TVVL magazine oktober 2013

WIN EEN DINER VOOR 2

Ze is betrouwbaar, zuinig, vermogend, makkelijk in de omgang en geeft warmte zoveel als nodig is

Oktober 2013 | Jaargang 42 | Nr 10

JAARGANG 42 NR.10 TVVL MAGAZINE OKTOBER 2013

Ze is anders dan al die anderen, combineert alle eigenschappen waarvan u altijd hebt gedroomd ze heet Daikin Altherma Hybride en wil nu kennismaken

Modellering op wijkniveau Smart energy systems Simulatie van warmtenetten

Thema:

Uitnodiging voor een Blind Date

Intelligente gebouwen

De Daikin Altherma Hybride Het beste van alle hybriden, nu in ĂŠĂŠn systeem.

Kijk op www.daikinblinddate.nl en geef aan waar u wilt afspreken.

Daikin maakt het u steeds comfortabeler.

DAI50012_adv_A4_beurs_followup.indd 1 TM1013_cover.indd 1

30-08-13 12:48

26-9-2013 15:25:05

Meer zekerheid voor Uw huis en familie met

CLiMAFLeX®BLs1d0 de allereerste flexibele Pe-buisisolatie met deze hoge brandveiligheidsklasse !

Climaflex®by NmC is zeer moeilijk ontvlambaar (Bl), veroorzaakt nauwelijks rookontwikkeling (s1) en voorkomt druppelvorming (d0).

Sinds meer dan 30 jaar is NmC als betrouwbare en innovatieve partner met Climaflex® toonaangevend marktleider voor Pe-flexibele leidingisolatie en voldoet uiteraard aan de verplichtgestelde europese Ce-norm.

CLiMAFLeX® by NMC is de perfecte oplossing voor de hoogste rendementen en vooral voor Uw brandveiligheid!

insulation technologies NMC sa Gert-Noël-Straße – B-4731 Eynatten – België Tel.: +32 87 85 85 00 – Fax: +32 87 85 85 11 info@nmc.eu – www.nmc.be

TM1013_omslag_binnen_02_67.indd 1

26-9-2013 15:28:54

Inhoudsopgave REDACTIERAAD: Drs.ir. P.M.D. (Martijn) Kruijsse (voorzitter) Mw. dr. L.C.M. (Laure) Itard M. (Michiel) van Kaam Ing. J. (John) Lens H. (Henk) Lodder G.J. (Geert) Lugt Mw. drs. C. (Carina) Mulder Ing. O.W.W. (Oscar) Nuijten Mw. drs.ir. I. (Ineke) Thierauf Ing. J. (Jaap) Veerman Ing. R (Rienk) Visser Ing. F.J. (Frank) Stouthart (eindredacteur) REDACTIE: Drs.ir. P.M.D. (Martijn) Kruijsse (voorzitter) Ing. J. (John) Lens Mw. drs. C. (Carina) Mulder Ing. F.J. (Frank) Stouthart (eindredacteur) REDACTIE-ADRES: TVVL: De Mulderij 12, 3831 NV Leusden Postbus 311, 3830 AJ Leusden Telefoon redactie (033) 434 57 50 Fax redactie (033) 432 15 81 Email c.mulder@tvvl.nl

TVVL MAGAZINE Oktober 2013 ENERGIEMODELLERING OP WIJK NIVEAU

6

Ir. A. (Aart) de Geus

BEHOEFTE AAN GEÏNTEGREERDE SIMULATIES Dr.ir. E. (Erik) Delarue, ir. K. (Kenneth) Bruninx, prof.dr.ir. W. (William) D’haeseleer 8

<INTELLIGENTIE>, EEN TECHNISCHE NOODZAAK Ir.-arch. R. (Ruben) Baetens en dr.ir.-arch. D. (Dirk) Saelens

12

SMART ENERGY SYSTEMS Prof.ir. W. (Wim) Zeiler, K.O. (Kennedy) Aduda, ir. G. (Gert) Boxem, J.C.G. (Jacob) Verhaart MSc, T. (Tom) Thomassen, ir. J.A.J. Joep van der Velden, J.W. (Jan Willem) Dubbeldam

UITGAVE: Merlijn Media BV Zuidkade 173, 2741 JJ Waddinxveen Postbus 275, 2740 AG Waddinxveen Telefoon (0182) 631717 Email info@merlijnmedia.nl www.merlijnmedia.nl SECRETARIAAT: Email info@merlijnmedia.nl ABONNEMENTEN: Merlijn Media BV Postbus 275, 2740 AG Waddinxveen Telefoon (0182) 631717 Email info@merlijnmedia.nl Benelux € 109,Buitenland € 212,Studenten € 87,Losse nummers € 18,Extra bewijsexemplaren € 13,Het abonnement wordt geacht gecontinueerd te zijn, tenzij 2 maanden voor het einde van de abonnementsperiode schriftelijk wordt opgezegd.

ADVERTENTIE-EXPLOITATIE: Merlijn Media BV Ruud Struijk Telefoon (0182) 631717 Email r.struijk@merlijnmedia.nl PREPRESS: Yolanda van der Neut DRUK: Ten Brink, Meppel ISSN 0165-5523 © TVVL, 2013 Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder schriftelijke toestemming van de uitgever. Publicaties geschieden uitsluitend onder verantwoording van de auteurs. Alle daar in vervatte informatie is zorgvuldig gecontroleerd.

De auteurs kunnen echter geen verantwoordelijkheid aanvaarden voor de gevolgen van eventuele onjuistheden.

14

VRAAGSTURING MET WARMTEPOMPEN IN LAGE-ENERGIEWIJKEN R. (Roel) De Coninck, R. (Ruben) Baetens, A. (Achim) Woyte, prof. D. (Dirk) Saelens, prof. L. (Lieve) Helsen 18

MODELLERING OP WIJKNIVEAU

6

GEÏNTEGREERD MODELLEREN EN ELEKTRISCHE MODELLEN Ir. J. (Juan) van Roy, prof.dr.ir. J. (Johan) Driesen

22

SIMULATIE VAN WARMTENETTEN Ir.-arch. E. (Eline) Himpe, ir. J.E. (Julio) Vaillant Rebollar, prof. dr. ir-arch. A. (Arnold) Janssens

26

ONDERGRONDS ALS ALTERNATIEF VOOR BOVENGRONDS BOUWEN C. (Chris) van Dronkelaar MSc BBE, dr.ir. D. (Daniël) Cóstola, R. (Rizki) Mangkuto MSc, prof.dr.ir. J.L.M. Hensen

44

INTERVIEW: BERT ELKHUIZEN

MEER AFGEDANKTE VERLICHTINGSPRODUCTEN INZAMELEN M. (Marco) Mulders

30

48

EDITORIAL 4 30 INTERVIEW 34 PROJECTBESCHRIJVING 37 ACTUEEL 41 UITGELICHT DE OPINIE VAN...TITIA SIERTSEMA 42 51 REGELGEVING 53 INTERNATIONAAL PRODUCTNIEUWS 54 SUMMARY 56 57 VOORBESCHOUWING/AGENDA REVIEWED: Artikelen in TVVL Magazine zijn beoordeeld ‘door redactieraadleden’.

De uniforme ‘peer review’ waarborgt de onafhankelijke en kwalitatieve positie van TVVL Magazine in het vakgebied. Een handleiding voor auteurs en beoordelingsformulier voor de redactieraadleden (‘peer reviewers’) zijn verkrijgbaar bij het redactie-adres.

PROJECT: BÈTA CAMPUS LEIDEN

34

TVVL Magazine is het officiele orgaan van TVVL Platform voor Mens en Techniek. De vereniging, opgericht op 26 mei 1959, heeft tot doel de bevordering van wetenschap en techniek op gebied van installaties in gebouwen en vergelijkbare objecten. Als lid kunnen toetreden personen, werkzaam (geweest) in dit vakgebied, van wie mag worden verwacht, dat zij op grond van kennis en kunde een bijdrage kunnen leveren aan de doelstelling van de vereniging. Het abonnement op TVVL Magazine is voor leden en begunstigers van TVVL gratis. De contributie voor leden bedraagt € 139,15 incl. BTW per jaar. Informatie over de bijdrage van begunstigers wordt op aanvraag verstrekt.

3

2TM1013_inhoud.indd 3

28-9-2013 14:12:02

editorial

Intelligente

Gebouwen

Recente Europese wetgeving legt aan de EU-lidstaten op om tegen 2020 enkel nog bijna nul-energiegebouwen te bouwen en om een Europees Smart Grid aan te leggen. De gebouwde omgeving biedt een belangrijk potentieel om in te spelen op de uitdaging om tot een CO2-arme maatschappij te komen. Niet alleen dient

Peter Wouters

de energievraag van gebouwen verder gereduceerd te worden in nieuwe projecten en bij renovatie van het bestaand patrimonium, ook dienen er mogelijkheden gezocht te worden om gebouwen energie te laten uitwisselen, om hernieuwbare energie te integreren en gebouwen flexibel te laten inspelen op vraag en aanbod.

Dr.ir.-arch. P. (Peter) Wouters, Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf en IE-NET.be; prof.dr.ir. J.L.M. ( Jan) Hensen, Technische Universiteit Eindhoven en Ibpsa-NVL; prof.dr.ir.-arch. D. (Dirk) Saelens, Katholieke Universiteit Leuven en Ibpsa-NVL Beleidsmakers, adviesbureaus en ontwerpers staan voor grote uitdagingen om de transitie naar een CO2-arme maatschappij te realiseren.

Simulaties kunnen helpen om optimale keuzes te maken maar ook om onverwachte problemen te identificeren. Hierbij volstaat het niet om enkel te focussen op de traditionele simulatiepakketten die de prestaties van een individueel gebouw en hun installaties analyseren. Er is behoefte aan een ge誰ntegreerde aanpak waarbij verschillende gebouwen verbonden door een intelligent netwerk geanalyseerd worden.

Dit themanummer is afgeleid van een studiedag met een overzicht van de uitdagingen om nul-energiegebouwen te integreren in de huidige en toekomstige energie-infrastructuur en de rol die een Smart Grid hierbij kan spelen. Gebruik makend van geavanceerde simulatieomgevingen wordt vanuit verschillende standpunten ingegaan op de problematiek van het integreren van hernieuwbare energiebronnen, het uitwisselen van energie tussen gebouwen, de integratie in een Smart Grid, het

4

defTM1013_editorial.indd 4

Jan Hensen

inbouwen van flexibiliteit, etc. Ook worden inzichten die zijn opgedaan in de praktijk meegegeven.

Deze studiedag (16 november 2012, Ingenieurshuis, Antwerpen) was een gezamenlijk initiatief van IE-Net en Ibpsa-NVL. De op die dag gegeven presentaties zijn beschikbaar op http://www.ibpsa-nvl.org/.

Dirk Saelens

TVVL Magazine | 10 | 2013 EDITORIAL

30-9-2013 12:46:09

Saving the world’s energy A.O. Smith heeft ruim 40 jaar ervaring in het maken van boilers voor professionele toepassingen en het grotere woningsegment. A.O. Smith investeert in energiezuinige en efficiënte manieren om warm water te bereiden zonder verlies van comfort. Minder verbruik van fossiele brandstoffen, meer gebruik van zon, lucht, techniek en geïntegreerde systemen. De thermische zonne-energiesystemen, condenserende en warmtepomptechnieken van A.O. Smith verzorgen uw warme tapwater op de meest energie-efficiënte manier.

www.aosmith.nl

AOS adv A4 NL.indd 1 TM1013_05.indd 5

11/28/2012 3:07:45 PM 26-9-2013 15:33:55

Kansen en mogelijkheden

Energiemodellering op wijkniveau Europa en Nederland hanteren, binnen diverse beleidskaders, een ambitieuze doelstelling voor een energie neutrale gebouwde omgeving. Deze gebruikt circa 35 tot 40% van de totale energievraag. Voor nieuwbouw wordt het streven naar energieneutraliteit op korte termijn in de regelgeving opgenomen. In de bestaande bouw ligt de uitdaging in het realiseren van energie neutrale gebouwen én wijken.

De mogelijkheden van vergaande energiereductie tegen aanvaardbare kosten is hier beperkt. Er zal dus ook naar opwekking van duurzame energie op gebouw- en wijkniveau moeten worden gekeken. Dit leidt tot een vernieuwde formulering van de Trias Energetica: allereerst vergaand energie besparen, vervolgens duurzame bronnen inzetten op gebouw- en wijkniveau voor energieopslag en -opwekking, tot slot im- of export van duurzame energie uit de wijk.

Ir. A. (Aart) de Geus, consultant ArtEnergy

Op wijkniveau zijn er kansen voor duurzame opwekking in de vorm van diepe of ondiepe geothermie, zon thermisch, zon pv, wind, biomassa, etc. Daarnaast kan gedacht worden aan energieopslag in de vorm van wko, geothermische energieopslag en, in de toekomst, opslag van elektrische energie in batterijen (bijvoorbeeld van elektrische auto’s). Ook speelt de uitdaging van het balanceren van energievraag en –aanbod; het vraagstuk van de smart grids, zoals de dynamische belasting van netwerken en het matchen van vraag en aanbod.

Het krachtenveld op wijkniveau is complex. Er zijn veel stakeholders bij betrokken die, voor een succesvolle energieneutrale wijk, dezelfde kant op moeten willen gaan. Deze stakeholders zijn onder andere de gemeente, de inwoners, netwerkbeheerders, woningbouwcorporaties, investeerders e.d. Het snel inzichtelijke

6

TM1013_deGeus_2159b.indd 6

maken van de maatregelen en de gevolgen hiervan voor de stakeholders is nodig om hun besluitvorming te ondersteunen. Het gaat dan om het eenduidig en toegankelijk maken van

de veelheid aan informatie. Deze informatie betreft zaken zoals de energieopbrengst, het energiegebruik, de investering, de terugverdientijd, belasting van het net, geluidbelasting

-Figuur 1- Wijk ingevoerd in Urban Strategy met de wamtevraag van de woningen als voorbeeld

TVVL Magazine | 10 | 2013 ENERGIEOPWEKKING

26-9-2013 15:35:28

en emissies . Indicatoren zullen in samenspraak met de stakeholders vorm worden gegeven.

Een interactief energiemodel op wijkniveau gebaseerd op geografische informatie en aanvullende data wordt hiervoor als een mogelijke oplossing gezien. Dit om met de vele stakeholders tot een onderbouwde afweging te komen voor de energie-inrichting van een wijk, met als doel te komen tot een energie neutrale wijk.

GEOGRAFISCH INFORMATIE SYSTEEM De ontwikkeling van de Geografische Informatie Systemen(GIS) maakt het mogelijk om op wijk- of gebiedsniveau veel informatie te ontsluiten en te bundelen. Het gaat om gegevens van de ondergrond, het grondwater, de infrastructuur, de gebouwen, sociale structuren en diverse andere bronnen. Met betrekking tot GIS is er in internationaal verband een open standaard in ontwikkeling, CityGML. Dit maakt het mogelijk om visualisatie van steden en woonwijken te maken, waarbij via toegesneden rekenmodellen geluidsemissies, milieucontouren, verkeersstromen en nog veel meer, interactief de invloed van maatregelen zichtbaar kan worden gemaakt. Een voorbeeld hiervan is het TNO model Urban Strategy (figuur 1). Verder vinden binnen Europa op een aantal plekken ontwikkelingen plaats om tot op GIS gebaseerde energiemodellen op wijkniveau te komen.

WIJKENERGIEMODEL Om tot een wijkmodel voor energieopwekking en gebruik te komen zal er een modulaire structuur gekozen worden. In figuur 2 is de modulaire opbouw voor energiemodules voor een wijkmodel Urban Strategy weergegeven.

Veel gemeenten hebben de GIS-data voor wijken beschikbaar op een redelijk detailniveau. Een wijk is in GIS goed te presenteren.

De afweging voor het gebruik van een energiemodel op wijkniveau is de mate van detail.

Hierbij is de mate van detail van de gebouwen bepalend. Er zijn vijf levels gedefinieerd, zie figuur 3. Naarmate het level of detail (LoD) groter wordt is er meer gedetailleerde informatie van het gebouw, de gebouwdelen en de installatie nodig. Het verkrijgen van behoorlijk gedetailleerde informatie per gebouw is een hele opgave. Allerlei manieren worden onderzocht om deze informatie snel , eenvoudig en betrouwbaar boven tafel te krijgen. Gedacht wordt aan importeren van ‘streetview’ achtige beelden, ‘crowd sourcing’, BIM, … Maar tegelijkertijd zal de rekentijd van een energiemodel op wijkniveau snel toenemen met het level of detail, waardoor het interactieve karakter verloren gaat. De kunst bij een energiemodel op wijkniveau is het maken van een gebalan-

TVVL Magazine | 10 | 2013 ENERGIEOPWEKKING

TM1013_deGeus_2159b.indd 7

ceerde afweging tussen detail van de invoer en nauwkeurigheid van de berekende uitvoer.

EERSTE RESULTATEN In het TNO-model Urban Strategy is een aantal van de energiemodules in ontwikkeling, die nu zijn gekoppeld aan het model. De eerste gevisualiseerde 2D en 3D output resultaten zijn gerealiseerd.

In het model is op wijkniveau de fotovoltaïsche zonne-energiemodule toegevoegd. Op basis van de ligging van de gebouwen, dakvlakken en dakhelling en mogelijke beschaduwing is op wijkniveau inzichtelijk te maken waar pv toepasbaar is en wat de opbrengst is. Daarnaast is het model uitgerust met een module voor het elektrische net. Het energiegebruik van de woningen en gebouwen wordt in het model ingevoerd en in combinatie met bijvoorbeeld de productie van de pv-modules is de belasting van het net te bekijken.

Een ander duidelijk voorbeeld is de plaatsing van windturbines in de nabijheid van de woonwijk. Aan de hand van de locatie is de opbrengst van de molens te berekenen, waarbij de invloed van de omgeving op het windaanbod wordt verrekend. Tevens berekent het model de geluidscontouren van de windmolens, zodat direct de geluidsbelasting van de molens kan worden weergegeven. In figuur 5 zijn de geluidscontouren van de windmolens aan de rand van een wijk te zien.

-Figuur 2- Opzet van energiemodules voor wijkmodel Urban Strategy

-Figuur 3- Level of detail van gebouwen. Van grafische objecten tot 3D gedetailleerde gebouwen met hun installaties

CONCLUSIES Er is al vanuit diverse bronnen veel data beschikbaar die via een GIS-aanpak gecombineerd kan worden tot een energiemodel op wijkniveau. CityGML wordt de Europese standaard voor deze GIS-modellen. Een goede afweging voor de mate van detail is nodig om een inzichtelijk interactief instrument te ontwikkelen. Een hoog detailniveau vraagt om veel en betrouwbare data. Een energiemodel op wijkniveau is voor de planvorming en aanpak op wijkniveau een handig instrument waarmee de uiteenlopende stakeholders inzichtelijke informatie kunnen krijgen. Door de interactieve werking kunnen snel aanpassingen en veranderingen visueel inzichtelijk gemaakt worden.

Als beleidsinstrument helpt een op GIS gebaseerd wijkenergiemodel om inzicht te krijgen in de mogelijkheden en onmogelijkheden van lokale opwekking van energie. Daarnaast wordt op globaal niveau inzicht gecreëerd in aanbod en vraag naar energie. Een interactief energiemodel op wijkniveau leidt tot versnelling van planvorming en vergroot tegelijkertijd het draagvlak. In de komende periode zullen steeds meer van dergelijke modellen op de markt komen.

-Figuur 4- Potentieeel dakoppervlak voor PV in de wijk

-Figuur 5- Windmolens bij een wijk; de geluidscontouren

7

26-9-2013 15:35:29

Integratie van elektriciteits- productie en -consumptie

Behoefte aan geïntegreerde simulaties Europa heeft als doelstelling om tegen 2020 20% van de energiebehoefte met hernieuwbare bronnen te dekken. Ook op langere termijn, tegen 2050, koestert Europa zeer ambitieuze klimaatdoelstellingen, met een CO2-uitstootreductie van 80%. Hierdoor is het aandeel hernieuwbare energiebronnen de voorbije jaren fors toegenomen. Verwacht wordt dat deze trend zich zal voortzetten. Hernieuwbare bronnen, zoals wind en zon, hebben echter een variabel en deels onvoorspelbaar karakter (‘intermitterend’). Het stijgende aandeel ervan vereist meer flexibiliteit en reservecapaciteit. Dit kan voor een deel gerealiseerd worden door een geactiveerde vraagzijde. Om het potentieel hiervan te bestuderen, zijn geïntegreerde modellen van de productie- en verbruikerszijde noodzakelijk. Dit artikel is gebaseerd op [1].

Dr.ir. E. (Erik) Delarue, ir. K. (Kenneth) Bruninx, prof.dr.ir. W. (William) D’haeseleer; KU Leuven Energie Instituut, afdeling Toegepaste Mechanica en Energieconversie (TME)

Elektriciteit is één van de courantste en belangrijkste energiedragers, met enkele specifieke eigenschappen. Ten eerste is tot op heden elektriciteit niet kostenefficiënt op grote schaal op te slaan. Dit impliceert dat vraag en productie van elektriciteit op elk moment perfect met elkaar in evenwicht moeten zijn.

Ten tweede varieert de vraag naar elektriciteit continu. Overdag is het verbruik typisch hoger dan ’s nachts, op werkdagen hoger dan in het weekend (door industriële activiteit) en in de winter hoger dan in de zomer, althans in West-Europa. Het elektriciteitsproductiepark moet dus flexibel uitgebaat worden om de fluctuerende vraag naar elektriciteit ogenblikkelijk te volgen. Ten derde is een netwerk vereist voor het transport van elektriciteit van de productiecentra naar de verbruikers. De onderlinge verbindingen tussen de meeste

8

TM1013_delarue_2159c.indd 8

Europese landen zijn relatief beperkt ten opzichte van de eigen productie/consumptie, wat betekent dat: elektriciteitsproductie nog steeds een nationaal karakter heeft.

Aan de productiezijde zijn verschillende technologieën (d.w.z. types elektriciteitscentrales) voorhanden om de vraag naar elektriciteit te dekken. Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen zogenaamde regelbare centrales enerzijds, en niet- of beperkt-regelbare productie-eenheden anderzijds. Verder kan er een beperkte hoeveelheid van opslag aanwezig zijn.

De regelbare elektriciteitscentrales zijn in de eerste plaats de centrales die gebaseerd zijn op een stoomcyclus. Voorbeelden zijn een nucleaire centrale en de klassieke steenkool- of gascentrales. Het vermogen dat deze centrales leveren kan actief aangepast worden. Grote

eenheden, zoals de nucleaire centrales, zijn in het verleden dikwijls ontworpen om continu hun maximaal vermogen te leveren. Dit betekent echter niet dat zulke centrales niet flexibel uitgebaat kunnen worden, wat meestal technisch wel mogelijk is (zoals aangetoond door de modulerende nucleaire centrales in Frankrijk). Gasgestookte centrales zijn in de regel echter flexibeler. Deze worden momenteel als gecombineerde cyclus ‘stoom- en gasturbine’ centrales (STEG) uitgevoerd – omwille van het hoger rendement, tot 60% – of als (open cyclus) gasturbine – omwille van de grotere flexibiliteit en lage investeringskosten.

Verder is er een aantal hernieuwbare bronnen regelbaar in output. Voorbeelden zijn bepaalde types waterkrachtcentrales, biomassa- en biogascentrales.

De tweede groep aan de productiezijde wordt

TVVL Magazine | 10 | 2013 ENERGIEGEBRUIK

26-9-2013 15:38:31

gevormd door de niet- of beperkt-regelbare productie-eenheden. Dit betekent dat het geleverde vermogen niet of in beperkte mate actief aangestuurd kan worden. Verder kunnen deze productie-eenheden een zogenaamd intermitterend karakter hebben, wat inhoudt dat het geleverde vermogen variabel en deels onvoorspelbaar is. Typische voorbeelden hiervan zijn windturbines en fotovoltaïsche zonnepanelen. Deze produceren enkel elektriciteit wanneer het waait of wanneer de zon schijnt. Dit kan in zekere mate, maar niet perfect voorspeld worden. Er is verder slechts een beperkte regeling mogelijk: windturbines kunnen bijvoorbeeld (deels) uit de wind gedraaid worden om het geleverde vermogen te minderen, maar opregelen is bij normale werking niet mogelijk (tenzij ze bewust worden uitgebaat onder hun op dat ogenblik maximaal vermogen). Ook warmte-krachtkoppeling (wkk) kan vanuit het standpunt van elektriciteitsproductie gezien worden als een beperkt-regelbare productie-eenheid, daar de aansturing typisch warmte-gedreven is.

Ten slotte kan er in het elektriciteitsproductiepark nog een beperkte hoeveelheid opslag aanwezig zijn. Alleen hydraulische pompcentrales spelen vandaag een rol van betekenis.

Deze centrales pompen water van een laag naar een hoog reservoir (en consumeren hierbij elektriciteit) en kunnen dit in omgekeerde richting turbineren (om elektriciteit te produceren) wanneer de vraag naar elektriciteit hoog is. Dit proces heeft typisch een cyclusrendement van 70 à 80%.

De uitbating van het elektriciteitsproductiepark vindt plaats in een geliberaliseerde markt.

Er zijn tal van partijen die bij de elektriciteitsvoorziening betrokken zijn: producenten, leveranciers, traders, netbeheerders, regulatoren, overheden, etc., elk met hun specifieke belangen en doelstellingen. Om een ‘optimale’ en betrouwbare uitbating van centrales te verkrijgen, worden specifieke optimalisatiemodellen ontwikkeld en gebruikt. Afhankelijk van de partij die een dergelijk model opzet, en zijn/ haar specifieke belangen en doelstellingen, kan de specifieke uitvoering of objectiefunctie van model tot model verschillen. Zulke modellen hebben echter een brede gemeenschappelijke basis. Zo wordt met deze modellen typisch berekend hoeveel elke centrale op elk moment dient te produceren, gegeven een bepaald vraagpatroon. Tal van technische beperkingen van centrales kunnen in rekening gebracht worden, zoals het opstartgedrag, minimaal vermogen, maximaal vermogen, de stijgsnelheid, etc. Door het discreet af/aan-karakter van deze elektriciteitscentrales, is het optimaal oplossen van zulke modellen geen eenvoudige opgave: er zijn namelijk binaire variabelen

TVVL Magazine | 10 | 2013 ENERGIEGEBRUIK

TM1013_delarue_2159c.indd 9

vereist om de techno-economische karakteristieken en beperkingen van de elektriciteitscentrales correct te modelleren. Voorbeelden van dergelijke modellen zijn te vinden in [2].

TOEKOMSTIGE UITDAGINGEN In het kader van Europa ’s 20-20-20 doelstellingen is het aandeel van hernieuwbare bronnen (wind, zon en biomassa) in de elektriciteitsproductie de voorbije jaren significant toegenomen. Verwacht wordt dat deze toename zich ook de komende jaren/decennia zal doorzetten. Een verhoogd aandeel van intermitterende hernieuwbare bronnen heeft echter een belangrijke impact op de uitbating van het elektriciteitsproductiepark. Zo wordt de netto elektriciteitsvraag (de originele vraag verminderd met de productie van hernieuwbare bronnen) lager, maar krijgt deze ook een zeer variabel en deels onvoorspelbaar verloop.

Door het deels onvoorspelbare karakter zal het aandeel reserves dat vereist is in het systeem om onverwachte situaties op te vangen, ook moeten toenemen. Verder zal, om een bepaalde fractie van de energievraag te dekken, een aanzienlijk hogere geïnstalleerde capaciteit aan windturbines en pv-panelen nodig zijn, in vergelijking met bijvoorbeeld een conventionele centrale die over een bepaalde periode eenzelfde energiehoeveelheid produceert, maar die constant op vol vermogen draait. Deze geïnstalleerde wind- en pv-capaciteit kan in de toekomst behoorlijk hoger worden dan de piekvraag. Dit betekent dat wanneer de windturbines en pv-panelen op vol vermogen produceren, de productie de vraag naar elektriciteit kan overtreffen.

Voornoemde beschouwingen maken duidelijk dat de integratie van intermitterende hernieuwbare bronnen voldoende flexibiliteit en voldoende (positieve en neerwaartse) reserves in het systeem zullen vereisen. De vereiste flexibiliteit en reservecapaciteit kunnen op verschillende manieren geboden worden. Een eerste optie is flexibiliteit aan de productiezijde. Bepaalde centrales zoals STEGs of gasturbines kunnen zeer flexibel uitgebaat worden. Specifieke back-up productiecapaciteit kan de vraag dekken wanneer de intermitterende bronnen niet of onvoldoende produceren. Het flexibel uitbaten van centrales gaat echter typisch gepaard met een rendementsverlies en een stijgende CO2intensiteit. Een tweede optie is opslag. Indien er voldoende opslag aanwezig is, wordt de voorwaarde van het ogenblikkelijke evenwicht tussen vraag en aanbod gedeeltelijk ‘gerelaxeerd’: elektriciteit kan opgeslagen worden als er (te) veel productie is en gebruikt worden wanneer de productie onvoldoende is. Een derde optie is het uitbreiden van het elektrisch

netwerk om zo het gedeeltelijk lokaal karakter van elektriciteitsopwekking te doorbreken.

Indien de beschouwde oppervlakte groter is, is de kans dat het altijd wel ergens waait of dat de zon altijd wel ergens schijnt groter.

Verder verlaagt dit de variabiliteit van de totale intermitterende productie. Een vierde optie is het niet gebruiken van de productie van intermitterende bronnen, indien deze te hoog zou worden (zogenaamde ‘curtailment’).

Dit kan bijvoorbeeld door de hoek van de windturbinebladen te wijzigen, zodat deze niet meer optimaal produceren, of door de turbines volledig uit de wind te draaien. Een vijfde en laatste optie ten slotte is het activeren van de vraagzijde. In het klassieke paradigma is de vraag naar elektriciteit passief: er is geen communicatie van de beschikbare productie (of ogenblikkelijke elektriciteitsprijs) tussen de verbruikers- en productiezijde. Door de uitbouw van slimme netten (‘smart grids’) kan de vraagzijde echter geactiveerd worden, en als een volwaardig flexibiliteitsinstrument fungeren. Het opladen van elektrische voertuigen, of het gebruik van warmtepompen zijn typische voorbeelden van een mogelijke flexibele elektriciteitsvraag. Door het verschuiven van elektriciteitsverbruik in de tijd, kan de vraagzijde ook ‘virtuele’ reservecapaciteit bieden. Waar in het klassieke paradigma de productie van elektriciteit de vraag volgt, kan in het toekomstige systeem de actieve vraag de variabele productie volgen. Elektriciteit wordt verbruikt waar en wanneer het beschikbaar is.

GEÏNTEGREERDE MODELLERING De variabele en gedeeltelijk onvoorspelbare hernieuwbare elektriciteitsproductie op basis van hernieuwbare bronnen, gecombineerd met mogelijke flexibiliteit aan de vraagzijde, vereisen een geïntegreerde systeemaanpak.

In de klassieke optimalisatiemodellen van elektriciteitsproductie, zoals eerder geschetst, is de vraag typisch een exogene inputparameter. Om een optimale integratie van intermitterende bronnen op systeemniveau te bestuderen, is het echter vereist de mogelijke flexibiliteit aanwezig aan de vraagzijde te integreren in de optimalisatie van de elektriciteitsopwekking.

Er zijn verschillende opties om een (gedeeltelijk) flexibele vraag te integreren in deze modellering. Een bepaald deel van de vraag kan flexibel gemodelleerd worden door deze te karakteriseren met enkele flexibiliteitsparameters. Dit is de eerder abstracte benadering, waarbij de fysische oorsprong van deze vraag niet in acht wordt genomen en de kwaliteit van de beoogde energiedienst (bijvoorbeeld een bepaald binnenklimaat) aan de vraagzijde

9

26-9-2013 15:38:31

niet gegarandeerd is. Een andere aanpak is een deel van de vraagzijde, zoals de vraag naar elektriciteit van warmtepompen in gebouwen, integraal mee te modelleren (‘geïntegreerde modellering’).

Een typisch voorbeeld van een vraagzijdetechnologie die flexibiliteit kan bieden is de warmtepomp. Elektrische energie kan (tijdelijk) opgeslagen worden als thermische energie in de thermische massa van het gebouw en het warm-water-opslagvat. Hierdoor kan het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp verschoven worden in de tijd. Voor de warmtepomp en de gebouwen zijn eveneens modellen voorhanden, die op basis van de karakteristieken van het gebouw, uitwendige invloedsfactoren zoals zonne-instraling, de aanwezigheid van bewoners, vraag naar sanitair warm water, etc., de optimale regeling van de warmtepomp bepalen. In zulke modellen is de objectieffunctie typisch minimaal elektriciteitsverbruik of minimale energiekost, gebaseerd op een vast(e) elektriciteitsprijs(profiel) en de thermische comforteisen van de gebruikers.

Deze warmtepomp- en gebouwenmodellen kunnen geïntegreerd worden in de modellen gebruikt voor de elektriciteitsproductiezijde, om zo een optimale oplossing op systeemniveau (productie en consumptie van elektriciteit) te bepalen, rekening houdend met de techno-economische beperkingen aan productiezijde en de comfortgrenzen aan verbruikerszijde. Een voorbeeld van een dergelijk geïntegreerd model van een elektriciteitsproductiesysteem en een verzameling van aanstuurbare warmtepompen is beschreven in [3], wat verder wordt vergeleken met andere modelleringstechnieken in [4]. Figuur 1 – verkregen op basis van het model uit [3] – geeft een voorbeeld van hoe in een geïntegreerd model de aansturing van warmtepompen kan wijzigen, om zo de integratie van hernieuwbare bronnen in het systeem te bevorderen en de kosten van de elektriciteitsproductie te verlagen, zonder het comfort voor de eindverbruiker te verminderen.

CONCLUSIE Elektriciteit is moeilijk op grote schaal op te slaan, waardoor de vraag naar en de productie van elektrisch vermogen voortdurend met elkaar in evenwicht moet zijn. Door de integratie van elektriciteitsproductie van hernieuwbare bronnen wordt het netto vraagpatroon steeds variabeler en onvoorspelbaarder.

Hierdoor is er meer flexibiliteit en reservecapaciteit nodig in het elektriciteitssysteem. Deze flexibiliteit kan verkregen worden aan productiezijde (flexibele capaciteit, zoals STEGcentrales), door opslag, door uitbreiding van het elektrisch netwerk, door het niet gebruiken

10

TM1013_delarue_2159c.indd 10

van beschikbare elektriciteitsproductie van hernieuwbare bronnen (‘curtailment’) en het activeren van de vraagzijde. Om de optimale integratie van de vraagzijde in het elektriciteitssysteem te bepalen, zijn geïntegreerde modellen van verbruik- en productiezijde nodig. Deze modellen laten toe de voor- en nadelen van een geactiveerde vraagzijde voor productie- en verbruikerszijde te bestuderen, rekening houdend met de techno-economische beperkingen van de elektriciteitscentrales en de comfortgrenzen van de gebruikers.

REFERENTIES 1. K. Bruninx, E. Delarue, and W. D’haeseleer, ‘Need for integrated simulations: integration of electricity supply and demand’, in Ibpsa NVL studiedag Intelligente gebouwen voor intelligente steden, Antwerpen, 2012 2. E. Delarue, ‘Modelling electricity generation systems - deveolpment and application

of electricity generation optimization and simulation models, with particular focus on CO2 emissions’, PhD dissertation, KU Leuven, 2009 3. D. Patteeuw, K. Bruninx, E. Delarue, L. Helsen, and W. D’haeseleer, ‘Short-term demand response of flexible electric heating systems : an integrated model’, pp. 1–15, 2013. KU Leuven Energy Institute Working Paper WP2013-06. Online: http:// www.mech.kuleuven.be/en/tme/research/ energy_environment/Pdf/wpen2013-06. pdf 4. K. Bruninx, D. Patteeuw, E. Delarue, L. Helsen, and W. D’haeseleer, ‘Short-term demand response of flexible electric heating systems : the need for integrated simulations’, in EEM13, 10th International conference on the European Energy Market, 2013.

-Figuur 1- Bovenaan: de elektriciteitsproductie per brandstof of bron, waarbij 33% van het energieverbruik gedekt wordt door productie van hernieuwbare energie, aangeduid als ‘RES’. Onderaan: de binnentemperatuur in één van de gemodelleerde huizen.

Links: vaste elektriciteitsvraag. Rechts: 10% van het energiegebruik komt van aanstuurbare warmtepompen. Het activeren van de vraagzijde verlaagt de behoefte aan flexibiliteit aan productiezijde (figuren bovenaan). Verder wordt het niet gebruiken van beschikbaar vermogen geproduceerd op basis van RES (gearceerde gebieden in figuur linksboven) vermeden door het activeren van de vraagzijde. De kosten van elektriciteitsproductie is tevens lager in het geval van actieve vraagzijde, om in dezelfde vraag en comfortbehoefte te voorzien.

TVVL Magazine | 10 | 2013 ENERGIEGEBRUIK

26-9-2013 15:38:31

klimaatplafonds met eco-perspectief

MC Erasmus - SAPP 速ceiling

Klimaatplafond op maat, binnen uw budget Metalen klimaatplafonds van Interalu bieden u een gezond binnenklimaat met een constante temperatuur en een hoog akoestisch comfort.

De stalen plafonds zijn brandstabiel, zeer flexibel en hebben een hedendaags design. Het lage energieverbruik en de lange levensduur zijn een belangrijke bijdrage voor duurzaam bouwen.

Meer info op interalu.eu, bel 076 513 99 97 of mail: info@interalu.eu. We helpen u graag verder!

Adv_IA_TVVL_okt_13.indd 1 TM1013_11.indd 11

17/09/2013 14:29:45 26-9-2013 15:40:42

In laagspanningsnetten voor energie neutrale woningen

<Intelligentie>, een technische noodzaak Fotovoltaïsche cellen, een zonneboiler om warm water te produceren en een warmtepomp voor ruimteverwarming zijn de meest voor de hand liggende technieken voor energie neutrale woningen. Een beperkte gelijktijdigheid van elektrische vraag en aanbod resulteert echter in een continue energie-uitwisseling met het elektriciteitsnetnet waarop de woning is aangesloten. De ongelijktijdigheid op zich en de technische grenzen van het laagspanningsnet beperken hierbij de potentiële effectieve emissiebesparingen en implementatiemogelijkheden van energieneutrale woningen. Een aangepast gebouw- en systeemontwerp, en ‹intelligentie› worden hierdoor een technische noodzaak om het potentieel van energieneutrale woningen maximaal te benutten.

Ir.-arch. R. (Ruben) Baetens en dr.ir.-arch. D. (Dirk) Saelens, afdeling Bouwfysica, Departement Burgerlijke Bouwkunde, KU Leuven

In energieneutrale woningen is de voornaamste elektrische vraag het huishoudelijk verbruik en een mogelijk aanwezige warmtepomp voor ruimteverwarming (en mogelijks sanitair warm water), en gebeurt de lokale opwekking voornamelijk met fotovoltaïsche cellen. De beperkte gelijktijdigheid tussen lokale elektrische vraag en aanbod [1] zorgt hierbij voor een continue uitwisseling van elektrische energie tussen het gebouw en het net waarop het is aangesloten. Deze resulterende uitwisseling heeft zowel technische als economische effecten: enerzijds worden lokale spanningsschommelingen, piekbelastingen en lijnverliezen versterkt, anderzijds beïnvloed de uitwisseling de macro-economische prijszetting van energie en de effectieve emissieneutraliteit van de energieneutrale woningen. Alleen gedetailleerde simulaties [1,2] kunnen meer inzicht geven in deze technische complexiteit en resulterende technische behoefte aan

12

TM1013_baetens_2159d.indd 12

‹intelligentie›.

WIJKPRESTATIES SIMULEREN Om deze problematiek te onderzoeken werd in het kader van het onderzoeksproject ‘Geoptimaliseerde energienetwerken in gebouwen’ van het KU Leuven Energy Institute een geïntegreerde simulatieomgeving ontwikkeld onder de noemer ‘Ideas - Integrated District Energy Assessment Simulations’ [1].

Ideas laat een gedetailleerde modellering en dynamische simulatie van het huishoudelijk elektrisch verbruik, de thermische installatie, lokale productie en elektriciteitsdistributie in gebouwde omgeving toe.

Deze studie kijkt naar de evolutie van te overwegen net-impactcriteria bij de systematische integratie van energieneutrale woningen in het bestaande patrimonium. Een totaal van 7 laagspanningsdistributie-eilanden zijn hiervoor gemodelleerd, te weten een totaal

van 21 ‘feeders’ en 377 residentiële woningen, en evenveel verschillende cases zijn gesimuleerd met een variërende implementatiegraad tussen 0 en 100%. De topologie van deze wijken zijn reële cases, met data inzake transformatorcapaciteiten, kabelsecties en -lengtes in het elektrische net afkomstig van de lokale distributienetbeheerder Eandis en inzake woninggroottes en -types van het Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen.

De (bijna-) energieneutrale woningen zijn verkregen door het toepassen van een hoge isolatiegraad met isolatiediktes gebaseerd op de economische optima [3] en een luchtdichtheid n50 van 0.6 h-1, resulterend in ontwerpvermogens tussen 20 en 28 W/m². Een modulerende lucht-waterwarmtepomp (WP) is hierbij gekoppeld aan een buffervat voor sanitair warm water en aan lage temperatuur radiatoren voor ruimteverwarming. Een gebalanceerd ventilatiesysteem met lucht-lucht-

TVVL Magazine | 10 | 2013 ONDERZOEK

26-9-2013 15:46:56

warmterecuperatie met een rendement van 84% zorgt voor de hygiënische ventilatie en een geautomatiseerde buitenzonwering voorkomt oververhitting zonder actieve koeling.

Een fotovoltaïsch (pv) systeem is voorzien op de ‘meest Zuidelijke’ dakhelling van de woning en bedekt 80% van de beschikbare dakoppervlakte, gemiddeld gezien resulterend in energieneutrale (tot energiepositieve) woningen. Bij overschrijding van een spanningsgrens 10% boven of onder de nominale spanning schakelen respectievelijk de pv-omvormers en warmtepompen af ter spanningscontrole.

De stochastische modellering [1] van het gebruikersgedrag en de werking van de elektrische apparaten zorgt ervoor dat elke woning ook zijn eigen gebruikersgedrag kent. Voor de simulatie van de lokale pv-productie is gebruik gemaakt van weerdata met een tijdsresolutie van 10 minuten. Zo ontstaat het noodzakelijke realistische beeld van de tijdsafhankelijke energiestromen in de wijk.

NETIMPACT Aangaande gebouw en wijkprestaties zijn er verschillende te overwegen criteria voor verschillende marktpartijen: (1) de huishoudens hechten belang aan potentieel discomfort en hun ‘total cost of ownership’ bepaald door hun netto energiebalans Enet en de gecurtailde energie Ecur, (2) distributienetbeheerders hechten belang aan lijnverliezen EΩ, spanningskwaliteit Uфrms en transformatorlasten Ptra, en (3) ‘de samenleving’ hecht als derde partij belang aan de energiebalans en de resulterende emissies eCO2. De wijkgemiddelden van deze criteria werden voor de verschillende feeders en implementatiegraden ten opzichte van elkaar geplot in figuur 1, samen met hun principale-componentenanalyse (PCA).

Lokale technische beperkingen in het laagspanningsnet, bestaande uit de eerder vermelde mogelijke overbelasting van de aanwezige transformator, een onaanvaardbare spanningskwaliteit en noodzakelijke afkoppeling van pv en warmtepomp, beperken de implementatiegraad van energieneutrale woningen. In de bestudeerde cases worden de eerste technische grenzen bereikt bij een lokale implementatiegraad van 32%, afhankelijk van de lokale netlayout en -dimensionering. De gemiddelde haalbare netto energiebalans is hierbij -530 kWh per huishouden (p.h.); daar waar enkele gevoelige wijken slechts in staat zijn een netto energiebalans van -1 050 kWh p.h. te realiseren en sterke feeders een netto positieve balans van +1 280 kWh p.h. kunnen behalen zonder technische laagspanningsproblemen. De totale elektrische curtailing en Ohmse verliezen stijgen hierbij tot een gemiddelde van 323 kWh p.h. bij een implementatie-

TVVL Magazine | 10 | 2013 ONDERZOEK

TM1013_baetens_2159d.indd 13

graad van 100%, met lokale uitschieters tot 1 210 kWh p.h. in zwakke distributienetten.

Algemeen kunnen twee clusters onderscheiden worden in de technische beperkingen die het bestaande netwerk vertoont. Enerzijds is er een groep feeders waarbij systematisch (te) hoge pieklasten aan de transformator worden opgetekend, maar met lage karakteristieke spanningsschommelingen. Anderzijds is er een groep feeders waarbij sterke dagelijkse spanningsschommelingen worden waargenomen, maar waarbij de resulterende potentiële afkoppeling van pv- en warmtepompsystemen voor een bescherming van de piekbelasting aan de transformatoren zorgt.

Enerzijds dient het gebouwbeheersysteem beslissingen nemen op basis van externe, niet-gebouw gebonden informatie en is het te behalen thermische comfort niet het enige criterium. Anderzijds is er behoefte aan een voorspellend gebouwbeheersysteem dat in staat is het toekomstige comfort en de toekomstige energievraag te voorspellen, om het potentieel van vraagsturing maximaal te benutten. Een aangepast gebouw- en gebouwsysteemontwerp om deze voorspelling nauwkeuriger te kunnen uitvoeren, en de mogelijkheid tot vraagsturing te maximaliseren zijn eveneens noodzakelijk.

REFERENTIES ‹INTELLIGENTIE›?

Verschillende oplossingen kunnen een antwoord te geven op de voornoemde problematiek, zijnde versterkingen van het elektrische net, aangepaste instellingen voor de nominale spanning aan het gemeenschappelijke tappunt, actieve spanningscontrole met moderne invertoren en vraagsturing.

Het laatste idee van vraagsturing in gebouwen is wat men algemeen verstaat onder ‹intelligente gebouwen›, en is tamelijk eenvoudig: door een deel van de elektrische lasten (bijvoorbeeld de warmtepomp voor ruimteverwarming en sanitair warm water) in de tijd te verschuiven, kunnen piekspanningen en pieklasten beperkt of zelfs vermeden worden.

De nodige desbetreffende ‹intelligentie› duidt op de nodige actoren en beslissingsmanieren.

1. Baetens, R., De Coninck, R., Van Roy, J., Verbruggen, B., Driesen, J., Helsen, L., Saelens, D. (2012) 2. Assessing electrical bottlenecks at feeder level for residential net zero-energy buildings by integrated system simulation.

Applied Energy 96, 74-83 3. Baetens, R., Saelens, D. (2013). Multicriteria grid impact evaluation of heat pump and photovoltaic based zero-energy dwellings. BS2013 - 13th International Conference of the International Building Performance Simulation Association, P1165, 1-8 4. Verbeeck, G. (2007), Optimisation of extremely low energy residential buildings, Doctoraatsthesis KU Leuven

-Figuur 1- Uiteenzetting van de te overwegen net-impactcriteria voor de integratie van warmtepomp- (wp) en fotovoltaïsch (pv) gebaseerde energie neutrale woningen, zijnde de netto energiebalans Enet, de lijnverliezen EΩ, de transformator piekbelasting Ptra, the karakteristieke spanningsafwijking Uфrms, de specifieke emissies eCO2, de totale duur toff waarop warmtepompen niet kunnen, en de totale beknotte fotovoltaïsche energie Ecur. Elk punt geeft een wijkontwerp weer met een bepaalde implementatiegraad van wp- en pv-systemen, waarbij de volle punten een implementatiegraad van 100% energie neutrale woningen voorstellen. Alle energie gerelateerde criteria zijn hierbij gestandaardiseerd per huishouden (p.h.).

13

26-9-2013 15:46:57

Smart grid en gebouwbeheersystemen

Smart energy systems Door de introductie van ICT in het energiesysteem ontstaan meer mogelijkheden voor het balanceren van vraag en aanbod en kan de energie-infrastructuur kosteneffectiever worden ontworpen en beheerd. Hierdoor zijn er minder investeringen nodig in conventionele energiecentrales, is een betere benutting van deze centrales mogelijk en kan efficiënter gebruik worden gemaakt van de energiedistributienetten. Dit leidt tot minder CO2-emissie, lagere kosten en maakt het gebruik van (meer) duurzame energiebronnen aantrekkelijker. Het huidige energiemanagement in gebouwen is verre van optimaal en de toepassing van nieuwe mogelijkheden van ICT kunnen mondiaal tot €600 miljard besparen [1]. Het potentieel om ICT toe te passen is goed beschreven (Røpke et al 2010), maar in veel literatuur wordt de rol van de gebruiker over het hoofd gezien bij het realiseren van de daadwerkelijke energiebesparing.

Prof.ir. W. (Wim) Zeiler, K.O. (Kennedy) Aduda, ir. G. (Gert) Boxem, J.C.G. ( Jacob) Verhaart MSc, T. (Tom) Thomassen, Faculteit Bouwkunde, unit Building Physics and Services, TU Eindhoven; ir. J.A.J. Joep van der Velden, J.W. ( Jan Willem) Dubbeldam, Kropman Installatietechniek

De energiewereld is volop in beweging: decentralisatie, liberalisering en verduurzaming.

Installatiebedrijven, maar ook leveranciers van gebouwbeheersystemen, richten zich meer en meer op de besturing van niet alleen de klimaatinstallaties (comfort) en het gebouw (verlichting, toegangscontrole), maar ook op energiesystemen voor gebouwclusters en wijken. De installatiewereld kan met innovatieve gebouwbeheerssystemen haar klanten ondersteunen in hun streven naar energiereductie, energie-efficiëntie en zelfvoorzienendheid. Er dienen daadwerkelijke doorbraken gerealiseerd te worden door op een fundamentele en systematische wijze additionele

14

TM1013_zeiler_2159k.indd 14

functionaliteit te onderzoeken voor gebruikers.

Vraag (comfort) en aanbod (centrale energie en decentrale duurzame energiebronnen) dienen beter op elkaar te worden afgestemd.

De verwachte impact van Smart Grids is groot.

De complexe relaties, belangen en verhoudingen tussen leveranciers, netbeheerders, gebruikers en nieuwe aanbieders van diensten zullen in de komende energietransitie vorm gaan krijgen. Slimme netten zetten de klassieke rol van netbeheerders en energieleveranciers (top-down) als organisatie onder druk.

Met de huidige technologie is het immers al mogelijk veel decentraler (bottom-up) te gaan werken. Verschillende eindgebruikers zetten

eigen lokale netwerkjes op en zetten met hun businessmodel de gevestigde orde buitenspel.

Dit toekomstbeeld heeft nog vele open einden, zodat een eenduidig businessmodel op voorhand niet is vast te stellen.

COMMUNICATIE Het Smart Grid is een antwoord op de nieuwste ontwikkelingen in elektriciteitsnetwerken.

Decentrale opwekking, dikwijls op basis van fluctuerende duurzame energiebronnen zoals zon of wind, introduceert in het systeem een grote onzekerheid (stochasticiteit). Daarom maakt het Smart Grid gebruik van tweewegcommunicatie in de keten tussen gebruiker en

TVVL Magazine | 10 | 2013 INTELLIGENTE GEBOUWEN

26-9-2013 16:22:21

uitbouw van de vaak specifieke oplossingen moeizaam. De opgedane inzichten zullen door participanten gebruikt worden voor het onderzoek naar een meer universeel agentplatform, dat (bijvoorbeeld in analogie aan een Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) pakket) de interface kan vormen tussen het Smart Grid en een BEMS. Zo wordt de kern van de communicatie van het opwekkings- en distributieproces tot aan het gebruiksproces gedefinieerd. Daarna kan verder onderzoek plaatsvinden naar de invulling daarvan tot op het niveau van gebouw en de koppeling met het externe elektriciteitsnet.

INTERACTIE -Figuur 1- De opzet voor een optimale interactie tussen gebruiker en Smart Grid [3]

producent, waardoor de beschikbare energie op efficiënte wijze kan worden ingezet.

Belangrijk is de communicatie tussen functionele modules in het Smart Grid om de inzet van buffers voor duurzame bronnen of netstabiliteit te optimaliseren. Hierdoor kunnen nieuwe integrale functionele regeltechnische beheersmodules worden aangeboden voor de optimalisatie van comfort en energie op een wijk- en gebouwniveau gerelateerd aan de individuele werkelijke behoefte aan energie (comfort). Deze modules vormen de technologie voor nieuwe vormen van energiedienstverlening (energie beheer, energiemanagement, energie contracting en outsourcing) door geoptimaliseerde regelstrategieën die zijn gebaseerd op de werkelijke individuele comfortbehoefte van de gebruikers. Een optimale procescontrole is essentieel voor de energieprestatie van gebouwen [2]. Daarvoor moeten nieuwe energiemanagementsystemen worden ontwikkeld die niet alleen het energiegebruik optimaliseren maar dit doen in combinatie met het verbeteren van het comfort van de gebruikers en de optimale inzet van duurzame energiebronnen onder de stabiliteitsvoorwaarden van het Smart Grid.

Een BEMS (Building Energy Management System) is een gecompliceerd regelsysteem voor een gebouw of woning (Home Automation System) dat, met minimalisatie van het energiegebruik, probeert het comfort voor zijn bewoners te optimaliseren. Deze systemen worden hoe langer hoe gesofisticeerder, omdat de voortschrijdende techniek toelaat om de bewoners beter te volgen (bijvoorbeeld met behulp van sensoren) en doeltreffender met hen te communiceren (bijvoorbeeld door

individuele interfaces zoals smart phones). In beide gevallen speelt flexibele en adapatieve communicatie op verschillende niveaus een belangrijke rol. Desondanks is het energiegebruik in gebouwen aanzienlijk hoger dan nodig voor het comfort van de gebruikers. Beter energiemanagement is nodig voor het optimaliseren van comfort en gebruik. Maar dit vraagt ook om optimale sturing van de energiestromen. Hierbij is het belangrijk om naar de integrale interactie te kijken tussen gebruiker, gebouw, omgeving, energiedistributienetwerken en energie-opwekking. Hiervoor is de optimalisatie van de communicatie tussen de verschillende technische systemen in- en rond het gebouw met de gebruiker cruciaal, zie figuur 1 [3].

AGENT-TECHNOLOGIE Het onderzoek van de Faculteiten Bouwkunde en Elektrotechniek van de TU Eindhoven focust zich op de interface tussen BEMS en SG en zal onderzoeken hoe agent-technologie gebruikt kan worden om de diversiteit aan communicatie- en optimalisatiestrategiëen tussen de verschillende energie(buffer)systemen schaalbaar te houden. Hiervoor wordt aan een modulaire functionele uitbouw gedacht van de hoofdstructuur van agents, waarbij een flexibele communicatieschil met behulp van interfacemodules de schaalbaarheid waarborgt. Binnen dit onderzoek wordt de basis gelegd voor de definitie van een overkoepelend agentplatform en communicatiestructuur. Dit theoretische model zal met experimenten in de praktijk worden getoetst.

Agenttoepassingen voor energiemanagement zijn eerder onderzocht. Daarbij verloopt de

TVVL Magazine | 10 | 2013 INTELLIGENTE GEBOUWEN

TM1013_zeiler_2159k.indd 15

De universele systeemonafhankelijke koppeling van een gebouwbeheerssysteem door middel van agentmodules voor de procesbesturing op verschillende niveaus, maakt mogelijk om de interactie met het Smart Grid modulair op te bouwen. Zo kan deze in de toekomst stap voor stap worden geïmplementeerd. De ICT maakt op deze wijze een multi-gebruik mogelijk van de grote aantallen kleine, gedistribueerde actoren.

Hierdoor kan het Smart Grid niet alleen meer duurzame energiebronnen inpassen en een betrouwbaardere distributie-infrastructuur garanderen, maar geeft het de eindgebruikers ook een betere kostprijs en meer informatie [4]. Het Smart Grid de doelstellingen mogelijk maken van een duurzamere en efficiëntere energie-infrastructuur met de eindgebruiker als centraal focuspunt (IEA 2011).

Centraal bij het besturen van elk energiesysteem staat de regeltechnische architectuur, bestaande uit hardware en software protocols voor het uitwisselen van de systeemstatus en controlesignalen. In conventionele elektrische systemen wordt dit gedaan met behulp Scada-systemen. De huidige trend voor de controle en monitoring van elektrische systemen beweegt zich in de richting van multi-agentsystemen. In de context van powersystemen kan multi-agenttechnologie voor een hele reeks van toepassingen worden ingezet, bijvoorbeeld ‘powersystem disturbance diagnosis’, ‘power system restoration’, ‘power system secondary voltage control’, ‘power system visualization’ en als gepresenteerd in recent werk, om de werking van een microgrid te controleren [5,6]. Om bij een microgrid, bij de verschillen in beleving en karakter van gebruikers, toch iedere gebruiker een goed comfort en energieprofiel aan te kunnen bieden, dienen er mogelijkheden te zijn om individuele aanpassingen te doen.

Voor dit alles is veel meer locale informatie nodig. De toepassing van goedkope draadloze sensornetwerken biedt hiervoor een moge-

15

26-9-2013 16:22:21

lijke oplossing [7]. Het wordt dan mogelijk de balans tussen energie-aanbod en energievraag beter op elkaar af te stemmen. Door de inzet van diverse vormen van energiebuffering, wordt ook minder energie gebruikt, gegeven de actuele en verwachte binnen- en buitencondities. Hiervoor is het nodig om een integrale benadering te kiezen, zoals die in figuur 2 is weergeven.

INFRASTRUCTUUR In relatie tot de state-of-the-art zit het vernieuwende van de gepresenteerde aanpak in het combineren van elementen van Smart Grid en eindgebruikers. Kenmerken van het Smart Grid zijn nieuw, zoals Demand-Response functionaliteiten in een echte omgeving, met prijzen die komen van de echte energiemarktcondities, echte duurzame energiebronnen en aansturing van elektrische apparatuur. De resultaten zullen niet berekend, ingeschat of gesimuleerd worden maar worden gemeten en ‘gebootstrapped’ in een ‘living lab setting’.

Om de doelstellingen te halen voor energieen energiegebruikskostenreductie is het van groot belang niet alleen het energiegebruik te monitoren maar ook de regelinstallaties en de aansturing van de aangesloten apparatuur te verfijnen, hetgeen ontbreekt in de bestudeerde literatuur [4]. Het overzicht van [8] geeft de huidige stand van zaken op het gebied van onderzoek naar communicatienetwerken in de volgende generatie powersystemen. Er is nog veel onderzoek nodig voordat een communi-

catie-infrastructuur kan worden geimplementeerd voor intelligent energiemanagement [8]. Dit komt onder andere doordat er nog geen breed geaccepteerde gestandaardiseerde communicatienetworkinfrastructuur is dat gebruikt kan worden bij de tranformatie van het huidige elektrische power grid naar een Smart Grid [9]. Er is een toenemende interesse in de richting van de ontwikkeling van ‘routing protocols’ om te voldoen aan de voorwaarden voor Smart Grid applicaties. Maar de ontwikkeling staat nog maar aan het begin en er zijn nog vele problemen op te lossen [10].

DUURZAME ENERGIE Het onderzoek maakt het mogelijk om stapsgewijs in modules additioneel op bestaande BEMS functionaliteiten aan te bieden die het mogelijk maken om tot een optimalere afstemming te komen tussen energievraag en (duurzame) energie-aanbod in het Smart Grid.

Het Smart Grid wordt hierdoor flexibeler ten aanzien van de inzet van duurzame energiebronnen, zonder dat de netstabiliteit in gevaar komt. Ook kan de beschikbare netcapaciteit beter uitgenut worden en er een ecologisch optimalere brandstofmix ingezet worden. Het project beoogd een soort functionele middleware communicatiestructuur te definiëren voor een agentplatform, waardoor systeemonafhankelijke koppelingen voor data-uitwisseling en interactie als product kunnen worden aangeboden. Door deze meer universele aanpak kan tot een defacto standaard aanpak

worden overgegaan bij de implementatie van Smart Grid optimaliseringsystemen, in plaats van de huidige project-specifieke oplossingen.

Dit leidt op termijn tot een geweldige kostenreductie alsmede kwaliteitsverbetering.

In plaats van het toepassen van nieuwe energiezuiniger apparatuur voor koeling, verwarming of ventilatie, is dit onderzoek gefocust op het optimaal regelen van de comfortbehoefte en de benodigde energie daarvoor in relatie tot het Smart Grid middels de te ontwikkelen modules. Dit betekent dat deze regelstrategie toegepast kan worden in zowel nieuwe als ook in bestaande gebouwen. Het kan daarmee de leidende technologie worden om de potentiële energiebesparing van geavanceerde regeltechniek in combinatie met Smart Grid in de Nederlandse gebouwde omgeving te realiseren. De realiseerbare energiebesparing kan conservatief worden geschat op 20% ten opzichte van de huidige situatie. Van deze 20% procent energiebesparing is conform het rapport ‘Maatschappelijke kosten en baten van Intelligente Netten’ [11] 4% absolute besparing door de gedragsverandering bij de toepassing van Smart Grids. Het resterende deel wordt gerealiseerd door de comfortscenario’s die ingrijpen op de regelstrategie van de comfortinstallaties in de gebouwen. Dit is gebaseerd op recent onderzoek aan de TU/e, waarin op basis van een case-study van een bestaand kantoorgebouw de besparingen zijn uitgerekend [12,13].

BEMS als interface tussen Building Energy Mangement System en Smart Grid Centralized energy generation Smart Grid Top down Micro Grid

Different levels of functional abstraction

Building Energy Mangement System

nanoGrid

Bottom up

-Figuur 2- Een integrale benadering van Smart Grid en Gebouwde Omgeving met het BEMS als interface

16

TM1013_zeiler_2159k.indd 16

TVVL Magazine | 10 | 2013 INTELLIGENTE GEBOUWEN

26-9-2013 16:22:22

INTEGRALE BENADERING Smart Grids beïnvloeden de mogelijkheden voor de opwekking van grootschalige en kleinschalige (duurzame) energie, energieopslag en energiebesparing in de gebouwde omgeving. De ontwikkeling richting energieneutrale gebouwde omgeving bijvoorbeeld, vereist mogelijkheden voor lokale uitwisseling van energieoverschotten en -tekorten. De maatschappelijke ‘business case’ is gebaat bij een integrale benadering van deze grote systeemveranderingen [14]. De ideevorming over het temporale verloop van de individuele energie/comfortvraag staat nog maar aan het begin. De inzet van intelligente voorspellende regelingen gebaseerd op agenttechnologie lijkt mogelijkheden te bieden. Het streven is om op basis van scenario’s tot een kwalitatieve modellering te komen die gebruikt kan worden bij de gerichte inzet van agents voor verdere optimalisering van comfort en energie. De agents zijn lokaal geïnstalleerde informatiesystemen die autonoom het comfort en de energie-infrastructuur kunnen aansturen. Zo kan de informatie uit de gebouwen gebruikt worden voor het optimaliseren van de aansturing van de energie-infrastructuur.

Dit onderzoek richt zich daarnaast op de toepassing van een Smart Grid met behulp van bestaande ‘wireless low-cost’ sensoren en actuatoren voor energiemanagement in kantoorgebouwen. In het bijzonder de toepassing van zulke Smart Grids gecombineerd met multi agents in een bestaand kantoorgebouw met zijn eigen gebouwbeheersysteem, zal de relevantie laten zien van de beoogde applicate voor comfort en energiemanagement. Naast de toepassing van de Smart Grid-technologie is het van groot belang geavanceerdere regelstrategiëen voor energiemanagement te ontwikkelen niet alleen voor het energiegebruik maar juist voor comfortmanagement.

Net als de Taskforce Intelligente Netten is een Smart Grid een ‘enabler’. Het biedt de mogelijkheid om effectief en efficiënt in te spelen op de balans tussen vraag en aanbod van energie. Consumentengedrag is de sleutel tot financiële winst, die in het gehele systeem kan optreden. Daarom is ervoor gekozen om dit leidend te laten zijn. De benodige energiebesparingen en CO2-reductie om de afgesproken EU-doelstellingen te halen, kunnen alleen worden bereikt door innovaties op het gebied van brainware (ontwikkeling van kennis over comfortbehoefte van de mens), hardware (ontwikkeling van sensoren en nieuwe communicatie-apparatuur) en software (bijvoorbeeld agents voor optimalisatiestrategieën voor comfort en energie).

Het streven is naar een standaardisatie van de virtuele infrastructuur om zo kosten effectief

en hoogwaardige diensten en producten te kunnen ontwikkelen. Alleen dan is er een voldoende economisch perspectief.

CONCLUSIES Naast het gebruik van gebouwbeheersystemen (GBS) zijn de energiemonitoringsystemen (BEMS) en energiedienstverlening (EDV) sterk in opkomst. De opzet van het huidige project is om de technische basisstructuur te ontwikkelen die zorgt dat de koppeling met Smart Grid in BEMS en GBS geïntegreerd kunnen worden en zo algemeen toepasbaar worden gemaakt in gebouwen. Zo ontstaat een programmalijn van innovatieve diensten en producten (B2B en B2C), waarbij de nadruk ligt op energiemanagement, het balanceren van het energieaanbod en ‘vraagsturing’ door middel van de slimme inzet van energiebuffering. De opzet is uitdrukkelijk om niet alleen hard- en softwareproducten te ontwikkelen maar ook brainware: nieuwe (duurzame) energie/comfortbeheerscontracten op basis van tevoren overeengekomen prestatiecriteria. Deze energiedienstverlening (EDV), ook wel ‘energie performance contracting’ genoemd, zal in de toekomst een grote markt vormen. Het zorgt immers voor ontzorging van organisaties, zodat deze zich meer met hun kernactiviteiten kunnen bezig houden.

REFERENTIES 1. Webb M., 2008, SMART 2020: Enabling the low carbon economy in the information age, report of The Climate Group 2. Yu Z., Zhou Y., Deter A., 2007, Hierarchical Fuzzy Rule-based control of renewable energy building systems, Proceedings Cisbat 2007, Lausanne 3. Kolokotsa D., Rovas D., Kosmatopoulos E., Kalaitzakis K., 2011, A roadmap towards intelligent net zero- and positive-energy buildings, Solar Energy 85: 3067–3084 4. Georgievki I., Degeler V., Pagani G.A., Nguyen T.A, Lazovik A., Aiello M., 2011, Optimizing offices for the Smart Grid, JBI preprint 2011-12-01, Johann Bernoulli Institute for Mathematics and Computing Science of the University of Groningen 5. Pipattanasomporn M., 2009,Multi-Agent Systems in a Distributed Smart Grid: Design and Implementation,IEEE Power Systems Conference and Exposition (PSCE’09), Seattle, Washington, USA 6. Nguyen H., 2010, Multi-agent system based active distribution networks Ph.D. dissertation, Eindhoven University of Technology.

7. Neudecker F., 2010, Eliminating wires and batteries in building management the new standard: Energy harvesting wireless

TVVL Magazine | 10 | 2013 INTELLIGENTE GEBOUWEN

TM1013_zeiler_2159k.indd 17

sensors, Proceedings Clima 2010, May 10-12, Antalya 8. Wang W., Xu Y., Khanna M., 2011, A survey on the communication architectures in smart grid, Computer Networks 55:3604– 3629 9. Gao J., Xiao Y., Liu J., Liang W., Philip Chen C.L.,2012, A survey of communication/networking in Smart Grids, Future Generation Computer Systems 28: 391–404 10. Saputro N., Akkaya K., Uludag S., 2012 A survey of routing protocols for smart grid communications, Computer Networks, http://dx.doi.org/10.1016/j. comnet.2012.03.027 11. Blom M.J., Bles M., Leguijt C., Rooijers F.J., Gerwen R. Van, Hameren D. Van, Verheij F., 2012, Maatschappelijke kosten en baten van Intelligente Netten, CE Delft, publicatienummer 12.3435.10 12. Vissers D., Zeiler W., Boxem G., 2012, Integral Design of Micro Climate and Control strategies for near Zero Energy Offices, Proceedings Healthy Buildings, Brisbane 13. Vissers D.R., 2012, The human body as sensor for thermal comfort control, Master thesis building services, Technical University of Eindhoven 14. Taskforce Intelligente Netten, 2011, Op weg naar intelligente netten in Nederland, Einddocument van de Taskforce Intelligente Netten 15. International Energy Agency, 2011, Implementing Agreement on DemandSide Management Technologies and Programmes 2011 Annual Report, Edited

by Anne Bengtson 16. Isalgue, A., Palme, M., Coch, H., Serra, R., 2006, The importance of users’ actions for the sensation of comfort in buildings, Proceedings PLEA 2006, Geneva 17. Kester J.C.P., Zondag H.A., 2006, Demand Side Management achter de meter, Raming verduurzamingspotentiëlen, ECN rapport E-06-037, November 2006 18. Nicol J.F., 2007, Comfort and energy use in buildings – Getting them right, Energy and Buildings, 39: 737-739 19. Palme M., Isalgue A., Coch H., Serra R., 2006, Robust design: a way to control energy use from human behaviour in architectural spaces, Proceedings PLEA 2006, Geneva 20. RØpke I., Christensen T.H., Jensen J.O., 2010, Information and communication technologies – A new round of household electrification, Energy Policy 38: 17641773

17

26-9-2013 16:22:22