Het opraken van fossiele brandstoffen en de klimaatverandering heeft geleid tot internationale, Europese en nationale afspraken. De afgelopen jaren is er hard aan gewerkt het energiegebruik in woningen en utiliteitsbouw te verlagen door betere isolatie en efficiëntere apparatuur. Binnen de stadsvernieuwing is het behalen van hetzelfde niveau als bijvoorbeeld passiefhuis standaard erg kostbaar. Een aanpak op wijkniveau van de energieproductie en verdeling is efficiënter. Een efficiëntere en meer decentrale aanpak heeft ook consequenties voor de nationale energiestrategie. In dit hoofdstuk wordt een beknopt inzicht gegeven op dit complexe gebied.

Nederland en Europees beleid

Op Europees niveau is afgesproken dat de CO2-emissies tot 2020 met 40% teruggebracht worden ten opzichte van 1990. Het energiegebruik zal met 20% teruggebracht worden en het aandeel duurzame energiedragers zal tot 20% verhoogd worden tot 2020. [Erhorn-Kluttig et al., 2011]

Het IPCC (IPCC 2007) stelt dat het nodig is om de broeikasgassen van de industrielanden tot 2050 met 80 tot 95% ten opzichte van de emissies van 2000 te verlagen om de stijging van de gemiddelde wereldtemperatuur tot 2°C te beperken. Niet alleen een stabilisatie van de broeikasgassen is voldoende maar er zal tussen 2070 en 2100 een negatieve globale broeikasemissie bereikt moeten worden. [Hohmeyer, 2010]

De behoefte aan energie op wereldschaal stijgt snel; inmiddels blijft de energieconsumptie in Europa vrijwel constant en daalt deze zelfs in sommige landen als gevolg van de verbetering van energie-efficiëntie. Van de energie die wereldwijd wordt gebruikt is 80% afkomstig van de fossiele bronnen olie, kolen en gas. In Europa is dit percentage 75%.

In Europa wordt op dit moment meer dan 50% van de totale gebruikte energie geïmporteerd. [EU Directorate-General for Energy, 2011]

Energy mix in EU Member States in 2009 (distribution of gross inland consumption by product). * = coal and other fuels © EU directorate-general for energy, 2011, by Eurostat

Elk Europees land heeft een specifieke energiemix. Dit is de verdeling van de verschillende energiebronnen. In de Nederlandse energiemix valt het grote aandeel gas op en het relatief kleine aandeel duurzame bronnen. Oostenrijk, Finland en Zweden hebben bijvoorbeeld een aandeel duurzame energie dat in 2009 al meer dan 20% bedroeg.

De Europese doelstelling om in 2020 in Europa 20% duurzame energie te gebruiken is een gemiddelde. Voor alle lidstaten is een doelstelling vastgesteld die gebaseerd is op een vergroting van het oorspronkelijke aandeel duurzame energie. Zo gaat Zweden, dat in 2005 al op een percentage duurzame energie van circa 40% zat, naar ongeveer 50% duurzaam. Voor Nederland is de doelstelling 14% duurzaam in 2020; dit percentage was in 2009 4%. [EU Directorate-General for Energy, 2011]

EU Energy targets 20-20-20 by 2020: Increase the share of renewable energy sources in energy consumption to 20% © EU directorate-general for energy, 2011, by Eurostat and European Commission

Omdat elk Europees land een specifieke energiemix heeft met een eigen doelpercentage duurzame energiedragers, zijn de mogelijkheden voor verduurzaming per land verschillend en is er ook per land een eigen beleid ontwikkeld.

Het aandeel van duurzame energie in het totale energiegebruik in Nederland is gering, 9-10%, in vergelijking met de omliggende landen. Van dit aandeel duurzame energie is ongeveer de helft van de opgewekte energie afkomstig van de verbranding van biomassa in de vorm van huishoudelijk afval. Volgens de definitie van de EU is dit geen duurzame bron. 40% van de binnenlandse duurzame energieproductie is afkomstig van windturbines. Waterkracht en zonnestroom dragen slechts voor een klein deel bij aan de totale binnenlandse energieproductie. [Wikipedia, duurzame energie, 2012]

Het werken aan de doelstellingen van een verduurzaming van de energieproductie wordt zichtbaar aan de windmolens en PV-daken in veel Europese landen.

Een richtlijn van de EU (EPBD) van 2009 vereist dat alle nieuwe gebouwen vanaf 2021 lage-energiegebouwen zijn en de kleine restvraag aan energie dekken uit duurzame bronnen. Voor publieke gebouwen geldt dit al vanaf 2019. [Erhorn-Kluttig et al., 2011]

Een groot deel van het energiegebruik vindt plaats in de gebouwde omgeving.

De omslag moet dus in steden plaatsvinden.

De wettelijke eisen betreffende gebouwisolatie worden regelmatig aangescherpt. De techniek die nodig is om de Europese doelstellingen te halen, bijvoorbeeld door het realiseren van nul-energiewoningen, is er al, maar wordt nog beperkt toegepast en is kostbaar. De energieverbruikscijfers per vierkante meter woonoppervlak dalen, maar om de gestelde doelstellingen te halen zou een enorme versnelling van de verbetering nodig zijn; die is zeker voor de gebieden van stedelijke herstructurering moeilijk financierbaar. [Erhorn-Kluttig et al., 2011]

Wijkgerichte aanpak

Passiefhuizen in de nieuwbouw zijn haalbaar; maar om dezelfde efficiëntie binnen de renovatiesector te bereiken zijn onevenredig meer financiële middelen nodig. Noch het percentage van jaarlijks onderhanden gebouwen, noch de kwaliteit van de renovatie zijn voldoende om de boven omschreven Europese doelstellingen te halen.

De kosten voor de verhoging van de isolatiewaarde zijn niet evenredig met de besparing. Het opvoeren van deze isolatieverbetering door verdere technische maatregelen is maatschappelijk niet haalbaar. Hier levert de introductie van wijkgerichte energie- en warmteproductie, alsmede de introductie van smart grids, een hoger rendement en meer mogelijkheden op. [Erhorn-Kluttig et al., 2011]

Wijkoptimalisatie: cascadering, uitwisseling en decentraal produceren

Veel energieopwekkingsystemen, zoals warmte/krachtkoppeling (WKK), gebruik van biomassa, gebruik van afvalwarmte en gebruik van afval voor energie- en warmteproductie, worden rendabeler bij een groter vermogen. Deze zijn dan ook bij uitstek geschikt voor een wijkgerichte aanpak. Het gebruikmaken van de mogelijkheden van de specifieke wijk in combinatie met een optimalisatie van het hele wijksysteem kan tot een vergelijkbaar rendement leiden als lage-energiegebouwen [Erhorn-Kluttig et al., 2011].

Een probleem is dat hiervoor geen standaardoplossingen zijn en dat de oplossingen altijd op de mogelijkheden van de specifieke wijk afgestemd moeten worden. De processen voor een energetische optimalisatie van een wijk zullen langduriger en gecompliceerder zijn. Er kunnen hier dan ook alleen bouwstenen voor een wijkoptimalisatie geleverd worden die voor iedere wijk in een andere samenstelling gebruikt kunnen worden.

Ook zal een wijkaanpak over het algemeen alleen haalbaar zijn in combinatie met een ander transformatieaspect zoals veranderend gebruik of als de wijk om sociale redenen aangepakt wordt [Erhorn-Kluttig et al., 2011].

Naast de aanpak van de productie van energie en warmte, en de reductie van de vraag, zal ook een optimalisatie van de verdeling steeds belangrijker worden. Decentrale toevoer van energie, opslag en verdeling vereisen meer flexibiliteit van het net. Smart grids zullen de gebruikers, decentrale en centrale leveranciers en opslag op elkaar aansluiten.

© Laure Itard, Olivia Guerra Santin, TU Delft, 2009

Duurzame, energieneutrale, of nog beter energieproducerende wijkconcepten zijn zoals eerder vermeld sterk afhankelijk van de mogelijkheden van de wijk. Dichtheid, functies in de wijk, nieuw- of vernieuwbouw, mogelijkheden voor aardwarmte en thermische energie, bodemopslag of aanwezige afvalwarmte van bedrijven zijn enkele van de aspecten die bepalend zijn voor de keuze van een concept.

Een toekomst, waarin smart grids een steeds grotere rol zullen spelen en waarin een combinatie van decentrale en centrale energievoorzieningen optimaal op elkaar afgestemd moeten worden, is afhankelijk van de faciliterende netwerkstructuren. Ook de maatschappelijke tendens dat burgers meer verantwoording nemen voor energievoorzieningen kan gecombineerd worden met de doelstellingen van decentrale en duurzame energieopwekking.

Dit wordt duidelijk bij wijkgerichte energiebedrijven en energiebedrijven die eigendom van burgers zijn, zoals Thermo Bello in Culemborg en de Bürgerkrachtcentrales in Duitsland.

Transitie van centraal naar optimaal

Een op regeneratieve bronnen gebaseerde uitbouw van de energieproductie zal op den duur conflicteren met het bestaande systeem. Kolencentrales en kerncentrales gaan niet goed samen met de transitie naar een volledig regeneratieve energieopwekking. Dit blijkt nu al in Duitsland waar door de energiewet duurzame energie voorrang heeft op energie uit fossiele of nucleaire bronnen. Op sommige dagen wordt in Duitsland al 80% van de energie door windmolens geleverd. Op die dagen moeten de grote centrales soms uitgeschakeld worden. De discontinuïteit van wind en zon combineert slecht met de traagheid van kern- en kolencentrales. Deze centrales zijn in het tijdperk vóór de toepassing van wind- en zonne-energie voor de inzet van de basislast en middenlast ontworpen. Dat betekent dat ze zo gelijkmatig mogelijk gedurende het hele jaar gebruikt worden. Ze hebben relatief hoge investeringskosten bij relatief lage bedrijfskosten en dus moeten ze om rendabel te zijn zoveel mogelijk bedrijfsuren maken. [Hohmeyer, 2010]

Daily load structure and subdivision in different load segments of electricity demand in the net. © Hohmeyer, 2010

Zowel kolen- als kerncentrales zijn wezenlijk minder flexibel dan bijvoorbeeld gascentrales. Zo duurt het voor een kerncentrale die stilgelegd is ongeveer 50 uur tot ze weer opgestart is; voor kolencentrales is dat ongeveer 5 uur. Kerncentrales kunnen niet functioneren onder een vermogen van 50% en worden dan uitgeschakeld. [Hohmeyer, 2010]

Daily load structure and feed-in from not regulated renewable energy sources © Hohmeyer, 2010

Kerncentrales kunnen het wisselend aanbod duurzame energie dus niet flexibel aanvullen. Gascentrales zijn hier een betere aanvulling op vanwege hun kortere opstarttijd van 20 minuten voor grote centrales en enkele minuten voor gasgestookte WKK-installaties voor wijken of huizen. Ook kunnen gascentrales in de toekomst naar biogas omgebouwd worden. [Hohmeyer, 2010]

Door een toenemend gebruik van windenergie zal bijvoorbeeld in Denemarken en Duitsland vanaf 2020 geen continue basislast gevraagd worden. Een overbrugging zijn WKK-installaties op huis-,

blok-, en wijkniveau met warmtebuffers die centraal aangestuurd worden om tekorten in de stroomvoorziening te compenseren. Vele kleine installaties vormen een virtueel krachtwerk. Gasgedreven WKK-installaties hebben het voordeel van een hoog rendement, een snelle realisatie van kleine projecten in enkele jaren in tegenstelling tot planning en bouw van grote krachtwerken van 5 tot 10 jaar. Ze zijn als groot virtueel krachtwerk traploos en snel regelbaar als aanvulling op de hernieuwbare bronnen. Een voordeel is ook de korte afschrijvingsperiode van 10 tot 15 jaar van kleinere installaties ten opzichte van grote van 35 tot 50 jaar. Dit maakt flexibeler inspelen op nieuwe ontwikkelingen mogelijk. [Hohmeyer, 2010]

De netwerkstructuren zullen aangepast en meer afgestemd worden op decentrale opwekking. Waarschijnlijk zullen meer gridachtige structuren ontstaan in plaats van de nu gebruikelijke radiale structuren.

Bedrijfszekerheid

Een andere reden voor de overstap naar meer gridachtige structuren is dat deze minder kwetsbaar zijn. Door de centrale productie kan een uitval van een centrale grote gebieden verlammen zonder dat hier een robuuste noodvoorziening voor is. Bovendien hebben stroomstoringen in de VS laten zien dat op het moment dat er bij een storing in een gebied stroom uit omringende netwerken wordt onttrokken, er een domino-effect kan ontstaan en het getroffen gebied juist groter wordt.

Kwetsbaarheid speelt ook op een ander niveau een rol. Door de centrale productie zijn de grote centrales een mogelijk doelwit voor aanslagen. [U.S. Department of Energy, 2011]

Smart grids kunnen bovenstaande beperkingen van het net reduceren en een robuuster en duurzamer energienet creëren.

Smart grids

Een smart grid is een netwerk waarin alle beschikbare mogelijkheden worden ingezet om vraag en aanbod beter op elkaar af te stemmen en de inzet van duurzame en lokale energiebronnen zo goed mogelijk te faciliteren. De informatietechnologie biedt hiervoor mogelijkheden. Zo kan bijvoorbeeld uitgaande van de huidige situatie, de energieproductie in centrales worden afgestemd op de te verwachten hoeveelheden wind- en zonne-energie. Er kan een variabele prijs worden ingevoerd om de vraagkant te sturen. Elektrische apparaten kunnen hierop aangepast worden, zodat bijvoorbeeld de vaatwasser of wasmachine pas aangaat of de accu wordt opgeladen onder een bepaald prijsniveau.

Doordat in een smart grid iedere afnemer in principe ook producent moet kunnen zijn, kunnen lokale duurzame energiebronnen zoals windmolens en zonnepanelen aangesloten worden.

Verdergaande ontwikkelingen integreren alternatieve, vaak lokale, vormen van energieopslag. Hierbij hoeft niet alleen gedacht te worden aan conventionele accu’s maar kan bijvoorbeeld de bodem als opslagmedium worden gebruik en ook de elektrische accu’s of waterstofaccu’s van auto’s kunnen ingezet worden.

Door de toepassing van smart grids kan de robuustheid van het energiesysteem enorm vergroot worden.

Denemarken werkt hard aan de realisatie van een dergelijk smart grid. Doelstelling in Denemarken is dat in 2020 ieder huishouden met een intelligente meter is uitgerust zodat de mogelijkheid gecreëerd wordt dat bepaalde apparaten zoals wasmachines en vaatwassers aangaan en accu’s worden opgeladen als er veel aanbod van energie is. [Danish Ministry of Climate, Energy and Building, 2011]

In de VS wordt bij de uitleg van het smart grid ook al rekening gehouden met ‘islanding’. In dit model kunnen netwerken van stadsdelen of dorpen door de koppelingen van de lokale bronnen zoals zonne-energie en windenergie, maar ook de lokaal opgeslagen energie in de accu’s van auto’s omgevormd worden tot een zelfstandig lokaal net, waardoor bij stroomstoringen vitale stedelijke functies zoals hulpdiensten en supermarkten voorrang krijgen en kunnen blijven functioneren.

De smart grids bestaan dus uit een grote verscheidenheid aan technieken. Het is ook niet zo dat een smart grid ‘aangelegd’ kan worden. Het is een langdurige, geleidelijke ontwikkeling met niet alleen technische maar ook juridische, bestuurlijke en sociale aspecten. [U.S. Department of Energy, 2011]

Kader voor de transitie van fossiele naar vernieuwbare bronnen

Een transitie van fossiel naar vernieuwbaar kan alleen plaatsvinden binnen een totale visie op de duurzame, decentrale en centrale energievoorziening. Duitsland en Denemarken zijn voorbeelden van buurlanden met min of meer vergelijkbare geografische conditie als Nederland, die hiervoor condities  scheppen.

Denemarken heeft als doelstelling om haar energie- en warmteproductie tot 2050 voor 100% te baseren op regeneratieve bronnen en Duitsland voor 80%. Beide landen zetten hierbij in op on- en offshore windfarms. De windenergie wordt aangevuld met lokale mogelijkheden zoals zonne-energie, waterkracht en decentrale WKK-installaties. Daarnaast wordt er hard gewerkt aan de ontwikkeling van opslagmogelijkheden voor elektriciteit.

Uit Duits onderzoek blijkt dat de elektriciteitsvoorziening van Duitsland tot 2050 volledig op basis van regeneratieve bronnen gerealiseerd kan worden.

Ook blijkt uit dezelfde studie dat regeneratieve energie in het gunstigste geval vanaf 2035 en in het meest ongunstige geval vanaf 2045 goedkoper zal zijn. [Hohmeyer,2010]

Naast de overstap op vernieuwbare bronnen krijgt de reductie van CO2 emissies aandacht in de besluitvorming. CO2 opslag nu wordt van de hand gewezen zowel in Duitsland als in Denemarken om de opslagcapaciteit voor de toekomst te reserveren aangezien er naar gestreefd wordt om in 2050 tot een negatieve CO2 balans te komen. De opslagmogelijkheden voor het CO2 worden dan voor de biogasproductie en -verbranding gebruikt. [Hohmeyer,2010]

Development of specific costs for the generation of electricity for renewable energy sources (including storage and national and international expansion of the High Voltage Direct Current (HVDC) grid) compared to possible development of costs for the generation of electricity from conventional sources in the future scenario (according to SRU Scenario 2.1.a / 509 TWh/a in 2050). © Hohmeyer, 2010

Daarnaast vindt Denemarken de opslag van CO2 nu te duur en te veel energie vergend [Danish Ministry of Climate, Energy and Building, 2011].

Als er vertragingen in de uitbouw van de regeneratieve bronnen in Duitsland ontstaan, dan wordt eraan gedacht de bestaande gascentrales langer te gebruiken omdat deze ook een lagere CO2 uitstoot hebben dan kolencentrales. Nieuwbouw zou voornamelijk in kleinere warmtekrachtcentrales in steden gerealiseerd kunnen worden omdat deze flexibeler regelbaar zijn en er altijd zowel warmte als elektriciteit geproduceerd wordt en gebruikt kan worden.

Een geforceerde uitbouw van hoogspannings-verbindingen van de productieplaatsen in Noord-Duitsland naar de economische centra in Zuid-Duitsland is noodzakelijk.

Voor de opslag van overtollige elektriciteit uit wind en zon kiest Duitsland voor de productie van waterstof en methaan. Door toevoegen van CO2 kan uit waterstof weer methaan geproduceerd worden dat dan weer in het bestaande gasnet gebruikt kan worden. Daarnaast wordt energie opgeslagen door water op te pompen in stuwmeren. [Klaus et al., 2010]

Zowel Duitsland als Denemarken heeft als doelstelling om in 2020 50% van de energie uit vernieuwbare grondstoffen op te wekken, voornamelijk uit wind. Op dit moment zijn in Duitsland naast de reeds bestaande windparken en molens meer dan 2.000 molens in aanbouw en er zijn vergunningaanvragen voor 84 windparken met 3.600 windturbines in de Noord- en Oostzee in behandeling. Om de processen te versnellen zijn procedures vereenvoudigd, alsmede voor de aanleg van hoogspanningstracés. De Duitse regering investeert vijf miljard euro in windparken.

Veel wordt ook geïnvesteerd in onderzoek met betrekking tot energieopslag. Terwijl bijdragen aan PV-cellen verlaagd worden vanwege het toenemende rendement, wordt juist de uitbouw van decentrale WKK-installaties bevorderd. [www.bundesregierung.de]

Energie en warmte op wijkniveau

In Nederland wordt in het kader van een duurzame energie- en warmteproductie vaak de trias energetica gebruikt: 1. vraag beperken, 2. gebruik duurzame bronnen en 3. efficiënt gebruik fossiele bronnen. Hier word de trias uitgebreid met een extra stap [Dobbelsteen, 2011] namelijk de stap van de introductie van het gebruik van reststromen. Deze strategie wordt de Nieuwe Stappen Strategie (NSS) genoemd.

Daarnaast wordt stap 4 door ons uitgebreid met efficiënt gebruik van duurzame bronnen.

  • vraag reduceren
  • reststromen benutten
  • gebruik duurzame bronnen
  • efficiënt gebruik duurzame en fossiele bronnen

In het schema uit REAP2 zijn de mogelijkheden met betrekking tot vraag beperken, reststromen benutten en duurzaam opwekken op de verschillende schaalniveaus benoemd. In het onderstaande maatregelenoverzicht zijn de technische maatregelen op blok- en wijkniveau samengevoegd.

Building Neighbourhood/district City/region
Reduce the demand Improve building envelope
Reduce cooling demand
Construction materials with a high albedo values and low emissivity value
Optimalisation daylight entry
Building component activation
Efficient and healthy ventilation
Efficient hardware
Efficient lights
Company optimalisation
Smart meters/thermostats
Education
Reduce heat loss
Orientation
Wind disturbance reduction
Reduce cooling demand
Pavement materials with a high albedo value and low emissvity values
Shading by green
Temperature reduction by green
Efficient lights
Reduce cooling demand
Pavement materials with a high albedo values and a low emissivity value
City ventilation
Temperature reduction by green
Reuse waste streams Air
• Ventilation air recovery
Water
• Shower heat recovery
Water
• Waste water
Organic waste/biomass
• Fermentation organic household
waste/biogas production
• Residual heat from production
processes
Water
• Waste water
Organic waste/biomass
• Fermentation organic household waste/biogas production
• Fermentation of waste/biogas production
• Residual heat from production processes
Use sustainable sources Sun
• Passive solar energy
• PV-panels
• Solar thermal collectors
Wind
• Small wind turbines
Ambient heat
• Surface water
• Drinking water
• Air
• Ground
CHP-biofuel
Sun
• Passive solar energy
• PV-panels
• Solar thermal collectors
Asphalt collectors
Wind
• Small wind turbines
Ambient heat
• Surface water
• Drinking water
• Air
• Ground
CHP-biofuel
Hydropower
Sun
• Passive solar energy
• PV-panels
Wind
• Wind turbines
Ambient heat
• Surface water
• Drinking water
• Air
• Ground
CHP-biofuel
Hydropower
Blue energy
Minimize the use of fossil sources CHP-fossil CHP-fossil CHP-fossil

REAP © Andy van den Dobbelsteen

REAP © Andy van den Dobbelsteen

 

Literatuur