Moeten we nu écht het warm water uitvinden?

Het is vijf over twaalf en het klimaat wacht op antwoorden. Het is de natuur zelf die oplossingen aanbiedt voor een duurzame wereld, maar het is de vindingrijkheid van de mens die deze antwoorden moet vinden. De natuur gaf ons via zijn rivieren ooit de kans voor het creëren van steden en cultiveren van samenlevingen, nu kunnen deze rivieren ervoor zorgen dat het klimaatvraagstuk opgelost wordt. Met het water aan de lippen zochten twee masterstudenten aan de KU Leuven uit of de aanwezige warmte in rivieren gebruikt kan worden om steden klimaatneutraal te maken.

Warmte onttrekking uit oppervlaktewater

Meer dan de helft van de wereldbevolking leeft in steden gelegen nabij rivieren. Door de toenemende verstedelijking verwacht men dat dit aantal verder zal groeien. De energievraag, voornamelijk voor verwarming en koeling, neemt bijgevolg zeer sterk toe. Idealiter gebeurt deze voorziening op een duurzame manier. Veel te vaak zijn fossiele brandstoffen echter nog in gebruik, met de gekende klimatologische gevolgen. 60% van de uitstoot in Vlaamse steden is namelijk afkomstig van verwarming. Maar er bestaan oplossingen, een potentiële piste is het onttrekken van warmte uit oppervlaktewater.

Het onttrekken van warmte uit oppervlaktewater houdt in dat een warmtepomp warmte uit rivierwater haalt om hiermee gebouwen op te warmen. De warmtepomp is namelijk in staat om energie uit water te halen en deze energie naar een bruikbare temperatuur voor verwarming te brengen. Nadat warmte uit het rivierwater onttrokken werd zal het water teruggepompt worden naar de rivier.

Op deze manier reduceren de huizen in de ruime buurt van een rivier drastisch hun CO2-uitstoot en hoeft men de eindige energiebron gas niet meer te gebruiken. Dit effect wordt nog versterkt indien groene stroom de warmtepomp aandrijft. Zo komt men nog een stap dichter bij klimaatneutrale steden.

Een wiskundig riviermodel

Het staat dus vast dat warmte onttrekken uit oppervlaktewater van rivieren mogelijk is, maar er is natuurlijk een grens op de hoeveelheid warmte die men mag onttrekken. Te allen tijde moet gekeken worden dat hiermee geen negatieve effecten op het ecosysteem van rivieren ontstaan. De hoeveelheid energie die kan, of beter gezegd mag, verbruikt worden uit een rivier is voorlopig echter onduidelijk. De milieurichtlijnen in VLAREM vermelden enkel een maximale temperatuur (+3°C) voor het opwarmen van waterlopen. Als uitgangspunt werd aangenomen dat dezelfde waarde ook mag gebruikt worden voor afkoeling (-3°C). Stel dat men bijvoorbeeld de Dijle in Leuven na onttrekking 1,5°C afkoelt en stroomafwaarts er in Mechelen ook 1,5°C afkoeling plaatsvindt, dan mag er op geen enkele andere locatie nog onttrekking gebeuren aangezien de limiet van -3°C bereikt is. Hierbij wordt er weliswaar geen rekening gehouden met het fenomeen ‘regeneratie’. Regeneratie houdt in dat de temperatuur van een rivier na afkoeling (verstoring in het evenwicht) na enige tijd terug naar zijn originele temperatuur (evenwichtstoestand) zal gaan. Bij het bovenstaande voorbeeld heeft dit als gevolg dat men in Mechelen meer dan 1,5°C kan afkoelen, en men dus meer hernieuwbare energie beschikbaar heeft.

Om de regeneratie in riviertemperatuur te berekenen is een wiskundig model nodig. Een model dat toelaat de temperatuur van een rivier te simuleren ten gevolge van allerhande omgevingsfactoren. Rivieren verkrijgen hun natuurlijke energie via zoninstraling, warmtetransport met de bodem en de lucht, en andere fenomenen. Daarnaast hebben ook menselijke fenomenen een impact. De complexe invloed van al deze parameters zijn gebundeld in het model. Een simulatie kan gemaakt worden voor een beperkt gebied, een volledige rivier maar evengoed voor heel Vlaanderen. Op basis van de resultaten van de simulatie kan men bepalen hoeveel warmte onttrekking mogelijk is zonder dat de riviertemperatuur daalt met meer dan 3°C.

Natuurlijk zijn enkele testscenario’s vereist om na te gaan of het ontworpen riviermodel waterdicht is. De voornaamste vereiste van de simulaties is een correcte berekening van de watertemperaturen langs het riviertraject. Hiervoor werd een test opgezet waarbij de temperatuur van de rivier Maas gedurende één maand gemeten werd. Vervolgens werd deze rivier gesimuleerd over dezelfde periode en bij identieke weersomstandigheden. Het bekomen resultaat bewijst een correcte rekenmethode van het model, aangezien de gelijkenis tussen beide grafieken treffend is.

Onderzoek in eigen achtertuin

Wanneer twee Leuvense thesisstudenten een riviermodel opstellen om warmtepotentiëlen te berekenen, komt de Dijle vanzelf boven water drijven. De eerste toepassing van het gecreëerde model omvatte bijgevolg een simulatie van warmte onttrekkingen uit de Dijle. Deze case onderzocht maand per maand of alle residentiële gebouwen binnen de ring van Leuven met deze rivier verwarmd konden worden. De simulatie leverde een veelbelovend resultaat op. Het is namelijk mogelijk om al deze residentiële gebouwen te verwarmen gedurende de hele winter, waarbij de rivier op de koudste dag maximaal 1,66°C afkoelt.

Uit dit resultaat blijkt dat er nog verdere warmte onttrekkingen mogelijk zijn alvorens de koelingslimiet van 3°C overschreden wordt. Daarom analyseerde dit onderzoek of er verder op de Dijle nog potentiële onttrekkingen zouden plaatsvinden. Vanuit Leuven vaar je vierendertig kilometer stroomafwaarts Mechelen binnen, waar ook interesse is in deze techniek. Wanneer het model nu dezelfde wintersimulatie uitvoert, op zoek naar het effect op de Dijle na onttrekkingen in zowel Leuven als Mechelen, bewijst regeneratie zijn impact. Deze stroomafwaartse heropwarming van het rivierwater maakt het mogelijk om de Dijle in Mechelen met 1,86°C af te koelen, in tegenstelling tot de verwachte resterende afkoeling van slechts 1,34°C. Op basis van dit resultaat en de maandelijkse warmtevraag in Mechelen werd in het onderzoek berekend dat beide steden hun binnenstad tegelijkertijd kunnen verwarmen met rivierwarmte gedurende elke maand van het jaar behalve december en januari.

Conclusie

Dit onderzoek, en het daarbij ontwikkelde riviermodel, biedt een antwoord op één van de vele vragen die opgelost moet worden in tijden van een alsmaar warmer wordend klimaat. Het ontwikkelde model laat toe om te analyseren of een rivier de capaciteit heeft om een gebouw, wijk, of zelfs stad te verwarmen door middel van warmte onttrekkingen. Door zijn brede toepasbaarheid en flexibiliteit kan het model een belangrijke rol spelen in het klimaatneutraal maken van werkelijk elke stad gelegen nabij een rivier.