column

Column: ‘The Green Village’

Ad van Wijk

green-village-showcaseWelkom in the Green Village, een duurzame, levendige en ondernemende omgeving op de TU Delft campus waar we willen ontdekken, leren en tonen hoe we de grote en urgente uitdagingen van de toekomst kunnen oplossen. Een groen dorp waar we zeer efficiënt omgaan met energie, water en grondstoffen. Een groen dorp waar we de nog benodigde energie en water lokaal en duurzaam opwekken. Waar afval en biomaterialen de nieuwe grondstoffen zijn waarmee we zelf via 3D printen onze producten maken. En waar juist de nieuwe technologieën en systemen zorgen voor een efficiënte, duurzame, circulaire, groene en comfortabele omgeving om in te wonen, werken, produceren en recreëren.

Maar hoe zou een groen dorp en ons leven er uit kunnen zien over pakweg 30 jaar. Zomaar eens wat duurzame science fiction. Ik stap in mijn comfortabele brandstofcelauto die ik vertel waar hij heen moet rijden, automatisch natuurlijk. Intussen zet ik het OLED smart window van mijn auto aan en kijk ik naar het nieuws, check mijn berichten en agenda.

LED-vliegjes
Het groene Hollandse polderlandschap trekt aan mij voorbij. Aangekomen in the Green Village, rijdt mijn auto automatisch naar zijn docking station en wordt aangesloten op het elektriciteits-, water- en waterstof netwerk. Als er een overschot aan elektriciteit uit zon, wind, beweging, geothermie of osmose is, wordt dat omgezet in waterstof en de tank van mijn auto volgetankt. Is er een tekort aan elektriciteit dan wordt waterstof geproduceerd uit organisch afval, (faeces, voedselresten, gedegradeerde biomaterialen) en levert de brandstofcel in onze auto elektriciteit, warmte en schoon water.

Intussen hebben mijn LED-vliegjes me de weg gewezen naar de burgemeester, met wie ik een afspraak heb. Het LED-scherm in de tafel verbindt ons met de andere deelnemers aan de vergadering. Ik kijk naar buiten en zie een mooi groen polderlandschap. De burgemeester heeft vandaag de windturbines en gebouwen die er staan ‘uitgezet’, onzichtbaar gemaakt via de LED’s op de windturbines en gebouwen en een camera aan de andere kant van de windturbine of het gebouw. Het blijft voor mij toch vreemd, dat je met LED je omgeving kunt inrichten naar wat jij wilt zien. ‘Wat er staat zie je niet en wat je ziet staat er niet’ was de leus van de landschapsarchitecten uit de jaren ’30.

3D-nieren
Inmiddels bijna 90 jaar oud, maar nog in goede conditie. Mijn knieën, nieren en ogen zijn inmiddels wel vervangen door een 3D geprinte versie, maar alles wordt goed in de gaten gehouden door ingebouwde sensoren, met piëzo elektrisch rubber dat stroom opwekt uit mijn hartslag. Ik voel me goed, maar moet wel wat vaker naar de wc, Tegenwoordig is dat een waterloos toilet, waar de urine en faeces direct worden gescheiden en omgezet in waardevolle stoffen, materialen en energie.

Van urine maken we direct struviet, wat als groeistof aan onze home grow LED-kas wordt toegediend waar we verse groente, fruit en vis produceren. En op het digestaat van onze faeces verbouwen we suikerbieten, niet alleen voor voedselproductie maar ook voor de productie van bioplastics, zoals PLA (melkzuur). Een van de belangrijke grondstoffen voor onze additive manufacturing productiefarms. Met deze farms, eigenlijk 3D productierobots printen we (vroeger heette dat bouwen) heel efficiënt onze nieuwe gebouwen, producten, wegen, bruggen, maar ook kleding, apparaten en zelfs onze fuel cell cars, zonnecellen en LED’s.

Vriendelijke kelnerrobot
We gaan een hapje eten in the Green Village green star restaurant, dat zijn eigen voedsel in een kas en vijver kweekt bovenop het restaurant. Het restaurant maakt de meest fantastische gerechten via 3D printing technologies. De chef-kok is een van de briljantste IT-moleculair scheikundigen van ons land. Een vriendelijke robot serveert ons het diner, waarbij ze goed in de gaten houdt dat we de juiste hoeveelheid calorieën en voedingsstoffen binnenkrijgen.

Het bestek en de servetten zijn voor ons speciaal 3D geprint met onze eigen naam erop, heel attent. We betalen automatisch en krijgen korting omdat we daar naar het toilet zijn gegaan.  Intussen wordt het bestek, de servetten en andere resten door robots verwijderd, wordt er een nieuw bioplastic filament van gemaakt en krijgen we een 3D geprint souvenir naar keuze mee naar huis.

Gone with the wind
We lopen naar buiten waar het inmiddels donker is geworden. Via de LED’s op de windturbines wordt een mooie oude film afgespeeld, Gone with the wind, tenminste als je daarvan houdt, anders hoef je die natuurlijk niet te zien. Het waait behoorlijk en er is een overschot aan elektriciteit, dat via een DC-elektriciteitsnet zonder conversieverlies geleverd wordt om er waterstof van te maken, om batterijen en vliegwielen op te laden bij datacenters, elektrische auto’s, fietsen, apparaten of robots.

Er is zelfs nog meer elektriciteit en we produceren warmte en koude dat we thermochemisch opslaan, schoon drinkwater door regenwater en grijswater te zuiveren en we maken vaste producten. Ik laat me weer naar huis rijden en kijk de film Gone with the wind af op mijn OLED smart window. En dan heerlijk slapen in mijn eigen ouderwetse bed.

Is dit science fiction of science reality? In the Green Village op de TU Delft campus gaan we het proberen te realiseren, verder ontwikkelen en tonen, samen met bedrijven, wetenschappers en studenten www.thegreenvillage.org . Iedereen is van harte welkom, doe mee en samen zorgen we voor een mooie toekomst voor ons, onze kinderen, kleinkinderen en daarna.

Deze column is eerder gepubliceerd op: http://www.energieactueel.nl/green-village/

AC/DC (Dutch)

Ad van Wijk

Zo’n 150 jaar geleden was er de ‘war of currents’. Edison, Westinghouse en Tesla voerden rond het eind van de 19e eeuw een verbitterd gevecht. Moest het elektriciteitsnet werken op gelijkspanning (Direct Current, DC)? Of moest het net werken op wisselspanning (Alternating Current, AC)?

Het begon allemaal met de uitvinding van de gloeilamp door Thomas Edison in 1879. Hij kwam er al snel achter dat er een elektrisch distributiesysteem nodig was om zijn gloeilampen, die werken op DC, van stroom te voorzien. En op 4 september 1882 schakelde Edison’s werelds eerste elektriciteitsvoorziening van 100 kW in, waarmee hij 59 klanten rond zijn Pearl Street Station in Lower Manhattan van 110 volt gelijkspanning voorzag.

George Westinghouse vond het elektriciteitsdistributiesysteem van Edison inefficiënt en moeilijk op te schalen. Edison’s net was gebaseerd op laag voltage DC, dus hoge stromen en grote verliezen. Door de geniale Nikola Tesla, die bij Westinghouse ging werken, werden bijna alle componenten voor een AC-systeem ontwikkeld. Zo kon met een transformator de spanning omhoog en omlaag worden gebracht, waardoor veel minder verliezen in het distributienet optraden. En bovendien was er geen omvormer nodig omdat een centrale via een draaiende beweging wisselstroom produceert die direct in een AC net kan worden gestopt. In 1886 installeerden Westinghouse het eerste Amerikaanse wisselstroomnet in Great Barrington. Een door waterkracht aangedreven generator, die 500 volt wisselspanning produceerde, voorzag dit netwerk van energie. De spanning werd omhoog gebracht naar 3.000 volt voor transport en lokaal weer omlaag gebracht naar 100 volt.

De strijd bereikte een absurd hoogtepunt in 1887 toen een groep afgevaardigden van de staat New York aan Edison vroeg of elektriciteit gebruikt kon worden als executiemethode. Hoewel Edison hier eerst niets van wilde weten, gaf hij toch toe. Met één kanttekening: “Dan moet je wel de stroom van mijn concurrent gebruiken, want die is veel dodelijker.” Edison hoopte hiermee Westinghouse uit te schakelen door wisselstroom te associëren met de dood. Een door Edison ingehuurde ingenieur, voerde vervolgens publieke demonstraties uit. Zwerfhonden, katten, paarden en zelfs een circusolifant werden opgeofferd om aan te tonen hoe dodelijk wisselstroom was. De staat New York raakte overtuigd en besloot de executiemethode te gebruiken.

De strijd tussen gelijkstroom en wisselstroom eindigt met de victorie voor wisselstroom door de ingebruikname op 16 november 1896 van een elektriciteitstransportnet over de toen opzienbarende afstand van 40 kilometer, van de waterkrachtcentrale bij de Niagara watervallen tot Buffalo. En zo komt het dat we nu overal ter wereld een AC-elektriciteitsdistributiesysteem hebben. Toch moeten we nu weer omschakelen naar een DC-net, want er is in die 150 jaar heel veel technologie veranderd.

Het begon met de uitvinding van de transistor in Bell Lab’s 1947. De transistor is de fundamentele bouwsteen van computers en veel andere elektronische apparaten. Transistors worden in groten getale geïntegreerd in chips, en tegenwoordig kun je geen enkel apparaat meer kopen dat niet een of meerder chips bevat. En deze chips werken op gelijkspanning DC. Dit betekent dat elk apparaat een AC/ DC inverter heeft ingebouwd. En bij deze conversie treedt een verlies op, van 5-10%. Voel maar eens aan het blokje, de AC/DC-inverter, in het snoer van je computer, dat wordt behoorlijk warm, energieverlies dus.

Sinds de oliecrises in de jaren ‘70 en het rapport van de Club van Rome zijn we op zoek gegaan naar ‘alternatieve’ energiebronnen. Maar wat is daarmee aan de hand? De zonnecel, de windturbine, de brandstofcel, ze produceren allemaal gelijkspanning DC. Dus we zetten de stroom van een zonnecel eerst om van DC naar AC, om vervolgens in een apparaat dit om te zetten van AC naar DC. En dan hebben we sinds kort elektrisch rijden. Rond de eeuwwisseling werden in Nederland de eerste elektrische fietsen verkocht. Inmiddels zijn in 2011 wereldwijd meer dan 30 miljoen elektrische fietsen verkocht. Sinds enkele jaren zijn we ook bezig met elektrische auto’s Maar de batterij van deze fietsen, scooters en auto’s werken op, jawel, DC.

Tsja, wat nu, dus DC is toch uiteindelijk efficiënter en goedkoper! Dat kan dan wel zo zijn, hoor ik u denken, maar het energiedistributiesysteem veranderen van AC naar DC gaat toch duizenden miljarden kosten? Gelukkig hoeft deze verandering niet in één keer, we kunnen het geleidelijk doen. We kunnen gewoon beginnen bij de vraagkant. Zo worden nieuwe datacenters nu al gebouwd op DC. Aan de poort wordt AC in DC omgezet en dat spaart 10% energie, 10% op investeringskosten en 30% op ruimte. In kassen kun je ook aan de poort AC naar DC omzetten en zo alle LED-verlichting voeden. En uiteraard moet er uiteindelijk ook een elektriciteitsnet in kantoren en woningen op DC komen. Natuurlijk gaat dit niet van vandaag op morgen, maar laten we DC direct meenemen nu we toch over smart grids aan het nadenken zijn. Het gaat om DC smart grids. En dat vereist niet alleen technologische innovatie, maar ook innovatie in wet- en regelgeving. Want de elektriciteitswet en NEN1010 zijn niet direct ingericht op the smartest DC grids.

Ad van Wijk is duurzaam energieondernemer, adviseur en professor in Future Energy Systems aan de TU Delft.

Contribution in ‘Energie Actueel’ magazine (Dutch): 1 uur

Ad van Wijk

Ook beschikbaar als PDF.

Er is geen energiecrisis. Sterker nog, er zal nooit een energiecrisis komen. Want de zon  geeft ons in minder dan één uur meer energie dan dat we in de wereld in een heel jaar verbruiken.

De energie die we elk jaar van de zon ontvangen is 5.450.000 EJ (1018 Joule). Deze geweldige hoeveelheid energie is maar een zeer kleine fractie van de energie die de zon produceert. Maar 0,000 000 05% van alle energie die door de zon wordt geproduceerd
bereikt de aarde.

Maar het wereldwijde energieverbruik is slechts zo’n 500 EJ. U ziet, we ontvangen van de zon meer dan 10.000 keer energie dan dat we per jaar gebruiken. En dan verspillen we
ook nog eens ruwweg 98% van de energie die we gebruiken. We kunnen dus met gemak wel 10 keer zoveel mensen meer dan 10 keer zoveel energiediensten leveren dan dat we
nu doen. Er is geen sprake van een energiecrisis nu of in de toekomst.

Maar waarom spreken we dan over energiecrisis en afnemende energiereserves? Waarom voeren we oorlog om energie? En waarom leggen we strategische energievoorraden aan als er zoveel is? We denken dat energie uit de grond moet komen. We steken ons kop in het zand om naar olie, gas of kolen te zoeken. Maar daar zit maar een klein beetje van de zonne-energie in de vorm van plantenrestjes die miljoenen jaren geleden toevallig in de grond zijn gekomen en daar nu in de vorm van kolen, olie of gas zijn opgeslagen. We moeten dan ook niet onze kop in het zand steken om naar energie te zoeken, nee, we hoeven simpelweg maar omhoog te kijken. Eigenlijk toch wel gek en zó stenen tijdperk dat we de zonne-energie eerst in de bodem opslaan, miljoenen jaren gaan wachten, dan enorm in de bodem gaan staan wroeten om daar met veel moeite dat hele kleine beetje energie uit te halen.

De zon geeft ons dus enorm veel energie, maar wat gebeurt er met deze energie van de  zon. Zo’n 34% van de zonne-energie wordt gereflecteerd door de aarde en verdwijnt dus weer; 42% van de zonne-energie wordt gebruikt voor verwarming van het land en het  ater; 23% van de energie van de zon gaat in het verdampen van water zitten, in de zogenoemde watercyclus. 1-2% van de zonne-energie wordt gebruikt om wind en golven te maken. En 0,05% van de energie wordt gebruikt door planten om er biomassa van te maken. Dus ook windenergie, golfenergie, waterkracht, energie uit biomassa zijn naast dat wij zonneenergie noemen allemaal afgeleide vormen van zonne-energie. Naast zonne-energie zijn er eigenlijk nog twee andere vormen van duurzame energie. Getijde-energie wordt veroorzaakt door de zwaartekracht, de aantrekkingskracht van aarde, maan en zon. En aardwarmte, voortkomend uit radioactieve vervalprocessen in het binnenste van de aarde.

Het kan dan wel waar zijn dat we wereldwijd meer dan voldoende duurzame energie  hebben, maar hoe zit dat in ons kleine, dichtbevolkte Nederland met veel energieslurpende industrie? Heeft dat genoeg oppervlak om al zijn energie uit duurzame bronnen te  roduceren? Jazeker, ook Nederland kan meer dan genoeg energie uit duurzame bronnen produceren om in al zijn energiebehoefte te voorzien. In Nederland gebruiken we zo’n 110 TWh per jaar aan elektriciteit, 110 miljard kWh is dat. Dit kunnen we met offshore windenergie produceren als we in een gebied van 3.000 km2 om de kilometer een  windturbine neerzetten. Het Nederlands continentaal plat beslaat 60.000 km2, dus slechts 5% hiervan benutten we voor het neerzetten van windturbines. En ook deze 5% van de  zee is niet vol met windturbines, nee daar kunnen de mooiste natuurgebieden ontstaan, daar kunnen we zeewier kweken voor farmaceutische producten, veevoer en bio-energie, golfenergie winnen, mosselen kweken aan de palen van de windturbines en zelfs zal dit gebied de kraamkamer voor de visstand worden. We hebben nog meer energie nodig natuurlijk, bijvoorbeeld voor rijden. In Nederland rijden we per jaar bijna 1.000 miljard autokilometers. Als we dit elektrisch gaan rijden, zouden we daarvoor nog eens zo’n 140 TWh per jaar nodig hebben. Dat kan er met gemak bij op ons deel van het continentaal plat.

We zouden deze windenergieproductie in de Noordzee in de eerste fase ook heel goed kunnen combineren met elektriciteitsproductie uit de laatste restjes gas en olie die we nog in de Noordzee hebben. We zetten gewoon een elektriciteitscentrale op een platform en stoppen de CO2 die daarbij vrijkomt direct weer in het olieveld. Krijgen we in principe nog meer olie uit het veld. Als de olie dan echt op is, stoppen we er gewoon biomassa in om elektriciteit mee te produceren, waarvan we de CO2 ook nog eens opslaan. En we bouwen op de Noordzee een aantal nieuwe ‘Maasvlakten’, waarop we deze nieuwe energie, landbouw en biochemische industrie en bedrijvigheid neerzetten. Een geweldige
uitdaging voor onze internationaal vooraanstaande offshore bedrijven, onze chemische en petrochemische industrie en onze agro-industrie. Dat creëert nieuwe innovatieve, hoogtechnologische, duurzame bedrijvigheid en werkgelegenheid. Want tja, die Noordzee loopt echt niet naar China of Turkije en die wind blijft ook nog wel even waaien.

Misschien een ideetje voor een volgend kabinet, want hier liggen geweldige kansen voor  Nederland, voor duurzame energie, voor onze industrie en voor de werkgelegenheid.
De nieuwe duurzame VOCmentaliteit, waarom niet?

Ad van Wijk is duurzaam energieondernemer, adviseur en professor in Future Energy Systems aan de TU Delft.