Integreer water- en energiesystemen om schone, betrouwbare en betaalbare energievoorziening te realiseren

Om klimaatverandering tegen te gaan, wordt over de hele wereld gewerkt aan een transformatie van het energiesysteem van fossiele naar schonere, hernieuwbare bronnen voor betaalbare en betrouwbare energie. Dat brengt diverse uitdagingen met zich mee.

Uitdagingen bij overgang naar hernieuwbare bronnen

Zo dalen de kosten voor de productie van hernieuwbare energie wel, maar de beschikbaarheid van de materialen die daarvoor nodig zijn kan een beperkende factor worden. En veel van de hernieuwbare bronnen zijn niet continu beschikbaar: wind- en zonne-energie zijn bijvoorbeeld niet altijd beschikbaar op de tijd en de locatie waar energie nodig is – hoe gaan we energievraag en -aanbod in ruimte en tijd goed op elkaar afstemmen? Bovendien genereren hernieuwbare energiebronnen voornamelijk elektriciteit, die moeilijker op te slaan en te vervoeren is dan fossiele energiedragers – dat vraagt om alternatieve duurzame energiedragers. Ook vindt de productie van hernieuwbare energie meer decentraal plaats dan die van fossiele energie, wat een uitdaging vormt voor de energie-infrastructuur.

Multi-energiesysteem

Om een 100% hernieuwbaar energiesysteem te kunnen ontwerpen, is een geïntegreerde systeembenadering nodig, waarin diverse sectoren worden gekoppeld (energie, gebouwde omgeving, mobiliteit, industrie, water) en onderling verschillende energiedragers uitwisselen (zoals elektriciteit, warmte/water en gasvormige, vloeibare of vaste brandstoffen). Zo ontstaat een multi-energiesysteem. Dankzij de inzet van verschillende energiedragers wordt energieopslag gemakkelijker, net als het afstemmen van vraag en aanbod in ruimte en tijd.

Els van der Roest tijdens de promotieplechtigheid in Delft op 15 november.

Water- en energiesector nauw verbonden

Om twee redenen is de rol van de watersector in een dergelijk geïntegreerd systeemontwerp heel belangrijk. Zo zijn de water- en energiesector al nauw met elkaar verbonden, omdat water nodig is voor productie, opslag en transport van energie – en andersom energie voor productie, opslag en transport van water. Maar vooral: de watersector heeft soortgelijke doelstellingen en uitdagingen als de energiesector in het licht van klimaatverandering. Denk maar aan de grotere kans op overstromingen en droogte, die de betrouwbaarheid, leveringszekerheid en veiligheid van het watersysteem kunnen aantasten. Om die reden heeft Els van der Roest, tot voor kort onderzoeker bij KWR, haar promotie-onderzoek aan de TU Delft gefocust op de integratie van de energie- en watersystemen in een stedelijk omgeving. Op 15 november verdedigde zij succesvol haar proefschrift Energy and Water system integration in the urban environment, in aanwezigheid van haar promotoren prof. Ad van Wijk en prof. Jan-Peter van der Hoek.

Systeemintegratie essentieel

Van der Roest stelt in haar dissertatie dat systeemintegratie essentieel is voor de overgang naar een schoon, betrouwbaar en betaalbaar energiesysteem: “Zo is het mogelijk een schoon, betaalbaar en betrouwbaar water- en energiesysteem voor een wijk te ontwerpen. Bijvoorbeeld op basis van het Power to H3-concept, dat niet alleen de integratie van verschillende energiedragers als elektriciteit, warmte en waterstof omvat, maar ook seizoensopslag van warmte en waterstof, integratie van restwarmtebronnen en gecombineerde energie- en waterelementen. Bij bestaande wijken draagt een diversificatie van energiedragers bij aan een soepele en tijdige energietransitie.” Van der Roest ziet ook een belangrijke rol voor seizoensopslag van warmte bij het ontwerpen van een multi-energiesysteem: “Zo kun je vraag en aanbod van warmte loskoppelen, en daarmee wordt het makkelijker om het hele jaar door duurzame warmte te leveren.” Verder pleit ze ervoor de regelgeving voor nieuwe gebouwen aan te passen om installatie van blauwgroene daken en zon-PV-systemen te ondersteunen, bijvoorbeeld door minder strenge eisen te stellen aan energieproductie bij daken die ook andere functies vervullen, zoals het opvangen van piekbuien (klimaatadaptatie), lokale waterzuivering, biodiversiteit, verkoeling en een prettige leefomgeving. Samengevat adviseert Van der Roest de volgende aanpak bij het ontwerpen van een water- en energiesysteem voor een wijk:

1. Behoud de verbinding met het centrale systeem, maar blijf als wijk zoveel mogelijk binnen de grenzen van de huidige infrastructuur
2. Neem in bestaande wijken expliciet hybride opties (combinaties van energiedragers) op in het energiesysteem
3. Neem de ondergrond mee als essentieel onderdeel van het wijkontwerp
4. Zoek naar meervoudige waarden vanuit zowel energie- als waterperspectief
5. Begin zo vroeg mogelijk met het gezamenlijk ontwerpen van zowel het energie- als het watersysteem in de wijk

Van der Roest heeft tijdens haar onderzoeksperiode bij KWR een grote bijdrage geleverd aan het onderzoek naar energie en circulaire systemen. Haar voormalige collega’s zetten dit werk met verve voort. Sinds kort spant Van der Roest zich bij de gemeente Utrecht in voor realisatie van de energietransitie – en zij zal daarbij vast ook regelmatig teruggrijpen op de tiende stelling in haar proefschrift: “Meer glimlachen versnelt de energietransitie.”

Els van der Roest, promoveerde op 15 november aan de TU Delft op een proefschrift met de titel Energy and Water system integration in the urban environment.