Modeling and Impact Analysis of Heat Extraction from Surface Water

Sebastian Baes Jan Denayer
Persbericht

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.

 

image-20201004224058-1

 

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.

 

image-20201004224058-2

 

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.

 

image-20201004224058-3

 

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.

 

 

 

Bibliografie

 

 

E. Worrell, L. Bernstein, J. Roy, L. Price, and J. Harnisch. Industrial energy efficiency and climate change mitigation. Energy Efficiency, 2:109–123, 2008.

A. Allouhi, Y. El Fouih, T. Kousksou, A. Jamil, Y. Zeraouli, and Y. Mourad. Energy consumption and efficiency in buildings: Current status and future trends. Journal of Cleaner Production, 109, 2015.

H. Averfalk, P. Ingvarsson, U. Persson, M. Gong, and S. Werner. Large heat pumps in swedish district heating systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79:1275–1284, 2017.

J. Gao, Y.and Wu and Y. Cheng. Study on the heating modes in the hot summer and cold winter region in china. Procedia Engineering, 121:262–267, 2015.

X. Chen, G. Zhang, J. Peng, X. Lin, and T. Liu. The performance of an open-loop lake water heat pump system in south china. Applied Thermal Engineering, 26:2255–2261, 2006.

M. Boyd and B. Kasper. Analytical methods for dynamic open channel heat and mass transfer: Methodology for heat source model version 7.0. Watershed Sciences Inc., 2003.

Y. A. Çengel and A. J. Ghajar. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, Fifth Edition in SI Units. McGraw-Hill Education, 2015.

J. D. Stephen, M. H. David, and A. M. Iain. River temperature modelling: A review of process-based approaches and future directions. Earth-Science Reviews, 175:97–113, 2017.

B. F. Hugo, E. L. John, C. Y. K. Robert, I. Jörg, and H. B. Norman.  Mixing in Inland and Coastal Waters. Academic Press, San Diego, 1979.

J. Martin and S. Mccutcheon. Hydrodynamics and Transport for Water Quality Modeling. Taylor & Francis, 1998.

A. Glose, L. K. Lautz, and E. A. Baker. Stream heat budget modeling with hflux: Model development, evaluation, and applications across contrasting sites and seasons. Environmental Modelling & Software, 92:213–228, 2017.

B. W. Webb and Y. Zhang. Intra-annual variability in the non-advective heat energy budget of devon streams and rivers. Hydrological Processes, 18(11):2117–2146, 2004.

M.B. Kalinowska. Effect of water-air heat transfer on the spread of thermal pollution in rivers. Acta Geophys, 67:597–619, 2019.

M. Bessafi, V. Oree, A. Khoodaruth, G. Jumaux, F. Bonnardot, P. Jeanty, M. Delsaut, J. Chabriat, and M. Z. Dauhoo. Downscaling solar irradiance using dem-based model in young volcanic islands with rugged topography. Renewable Energy, 126:584–593, 2018.

M. Z. Dauhoo. Downscaling solar irradiance using dem-based model in young volcanic islands with rugged topography. Renewable Energy, 126:584–593, 2018.

W.P. Kustas, A. Rango, and R. Uijlenhoet. A simple energy budget algorithm for the snowmelt runoff model. Water Resources Research, 30:1515–1527, 1994.

S.L. Dingman. Physical Hydrology. Macmillan Publishing Company, 1994.

D.R. Maidment. Handbook of hydrology. Civil engineering. McGraw-Hill, 1993.

T. Dunne and L. B. Leopold. Water in environmental planning. San Francisco : W. H. Freeman, 1978.

W. Trabert.  Neue beobachtungenûber verdampfungsgeschwindigkeiten.  Meteorol Z, 13:261–263, 1896.

N. Abu-Hamdeh and R. Reeder. Soil thermal conductivity: Effects of density, moisture, salt concentration, and organic matter. Soil Science Society of America Journal, 64:1285–1290, 2000.

R. W. MacCormick. The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering. Am. Inst. Aeronaut. Astronaut., 1969.

T. He, J. Masek, Y. Shuai, C. Schaaf, and Z. Wang. Angular effects and correction for medium resolution sensors to support crop monitoring. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 7:4480–4489, 2014.

W. Meynendonckx. Heatmap van koude/warmte-voorziening via oppervlaktewater. KU Leuven, 2020.

EHPA. Large scale heat pumps in europe. https://www.ehpa.org/fileadmin/red/03._Media/ 03.02_Studies_and_reports/Large_heat_pumps_in_Europe_MDN_II_final4_small.pdf, 2020.

VMM. Leefmilieu, wetgeving, milieuhinder, hinder, verontreiniging, veiligheidsrisico, vergunning. https://www.vmm.be/wetgeving/vlarem-i, 2018.

A. Gaudard, C. Weber, T. Alexander, S. Hunziker, and M. Schmid. Impacts of using lakes and rivers for extraction and disposal of heat. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 5(5):e1295, 2018.

B. Sinokrot and H. Stefan. Stream temperature dynamics: Measurements and modeling. Water Resour. Res., 29:2299–2312, 1993.

S. Broadmeadow, J.G. Jones, T. Langford, P. Shaw, and T. Nisbet. The influence of riparian shade on lowland stream water temperatures in southern england and their viability for brown trout. River Research and Applications, 27:226–237, 2011.

T. Langford. Ecological Effects of Thermal Discharges. Pollution Monitoring Series. Springer Netherlands, 1990.

J. Matousek, V. Stejskal, M. Prokešová, and J. Kouril.  The effect of water temperature on growth parameters of intensively reared juvenile peled coregonus peled. Aquaculture Research, 48, 2016.

Y. Souchon and L. Tissot. Synthesis of thermal tolerances of the common freshwater fish species in large western europe rivers. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems, 405, 2012.

F. E. J. Fry. Thermal effects on fish ecology. Thermobiology. 1967.

J. Mulhollem, R. Colombo, and D. Wahl. Effects of heated effluent on midwestern us lakes: implications for future climate change. Aquatic Sciences, 78:743–753, 2016.

S. Emde, J. Kochmann, T. Kuhn, D. Dörge, M. Plath, F.h Miesen, and S. Klimpel.  Cooling water of power plant creates ”hot spots” for tropical fishes and parasites. Parasitology research, 115, 2015.

Matt H. Effects of the discharge of thermal effluent from a power station on lake wabamun, alberta, canada - the epipelic and epipsamic algal communities. Hydrobiologia, 45:199–215, 1974.

N. Poff, M. Brinson, and J.  Day.  Aquatic ecosystems global climate change - potential impacts on inland freshwater and coastal wetland ecosystems in the united states. Pew Center for Global Change, 2002.

 

 

Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica - optie intelligent mobility
Publicatiejaar
2020
Promotor(en)
Prof. Dr. Ir. Maarten Vanierschot
Kernwoorden
Share this on: