Verwarming en koeling hebben samen een aandeel van 50% in de globale energievraag.[1] Op dit moment wordt 86% van deze behoefte aangeleverd met niet-hernieuwbare bronnen. Een transitie naar een klimaatneutrale wereld is broodnodig. Nu wordt hierbij een duurzame bron om te verwarmen en koelen vergeten. Dit artikel licht toe hoe rivieren ervoor kunnen zorgen dat een aanzienlijk deel van het klimaatprobleem wordt opgelost.

 

Het is vijf over twaalf; het klimaat wacht op antwoorden. Het is de natuur zelf die oplossingen aanbiedt voor een duurzame wereld, maar het is de mens die deze antwoorden moet vinden. Rivieren gaven ons ooit de kans voor het creëren van steden en het cultiveren van samenlevingen, nu kunnen ze bijdragen aan een oplossing voor het klimaatvraagstuk. Het water staat de planeet aan de lippen, dus het is hoogtij(d) om uit te zoeken hoe de aanwezige warmte in rivieren kan worden gebruikt om steden klimaatneutraal te maken.

 

Warmteonttrekking uit oppervlaktewater

De voorziening van de energievraag in de vorm van verwarming en koeling is idealiter duurzaam. Veel te vaak zijn fossiele brandstoffen echter nog in gebruik, met de bekende gevolgen voor het klimaat. Op dit moment wordt 80% van de globale warmte- en koudevraag op een niet-duurzame manier opgewekt, goed voor een jaarlijkse CO2-uitstoot van zes miljard ton.[2] Om dit in perspectief te plaatsen: je moet met je auto een miljard keer rond de wereld rijden om dezelfde hoeveelheid CO2 te produceren. Duurzame koel- en verwarmingstechnieken zijn daarom nodig. De natuur biedt ons hiervoor een duurzame bron aan, namelijk de energie die in waterlichamen zit opgeslagen. De helft van de wereldbevolking leeft op minder dan drie kilometer van een waterlichaam zoals een rivier of een meer.[3] Deze waterlichamen kunnen met behulp van aquathermische installaties worden ingezet voor warmtewinning. In dit onderzoek werd de focus gelegd op onttrekkingen uit rivieren om diens potentieel te kunnen inschatten.

Figuur 1: Aquathermische installatie

 

De techniek die nodig is om energie uit een rivier te onttrekken (of uit andere waterlichamen), is een warmtepomp. Deze kan in de winter warmte onttrekken uit de rivier om gebouwen op te warmen en in de zomer koude onttrekken om dezelfde gebouwen af te koelen (zie Figuur 1). De warmtepomp zal aan de hand van een elektrisch gevoede thermodynamische cyclus energie uit de rivier halen en doorgeven aan het warmtenetwerk binnenshuis. De warmtepomp zorgt er dus voor dat binnenshuis water op een gewenste temperatuur kan worden rondgepompt. Nadat warmte of koude uit de rivier wordt onttrokken, zal het water worden teruggepompt naar de stroom. Hierbij ontstaat een temperatuurdaling in de rivier wanneer warmte  wordt onttrokken en een stijging bij een koudeonttrekking.

 

Rivieren gaven ons ooit de kans voor het creëren van steden en het cultiveren van samenlevingen, nu kunnen ze bijdragen aan een oplossing voor het klimaatvraagstuk.

De hoeveelheid elektriciteit die een warmtepomp nodig heeft om tot de gewenste warmtevraag te komen, wordt bepaald door het rendement van de installatie; dit wordt uitgedrukt in coëfficiënt of performance (COP). De COP is de verhouding van de geleverde energie naar het gebouw ten opzichte van de benodigde elektrische energie. Een seizoensgemiddelde COP bedraagt meestal ongeveer vier en zal gebruikt worden om aan te tonen wat de energetische impact van een warmtepomp is. Wanneer men binnenshuis energie nodig heeft, zal bij een COP van vier driekwart geleverd worden door de rivier. De rest wordt geleverd door elektrische energie (zie Figuur 2), die nodig is om de compressor in de warmtepomp aan te drijven. In de bovenvermelde situatie realiseert men een CO2-emissiereductie van 65% wanneer grijze elektriciteit wordt gebruikt om de warmtepomp te voeden en 100% reductie bij het gebruik van groene elektriciteit.

Figuur 2: Energiebehoefte warmtepomp bij vier eenheden energievraag en COP van vier

 

Een wiskundig riviermodel

Figuur 3: Energiefluxen langst een rivier, deze worden opgenomen in het riviermodel om de riviertemperatuur te kunnen simuleren

Het staat dus vast dat energie onttrekken uit oppervlaktewater van rivieren mogelijk is, maar er is een grens in de hoeveelheid energie die men mag onttrekken. Bij zowel warmte- als koudeonttrekkingen is het cruciaal dat aquathermische installaties geen vermogens onttrekken die kritische temperatuurveranderingen veroorzaken. Dat kan namelijk gevolgen hebben voor het ecosysteem van de rivier. Deze kritische temperatuurverandering wordt momenteel gedefinieerd als drie graden Celsius stijging bij koudeonttrekkingen en drie graden Celsius daling bij warmteonttrekkingen. Deze stijging en daling hebben betrekking op de gehele waterloop en moeten dus in totaliteit, alle onttrekkingen in acht nemend, geanalyseerd worden. Indien een rivier op locatie A na een warmteonttrekking 1,5°C afkoelt en er stroomafwaarts op locatie B ook 1,5°C afkoeling plaatsvindt, dan mag er op geen enkele andere locatie nog een warmteonttrekking plaatsvinden aangezien de limiet van drie graden Celsius daling is bereikt. Hierbij wordt weliswaar geen rekening gehouden met het fenomeen ‘regeneratie’. Die term houdt in dat de temperatuur van een rivier na afkoeling, wat een verstoring in het evenwicht is, na enige tijd terug naar zijn originele temperatuur zal gaan. Dit heeft als gevolg dat men op locatie B meer dan 1,5°C kan afkoelen en er dus meer hernieuwbare energie beschikbaar is dan initieel gedacht.

 

Om de regeneratie van de riviertemperatuur te berekenen, is een wiskundig model nodig. Het moet dan gaan om een model dat de temperatuur van een rivier kan simuleren met in acht neming van allerlei omgevingsfactoren. Rivieren verkrijgen hun natuurlijke energie via zoninstraling, warmteuitwisseling met de bodem en de lucht en andere fenomenen (zie Figuur 3). Daarnaast hebben ook menselijke factoren impact, zoals lozingen van restwarmte uit fabrieken. De complexe invloed van al deze parameters is gebundeld in het model. Een simulatie kan worden gemaakt voor een beperkt gebied in een rivier, een volledige rivier, maar evengoed voor alle rivieren van een land. Op basis van de resultaten van de simulatie kan men bepalen hoeveel warmteonttrekking mogelijk is.

 

Bij zowel warmte- als koudeonttrekkingen is het cruciaal dat aquathermische installaties geen vermogens onttrekken die kritische temperatuurveranderingen veroorzaken.

Casestudie: de Dijle 

Wanneer twee Leuvense studenten een riviermodel opstellen om het warmtepotentieel te berekenen, komt de Dijle (de rivier die door Leuven stroomt, red.) vanzelf boven water drijven. De eerste toepassing van het gecreëerde model omvatte een studie naar het warmtepotentieel van deze rivier. Hierbij werd onderzocht wat de hoeveelheid warmte is die je uit de rivier kan onttrekken zonder dat deze de kritische temperatuurdaling van 3°C ondervindt. In de studie wordt de piek warmte- en koudevraag van Leuven, Rotselaar, Haacht, Keerbergen, Bonheiden, Boortmeerbeek en Mechelen in kaart gebracht. Deze warmte- en koudevraag betreft echter niet de volledige vraag van de gemeenten en steden, maar de vraag in de zone reikend tot maximaal een kilometer buiten de oevers van de Dijle (zie Figuur 4). Verder wordt er voor deze simulaties vanuit gegaan dat de seizoensgemiddelde COP van de fictieve warmtepomp die gebruikt zou worden, vier bedraagt. Om in de gewenste piekvraag te voorzien voor de dorpen en steden, dient men dus 75% van de piekvraag te onttrekken uit de rivier en wordt 25% geleverd door elektrisch vermogen van de warmtepomp.

 

Figuur 4: de gele band beslaat een zone van duizend meter langs beide kanten van de Dijle. De groene zones geven de gemeenten of steden met een warmtevraag aan

 

In Figuur 5 wordt het warmtepotentieel in de Dijle gedurende de maand januari geïllustreerd. Deze grafiek is het resultaat van een simulatie van de watertemperatuur in de Dijle, vertrekkende bij het binnenstromen in Leuven (0 km) tot aan de monding van de rivier de Demer (43 km verderop). De grafiek moet als volgt worden geïnterpreteerd: een hoeveelheid water wordt gevolgd wanneer het van start- naar eindpunt stroomt terwijl de temperatuur van de Dijle elke 50 meter opnieuw wordt berekend. Een tastbare analogie om de meetmethode te begrijpen, is om je voor te stellen dat je met een kano op de Dijle vaart en na 50 meter steeds opnieuw de watertemperatuur meet. Op basis van de specifieke stroomsnelheid in januari duurde het 34 uur en 49 minuten voordat de Dijle vanaf Leuven tot aan de Demer vloeide. De simulatie loopt dus gedurende meerdere dagen en het dag-nacht patroon is duidelijk herkenbaar op de curves. De blauwe curve stelt het referentiescenario voor, een typische watertemperatuur van de Dijle in januari. De oranje lijn geeft de temperatuur van het Dijlewater weer nadat de benodigde warmtevragen per gemeente/stad uit de Dijle worden onttrokken.

 

Figuur 5: Temperatuur Dijlewater op gemiddelde dag in januari vertrekkende om 10 uur ’s ochtends. Blauw: referentiescenario. Oranje: scenario waarbij de benodigde warmtevraag per gemeente/stad uit de Dijle wordt onttrokken

Figuur 6: Regeneratie van de temperatuur van het Dijlewater in januari, afgeleid als het temperatuurverschil tussen de curven in figuur 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur 6 geeft de regeneratie van de Dijle weer gedurende haar traject tussen Leuven en de monding van de Demer. Deze grafiek geeft het temperatuurverschil weer tussen het referentiescenario (blauw) en onttrekkingsscenario (oranje) in januari uit Figuur 5. Bij het plots onttrekken of lozen van warmte uit een rivier wordt een temperatuurshock geïnduceerd in deze waterstroom. Dit zijn de sprongen die in Figuur 6 ter hoogte van de verschillende gemeenten/steden ontstaan. Vervolgens zal de rivier zich geleidelijk stroomafwaarts herstellen van deze onnatuurlijke invloed. Het geïnduceerde temperatuurverschil verkleint met andere woorden steeds na (in dit geval) een warmteonttrekking, wat de stijgende trend (regeneratie) van de verschillende tussenstukken in Figuur 6 verklaart. Merk op dat het riviermodel onmisbaar is om het fenomeen van regeneratie in kaart te brengen. Zonder dit model worden de verschillende lokale temperatuurdalingen simpelweg bij elkaar opgeteld en zou het warmtepotentieel foutief worden vastgelegd. Opmerkelijk is dat na de laatste warmteonttrekking in Mechelen nog een temperatuurdaling van 2.3°C zou kunnen worden geïnduceerd voordat de onttrekkingsgrens wordt bereikt. Met andere woorden: er is na de energieonttrekking in Mechelen nog een resterend warmtepotentieel van 75% in de Dijle.


Conclusie

De aarde warmt op. Dit onderzoek en het daarin ontwikkelde riviermodel bieden een oplossing voor een van de vele problemen die moeten worden opgelost om klimaatverandering in te dammen. Het ontwikkelde model stelt ons in staat om te analyseren of een rivier de capaciteit heeft om een gebouw, wijk of zelfs stad te verwarmen door middel van warmteonttrekkingen. Door zijn brede toepasbaarheid en flexibiliteit kan het model een belangrijke rol spelen in het klimaatneutraal maken van elke stad die nabij een rivier is gelegen. Deze eerste casestudie toont aan dat residentiële gebouwen die zich bevinden tussen Leuven en Mechelen kunnen worden opgewarmd en gekoeld aan de hand van de Dijle zonder dat deze rivier schadelijke effecten ondervindt. Door de essentiële, natuurlijke energie in rivieren niet aan ons voorbij te laten stromen, kunnen we een stukje dichter bij een klimaatneutrale wereld komen.

 

Redacteur: Sophie Horsman

Referenties

[1] International Energy Agency, “Renewables 2019 Analysis and forecast to 2024” October, 2019, https://www.iea.org/reports/renewables-2019.

[2] International Energy Agency, “Heating” June, 2020, https://www.iea.org/reports/heating.

[3] Matti Kummu, Hans de Moel, Philip J. Ward, and Olli Varis, “How Close Do We Live to Water? A Global Analysis of Population Distance to Freshwater Bodies” Plos one, June 2011, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020578.

Afbeeldingen

Afbeelding 1: Baes & Denayer
Afbeelding 2: Baes & Denayer
Afbeelding 3: Baes & Denayer, Modeling and Impact Analysis of Heat extraction from Surface Water
Afbeelding 4: Baes & Denayer
Afbeelding 5: Baes & Denayer, Modeling and Impact Analysis of Heat extraction from Surface Water
Afbeelding 6: Baes & Denayer, Modeling and Impact Analysis of Heat extraction from Surface Water

Sebastian Baes en Jan Denayer

In 2020 studeerden Sebastian Baes en Jan Denayer af als industrieel ingenieurs in de Elektromechanica. De masterscriptie waarop dit artikel is gebaseerd werd bekroond met de Vlaamse Scriptieprijs van 2020. Na afronding van hun studie hebben zij de startup EXTRAQT opgericht. Hier zullen zij met Stijn de Jonge, docent aan KU Leuven, aquathermische strategieën ontwikkelen voor het verwarmen van gebouwen, steden en projecten en aquathermie op de kaart te zetten als volwaardige duurzame verwarmingstechniek.