Page 1

BIOCYCLUS biomassa in de energievoorziening van Nederland ACADEMIE VAN BOUWKUNST ROTTERDAM, ATELIER ARCHITECTONISCH DOMEIN II, 2 e SEMESTER 2003


O2

CO2 H2O

BIOMASSA

CONVERSIE

mineralen

PROCES FOTOSYNTHESE

H2O

CO2

O2

energie

BRANDSTOF


BIOMASSA ALS ENERGIEVOORZIENING Biomassa is alle materiaal van organische oorsprong, alles dus wat groeit door het fotosyntheseproces. Eigenlijk is biomassa dus niks anders dan opgeslagen zonne-energie... Biomassa kan een belangrijke bijdrage leveren in onze energievoorziening. Het gebruik van biomassa als energiebron levert, naast energie, een bijdrage aan het reduceren van de uitstoot van broeikasgassen. Biomassa is een zogenaamde kortecyclusbron, wat wil zeggen dat het tijdens het groeiproces evenveel CO2 opneemt, als het tijdens de verbranding weer uitstoot. In biomassa kan worden voorzien door de teelt van energiegewassen, een nieuw landbouwgewas. Een andere belangrijke bron van energie uit biomassa is de organische fractie in onze afvalstroom.

Energiegebruik reduceren Een belangrijke basis voor deze studie is de stelling dat het mogelijk is om het energiegebruik in Nederland te reduceren en dat dit mogelijk is door gebruik te maken van biomassa als brandstof. Om deze stelling te onderbouwen, zijn bestaande procesketens van biomassabronnen onderzocht en is een nieuwe keten ontworpen voor de energievoorziening van huishoudens. Deze keten is vervolgens vertaald naar een ruimtelijk ontwerp voor een woongebouw.

Jan Hendrik Bos juni 2003


wilgenteelt

oogst

vervoer

bio-centrale

woningen

centrale

vuilnis

ophaaldienst

overslagstation

stortplaatsen

toilet

rioolstelsel

rioolzuivering


KETENS VAN BIOBRONNEN

1%

=30 PJ = 30.000.000 GJ = 937.500 huishoudens

BIOENERGIE uit AFVAL verbranding meestook verbranding afval vergisting stortgas vergisting RWZI

BIOENERGIE uit LAND- en BOSBOUW (potentiële gebieden) Akkers Gras Gemengd akker/gras Bos

In Nederland bestaan een aantal bronnen voor de winning van energie uit biomassa. Naast deze inlandse bronnen wordt ook nog hout geïmporteerd uit Canada en Scandianvië. Biomassa uit deze bronnen voorziet in 1% van de totale Nederlandse energiehuishouding. Omgerekend naar aantallen huishoudens, is dit toch nog bijna een miljoen huishoudens. De eerste bron is de enige primaire bron en tegelijk ook de minst toegepaste bron: teelt van energiegewassen. Snelgroeiende houtsoorten als wilgen en populieren worden op kleine (experimentele) schaal ingezet als brandstof voor decentrale energievoorziening. Een groot deel van de bioenergie wordt gewonnen uit afval. In deze keten is biomassa het restproduct van een andere primaire functie, bijvoorbeeld als voedsel, vezels, bouwmateriaal of verpakkingsmateriaal. Ongeveer de helft van onze afvalstroom bestaat uit plantaardige materiaal (GFT) en voor nog eens bijna een derde uit andere organische stoffen. Door verbranding van het afval in centrales wordt vooral warmte geproduceerd en door vergisting van het afval op stortplaatsen wordt biogas gewonnen. Een andere bron is er een die we elke dag zelf produceren en het restproduct van ons voedsel: faeces. Deze bron staat aan het eind van de keten en is rijk aan nutriënten, maar ook aan organische stof. Deze bron wordt sterk met water verdund door het rioolstelsel getransporteerd. In de rioolwaterzuiveringsinstallatie bezinkt het slib en vervolgens wordt door vergisting van het slib biogas gewonnen.


Scenario A 1

1. Gehele energiebehoefte vervangen door geteelde biomassa Benodigde ha. Algen 5.000.000 ha. Riet 10.000.000 ha. Wilgen 14.285.714 ha.

Aantal malen NL 1,20 2,41 3,44


ENERGIE UIT BIOMASSA

baggerdepot en wilgenteelt

afvalwaterreiniging en algenteelt

hout uit onderhoud bossen en parkeen

riet en hout uit onderhoud natuurgebieden

Energieteelt kost energie… Indien we voor onze energievoorziening (dus inclusief de industrie en transport) volledig overgaan op geteelde energiegewassen, dan hebben we tot 3,5 keer de oppervlakte van Nederland nodig om in de energiebehoefte te voorzien. Dat wordt dus niks... Grootschalige teelt is sowieso problematisch omdat de landbouwgrond in Nederland intensief wordt gebruikt voor de voedselvoorziening. De productie van voedsel en weidegrond voor vee heeft een hogere marktwaarde dan de productie van energiegewassen. Wil de teelt van energiegewassen kunnen concurreren met de voedselproductie, dan zal de productie intensief moeten gebeuren en dus onder toediening van kunstmest en kunstmest kost enorm veel energie om te produceren. Teelt van energiegewassen is wel denkbaar in coproductie met een andere functie. In een systeem van wisselteelt of op braakliggende grond. Ook is een combinatie van de reiniging van baggerslib en wilgen of rietteelt mogelijk. Algen hebben grote hoeveelheden nutriënten nodig die in afvalwater en mest voorkomen. Bosgebieden, parken en natuurgebieden moeten in Nederland intensief worden onderhouden. Het product van dit onderhoud is hout. We gooien energie weg… Het grootste deel van de duurzame energie uit biomassa wordt gewonnen uit afval, door het bijstoken van afvalhout in kolengestookte elektriciteitscentrales, winning van biogas uit stortplaatsen en rioolwaterzuiveringsinstallaties en een klein deel door vergisting van organisch materiaal. Een echt primaire duurzame bron is dit nog niet te noemen, want ook hier geldt: het is een bijproduct van een primair ander proces. Daarnaast is de afvalverwerking in Nederland ingericht op een optimale hygiëne. De productie van afval vindt plaats in de gebouwde omgeving en de verwerking van het afval vindt op grote afstand centraal plaats. Afval wordt dus over grote afstanden getransporteerd, vraagt een uitgebreide infrastructuur, veel ruimte en is arbeidsintensief. Zo kost bijvoorbeeld het verwijderen van nutriënten (de groeistoffen voor planten) uit het afvalwater voor drinkwater erg veel energie. De inzameling en verwerking van afval vraagt op dit moment dus erg veel 'zwarte' energie en het levert een beetje 'groene' energie op, bovendien gooien we veel waardevolle stoffen gewoon weg.


REDUCEREN DOOR COMBINEREN We zijn in Nederland dus een beetje dom bezig met energie op het gebied van de bronnen van biomassa. Door de twee processen van de belangrijkste bronnen te combineren, ontstaat een veel positievere energiebalans, waardoor het energiegebruik van Nederland kan worden gereduceerd. De huishoudens in Nederland consumeren 18% van de totale energiebalans en produceren 15% van de totale afvalstroom. Met dit project wordt aangetoond dat het mogelijk is om beide stromen en het bijbehorende energiegebruik te elimineren. Door afvalverwerking en energieteelt te combineren ontstaat een korte ĂŠn gesloten cyclus: het afval van het afvalproces is groeistof voor energiegewassen, deze leveren vervolgens energieproducten die het mogelijk maken om weer afval te produceren in de woning. De BIOCYCLUS is gesloten en draait in een energierijke, groene omgeving.

wilgenteelt

toilet

woningen

E N E R G I E B A L A N S VOOR EEN HUISHOUDEN ENERGIEBEHOEFTE VAN 1 HUISHOUDEN PER JAAR scheiden

ELECTRICITEIT WARMTE TOTAAL

10 GJ 22 GJ 32 GJ


ENERGIE UIT ORGANISCHE AFVALSTROOM PER JAAR GFT FAECES RDF (brandbare restfractie)

AFVAL

3,8 GJ 1,1 GJ 4,7 GJ

TOTAAL UIT 9,6 GJ = + NUTRIテ起TEN (N,P,K) UIT GRIJSWATER EN UREUM

GFT levert voldoende energie om voor twee huishoudens mee te kunnen koken.

Faeces levert 70% van de energie om mee te kunnen koken voor een huishouden.

30%

RDF levert voldoende energie voor de helft van de electiciteitsbehoefte van een huishouden.


ENERGIELEVERING DOOR TEELT VAN BIOMASSA VOOR REINIGING AFVALWATER: ALGEN levert 100m2 of 30 m3 AANVULLEN MET HOUTTEELT: 615m2 WILGEN levert

TOTAAL

UIT

TEELT

6,8 GJ 15,6 GJ 22,4 GJ =

70%


KRITISCHE MASSA EEN VERGISTINGREACTOR DRAAIT RENDABEL BIJ EEN PRODUCTIE VAN 1.000m3 BIOGAS PER DAG. PRODUCTIE BIOGAS PER HUISHOUDEN: GFT FAECES ALGEN TOTAAL 1.000m3 per dag =

188m3 53m3 357m3 597m3 per jaar = 16,6m3 per dag

60 HUISHOUDENS


PROCESSCHEMA

algenaquarium

O2

grijswater ureum

filter schoon water

afval

CO2

GFT

brandstofcel

algen

RDF (brandbare restfractie)

warmte

electriciteit

faeces

vergistingreactor

BIOCYCLUS

digestaat

gasopslag

CO2 + NH3

biogas lucht

vergassingreactor

effluent

gas

compost

gaswasser

(ontzwaveling)

stookgas

hout lucht as

biogas

wilgen


BIOCYCLUS = AFVALMACHINE

VLOEIBAAR

VOCHTIG

DROOG

Algen nemen de nutriĂŤnten op uit de continue vloeibare afvalstroom en CO2, de algenstroom produceert zuurstof en wordt gefilterd. De vochtige algenmassa en het schone water worden opgeslagen in de kelder.

De hoogfrequente stroom van GFT en faeces worden door middel van vacuĂźmleidingen verzameld in de kelder.

De laag frequente stroom van het droge organische restafval (RDF) wordt door middel van een stortkoker verzameld in de kelder. Het hout uit de teelt wordt geoogst in een 3-jarige cyclus en opgeslagen en gedroogd in de kelder.


BIOCYCLUS = ENERGIEMACHINE

CONVERSIE

CONSUMPTIE

De opgeslagen stoffen worden geconverteerd in 2 processen. De vergassingreactor voor de droge stoffen levert stookgas en de vergistingreactor zet de vochtige stroom om in biogas. De gassen worden ontdaan van zwavelverbindingen en opgeslagen in de gasballon. De restproducten van het proces zijn compost, nutriĂŤntrijk water en as: groeistoffen voor de teelt van gewassen.

Het opgeslagen gas wordt door een drukbol met constante druk geleverd aan de woningen. In de woning levert de brandstofcel electriciteit en warmte. De reststroom van de brandstofcel (CO2 en N2) wordt weer toegediend aan het algenaquarium. Schoon water komt uit de kelder. Voedsel en goederen worden van buitenaf aangevoerd.


DOORSNEDE BIOCYCLUS


WINTER

BIOCYCLUS GEBOUW

VOORJAAR/HERFST

In de doorsnede is het integrale proces zichtbaar. De productie van het afval vindt plaats in de woningen, het algenaquarium is daar direct aan gekoppeld en is in een helix rond het gebouw gedraaid. Op de top komt zuurstof vrij uit de algenstroom, waarna deze afdaalt langs de hellingbaan naar de algenfilters. Ondergronds vindt de verzameling van de energieproducten plaats. De verschillende onderdelen van het conversieproces bevinden zich in het hart van het gebouw, ze staan als grote sculpturen in de binnenruimte. Het eiland is meteen ook de ontsluiting van het gebouw, de hellingbaan en de lift komen hier op uit. Het water rond het eiland is het water uit de algenfilters, dit water bevat nog een restant aan algen: ideaal voer voor vissen! Het water gaat door een membraanfilter om het geschikt te maken als drinkwater. De gassen worden door de gaswasser naar de gasopslag geleid. Deze ballon heeft een dynamiek die het energiegebruik van de seizoenen volgt. In de winter is de energiebehoefte groot: er wordt veel gas verbruikt. De gaszak ligt als een warme deken over het gebouw heen en houdt de warmte binnen. In het voorjaar en de herfst is de energiebehoefte lager, de gasballon is beter gevuld.

ZOMER

In de zomer is de vraag naar energie bijzonder laag. De gasballon staat onder druk en stijgt op. Op deze wijze ontstaat een natuurlijke ventilatie van de binnenruimte.


HAAGWONING

KASWONING


BIOCYCLUS WONEN In de woning start het proces: hier wordt het afval geproduceerd. Het is belangrijk om vooral de grijswaterstroom efficiënt af te voeren naar het algenaquarium aan de gevel, dit is immers hun voedsel. De feaces en ureum worden gescheiden afgevoerd in het vacuümtoilet. GFT wordt in de keuken verzameld en ook door het vacuümsysteem afgevoerd naar de opslagkelder. De keuken, badruimte en toilet zijn gecombineerd in een module, een soort afvalmeubel. Doordat de module flexibel wordt ingezet, kunnen verschillende ruimtes worden gemaakt. Afhankelijk van de leefstijl kan de plattegrond met verschillende middelen worden vormgegeven. Wil je echt groen wonen dan gebruik je hagen als ruimtescheiding of een kas langs de gevel. De vloeren van het gebouw lopen in een getrapte helix met het algenaquarium mee naar de top van het gebouw. Doordat de schijven naar de top toe vernauwen ontstaan verschillende woningen in gradueel verloop: grote woningen beneden en kleinere woningen bovenin. Op verschillende plekken zijn gaten in het gebouw gemaakt om daglicht toe te laten in de open binnenruimte. Deze gaten zijn meteen collectieve plekken in het gebouw, openbare ruimtes. De gaten maken het gebouw specifiek op een locatie. Een collectief of openbaar panoramadek gericht op een fantastisch uitzicht, een speelplaats of een tuin, een werkruimte of een specifiek programma uit de directe omgeving in ruil voor een dienst. Er zijn drie locaties onderzocht, ze zijn illustraties voor drie verschillende manieren voor het verzamelen van de droge afvalstroom. Hout uit teelt, hout uit het onderhoud van een bos of park en de droge afvalstroom, RDF.


BIOCYCLUS IN HET BOS Het gebouw bevindt zich op een open plek in het bos. Naast het produceren van afval en daarmee 30% van de energiebehoefte, onderhouden de bewoners het bos. Met deze inspanning winnen ze de overige 70% benodigde energie uit het onderhoudshout. Het gebouw is ondermeer bereikbaar via een pad door het gebladerte van de bomen, deze inspanning wordt beloond met een bijzonder uitzicht over de toppen van de bomen.


BIOCYCLUS IN HET WEILAND Het gebouw bevindt zich in het open landschap. Naast het produceren van afval en daarmee 30% van de energiebehoefte, telen de bewoners 3,5 hectare wilgen in een veld rondom het gebouw. Met deze inspanning halen ze uit het wilgenpark de overige 70% van de benodigde energie. Bemesting gebeurt door de in het gebouw geproduceerde compost.


BIOCYCLUS IN DE BUURT Het gebouw bevindt zich in de stad. De bewoners produceren uit hun eigen afval 30% van hun energiebehoefte. De overige 70% wordt gegenereerd door de omliggende buurt. Buurtbewoners brengen hun afval naar het gebouw, in ruil daarvoor kunnen ze gebruik maken van de collectieve functies in het gebouw. Aan het eind van het algenaquarium komt pure zuurstof vrij, dit wordt toegedient aan het fitnesscentrum dat zich op de bovenste verdieping van het gebouw bevindt. Tijdens het sporten doe je nieuw energie op door een uit algen gemaakt energiedrankje te nuttigen: BIO ENERGYDRINK.

N

U W I E

B

nu

j: bi r ! r krijgbaa IO S! CY S C LU S F I T N E

ve

neem je afval mee!


Jan Hendrik Bos m. +31 (0)6 44970265 e. jh.bos@planet.nl

Biocylcus  

Biomassa is alle materiaal van organische oorsprong, alles dus wat groeit door het fotosyntheseproces. Eigenlijk is biomassa dus niks anders...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you