CO2-uitstoot minimaliseren en tegelijkertijd comfortabel wonen en werken? Dit is de uitdaging die voor ons ligt: we willen comfortabel wonen en werken in onze huizen en kantoren en tegelijkertijd de CO2-uitstoot en energiekosten minimaliseren. De beste manier om dat te doen is een grondige isolatie in combinatie met het elektrificeren van zowel de verwarming van het gebouw als de productie van warm water. Daar bovenop kan de CO2-uitstoot nog extra verminderd worden door het elektriciteitsverbruik zorgvuldig te plannen en te coördineren, zodat maximaal hernieuwbare energie wordt benut en koolstofintensieve elektriciteit wordt vermeden. Maar hoe analyseer je het effect van deze drie maatregelen (isolatie, elektrificatie en slim verbruik) en hoe bepaal je de optimale combinatie? Dat is waar de simulatietool ABEPeM (Active Building Energy Performance Modelling) van pas komt, een tool waarvoor VITO/EnergyVille de modules voor flexibel elektriciteitsverbruik en kostenbesparing ontwikkelde, terwijl onze partner ENERGINVEST het financiële en economische luik implementeerde. Annick Vastiau en Chris Caerts, respectievelijk projectcoördinator en onderzoeksleider, leggen uit hoe de tool werkt en hoe het is ontwikkeld als centrale component van het recente EU Horizon 2020-project AmBIENCe.
De behoefte aan elektrificatie en slimme sturing
Gebouwen spelen een sleutelrol in de energietransitie, i.e. de weg naar een drastische vermindering van de CO2-emissies in de komende decennia. In de Europese Unie zijn gebouwen momenteel verantwoordelijk voor 40% van het energieverbruik en 36% van de CO2-uitstoot , voornamelijk voor verwarming en warmwaterproductie [1]. Maar veel van onze huizen en kantoren zijn slecht geïsoleerd en de meeste gebruiken nog steeds olie en gas als belangrijkste energiebron. Het AmBIENCe-project heeft daarom een databank ontwikkeld die een overzicht biedt van de meest relevante gebouwkenmerken die kunnen dienen om de energie-efficiëntie te controleren en te beheren.
De oplossing lijkt nochtans eenvoudig: begin met een diepe renovatie om de gebouwen energie-efficiënter te maken en de vraag naar energie te verminderen. Dit is echter een duur en tijdrovend proces en bovendien zijn er te weinig arbeidskrachten om dit allemaal te realiseren. Als gevolg daarvan wordt slechts een fractie van de renovatiedoelstellingen van de EU ook effectief bereikt.
Elektrificatie zou een interessant alternatief zijn. In veel landen – waaronder België – is de gemiddelde koolstofintensiteit van elektriciteit in combinatie met een hoger rendement van warmtepompen immers veel CO2-efficiënter dan bij gebruik van olie of gas. Door de voortdurende groei van hernieuwbare energiebronnen wordt elektriciteit bovendien met de dag duurzamer.
Maar elektrificatie kan enkel als de gebouwen toch een minimaal niveau van energie-efficiëntie halen. We moeten dus nog steeds renoveren, maar niet altijd zo grondig en duur. Bovendien is er in sommige landen een kostennadeel aan het gebruik van elektriciteit in plaats van gas of olie, zelfs wanneer rekening wordt gehouden met de hogere efficiëntie van warmtepompen. Een slimme, bijkomende sturing van het elektriciteitsverbruik zou dit gedeeltelijk kunnen compenseren.
Vandaar de vraag: wat is de beste, meest kosteneffectieve mix van renovatie en elektrificatie voor elke situatie? Hoe zorgen we ervoor dat we de CO2-uitstoot en de energiekosten effectief terugdringen en dat we optimaal gebruik maken van groene stroom opgewekt door windmolens en zonnepanelen? En hoe kan een slimme sturing daarbij helpen?
Een evenwicht tussen renovatiemaatregelen en elektrificatie
"Dat is waar onze ABEPeM-tool om de hoek komt kijken", zegt Annick Vastiau. "Op basis van een aantal scenario’s helpt het de meest effectieve combinatie van renovatie- en elektrificatiemaatregelen te selecteren, rekening houdend met de impact van slimme sturing. Hiervoor gebruikt het dynamische gebouwenmodellen die zowel de situatie weergeven zoals die nu is, als de situatie na verschillende combinaties van renovatiemaatregelen, zoals dakisolatie, muurisolatie, vervanging van de ramen, enz."
"De tool selecteert eerst en vooral een minimale set van maatregelen die nodig zijn om elektrificatie mogelijk te maken. Met deze selectie wordt vervolgens gekeken wat het effect is van bijkomende maatregelen en een slimme sturing op de energiekosten en de CO2-emissies. Deze analyse houdt rekening met het dynamische thermische gedrag van het gerenoveerde gebouw in een aantal geselecteerde scenario's, waaronder de verwachte weersomstandigheden en het gewenste gebruikerscomfort. Het effect van aanvullende niet-isolerende maatregelen, zoals een fotovoltaïsche installatie, een batterij of een elektrisch voertuig, kan aan de analyse worden toegevoegd en er kan een optimale dimensionering worden gezocht."
"Bovendien houdt de tool rekening met het effect van slimme sturing, bv. het verhogen van het zelfverbruik of het verschuiven van het verbruik naar tijdstippen met meer goedkope en groene energie."
De juiste tijd, de juiste elektriciteit
"In een slim geëlektrificeerd huis," zegt Chris Caerts, "zullen er een aantal apparaten zijn met een flexibele elektriciteitsvraag: we kunnen ze laten werken wanneer het ons het beste uitkomt. Denk aan het verwarmen van sanitair water, een wasmachine en vaatwasser gebruiken, thuisaccu's of een elektrisch voertuig opladen, of de warmtepomp laten draaien."
"Aan de andere kant is er de elektriciteitsvoorziening waarvan de bron ook varieert gedurende de dag, van zelf geproduceerde zonne-energie tot elektriciteit van het net met een wisselende mix van hernieuwbare en fossiele bronnen."
"Idealiter gebruiken de elektrische apparaten in een gebouw zoveel mogelijk de zelf opgewekte zonne-energie, bijvoorbeeld om het gebouw voor te verwarmen met een warmtepomp, of om batterijen op te laden. Dat minimaliseert ook het aandeel van de eigen zonne-energie dat in het net moet worden geïnjecteerd."
"Als het huis elektriciteit van het elektriciteitsnet gaat gebruiken, wil je die vraag zo slim mogelijk coördineren. Met een capaciteitstarief – een prijsstelling die het piekverbruik bestraft – laat je de auto liever niet maximaal opladen terwijl tegelijk de warmtepomp draait. En met flexibele elektriciteitstarieven die elk uur veranderen, zou je de elektriciteitsvraag willen verschuiven naar de goedkopere momenten. Dus de batterijen opladen en het water verwarmen wanneer de elektriciteit goedkoper is. Tenslotte, als je op elk moment weet hoe groen (laag in CO2-uitstoot) de netstroom is, zou je de elektriciteitsvraag kunnen sturen zodat je vooral groenere stroom gebruikt."
"Hoewel capaciteitstarieven, uurtarieven en op emissies gebaseerde tarieven nog niet algemeen beschikbaar zijn, zullen ze dat in de nabije toekomst wel zijn en de basis vormen voor slimme elektrificatie."
Slimme financiering voor renovaties
"Onze expertise paste perfect bij het EU-project AmBIENCe (Active managed Buildings with Energy performaNce Contracting), een project dat onlangs is afgesloten en waarin wij de projectcoördinator waren en een essentiële bijdrage hebben geleverd", voegt Annick Vastiau toe.
"Het centrale idee van AmBIENCe was de ontwikkeling van een innovatief type energieprestatiecontract (EPC). Zo’n contracten zijn bedoeld om financiële barrières voor renovaties weg te nemen door prestatiegaranties te bieden. Ze beschrijven hoe de kosten van een renovatie na verloop van tijd kunnen worden terugverdiend door de gegarandeerde winst in energie-efficiëntie en -kosten."
"Traditionele EPC's houden rekening met de isolatie en het type verwarming van een gebouw, en meer recent ook met het effect van toegevoegde hernieuwbare energiebronnen (bv. zonnepanelen op het dak) en energie-opslag (bv. stationaire batterijen). Het AmBIENCe Active Building EPC-concept gaat nog een stap verder door expliciet de impact van een actieve sturing toe te voegen. Om dat te kunnen doen, was het essentieel om een simulatietool te implementeren die rekening houdt met dynamische thermische modellen en scenario's, en die een dynamisch vraagprofiel kan combineren met een dynamisch aanbod. Dat is wat we met onze ABEPeM-simulatietool hebben gedaan."
Van ontwerp tot controle
"Naast een simulatietool voor de ontwerpfase," zegt Chris Caerts, "heb je ook een operationele planning- en sturingstool nodig die de flexibele elektriciteitsvraag kan sturen in lijn met wat in de EPC is ingeschat en vastgelegd. Daartoe kunnen de modellen en algoritmen die wij hebben ontwikkeld ook worden ingezet in een Building Energy Management System, een systeem waarbij de voorspelde parameters van het weer en slimme gebouwsensoren worden ingezet om de dynamische vraag van een gebouw in de richting van de doelstellingen te sturen. Dezelfde algoritmen die het optimale elektriciteitsprofiel simuleren, kunnen dus ook worden gebruikt om de werkelijke elektriciteitsvraag van gebouwen te beheren."
Van huizen naar wijken
Het geval waarin we een enkel huis bekijken, is slechts het begin van wat mogelijk is met slimme elektrificatie. Als we onze aanpak zouden beperken tot afzonderlijke huizen of kantoren, dan zullen deze ongeveer tegelijkertijd dezelfde slimme beslissingen nemen en zullen er ongewenste effecten zijn op het niveau van een wijk, stad of regio. Alle warmtepompen of acculaders zouden bijvoorbeeld tegelijkertijd actief worden, met als gevolg een vraagpiek die lokale netwerkproblemen zou kunnen veroorzaken en waarvoor wellicht extra elektriciteitsopwekking nodig zou zijn. En die zou duurder zijn en vaak op fossiele brandstoffen gebaseerd.
Chris Caerts: "Er moet dus een zekere mate van coördinatie zijn tussen gebouwen in een wijk, en ook dat is in onze algoritmes ingebouwd. In plaats van de bronnen van flexibel elektriciteitsgebruik in een afzonderlijk gebouw te coördineren om pieken in de vraag te vermijden, is het idee om hetzelfde te doen op het niveau van meerdere gebouwen. Bijvoorbeeld voorkomen dat verschillende elektrische voertuigen tegelijk worden opgeladen, of een reeks warmtepompen tegelijkertijd draaien. Uiteindelijk zou een dergelijke coördinatie ook het aanbieden van energiediensten kunnen omvatten, waarbij mensen worden gestimuleerd om hun energievraag te verschuiven zodat het vraag/aanbodprofiel van de hele buurt verbetert. "
Een elektrische toekomst
"VITO/EnergyVille werkt aan de elektrificatie van gebouwen in combinatie met slimme sturingen, met als centraal doel de uitstoot van CO2 te verlagen en zelfs te minimaliseren," besluit Annick Vastiau. "Dat doen we door alle bronnen van flexibel verbruik en buffers in gebouwen te coördineren. Wat we vandaag vaak op de markt zien, zijn slimme oplossingen die zich richten op het combineren van zonnepanelen met één flexibel toestel, bijvoorbeeld een elektrische boiler, eventueel in combinatie met een batterij. Onze oplossing coördineert alle bronnen van flexibiliteit en buffers in een gebouw, en uiteindelijk ook in groepen gebouwen zoals appartementencomplexen of wijken. En naast het bepalen van de optimale configuratie kunnen onze algoritmes ook het energieprofiel beheren en sturen. "
Wilt u meer weten over de AEPC, het ABEPeM platform en onze BEMS oplossingen? Kijk dan op de AmBIENCe website of neem contact met ons op voor meer informatie.
Referenties
[1] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_20_1835
