Welkom bij dit project over energievoorziening van een woonwijk!
In dit project leer je over verschillende energiebronnen en hoe energie opgeslagen kan worden. Dit heeft alles te maken met de energietransitie van fossiele naar hernieuwbare energiebronnen. Uiteindelijk ga je met je groepje de energievoorziening van een nieuwe woonwijk ontwerpen.
Bekijk als introductie op het project deze korte film.
Morgenland film
Leerdoelen
Je kunt na dit project:
Vertellen hoe elektrische energie en warmte kan worden opgewekt
Een aantal manieren noemen om duurzaam energie op te wekken
Een aantal manieren noemen om energie op te slaan
Rekenen aan energievoorziening
De energievoorziening voor een woonwijk ontwerpen
Groepsopdracht
Eindproduct
Je gaat nu met een groepje van 2 of 3 leerlingen een nieuwe woonwijk ontwerpen.De woningen hierin moeten allemaal worden voorzien van elektrische energie en warmte. Gebruik de informatie over verschillende soorten energiebronnen en energieopslag om jouw ontwerp te maken. Bekijk ook het Programma van Eisen om te kijken waar het ontwerp aan moet voldoen.
Gebruik de volgende gegevens over de woonwijk:
De woonwijk bestaat uit 5000 huishoudens.
Ieder huishouden heeft gemiddeld 3000 kWh elektrische energie per jaar nodig, dat is 8,2 kWh per dag.
Ieder huishouden heeft gemiddeld 10000 kWh warmte per jaar nodig. De warmtebehoefte verschilt door het jaar heen. In de winter is dat maximaal 100 kWh warmte per dag.
De gemiddelde woning heeft een dakoppervlak van 15 m2 dat geschikt is voor zonnepanelen en zonnecollectoren.
Het eindproduct bestaat uit de volgende onderdelen:
Een tekening/plattegrond van de ontworpen woonwijk op A3-formaat.
Het werkblad met gebruikte energiebronnen en vormen van energieopslag, een berekening van de totale opgewekte elektrische energie en warmte en energieopslag, een berekening van de totale kosten voor de opwekking en opslag van energie.
Programma van Eisen
Je ontwerp voor de energievoorziening van de woonwijk moet aan de volgende eisen voldoen:
Het ontwerp kan 5000 woningen van elektrische energie en warmte voorzien.
De energievoorziening stoot zo min mogelijk koolstofdioxide (CO2) uit.
Er kan genoeg energie worden opgeslagen om de woonwijk 2 dagen van energie te voorzien als er geen energie kan worden opgewekt.
Er worden minstens 2 verschillende hernieuwbare energiebronnen gebruikt.
Stappenplan: Hoe begin je?
Je kunt het volgende stappenplan gebruiken om je woonwijk te ontwerpen.
Bereken hoeveel elektrische energie en warmte de huishoudens in het totaal nodig hebben per jaar en per dag.
Bekijk de informatie over de verschillende energiebronnen voor elektrische energie en warmte. Kies aan de hand van de voor- en nadelen een mix van deze energiebronnen.
Bereken hoeveel van deze energiebronnen nodig zijn om aan de energievraag (van stap 1) te voldoen en wat de kosten hiervan zijn.
Bereken hoeveel elektrische energie en warmte er in totaal moet kunnen worden opgeslagen.
Bekijk de informatie over verschillende vormen van energieopslag. Kies aan de hand van de voor- en nadelen een mix van deze vormen van energieopslag.
Maak op papier van A3-formaat een tekening/plattegrond van jouw ontworpen woonwijk. Laat daarin de verschillende energiebronnen en vormen van energieopslag zien. Wees creatief in de uitwerking!
Elektrische energiebronnen
Zonnepanelen
Zonnepanelen zetten stralingsenergie van de zon om in elektrische energie. Hoeveel elektrische energie er wordt opgewekt hangt af van het oppervlak van zonnepanelen, de hoeveelheid zonlicht en in welke richting de zonnepanelen staan. Zonnepanelen kunnen het best onder een hoek van ongeveer 35º richting het zuiden gericht staan om de zon het beste te benutten.
De elektrische energie gaat door een omvormer en kan dan direct gebruikt worden in huis. Als er meer wordt opgewekt dan gebruikt kan worden kan deze elektrische energie eventueel worden opgeslagen door andere woningen worden gebruikt.
Voordelen:
Zonne-energie raakt niet op
Het onbenutte oppervlak van daken kan gebruikt worden
Zonnepanelen zijn relatief goedkoop
Geen CO2-uitstoot tijdens het opwekken (wel tijdens productie)
Nadelen
Werkt alleen als de zon schijnt
Zonnepanelen zijn slecht te recyclen
Energieopbrengst
Zonnepanelen leveren jaarlijks 150 kWh per m2
Kosten
Zonnepanelen kosten € 250 per m2
Windmolens
Windmolens zetten bewegingsenergie van de lucht (wind) om in elektrische energie. De wind blaast tegen de wieken van de windmolen waardoor deze gaan draaien. Een generator (een soort dynamo) zet deze draaiende beweging om in elektriciteit. Hoeveel elektrische energie er kan worden geleverd hangt af van de grootte van de windmolen en hoe hard het waait.
Voordelen
Windenergie raakt niet op
Windmolens zijn relatief goedkoop
Geen CO2-uitstoot tijdens het opwekken (wel tijdens productie)
Nadelen
Werkt alleen als het waait
Sommige mensen vinden windmolens niet mooi (horizonvervuiling)
Energieopbrengst
Een windmolen levert 5.000.000 (5 miljoen) kWh per jaar
Kosten
Een windmolen kost € 3.000.000,- (3 miljoen)
Kerncentrale
Een kerncentrale gebruikt de energie die in de atoomkernen van de stof uranium zit. Door een ingewikkelde kernreactie worden deze atoomkernen gespleten in nieuwe atoomkernen waarbij veel warmte vrijkomt. Deze warmte kan worden omgezet in elektrische energie. Als alle uraniumkernen gespleten zijn kan het niet meer gebruikt worden, maar dat kernafval zendt nog wel duizenden jaren radioactieve straling uit. Deze straling is erg slecht voor mens en dier waardoor het kernafval veilig moet worden opgeborgen.
Voordelen
Er is heel weinig uranium nodig om veel energie op te wekken
Geen CO2 uitstoot tijdens de kernsplijting
Nadelen
Kernafval zendt schadelijke radioactieve straling uit en moet veilig opgeborgen worden
Ongelukken met kerncentrales hebben grote gevolgen
Het winnen van uranium uit mijnen kost veel energie
Energieopbrengst
Een kerncentrale kan jaarlijks 5.000.000.000 (5 miljard) kWh elektrische energie leveren
Kosten
Een kerncentrale kost € 20.000.0000.000,- (20 miljard)
Biomassacentrale
Een biomassacentrale kan gebruikt worden om elektrische energie en/of warmte te leveren. In de centrale wordt afval van planten en bomen verbrand waarbij warmte vrijkomt. Met deze warmte kunnen direct woningen verwarmd worden of het kan worden omgezet in elektrische energie of een combinatie van beide.
Bij het verbranden van biomassa komt wel koolstofdioxide (CO2), roet en fijnstof vrij, net als bij fossiele brandstoffen. Toch wordt deze energiebron duurzaam genoemd omdat de planten en bomen tijdens hun leven CO2 uit de atmosfeer hebben opgenomen. Als we biomassa op grote schaal willen toepassen is er eigenlijk te weinig afval van planten en bomen.
Voordelen
Biomassa is CO2-neutraal.
Biomassa raakt niet op.
Biomassa altijd gebruikt worden.
Nadelen
Om biomassa op grote schaal toe te passen is er te weinig afval van planten en bomen. Daarom zouden bossen gekapt moeten worden om genoeg brandstof te krijgen.
Het verbranden van biomassa zorgt voor roet en fijnstof en is slecht voor de gezondheid.
Energieopbrengst
Een biomassacentrale levert per jaar:
18.000.000 kWh elektrische energie
40.000.000 kWh warmte
Kosten
Een biomassacentrale kost €100.000.000 (100 miljoen)
Warmtebronnen
Aqua Thermie
Aquathermie is de verzamelterm voor duurzaam verwarmen en koelen met water. Het gaat om warmte en koude uit oppervlaktewater (TEO), afvalwater (TEA) en drinkwater (TED). Aquathermie is één van de alternatieven voor duurzame verwarming uit het Klimaatakkoord.
Drie soorten aquathermie
Aquathermie kent drie varianten: thermische energie uit oppervlaktewater (TEO), uit afvalwater (TEA) en uit drinkwater (TED).
Thermische energie uit oppervlaktewater
TEO maakt gebruik van warmte uit oppervlaktewater, zoals een rivier of waterplas. Dat water wordt via een warmtenet naar woningen of gebouwen geleid. Daar kan het via een warmtewisselaar worden overgedragen voor direct gebruik of opslag in de bodem, in een WKO-systeem. Het afgekoelde water gaat weer terug naar het oppervlaktewater waaraan de warmte onttrokken is.
Thermische energie uit afvalwater
Bij TEA wordt de warmte ingezet die afkomstig is van het gezuiverde afvalwater afkomstig van rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI). TEA is iets anders dan riothermie, waarbij warmte uit wegstromend douche- of afwaswater met een warmtewisselaar van de rioolleiding wordt overgezet naar het warmtenet voor hergebruik.
Thermische energie uit drinkwater
Bij TED wordt gebruik gemaakt van warmte en koude uit drinkwater. Vanuit de drinkwaterleiding kan warmte of koude via een dubbelwandige warmtewisselaar worden overgedragen voor direct gebruik of opslag in de bodem in een WKO-systeem. Het drinkwater stroomt vervolgens weer het drinkwaterleidingnet in.
Kosten
Een aqua-thermie installatie kost +/- €15.000.000 per 1000 huishoudens. Hoe meer installatie's geplaats worden hoe goedkoper het wordt.
Zonneboiler
Wat is een zonneboiler?
Een zonneboiler bestaat simpel gezegd uit een boiler, absorber, warmtewisselaar en een stel collectoren. Deze collectoren nemen de warmte uit de zon op, transporteren dat naar de warmtewisselaar en geven het zo over aan het water. Zelfs al schijnt de zon nauwelijks, dan kan een zonneboiler nog steeds warmte genereren. U zult naast een zonneboiler wel altijd een reservesysteem moeten hebben als u meer warm water nodig hebt dan dat de zonneboiler op dat moment kan opwarmen.
Voordelen
De warmte van de zon is oneindig
Er is geen CO2 uitstoot bij verwarmen
Ze zorgen voor lagere energiekosten
Nadelen
Er blijft een andere bron van verwarming nodig
Prijzig in de aanschaf
Niet ieder dak is geschikt
Opbrengst
Een zonneboiler levert per jaar ongeveer 3000 kWh aan warmte op.
Kosten
Een zonneboiler kost ongeveer €4000 in aanschaf.
Aardwarmte-installatie
Met een aardwarmte-installatie kun je de warmte die in het grondwater aanwezig is, gebruiken om de woning te verwarmen. Dit geothermische systeem heeft het hoogste rendement van alle soorten warmtepompen maar vergt wel een flinke investering.
Daarvoor worden er twee gaten geboord, soms tot wel 150m diep. Daar neemt het systeem de warmte van het grondwater op, vanaf die plek wordt het water naar de verdamper gebracht. Deze geeft zijn energie af, aan het water in het verwarmings circuit.
Voordelen van een aardwarmte-installatie.
Het systeem is heel erg zuinig.
Neemt weinig ruimte in, in huis.
In de zomer kan je je huis hiermee koelen.
Nadelen van een aardwarmte-installatie
De installatie kost totaal ruim €15.000 per woning.
Een huis moet goed geisoleerd zijn.
Je hebt vloerverwarming of speciale radiatoren nodig.
Energie verbruik
Een aardwarmte installatie verbruikte jaarlijks 3.000 kWh aan elektrische energie
Kosten
Een aardwarmte installatie kost +/- €15.000 per woning. Hoe meer installatie's geplaats worden hoe goedkoper het wordt.
Per 5 woningen kost het nog maar €11.000 per woning.
Een biomassacentrale kan gebruikt worden om elektrische energie en/of warmte te leveren. In de centrale wordt afval van planten en bomen verbrand waarbij warmte vrijkomt. Met deze warmte kunnen direct woningen verwarmd worden of het kan worden omgezet in elektrische energie of een combinatie van beide.
Bij het verbranden van biomassa komt wel koolstofdioxide (CO2), roet en fijnstof vrij, net als bij fossiele brandstoffen. Toch wordt deze energiebron duurzaam genoemd omdat de planten en bomen tijdens hun leven CO2 uit de atmosfeer hebben opgenomen. Als we biomassa op grote schaal willen toepassen is er eigenlijk te weinig afval van planten en bomen.
Voordelen
Biomassa is CO2-neutraal.
Biomassa raakt niet op.
Biomassa altijd gebruikt worden.
Nadelen
Om biomassa op grote schaal toe te passen is er te weinig afval van planten en bomen. Daarom zouden bossen gekapt moeten worden om genoeg brandstof te krijgen.
Het verbranden van biomassa zorgt voor roet en fijnstof en is slecht voor de gezondheid.
Energieopbrengst
Een biomassacentrale levert per jaar:
18.000.000 kWh elektrische energie
40.000.000 kWh warmte
Kosten
Een biomassacentrale kost €100.000.000 (100 miljoen)
Energieopslag
Waterstof
Waterstof is een geurloos en kleurloos gas. Om waterstof te gebruiken, het moet altijd eerst gemaakt worden. Daarbij wordt energie opgenomen in de waterstof. Het is een stof die energie kan herbergen: een energiedrager. Geen enkele stof kan per kilogram meer energie bevatten dan waterstof. Bij verbranding geeft waterstof de energie vrij en kan deze gebruikt worden.
Waterstof kan niet uit de natuur gewonnen worden, zoals aardgas of – olie. Het moet altijd eerst gemaakt worden. Daar zijn verschillende manieren voor. Om waterstof te maken is een grondstof nodig, bijvoorbeeld aardgas of water. In combinatie met energie (bijvoorbeeld aardgas of elektriciteit) kan waterstof worden gemaakt.
"Typen" waterstof
Er wordt onderscheidt gemaakt in drie typen waterstof.
Grijze waterstof
Groene waterstof
Blauwe waterstof
Bij grijze waterstof wordt aardgas gebruikt. Uit dit aardgas wordt waterstof gas gehaald. Daar komt CO2 bij vrij. Dit wordt losgelaten in de lucht
Bij groene waterstof wordt het waterstof gewonnen door water en (groene) elektriciteit te combineren. Dat noemen we elektrolyse. Hier komt geen CO2 vrij.
Bij blauwe waterstof wordt het waterstof ook uit aardgas gemaakt, maar wordt het CO2 opgevangen en ergens anders opgeslagen. (bijvoorbeeld onder de grond)
De voor- en nadelen van waterstof
Waterstof heeft zowel voor- als nadelen. De voordelen van waterstof zijn:
Waterstof kan erg veel energie opslaan, meer dan elke andere stof op aarde.
Het kan worden opgeslagen in bijvoorbeeld lege aardgasvelden of zoutkoepels. Dit is beter dan opslag van energie in batterijen of accu’s, omdat de opslag van waterstof voor minder energie verlies zorgt.
De opslag van waterstof zorgt ervoor dat het een buffer voor het elektriciteitsnet kan vormen. Op momenten dat het aanbod groene energie uit zonne- of windenergie laag is, kan opgeslagen waterstof worden ingezet om aan de elektriciteitsvraag te voldoen.
Waterstof is goed te vervoeren, waardoor het importeren van duurzame elektriciteit in de vorm van groene waterstof mogelijk is. Het kan bovendien gebruikt worden in het bestaande gasnet.
Waterstof kan worden gebruikt om huizen die niet goed te isoleren zijn duurzaam te verwarmen.
De nadelen van waterstof zijn:
Bij het maken van waterstof gaat energie verloren. Bij het omzetten van elektriciteit in waterstof gaat zo’n 25 procent van de energie verloren. Ook bij het omzetten van waterstof naar elektriciteit is er sprake van energieverlies: zo’n 40 procent. Totaal dus 65%
Groene waterstof is duurzaam, maar de productie is erg duur, kost veel tijd en is ingewikkeld.
Het aanleggen van een goede infrastructuur voor waterstof (bijvoorbeeld het aanpassen van het bestaande gasnet) kost veel geld. Voor andere alternatieven, zoals groen gas, zijn zulke dure aanpassingen niet nodig.
Er is op dit moment een zeer klein aanbod van groene waterstof. Een belangrijk discussiepunt is hoe dat gebruikt gaat worden. Niet voor elke toepassing zal genoeg duurzame waterstof beschikbaar zijn.
Kosten
1 m3 waterstof gas kost ongeveer €2
Een gemiddeld huishouden heeft per jaar ongeveer 3000m3 nodig.
Thuisaccu
Een thuisaccu is een batterij met een grote capaciteit, die alle elektrische apparatuur in uw woning enkele uren tot zelfs dagen van energie voorziet. Op deze manier is het mogelijk om veel minder afhankelijk van het energienet te worden.
Wat is een thuisaccu?
De thuisaccu maakt gebruik van moderne Lithium-Ion-batterijen, die voornamelijk met zonnestroom worden opgeladen. Pas wanneer de thuisaccu leeg is, zal weer stroom van het energienet worden gehaald. Het wordt zelfs mogelijk om in de lente en zomermaanden volledig onafhankelijk van het elektriciteitsnet te zijn. Thuisaccu’s worden in hoog tempo goedkoper door de opkomst van elektrische auto’s. Het is daarom niet verwonderlijk dat veel thuisaccu’s door bekende automerken worden aangeboden. Fabrikanten zoals Tesla, BMW en Mercedes bieden al thuisaccu's aan. Hoewel het aantal huishoudens met een thuisaccu nog klein en de prijs nog hoog is, zal de thuisaccu de komende jaren snel goedkoper en populairder worden.
Voordelen van een thuisaccu
Hoewel een thuisaccu op dit moment puur economisch gezien nog geen financieel interessant alternatief is voor uw vaste energieaansluiting, zullen de voordelen in de toekomst groot zijn:
De warmtepompboiler is een speciaal type warmtepomp dat gebruik maakt van de omgevingslucht of ventilatielucht in de woning om je sanitair water op te warmen. Het is een energiezuinige en milieuvriendelijke soort boiler.
Wanneer is warmtepompboiler interessant?
1) Grote gezinnen of grote warmtebehoefte: Met een warmtepompboiler kan je op meerdere plaatsen tegelijk warm water afnemen. Er zijn boilervaten van hele grote volumes beschikbaar, afhankelijk van je verbruik.
2) Bestaande woning en/of geen zin in grote werken: De installatie van een warmtepomp is zeer eenvoudig. Het toestel werkt op elektriciteit en moet je simpelweg in het stopcontact steken.
3) Als je zonnepanelen hebt: Zonnepanelen kunnen aangesloten worden op je warmtepompboiler. De elektriciteit die je nodig hebt voor dit soort boiler, wordt dan op een groene manier geleverd.
Een warmtepompboiler kan een huishouden van 4-5 mensen voorzien van warm water. Daarnaast is er ook nog een apparaat nodig voor de verwarming van het huis.
De warmtepompboiler verbruikt ongeveer 500 kWh aan energie om het water op te warmen.
Een warmtepompboiler voor 4-5 mensen kost ongeveer €2500.
Warmte Koude Opslag is een techniek waarbij warmte en kou wordt opgeslagen in de bodem. Dit gebeurt door in de zomer de warmte de bodem in te brengen en in de winter deze warmte er weer uit te halen. Daardoor gebruik je de bodem als een soort opslag vat.
Een WKO wordt altijd gebruikt in combinatie met een warmtepomp. De WKO is dus vooral een groot energievat voor verschillende wijken/woningen.
Kosten
De kosten voor een WKO worden vaak door een hele buurt gedragen. Doordat iedereen een klein deel betaald is het betaalbaar.
Het arrangement Project energievoorziening woonwijk is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
