ENGINE: energie en drinkwater in balans

Tijdens het transport van drinkwater via ondergrondse leidingen warmt dit door de temperatuur van de bodem op. Een opgewarmde bodem op 1 meter diepte kan ertoe leiden dat de wettelijke maximumwaarde van 25 °C aan de tap wordt overschreden. Klimaatverandering, een toename van antropogene warmtebronnen door verstedelijking en de energietransitie zorgen voor een warmere (stedelijke) bodem en verhogen daarmee de kans op overschrijding van deze temperatuurnorm. Dit kan grote gevolgen hebben voor de drinkwaterkwaliteit.

De invloed van de bodemtemperatuur op het drinkwater kan bijvoorbeeld worden beperkt door bij aanleg van de ondergrondse infrastructuur de onderlinge afstand tussen leidingen te vergroten. Voor het onderbouwen van zulke keuzes moet bekend zijn hoe de drinkwatertemperatuur wordt beïnvloed, met name door antropogene warmtebronnen zoals warmtenetten en elektriciteitskabels. ENGINE is een project dat de kennis over warmteoverdracht tussen bodem, drinkwater en warmtenetten vergroot en hiervoor praktische tools aanlevert.

Technologie

Om een uitspraak te kunnen doen over gewenste minimale afstanden tussen warmtebronnen en drinkwaterleidingen, moet onder allerlei omstandigheden duidelijk zijn wat de invloed van die bronnen is op de bodemtemperatuur. We hebben het dan bijvoorbeeld over grondsoort, seizoenen, diameters van leidingen en leidingmateriaal. Omdat het uitvoeren van een aantal metingen hier nooit voldoende zicht op geeft, is een goed model nodig.

In een eerder TKI-project: ‘Onderzoek warmteoverdracht drinkwaterleidingen’, zijn modellen ontwikkeld voor het effect van warmtenetten en elektriciteitskabels op de drinkwatertemperatuur in ondergrondse leidingen. Resultaten hiervan wijzen uit dat het voor het huidige project belangrijk is om de modellen aan te scherpen en te valideren en goede afstemming te laten plaatsvinden met de projectpartners.

Aanscherpen van de modellen

Voor een betere beschrijving van de invloed die antropogene opwarming aan het maaiveld heeft, worden bestaande bodemtemperatuurmodellen (BTM) geïntegreerd tot een (tweedimensionaal) BTM+ model. We ontwikkelen een experttool waarmee eenvoudig voor verschillende scenario’s opwarmtijd-versus-temperatuur-grafieken zijn te maken. Het gaat in totaal om 2.000 scenario’s die kunnen worden geautomatiseerd. Omdat we gebruikmaken van open source software, is het model toegankelijk voor iedereen.

Het eerder toegepaste WANDA-model blijkt slechts bruikbaar voor eenvoudige leidingtrajecten met een beperkte variatie in volumestroom, leidingdiameter en leidingmateriaal. Door dit model als tussenstap in te zetten zijn de uitkomsten van een bodemtemperatuurmodel (BTM+) vertaald naar een watertemperatuurmodel (1D-WTM). Met dit 1D-WTM model kan de drinkwatertemperatuur in een volledig drinkwaterleidingnet worden berekend. In het huidige project wordt het analytische model uit BTM+ toegevoegd aan het 1D-WTM model. Dit aangevulde model noemen we het WTM+ model.

Validatie

In modelontwikkeling is validatie een noodzakelijke stap, maar dit is bij het voorgaande project niet (tijdig) gebeurd. Om het risico van mislukte metingen tegen te gaan, is de validatie al uitgevoerd voordat het huidige project van start ging. We richten ons hierbij niet op de oude modellen, maar op validatiemetingen van BTM+ (op basis van metingen in de ICAIR- opstelling van de universiteit van Sheffield, afgerond in Q4 2019; en validatie op basis van metingen bij Evides, afgerond in mei 2020) en WTM+ modellen (validatie op basis van metingen bij Evides, afgerond in mei 2020).

Afstemming met projectpartners

Gedurende het project zijn veel afstemmingsmomenten voorzien over de keuzes van scenario’s, de voortgang van het project, de communicatie naar buiten en naar de NEN7171-commissie.

Uitdaging

In de ontwikkeling van het model gaat het om een zeer complex en dynamisch systeem. Er vindt op meerdere manieren warmte-uitwisseling plaats: tussen atmosfeer en bodem, tussen bodem en warmwaterleiding en tussen bodem en drinkwaterleiding. Ook is sprake van significant verschillende tijdschalen: minuten tot maanden (veranderingen in atmosfeer), uren tot dagen (warmteoverdracht door de bodem), uren (verblijftijd van water in de leiding) en dagen (warmte-uitwisseling van water en bodem). Daarom koppelen we een aantal modellen aan elkaar, in plaats van alles in één overkoepelend model te vatten.

Wat betreft het gebruik van de ondergrondse ruimte is het belangrijk met elkaar af te spreken welke uitgangspunten hierbij worden gehanteerd. De komende jaren zal de ondergrondse infrastructuur vanwege de energie- en warmtetransitie flink op de schop gaan. Kabels en leidingen worden vervangen en er komen nieuwe of zwaardere bij; ook in historische binnensteden waar de ondergrondse ruimte beperkt is. Met goede afspraken moet iedereen toegang hebben tot energie, warmte en andere nutsvoorzieningen en moet ook de levering van betrouwbaar drinkwater zijn gewaarborgd.

Oplossing

Met de resultaten van dit project wordt de Nederlandse norm voor de ruimtelijke ordening van ondergrondse netten (NEN7171) bijgesteld. De deelnemende partners zorgen dat hiervoor de ontwikkelde kennis wordt ingebracht, hierin ondersteund door een passende rapportage en presentatie. Belangrijk is ook dat de doorgerekende scenario’s passen bij de doelstelling van NEN7171; de projectpartners halen de benodigde informatie op bij de commissie.

Daarnaast helpt een infographic of animatiefilm in de uitleg van problemen en opties. Hiermee worden beheerders van ondergrondse infrastructuur (gemeente, beheerders van elektra, telecom, gasleidingen, warmtenetten en drinkwaternetten) op een toegankelijke manier van de situatie op de hoogte gesteld. En met een experttool krijgen de projectpartners praktische handvatten aangereikt om voor bestaande situaties in te schatten wat de mogelijkheden zijn voor een goede inpassing van de ondergrondse infrastructuur.