Gebouwen in de toekomst verbruiken niet alleen minder, maar ook slimmer

'Niet enkel minder, maar ook slimmer verbruiken. Dat is de sleutel om de klimaatimpact van gebouwen, die verantwoordelijk zijn voor meer dan een derde van de CO₂-emissies in de EU, drastisch te verlagen.' In deze expert talk legt Chris Caerts (EnergyVille/VITO) uit waarom, om onze klimaatdoelstellingen te behalen, het essentieel is ook te kijken naar wanneer we verbruiken.

Ons energiesysteem maakt momenteel de ommekeer naar een duurzamere en koolstofvrije toekomst. Gebouwen spelen daarin een essentiële rol. Momenteel zijn gebouwen verantwoordelijk voor ongeveer 40% van ons energieverbruik en 36% van de CO2-emissies in de Europese Unie, voornamelijk voor verwarming en het maken van warm water. Gemiddeld staat verwarming in voor 64% van het verbruik van een gemiddeld Europees gezin. Het voorzien van warm water staat voor een bijkomende 15%. Koeling omvat slechts een beperkt deel (0,3%), met uitzondering van de Mediterrane landen waar dit ongeveer 5 tot 8%[1] omvat. Het aandeel van koeling blijft echter stijgen (+44% korte termijn tot +300% lange termijn) door het effect van klimaatopwarming (die de gemiddelde temperatuur doet stijgen) en energie-efficiëntere (beter geïsoleerde) woningen die in de zomer kunnen zorgen voor oververhitting. [2]

Vandaag richten de inspanningen om de emissies van het Europese gebouwenbestand te verlagen zich voornamelijk op het verlagen van het energieverbruik. Vooral voor verwarming, bijvoorbeeld door de buitengevel beter te isoleren, is dit het geval. De Energy Performance of Buildings Directive (EPBD)[4] legt daarom bindende voorwaarden op voor nieuwe gebouwen en (diepe) renovatieprojecten. Hoewel deze richtlijnen gezorgd hebben voor een duidelijke verbetering van de nieuwe gebouwen, blijven de bestaande gebouwen een grote uitdaging. De snelheid waarmee nieuwe gebouwen het oude gebouwenbestand vervangen of uitbreiden is laag (ongeveer 1% per jaar) [5]. Om de doelstellingen voor 2050 te behalen, zou 97% van de huidige gebouwen grondig gerenoveerd moeten worden[6]. Dit vraagt een grote financiële en arbeidsintensieve inspanning. Om de EPBD-doelstellingen te behalen, moet het niveau van diepe energierenovaties in de EU-deelstaten minstens aan 3% geraken per jaar. Momenteel wordt slechts 0,15% behaald[7]. Specifiek voor Vlaanderen, zou deze doelstelling van 3% betekenen dat 250 gebouwen per dag gerenoveerd moeten worden tot een nul-uitstoot[8].

Een eengezinswoning renoveren met een nieuwe gebouwschil, met voldoende isolatie en beglazing en een aangepaste koelings-, verwarmings- en ventilatie-installatie, vraagt een budget van ongeveer €50.000 tot meer dan €100.000. Als we dit enkel vanuit een financieel perspectief bekijken, zal de verwachte terugverdientijd met de bespaarde energiekosten gemakkelijk tussen de 40 en 100 jaar liggen. Zelfs met de hulp van ondersteuningsmechanismes en andere voordelen, zoals een verhoogd comfort en hogere waarde van het gebouw, blijft dit een harde noot om te kraken. Dit verklaart de trage vooruitgang van diepe renovaties die de hoogste impact op onze uitstoot hebben.

Een andere manier om onze emissies te reduceren is door onze verwarming en het produceren van warm water de elektrificeren. Momenteel wordt het merendeel van onze verwarming (57%) en ons warm water (58,5%) opgewekt door fossiele brandstoffen (gas en olie) [9]. Door de installaties die aangedreven worden door fossiele brandstoffen te vervangen door bijvoorbeeld warmtepompen, kunnen we onze uitstoot op gebouwniveau tot nul reduceren. Uiteraard zijn er nog emissies gelinkt aan de elektriciteitsproductie, maar door een hogere efficiëntie van warmtepompen (die gemiddeld een Factor 3 seizoensgebonden rendementswaarde (SPF) hebben) in vergelijking met de meest efficiënte condensatieketels op gas (die typische een efficiëntie hebben van ongeveer 0.9) kan de uitstoot significant verlaagd worden. En het wordt nog beter als we ook de zogeheten koolstofintensiteit van de elektriciteitsproductie mee in acht nemen die wordt bepaald door het aantal emissievrije bronnen (typisch wind, zon en nucleair). De koolstofintensiteit van aardgas is ongeveer 198g CO2/kWh, de koolstofintensiteit van elektriciteit in België is ongeveer 170g CO2/kWh (cijfer dateert van 2016). Op Europees niveau is dit nog ongeveer 296g CO2/kWh omwille van enkele (bruin)koolgebaseerde technologieën. Dit cijfer daalt echter snel dankzij de vervanging van bruinkool door aardgas, wind- en zonne-energie. Ter illustratie: tussen 2000 en 2016 daalde de koolstofintensiteit in de EU van 405g tot 296g CO2/kWh, terwijl in België het daalde van 274g tot 170g CO2/kWh.

Deze koolstofintensiteit is echter geen constant cijfer: het varieert continu doorheen de dag, en weerspiegelt de hoeveelheid zon of windenergie die beschikbaar is op eender welk moment. Om onze uitstoot te beperken wordt het moment waarop we consumeren daarom zeker zo belangrijk. Je verbruik afstemmen op het moment wanneer je eigen PV-panelen energie produceren zorgt ervoor dat je uitstoot op dat moment daalt tot nul. Maar de elektriciteit die van het net wordt gehaald, varieert sterk ten opzichte van de energiemix op dat moment. In de Europese Unie, waar wind en PV al 16% van de elektriciteitsproductie bedragen, varieert de CO2-intensiteit per uur van elektriciteit met een factor 1,4 over een gemiddelde dag. Dit betekent bijvoorbeeld dat het gebruik van elektriciteit om 20.00 uur 280g CO2/kWh uitstoot, terwijl om 06.00 uur de intensiteit gemiddeld slechts 200g CO2/kWh bedraagt. Zoals op de onderstaande afbeelding te zien is, verwacht men tegen 2040 niet alleen een steile daling van de gemiddelde koolstofintensiteit tot ver onder 100g CO2/kWh, maar ook zou de variabiliteit over een gemiddelde dag toenemen tot een factor 2,5, en variëren tussen 48g en 118g CO2/kWh. De tijd waarin energie wordt verbruikt, wordt dus nog belangrijker. Voor andere landen, zoals India, kan de variabiliteit binnen de dag zelfs oplopen tot een verbluffende factor 7.

Bron: IEA, "Gemiddelde CO2-emissie-intensiteit van de energievoorziening per uur in de Europese Unie, 2018 en 2040 per scenario en gemiddelde elektriciteitsvraag in 2018"[10]

Dit vraagt om een slim beheer van het verbruik, met actieve sturing om maximaal samen te vallen met tijden waarin de koolstofintensiteit het laagst is. Met de juiste stimulerende energiecontracten en tariefstructuren zou dit ook de energiekosten voor slimme consumenten en gebouwen kunnen verlagen. EnergyVille ontwikkelt oplossingen voor een slim gebouwbeheer die flexibel energieverbruik optimaal verleggen en moduleren zonder verlies van comfort. De focus ligt op het slimmer maken van verwarming en de productie van warm water, aangezien dit de grootste bronnen van verbruik en emissies zijn. Bovendien kunnen ze worden geëlektrificeerd (met behulp van warmtepompen) en bieden ze de flexibiliteit die noodzakelijk is voor slimme sturing: de thermische traagheid en opslagcapaciteit van de gebouwmassa of het water, maakt het mogelijk om actief het verbruik van de warmtepomp te sturen zonder het comfort te beïnvloeden. Door metingen en gegevens te gebruiken door middel van digitalisering en IoT, kunnen dynamische gebouwmodellen met meerdere zones op een geautomatiseerde manier worden ontwikkeld. Deze modellen worden gebruikt om optimale verbruikspatronen te bepalen die rekening houden met gebouwkenmerken, gewoonten en voorkeuren van de bewoners, en relevante voorspellingen. De optimalisatie kan in functie van verschillende doelen worden uitgevoerd : bijvoorbeeld minimale kosten (als er dynamische prijzen zijn) of minimale emissies (als er koolstofintensiteitsprognoses en certificaten van oorsprong zijn). De optimalisatie bepaalt een warmtepompverbruiksprofiel dat bestaat uit een binnentemperatuurprofiel dat de comfortinstellingen respecteert, maar toch verschilt van het temperatuurprofiel dat zou worden voorzien met een traditionele thermostaatregeling (zie onderstaande afbeelding). Om dit optimale verbruiksplan zo nauwkeurig mogelijk te kunnen volgen, zijn strategieën voor warmtepompregeling onderzocht in het FHP-project die het determinisme en de granulariteit van het warmtepompverbruik verbeteren [11].

Uit bovenstaande blijkt dat elektrificatie in combinatie met slimme sturing substantieel kan bijdragen aan de vermindering van de uitstoot in gebouwen. Het is echter belangrijk op te merken dat dit geen alternatief is voor energie-efficiëntiemaatregelen, maar eerder een bijkomende maatregel. Verwarmen met warmtepompen in slecht geïsoleerde woningen is niet alleen buitensporig duur, maar vormt ook een belemmering voor het energiesysteem als geheel en een verspilling van waardevolle duurzame energie. De elektrificatie van verwarming verwacht een minimaal niveau van energie-efficiëntie, d.w.z. wanneer het gebouw zeer energie-inefficiënt is, moeten eerst een aantal energie-efficiëntiemaatregelen worden toegepast in lijn met de elektrificatie. In het AmBIENCe-project[12], een collaboratief H2020-project gecoördineerd door EnergyVille/VITO, wordt daarom een Active Buildings Energy Performance Contracting-concept ontwikkeld dat het traditionele EPC-concept uitbreidt en een extra toegevoegde waarde biedt in de slimme sturing van flexibiliteit (d.w.z. slimme vraagsturing). Het Active Building EPC-concept zal - voor een bepaald gebouw - de optimale balans bepalen tussen energie-efficiëntie-maatregelen enerzijds en elektrificatie in combinatie met slimme sturing anderzijds. Het zal de financieel meest haalbare manier bepalen om een emissiereductiedoelstelling te bereiken als en combinatie van energie-efficiëntiemaatregelen, elektrificatie en slimme sturing.

Het AmBIENCe-project breidt het slimme sturingsconcept ook uit tot clusters van gebouwen die energiegemeenschappen vormen. Dit verhoogt de flexibiliteit en valorisatiepotentieel door optimaal te coördineren tussen gebouwen en door diensten met de flexibiliteit aan belanghebbenden op het netwerk of in de markt aan te bieden. Dergelijke flexibiliteitsdiensten vergemakkelijken de integratie van meer wind en zonne-energie door ondersteuning voor balancering en congestiebeheer te bieden, en ze maken investeringen in variabele hernieuwbare energie zoals wind en zonne-energie aantrekkelijker door inperking te verminderen. Bovendien stimuleert dergelijk flexibiliteitsbeheer op gemeenschapsniveau het lokale verbruik van lokaal geproduceerde energie, wat een positief effect heeft op het verminderen van netverliezen.

Als u regelmatig op de hoogte wilt blijven van de activiteiten en resultaten van het AmBIENCe-project en de regelmatige nieuwsbrief wilt ontvangen, kunt u zich als stakeholder registreren op de projectwebsite.