Thermische Energie uit Oppervlaktewater Meren als warmtewisselaar en sloten als zonnecollector?
Pascal Boderie (Deltares) Nieuwegein, 20 Juni 2012
Thermische Energie: kansen in het hoofdwatersysteem Veranderende rolopvatting RWS: • van handhaver normen voor warmtelozingen -> potenties energie-besparing/winning uit oppervlaktewater Potenties • voorkomen van warmtelozingen (nuttig hergebruik) • terugwinnen en transport van geloosde warmte uit oppervlaktewater • oppervlaktewater om natuurlijke warmte/koude te winnen •
•
Pascal Boderie
Water is grote zonnecollector en thermische energie transporteur en NL bodem is geschikt voor WKO Slimme koppelingen opvang- en opslagcapaciteit in stedelijk gebied: extra kansen voor benutting van stedelijk grond- en oppervlaktewater
Nieuwegein, 20 juni 2012
Warmte-koude opslag in grondwater • technologie is van de ‘water energie bronnen’ het verst ontwikkeld en op redelijke schaal toegepast in woningbouw & utiliteit • is energiebesparing geen energieproductie; 40% in verwarming, 90% bij koeling • de economische terugverdientijd (orde 3 jaar) is aantrekkelijk • milieugevolgen (bij gesloten warmtebalans) minimaal; wettelijk kader nog onduidelijk
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Warmte-koude opslag in oppervlaktewater • Diep gestratificeerd oppervlaktewater > hieruit is ‘s zomers koude te winnen door temperatuurgradiënt met diepere waterlagen > technologie eenvoudig beschikbaar en toegepast in oa. Nieuwe Meer voor koeling van kantoren > Diep water geschikt voor koeling (= warmtelozing), gevolg is beïnvloeding waterkwaliteit
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Temperatuurstratificatie in diep water
Nauwkeurige Validatie Computermodel (Delft3D-Flow) - Metingen
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Koude winning Nieuwe Meer • •
•
Direct gebruik voor koeling in de zomer (10-15 MW) Gradiënt wordt door koudewinning verstoord • spronglaag zakt • diepere lagen worden opgewarmd • stratificatie word in najaar eerder doorbroken Oppervlaktewater wordt opgewarmd door retourwater -> extra risico waterkwaliteit (bellenschermen)
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Nieuwe Meer - bellenscherm
Light
Dark
Floating
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Sinking
Numerieke simulatie koudewinning NM • Koudewinning sub-optimaal door bellenscherm op de bodem: de stratificatie is dan geheel verdwenen • Diepte van de spronglaag maatgevend voor waterkwaliteit en voor energieopbrengst • Optimalisatie mogelijk: Luchtinjectie op 10m of op 15m levert koel water (9-10˚C aan bodem) en een goed doormengde toplaag met beperkte verslechtering van de waterkwaliteit • Handhaving met simulatiemodel: > max. 0.5˚C toename in ondiepe oeverzones > gefilterde dieptegemiddelde berekende watertemperatuur
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
2e voorbeeld diepe plassen: Oudekerkerplas • • • • • •
40 m diepe plas bij A’dam, geïsoleerd Door koudewinning wordt fosfaatrijk water uit de onderlaag (zuurstofarm) opgepompt Extra fosfaat in toplaag (+licht en warmte) -> algengroei Waterkwaliteitsprobleem wordt gemitigeerd door zuurstof toe te voegen, onderlaag blijft aeroob en bevat minder fosfaat Terugpompen van retourwater in onderlaag verlaagt efficiënte koudewinning 2011 en verder: zuurstofsysteem én lozing boven de spronglaag?
bron: Waternet (Maarten Ouboter)
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
2010
Koudewinning Ouderkerkerplas zuurstoftoediening ... en retourwater op diepte 12 - 24 oC
koudeproductie centrale klanten 6 oC
beschikbaar fosfaat 10 m
20 oC
spronglaag
5-7 oC 5-7 oC
20 m
niet-beschikbaar fosfaat
30 m
40 m
zuurstof neerslag ijzerfosfaat Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Conclusie koudewinning diepe plassen • Zandwinputten & diepe plassen dicht bij stedelijke gebieden bieden goede mogelijkheden voor koudewinning (zonder warmte accumulatie over jaren) • Mitigerende maatregelen voor waterkwaliteit zijn in principe winwin: duurzame energie + waterkwaliteit/ecologie • Succesvol door samenwerking • Waterschap: waterkwaliteitsbeheerder stelt en handhaaft normen • Energiemaatschappij bedrijfsresultaat (opbrengst -investering) en imago • Kennisinstituut: Inzet expertise (theorie - veldwerk – simulaties): systeembegrip -> effecten en optimalisatie
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Koppeling WKO - Oppervlaktewater Warmtevraag > koude vraag • Thermische onbalans wko systeem met oppervlaktewater herstellen door: • ‘s zomers warme bron regenereren (koude lozen) • ‘s winters de koude bron opladen (warmte lozen) • Vele toepassingen, vaak nieuwbouw met lage temperatuur verwarming in huizen) • Toepassingen groeiend • Geen wet- en regelgeving, beoordeling verschilt en vergunningverlener is zoekende (Watergraafsmeer) Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Regeneratie wko met oppervlaktewater
Heating
Cooling
HE
7 ◦C
18 ◦C
Summer
Summer ATES
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Alternatieve zonnecollectoren Oppervlak NL 1996 ha Totaal 4154300 Bebouwd oppervlak 498516 Dakoppervlak 80000 Asfalt 270000 Water 765268 zout 417373 zoet 347895 IJssemeer & Markermeer 183487 Overig zoet 164409
12% 16% 54% 18% 55% 45% 53% 47%
van totaal van bebouwd van bebouwd van totaal van water van water van zoet van zoet
FOTO WEGINFRA (asfalt) FOTO’s Watergraafsmeer, Blaricummermeent Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Voorbeelden gebruik OW als zonnecollector • Stadsvijver paleiskwartier Den Bosch • Veel gemeten, oa fonteinen • Validatie modellen • Slootsysteem Hoog Dalem bij Gorinchem • vergunning met monitoring voorwaarde
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Meten en modelleren Paleiskwartier Temperature on 02-06-0812:44:07
R1 2
Diffusive Radiation
t rec n Di iatio d Ra
0.4 0.2 0 0
R1 0
R1 1
R9
23 22.5
R7
R6 22
R4
R8 50
γ
23.5
R5
100
R1
21
R2
30 25
150 200
Q sol ( z )
20.5
20
R3 250
21.5
15
20
10 300
5 350
19.5
0
12
Pond Paleiskwartier 10
Ontwerpprincipes af te leiden: • Wind bepalend voor uitwisseling water-lucht • Maximaal temperatuur verschil, dus langzame stroming en voldoende lengte om op te warmen
8
Heat Fluxes [MW]
6
4
2
0
-2
Solar Radiation Evaporation Convection
-4
Back radiation -6 26/05
27/05
28/05
29/05
30/05
31/05
01/06
Pascal Boderie
02/06
03/06
04/06
05/06
06/06
07/06
08/06
09/06 10/06
Nieuwegein, 20 juni 2012
Slootsysteem Gorinchem (Hoog Dalem) • Regenereren als Twater > 16-18˚C (80d/j) • dT = 7˚C
-5˚C
-7˚C
geometrie
-4˚C -3˚C
60 40
-1˚C
20 0 -20
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
berekende afkoeling
-40 -60
variatie aantal regeneratie dagen Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
-2˚C
Inschatting milieubezwaren koudelozing • Koudelozingen zijn vergunningplichtig • Afwijkingen van het huidige toestand worden al snel beschouwd als een negatieve ontwikkeling • Onbekende effecten op natuur bij grootschalige toepassing • Positieve effecten koudelozing (mede door stroming!) • waterkwaliteit: zuurstofrijker • ecologie: minder kans op (plaag)algen en kroos • Negatieve effecten koudelozing m.n. voor ecologie • ontregeling door uit fase lopen negatief voor macrofauna, zooplankton? • tragere groei en minder activiteit • passeerbaarheid voor vissen bij koud- en warm water pluimen
Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Regelgeving temperatuurlozingen Beoordelingskader warmtelozingen in NL • absoluut maximum (28 ˚C) • relatief maximum (3 ˚C opwarming) mengzone (passeerbaarheid vis): • T>30 ˚C als dwarsdoorsnede < 25%
Beoordelingskader koudelozingen • absoluut minimum (? ˚C) • relatief minimum (3 ˚C afkoeling veilig?) concept mengzone voor passeerbaarheid vis toepasbaar in slootsysteem met vispassage (© Johan Oosterbaan HHRS Rijnland)
vispas sage Koudwaterlo zing
gem aal
peilva k Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Conclusie warmtewinning oppervlaktewater • Behoefte aan • Onderzoek naar effecten van koudelozing op de ecologie • Beoordelingskader • Tool voor vergunningverleners • Beoordelingsinstrument > > > >
dimensionering watergangen hydrologie (stroomsnelheid, menging) lozingsregime (dT, of T-min) karakteristieke meteorologie
• Sobek kan dit en is vaak toegepast voor waterhuishoudingsplan (grootte watergangen bij buien) • Beleid • onderlinge beïnvloeding gebruikers • overige gebruikersfuncties (veiligheid, transport, waterkwaliteit/ecologie) Pascal Boderie
Nieuwegein, 20 juni 2012
Meer weten?
[email protected]
