eindige voorraden en geopolitieke afhankelijkheid van deze grondstoffen te verminderen. Zuivering van afvalwater en terugwinning van grondstoffen kunnen hand in hand gaan. Dat kan bij industrie, landbouw en huishoudens. Een voorbeeld is het terugwinnen van schaarse metalen. Men kan hierbij denken aan afvalstromen van de mijnbouwindustrie maar zeker ook aan metalen die terug te winnen zijn uit afval, bijvoorbeeld beeldschermen. Momenteel is TNO actief in het FP7 project Reclaim, waarbij gallium en indium worden teruggewonnen uit beeldschermafval. Deze vorm van “urban mining” kan als voorbeeld dienen voor project die als opvolger(s) gezien zouden kunnen worden binnen H2020.


29/33

De productie van energie uit water kan goed bijdragen aan de transitie richting duurzamer energiegebruik. Fossiele brandstoffen dragen bij aan het broeikaseffect en zijn eindig. Uitputting van de voorraad fossiele brandstoffen leidt naast stijgende prijzen tot ongewenste politieke afhankelijkheid. De winning van energie uit water is in Nederland in ontwikkeling. Belangrijke voorbeelden hiervan zijn energie uit getijden, energie uit golven, energie uit zoetzout gradiënten, warmte koude opslag, energie uit aquatische biomassa (algen en zeewier), energie uit temperatuurverschillen en energie uit afval- en proceswatet. Voorts is water een belangrijke drager van energie in de vorm van warmte. Deze warmte kan direct worden hergebruikt bij direct waterhergebtuik (in industriële processen) of worden opgeslagen, teruggewon nen en vervolgens benut. Warmte/koude-opslag is hiervoor een toegepaste techniek. Zowel op grote schaalin de industrie als op kleine schaal. -,

Binnen dit Thema wordt gewerkt aan het KIC-Climate-project WE4CC’ dat zich met een consortium van bedrijven uit de energie- en watersector richt op het ontwikkelen van de technische opschaling van drie nieuwe waardeketens voor de productie van water door gebruik te maken van laagwaardige restwarmte uit koelwater. Het gebruik van restwarmte kan elektriciteitsgebruik voor lokale waterbehandeling met 50% reduceren ten opzichte van conventionele toepassingen. De looptijd van het project is 2013— 2016. In het project wordt membraandestillatie toegepast voor de productie van gedemineraliseerd water en drinkwater met gebruikmaking van laagwaardige warmte. Hierbij worden twee toepassingen getest: • Memstill: gedeeltelijk gebruik van restwarmte • Memstill met warmte envelop (MD-HEX): volledig gebruik van restwarmte voor membraandestillatie. Ander lopend onderzoek binnen dit Thema betreft E4Water: Test en demo van waterbehandelingstechnieken voor de geïntegreerde behandeling van industrieel, communaal en agrarisch afvalwater en opwerking van het afvalwater voor hergebruik voor industriële processen. De ontwikkelingen worden gedaan in het FP7-project E4 Water’ op een proeflocatie in Terneuzen en lopen gedurende de periode 2012 —2016. Het doel van het project is om te komen tot een substantiële vermindering van de zoet water inname voor industriële processen door gebruik te maken van opgewerkt afvalwater dat voldoet aan industriële normen. Technieken die getest worden zijn Membraan-destillatie en Electro-dialyse (ontzouting), Electro-coag ulatie (voorbehandeling van zoute stromen), Prevscale (ontharding) en Pertractie (verwijderen van VOO’s). Partners: 19 totaal, waarvan 4 Nederlandse uit de watertechnologiesector en chemische procesindustrie. De chemische industrie heeft een grote potentie voor het verbeteren van eco efficiency in industrieel water beheer. E4Water is een Europees onderzoeksproject dat zich richt op het ontwikkelen, testen, en valideren van nieuwe geïntegreerde benaderingen, methoden en procestechnologie voor een meer efficiënt en duurzaam beheer van water in de chemische industrie met mogelijkheden voor kruisbestuiving naar andere industriële sectoren.


30 / 33

•.I al..

Natural watGr rocources: good quantitïvo & qualitathie status: Industry reduced demand & discharge, ragulatory compilenco

TNO, Dow Benelux, Evides en TU-DeIft werken in E4Water samen aan de industrie-pilot ‘Terneuzen’. Daarbij gaat het om ontzilting van verschillende waterstromen afkomstig uit oppervlaktewater, proces stromen en effluent van zowel industriële als publieke waterzuiveringsinstallaties. Het gaat er daarbij om industrieel proceswater kosten-efficiënt te kunnen produceren uit gebruikt procesen stedelijk afvalwater en zo een grote waterbesparing te bereiken. Het concept zal generiek toepasbaar zijn in kustgebieden waar vanuit industrie en publieke watervoorzieningen druk bestaat op de beschikbare zoetwatervoorraden. TNO is in 2012 begonnen met een project gericht op de ontwikkeling van een nieuw concept voor de gelijktijdige productie van arbeid/elektriciteit en schoon water uit waterige bronnen en restwarmte. Met dit concept (een warmte-water-motor), MemPower genoemd, worden onzuivere waterstromen van diverse bronnen (zeewater, brak water, oppervlaktewater) in één compact apparaat met restwarmte opgewerkt tot schoon (drink)water onder co-generatie van arbeid/elektriciteit. Mem Power integreert membraandestillatie-onder-druk met energietechnologie.

TNO-rapport

31! 33

Bijstelling VP 2016 Thema Water

Heat (solar/geothermal/waste) -

spacer

ptt.,I,3

spacer

oore -.

membrane distilled water (3)

brine (2)

distilled water (3)

brine (2)

Characteristics: Heat as a driving farce for MD Pressurized disbilate • Water pressure is converted by turbine/generator

De bijstelling van het VP voor 2016 zal zich richten op een nieuw te ontwikkelen project Mempower-Il. Dit project heeft als doel te komen tot een Ptoof-of-Concept voor het gecombineerd benutten van afvalwarmte uit koelwater voor waterzuivering en elektriciteitsproductie op basis van Mempower-concept. Op de technologie is patent aangevraagd en de eerste proof-of-concept’-testen zijn uitgevoerd, waarna beoordeling plaats vindt in hoeverre de techniek in aanmerking komt voor een proof-of-prototype. Daarbij zal met name ook naar de toepassing zon energiemodules gekeken worden. De ontwikkeling sluit aan op het lnnovatiethema resource efficiency’ uit het Innovatiecontract. 4.3.2

Innovatiethema 2: Smart water systems

Op het gebied van technologieën mogelijk gemaakt door ICT, zullen we ons focussen op toepassing die het volgende ondersteunen: (1) het ontwikkelen van sensoren gericht op het meten van specifieke verontreinigingen. Hierbij richten wij ons op de ontwikkeling van een glasvezel gebaseerd sensorsysteem voor diverse chemische stoffen in water, zowel anorganisch als organische componenten. (2) sensoren integreren in een platform voor het real-time uitlezen van data voor het sluiten van de controlloop en efficiëntere monitoring. Hierbij richten wij ons op de ontwikkeling van een sensorsysteem voor organische verontreinigingen, BTEX en diverse (gechloreerde) VOC’s op basis van state of the art technologieën.


32/33


33/33

5 Ondertekening Delft, 15 september2015 /

ii

Ir. L.J.J. Kusters AIgernen Directeur

TNO

IrNO innovation. for life. Speurwerkprogramma Thema Water en Klimaat. Bijstelling TNO-rapport TNO 2015 P Datum 8 september 2015

Recommend Documents