debilt.allesduurzaam.nl

Energie en exergie, wat heet kwaliteit?

 

Exergie, wat is dat?!

Hoe kunnen we de restwarmte van elektriciteitscentrales nuttig gebruiken? Deze (aanbodgerichte) vraag is bijna honderd jaar lang de leidraad geweest bij het ontwikkelen van stadsverwarmingsnetten. Inmiddels is mij duidelijk dat deze vraag maar een deel van de puzzel behelst.

Een belangrijkere, achterliggende vraag is: hoe sluit je vraag en aanbod van energie op elkaar aan? Wat zijn randvoorwaarden? Hoe moet ons energiestelsel er dan uit gaan zien? (En hoe passen elektriciteitscentrales daar in?)

Exergie

Op 11 juni had ik de eer om als paranimf bij de promotie van Leo Gommans te mogen optreden. Zijn interessante proefschrift, ‘Gebiedsgerichte energetische systeemoptimalisatie’ (juni 2012, TU Delft) geeft mij veel nieuwe inzichten. Hij onderzoekt in zijn proefschrift de mogelijkheden voor een duurzame regionale energietransitie. Hierbij legt hij veel nadruk op exergie: de kwaliteit van de energie. De eerste hoofdwet van de thermodynamica zegt dan wel dat energie nooit verloren gaat, maar de tweede hoofdwet nuanceert dit meteen. De energie is niet verloren, doch verandert van vorm en kan niet opnieuw voor hetzelfde doel worden gebruikt. De tweede hoofdwet luidt dat daarbij kwaliteit verloren is gegaan (exergie). Wanneer wij spreken over energieverlies, bedoelen we eigenlijk verlies aan kwaliteit, dus exergieverlies.

Transport, opslag en conversie

Warmte is een laagwaardige vorm van energie, dus energie met een lage exergie. Bij grote transportafstanden heeft warmte relatief veel verliezen. Elektriciteit heeft een hogere exergie (je kunt er meer arbeid uit halen). Daarnaast kun je het goed transporteren over grotere afstanden zonder veel energieverlies. Opslag van elektriciteit is (in Nederland) wel moeilijk. Fossiele bronnen als aardgas hebben de hoogste exergie. Ook kun je het zonder veel verliezen opslaan en transporteren. Bovendien kun je het ook goed converteren in andere energiesoorten als elektriciteit en warmte. Volgens Leo Gommans zijn de drie bepalende factoren van een energiesysteem de mogelijkheid tot transporteren, opslaan en converteren. Zo bekeken ziet de energiewereld er ineens heel anders uit.

Fluctuaties

We hebben alle vormen van duurzame energieproductie nodig, zegt ook Gommans. Hij maakt in zijn proefschrift duidelijk wat de mogelijkheden en randvoorwaarden zijn van elke energietechniek. Elektriciteit uit wind en zon zijn op dit moment nog geen volledig alternatief voor fossiele energie. Het zijn pas reële alternatieven als de elektriciteit kan worden opgeslagen om de fluctuatie van zon en wind te compenseren. En opslag is niet zo makkelijk in het platte Nederland.
Op dit moment worden fluctuaties opgevangen met gascentrales en import van elektriciteit. Steenkool- en kerncentrales zijn niet flexibel in te zetten omdat ze zeer slecht kunnen moduleren. In dit licht bezien kun je op zijn minst vraagtekens zetten bij de bouw van nieuwe steenkool- en kerncentrales in Nederland. Het zou beter zijn om de export van gas te beperken en elektriciteitscentrales op gas te bouwen, volgens Gommans. Op termijn kan aardgas vervangen worden door bijvoorbeeld gezuiverd biogas.

Tips

Ook op regionaal en gebouwniveau geeft Gommans praktische richtlijnen om te komen tot een optimale energievoorziening. Ik noem er vijf.

  • Het aanbod van elektriciteit uit zon of wind moet qua tijdstip zoveel mogelijk overeenkomen met de vraag. De combinatie van PV-cellen die vooral in de zomer veel elektriciteit leveren en elektrische warmtepompen voor verwarming in de winter heeft daarom niet de voorkeur.
  • Het dichtvertakte gasnet in Nederland is een kans. Benut dit in de toekomst voor biogas.
  • Warmte en koude lenen zich minder goed om over grote afstanden te transporteren, maar zijn wel goed op te slaan. Breng vraag en aanbod qua locatie zoveel mogelijk bij elkaar en realiseer gebouw- en seizoensopslag van warmte en koude.
  • Voor stedelijke gebieden zijn thermische netwerken rond regionale warmteleveranciers interessant. Maak daar cascades van, van hoge temperatuur- naar lage temperatuurvragers om de exergie zoveel mogelijk te benutten en zo energie te besparen (door beperking van pomp en transmissieverliezen tijdens transport).
  • Ontwerp gebouwen met hoge temperatuurkoeling en lage temperatuurverwarming, dus met lage exergie, zodat laag-exergetische energie gebruikt kan worden en niet als restenergie wordt geloosd.

Op punten is Gommans’ onderzoek nog theoretisch. Kosten zijn niet meegenomen. De wensen van de eindgebruiker komen in het proefschrift nauwelijks voor. De uitdaging wordt om in praktijkvoorbeelden vraag en aanbod bij elkaar te brengen. In twee casestudies heeft Gommans hier al aanzetten voor gedaan.

Door zijn proefschrift is mij duidelijk geworden dat ‘all electric’ wijken niet de oplossing zijn. Ik voorzie een toekomst waarin per gebied een optimale mix van energie wordt gemaakt, met smart grids voor elektriciteit en wellicht ook biogas als landelijke dragers. Dit onderzoek biedt perspectief op de weg naar duurzame regionale energievoorziening. Het is aan ons, praktijkprofessionals, om er praktische invulling aan te geven.

Bestellen

  • Papieren exemplaar bestellen via mail; 49 Euro ISBN 978-90-5269-406-1.
  • Gratis downloaden en zoek op ‘systeemoptimalisatie’. Tevens samenvatting in Nederlands en Engels aanwezig.