‘Wij gaan aantonen dat het kan’

Urban energy

TU Delft bouwt een lokaal, CO2-vrij energiesysteem voor de gebouwde omgeving op The Green Village
Door: Jurjen Slump

De energietransitie wordt het meest tastbaar in woonwijken, waar de uitdagingen groot zijn. Bewoners moeten ‘van het gas’ af en de toename van warmtepompen en duurzame, decentrale energieproductie zorgen voor problemen op het elektriciteitsnet. Op The Green Village, het fieldlab voor duurzame innovatie op de TU Delft Campus, is een uniek project gestart dat de energietransitie in de bebouwde omgeving moet gaan versnellen: de aanleg van een lokaal, CO2-vrij autarkisch energiesysteem.

De afgelopen jaren werd al een conventioneel aardgasnet aangelegd op The Green Village, dat vervolgens geschikt is gemaakt voor waterstof. Er werden jaren 70 rijtjeshuizen gebouwd om te onderzoeken hoe deze nog veel voorkomende huizen kunnen worden verduurzaamd. Er ligt een open lagetemperatuur-warmtenet. Er staan elektrische auto’s die gebruikt kunnen worden als batterij en het terrein heeft de beschikking over een elektriciteitsnet van zowel gelijk- als wisselstroom (DC en AC).

Reuzenstap


Al deze projecten lijken een opmaat te zijn geweest voor het nieuwe project 24/7 Energy Lab: de aanleg van een lokaal energiesysteem. Het idee erachter is simpel, vertelt Marjan Kreijns, directeur van The Green Village. “De gebouwde omgeving is op dit moment goed voor 35 procent van de Nederlandse energievraag. Wanneer we erin slagen om die gedeeltelijk CO2-vrij te maken, zetten we een reuzenstap in het versnellen van de energietransitie.”

Het gebruik van duurzame energie om bijvoorbeeld woonwijken zelfvoorzienend te maken zorgt echter voor de nodige uitdagingen. “Vraag en aanbod moeten altijd in balans zijn”, legt John Schmitz uit, de voormalige decaan van de Faculteit Electrotechniek, Wiskunde en Informatica die het project leidt. “Hernieuwbare energie zorgt voor grote schommelingen: ’s nachts is er geen zon en ook kan het wel eens windstil zijn. Daarnaast vindt de meeste opwek met zonne-energie plaats in de zomer, terwijl de piek van de energievraag van gebouwen in de winter ligt.”

Seizoensbuffer


Een van de mogelijke oplossingen is de aanleg van een seizoensbuffer om de overtollige opwek in de zomer op te slaan voor gebruik in de winter. Dat kan met een batterij, met waterstof of met de opslag van warmte in putten onder de grond. “We gaan onderzoeken hoe we batterijen en waterstof als opslagmedium kunnen gebruiken”, vertelt Schmitz. Als er een overschot aan energie is, wordt dit surplus aan groene stroom deels opgeslagen in batterijen en deels gebruikt voor de productie van waterstof.

In het geval van een tekort gedurende de dag kunnen de batterijen direct bijspringen en tijdens de winter kan de waterstof weer omgezet worden in elektriciteit. Bij de conversie van waterstof naar elektriciteit komt daarnaast warmte vrij. “Wij willen kijken of we deze warmte kunnen afvangen en terugvoeren in het warmtenet.”

Hier komen alle projecten van de afgelopen jaren samen. “We hebben zonnepanelen, een installatie om waterstof te maken en weer om te zetten naar elektriciteit, een waterstofnet, een open lagetemperatuur-warmtenet, een AC- en DC-elektriciteitsnet en woningen voorzien van warmtepompen en een waterstof-cv-ketel”, vertelt Kreijns. “We hebben daarmee alle ingrediënten voor een ‘smart multi-commodity grid’ dat de verschillende energiedragers – moleculen, elektronen en warmte - verbindt.”

Het waterstofnetwerk en het warmtenet zijn aangelegd samen met de netbeheerders Alliander, Enexis en Stedin. “Met hen zijn we uiteraard ook in gesprek over dit project. Ze zijn erg benieuwd naar de resultaten.”

Slimme aansturing


De grote technische uitdaging ligt in het aan elkaar knopen van al deze componenten, en de aansturing daarvan. Elektriciteit, gas en warmte stromen nu nog apart van elkaar door de straat, maar dat gaat veranderen. Een stabiel, duurzaam energiesysteem vraagt om conversies tussen elektriciteit, waterstof en warmte, met elk zijn eigen buffermogelijkheden. “Je hebt omvormers nodig om zonnepanelen, die gelijkstroom leveren, te kunnen aansluiten op een netwerk van wisselstroom”, licht Schmitz toe.

Brandstofcellen voor de consumptie van waterstof produceren een laag voltage gelijkspanning, daar heb je dus weer een andere omvormer voor nodig. “Hoe dat in de praktijk werkt, is allemaal nog niet zo helder. Dat gaan we hier allemaal onderzoeken.”

Voor de aansturing geldt hetzelfde. “Is het handig om de hele dag door waterstof te maken, of juist niet? En hoeveel energie sla je op in batterijen of in warmtebuffers? In twee jaar moet er een Energie Management Systeem (EMS) zijn ontwikkeld, dat de juiste keuzes maakt. Het hele systeem wordt volgehangen met sensoren en al deze data wordt verzameld op het dataplatform van The Green Village. Die data kan vervolgens worden gebruikt om het systeem te optimaliseren.

Opschalen


Het project begint kleinschalig: de capaciteit van het basissysteem is voldoende om een studentenhuis volledig van energie te voorzien. In tweede instantie worden alle gebouwen en installaties op de Green Village aangesloten, en daarbij komen ook de elektrische auto’s (het gebruik van de eigen auto als batterij) de zonnepanelen en mogelijk kleine windturbines weer in beeld. Alles wordt in dit autonome netwerk geïntegreerd met behulp van het EMS.

Deze stap is belangrijk: 24/7 Energy Lab moet uitwijzen hoe deze technologieën op een betaalbare manier kunnen worden opgeschaald. Daarom wordt ook gewerkt met commercieel verkrijgbare componenten, zodat snel kan worden opgeschaald. Schmitz verwacht ongeveer twee jaar nodig te hebben om het EMS goed werkend te krijgen en het duurt zeker vijf jaar voordat de hele Green Village autonoom is.

Op dat moment kan worden gekeken naar verdere opschaling, met de aansluiting van hele woonwijken. Wanneer dat een realiteit is, wordt als bijkomend voordeel het elektriciteitsnet ontlast, omdat de energie nu grootschalig lokaal wordt opgewekt én verbruikt. “De elektriciteitsconsumptie gaat door de energietransitie sterk omhoog”, zegt Schmitz. “Je ziet nu al een enorme verstopping op het net.”

Sociaal experiment


De technische kant is maar de helft van het verhaal. “De energietransitie is eigenlijk een heel groot sociaal experiment”, zegt Kreijns. “Wie is bijvoorbeeld de eigenaar van deze lokaal opgewekte energie? Stel dat de buurman de brandstofcel aanzet voor de productie van elektriciteit. Wie betaalt dat en hoe wordt dat berekend?” Bewoners willen best aan de energietransitie meewerken, als dat maar niet teveel gedoe oplevert. “Wij gaan aantonen dat het kan: zorgen dat er altijd voldoende energie is, op een slimme en duurzame manier, zonder dat de bewoners er hinder van ondervinden.”

Hier neemt The Green Village een unieke positie in, als living lab. Er wonen momenteel zo’n 12 mensen, en hun gebruikservaring is erg waardevol bij de ontwikkeling van een gebruiksvriendelijk systeem. “Dit wordt een energielab met echte mensen. Dat maakt het uniek. We gaan hier vreselijk veel van leren.”

Energy Switch


Voor een grootschalige toepassing van energie-autonome wijken is het noodzaak dat ook de politiek in beweging komt. Er zijn nog veel juridische beperkingen, vooral rond het gebruik van waterstof. “Zowel de warmte-, elektriciteits- als gaswet lopen achter op de technologie”, zegt Kreijns. “Er is een sterke behoefte aan meer speelruimte van politiek Den Haag om de innovaties te kunnen doorontwikkelen.”

Daarnaast dreigt een groot gebrek aan geschoold personeel. “We krijgen te maken met een tekort in alle sectoren: bij de netbeheerders, installatiebedrijven, producenten van zonnepanelen en warmtepompen”. De TU Delft en The Green Village hebben daarom het initiatief genomen tot Energy Switch, een programma om de arbeidsmarkt in Zuid-Holland ‘energietransitie-proof’ te maken. Verschillende partijen in Zuid-Holland slaan met Energy Switch de handen ineen om vraag, aanbod en (om)scholing beter op elkaar te laten aansluiten.

Deltawerken


De grote ambities en uitdagingen op het gebied van de energietransitie in de stedelijke omgeving komen allemaal samen in 24/7 Energy Lab. Mocht het slagen, dan profiteren we er als land ook van. “Als we als natie goed inspelen op de ontwikkeling van de hardware of verdienmodellen rond dit soort systemen, dan kan het ook economische voorspoed brengen”, verwacht Schmitz. “Je kunt de opgave vergelijken met de Deltawerken, maar dan op energiegebied.”

Het Universiteitsfonds Delft draagt met de campagne Tech for Energy bij aan de ambitie van TU Delft om in Nederland een voortrekkersrol te nemen op het gebied van energietransitie. Het eerste project dat we ondersteunen is 24/7 Energy Lab.

/* */