PV levert elektriciteit, maar ook warm water

Laboratorium
PV - Hoog Temperatuur Opslag - Warmtepomp
PV levert elektriciteit,
maar ook warm water
Met een besparing van 70 tot 80 % op het energieverbruik van koeling en verwarming en een
verminderde uitstoot aan CO2 van 65 % ten opzichte van vergelijkbare gebouwen behoort het
onlangs officieel opgeleverde NIOO-KNAW gebouw in Wageningen tot een van de meest duurzame
utiliteitsgebouwen van ons land. Een impressie van de verschillende toegepaste technieken.
Tekst Rijkert Knoppers
Binnenkort komt er tweehonderd vierkante meter
aan fotovoltaïsche zonnepanelen (PV) op het dak
van het nieuwe gebouw van het Nederlands Instituut
voor Ecologie (NIOO) op de campus van de Wageningen Universiteit te liggen. Ogenschijnlijk een niet
heel erg bijzondere aangelegenheid, er liggen onder
meer al PV-folies op het dak, goed voor een jaarlijkse
opbrengst van 2.000 kWh aan elektriciteit, terwijl
ook het oppervlak aan zonnepanelen niet erg indrukwekkend is, op het Amsterdamse Muziektheater is
immers begin dit jaar een installatie van 1.000 vierkante meter PV-panelen in gebruik genomen, en het
nieuwe NS Centraal Station van Rotterdam krijgt op
afzienbare termijn maar liefst 10.000 vierkante meter
aan zonnepanelen.
Niet de omvang van het aantal zonnepanelen is dus
opmerkelijk, maar wel het feit dat het om een volkomen nieuw concept van Nederlandse makelij gaat.
Het zogeheten SunCycle systeem is een PV-paneel,
dat bestaat uit een serie van twee ronddraaiende
schijven. De bovenste schijf bevat fresnellenzen,
lenzen die ook bij vuurtorens zijn toegepast, die het
zonlicht constant onder een bepaalde hoek op de
onderste schijf richten. De onderste schijf heeft twee
“Voor het eerst in Nederland
is er een Hoge Temperatuur
Opslag gerealiseerd”
parabolisch gevormde spiegelende oppervlakken van
elk 1.000 vierkante centimeter, die het zonlicht met
een factor 750 op twee brandpunten concentreren. In
elk brandpunt van de onderste schijf bevindt zich een
kleine zonnecel van slechts 1 vierkante centimeter,
gemaakt van drie laagjes halfgeleidermateriaal van
galliumarsenide (GaAs). Dankzij een koelsysteem
blijft de temperatuur van de zonnecel beneden 60 tot
80 graden Celsius. Voor de aandrijving van de twee
schijven zorgen kleine elektrische stappenmotoren.
De dikte van de totale module bedraagt ongeveer 15
centimeter, daarmee is deze installatie heel goed in te
passen in een dakconstructie. ‘De oplevering van de
installatie voor het NIOO dak is uitgesteld, we beginnen nu per 1 november met de voorbereiding,’ vertelt
Peter Penning, die in samen met Roy Bijl in 2005 Suncycle oprichtte, ‘we hebben enige vertraging gehad bij
het produceerbaar maken van de onderdelen.’
Onderhoud hoeft volgens gegevens van SunCycle
geen probleem te vormen, net zomin trouwens als
bij traditionele zonnepanelen. De verwachting is dat
eventuele vervuiling na enkele regenbuien vanzelf
van het oppervlak afstroomt vanwege de draaiing
van de schijven. Het rendement van de zonnepanelen ligt ongeveer op 20 procent, en dat is hoger dan
wat traditionele zonnepanelen te bieden hebben. De
opbrengst van de installatie bij NIOO, die een piekvermogen heeft van 40 MW, ligt ongeveer 60 procent
Het SunCycle pvsysteem bestaat
uit ronddraaiende
schijven. De bovenste
schijf bevat fresnellenzen, die het zonlicht
constant onder een
bepaalde hoek op de
onderste schijf richten.
De onderste schijf
heeft twee parabolisch
gevormde spiegelende
oppervlakken.
66
Installatie XL
December 2012
Laboratorium
hoger dan bij een PV-systeem van kristallijn silicium
zonnepanelen.
Bijzonder is ook, dat de installatie niet alleen elektriciteit gaat leveren maar ook warm water. Penning: ‘Het
systeem heeft koeling nodig, wat we bereiken door
een gesloten koelsysteem. Het opgewarmde koelwater laten we door een boiler stromen, die vervolgens
warm water voor bijvoorbeeld de tapwatervoorziening
kan leveren.’
dat opgeslagen warmte zonder tussenkomst van een
warmtepomp in de winterperiode te gebruiken is.’ Het
benodigde warme water komt vanuit restwarmte van
het gebouw en vanuit 116 zonnecollectoren met een
totaal oppervlak van 478 m2, die bij de meest optimale
zonneschijn water van ongeveer 70 graden Celsius
produceren. Een mengregeling brengt de temperatuur terug tot maximaal 50 graden waarna het water
in de HTO-bron terecht komt.
Voordat het licht op groen stond voor dit project vond
er eerst uitvoerig overleg plaats met de provincie
Gelderland over de relatief hoge temperatuur van het
opgeslagen warme water. ‘Het huidige beleid is dat
opslag in de bodem alleen is toegestaan met water
van maximaal 25 graden,’ aldus Huisman, ‘Hogere
opslagtemperaturen vallen niet onder het beleid van
de provincie. Door IF is onderzocht wat de (thermische) effecten zijn bij hogere opslagtemperaturen. Dit
Stroom uit planten
Op de bijgebouwen van het NIOO-gebouw is er ook
een andere grensverleggende techniek met zonneenergie toegepast, die wat minder in het oog zal
springen. Het gaat hierbij om een proefopstelling
van een zogenaamde microbiële brandstofcel. Deze
techniek maakt gebruik van het feit dat tijdens het
groeien van planten bij de wortels organische verbindingen vrijkomen. In de buurt van de wortels groeien
bacteriën die deze organische verbindingen afbreken.
“Een normaal toilet
verbruikt per keer 6
tot 9 liter water, deze
vacuümtoiletten volstaan
met 0,5 tot 1 liter”
Voor het eerst in Nederland is er een Hoge Temperatuur Opslag (HTO) gerealiseerd. Het systeem lijkt op een gangbare wko-installatie
((warmte/koude opslag), maar bij deze HTO vindt de opslag van heet water op ongeveer 300-350 meter diepte plaats met een hogere
opslagtemperatuur.
Hierbij ontstaan elektronen. Een microbiële brandstofcel kan deze elektronen gebruiken om elektriciteit
te produceren, zonder daarbij de plant in de groei hinder ondervindt. Volgens een van de initiatiefnemers,
ir. Marjolein Hemel van Plant-e B.V., is de installatie nu
een jaar in werking, het is nog niet bekend wanneer de
eerste productiecijfers beschikbaar komen. Plant-e
B.V. is in 2009 ontstaat als spin-off van Wageningen
Universiteit, afgelopen maart kreeg het bedrijf een
Pre-Seed Grant van een kwart miljoen euro om de
techniek verder te ontwikkelen.
Koude en warmte
Ook de aanpak van de levering van warmte bij het
NIOO is bijzonder te noemen. Voor het eerst in
Nederland is er een Hoge Temperatuur Opslag (HTO)
gerealiseerd. Het systeem lijkt op een gangbare wko
(warmte/koude opslag) installatie, maar bij deze
HTO vindt de opslag van heet water op ongeveer 300
-350 meter diepte plaats met een hogere opslagtemperatuur. De wijze van energieopslag, ontwikkeld
door ingenieursbureau DWA en ingenieursbureau
IF-Technology, zou tot een energiebesparing op het
gebied van warmte van 70 tot 80 procent leiden. ‘Een
traditionele wko-installatie slaat water van maximaal 20 tot 25 graden in de bodem op,’ vertelt Arie
Huisman, manager installatie-advies van DWA, ‘als
je dit water in de wintersituatie wilt inzetten voor de
ruimteverwarming is er een warmtepomp benodigd
om het water naar een bruikbaar niveau (35-45°C) op
te krikken. Het is veel efficiënter om ervoor te zorgen
Vacuümtoiletten worden vaker toegepast, maar NIOO wil een stap verder gaan door uit de fecaliën grondstoffen en voedingsstoffen te
halen. Tijdens het vergisten komt biogas vrij, dat te gebruiken is als brandstof. Het resterende afvalwater kan voor verdere zuivering
naar een helofytenveld. Op deze manier is aansluiting op de riolering in principe niet noodzakelijk.
Installatie XL
December 2012
67
LABORATORIUM
is door middel van simulatieberekeningen inzichtelijk
gemaakt. De resultaten van het onderzoek zijn hebben ertoe geleid dat de provincie toestemming gaf
voor de pilot. Er is in dit project bewust gekozen voor
een opslagtemperatuur van 50°C. Bij deze temperatuur behoeft er nog geen waterbehandeling plaats te
vinden van het grondwater, terwijl bij deze temperatuur ook de zonnecollectoren maximaal te gebruiken
zijn.’
Na de aanleg van de HTO-installatie kwam er een
tegenvaller aan het licht toen bleek dat het geleverde
debiet maar de helft was van het ontwerpdebiet, dat
gesteld was op 45 kubieke meter per uur. De waarschijnlijke oorzaak van dit teleurstellende resultaat
is dat de bodem op 300 meter diepte minder poreus
was dan uit de tijdens het boren genomen monsters
verwacht was. Toch komt hierdoor de opbrengsten
aan warm water niet onmiddellijk in gevaar, doordat
bij de boring van de put een zekere overcapaciteit in
acht was genomen, zal het debiet naar verwachting
toch voldoende blijken om te voldoen aan de warmtevraag.
Naast deze HTO is het gebouw ook uitgerust met een
gewone wko die voornamelijk voorziet in de koudelevering, beide installaties zullen waarschijnlijk op termijn, zodra de bronnen optimaal werken, voldoende
warmte en koude leveren voor de totale behoefte van
het gebouw. ‘De gewone wko in combinatie met een
warmtepomp dient als aanvulling op de HTO, en zal
ongeveer de helft van de warmtevraag gaan leveren.’
vertelt Jeroen van Schaijk, projectleider van Burgers
Ergon, het bedrijf dat verantwoordelijk was voor de
uitvoering van alle werktuigkundige installaties, ‘bij
deze installatie is overigens wel een warmtepomp
toegepast, om de volledige winterperiode te kunnen voorzien in de warmtelevering. In de eerste
jaren moet het laden van de HTO ook nog plaats
vinden, tijdens deze periode zal de warmtepomp ook
meer draaiuren hebben. Daarnaast functioneert de
warmtepomp ook voor het injecteren van koude in de
bodem ten behoeve van de koeling in de zomerperiode.’
Cradle-to-cradle
Het nieuwe laboratorium in Wageningen is zoveel
mogelijk volgens de cradle-to-cradle filosofie ontworpen. Dat betekent dat niet alleen het minimaliseren
van de milieubelasting voorop staat, het uitgangspunt
gaat een stap verder door als doelstelling te hanteren dat gebouw een positieve bijdrage moet leveren
aan de omgeving. Een voorbeeld hiervan betreft de
vacuümtoiletten. ‘Deze toiletten zijn in principe al
eerder binnen de gebouwde omgeving toegepast,’
verduidelijkt Van Schaijk, ‘nieuw is dat NIOO ook op
dit gebied net een stap verder wil gaan, door uit de
fecaliën grondstoffen en voedingsstoffen te halen. Om
dit mogelijk te maken moet je ervoor zorgen dat de
fecaliën zo min mogelijk verdund raken, wat je bereikt
door zo min mogelijk spoelwater toe te passen. Een
normaal toilet verbruikt bij het doorspoelen per keer
6 tot 9 liter water, deze vacuümtoiletten volstaan
met 0,5 tot 1 liter.’ Het zwarte afvalwater stroomt
vervolgens naar een vergister, tijdens het vergisten
68
Installatie XL
December 2012
komt biogas vrij, dat te gebruiken is als brandstof. De
overgebleven vloeistof gaat naar een reactor, waar
algen de voedingsstoffen uit het afvalwater opnemen.
Wanneer dit proces goed blijkt te verlopen, kan het
resterende afvalwater voor een verdere zuivering naar
een helofytenveld, voordat het in de bodem verdwijnt.
Op deze manier is aansluiting op de riolering in principe niet noodzakelijk. NIOO heeft op grond van de
wettelijke eisen wel een aansluiting moeten realiseren, maar er is wel een afspraak met het waterschap
gemaakt over de mogelijkheid om de rioolaansluiting
op termijn af te koppelen, zodra is bewezen dat het
zuiveren van het zwarte afvalwater met de algen en
het helofytenveld op een veilige en gezonde manier
kan plaatsvinden.
Dat het cradle-to-cradle principe ook op kleine schaal
inspirerend werkt blijkt uit de keuze voor het isolatiemateriaal rond de luchtkanalen van de airconditioning. ‘We hebben hiervoor gedeeltelijk schapenwol
gebruikt, echt een unicum, ik ben dat nog nooit
ergens tegen gekomen,’ vertelt Van Schaijk, ‘onze
leverancier van isolatiematerialen voelde zich aangesproken door de filosofie achter het NIOO-gebouw en
kwam met het voorstel om schapenwol als isolatiemateriaal toe te passen. Kwalitatief is dat materiaal goed
bruikbaar, alleen de montage stelde wat bijzondere
eisen. In het algemeen zie je alle partijen die bij dit
project betrokken waren, erg geïnspireerd zijn door
het streven zo duurzaam mogelijk te bouwen.’ n
http://www.nioo.knaw.nl/gebouw
NIOO-KNAW gebouw in Wageningen
Meest betrokken bouwpartijen
Architect: Claus en Kaan Architecten
Adviseur E+W: DWA
Adviseur bouwfysica: DGMR
Adviseur constructies: ARUP
Adviseur bodemenergie: If technology
B-aannemer: Bouwbedrijf Berghege
W-installateur: Burgers Ergon
E-installateur: Imtech
Duurzame kassenbouw: Lek Habo Groep