De kademuur als energiefabriek

F.K. de Jong1, V. Leclercq2, J.P. de Vries3, 4T.J. Scharff

1 sr. geotechnisch adviseur, 2 jr. geotechnisch adviseur, 3 jr. geotechnisch adviseur, CRUX Engineering BV, Amsterdam.

4 student, TU/e Energy Technology, Eindhoven.

ABSTRACT

Nederland heeft zich verbonden aan het klimaatverdrag van Parijs en staat daarmee voor de grote opgave om binnen korte tijd over te stappen op meer duurzame bronnen van energie. Daarnaast zijn veel van de kademuren in onze historische binnensteden aan vervanging toe. Door beide uitdagingen met elkaar te combineren in een kademuur als energiefabriek kan de transitie naar duurzame bronnen significant versneld worden.

Omdat Nederland rijk is aan waterwegen en een relatief hoge grondwaterstand kent, is de potentie van aquathermie enorm. Dit gecombineerd met een grote voorliefde voor stalen damwanden als kadeconstructie -Nederland kent wereldwijd de meeste damwanden per vierkante km-, maakt dat de toepassing van zogenaamde Energiedamwanden een uitermate geschikte bron is voor duurzame energie.

Inpassing van deze techniek bij de toch al noodzakelijke vervanging van kademuren maakt de ontsluiting van aquathermie mogelijk in de complexe omgeving van onze historische binnensteden. Het systeem wordt momenteel uitgebreid beproefd bij een full-scale pilotopstelling nabij Delft.

KERNWOORDEN: Aquathermie, damwand, energietransitie, kademuren, duurzaam

Introductie

 De transitie in Nederland naar duurzame warmte- en koude energie is in volle gang. Ook binnen de Geotechniek wordt hard gezocht naar innovatieve technologieën die hieraan bij kunnen dragen. Een van de mogelijke richtingen waar internationaal al veel ontwikkeling in plaatsvindt betreft het thermisch activeren van ondergrondse constructies, denk o.a. aan de activatie van palen, tunnels en diepwanden. Bekende voorbeelden hiervan die inmiddels ook (sporadisch) in Nederland worden toegepast zijn energiepalen waarbij betonnen funderingspalen een extra functie vervullen als onderdeel van een gesloten bodemenergiesysteem. Deze technieken gaan vooral uit van de opslag en onttrekking van thermische energie uit de (ondiepe) ondergrond maar laten de thermische potentie van open water grotendeels onbenut. Een innovatieve technologie die hier wel gebruik van maakt is de Energiedamwand. Met dit systeem worden stalen damwanden een extra functie gegeven als warmtewisselaar voor het onttrekken van thermische energie aan oppervlaktewater (aquathermie) en de ondiepe ondergrond.

Waterwegen vormen een groot gedeelte van ons Nederlandse landschap. Kademuren en damwanden zijn hierbij een vaak gebruikte oeverbescherming. In Amsterdam alleen al bevindt zich circa 600 km aan kadeconstructies, waarvan 200 km in de komende jaren gerenoveerd moet worden. Nederland heeft daarnaast een grote voorliefde voor het toepassen van stalen damwanden voor dit type constructies en kent zelfs de hoogste dichtheid in toepassing van stalen damwanden ter wereld. Door deze stalen damwanden een extra functie te geven als warmtewisselaar, kan energie uit het water en de bodem worden onttrokken en gebruikt worden om huizen en gebouwen te verwarmen of zelfs te koelen.

Figuur 1 thermisch geactiveerde damwand.

Aquathermie heeft daarbij de potentie om één van de belangrijke toekomstige warmtebronnen voor ons waterrijke Nederland te worden. Deltares en CE Delft, 2018, hebben het toekomstig economisch winbare potentieel geschat op circa 150 Petajoule wat overeenkomt met ruim 40% van de totale warmtevraag in de stedelijke omgeving.

CRUX Engineering heeft in nauwe samenwerking met Gooimeer, Groep Duurzame Energie, de Technische Universiteit Delft en de Technische Universiteit Eindhoven een proef met een Energiedamwand op ware grootte opgezet in De Zweth (een buurtschap nabij Delft). De Energiedamwand wordt daar gedurende een periode van twee jaar uitvoerig getest om de theoretische analyses te valideren.

Werking Energiedamwand

De Energiedamwand is een gepatenteerd systeem van SPS Energy in Duitsland. Gooimeer is de licentiehouder van dit patent in de Benelux, waarbij activeringslussen direct aan een damwand worden bevestigd (Figuur 1). De damwand kan zo over elke hoogte thermisch geactiveerd worden. Door deze activeringslussen wordt een vloeistof gepompt die samen met de damwand als warmtewisselaar fungeert. De vloeistof in deze activatielussen onttrekt daarbij warmte aan zowel het oppervlaktewater als het grondwater (Figuur 2). Dit is een gesloten systeem zodat er geen water aan het kanaal onttrokken wordt maar alleen thermische energie. Omdat het water in kanalen altijd licht in beweging is, wordt een zeer efficiënte warmteoverdracht bereikt. Door deze stroming is de thermische gradiënt met de warmtewisselaar relatief hoog, dat leidt tot een zeer hoge warmteoverdracht tussen het water en de activatie lus. Recente laboratorium studies (Ziegler et al, 2019) komen daarbij tot rendementen van 200-400 W per meter geactiveerde damwand. Ter vergelijking: dit is 5 tot 10 keer hoger dan wordt bereikt met andere thermisch geactiveerde geotechnische systemen die alleen uitgaan van warmte-onttrekking aan de ondiepe ondergrond.

De onttrokken energie wordt vervolgens met een warmtepomp op een hogere temperatuur gebracht (doorgaans ca. 35°C-40°C), voor direct gebruik bij de verwarming van gebouwen. De gewonnen thermische energie kan echter ook worden opgeslagen in een WKO-installatie voor de langere termijn of met behulp van Phase Change Materials in een warmtebatterij voor gebruik bij piekbelastingen op korte termijn.

Figuur 2. Impressie van een Energiedamwand in een kadeconstructie die fungeert als warmtebron voor de nabijgelegen woning (Gooimeer 2021).

Door het systeem in de zomermaanden om te draaien kan ook in de koeling van gebouwen worden voorzien. Op deze manier wordt een groot deel zowel de warmte-, als koeltevraag van een gebouw op duurzame wijze verzorgd.

Proefopzet De Zweth

In de buurt van het dorp De Zweth wordt het systeem op dit moment beproeft in een full-scale proefopstelling (Figuur 3). Deze proef is deels gefinancierd uit het SBIR project van de Provincie Zuid-Holland om de CO2 uitstoot van de waterwegen te reduceren. Het doel van deze proef is enerzijds het verifiëren van het warmte-onttrekking-/ en opslag potentieel van de Energiedamwand en anderzijds het kwantificeren van de invloed op de (geotechnische) functie van de Energiedamwand als gevolg van de opwarmings- en afkoelingscycli.

Figuur 3. Impressie van de proeflocatie bij De Zweth.

De proef is gestart in september 2020 en loopt gedurende een periode van twee jaar waarin verschillende damwandconfiguraties en werkingsscenario’s worden getest (Figuur 4). De opstelling bestaat uit zes dubbele ZZ17-700 damwandprofielen van 16 m lengte, aangebracht in een ondergrond bestaande uit afwisselend klei- en veenlagen. In deze proefperiode worden diverse configuraties van activatie getest:

  • Enkele en dubbele activatie van de dubbele damwandprofielen;
  • activatie over de volledige planklengte en enkel tot de waterbodem;
  • activatie van speciale voorhang panelen die toepassing van het systeem mogelijk maken bij bestaande damwandconstructies.

Bij het testen van deze configuraties worden zowel de prestaties van de Energiedamwand, als de mogelijke invloed van de activatie op de damwand zelf en de directe omgeving gemeten. De resultaten van de thermische prestaties zijn vooral van belang voor de toepassingsmogelijkheden: Hoeveel energie kan er onttrokken worden en strookt dit met de theoretische ontwerpmodellen? De hoofdvraag bij het meten van de invloed op de omgeving is of het verwarmen dan wel afkoelen van de damwanden en directe ondergrond, een nadelige invloed heeft op de primaire functie van de kadeconstructie zelf. De primaire functie van de kade is immers een van grond- en waterkering en deze functie mag niet nadelig beïnvloed worden door het toevoegen van een functie.

Figuur 4. Schematisch bovenaanzicht van de proeflocatie bij De Zweth, inclusief proefopstelling, temperatuur en geotechnische monitoringsopstelling.

Om al deze vragen te kunnen beantwoorden is een uitgebreid monitoringsprogramma opgezet om alle relevante parameters te kunnen meten (Figuur 4). Voor de prestaties van de Energiedamwand wordt de middels een warmtepomp onttrokken thermische energie gemeten, zowel door de warmtepomp zelf, als middels een geijkte energiemeter. Omdat er bij de proef verschillende configuraties worden getest, wordt tevens de in- en uitgaande temperatuur per activatie variant geregistreerd, zodat de individuele bijdrage per lus bepaald kan worden. Voor de monitoring van de invloed op de omgeving en validatie van de theoretische modellen worden verder de temperaturen en stromingssnelheid van het kanaalwater, de temperatuur in de ondergrond over de volledige hoogte en op verschillende afstanden, en de damwandverplaatsing gemeten.

THERMISCHE PRESTATIES

In de pilot, die op dit moment nog volop loopt, zijn inmiddels alle configuraties getest. Hierbij heeft het systeem 24/7 op vol vermogen gedraaid om de daadwerkelijke grenzen ervan te kunnen verkennen en een duidelijke koppeling te verkrijgen met de theoretische predicties.

Op basis van de hierbij verkregen resultaten werkt het systeem conform verwachting en wordt het hoogste rendement van ca. 1,5 kW/plank behaald bij de dubbel geactiveerde damwanden met activeringslussen over de volledige lengte van de plank. Bij de dubbel geactiveerde ondiepe activatie (lussen tot aan de waterbodem) ontbreekt de potentiele energie uit de diepere grondlagen zodat dit logischerwijs tot een lager vermogen leidt van ca. 1 kW/plank (Figuur 5). De resultaten van de ondiepe activatie laten echter duidelijk zien dat het aquathermische deel een aanzienlijke component is van het totale thermisch vermogen. Dit gegeven maakt ook dat het vermogen afhankelijk is van de heersende watertemperatuur die tijdens de beproeving van de voornoemde configuraties tussen de 8°C en12 °C varieerde.

Voor de effectiviteit is het echter ook belangrijk om te zien wat het vermogen is bij lagere temperaturen, zoals bijvoorbeeld het geval was tijdens de extreem koude periode in februari 2021. In deze periode daalde de luchttemperatuur tot -10 °C en de watertemperatuur tot ca.+1 °C. Tijdens deze periode werd toevalligerwijs een configuratie met de voorhangpanelen beproefd waardoor de invloed van het aquathermische deel, zonder invloed van de ondergrond, direct zichtbaar werd. Het bronvermogen vanuit enkel het water daalde in die week tot ca. 0,4 kW per plank, wat daardoor zijn weerslag had op de benodigde elektrische energie om tot een opgewerkte temperatuur van 35 °C te komen. In de daaropvolgende weken herstelde de watertemperatuur zich weer en nam het bronvermogen eveneens weer sterk toe. Het is de verwachting dat dit effect vooral sterk doorwerkt in de configuratie met ondiepe activatie en minder prominent is bij de opstelling met de diepe activatielussen aangezien de hogere temperatuur uit de ondergrond in deze extreme situatie bijdraagt aan het stabiliseren van brontemperatuur.

Figuur 5. Vermogen per damwand, dubbele activering ondiep, (links) en diep (rechts).

In de beproefde fasen is het systeem dag en nacht op vol vermogen getest. Op basis van de hieruit verkregen resultaten wordt aan het eind van de zomer de meest efficiënte opstelling gekozen voor het beproeven van een realistische warmtevraag. Omdat het systeem hierbij niet 24 uur per dag belast wordt, krijgt de ondergrond tussendoor tijd om enigszins thermisch te herstellen. De verwachting is dan ook dat bij deze meer realistische scenario’s het rendement van de over de volledige lengte geactiveerde Energiedamwand verder toeneemt.

Geotechnische invloed

Naast het verifiëren van de energieprestatie van de Energiedamwanden is het doel van de proef ook om na te gaan dat de activatie geen negatieve invloed heeft op de primaire (geotechnische) functie van de kademuur als grond- en waterkering. De voor dit onderdeel uitgevoerde metingen zijn gebruikt als basis voor een afstudeeronderzoek (De vries,2021) uitgevoerd bij CRUX. In dit onderzoek is de thermische invloed op de ondergrond beschouwd met COMSOL en de geotechnische invloed met behulp van de thermische rekenmodule van PLAXIS 2D (Figuur 6).

De belangrijkste conclusie van De Vries is dat de daadwerkelijke thermische invloed op de beweging van de damwand en ondergrond beperkter is dan op basis van de theoretische modellen wordt verwacht. Dat de daadwerkelijk invloed beperkter is dan de toch al beperkte theoretische modelinvloed versterkt de verwachting dat activatie geen negatieve invloed heeft op de civieltechnische functie van de kademuur. Een bijkomende conclusie is dat theoretische verplaatsing van de damwanden, onder invloed van natuurlijke temperatuurschommelingen (o.a. opwarming door zoninval) gedurende het jaar, al een grotere verplaatsingsfluctuatie ondergaan dan de te verwachten beperkte invloed ten gevolge van de activatie.

Figuur 6. Impressie van het temperatuurveld rond een Energiedamwand.

Economische haalbaarheid

De economische haalbaarheid van de thermisch geactiveerde damwand is nader beschouwd in aan ander afstudeeronderzoek (Scharff, 2021), eveneens uitgevoerd bij CRUX. In dit onderzoek is middels het door de TU Eindhoven ontwikkelde programma Modelica een koppeling gemaakt tussen de warmtevraag gedurende het jaar aan de ene kant (voor een gebouw met 25, 50 en 100 appartementen) en het vermogen van de Energiedamwand aan de andere kant. Uitgangspunt van deze beschouwing is een warmtevraag horende bij de historische en relatief slecht geïsoleerde monumentale panden in de Amsterdamse binnenstad. De opzet van het systeem bestaat daarbij uit een centrale opwekking van de thermische energie middels een gedeelde warmtepomp en directe levering van water met een temperatuur van 40 graden aan de verschillende huizen (Figuur 7).

Figuur 7. Impressie van warmtelvering in de historische Amsterdamse binnenstad.

Vanwege de relatief hoge warmtevraag en doorgaans slecht te isoleren bebouwing, wordt de Energiedamwand in deze opstelling gebruikt als basis warmteleverantie en wordt de piekwarmtevraag afgedekt middels hoog rendement gasketels die op den duur uitgefaseerd kunnen worden voor schonere alternatieven. Het streven hierbij was dus niet om een volledige energie neutrale balans te creëren, maar om de noodzakelijke kadevernieuwing aan te grijpen als kans voor de verduurzaming van deze, om monumentale redenen, lastig te isoleren gebouwen. Hierbij is zowel een opstelling beschouwd met enkel de Energiedamwand als warmtebron, als een opstelling met WKO waarbij de Energiedamwand wordt gebruikt om de onbalans in de bron op te heffen.

Door een realistisch warmtebelastingsprofiel van een gemiddeld huishouden om te slaan naar de warmtevraag gedurende het jaar is een seizoenale warmtevraag gemodelleerd (Figuur 8).

Figuur 8 Warmtevraag gedurende het jaar voor 25 appartementen.

Wanneer voor de warmtelevering enkel gebruik wordt gemaakt van de Energiedamwand blijkt dat deze voldoende warmte kan leveren om de gevraagde leveringstemperatuur van 40 °C te bewerkstelligen in de periode waarin de watertemperatuur circa 8 °C of meer bedraagt. Voor de perioden met lagere watertemperatuur is bij de gekozen opstelling en instelling van de warmtepomp bijverwarming nodig (Figuur 9).

Figuur 9 temperatuur levering gedurende het jaar.

Bij de combinatie met een WKO wordt de onbalans in de WKO beperkt door deze in de winter minder uit te putten en in de zomer op te laden met de Energiedamwand. Het door Scharff ontwikkelde model biedt daarbij voldoende flexibiliteit om aansluitend op zijn onderzoek nog andere mogelijke combinaties te onderzoeken. Hierbij valt te denken aan combinaties waarbij de hoofdleverantie nog steeds volgt uit de Energiedamwand en de WKO enkel dient als batterij voor de periodes met verhoogde warmtevraag of een systeem waarbij middels de Energiedamwand een overschot aan warmte wordt gecreëerd met hogere temperaturen in de WKO opslag.

CONCLUSIE

Op basis van de tot nog toe verkregen proefresultaten en technische analyse van het systeem wordt geconcludeerd dat de Energiedamwand een haalbaar concept is, dat klaar is om te worden geadopteerd als duurzame warmtebron. Door de relatief eenvoudige aanpassing aan het ontwerp van geplande kademuur vervangingsprojecten wordt zo een extra functie gecreëerd die bijdraagt aan de energietransitie.

De resultaten van de full-scale proef in De Zweth bevestigen de theoretische analyses en tonen aan dat de thermische prestatie van een Energiedamwand uitstekend is zonder de civieltechnische functies nadelig te beïnvloeden. De verwachting hierbij is dat het werkelijke rendement zelf nog hoger ligt wanneer de ondergrond tussen de pieken in de warmtevraag ruimte krijgt om te regenereren. De potentie van deze techniek om relatief eenvoudig een extra duurzame functie toe te voegen aan kadevervangingstrajecten heeft er toe geleidt dat het op dit moment al wordt toegepast bij de jachthaven van Enkhuizen en Het Swettehûs in Leeuwarden.

De hoeveelheid data die ook nu nog toeneemt tijdens de doorlopende proefopstelling zal daarbij een vruchtbare basis zijn voor lopende en toekomstige onderzoeken naar dit type aquathermische systemen.

Referenties

CE Delft, Deltares, 2018 ‘National potential of aquathermal Energy’

Gooimeer, 2021, Energie damwanden, https://www.energie-damwanden.nl/

Haasnoot J.K., Vardon, P, Pantev I., Bersan S., Bloemers B., Smeulders D., 2020, Energy Quay Walls, Conf. Proc. 2nd Int. Conf. on Energy Geotechnics, San Diego USA

Vries, J.P. de, 2021, Quays Rather Than Boilers. Extracting Energy From Water and Soil Through Energy Sheet Piles., thesis TU Delft http://resolver.tudelft.nl/uuid:2da05b2a-db22-4cfb-9a3d-fd8f33c5dcca

Scharff, J.P. de, 2021, Model development on thermal heat storage in a renewable heating system using heat absorption from the canals of Amsterdam, thesis TU Eindhoven

Ziegler M., Koppmann D., Pechnig R., Knapp D., 2019, Energy sheet pile walls – Experimental and numerical investigation of innovative energy geostructures, Conf. Proc. XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering-Reykjavík, Iceland

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

Hey engineer (to be)

Wat zou jij nog toegevoegd willen zien op onze site?
Meer content over Industrieel Ontwerp en Big Data
of is juist Civiele techniek jouw ding?!