De rol van thermische opslag voor systeemintegratie en voor stedelijke energievoorziening Herman Eijdems (h.eijdems@mijnwater.com) Wilfried Ivens (wilfried.ivens@ou.nl) René Verhoeven (r.verhoeven@mijnwater.com)
Vragen voor deze workshop Hoe ziet een gasloze stad van de toekomst er energetisch uit? (energievraag, energie-aanbod, scenario s) Welke infrastructuur past bij een betrouwbare en betaalbare CO 2 - loze stad? (all-electric, stadsverwarming, thermisch E-net, hybride) Hoe financieren we de transformatie van de bestaande voorraad?
Inhoud Context van de energievoorziening: waarom maken we ons druk? Voor welke uitdaging staan we in Nederlands stedelijk gebied? Visie op stedelijke energievoorziening Ontwikkeling in Parkstad Limburg
Veel steden hebben ambitie om CO2 neutraal te worden! Wat gebeurt er komende tijd in onze steden?
Toename wereldbevolking
Urbanisatie
Toename energiegebruik door welvaartsgroei (ktoe/year) Source: World Bank, 2011
Toename energiegebruik China electricity generation (1980 2014) Source: the energy collective; primary data: China Electricity Council
Toename broeikasgas CO 2 Source: GLOBE-NET.com
Zeespiegelstijging Source: Douglas, 1997
Eindigheid voorraden fossiele brandstof
Aardgas voorraad Nederland Voorraad 2016:1100 miljard m 3 Winning: 80 miljard m 3 /jaar
Internationale afhankelijkheid
Energie ambities Ambitie steden: op afzienbare tijd energieneutraal worden Fossiele input uitfaseren: zoals gas voor verwarmen Veel aandacht voor PV, wind en bio-energie. Na 2023 fundamenteel andere maatregelen nodig: grote hoeveelheden energie zullen geoogst, verplaatst en opgeslagen moet worden tegen een aanvaardbare prijs. substantiële investeringen voor de komende 50 jaar die het gasnet vervangen tijdig beleid formuleren; steden dienen kleur te bekennen op basis van lange termijn visie
Energiegebruik per sector en potentieel voor low-ex Energiegebruik in Nederland in PetaJoule 800 700 huidig 4000 PJ toekomst 2200 PJ low-ex = 'lauw water' 600 500 400 300 200 100 0 industrie E industrie G int. vervoer kantoren ov. diensten E-centrales vervoer woningen
Maximale inzet duurzame energie in NL Besparingspotentieel (2011) m2/pers W/pers MW GWh/jr PJ/jr wind-land 3,5 W/m2 windpark 251 880 14.782 129.493 466 zon-pv 26,0W/m2 paneel 40 1042 17.500 153.300 552 water-getij 1,3W/m2 zee 114 148 2.490 21.810 79 zon-ww 55,0W/m2 collector 30 1650 27.720 242.827 874 water-rivieren 5 77 675 2 zoet/zout water 46 770 6.745 24 biogas-afval/mest/rwz 375 6.300 55.188 199 water-golven 8 140 1.226 4 biogas- gewas 0,9W/m2 maisland 344 305 5.131 44.949 162 biobrandstof 0,5W/m2 bietenland 344 164 2.749 24.080 87 biomassa-hout 0,7W/m2 bos 344 417 6.999 61.313 221 aardwarmte 1,3W/m2 200 250 4.200 36.792 132 wind-zee 6,9W/m2 windpark 340 2338 39.270 344.005 1238 TOTAAL 4041
Ambitie gedachte (als voorbeeld: Parkstad Limburg)
Toekomst scenario 100,0 90,0 80,0 Fossiel energiegebruik van gebouwen 70,0 Afname door besparing 60,0 50,0 Regionaal op gebiedsniveau Invulling met duurzame bronnen 40,0 30,0 20,0 10,0 Landelijk/Globaal 0,0 2015 2020 2025 duurzame opwekking regionaal 2030 2035 2040 2045 Gebied/Regio duurzame opwekking interregionaal 2050 fossiel
Mijnwater visie: Een nieuwe trias-energetica Reduce energy demand Reduce energy demand 1. Besparen 2. Uitwisselen & bufferen = hergebruik 3. Duurzaam opwekken
Stedelijke context Zonaanbod: 1000 kwh/m2 per jaar M W M Sociaal-CultureelEconomische context onafhankelijk, werkgelegenheid Innovatie, trots, participatie Clustergrens Clustergrens Ondersteunende technieken wind, PV, ICT biomassa waterkracht, lokaal opslag Vraag: 20 kwh/m2 per jaar W M W M Buffer 6 kwh/m2 verschuiving in tijd 100 miljoen m3 water = 1 miljoen GJ = 30.000 woningen verwarmen = 28.000 m3 diesel = 75.000 ton CO2 = > 20.000.000,- W
Fluctuerende bronnen
Niet matchen van vraag en aanbod Tekort winter dekken: 1522 kwh opslaan; 153 Tesla 10kWh wall units ($535500-15.3 ton) Source: Andrews, 2015
How much is to be shifted? Type of storage nr Costs/year Nr of car batteries 10.000 50.000 Nr of Tesla s 80 27.500 m 3 of minewater 450 500
Hoe vergelijk je thermische opslag met Tesla? M W M Clusterboundary Clusterboundary Heerlen heeft 8 milj. m3 mijnwater W M dat is 1,4 mill. Tesla s W M W
Energie en exergie 1 e hoofdwet van de thermodynamica: - energie gaat nooit verloren; het verdunt 2 e hoofdwet van de thermodynamica: - energie heeft kwaliteit : exergie of de hoeveelheid arbeid die je ermee kan verrichten Ergo: - door verdubbeling van het exergetisch rendement, kun je twee maal zoveel bereiken met dezelfde hoeveelheid energie!
De kracht van low-ex of lage temperaturen! Potential gain of environmental /waste energy (HT > 110 C) = 6 % Temperature 150 140 130 120 110 100 = 72 % Potential gain of environmental /waste energy (LT < 30 C) 90 80 70 60 50 40 30 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20
Minewater concept in PALET Other means CO 2 reduction 50 % Mine- water Right moment! Right place! NZEB comparable costs Minewater Right temperature! Investment 33 %
Traditionele stadverwarming Second Generation District Heating (2g-DH) 1930-1980 industry M CHP plant W M W dwellings coal/oil electricity commercial energy plant coal/wast e > 100 C District Heating Grid M W M W Heat storage Elaborated from: www.4dh.dk/about-4dh/4gdh-definition; 4DH Research Centre, Aalborg Denmark Conventional District Heating systems would circulate hot water (> 90 C) for 24 hrs/day, 365 days/yr often to serve an individual demand of 30 minutes a day
Voorstel nieuwe generatie stadverwarming: HEERLEN Mijnwater concept LOW Exergy Water Energy Net > 16-18 C LO(WE)2-Net industry M MT Heat storage W M W electricity Industry surplus Seasonal heat storage dwellings local solar electricity commercial (shallow) Geothermal MT Cold storage electricity M < 25-28 C W M Including data centres, shops, etc. W
Toevoegen van intelligentie Peak shaving Valley filling Zelflerend INTELLIGENT TOP LEVEL CONTROL FRAMEWORK Adaptief Cell/cluster balancing week/maand BMC PV B WP B B seizoen Warmte Koude PV WP uur/dag
Mijnwater 2.0: thermische smart grid Hydraulisch cloud netwerk Directe W/K uitwisseling Mijnwater als buffer Volledig vraaggestuurd Bidirectionele putten (2017) Meervoudige bronnen All electric (100% WP)
Mijnwater 2.0: smart grid uitwisseling! MI-Gebouw MI-Cluster MI-HH1 MI-HH2 MI-HLN1 MI-HLN2 Artist impression Mijnwater 2.0
Mijnwater business case
Landelijke uitrol Landelijk gasverbruik voor woningen: 310 PJ (10^15 J) per jaar Investeringsruimte: 5,9 miljard per jaar 14.500,- per woning + 4.000,- vermeden kosten CV ketel Netto contant over 30 jaar: 100 miljard
Meer informatie Onderwijs en Onderzoek: Faculteit Management, Science & Technology, Open Universiteit Wilfried.Ivens@ou.nl Ontwikkeling, implementatie, business case : Mijnwater BV (Parkstad Limburg) www.mijnwater.com H.Eijdems@mijnwater.com R.Verhoeven@mijnwater.com
wij maken energie van het zuiverste water