Transcriptie

1 De Zonnekas: kas zonder aardgas, kan dat? Algemeen Onlangs heeft LTO de doelstelling geformuleerd dat in het jaar 2020 een hoogwaardige kastuinbouw mogelijk moet zijn zonder gebruik van fossiele energie. In 1998 is door Wageningen Universiteit in samenwerking met IMAG en de bedrijven Hyplast en Priva het 4 jarige project Zonnekas opgezet met als doel de ontwikkeling van een hoogwaardig kassysteem zonder inzet van fossiele energie. Het project kon worden gefinancierd door EET (het onderzoeksfonds Economie, Ecologie en Technologie van de ministeries van Economische Zaken en van Onderwijs) en door het ministerie van LNV. Het project is nu in de afrondingsfase en kan dus aangeven of en hoe de LTO doelstelling mogelijk is. Uitgangspunt voor het project Zonnekas was dat de kas zelf een zonnecollector is en dat er jaarrond meer dan genoeg zonne-energie wordt ingestraald om in de energiebehoefte van de kas te voorzien. In de huidige kassen wordt al ongeveer de helft van de warmtebehoefte gedekt door zonne-energie, de andere helft wordt gedekt door aardgas. De kastuinbouw voegt dus via haar producten nu al aan de Nederlandse economie een hoeveelheid zonne-energie toe die gelijk is aan haar aardgasverbruik, dat is een equivalent van ca. 4 miljard kubieke meter aardgas! Hieronder wordt beschreven hoe het Zonnekasproject via een aantal sporen is uitgevoerd en hoe dus de kas zonder aardgas er uit moet zien. Warmtebehoefte en jaarrond energieaanbod De jaarlijkse zoninstraling per m 2 grondoppervlak is in Nederland vrijwel gelijk aan de verbrandingsenergie van 100 m 3 aardgas, ofwel 100 m 3 aardgas equivalenten (= 100 AGE). Bij een lichttransmissie van de kas van 80 % komt daarvan dus 80 AGE per m 2 in de kas. Een kas heeft echter energie nodig in de koude periode als juist weinig zonne-energie beschikbaar is. In perioden met veel zonne-energie (zomer) wordt de kas te warm en wordt nu de overtollige zonnewarmte weggelucht. Voor een jaarrond gebruik van de zonne-energie moet dus in de zomer zonnewarmte worden "geoogst" en dan tot het stookseizoen worden opgeslagen. Als de kas beter geïsoleerd is, is minder energie in de winter nodig en hoeft er in de zomer minder te worden geoogst en opgeslagen. Het Zonnekasproject was er op gericht de warmtebehoefte in de winter door goede isolatie zo laag mogelijk te houden en in de zomer precies zoveel warmte te oogsten en op te slaan om deze lage energiebehoefte te dekken. Hierdoor kan een energiezuinig kassysteem worden gerealiseerd met een minimum aan voorzieningen. Deze aspecten worden hieronder verder uitgewerkt. Daarnaast is grondig bestudeerd hoe de warmtebehoefte nog verder kan worden verlaagd door gebruik te maken van slimme integrerende klimaatregeling. Daarmee wordt het gewas als het ware als energiebuffer gebruikt. Bovendien is de regeltechniek voor het totale complexe systeem opgezet om het van minuut tot minuut energiezuinig te bedrijven met een optimale gewasproductie. Over zowel de gewasaspecten als de regeltechnische aspecten verschijnen binnenkort proefschriften, zodat daar later op kan worden teruggekomen. Warmteoogst In perioden met hoge kastemperaturen kan warmte uit de kaslucht worden onttrokken (de kaslucht wordt dan gekoeld) met een warmtewisselaar. De zonne-energie wordt dan opgenomen in water dat daardoor opwarmt. De opgenomen energie kan weer vrijkomen bij afkoeling van dit water. Voor eengoede warmteonttrekking moet het water redelijk koud zijn en het zal (bij een kastemperatuur van ca. 25 O C) tot ca. 20 O C kunnen worden opgewarmd. De energie is dus bij een relatief lage temperatuur beschikbaar. Als er weinig warmte in de 1

2 winter nodig is, hoeft in de zomer ook relatief weinig warmte te worden geoogst. Hiervoor worden warmtewisselaars ingezet die zijn gedimensioneerd op de benodigde warmteoogst. Seizoensopslag De warmte wordt bij relatief lage temperatuur vastgelegd in het water. Zelfs als de warmtebehoefte in de winter 10 m 3 aardgas per m 2 kas zou zijn kan hiervoor geen bovengrondse installatie worden gebouwd. Zo zou met faseopslagsystemen (smeltendestollende zouten) die een zeer hoge opslagcapaciteit hebben ongeveer 1000 kg materiaal per m 2 kas nodig zijn! Uit het onderzoek blijkt dat de enige reële optie warmteopslag in de bodem onder de kas in een aquifer is. Een aquifer is een systeem van watervoerende lagen in de bodem op een diepte tussen ca. 20 en 100 m die door waterondoorlatende kleilagen gescheiden zijn van de boven- en ondergelegen lagen. Voor de opslag van zomerenergie ter waarde van 10 AGE is ongeveer een bodemlaag van 20 m dik nodig bij 10 graden opwarming van het koude water. Voor de Zonnekas is een aquiferlaag tot enkele tientallen meters onder de kas nodig en deze is op veel kastuinbouwlocaties in Nederland beschikbaar. na de zomer: warme aquifer gevuld Aquifers worden in Nederland al gebruikt voor gebouwkoeling. De techniek moet nu geschikt gemaakt worden voor warmteopslag bij kasverwarming. Een belangrijk aspect is het thermo-neutraal gebruiken van de aquifer: jaarrond moet de gemiddelde temperatuur gelijk blijven. Verder mag bij de maximale temperatuur in de aquifer geen biologische of chemische activiteit ontstaan. Volgens de huidige inzichten moet daardoor de maximale opslagtemperatuur onder de 20 0 C blijven. Verder moet het aquiferwater via warmtewisselaars volledig gescheiden blijven van de koelings- en verwarmingscircuits van de kas om vervuiling en zuurstoftoetreding in het aquiferwater te voorkomen. Daardoor moet rekening gehouden worden met wat extra temperatuurverlies tussen het aquiferwater en het water in de kascircuits. 2

3 Kasverwarming In het stookseizoen is het water van ca C veel te koud voor kasverwarming. Om de temperatuur te verhogen wordt een warmtepomp ingezet. Deze koelt het warme aquiferwater (dat als koud water weer wordt teruggevoerd) en staat de opgenomen warmte af bij de hogere kasverwarmingstemperatuur. na de winter: koude aquifer gevuld De warmtepomp moet worden aangedreven. Dit kost natuurlijk energie. Deze aandrijfenergie bepaalt voornamelijk het uiteindelijke energiegebruik. Daarnaast is ook energie nodig om de pompen voor de koel- en verwarmingscircuits aan te drijven. Om de aandrijfenergie minimaal te laten zijn, moet de Zonnekas primair een zo laag mogelijke warmtevraag hebben, dus goed geïsoleerd zijn. Verder moet de warmtepomp met zo hoog mogelijke efficiëntie draaien. Dit vraagt een zo laag mogelijke verwarmingstemperatuur. 3

4 Zonne-energie laag energieverlies verwarming warmte pomp evt ketel bijververwarming (ca 80 o C aquifer lage temperatuur (ca 5 o C aquifer hoge temperatuur (ca 20 o C dagbuffer restwarmte (ca 70 o C aandrijving gasmotor (biogas dan of (wind Kasomhulling en kasconstructie Voor de Zonnekas is een speciaal kasdek nodig met hoge isolatiewaarde. Een van de uitdagingen was dan ook kasdekken te ontwikkelen die een veel hogere isolatiewaarde hebben dan de huidige. Daarbij staat voorop dat verbeterde isolatiewaarde niet moet leiden tot lagere lichttransmissie. Productieverlies door lichtverlies zal heel snel de investeringsruimte voor energiebesparing aantasten. De materialen die de goede combinatie van hoge isolatiewaarde bij hoge lichttransmissie bezitten waren in 1998 niet beschikbaar, dus hiernaar is onderzoek verricht. In het Zonnekasproject heeft daarbij de nadruk gelegen op het onderzoek naar betere folies, in parallel onderzoek in andere projecten zijn ook andere materialen onderzocht en ontwikkeld. Zodoende is nu goed bekend wat de eisen zijn die aan de materialen moeten worden gesteld en wat de mogelijkheden zijn van verdere ontwikkelingen met folies, kunststofplaten en glas voor het bereiken van beter isolerende en uiteindelijk superisolerende kasdekken. Er zijn nu folies beschikbaar met een hoge lichttransmissie waarmee een drielaags systeem zou kunnen worden gemaakt met ongeveer dezelfde transmissie als die van enkel glas. De kosten zijn echter nu nog te hoog voor economische toepassing. In harde kunststof is door IMAG en GE een isolerend dubbel dek ontwikkeld dat door zijn speciale zigzag geometrie dezelfde lichttransmissie heeft als enkel glas. Dit wordt nu als Lexan zigzag dek op de markt 4

5 gebracht. Bij glas is het door toepassing van antireflectie lagen ook mogelijk de lichttransmissie te verhogen en daardoor meerlaags systemen samen te stellen met hoge lichtdoorlatendheid. Voor de woningmarkt is isolerende beglazing op de markt maar deze heeft een fors lagere lichttransmissie. Isolerende beglazing voor kassen zal speciaal moeten worden ontwikkeld. Een nieuw veelbelovend onderzoek is dat naar nanoschuim, een lichttransparant isolerend schuim. Een hoge isolatiewaarde kan worden bereikt door lagen stilstaande lucht of nog beter isolerende gassen. De mogelijkheid van hoogvacuüm tussen dubbelglas was al eerder onderzocht en is door technische aanpassingen goed realiseerbaar. Veiligheid is dan echter een groot probleem omdat de glaspanelen bij ruitbreuk zullen imploderen. Naast stilstaande lucht of speciaal gas is ook de emissiecoëfficiënt ε waarbij de eigen warmte wordt uitgestraald een zeer belangrijk aspect. Dit wordt geïllustreerd in onderstaande tabel waarin de warmteweerstand van verschillende combinaties wordt vergeleken met die van enkel glas in een droge laboratoriumsituatie voor warmteoverdracht: Beschrijving dek Warmteweerstand t.o.v. enkel dek Enkel dek normaal 1 Enkel dek, eenzijdig lage ε 1,3 2 laags dek normaal, spouw 12 mm 1,9 3 laags dek normaal 2,5 4 laags dek normaal 3,2 2 laags dek, lage ε alzijdig 3,6 3 laags dek, lage ε alzijdig 5,5 De warmteweerstand geeft aan hoeveel de warmtestroom door het dek afneemt bij een zelfde temperatuurverschil. Het geeft goed inzicht hoe het dek verbetert. De eerste verbetering is het aantal luchtlagen. De tweede verbetering is verlaging van de emissiecoëfficiënt ε van 1 naar 0.1 waarbij het 2-laags dek zelfs een hogere warmteweerstand heeft dan het normale 4-laags dek. De combinatie van verlaagde ε bij op peil blijven van de lichttransmissie is nog niet op de markt, hiervoor zal nog onderzoek moeten worden uitgevoerd. Het beste nu op de markt zijnde kasdek is het normale 2 laags dek, om betere dekken te realiseren moet nog veel onderzoek worden uitgevoerd. Jammer genoeg neemt het energiegebruik van een kas jaarrond niet evenredig af met de toename van deze warmteweerstand, dat gebruik hangt ook sterk van andere factoren af. Verderop komen we hierop nog terug. De conclusie is dat de eerste stappen naar verbeterde isolatiewaarde zijn gezet. Er is op het gebied van materiaaltechnologie nog wel veel gericht onderzoek nodig om een echt super isolerend kasdek te ontwikkelen. Kasdekken van nieuwe materialen bieden ook mogelijkheden voor andere kasconstructies met minder lichtonderscheppende delen. In het project zijn verschillende alternatieve constructies onderzocht die perspectief bieden voor verdere ontwikkeling. Energiezuinige vochtbeheersing In kassen met verhoogde isolatiewaarde zal minder vocht tegen het kasdek condenseren, zodat de luchtvochtigheid zal oplopen. Verschillende manieren van vochtafvoer zijn daarom uitgebreid onderzocht met vooral energiezuinigheid als criterium. 5

6 Vochtonttrekking met behulp van vochtabsorberende stoffen biedt in principe mogelijkheden en deze zijn ook onderzocht. Als belangrijke bezwaar werd echter gezien de grote hoeveelheden absorberende stoffen die nodig zijn en de hoge mate van milieubelasting hiervan bij lekkage, zodat een groot milieurisico de kas zou worden binnengehaald. Daarom is deze optie in het project als niet toepasbaar in een duurzaam kassysteem beoordeeld. Een tweede mogelijkheid is vochtonttrekking door condensatie op een gekoeld oppervlak. Het koude water is in de aquifer immers al beschikbaar. Dit is in het project technisch goed uitvoerbaar gebleken via een onder de goot bevestigde geprofileerde koelbuis. Uit het onderzoek bleek echter dat door de afkoeling van de kaslucht aan de koelbuis de energiebehoefte flink stijgt. Het bleek verrassenderwijs dat hierdoor ventilatie om vocht af te voeren energievriendelijker is dan vochtafvoer door condensatie aan een koude buis. Bij condensatie kan de voelbare warmte wel worden teruggewonnen maar uit het onderzoek bleek dat hiervoor te dure apparatuur nodig is. Bij ventilatie voor vochtafvoer wordt, zoals al gezegd, ook voelbare warmte afgevoerd, zodat de binnenkomende koude lucht moet worden opgewarmd (droogstoken). Ook voor ventilatie is onderzocht of terugwinning van voelbare warmte haalbaar is. Het principe bleek veelbelovend en is nu in de fase van kleinschalig praktijkonderzoek. Energiebehoefte De afstemming van warmtevraag, warmteoogst, warmteopslag en warmtepomp met restwarmte, nog benodigde ketelwarmte en ontvochtiging is uitgebreid onderzocht voor jaarrond teelten met behulp van het IMAG simulatieprogramma Kaspro. Dit programma is in beginsel een virtuele kas inclusief alle mogelijke voorzieningen. Op basis van de gewaskeuze en de gewenste klimaatinstellingen of regelmethoden berekent het jaarrond van minuut tot minuut hoe het kasklimaat verloopt met het daarbij horende energieplaatje. Omdat het programma uitgebreid is vergeleken met praktijkmetingen is het zeer betrouwbaar. Het wordt dan ook ingezet om allerlei energiesituaties en kasuitvoeringen te testen. Eerst is de invloed van toenemende isolatiewaarde op het jaarrond energiegebruik nagegaan, waarbij de kasdekken zijn genomen uit de eerder gegeven tabel. Omdat hiervoor het gewas paprika is genomen, is de situatie enkeldek met scherm toegevoegd. Door een op optimale gewasgroei gerichte klimaatbeheersing, waarbij verdamping en ventilatie een belangrijke rol spelen, neemt de energievraag jammer genoeg niet evenredig af met de isolatiewaarde. Tabel: Berekende afname van het energiegebruik (in AGE per jaar per m 2 kas) van een paprikateelt door toenemende isolatiewaarde en installatie van aquifer en warmtepomp. Beschrijving dek Energie (AGE/jr/m 2 ) zonder aquifer en WP Energie (AGE/jr/m 2 ) met aquifer en WP Enkel normaal 53 niet relevant Enkel eenzijdig lage ε Enkel normaal met scherm laags normaal laags normaal laags, lage ε alzijdig laags, lage ε alzijdig

7 Voor het beste op de markt zijnde dek (2-laags normaal) is de besparing door alleen de isolatiewaarde dan 25 %. Als hierbij ook nog een energiescherm wordt toegepast is dit weer vergelijkbaar met het 3 laags dek met een besparing van 38%. Voor het beste dek uit de lijst (nog niet op de markt) is dit 51 %. Daarna is nagegaan wat aquiferopslag van zomerwarmte en gebruik van een warmtepomp (met restwarmte) oplevert met daarbij inbegrepen energiezuinige ontvochtiging. Voor de verschillende kasdekken wordt de energievraag dan 30 tot 50 % gereduceerd mits genoeg zomerwarmte kan worden opgeslagen en de warmtepomp het leeuwendeel van de benodigde energie levert. De uiteindelijke energiebehoefte komt voor het nog niet bestaande 3 laags dek met lage emissie dan uit op 12 m 3 aardgasequivalenten per m 2 kas. Dit zal door optimalisatie en toepassing van lagere temperatuur vragende gewassen wellicht nog verder kunnen worden teruggebracht tot ca 10 AGE, maar het geeft in ieder geval de ordegrootte weer van de uiteindelijke energiebehoefte van de Zonnekas. Het beste nu op de markt zijnde dubbele dek komt uit op 26 AGE, met extra energiescherm zal dit ca. 20 AGE zijn, dus het dubbele van het gebruik met een super isolerend dek. Energievoorziening Het onderzoek heeft uitgewezen hoe het concept van een kas met lage energiebehoefte er uit ziet. De helft van de besparing wordt bereikt door de inzet van zonne-energie, die in de zomer wordt geoogst en dus op het conto komt van de inzet van duurzame energie. De overblijvende aandrijfenergie zou natuurlijk door fossiele energie kunnen worden gedekt, maar voor een kas zonder fossiel energiegebruik moet deze aandrijfenergie ook worden gedekt door duurzame energie. Daarbij is onderzocht of dit kan door elektrische aandrijving. Bij elektrische aandrijving moet de AGE van de warmtepomp worden omgezet in kwh, waarbij de aandrijfenergie direct geleverd wordt en niet via een gasmotor met restwarmte. Dan zal bij het nog niet bestaande super isolerende dek in plaats van 10 AGE voor de gasmotor- warmtepompcombinatie ongeveer 50 kwh per m 2 elektrische aandrijfenergie nodig zijn. Wel te realiseren is op dit ogenblik een dubbel dek met extra energiescherm. De benodigde energie is dan ongeveer het dubbele. De eerste elektrische optie is die van fotovoltaïsche (PV) zonnecellen. Een vereiste hiervoor is wel dat het openbare elektriciteitsnet als buffer kan worden gebruikt. Dan kan de jaarrond (maar vooral zomers) opgewekte PV elektriciteit in de perioden met warmtebehoefte (vooral in de winter) worden gebruikt. Voor het super isolerende kasdek is dan ongeveer 6000 m 2 PV oppervlak nodig per ha kas, bij het dubbele dek met energiescherm het dubbele. Beschikbare oppervlakken zoals bedrijfsgebouwen en het regenwaterbassin kunnen gemakkelijk voor PV worden ingericht. Deze beslaan voor de meeste bedrijven ongeveer 0.2 van het areaal en kunnen dus een aandeel leveren in de totale energievoorziening. Ook kan PV op afstand op goedkoop beschikbare oppervlakken worden geïnstalleerd. Een voorwaarde is wel dat de prijs van PV cellen voor economische inzet nog sterk moet dalen, maar de verwachting is algemeen dat dit zal gebeuren. De tweede mogelijkheid is elektrische aandrijving uit windenergie. Ook hier zal het openbare elektriciteitsnet als buffer moeten worden gebruikt om de variaties in elektriciteitsaanbod van de windmolen op korte en lange termijn op te vangen. Het aanbod van windenergie loopt echter meer in de pas met de warmtevraag dan het aanbod van PVenergie, omdat hierin het sterke zomer - wintereffect ontbreekt. Voor de eerder gehanteerde energiebehoefte zal dan een windmolen nodig zijn met een nominaal vermogen van ca 300 kw per ha kas. Voor het dubbele dek met energiescherm is dit weer het dubbele. Dit 7

8 kan als een redelijk reële optie worden beschouwd. De windmolen kan daarbij ook elders worden geplaatst. De derde mogelijkheid is dekking met biomassa. Hierbij wordt zonlicht via fotosynthese vastgelegd in biomassa die later weer beschikbaar kan worden gemaakt door directe verbranding al of niet na vergassing van de totale massa of via omzetting in olie, alcohol of waterstof. Daarbij is de fotosynthese efficiëntie cruciaal. Deze efficientie is lager dan 1 %. Daarom komt maar ca AGE per ha via biomassa beschikbaar (efficientie 0.6%). Bij directe verbranding of vergassing zal dan een areaal van 16 ha biomassa per ha kastuinbouw nodig zijn. Ook dit wordt weer verdubbeld voor een dubbel dek met energiescherm. Dit is een optie als dit in gebieden met zeer extensieve landbouw kan worden geteeld en de afstand verwaarloosbare energieverliezen oplevert. Conclusie Om een kas volledig met duurzame energie te bedrijven moet het kassysteem allereerst een lage energiebehoefte hebben. Een lage energiebehoefte kan worden bereikt door een kasdek met hoge isolatiewaarde. Voor de gewasproductie moet dit gepaard gaan met een hoge lichtdoorlatendheid. Hierdoor kan de energiebehoefte ten opzichte van een enkel dek ongeveer worden gehalveerd. Verbeterde kasdekken zijn nu beschikbaar maar om een super isolerend hoog lichtdoorlatend kasdek mogelijk te maken is verder onderzoek nodig. De klimatisering, vooral de energiezuinige vochtbeheersing, moet aansluiten op het goed isolerende dek. De beste methode is ventilatie met warmteterugwinning. Deze wordt nu verder getest. Er moet ook gebruik worden gemaakt van de tolerantie van het gewas voor variaties in kasklimaat, het gewas buffert dan als het ware energie. Verder moet de klimaatregeling geschikt zijn om het systeem van minuut tot minuut te sturen met optimaal energiemanagement. Op deze aspecten is veel kennis verzameld die binnenkort in proefschriften beschikbaar komt. De tweede slag wordt gemaakt door oogst van zonne-energie in de zomer, opslag in een aquifer en gebruik via een warmtepomp in de winter. Hierdoor wordt de energiebehoefte ook weer ongeveer gehalveerd bij een super isolerend dek. Het onderzoek wijst uit dat de overblijvende energiebehoefte bepaald wordt door de aandrijving van de energiecyclus en voor het beste (nu nog niet bestaande) kasdek uitkomt op ca 10 AGE per m 2 kas. Voor de op dit ogenblik realiseerbare beste optie, een dubbel dek met energiescherm, is dit ongeveer het dubbele. Voor dekking van de uiteindelijke energiebehoefte door duurzame energie bieden wind- en bio-energie binnen bepaalde randvoorwaarden mogelijkheden. PV zal aanvullend kunnen worden ingezet. Gerard Bot, Wageningen Universiteit en IMAG Namens het Zonnekas onderzoekteam 8