Meerjaren Speurwerkprogramma Voortgangsrapportage 2013 VP EnerGO

Van Mourik Broekmanweg 6 2628 XE Delft Postbus 49 2600 AA Delft

TNO-rapport

www.tno.nl

TNO 2014 R10408

T +31 88 866 30 00 F +31 88 866 30 10

Meerjaren Speurwerkprogramma 2011-2014 Voortgangsrapportage 2013 VP EnerGO

Datum

27 februari 2014

Auteur(s)

Ir. L.J.W.M. Krosse

Authorisatie

Ir. D. Ph. Schmidt Algemeen directeur

Aantal pagina's

12 (incl. bijlagen)

Regievoerend departement

Ministerie van Economische Zaken

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. © 2014 TNO

TNO-rapport | TNO 2014 R10408

2 / 12

Inhoudsopgave 1 1.1 1.2

Inleiding ..................................................................................................................... 3 Inleiding ...................................................................................................................... 3 Highlights .................................................................................................................... 4

2

Uitvoering in 2013 ...................................................................................................... 5

3

Resultaten .................................................................................................................. 7


1

Inleiding

1.1

Inleiding

3 / 12

Om de mondiale trends van toenemende schaarste van conventioneel winbare fossiele brandstoffen en de effecten van de voorspelde klimaatverandering te kunnen doorbreken, speelt de gebouwde omgeving een cruciale rol. 35% van het primaire energiegebruik vindt plaats in de gebouwde omgeving en 30% van de CO₂ uitstoot. 80% van onze tijd brengen we door in gebouwen. Uit de prognoses van onder andere International Energy Agency (IEA) blijkt dat niet alleen de verstedelijking toeneemt, maar ook het aandeel van het energiegebruik dat toe valt te schrijven aan de gebouwde omgeving. Een kentering is op mondiaal niveau nog niet zichtbaar. Het economisch belang van de bouwsector blijkt uit een aandeel van ca. 7% in de Nederlandse werkgelegenheid en ca. 4,5% in het bruto nationaal product. Doelstelling Het energiegebruik zal vergaand gereduceerd moeten worden in zowel de bestaande (renovatie) als de nieuwbouw, in zowel de woningbouw als de utiliteitsbouw. Uit onderzoek is gebleken dat door energiebesparende technologieën en maatregelen de primaire energievraag met ca. 50-70% teruggebracht kan worden. Dit betekent dat de resterende energievraag op duurzame wijze ingevuld moet worden om een energie neutrale of zelfs een energie producerende gebouwde omgeving mogelijk te maken. Het gebruik van duurzame energiebronnen en decentrale opwekking is noodzakelijk. Een sterke reductie van de energievraag is alleen duurzaam te realiseren door verstandige inzet van energie door gebruikers (gedrag) en goed functioneren van installaties gedurende de gebruiksfase. De behoeften van de eindgebruikers mogen daarbij niet uit het oog worden verloren. De hiervoor benodigde technologie en ondersteunende methodieken worden ontwikkeld in drie onderzoekslijnen: a) Installaties en Binnenmilieu b) Energie Efficiënte Gebouwen c) Energie Neutrale Gebieden Dit programma (EnerGO) hangt nauw samen met het deelprogramma Energie Gebouwde Omgeving binnen het vraaggestuurde programma Duurzame Leefomgeving. De nadruk van EnerGO ligt op technologieontwikkeling voor installaties en gebouwen en toolontwikkeling op gebiedsniveau. De nadruk van het vraaggestuurde programma Duurzame Leefomgeving ligt juist meer op de ontwikkeling van modellen, methodieken en databases die een goede, effectieve implementatie in gebouwen en wijken mogelijk moeten maken. Beide programma’s zijn dus complementair en sluiten nauw op elkaar aan.


1.2

4 / 12

Highlights 1.

2.

In de iCOON woning in Heerhugowaard is in 2013 een eerste demonstrator van compacte thermochemische warmte opslag gerealiseerd door TNO. Dit is een belangrijke stap om het principe te demonstreren aan een groter publiek. In parallelle projecten wordt ondertussen hard doorgewerkt om de eerste systemen voor een veldexperiment te ontwikkelen, ontwerpen en te bouwen. De uiteindelijke doelstelling is de realisatie van een thermisch opslagsysteem dat ca. een factor 6 compacter is dan de huidige thermische opslagsystemen. Een nieuw compressie principe waardoor de volgende generatie energie-efficiënte, stille, olie-vrije compressoren realiseerbaar worden. Een nieuw principe voor gascompressie (voor warmtepompen en airconditioners) is eind 2012 bedacht en gepatenteerd in 2013: de torsion drive compressor. De compressor industrie heeft enthousiast gereageerd. Met de conventionele principes zijn geen grote energieefficiëntie verbeteringen meer mogelijk (de grenzen van de huidige technieken zijn vrijwel bereikt). Door toepassing van het torsion principe is het mogelijk om weer een grote energie efficiency stap te maken binnen de normale randvoorwaarden. In 2013 is een gezamenlijk ontwikkeltraject opgezet met een toonaangevend internationaal consortium. Doelstelling is om in 2016 een prototype te hebben.

.

Figuur 1: Thermochemische opslag in de iCOON woning in Heerhugowaard


2

5 / 12

Uitvoering in 2013 Uitvoering programma De economische crisis is ook nog in 2013 van invloed geweest op het vraaggestuurde programma ‘Energie in de Gebouwde Omgeving’. De bouwsector (en de toeleveranciers) zijn belangrijke stakeholders voor dit programma. De sector is in 2013 nog niet hersteld van de economische crisis. De verwachting is dat pas in 2014 een licht herstel te zien zal zijn. Cofinancieringsprojecten worden nog steeds traag opgestart. De co-financiers hebben meer tijd nodig om een investeringsbeslissing te nemen dan voor de crisis. Dit leidt tot minder snelle voortgang van de gezamenlijke technologieontwikkeling.

Vraagsturing Naast de reguliere overleggen met stakeholders en partners in diverse projectgebonden samenwerkingsverbanden, klankbordgroepen en frequente bilaterale contacten met brancheverenigingen en overheid, participeert TNO in belangrijke samenwerkingsverbanden als KIC InnoEnergy, PPP EeB en EERA Smart Cities.

KIC InnoEnergy De Knowledge Innovation Community InnoEnergy is eind 2009 door het EIT toegekend. De colocatie Benelux richt zich op energie in de gebouwde omgeving. In deze KIC werken kennisinstellingen en industriële partijen samen om de innovation triangle (onderwijs, onderzoek, business) op het gebied van duurzame energie te versterken. TNO is partner binnen de KIC InnoEnergy en thematic leader van het thema ‘Intelligent Energy Efficient Buildings and Cities’.

PPP EeB: Public Private Partnership Energy Efficiency in Buildings Het Europese PPP EeB is door Bouygues, Arup, Saint Gobain, Philips, Stiebel Eltron, EDF, Mostostal, D’Appolonia en Acciona opgericht om het energiebeleid en industriebeleid hand in hand met elkaar te laten gaan, zodat terugdringen van het energiegebruik in de gebouwde omgeving samengaat met versterking van het bedrijfsleven. Versterking van het thema energie in de gebouwde omgeving kan er voor zorgen dat binnen de waarde-ketens in deze sector een aanzienlijke versterking van de economische toegevoegde waarde kan ontstaan voor het bedrijfsleven. Deze aanpak is ondersteunend aan de overheidsambities.

GEN: Gebied Energie Neutraal Dit is een lopend samenwerkingsprogramma tussen het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties en een consortium bedrijven waarbij verder kennis wordt ontwikkeld om op grote schaal zowel nieuwbouw als renovatie energie neutraal te krijgen op gebiedsniveau. GEN gaat uit van een repeteerbare aanpak en oplossingen die zonder subsidie levensvatbaar en rendabel zijn. Het ambitieniveau van GEN is hoog: energieneutraliteit, en dan ook nog voor een heel gebied. De kennis sluit volledig aan bij het innovatiecontract (TKI) en dit Vraaggestuurde Programma. Het GEN programma wordt


6 / 12

uitgevoerd door de stichting GEN. TNO is één van de koplopers, bestuurslid van de stichting GEN en participeert in de uitvoering van de GEN projecten. De interactie tussen de verschillende programma’s wordt zo op een natuurlijke wijze geborgd.

Samenvatting samenwerkingsverbanden 1.

Kennisinfrastructuur a. KIC InnoEnergy (binnen de co-locatie Benelux: TNO, Technische Universiteit Eindhoven, Katholieke Universiteit Leuven, Vito, Laborelec en Eandis). b. Internationale samenwerking met VTT, Sintef, Vito, Tecnalia, CEA. c. ENBRI: European Building Research Network. d. EERA Smart Cities (vrijwel alle Europese kennisinstituten op het gebied van energie in de gebouwde omgeving, programmaleiders: AIT, TNO, Sintef, ENEA). e. Diverse IEA samenwerkingsverbanden (o.a. Annex 5, 47 en 53). 2. Publiek en privaat a. EeB-Association (Bouygues, Arup, Saint Gobain, Philips, Stiebel Eltron, EDF, Mostostal, D’Appolonia en Acciona). b. INIVE: Europese samenwerking HVAC industrie. c. EeB-NLP (ca. 50 Nederlandse industriële partners). d. TKI-EnerGO: nationale publiek-private samenwerking op het gebied van Energie in de Gebouwde Omgeving. e. SEAC: samenwerking tussen Holland Solar, TNO en ECN op het gebied van toepassing van zonne-energie.


3

7 / 12

Resultaten Begin 2012 is besloten om het deelprogramma ‘Energie Gebouwde Omgeving’ op te splitsen in twee programma’s: een deelprogramma ‘energie gebouwde omgeving’ binnen het Vraaggestuurde Programma Duurzaam bouwen, en een nieuw Vraaggestuurd Programma Energie Gebouwde Omgeving in lijn met de TKI EnerGO binnen de topsector Energie. De technologie ontwikkeling wordt nu grotendeels uitgevoerd binnen het Vraaggestuurde Programma EnerGO (gekoppeld met de TKI EnerGO). De methodiek ontwikkeling, de ontwikkeling van analyse-instrumenten en rekenmodellen zal vooral gebeuren in het Vraaggestuurde Programma Duurzaam bouwen, deelprogramma Energie in de Gebouwde Omgeving. Uiteraard is er een grote samenhang en interactie tussen de twee deelprogramma’s. De belangrijkste resultaten zijn: Onderzoekslijn 1: Installaties en Binnenmilieu 

Compacte thermische opslag: Om een energie producerende gebouwde omgeving mogelijk te maken is inzet van decentrale duurzame energiebronnen noodzakelijk. Voor een zo effectief mogelijke inzet is optimale integratie een vereiste. Cruciaal is de ontwikkeling van een compacte technologie waarmee het mogelijk is om de onvermijdelijke ongelijktijdigheid van vraag en aanbod vrijwel verliesvrij te overbruggen. Bij de huidige opslagtechnologieën gaat warmte verloren tijdens de opslagperiode, zijn vaak grote investeringen gemoeid en is veel ruimte noodzakelijk. Thermochemische opslag is een technologie die in potentie deze nadelen niet heeft. De technologie is echter nog niet marktrijp. Naast componenten systeemontwikkeling is ook behoefte aan fundamentele materiaalontwikkeling. Door TNO wordt in consortia binnen diverse Europese en Nederlandse projecten gewerkt aan (compacte) thermische energieopslag, waarbij de focus van de werkzaamheden ligt op componenten systeemontwikkeling. Hiervoor worden nieuwe numerieke modellen ontwikkeld, mock-ups gebouwd en numerieke modellen gevalideerd. In 2011 en 2012 is gewerkt aan verbetering van de warmteoverdracht tussen het thermochemische sorptie materiaal en de geïntegreerde warmtewisselaar in de reactor. De eerste monsterstukken laten een flinke warmte-overdrachtsverbetering zien. Daarnaast zijn in 2012 diverse simulatiemodellen opgesteld om de verdere systeemontwikkeling van thermische opslag te ondersteunen. Ten slotte is een review uitgevoerd om de mogelijkheden in kaart te brengen om thermochemische materialen stabieler te maken. Indicatieve metingen hebben aangetoond dat het mogelijk is om thermochemische materialen zodanig te encapsuleren dat de dehydratatie temperatuur verlaagd wordt. Dit betekent dat een groter aandeel van de beschikbare zon-thermische energie opgeslagen kan worden. Dit principe is vastgelegd in een patent wordt in 2013-2014 verder onderbouwd en uitgewerkt. In 2013 heeft de nadruk vooral gelegen op de component en systeemontwikkeling in diverse (Europese) projecten zoals EU Einstein, EU EHub, EU Merits en TKI TESSEL. De belangrijkste resultaten zijn: - Een demonstrator gebaseerd op het stofpaar silicagel-water is gerealiseerd in de iCOON woning in Heerhugowaard.


-

-

-



8 / 12

Binnen het EHub project is een 3 kWh adsorber/desorber ontworpen en gebouwd gebaseerd op het stofpaar zeoliet 5A – water. De beoogde specificaties zijn ruim gehaald. De adsorber/desorber is zodanig vorm gegeven dat relatief eenvoudig ook andere stofparen beproefd kunnen worden. Verder is de adsorber/desorber gebruikt om de eerder gemaakte numerieke modellen te valideren. De ontlaadsnelheid is in de orde grootte van minuten. De laadsnelheid is nog te traag. Hieraan zal verder gewerkt worden in 2014. Binnen het Einstein project is een nieuwe methode bedacht om een thermochemisch opslag systeem te laden/ontladen. De resultaten van de eerste indicatieve testen waren goed. De methode wordt nu vastgelegd in een patentaanvraag. Binnen TESSEL en Merits wordt gewerkt aan thermochemische seizoensopslagsystemen die over ca. 2-3 jaar ingezet kunnen worden voor een eerste veldexperiment. De eerste generatie zal nog gebaseerd zijn op silicagel-water, de volgende generatie die binnen Merits gerealiseerd gaat worden zal gebaseerd zijn op Na2S-water (grotere opslagdichtheid). De componenten en systemen worden in 2013-2014 ontwikkeld. Na de zomer begint de bouw van de systemen.

Duurzame compacte conversietechnologie In 2012 is het idee van een torsion-drive compressor bedacht. Het technische principe is uitgewerkt wat onder andere heeft geresulteerd in een nieuw aanvullend patenten (in aanvraagfase). Daarnaast is de business case verder onderbouwd en besproken met een aantal stakeholders. Zowel de system integrators (onder andere warmtepomp en kleine koelmachine fabrikanten) als de compressorfabrikanten hebben enthousiast gereageerd. Met de conventionele principes zijn geen grote energie-efficiëntie verbeteringen meer mogelijk doordat de grenzen van de huidige techniek bijna bereikt zijn. Door toepassing van het torsion principe is het mogelijk om weer een grote energie efficiency stap te maken binnen de normale randvoorwaarden. Bovendien is het torsion-drive principe in potentie stiller dan de huidige technologieën. Een gezamenlijk ontwikkeltraject met een internationaal consortium is in 2013 opgezet. In 2014 zal deze ontwikkeling verder voortgezet worden. De eerste stap zal zijn het verder uitwerken van een gedetailleerde technische en economische haalbaarheidsstudie.


9 / 12

Figuur 2 Torsion-drive compressor

Onderzoekslijn 2: Energie Efficiënte Gebouwen 

Multifunctionele gebouwdelen: Klimaat Adaptieve Gevel De gevel zoals die traditioneel wordt ontworpen en gemaakt, is in hoofdzaak een statisch systeem. Kenmerken als thermische massa, isolatiegraad en de verhouding 'open' en 'dichte' delen zijn het hele jaar door nagenoeg gelijk. De zon- en lichttoetreding kunnen veelal slechts met handgeregelde (binnen)zonwering, gereguleerd worden. Dit leidt niet tot een systeem dat energetisch en comforttechnisch optimaal presteert omdat veelal niet adequaat op wisselende binnen- en buitencondities kan worden gereageerd. Een dergelijke statische schil is eveneens niet ingesteld op veranderende eisen in de toekomst vanuit klimatologisch perspectief of verandering van functie gedurende de levensloop van een gebouw. Dit leidt tot onnodig frequente gevelrenovatie en een groot beslag op materialen en energiegebruik. Het hoofddoel van dit onderzoek was om gebouwschilconcepten te ontwikkelen (op proof-of-principle niveau) met variabele, thermische en licht doorlatende eigenschappen teneinde energie te kunnen besparen en comfort te kunnen verbeteren: FACET - Façade als Adaptief Comfort verhogend en Energiebesparend Toekomstconcept. Om te komen tot innovatieve concepten is gekozen voor een inverse aanpak. Hierbij is op basis van een gecombineerde prestatiefunctie (energie-efficiëntie, comfort en lichtkwaliteit), gedetailleerde gebouwsimulaties en geavanceerde zoektechnieken gezocht naar de ideale dynamische geveleigenschappen onder verschillende omstandigheden. Deze ideale virtuele gevels zijn vervolgens vertaald naar bouwfysische systemen en regelstrategieën. Met de inverse aanpak is eerst het volledige oplossingsgebied bepaald en vervolgens vertaald naar realistische gevelconcepten.


10 / 12

De resultaten laten onder andere zien dat een transparante borstwering weinig bijdraagt aan de lichtkwaliteit in tegenstelling tot bovenlichten. Een groot aantal combinaties van transparante en niet transparante delen blijken juist een goede lichtkwaliteit bij een grote energie efficiëntie te geven. Er zijn daarom veel mogelijkheden om de zontoetreding (thermisch) te optimaliseren zonder in te leveren op lichtkwaliteit, uitzicht en minimaal energiegebruik voor verlichting. Een regeling die zowel de lichtkwaliteit als de zontoetreding (thermische) optimaliseert blijkt complex. Eerst worden de instellingen voor transparantie en verlichting bepaald met een minimale en een maximale zontransmissie die voldoen aan de eisen voor licht daarna kan de optimale stand worden bepaald vanuit thermisch oogpunt.

Figuur 3: Simulatie

Figuur 4: FACET gevels

Onderzoekslijn 3: Energie Neutrale Gebieden 

Energieopwekking, distributie en opslag op gebiedsniveau Binnen het Urban Strategyplatform is een energie netwerkmodule (proof of concept) gerealiseerd. De rekenmethode is gebaseerd is op de graven-theorie en maakt gebruik van de algorithmen die ook ingezet worden voor de


11 / 12

verkeersmodellen (onder andere voorspelling opstoppingen en files). Door aan de graven fysische eigenschappen toe te kennen kan vrijwel elk energietransportmodel gesimuleerd worden. Deze module berekent per tijdstap (bijvoorbeeld uurlijkse waarden) een energienetwerk (elektriciteit, warmte, aardgas) op basis van energievraag, lokaal energie aanbod (bijvoorbeeld PV panelen) de belasting op het net en haar componenten. Daarmee is het een veelzijdig instrument om te beoordelen of netwerkcomponenten ook bij toename van lokale duurzame opwekking nog geschikt zijn. De volgende stap is het integreren van lokale energieopslagsystemen in het netwerk waarmee de belasting op het netwerk in de tijd kan worden beïnvloed.

Figuur 5: Voorbeeld van een interactieve interface van een elektriciteitsnetwerk in een woonwijk.

Figuur 6: Detail van het netwerksysteem.


12 / 12

Patenten Nieuwe patenten in aanvraag of pending zijn:  Verbetering energieprestatie en integratie duurzame energie: 2 op het gebied van compacte opslag, 1 op het gebied van efficiënte energie conversie  Verbetering kwaliteit binnenmilieu: 1 op het gebied van filtering  Prestatieborging tijdens de gebruiksfase: 1 op het gebied van intelligente regelalgoritmen

Kennisoverdracht naar doelgroep Kennisoverdracht naar de doelgroep heeft in verschillende vormen plaats gevonden. Diverse artikelen en enkele interviews zijn in vakbladen gepubliceerd. Daarnaast zijn enkele MKB technologie cluster en branche innovatiecontracten opgestart en uitgevoerd met een brede deelname vanuit de toeleveranciers.

Meerjaren Speurwerkprogramma Voortgangsrapportage 2013 VP EnerGO

Recommend Documents