Rekenmodel wijkenergiesysteem

Naast het meer traditioneel bouwen volgens de geldende bouwnormen zijn er Nederland diverse grote en kleine living labs en energieprojecten waarbij geëxperimenteerd of anders dan traditioneel duurzaam wordt gebouwd en andere energiebronnen en energie-uitwisseling in wijken wordt toegepast. Voorbeelden zijn Suikerzijde in Groningen met 5000 woningen en Brainport Smart District (BSD) met 2500 woningen in Helmond. In deze projecten gelden aanvullende eisen aan de woning en het energieverbruik. Een voorbeeld is een eis om minimaal 50 % van de lokaal opgewekte energie zelf te gebruiken dat veel meer is dan de huidige traditionele bouw haalt zoals BSD als voorwaarde aan de wijk stelt.

Sinds circa 2015 hebben universiteiten zoals in Eindhoven en Utrecht onderzoek gedaan naar wijksystemen en indexen (KPI's) opgesteld hoe een wijk omgaat met energie. Zo zijn er indexen gemaakt voor de mate van het zelf gebruiken van energie met de zogeheten "on-site energy matching", afgekort OEM index. En zijn er indexen die aangeven wat de kabel en leidingnetwerken aan moeten kunnen om de wijk van energie te voorzien. Een voorbeeld van een index voor kabel en leidingen is een index voor de energie piek, de zogeheten "one-procent peak power", afgekort OPP.

De onderzoeken die de universiteiten hebben uitgevoerd zijn op een aantal verschillende soorten wijken, op enkele verschillende soorten moderne woningen en die in de meeste gevallen worden verwarmd met een warmtepomp. Een rekenmodel voor wijkenergiesystemen is een rekenmodel die diverse wijken en woningen kan doorrekenen en meerdere soorten energiesystemen aan kan. Het rekenmodel is relevant voor living labs om daarmee te kunnen beoordelen of de bouwvoorstellen aan de aanvullende eisen voldoen.

Gemeenten zijn sinds 2020 begonnen met het uitwerken van de wijkplannen voor de energietransitie, de zogeheten transitie visie warmte (TVW). Ook voor deze plannen is een rekenmodel voor wijkenergiesystemen relevant om aan te tonen wat de impact is van de plannen voor de gekozen energieoplossing. In deze plannen gaat het dan vooral om de bestaande wijken in plaats van nieuwbouwwijken. Dit stelt aanvullende eisen aan het rekenmodel voor wijkenergiesystemen omdat deze gebouwen niet aan de huidige bouwnormen voldoen en en meer energie verbruiken. De volgende paragraven gaan in op de historie van woningen, gebruikte materialen en apparaten en specifieke eigenschappen voor rekenmodellen.

Een rekenmodel voor wijkenergiesystemen dient tevens rekening te houden met energie voor mobiliteit zoals voor laadpalen bij de woning en laadpunten in de wijk en de mate dat de wijk rekening wil of moet houden met slim laden.

Wonen en het energiegebruik om te wonen is in de afgelopen eeuwen sterk veranderd[bewerken]

Veel materialen om woningen te bouwen zijn duizenden of honderden jaren geleden uitgevonden en vervolgens geëvolueerd. De volgende paragraven geven een korte samenvatting en de verwevenheid. Voor het ontwerpen van woningen worden bouwkundige berekeningen gemaakt en getoetst. En dient er sinds 1995 een energieberekening te zijn van de woning, zoals de zogeheten EPC berekening.

Een nieuwe trend sinds ongeveer 2015 is om ook een berekening te maken van het wijkenergiesysteem. Hiervoor zijn indexen (KPI's) gedefinieerd om aan te geven hoe woningen met energie omgaan en hoeveel die gebruik maken van de (lokale) energienetten. Architecten, bouwbedrijven, living labs, gemeentes, woningbouwverenigingen en energiecoöperaties maken ongeveer sinds 2020 keuzes hoe de bestaande woningen aangepast of nieuw gebouwd moeten worden om te voldoen aan de eisen van de wetgeving die het doel van de energietransitie nastreeft met CO2 reductie en het aardgasloos maken van woningen.

Hoe de keuzes uitpakken hangt van vele factoren af. Om te berekenen of woningen voldoen zijn de rekenmethodes benoemd. En zijn er zoals voor de geldende BENG normen (sinds 2021) diverse software programma's die deze berekeningen kunnen uitvoeren.

Naast trends in bouwmaterialen is het energieverbruik van woning ook steeds aan het veranderen tot en met zelf energie opwekken. Na de grote uitrol van aardgasnetten na 1960, hadden de meeste woningen genoeg aan een CV ketel en een elektriciteitsaansluiting voor de energievraag in de woning. Maar sinds 1980 zijn er veel nieuwe producten om energie op te wekken zoals zonnepanelen en om energie om te zetten, terug te winnen en op te slaan. Daarnaast is er veel evolutie om witgoedapparaten energiezuiniger te maken, zo het ook moet vanuit de hogere eisen voor energieverbruik van de Nederlandse en Europese overheid.

Geschiedenis van isolatie van muren, daken en vloeren[bewerken]

Ooit sliepen we holen en hutten. En kwamen er hekken, deuren, spijlen en blinden (houten planken om de ramen af te dichten) en veranderde de buitengevel tot een stenen of houten niet damp- en tochtdichte gebouwen (Rc ~0.2). Rond 1600 is de spouwmuur uitgevonden en veranderde de bouw van losstaand naar rijtjeswoning. Sinds circa 1970 is er spouwmuurisolatie (Rc 1.35) en komt er steeds meer hoogbouw. Eerste eisen aan de isolatie worden gesteld met de zogeheten EPC norm in 1995 dat inmiddels is opgehoogd met de zogeheten BENG normen als minimale eis voor woningisolatie. Daarnaast zijn er in de markt ook hogere normen gangbaar zoals passief bouwen stelt waardoor er nagenoeg geen verwarmingsinstallatie en kosten voor verwarming en koeling zijn. Met de verhoging van de isolatie-eisen zijn er normen voor energie voor verwarmen gekomen zoals 50 kWh per jaar per m2 gebruiksoppervlak van de woning. Daarmee is vrij eenvoudig te bepalen voor een woning met een gebruiksoppervlakte van 60 m2 een jaarlijks energieverbruik van 50 kWh/m2 x 60 m2 = 3000 kWh/jaar voor verwarmen nodig is indien dit bijvoorbeeld met elektrische kachels gebeurt. Dit is een factor drie lager (1000 KWh/jaar) als de warmte wordt geleverd door een warmtepomp die een SCOP van 3 heeft.

Geschiedenis en isolatiekwaliteit van glas voor woningen[bewerken]

Glas is in de geschiedenis terug te vinden in de woning als enkel glas sinds 100 AD al hoewel glas circa 5000 jaar eerder is uitgevonden. Eerste vermeldingen van glas in lood zijn er vanaf circa 1100 AD. Van recentere datum is er dubbel glas (na 1930). En zijn er de laatste tientallen jaren doorontwikkelingen zoals vacuümglas (Ug ~ 0.1), triple glas (Ug 0.5 .. 0.8), 4 dubbel glas (Ug ~0.2) en zijn er ontwikkelingen tot en met 10 laags meerlaags glas (Ug ~0.1).

Glas kan niet los gezien worden van het kozijn. Kozijnen waren er vooral van staal en hout. En de laatste tientallen jaren steeds meer van kunststof. In verhouding kost glas en de montage ervan minder dan het kozijn en de montage van het kozijn.

Geschiedenis van koelen, verwarmen, witgoed en luchtverversing[bewerken]

Koelen, verwarmen, witgoed en luchtverversing zijn zeer verweven geraakt in de woning anno 2020. Deze paragraaf is een korte tijdreis en duid een aantal eigenschappen. De Romeinen hadden meer dan 2000 jaar geleden een vloerverwarmingssysteem uitgevonden met de zogeheten hypocaust voor het verwarmen van woningen. Sinds ongeveer 1600 komt de open haard met kachelpijp in de woning in plaats van een open vuur en rook in de woning. De openhaard is in de meeste woningen vervangen door een CV installatie en ook deze wijziging veranderd vele jaren later na de uitvinding van de verdamper. De verdamper wordt omstreeks 1850 uitgevonden en is de basis van de koelkast en brengt vervolgens de eerste airco's in gebouwen sinds ongeveer 1924. Nagenoeg zo oud is de uitvinding van de vaatwasser van omstreeks 1850 die inmiddels flink energiezuiniger is geworden met een hotfill aansluiting (warmwater aansluiting) en warmteopslag/terugwinning met TCM zouten zoals met zoeliet. De koeltechniek van de koelkast is nu een veel toegepaste verwarmingsoplossing door de koelkast 'binnenste buiten' te keren tot een warmtepomp. De koelmiddelen in de warmtepomp zijn in staat om water tot circa 55 C te verwarmen. En leveren bij een temperatuur van ongeveer 30C warmte af met vloerverwarming. Naast de warmtepomp die 55 C warmte levert is een elektrische verwarming nodig om warmtapwater wekelijks tot circa 60 .. 65 C op te warmen opdat er geen legionella in de waterleidingen ontstaat. Sinds ongeveer 2020 zijn er diverse warmtepompen voor woningen die hogere temperaturen afgeven en bij lagere buitentemperaturen kunnen werken waardoor er geen CV installatie en aardgas nodig is. Deze warmtepompen hebben een ander intern koelmiddel zoals propaan (koudemiddel R290) of kooldioxide (koudemiddel R744). Daarnaast zijn er combinaties van de warmtepomp met het ventilatiesysteem waarbij de warmtepomp warmte onttrekt uit lucht die de woning uit gaat. Een ventilatiesysteem is in de tegenwoordige woning noodzakelijk als de woning goed geïsoleerd is en daarvoor dampdicht en kierdicht is gemaakt. Een (WTW) ventilatiesysteem met een verwarmingselement of douchewater met warmteterugwinning (WTW) kan gecombineerd worden als een verwarmingselement die de lucht voorverwarmd die de woning in komt. En er zijn meer oplossingen in de maak zoals een verliesvrije (red. qua opslag) de warmtapwater boiler met TCM zouten zoals kalium carbonaat.

De trend achter de hier beschreven evoluties is de grote verandering die de verdamper heeft gebracht en de slimmigheden in opslag met zouten waarvoor nieuwe apparaten ontwikkeld worden. Deze hebben een grote invloed op de hoogte en duur van de energiestromen in de wijk.

Actuele wijkoplossingen[bewerken]

Voor wijken zijn meerdere energie-oplossingen mogelijk om aan de energievraag te voldoen. De volgende tabel toont de diversiteit die momenteel in Nederland mogelijk is. En geeft een indicatie hoe deze scoren op de indexen OEF, OEM en OPP indien de energieoplossing wordt toegepast voor een wijk. Een rekenmodel kan bijvoorbeeld voor een wijk met 200 woningen elk 60 m2 groot en met een elektriciteitsverbruik voor apparaten van 2500 kWh per jaar en voor verwarmen van 50 kWh/m2 vloeroppervlak uitrekenen hoeveel kabels en leidingen nodig zijn.

Energiebronnen toepasbaar in Nederland
energiebron	landelijke beschik-baarheid	mogelijke complicatie	zonder lokale opslag				met lokale opslag
energiebron	landelijke beschik-baarheid	mogelijke complicatie	OEF	OEM	OPP warmte	OPP elektriciteitsnet	OEF	OEM	OPP warmte	OPP elektriciteitsnet	soort opslag
Aardwarmte (70C)	laag	stabiele aardlagen	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	goed	thuisbatterij
Restwarmte uit afvalstromen	laag	circulariteits-verbetering 'afval'	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	goed	thuisbatterij
Bodemwarmte (~30..50C)	laag	levensduur	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	goed	thuisbatterij
Restwarmte uit bedrijfsprocessen	laag	levensduur	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	goed	thuisbatterij
Aquathermie bodemwarmte (5de generatie warmtenet (max. 18C)	hoog	-	goed	goed	slecht	slecht	goed	goed	laag	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Zonnepanelen	hoog	schaarse materialen	laag	laag	-	slecht	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Windenergie lokaal opgewekt	hoog	verrommeling	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Waterstof uit windenergie op zee	hoog	competitie met bedrijven	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	goed	thuisbatterij
Pellet- of houtkachel	hoog	fijnstof, grondstof	goed	goed	-	gemiddeld	goed	goed	-	goed	thuisbatterij
Biogas	laag	fijnstof, grondstof	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	goed	goed	gemiddeld	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Kernenergie	laag	doorlooptijd	laag	laag	-	slecht	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Waterkracht	laag	-	laag	laag	-	slecht	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Golfenergie	laag	-	laag	laag	-	slecht	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij
Blue energy (zoet/zout water)	laag	-	laag	laag	-	slecht	gemiddeld	gemiddeld	-	gemiddeld	tapwater boiler, CV boiler, thuisbatterij

toelichting: OEF geeft aan hoeveel van de lokaal opgewekte of aanwezige energie zelf gebruikt is. De OEM geeft aan hoeveel van de gebruikte energie zelf opgewekt is. De OPP geeft aan of lichte of zware kabels en leidingen nodig zijn.

Basiselementen voor een rekenmodel voor all-electric wijken[bewerken]

Een rekenmodel voor wijken maakt de energiestromen van de wijk inzichtelijk. Dit geeft inzicht in wat voor soort en hoeveel kabels en leidingen nodig zijn. Wanneer in het jaar de wijk zelf de energie opwekt en hoeveel en hoelang de wijk afhankelijk is als de wijk niet genoeg energie opwekt of nog beschikbaar heeft. Rekenmodellen zijn meer relevant als een wijk het doel heeft om redelijk veel zelf op te wekken en zelf te gebruiken. Rekenmodellen zijn minder relevant als bestaande elektriciteits- en aardgasnetten toereikend indien wijken ook andere gassen aankunnen zoals waterstof en daarmee er weinig wijziging is voor de soort en hoeveelheid kabels en leidingen.

De tijdsbasis waarop de berekeningen worden uitgevoerd bepaald wat er met de uitkomsten gedaan kan worden. Een rekenmodel op kwartierbasis kan inzicht geven in de pieken die de energienetten aan dienen te kunnen. Een rekenmodel op jaarbasis is daarvoor niet geschikt.

Lijst van gegevens[bewerken]

Om een berekening te kunnen maken zijn een groot aantal gegevens nodig. Hieronder een opsomming om een rekenmodel te kunnen maken voor een all-electric wijk.

zoninstraling, windsnelheid en buitentemperatuur (beschikbaar op uurbasis zoals bij KNMI¹⁾)
elektriciteitsverbruik³⁾ van huishoudens en bedrijven (beschikbaar op kwartierbasis zoals bij Nedu²⁾)
warmteverbruik van woningen en bedrijven zoals aardgasverbruik per jaar, het benodigde energieverbruik uitgedrukt in kWh per m2 gebruiksoppervlak van een woning of de bouwnorm in kWh per m2. En verschil maken per woningtype.
hoeveelheid zonnepanelen op daken, aan gevels en locaties en andere lokale opwek in of nabij de wijk die tot de wijk behoort en is aangesloten op de wijk
hoeveelheid lokale windopwek en de eigenschappen van de windopwek
hoeveelheid elektrisch vervoer. Het aantal laadpalen bij woningen, bedrijven en laadpleinen en het verwachte laadprofiel
soort en eigenschappen van de verwarmingsapparaten zoals warmtepomp (vermogen, COP, overschakelen temperatuur indien hybride) en infrarood-verwarming
mate van aardgasloos maken (volledig, hybride, deels)
hoeveelheid en eigenschappen van opslag, zoals tapwater boiler, boiler op CV installatie, thuisaccu, wijkbatterij
formules voor indexen bijvoorbeeld OEM, OEF en OPP.

Wijze van berekenen met de basiselementen:[bewerken]

Met de gegevens kan op de volgende wijze een berekening gemaakt worden:

bepaal welk jaar representatief is, bijvoorbeeld 1979 of 1996 als kouder jaar. Of 1987 of 1997 als jaar met een periode minder opwek (dunkelflaute). Of juist een jaar met een zeer warme zomer.
deel de opbrengst van een zonnepaneel van een jaar in kWh door de hoeveelheid zon-instraling in J/cm2 om zo de verhouding te bepalen voor zoninstraling en opbrengst voor andere jaren
deel de opbrengst in kWh van een (soortgelijke) windmolen (in een soort gelijke windregio) door het totaal van het kwadraat van de windsnelheid per uur
selecteer een jaar met KNMI gegevens en selecteer het (Nedu) verbruiksprofiel voor de woningen en bedrijven
bepaal wat de warmtevraag is per uur en bepaal wat de opwek is met de zon-instraling en windsnelheid per kwartier
bepaal hoeveel het energieverbruik is voor de bepaalde warmtevraag per kwartier
bepaal met de verschil tussen tussen opwek en belasting wat de OEM en OEF is per kwartier
sorteer het energieverbruik per kwartier van hoog naar laag en bepaal de gemiddelde waarde van de hoogste 1 % waarden voor de bepaling van de OPP

Aanvullende elementen voor wijken met een warmtenet[bewerken]

Naast all-electric zijn er vele andere type energie-oplossingen voor wijken zoals met een warmtenet. De volgende gegevens zijn nodig om een rekenmodel op kwartierbasis uit te bouwen.

eigenschappen van warmtenet zoals aanvoer- en retourtemperatuur
hoeveelheid restwarmte en aanvoer- en retourtemperatuur
hoeveelheid lokale opslag, volume, hoeveelheid en warmte-inhoud
eigenschappen van de isolatie van leidingen en opslag
eigenschappen van de warmtebron: aardwarmte, proceswarmte, warmtepompen (e-boilers)

Externe links naar uur en kwartier data[bewerken]

¹⁾ KNMI uurgegevens

²⁾ Nedu, _{Profielen van energieverbruik worden na 2016 steeds meer beïnvloed door lokale opwek, warmtepompen en andere apparaten voor de energietransistie. De meest recente dataset zonder deze apparaten is van 2016.}