Warmtenetgeneraties
Warmtenetten zijn best al oud, ouder dan honderd jaar, en kennen, net als mensen, verschillende generaties.
De eerste generatie situeert zich ruwweg tussen 1880 en 1930, de tweede generatie tussen 1930 en 1980 en de derde generatie tussen 1980 en 2020. De nieuwe generatie, de vierde - 4G - is gestart in 2020 en wordt verwacht te lopen tot 2050. We zijn dus amper begonnen aan 4G, en bovendien is 4G nog zeker niet de standaard: 90% van alle nieuwe netten die in de EU worden aangelegd zijn momenteel nog 3G.
Figuur 1: Illustratie van 4e generatie warmtenetten in vergelijking met de drie voorgaande generaties [1]
De overgang tussen deze generaties wordt gekenmerkt door disruptieve technologische innovaties. Bij 1G à 2G was dit de overgang van stoom naar water als energiedrager, bij 2G à 3G: voorgeïsoleerde buizen, en, nu komen we tot ‘digitale warmtenetten’, bij 3G à 4G: het toevoegen van informatie- en communicatietechnologie - ICT - aan de infrastructuur, ‘smart energy’.
Je kan op allerlei manieren ICT toevoegen aan warmtenetten, zowel in de ontwerp- als in de operationele fase, wanneer je een bestaand warmtenet uitbaat.
Laat ons, chronologisch volgens het bestaan van een warmtenet, eerst de ontwerpfase bekijken.
Design van warmtenetten
Vroeger werden warmtenetten, en leidingnetwerken in het algemeen, volgens de ervaring van expert-ontwerpers gespecialiseerd in de materie uitgetekend: welk punt wordt met welk punt verbonden, waar lopen de leidingen, hoe groot zijn de diameters van de verschillende buizen. Dan kwam een eerste digitalisering: het ontwerp van warmtenetten gebeurde niet meer met pen, liniaal en papier, maar via tekenprogramma’s op computers door een menselijke ontwerper. Een volgende stap was automatisering: routingsalgoritmen nemen de taak over van de menselijke ontwerper om leidingtrajecten en -afmetingen te berekenen en uit te leggen op een geografische kaart. Deze algoritmen worden steeds beter. Ook EnergyVille is hierin actief.
Niet alleen leidingen, maar ook actieve warmtenetcomponenten maken meer en meer gebruik van digitalisering bij het ontwerp: zo kennen we tegenwoordig warmtewisselaars met kuiltjes (‘dimples’) en recenter ook met vinnen. De nieuwe generaties warmtewisselaars worden ontworpen volgens computermodellen met meer amorfe inwendige structuren, die tot realiteit gebracht kunnen worden met 3D-printing.
Verder wordt van actieve warmtenetcomponenten tegenwoordig een zogenaamde ‘digitale tweeling’ gemaakt: van elke component wordt een digitale kopie gemaakt, die alle fysische gegevens zoals aard, afmetingen, fysische kenmerken bevat. Zo wordt er een volledig digitaal model gemaakt van het gehele warmtenet vooraleer ook maar één buis in de grond wordt gestoken. Dit is momenteel vaak nog een statisch model, eens de digitale tweeling zijn doel bij het ontwerp gerealiseerd heeft, wordt hij op non-actief gezet. Deze digitale tweeling zou echter ook perfect kunnen gebruikt worden bij het operationeel beheer van warmtenetten. En dit leidt ons naadloos naar de tweede en belangrijkste fase in het leven van een warmtenet.
Operationeel beheer van warmtenetten
Bij het operationeel beheer van warmtenetten denken we aan een operationeel centrum waar een aantal menselijke operatoren de goede werking van de infrastructuur en de actieve componenten in het oog houden. Zij zorgen ervoor dat de productie voldoende warmte produceert, dat de warmte verdeeld wordt via het leidingennetwerk, en dat de aangesloten gebouwen elk voldoende warmte krijgen. Naast deze ‘slimme bewaking’ van het warmtenet wil de warmtenetbeheerder ook op elk moment de juiste beslissingen nemen over de te leveren temperaturen, de aan te schakelen warmtebronnen etc. Dit aspect noemen we ‘slimme controle’. Wanneer je al een digitale tweeling hebt, die een digitale kopie is van het reële warmtenet, zou je deze kunnen inzetten op een dynamische manier: via data-uitwisselingssystemen in de fysische wereld worden de gegevens in de digitale tweeling in real time up to date gebracht, zodat de operator ten allen tijde een up-to-date en correcte weergave heeft op zijn computerscherm van wat er daarbuiten gebeurt.
En zo komen we tot een eerste belangrijk aspect van de operationele digitalisering van warmtenetten: data-uitwisseling.
DATA-UITWISSELING
Data-uitwisseling duidt op data die in twee richtingen gaat: van de lokale actieve warmte-elementen/gebouwen naar het centrale beheer (monitoring, acquisitie of het bekomen van data), maar ook omgekeerd, van het centrale beheer naar de lokale actieve warmte-elementen/gebouwen (sturing, controle). In een industriële context worden de data-uitwisselingssystemen vaak SCADA-systemen genoemd, supervisory control and data acquisition.
In deze data-uitwisselingsystemen is ook een grote evolutie te merken, wat we Internet of Things - IoT – noemen: alle dingen, dus ook alle ‘warmte-componenten’ zullen op termijn met elkaar verbonden zijn via datalijnen. Dit is iets waaraan een aantal warmtenetwerkoperatoren werken: het moderniseren en data-connecteren van hun lokale warmteafgiftestations. Waar ze vroeger relatief blind waren voor wat er met hun warmte in lokale warmtesystemen gebeurde, wordt er meer en meer ingezet om gegevens vanuit het lokale warmtegebeuren te bekomen, gekoppeld aan de mogelijkheid om van op afstand lokaal in te grijpen, en te sturen. Dit is om een betere klantenservice te kunnen leveren. Het ‘alarm’-systeem wanneer er thuis bij de klant iets gebeurt is bijvoorbeeld niet meer een klant die belt ‘Ik heb het wel erg koud terwijl ik de thermostaat op 25°C staan heb’ of ‘Wel, er lijkt hier water uit mijn binnenkomende leiding te spuiten’, want dan is het al te laat. Het is wel het actief en preventief operationeel houden van het warmtenet zonder dat de klant er iets van merkt, laat staan op iets van comfort dient in te boeten.
Nu, we hebben nu dan wel gegevens over ons warmtenet, en we kunnen het ook vanuit het centraal operationeel beheer aansturen, maar we hebben nog altijd menselijke operatoren nodig om deze data nuttig aan te wenden. We weten ook dat computers veel sneller kunnen interageren met grotere hoeveelheden data dan mensen. Kunnen we ICT dan niet inzetten om het operationeel beheer verder te digitaliseren? En zo komen we tot een tweede belangrijk aspect van de operationele digitalisering van warmtenetten: data-intelligentie.
DATA-INTELLIGENTIE
Data-uitwisseling en -collectie op zich heeft niet zoveel waarde. Je moet al een echt genie zijn die een onophoudelijke stroom enen en nullen kan ‘lezen’. Daarom moeten we data omzetten in informatie, en informatie in kennis. Daar kunnen mensen wel iets mee. Met data-intelligentie, slimme algoritmes, machine learning, of artificiële intelligentie, kan je op een geautomatiseerde manier inzichten en beslissingen laten genereren door computers. In verschillende industrieën, en zelfs mission critical industrieën, gebeurt dit al, denk maar aan de automatische piloot in vliegtuigen of (financiële) trading systemen.
Dit is waaraan er weldra grote nood zal zijn bij warmtenetwerkoperatoren: wanneer ze hun data-acquisitie en controlemogelijkheden effectief operationeel hebben in hun warmtenetwerkinfrastructuur, en de investering hierin gebeurd is, zal de vraag komen hoe dit tot een beter rendement, verbeterde duurzaamheid en verhoogde klantentevredenheid kan leiden. En dan zal slimme technologie, zoals de STORM District Energy Controller [2], daarop het antwoord zijn: op een geautomatiseerde zelflerende manier zal een warmtenetwerk in zijn geheel betrouwbaarder, rendabeler en groener worden. Deze STORM District Energy Controller maakt trouwens gebruik van de thermische massa van gebouwen om de pieken van de warmtevraag af te vlakken of te verschuiven, zodat aan de productiezijde eveneens de pieken afgevlakt of verschoven worden. Dit resulteert in minder gebruik van dure fossiele piekbrandstof – zoals bijvoorbeeld olie - ten gunste van goedkopere groenere basisbrandstof - zoals bijvoorbeeld houtsnippers.
Leveranciers van klantentevredenheid-verhogende producten en diensten voor warmtenetten zullen dus meer en meer als ICT- en softwarebedrijven gecatalogeerd worden, in belangrijke aanvulling van de meer traditionele warmtetechniekleveranciers.
En om de cirkel rond te maken: operationeel actieve digitale technologieën zullen ook een significante impact hebben op de ontwerpfase. Wanneer je immers door het inzetten van digitale technologieën minder grote productiemiddelen, buizen, warmte-elementen nodig hebt tijdens de operationele fase, kan je daar rekening mee houden tijdens je ontwerpfase waardoor het basisnetwerk goedkoper kan worden.
Wat we net verteld hebben, is een eerste introductie, een aanzet tot bewustwording, van de digitaliseringsgolf die ons ook op het vlak van duurzame warmte zal overspoelen, voor een efficiëntere en duurzamere wereld. Wie over digitalisering van warmtenetten meer wil weten, raden we absoluut aan om de Digital Roadmap for District Heating & Cooling [3] te lezen, waaraan we trouwens actief hebben bijgedragen.
Key take-aways
- Digitalisering van warmtenetten is zowel van toepassing op de ontwerpfase als op de operationele fase.
- Data-intelligentie is een grote volgende stap bij de vierde-generatie-warmtenetten, nadat er gezorgd is voor connectiviteit en bi-directionele data-uitwisseling tussen lokale warmte-elementen/gebouwen en centraal beheer.
- Leveranciers van klantentevredenheid-verhogende producten en diensten voor warmtenetten zullen meer en meer als ICT- en softwarebedrijven gecatalogeerd worden, in belangrijke aanvulling van de meer traditionele warmtetechniekleveranciers.
Referenties
[1] 4th Generation District Heating (4GDH) - Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems, Henrik Lund, Sven Werner, Robin Wiltshire, Svend Svendsen, Jan Eric Thorsen, Frede Hvelplund, Brian Vad Mathiesen, March 2014, https://www.sdu.dk/-/media/files/om_sdu/institutter/iti/forskning/nato+…
[2] STORM District Energy Controller: smart controller for district heating networks, EnergyVille, https://www.energyville.be/en/storm-district-energy-controller
[3] Digital Roadmap for District Heating & Cooling, DHC+ Technology Platform c/o Euroheat & Power, version 2, July 2019, https://www.euroheat.org/wp-content/uploads/2018/05/Digital-Roadmap_fin…
EnergyVille Expert Talks
Het energievraagstuk is een complexe puzzel en vraagt een wetenschappelijke onderbouw die de verschillende technische, politieke en maatschappelijke opties op het vlak van kosten, betrouwbaarheid en duurzaamheid aftoetst. Het onderzoek van EnergyVille levert hieraan een belangrijke bijdrage. Elke maand laat EnergyVille 1 van hun experts aan het woord over een topic i.v.m. de meest uiteenlopende onderwerpen binnen het energievraagstuk.
Meer informatie en expert talks kan je terugvinden in de EnergyVille Blog
