Duurzame energie begrijpen in 10 minuten! Over energie, exergie, WKO, Warmtepomp en Hybride Systemen Colt International www.coltinfo.nl Postbus 29 5430 AA Cuijk Tel: 0485 399 999 info@coltinfo.nl
Duurzame energie begrijpen in 10 minuten! Over het thema duurzaamheid raken we niet uitgepraat de laatste jaren. Wie het begrip erop naslaat in Wikipedia of de Dikke van Dale, krijgt de volgende betekenissen: lang durend; het milieu weinig belastend; een strategie of productiemethode die natuurlijke hulpbronnen of grondstoffen niet uitput. Met z n allen hebben we afspraken gemaakt om dit te bereiken: Reduceer > 20% in broeikasgas emissies uit primaire energie bronnen in 2020 (ref. 1990 nivo); Kyotoprotocol; 50% minder CO 2 in 2050 (ref. 1990 niveau) ; Max. globale Temperatuur T< 2 C (ref. pre-niveau). Energiezuinig, minder CO 2 -uitstoot, meer alternatieve energiebronnen gebruiken en tegelijkertijd comfortabel, gezond en kostenbewust zijn kernbegrippen in de huidige bouw. Kennis van energie is hiervoor onontbeerlijk. 2 Satellietfoto s van de Noordpool met 30 jaren tijdsverschil Energie en Exergie Een hoofdrol is hierin weggelegd voor het zorgvuldig omgaan met energie. In opeenvolgende stappen. Te beginnen met het reduceren van de energievraag, gevolgd door het opslaan en hergebruik van energie, gevolgd door het gebruik van duurzame energie voor de resterende vraag en tot slot het ultieme doel door waar mogelijk energie te leveren. Energie Wat energie inhoudt, daar kan iedereen zich wel iets bij voorstellen. Energie is nodig om arbeid te verrichten, warmte, licht of geluid te produceren of om iets te laten bewegen. Energie kan opgeslagen liggen in brandstoffen zoals kolen, olie, gas of hout, maar is ook in de natuur aanwezig in de vorm van zonne-, wind, getijde- of geothermische energie. Vormen van energie zijn: kinetische energie potentiële energie elektromagnetische energie nucleaire energie warmte straling chemische energie elektrische energie 2 Volgens de eerste hoofdwet van de thermodynamica gaat energie nooit verloren. Energie kan wel omgezet worden in een andere vorm van energie. Die andere vorm van energie kan een andere kwaliteit hebben. Die kwaliteit wordt uitgedrukt met de term exergie. Een begrip dat lastiger voor te stellen is en daarom hieronder kort uitgelegd zal worden. Exergie De definitie van exergie in Wikipedia: Exergie is de maximale hoeveelheid arbeid die (in theorie) uit een medium (vloeistof, gas) gewonnen kan worden bij het in evenwicht brengen met de omgeving. Anders gezegd; exergie geeft aan op welk hoogwaardig of laagwaardig niveau de energie zich bevindt. Bijvoorbeeld een gasvlam heeft een temperatuur van 600/700ºC. Dat is een hoge temperatuur, wat een krachtig niveau inhoudt. Dat betekent dat een gasvlam hoogwaardige energie is. Het gaat dus niet om de hoeveelheid energie maar om de kwaliteit van de energie. Ook elektriciteit is bijzonder hoogwaardig. Daarentegen is een stuwdam met een dusdanig klein verval, dat er nauwelijks een turbine mee aangedreven kan worden, laagwaardig. Alleen als de exergie van een bron hoger is dan van het doel vindt energietransport plaats. Een eenvoudig voorbeeld: een balletje laten vallen vanaf 2 meter hoogte is een hogere exergie dan vanaf 1 meter hoogte omdat dit tegen de gravitatie in gaat. De potentiële energie is hoger. Energie, Exergie en verspilling Energie kan op vele manieren opgeslagen worden, zoals o.a. in druk, kracht, beweging, licht, geluid, elektriciteit, warmte, chemisch, latent, kernenergie. Energie gaat altijd van een hoog niveau naar een laag niveau (2e hoofdwet van de thermodynamica). Omdat de energie verandert van kwaliteit en niet meer voor hetzelfde doel gebruikt kan worden, is het voor een duurzaam gebruik van energie aan te raden om het
(exergie-)verlies zo laag mogelijk te houden. Het verbranden van aardgas, bijvoorbeeld, heeft een hoge waarde van 700ºC. Wanneer je daarmee water gaat verwarmen naar 40ºC is dat eigenlijk jammer van de hoge exergie. Je kunt het beschouwen als een soort verspilling. Warmte- en Koude Opslag (WKO) Warmte- en koude opslag in de bodem is een duurzame techniek die veel energie bespaart. In de bodem bevindt zich koel grondwater dat in de zomer gebruikt kan worden om een gebouw te koelen. Is na gebruik het water opgewarmd dan wordt dit opgeslagen in de bodem en kan het in de winter gebruikt worden om een gebouw te verwarmen. Natuurlijk is het zo dat de bodem hiervoor geschikt moet zijn. In Nederland is ca. 70% van de bodemsamenstelling in diverse regio s passend. Zo bieden de zandgronden goede mogelijkheden voor een open bronssysteem en kleigronden voor een gesloten systeem. Voor kleine toepassingen (woningen) wordt vaak gebruik gemaakt van een gesloten bron, de zgn.bodemlussen, terwijl voor de middelgrote en grote toepassingen (kantoren, utiliteitsbouw, appartementencomplexen) open bronnen worden ingezet. In veel provincies is voor een gesloten WKO-systeem een thermisch vermogen van 70 kw en voor open WKO-systeem een debiet van 10 m 3 /h of een jaarlijkse onttrekking van 150.000m 3 de grens waarboven een vergunning aangevraagd moet worden. Een wat groter (utiliteits-)gebouw zit al snel aan die grens. Het vergunningtraject is relatief complex. Daarnaast zijn open bronnen in de zgn. waterwingebieden in Nederland verboden. Daarentegen zijn er steeds meer inventieve mogelijkheden om grote gebouwen op een kleine bron aan te sluiten, zoals met behulp van een mini WKO. Duurzame hybride systemen Bij hybride systemen draait alles om uitwisseling van meerdere bronnen. Het doel van een hybride systeem is om energiestromen en exergieniveaus die zo dicht mogelijk bij elkaar liggen, aan elkaar te koppelen om zo tot de meest praktische oplossing, lees met het minste exergieverlies, te komen. Bijvoorbeeld: een propeller met een vastgelegde snelheid van 1m/sec. wordt aangedreven door een waterval die daarvoor een hoogte van 10 m. nodig heeft. Het is niet efficiënt om in dit geval een waterval met een hoogte van 100 m. te gebruiken. Dan zou de klep voor 90% dicht moeten, wat een aanzienlijk smoorverlies van energie inhoudt. In hybride systemen worden daarom bronnen aan elkaar gekoppeld met een exergieverschil dat klein is en in de ogen van velen zelfs nutteloos is. Zo is de grondtemperatuur in Nederland gemiddeld 10-12ºC. Toch worden gebouwen veelal nog elektrisch of met opgewekte energie gekoeld. De vele stappen die tussen het opwekken van de koude en het transport zitten, leveren veel energieverlies en exergieverlies. Jammer, want menig gebouw kan met koude uit de grond gekoeld worden. Ook voor verwarmen geldt hetzelfde principe. Het belangrijkste kenmerk van duurzame verwarming is het gebruik van laagwaardige warmte. De toegepaste methode zorgt er ook voor dat de afgifte op een zo laag mogelijke, passende, temperatuur geschiedt. Duurzaam denken, betekent voor nu en in de toekomst dan ook vooral anders denken. Een duurzaam hybride systeem is opgebouwd uit vier onderdelen: 1. Aanbieders van energie 2. Buffering van energie 3. Transport van energie 4. Gebruikers van energie 3
1. Aanbieders van energie Onder aanbieders van energie verstaan we alle vormen en bronnen van energie. Van hoogwaardige energie zoals aardgas, kolen, olie, kernenergie, zonne-energie, hout, biomassa, windenergie en blauwe energie uit osmose of elektrodialyse tot laagwaardige varianten zoals restwarmte, bodemopslag, oppervlaktewater, afvalstromen etc. Met vaak elektriciteit als vorm van de energie. Hierbij moet aangetekend worden dat laagwaardige energie zeker ook hoogwaardig kan zijn. In de industrie zijn de reststromen vaak laagwaardig (20º - 30º). In vergelijking met de hoogwaardige energie van een cv (80 º) lijkt het nutteloze energie. Op de juiste manier gekoppeld kunnen echter veel van de stromen in de industrie ingezet worden voor zowel het opwekken als de buffering van energie. Belangrijk bij het maken van de juiste keuze is om er op te letten dat de laagwaardige energie hoogwaardig genoeg is voor de toepassing. Wanneer meerdere bronnen op een intelligente manier met elkaar gecombineerd worden, is er sprake van een hybride ontwerp. De bronnen, energiestromen, die hierin gebruikt worden, hoeven niet noodzakelijk onderdeel van het eigen gebouw (of complex) uit te maken. In veel gevallen levert het veel op wanneer ook de omgeving of de buren er bij betrokken worden. Welke aanbieder de juiste keuze is, is sterk afhankelijk van de lokale situatie. In veel gevallen zijn meerdere keuzes en/of een combinatie van keuzes mogelijk. 2. Buffering van energie Uit bovenstaande wordt al duidelijk dat ook laagwaardige energie nuttig wordt wanneer je deze op een ander moment voor iets kunt inzetten. Opslag of buffering maakt dit mogelijk. Er zijn echter meer redenen waarom het bufferen van energie aan te bevelen is: 1. Buffering lost het probleem van het wisselende vraag en aanbodpatroon per etmaal, week of seizoen op. 2. Het kan ingezet worden om de dimensionering van de aanbieder te verkleinen. Een kleine aanbieder en een grote buffer betekent nog steeds voldoende vermogen op het moment dat het nodig is. Zo kan bijvoorbeeld een klein zonnepaneel op een caravan met een toereikende accu er nog steeds voor zorgen dat de hele avond van duurzame stroom gebruik gemaakt kan worden. 3. Buffering biedt de mogelijkheid om gebruik te maken van verschillende tarieven voor energie. Het energietarief wordt steeds meer afhankelijk van schaarste. We kenden al een nachttarief, met intelligente meters worden ook de tarieven intelligent. 4. Buffering leidt tot energiebesparing omdat niets weggegooid wordt wat later nog gebruikt kan worden. Elektriciteit Elektriciteit (hoogwaardig) laat zich moeilijk opslaan. Iedereen is bekend met de snelheid waarmee batterijen leeglopen. Op dit moment is het nog zo dat centrales elektriciteit opwekken om te voldoen aan de pieken waarop de hele samenleving 4 stroom nodig heeft. Willen we in de toekomst duurzaam met energie omgaan, dan is het zaak om anders met elektriciteit om te gaan. De smart grid is hiervoor een uitstekende tool. De smart grid is een intelligent elektriciteitsnetwerk waarin aanbod en verbruik van elektriciteit in zowel plaats als tijd op elkaar afgestemd wordt. Het rekent af met overschotten en tekorten. De energieleverancier is een partner bij het herplaatsten van de elektrische energie in tijd en plaats. Energie wordt op deze manier niet echt gebufferd maar mondiaal gedeeld. Daarin ligt ook het grote verschil tussen elektriciteit en thermische energie, die wel gebufferd kan worden. Thermische energie (water) In water laat energie zich goed opslaan. Water heeft de hoogste soortelijke warmte van alle gangbare stoffen en is daarmee niet alleen geschikt voor opslag maar ook een ideaal medium om energie mee te verplaatsen aangezien water per volume-eenheid veel energie kan opnemen. In de praktijk worden verschillende methoden toegepast om energie met water op te slaan: Getijden Stuwdammen Thermische tanks, Sprinkler tanks, Proceswater tanks Thermische gebouwactivering, betonkernactivering WKO gesloten en open Open water, rivieren PCM (zout en water) en Thermo chemische opslag In de hybride gedachte is water al decennialang de transportdrager van thermische energie. Het is natuurlijk, veilig, goedkoop, overal beschikbaar, breed geaccepteerd en beheersbaar. 3. Transport van energie Macroniveau De meest gebruikelijke wijze van het transporteren van energie is via elektrische stroom. Andere conventionele manieren zijn het rondvaren en/of rondpompen van olie, kolen en aardgas over de wereldbol. Microniveau Op locale schaal kennen we o.a. onderstaande transportmiddelen: Lucht De energie-inhoud en dichtheid van lucht is gering. Om lucht voor het transport van energie te gebruiken, zijn dan ook grote installaties nodig. Koudemiddelen Koudemiddelen zijn zeer efficiënt in het verplaatsen van energie. Inmiddels vormen de milieu-effecten van synthetische koudemiddelen een probleem. Daarom staan de natuurlijke koudemiddelen, zoals CO2, Ammoniak en Koolwaterstoffen, volop in de belangtelling. Bij het gebruik van deze koudemiddelen moet wel rekening met de veiligheidsvoorschriften gehouden worden en met de beperking van de vulling. Batterijen Batterijen zijn (nog) groot en zwaar in verhouding met de energie die er in kan. Stadsverwarming Hierbij wordt de energie naar de huizen gebracht om deze te
verwarmen, vaak met water. Dit kan restwarmte zijn, die in de zomer vaak vernietigd wordt. Water De soortelijke warmte van water is 4,18 kj/kgk. Daarmee is water een ideaal transportmedium. Niet nieuw. De Romeinen bouwden al aquaducten om hun thermen te verwarmen. Water kan over lange afstanden getransporteerd worden. Welk transportmedium ook gekozen wordt, het is zaak er voor te zorgen dat het medium zo goed mogelijk past bij het energieniveau dat aangeboden wordt. Anders betekent het onherroepelijk efficiencyverlies. Hoogwaardige energie transporteren, betekent een risico op extra verliezen onderweg. 4.Gebruikers van energie De gebruiker van energie bevindt zich over het algemeen in het gebouw waarin mensen wonen, leven, werken of recreëren. Het zijn de huishoudelijke apparaten, de ventilatie-, verwarming- en koelsystemen en de warmtepomp. In de industrie komen daar ook nog de processen bij. In een hybride systeem zijn alle gebruikers koppelbaar aan elkaar, de opwekkers en de buffers. In formule: Waarbij: Tk = temperatuur koel Tw = temperatuur warm (Temperatuur in Kelvin) Uit deze formule volgt dat EER = COP + 1 bij dezelfde temperaturen. De Warmtepomp De warmtepomp neemt onder de gebruikers van energie een speciale plaats in. Een warmtepomp wordt namelijk ingezet om het exergieniveau van de energie op een hoger peil te brengen. Daar waar de laagwaardige energie niet voldoende is en deze hoogwaardiger gemaakt moet worden, is de warmtepomptechniek een manier om tot een zeer gunstige energieprestatie te komen. Een warmtepomp heeft vaak elektriciteit als aandrijfkracht, maar kan echter ook aangedreven worden door andere vormen van energie, zoals restwarmte, aardgas, zonne-energie, magnetisme en geluid. Het rendement Wat bij het gebruik van warmtepompen vooral van belang is, is het rendement van het systeem. Dit is van veel factoren afhankelijk. Bij iedere omzetting van energie naar een andere vorm gaat energie verloren. Het rendement kan nooit 100% zijn. Vaak wordt het rendement van een warmtepomp uitgedrukt in de COP (Coëfficiënt of Performance). De warmtepomp is echter slechts een deel van een systeem en het verdient dan ook aanbeveling het rendement over het totale systeem te meten, over het gehele jaar door gebruik te maken van de SPF, de Seasonal Performance Factor. De SPF geeft het conversierendement per seizoen aan in een verhoudingsgetal van de geproduceerde energie en de gebruikte primaire energie. De SPF van een systeem is afhankelijk van het type bron, het opweksysteem en het afgiftesysteem in het gebouw. Ieder seizoen heeft een eigen rendement en ook het rendement van een warmtepomp varieert van moment tot moment. We drukken het rendement voor verwarmen uit in COP, in combinatie met de SPF wordt dat de SCOP. Het rendement voor koelen wordt uitgedrukt in de EER (Energy Efficiency Ratio), in combinatie met de methode SPF wordt dat de SEER. Voor alle energie omzetting is de exergie een maat voor het rendement. De Fransman Sadi Carnot formuleerde in 1825 als eerste het Carnotrendement: het hoogst theoretisch haalbare rendement van een cyclus met twee temperaturen (2e hoofdwet van de thermodynamica). 5 Energielabel voor warmtepompen volgens aankomende richtlijn EU2009/125/EG
Nieuwe wetgeving Op 1 januari 2013 wordt Europese wetgeving van kracht (EU verordening nr. 206/2012) ter uitvoering van de richtlijn 2009/125/EG inzake het ecologisch ontwerp van luchtgerelateerde airconditioners en ventilatoren. De wetgeving heeft als doel producten met een te lage SCOP en SEER van de EU markt te weren. Er wordt voor de SCOP onderscheid gemaakt in 3 klimaatzones voor verwarmen: gemiddeld, warmer en kouder gebied. Voor de SEER worden er 4 buitentemperaturen gehanteerd: 20 C, 25 C, 30 C en 35 C. Per klimaatgebied wordt er per uur berekend en gesommeerd over alle in deze zones voorkomende uren volgens tabellen. De eisen voor minimale SCOP en SEER worden per 1 januari 2014 nog verder opgehoogd. Voor toestellen voorzien van een koudemiddel met een hoog broeikaseffect (GWP>150) zijn de eisen nog scherper: de minimale SEER eis voor toestellen onder 6 kw wordt 4,60. Nadere informatie kan gevonden worden in genoemd publicatieblad van de EU en de normen NEN:EN 14825:2012, 14511 en 15218. Stijging van het gebruik van PV cellen per werelddeel Energie gaat nooit verloren Energie gaat nooit verloren, maar het is wel aan de mens het niet te verspillen. Geen enkele deskundige twijfelt er nog aan dat er een einde komt aan het gebruik van fossiele energie. Hoe lang we nog toekomen met de reserves olie, aardgas, steenkool en uranium is onderzocht door KEMA. De conclusie is dat onze reserves beperkt zijn. Volgens KEMA hebben we nog voor slechts 55 jaar voldoende, eventueel 75 jaar als nog een aantal velden kunnen worden geëxploiteerd. Wanneer dat nog niet voldoende reden is om de weg naar duurzame energie in te slaan, dan toch wellicht de onmiskenbare klimaatverandering van de laatste decennia. In 2007 kwam het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC) tot de conclusie dat de mens wel degelijk een invloed heeft op de opwarming van de aarde. Eerder al bevestigde het IPPC dat er een ongekende klimaatverandering plaatsvindt. Door de grote schaal waarop de mens in de afgelopen eeuw steenkool, olie en gas is gaan verstoken, is verhoogd CO 2 vrijgekomen. Dit in combinatie met de uitstoot van methaangas, veroorzaakt door het fossiele energiegebruik, heeft directe gevolgen voor de opwarming van de aarde. De gevolgen kunnen desastreus zijn. Redenen in overvloed om hier iets aan te doen. Duurzaam bouwen betekent rekening houden met de reserves die de aarde ons biedt en er voor zorgen dat ook toekomstige generaties in hun eigen behoeften kunnen voorzien (Brundtland commissie, 1987). Stap één is het zorgvuldig omgaan met energie, wees bewust van de exergie en kies vervolgens de meest duurzame oplossing.. Bronnen - Publicatieblad van de Europese Unie C172/1, 2012 - Publicatieblad van de Europese Unie C172/25, 2012 - Energie EU 626, 2011 - Agentschap.nl - Whitepaper Duurzaamheid & Energie BouwKennis - IPPC, Climate Change 2007 - Al Gore, An inconvenient thruth - IAEA 2000 - GreenCogEU - Green BizWorld Over Colt Colt is een internationale onderneming die al meer dan 80 jaar gespecialiseerd is in de ontwikkeling, productie, installatie en het onderhoud van systemen die zorgen voor eenwerk- en leefomgeving waarin luchtkwaliteit, daglicht en veiligheid gewaarborgd zijn. Zowel voor de industrie als voor de utiliteitsbouw is Colt actief op het gebied van: Klimaattechniek Brandveiligheid Daglichttechniek Buitenzonwering Zorgvuldig omgaan met natuurlijke hulpbronnen en het ontwikkelen van energiezuinige oplossingen zijn voor Colt het speerpunt voor de toekomst. Innovaties, energiebesparende technieken én het combineren van bestaande technieken met nieuwe ontwikkelingen die daarmee bijdragen aan duurzame oplossingen vormen de basis hiervoor. 6