Stedelijke energietransitie noodzaak en hoopgevende vergezichten
Samsø Een sprookje voor onze ’ja, maar’ adepten
Prof.dr.ir. Andy van den Dobbelsteen Rondeel Deventer - Diepenveen, 8 juni 2017
Samsø § § § §
Oud vikingeiland Maat van Texel/Terschelling 3750 inwoners (op 2 na kleinste Deense gemeente) Nederlandse burgemeester sinds 2014 (Marcel Meijer)
Economie vóór 2007 § Landbouw § Nationaal toerisme Economie sinds 2007 § Landbouw § Breder toerisme § Vernieuwbare energie
Samsø Energiakademi als grote leider Energietransitie: het gaat om de mensen!
Landbouwafval van het eiland = energie Samsø’s warmtenet op strocentrales
Søren Hermans en, De e n se Ri d d e r i n d e Ord e va n d e Ne d e rla n d se Le e u w
1
Warmtenet op zonne-energie
Van overlast
Samsø: resultaat binnen 10 jaar aanpak
Nu naar fossielvrij
met backup van houtsnippers
tot trots van het eiland
Met normale technieken en het bestaande netwerk: §
Energiepositief: meer dan 100% vernieuwbare energie
§
CO 2 -positief: het eiland absorbeert kooldioxide
§
Grote lokale betrokkenheid: 450 aandeelhouders op het eiland zelf
§
§
§ High-tech strocentrale voor warmtenet
Windenergie op land en zee
Zonnecollectoren voor warmtenet
§
Aanpak bestaande bouw – Energiebesparing – Uitfasering oliekachel Circulaire economie – Duurzaam afvalbeheer – Biologische landbouw, biovergisting Duurzaam vervoer over water – Veerboot op LNG à later eigen biogas – Voetgangers- en fietsveer naar Århus Af van fossiel vervoer over land – Elektriciteit, waterstof en biobrandstof
Elektrisch vervoer PV-dak voor auto’s + kantoor
Dat was een eiland met veel landbouw en platteland. En dan nu de stad.
2
I
de uitdagingen
A. Klimaatverandering
à wees voorbereid op wateroverlast en extreme hitte
B. Energieproblematiek
à word onafhankelijk van fossiele energie
C. Grondstofschaarste
à gebruik enkel materialen van de circulaire economie
Schone lucht
KLIMAATVERANDERING
Dod en d oor lu ch tvervu ilin g [ www.wikipedia.org]
Leven sd u u rverkortin g in maan d en , d oor f ijn stof in 2 0 0 0 en in 2 0 2 0 n a EUmaatreg elen [ EU, 2005]
Broeikasgasemissies per inwoner
Klimaatverandering
[ IPCC 2014]
Broeikasg asemissies p er in w on er [ Vinnie Burgoo / World Resources Institute]
3
Verwachting voor de komende decennia [ voor Nederland, gebaseerd op meest waarschijnlijke scenario’s van het KNMI 2016; plus recentste voorspellingen]
§
Antropogene klimaatverandering
2-3 graden temperatuurtoename – Dat is iets meer dan in andere delen van de aarde Maar pas op: het kan verkeren! – Door veranderingen in de oceaanstroming – Door smeltend ijs in de poolcirkel
Overstromingen in Queensland
§
Gemiddeld toenemende neerslag – Langere droge periodes in het voorjaar en de zomer – Langere natte periodes in het najaar en de winter – Dit geldt ook elders in NW Europa, dus meer afvoer van bijv. de Maas – Meer smeltwater uit de bergen (in het voorjaar)
§
2 – 2,5 meter zeespiegelstijging – Dit kan een factor 4-10 meer zijn bij springtij en noordwesterstorm – Dit zorgt ook voor instabiele dijken en duinen, en zoute kwel erachter
Klimatologen zijn het voor 97% eens. Laat u niet misleiden.
Stedelijke opwarming Het urban heat island (UHI) effect beschrijft het fenomeen dat stedelijke gebieden significant warmer zijn dan hun landelijke omgeving.
Delf t
Oorzaken? § Absorptie van zonnewarmte: Zwarte bitumendaken, gebouwmassa, verharding § Antropogene warmte: warmte van voertuigen, gebouwen, industrie, airconditioners § Weinig compensatie: gebrek aan groen, wind, stromend water
ENERGIEPROBLEMATIEK
[ Wandl & Hoeven, 2014]
Ceci n’est pas un highrise Warmtekaart NL [ Broersma et al., 2010]
verbeterpotentieel
De ongelooflijke verspilling van energie
Warmtekaart voor het centrum van Rotterdam [ Cullen & Allwood, 2010]
4
GRONDSTOFSCHAARSTE
Ecolog ical Footp rin t of all cou n tries in th e w orld [ www.worldmapper.org]
Voedselstromenanalyse Schiphol Airport [ Geldermans et al. 2014]
II
(her)ontwerpkracht
Afvalstromenanalyse Schiphol Airport [ Geldermans et al. 2014]
KLIMAATADAPTATIE
5
Regenwater opvangen en gebruiken, nu al
Meer neerslagbuffering Drijven d e p latf orms voor IJb u rg , Amsterdam [ Waterstudio.NL] Pold erp lan voor Haarlemmermeer [ OK Architecten]
Overstromingsbestendige wijken Uitb reid in g sstud ie M oord rech t, Zu idp lasp older [ Dobbelsteen et al., 2008]
Hitte: toenemende koudevraag gebouwen Onze gebouwen worden nu vooral ontworpen voor een koud klimaat. Dat gaat veranderen; onze bouwwijze moet worden aangepast.
kwetsbaar
§
Behoefte aan koeling verminderen door slim bioklimatisch (her)ontwerp
§
Leren van vernaculaire voorbeelden uit warmere streken
§
Warmtepompsystemen, die kunnen verwarmen en koelen
§
Afvangen, opslaan en gebruiken van zonne-energie is ook koelen (zonnecollector: -40%; PV-paneel: -17% van de warmte op dat oppervlak)
§
Enkel oplossingen die het stedelijk klimaat niet negatief beïnvloeden
Van kwetsbaar naar klimaatrobuust
[ Laura Kleerekoper]
[ Laura Kleerekoper]
6
De zonMarktstraat, blokkeren voor Grote Denverkoeling Haag, 2017?
Slim stedelijk klimaatontwerp Ken n is voor Klimaatp roject Climate Proof Cities [ Kleerekoper et al. 2015]
Klimatisering van steden als gebouwen
Een paar voorbeelden § Actief blokkeren van ongewenste zon, wind of regen § Kiezen van de juiste oppervlakken voor voorkoming van opwarming § Evapo-transpiratie door groen voor koeling en bevochtiging § Creëren van thermische trek door donkere oppervlakken § Actief koelen van openbare ruimten in de zomer = opvangen en opslaan van warmte voor gebruik in de winter
Seville, Spain
Wateraders voor opslag, afvoer en koeling Freiburg, Duitsland
Huidige situatie
Albedo (reflectiviteit)
Toenemendetemperaturen
… en sp elen !
Afnemendetemperaturen
[ Kleerekoper et al. 2014]
Actieve verneveling voor verdampingskoeling
Planten als natuurlijke airconditioners
China
Duitsland
Nederland
7
Zonnewanden voor toevoer van koele lucht
Actieve koeling van stedelijk oppervlak
Zon n esch oorsteen [ Ben Bronsema]
M aya-temp el Palenque, Mexico
[ Vincent Peters]
Ontwerpaanpak: Nieuwe Stappenstrategie 0 bestudeer de omstandigheden (research)
1 reduceer de vraag (reduce) – passive, smart & bioclimatic (re)design
CO2-NEUTRALITEIT
2 hergebruik reststromen (reuse) – afvalwarmte, afvalwater, afvalmateriaal 3a produceer vernieuwbare bronnen (produce) 3b resterend afval = voedsel
Roadmap voor steden
EU-p roject City-zen [Broersma et al. 2016]
Energy Master MASTER PlanningPLAN CREATING AN ENERGY
EU p rojects Celsiu s [ Dobbelsteen, Fremouw, Tillie, 2014] & City-zen [ Broersma, Fremouw, Dobbelsteen, 2015]
SCE NARIOS
TIME
UNSUSTAINABLE
INTE RVE NTION
SUSTAINABLE
NEAR FUTURE
urban energy system
generation elsewhere
generation elsewhere
m i l e sto n e
CATALOGUE OF MEASURES
V I S I O N
generation in the city
energy sav ing in the city
reuse exchange cascade store
city region
discharge elsewhere
regional ex change
P R E S E N T
regional generation
SUSTAINABILITY
energy potential mapping analysis
discharge elsewhere
BOOK OF INSPIRATION
8
Stadsverwarming op afval of afvalwarmte
Warmte uitwisselen A.
Cascadeernetwerk
AB. Cascadeermachine
B.
Uitwisselingsmachine
C.
Individuele zelfvoorziening
REAP2 -stu die, Merwe-Vierhavens [ Dobbels teen et al. 2011]
De stad als intelligent organisme
Benut diversiteit in de stedelijke omgeving REAP-stu d ie [ Tillie et al. 2009]
[ beeld: Eric Verdult]
( W = warmtevraag, K = koudevraag, E = elektriciteitsgebruik, allemaal per m2 BVO)
Van fossiele naar duurzame energie §
De energie- en klimaatcrisis is een koolstofcrisis de aarde kan de CO2 niet meer opnemen, we verliezen de controle
§
Fossiele energie is zeer langcyclische koolstof de CO2 heeft er 300 miljoen jaar over gedaan om brandstof te worden
§
We moeten naar enkel vernieuwbare bronnen – Zon – Wind – Water – Bodem – Biomassa?
§
Biomassa is kortcyclische of langcyclische koolstof (sommige gewassen groeien jaarlijks, oerbossen doen er eeuwen over) à bio-energie enkel als de CO2 weer snel in de cyclus wordt opgenomen
Opbrengst van hernieuwbare bronnen § § § § § § §
PV-panelen (polykristallijne cellen) Zonnecollector 2 MW windturbine 5 MW windturbine Kleine stedelijke windturbines (bijv. Turby, Donqi) Biobrandstof van suikerbieten Biobrandstof van lijnzaad
§ Biomassa van bosonderhoud § Biomassa van snoei-onderhoud § Biobrandstof van algen (theoretisch maximum) § § § §
Biogas van mest, anaerobische vergisting Biogas van afvalwater, anaerobische vergisting Elektriciteit van huishoudelijk afval, via verbranding Warmte van huishoudelijk afval, via verbranding
150 3500 6400 22400 800 330 110 189 47 1780 1500 300 326 59
kWhel/m2 kWhth/m2 MWhel/stuk MWhel/stuk kWhel/stuk MWhel/ha MWhel/ha MWhel/ha MWhel/ha MWhel/ha kWhel/koe kWhel/hh kWhel/hh kWhel/hh
9
Geothermisch potentieel in de Mijnstreek Atelier Diep e Geoth ermie [ 51N4E, met VITO en Labo Ruimte]
Anderszins benutten van het potentieel
Geothermisch bad, Genk Temp eratu ren d iep e g eoth ermie
Temp eratu u rvraag ron d om Mol
Geothermisch meer, Mol [ beeld: 51N4E]
Hier nog een intro van mezelf (niet van CV)
CIRCULARITEIT
[ beeld: 51N4E]
Circulaire economie
Schiphol: organisch afval lokaal benutten
[ Ellen MacArthur Foundation]
[ ETH ZĂźrich, Salewski et al., 2014]
The Airport as a Flow Machine
biologische cyclus hernieuwbaren
Water
Energy Waste
Energy
pedestrian and cycle leisure route to noise landscape Warm / Cold
technische cyclus eindige materialen
Waste
People
Food
C02 Warm PV Energy Water retention 02 Cold
GH Food
Food
Offices and food production
Self-sustaining office villas
Greenhouse and photovoltaic cells on terminal roofscape
multi-
nsit
al tra
mod
Waste
hub
C02 warm
02 cold
Green terminal building
10
Herontwerp van lege kantoren voor voedsel [ Luuk Graamans]
Duurzaam transitieplan Dubrovnik/Gruž
!
CO2-compensatie van Gruž
CO 2-compensatie van Gruž Elektriciteitsvraag: 18.400 MWh/a
42% CF = 465 ha
Afvalbeheer: 4.360 ton/a
To taal geb i ed : 4 7,25 ha In wo n ers/h ui sho uden : 2 .7 5 Aan tal i n won ers: 80 00 B evo l ki n gsd i chth ei d: 59 i nw/ha Aan tal h u i shou den s: 290 0 CARBON
FOOTPRI NT per 80 m 2huis houden:
33% CF = 371 ha 5 ,1 6 ton C O2e q
Carbon Footprint: 14.974 ton CO 2 eq
Mobiliteit: 8,9 M km/a p er auto
22% CF = 239 ha Watermanagement: 811.700 m3/a
3% CF = 35 ha
CO2-compensatie: 1109 ha bosgebied
CO2-compensatie: 1109 ha bosgebied
Fijn, toeristen.
Vooral hierom.
11
Het plan: een circulaire, groene haven
FUEL FOR CRUISE SHIPS
SOLIDS REMOVED
Na-isolatie
PV-gevels
Algengevels
Kassengevels
IRRIGATION OF PARK
R VE
O FT LE E
G UD
SL
BIOFUEL PRODUCTION
Renovatie van appartementenflats
ED US AS ST
PO
M
CO AL
GA
WA
STE
E PR OD UC TIO
N
WA TER
WATER TREATED
RAIN WATER COLLECTION
GREY WATER
Onduurzaam golfpark à 16 GWh/a stroom
Tram - fiets - voetganger in gedeelde ruimte
N ice, France
CO2-besparing door maatregelen Bouwkundigemaatregelen 9,0 GWh besparing = -
+
Dank u.
( als er tijd over is heb ik nog wat uit Sydney)
235 ha
WINDPARK
12 x 1 MW turbine = - 394 ha Groene afvalbehandeling recycling 30%, organisch40%, verbranding 20%, stort10%
= - 316 ha
Duurzaam op enbaar vervoer = Van 80% naar 40% autogebruik
120 ha
Waterbesparing Regenwateropvang voorde tuin
CO2-compensatie: 36 ha bosgebied
= - 10 ha a.a.j.f.vandendobbelsteen@tudelft.nl @dobbelska
12
Bonus: Masterplan Zero-Carbon Sydney
What does a Sydney household use? For the house § §
Heat/hot water: 22 GJ/a of natural gas 1 = 6.1 MWhth erm /a Electricity: 124 kWh/wk1 = 6.45 MWh/a (16.1 MWhprim incl. powerplant efficiency)
§
Total: 22.2 MWhp rim (79.9 GJ)
For transportation §
By car, Sydney siders drive on average2: 15,530 km With 8 l/100 km this is: 1242 l diesel/petrol (34.1 MJ/l) à 42.4 GJ (11.8 MWhprim)
Total energy demand of a household: 34.0 MWhp rim (13.6 MWhprim per person3)
Zero Carbon Sydney workshop UTS, School of Architecture, 22-25 May 2017 Prof. Rob Rog g ema, Lou isa Kin g , Prof. An d y van d en Dob b elsteen & stu den ts
What if we quit with fossil fuels?
1: Source: Jemena 2017 2: Source: RoyMorgan 2015 3: An average Sydney household contains 2.5 persons
LGA electricity characteristics
For the house (natural gas boilers replaced by heat pumps) § §
Heat/hot water: 22 GJ/a of natural gas 1 = 6.1 MWhth erm /a Heat pump (uses environmental heat, COP=3) à 2.0 MWhelectr
§
Electricity: 124 kWh/wk1 = 6.45 MWh/a
§
Total: 22.2 MWhp rim (79.9 GJ) Total all-electric: 8.5 MWhelectr
For transportation § §
By car, Sydney siders drive on average2: 15,530 km à 42.4 GJ (11.8 MWhprim) Electric car à 4 x as efficient à 2.9 MWhelectr
Total energy demand of a household: 34.0 MWhp rim (13.6 MWhprim per person3) Total demand all-electric: 11.4 MWhelectr (from renewable resources) 1: Source: Jemena 2017 2: Source: RoyMorgan 2015 3: An average Sydney household contains 2.5 persons
LGA gas characteristics
LGA energy statistics
§ § §
Total energy used: 1.92*106 hh * 34 MWh/hh = 65.3*106 MWh = 65.3 TWhprim
( for domestic energy: house and car)
Solar potential: 384.8*106 m2 * 200 kWh/m2 = 77.9*109 kWh = 77.9 TWhelec Bio-energy potential: 1.92*106 hh * 626 kWh/hh = 1.2*109 kWh = 1.2 TWhelec
13
Sydney’s roofs suited for solar energy [ Arup 2012]
Solar thermal
PV options on existing buildings
Solar PV
Biomass potential map
Wind energy potential map
Inner-city wind potential
Coastal wind farms
Most suited buildings for small wind turbines [ Arup 2012]
14
Manly headland
Water – combined potentials
Flood-protective mangrove banks
Sydney’s flood-proof green harbour
View from the sea
Great Sydney Sea Barrier and Tidal Plant
15
Masterplan map
Conclusion §
There is an enormous challenge in the urban energy transition – This requires quick action and persistent conviction – A lot of innovation is still needed, technical, social, economic, organisational – Some innovation is about the integration of what already exists
§
The required speed and innovation demand for cooperation – Interdisciplinary, multidisciplinary, transdisciplinary – Academia, governments, industries, communities
§
We need more imagination – Old problems cannot be solved anymore with old solutions – Specialised fields are close too 100% efficiency; specialisation is paralysing – Think across boundaries and out of the box
§
Interactive workshops are key – Desk research, teleconferences, meetings, speeches won’t lead to the solution – Creativity emerges when people with different qualities get together – Drawing and calculating enforces to become practical – They are fun, most of all
Masterplan map
Dank u. ( nu echt klaar)
a.a.j.f.vandendobbelsteen@tudelft.nl @dobbelska
16