De voordelen van Energie-damwanden door Prof. Smeulders van de TU Eindhoven uitgelegd

De voordelen van de Energie-damwanden door Prof. Dr. Ir. D. Smeulders, TU Eindhoven, Dutch Design Week

Bekijk hier de video waarin Prof. Dr. Ir. David Smeulders van de TU Eindhoven tijdens de Dutch Design Week de werking en voordelen van Energie damwanden uitlegt.

In een heldere presentatie vertelt Prof. Smeulders hoe aquathermie (energie halen uit langsstromend water en uit de bodem) met de Energie-damwanden tot 500 % rendement op kan leveren.

Onderstaand vindt u de transcriptie van deze video:

Interviewer: David Smeulders!

David Smeulders: Dankjewel! We hebben het natuurlijk in Nederland vaak over zon en wind. Maar we vergeten natuurlijk dat Nederland ook een waterland is; een waterrijk land. Ik vraag me dus weleens af - en ik wil daar nu ook iets over vertellen - hoeveel energie kunnen we uit water halen en in welke vorm? Dus om een hele simpele aanname te maken, als we nu eens kijken naar de Rijn bij Lobit komen daar 2,2 miljoen liter (dus ook kilogram) water per seconde naar binnen. Hoeveel energie is dat nu? Dan moet je je natuurlijk eerst afvragen "Wat voor energie zou dat kunnen zijn?" We zouden bijvoorbeeld watermolens in de Rijn kunnen zetten. Dit is een voorbeeld van de Collse watermolen bij Nuenen. Als we die nu eens honderd keer zouden opstellen in de Rijn bij Lobit, we weten dat de Rijn ongeveer twee meter per seconde Nederland binnen komt kabbelen, dan zouden we daar 4,4 MW kunnen uithalen. Natuurlijk afgezien van het feit dat de scheepvaart daar niet zo blij mee zal zijn, maar ik kijk nu alleen naar de energie. Dan hebben we nog steeds 200 keer minder dan één kolencentrale, dus dat schiet niet echt op. Maar we zouden natuurlijk ook kunnen kijken naar stuwdammen, zoals we bijvoorbeeld in Zwitserland of in de Verenigde Staten of in andere landen zien. Stel dat we bijvoorbeeld een stuwdam in de Rijn zouden kunnen aanleggen en de scheepvaart zou daar misschien netjes omheen kunnen varen. Dit is een voorbeeld van een stuwdam bij Maurick, waar dat ook wordt toegepast. Dat doen we dan in de Rijn en we zorgen ervoor dat daar vier meter hoogteverschil is, dan zouden we daar 88 MW kunnen uithalen. Dat is 10 keer minder dan een kolencentrale. Dat schiet nog steeds niet echt op.

Wat als we nu de Rijn bij Lobit op één of andere manier 1°C zouden kunnen afkoelen? Dus dat betekent: we zorgen ervoor dat we daar met één of ander materiaal of hoe we dat dan ook zouden kunnen doen die thermische warmte eruit zouden kunnen halen. Dat betekent dat we ongeveer 9,2 GW zouden kunnen onttrekken. Dat is net zoveel als 10 kolencentrales. Dus dat betekent in dit geval dat we hier toch wel een belangrijke bron ter beschikking hebben. Het enige is natuurlijk: Hoe krijgen we daar die warmte ooit uit? Want ik zei het net al, molens in de Rijn, stuwdammen in de Rijn, dat zorgt er natuurlijk toch voor dat we obstakels krijgen. Dat willen we natuurlijk niet. Wat we zouden kunnen doen wordt geïllustreerd in het volgende plaatje.

Gooimeer Energy: Stalen damwanden worden normaliter gebruikt voor grond- en/of waterkeringen. Maar een nieuwe extra functie is die van duurzame energiebron, want door de damwanden te voorzien van de juiste collectoren kan er gratis energie uit de bodem worden gehaald waarmee huizen en gebouwen eenvoudig verwarmd of gekoeld kunnen worden, het hele jaar door. Als ergens een damwand moet worden geplaatst, brengen wij hier vooraf collectoren op aan. Door deze collectoren wordt een speciale vloeistof rondgepompt. Dit is een geheel gesloten systeem waardoor er geen vloeistoffen in de bodem worden gebracht of eraan worden onttrokken. Een elektrisch aangedreven warmtepomp haalt de beschikbare energie via de energie-damwanden uit de bodem en het grond- of oppervlaktewater. Dit zijn oneindig duurzame energiebronnen welke het hele jaar door onbeperkt beschikbaar zijn. De warmtepomp brengt deze energie die door de speciale vloeistof uit de leidingen van de energie-damwand wordt aangevoerd van een laag temperatuurniveau naar een hoog temperatuurniveau door middel van een compressor; een drukverhoger. Hiervoor maakt de warmtepomp gebruik van een speciaal medium, namelijk een koudemiddel dat warmte kan transporteren. Vervolgens wordt deze warmte aan een afgiftesysteem in de woning afgegeven. Hierbij valt te denken aan tapwater of aan een vloerverwarming. Het expansieventiel, een drukverlager, zorgt er uiteindelijk voor dat het koudemiddel van een hoogtemperatuurniveau weer naar een laagtemperatuurniveau wordt gebracht, zodat er weer nieuwe energie uit de bodem en/of het water via de energie-damwanden gehaald kan worden. Met dit systeem kunnen zo zeer hoge rendementen van meer dan 500% behaald worden, doordat het grootste gedeelte van de benodigde energie wordt gewonnen uit duurzame bronnen. Door deze uiterst duurzame oplossing kunnen gebouwen het gehele jaar worden verwarmd. Maar tijdens warme periodes kan de richting ook worden omgedraaid en kunnen deze gebouwen eveneens worden gekoeld. Zo hebben de stalen damwanden niet alleen een grond- en/of waterkerende functie, maar zo functioneren ze ook als onbeperkte duurzame energiebron 365 dagen per jaar.

Dat klinkt een beetje als tovenarij: 500% rendement. Maar het klopt wel. Op dit plaatje ziet u hoe dat kan. Wat we namelijk doen, wij gaan een beetje als een investeerder optreden. We hebben 1 kWh zelf, dit staat op het plaatje. We lenen 4 kWh als buitenwarmte erbij. Opgeteld geeft dat 5 kWh binnenwarmte. Het rendement is dan vijf gedeeld door één, dat is factor vijf en dat is 500%. Dus wij denken "Als een bankier het kan en als een investeerder het kan, dan kunnen wij het op de technische universiteit ook". Dus die 500% klopt en dat klopt omdat een warmtepomp geen nieuwe warmte hoeft te maken, maar hij zoekt naar bestaande warmte in het oppervlaktewater en transporteert deze met een relatief geringe hoeveelheid elektriciteit naar binnen toe. Dus we maken geen warmte; we zoeken het en transporteren het. Dat is de functie van een warmtepomp en vandaar die 500%. Die warmte moet natuurlijk wel ergens vandaan komen en we onttrekken dat aan het oppervlaktewater. Het oppervlaktewater kan natuurlijk niet oneindig worden afgekoeld. Bij het voorbeeld van de Rijn hadden we het over 1°C. Maar als we natuurlijk alles heel veel gaan afkoelen dan betekent dat ook dat de biodiversiteit in het gevaar zou kunnen komen. Vandaar dat er voorschriften zijn en deze zijn hier ook weergegeven. We kunnen alleen warmte onttrekken als de watertemperatuur boven de 15°C is en deze mag niet lager worden dan 12°C en we mogen maximaal 6°C afkoelen.

Dus er zijn beperkingen aan de hoeveelheid die we kunnen onttrekken. Aan de andere kant is het natuurlijk wel mooi dat we op deze manier misschien wel weer een Elfstedentocht mogelijk kunnen maken. Mijn collega in Delft, Andy van den Dobbelsteen, zegt vaak "Onttrekken van warmte aan oppervlaktewater maakt het weer mogelijk om het water ook te koelen en dat betekent natuurlijk dat bijvoorbeeld ook de verstedelijkte gebieden die vaak hitte-eilanden zijn afgekoeld kunnen worden. We beperken bijvoorbeeld de groei van blauwalg in de zomer en we zorgen er misschien voor dat we ooit nog eens een keer een Elfstedentocht kunnen laten uitvoeren". Dus het mes snijdt aan meerdere kanten. Maar als we dat dan willen doen, wat is dan het thermische potentieel? Deltares, de TNO van het water in Nederland, heeft een onderzoek gedaan naar de beschikbaarheid van deze aquathermie voor de stedelijke omgeving. Het is natuurlijk voornamelijk van toepassing voor gebouwen, dus dat betekent voor woningen maar ook voor utiliteitsbouw; ziekenhuizen, kantoorbouw, etc.

Op dit plaatje ziet u dus lijnen: hoe roder ze zijn, hoeveel meer er ter beschikking is. U ziet bijvoorbeeld het IJsselmeer. Het IJsselmeer heeft natuurlijk vrij veel capaciteit. We zien ook de punten, dus de vlekken, waarbij er een match is tussen vraag en aanbod. Want u kunt zich voorstellen, het mag natuurlijk ook niet te ver uit elkaar liggen. Als we ergens een aanbod hebben van warmte van het oppervlaktewater en honderden kilometers verderop is een vraag van een stad, dan zal dat niet werken. Want dan moet ik een te lange pijp aanleggen. Maar hier in dit plaatje is daar dus rekening mee gehouden. Dat betekent, als u globaal tussen uw wimpers door naar dit plaatje kijkt, dan ziet u dat er toch een vrij goede match is tussen veel plekken in Nederland. Dat kan ik nog iets verder onderbouwen; dat is allemaal uitgerekend. CE Delft, een ingenieursbureau, heeft dat gedaan. Daaruit blijkt dus - als u naar de één na laatste kolom kijkt - dat er ongeveer 40-50% van de warmtevraag in de gebouwde omgeving opgeleverd zou kunnen worden/onttrokken zou kunnen worden aan oppervlaktewater. Dat is met dat systeem dat ik net heb beschreven.

Dus dat betekent een enorme ontlasting van de vraag naar zonneparken en windmolenparken. U kent ongetwijfeld ook de discussies die nu leven van windmolenparken in natuurlijke omgevingen, de Polders bij Den Bosch en Os, daar zijn de mensen niet voor. En heel terecht. Dit zou een heel mooi alternatief kunnen zijn; het kan ingebouwd worden in de omgeving, het verstoort het landschap niet en het zorgt er ook voor dat we een mooi horizonuitzicht kunnen behouden. Er moeten natuurlijk wel proeven gedaan worden. Eén van de proeven waar wij aan deelnemen is een proefproject bij de Zweth in Delft met verschillende partners die hier allemaal genoemd zijn. We hebben daar ook in werkelijkheid die stalen damwanden de grond in laten slaan, zoals u hier ook op het plaatje ziet. Ze zitten nu de grond in, dat ziet u op het linker plaatje, en al die damwanden zijn ook uitgerust met die pijpen; de bedrading, de activeringsmiddelen. In principe komt daar dus gewoon water doorheen en dat water onttrekt de warmte. U ziet misschien de puntjes op het plaatje, daar komt het water dan uit.

Dit is een doorsnede ervan hoe het gaat. Je moet dan natuurlijk die stalen damwanden de grond inslaan. Daar zijn we in Nederland heel goed in en we zijn enorm goed in het omgaan met water en grond. We hebben in Nederland natuurlijk veel water en grond; vanuit de Middeleeuwen zijn we daar al in ontwikkeld. In dit geval zitten ze ongeveer 15,5 meter de grond in. Er moet hier en daar nog wat zandaanvulling plaatsvinden en u ziet ook hoe die kabels gaan lopen. Die kabels zullen dan straks de warmte uit het oppervlaktewater onttrekken en natuurlijk niet te veel want dan koelt het te ver af en dan gaan de kikvorsen dood en de wormen in de grond; dat moeten we natuurlijk ook niet hebben.

Een ander voorbeeld waarbij het heel mooi toegepast zou kunnen worden, is bijvoorbeeld in Amsterdam. Je hebt ongetwijfeld op het nieuws gezien dat daar een deel van de kademuren zijn ingestort. 200 kilometer kademuren in Amsterdam, een heel groot percentage, is er echt dramatisch slecht aan toe. Hier ziet u een plaatje waarbij die muren ingestort zijn, dit is uit het NRC Handelsblad van nog niet zo lang geleden. Als je daar nu die kademuur opnieuw opbouwt en je zet daar die warmtewisselaars in, dan zou je dus die Amsterdamse grachten kunnen afkoelen en misschien zou je er in de winter ook weer op kunnen schaatsen. Dan zou je die grachtenpanden die daarnaast staan daarmee kunnen verwarmen. Zoals ik al zei, 500% rendement is toch wel de moeite waard. Dat krijg je tegenwoordig niet meer op je spaarrekening.

Een ander project waar we nu aan werken is De Efteling. We hebben samen met De Efteling een project waarbij Deltares ook betrokken is. Waarom De Efteling? Als u kijkt naar dit plattegrondje ziet u dat er veel water ter beschikking is. Iedereen is weleens in De Efteling geweest. Ik vergeet altijd hoe die verschillende attracties heten, maar water is er altijd. Dus dat betekent, als we dat water kunnen gebruiken en daar warmte uit kunnen onttrekken, dan kunnen we daar bijvoorbeeld ook de hotelaccommodatie mee verwarmen. Dat zou natuurlijk een enorme slok op de borrel voor de warmtevraag van De Efteling zijn. Ook een heel mooi project met uitstraling waar we op dit moment aan het onderzoeken zijn of dit werkt. Ook heel belangrijk daarbij is de biodiversiteit, de ecologische structuur van die vennen en van die vijvers in de buurt. Die moet natuurlijk op orde blijven, dat is ook een belangrijk onderdeel van het onderzoek.

Dan even koppelend naar wat Tim net ook al zei: het moet eigenlijk ook opgeslagen worden. Je onttrekt natuurlijk bij voorkeur de warmte in de zomer, want dan heb je de meeste warmte. Maar die warmte heb je dan niet nodig bij de huizen, want die huizen hebben dan warmte genoeg. Die moeten juist afkoeling hebben. Dus het zou handig zijn als we ondertussen - als we het aan het onttrekken zijn - het even kunnen opslaan en het dan in de winter uit die opslag kunnen halen en dan weer in de gebouwde omgeving kunnen inzetten. Een voor de hand liggende opslag is zoals Tim net noemde Metal Fuels. Dat is een voor de hand liggende opslag, omdat je het toch over bodem en water hebt. Dat is natuurlijk iets waar Nederland goed in is, zoals ik al zei. Dan kun je misschien die opslag in de bodem gebruiken. Dus je pompt die warmte gewoon in de bodem in en je haalt die er in de winter weer uit. Dan kan je je afvragen "In de bodem opslaan, hoe doe ik dat?" Een bekend voorbeeld is hier op onze eigen campus. In Eindhoven hebben we onder dit veld op de technische universiteit het grootste Aqua Thermal Energy Systeem in Europa met 32 bronnen van koude- en warmteputten. Rechts ziet u op het plaatje dat de blauwe kleur de afgekoelde ondergrond is en rood de opgewarmde ondergrond. Dat is allemaal mooi rond die putten heen gedistribueerd. Dus dat is ook iets waarbij wij in Nederland en de ingenieursbureaus in Nederland heel veel ervaring mee hebben. Die gele leidingen die u links ziet zijn de ringleidingen die het water kunnen rondpompen. Dus ondergrondse opslag in Aquifer Thermal Energy Storage Systems, dat bestaat al. Combineer dat nu met ons nieuwe systeem van warmteonttrekking aan het oppervlaktewater en we hebben een win-winsituatie waarbij we opslag en onttrekking kunnen gebruiken voor de gebouwde omgeving.

Een andere mogelijkheid, als je niet zo'n ondergrondse opslag kunt gebruiken, is natuurlijk een warmtebatterij. Dat is een batterij die warmte opslaat, dat is een ander onderzoek dat loopt waarbij wij samen met TNO gaan werken en waarbij we dus heel compact in andere vormen van energie - niet in de ondergrond, maar aan het oppervlakte - warmte kunnen opslaan zodat we ook dat opslagcomponent kunnen benutten.

Concluderend zou ik kunnen zeggen dat aquathermie natuurlijk een heel groot potentieel heeft voor fossielvrije warmte. Warmte is natuurlijk een belangrijk component van ons energiesysteem. We kunnen dat doen door lage temperaturen. We hebben natuurlijk oppervlaktewater; dat is maximaal 20-25°C, dan heb je het echt niet over 80°C. Met warmtepompen moet dat dan naar een hogere temperatuur gebracht worden. Het is voornamelijk van toepassing voor de gebouwde omgeving. De winning kan plaatsvinden met damwanden en bijvoorbeeld kademuren. De opslag zou dan weer gerealiseerd kunnen worden met warmte/koudeopslag in de ondergrond en bijvoorbeeld met warmtebatterijen als er minder ondergrond of minder ruimte ter beschikking is. Dankjewel!