Een zelfvoorzienend energieconcept voor een campus

De uitdaging

Neuhof is een onderwijsinstelling in Birr, Zwitserland, die jongeren ondersteunt met voorzieningen voor tuinbouw, hovenierswerk, gastronomie, landbouw, schilderwerk, metaalbewerking en houtbewerking, naast woon- en opleidingsruimtes. Verspreid over negen onderwijsvoorzieningen, kantoren, woningen en landbouwgrond — 18.000 m² bebouwd oppervlak op 172.000 m² grond — heeft de campus de variatie van een klein dorp. Vandaag komt de energie van het elektriciteitsnet en het gasnet. Neuhof stelde zichzelf het doel een baken voor anderen te worden: een 100% hernieuwbaar, volledig zelfvoorzienend energiesysteem.

Dat doel dwingt sectorinkoppeling af. Volledige zelfvoorziening betekent dat elke vraagvector — ruimteverwarming, elektriciteit en brandstoffen voor voertuigen, inclusief landbouwtractoren — moet worden gedekt uit hernieuwbare bronnen op locatie of in de directe omgeving. Een nieuwe opleidingsvoorziening en renovaties van bestaande gebouwen veranderen het vraagprofiel. En een zelfvoorzienend systeem heeft fysieke ruimte nodig voor decentrale productie en opslag op locatie, dus elk concept moet ruimtelijk haalbaar zijn, niet alleen energetisch optimaal.

Hoe Sympheny werd gebruikt

Het Sympheny-team kwantificeerde eerst de vraagprofielen voor ruimteverwarming, warm water en elektriciteit op uurbasis voor elk gebouw op de locatie, plus de energievraagprofielen voor voertuigen en tractoren — met een combinatie van metingen en energiesimulaties. Aan de aanbodzijde werden de hernieuwbare bronnen op locatie beoordeeld en gekwantificeerd op basis van eerdere analyses van geothermisch potentieel, windsnelheden en waterstromen, met dekking van zonne-energie, geothermie, wind, waterkracht, landbouwafval, mest en organisch afval uit de omgeving. Een brede selectie van conversie- en opslagtechnologieën werd gespecificeerd — Agri-PV, geothermische sondes, een biodigester, batterijen, ijsopslag, ondergrondse warmwateropslag, waterstof- en methaanopslag, een elektrolyser, een brandstofcel, een methaniseur, een gas-WKK — en het algoritme van Sympheny doorliep mogelijke systeemconfiguraties om een kostenminimaal, technisch haalbaar pad naar volledige autarkie te vinden.

• Zelfvoorziening over alle vectoren — Optimaliseerde warmte, elektriciteit en voertuigbrandstoffen samen, zodat het algoritme sectorinkoppeling kon benutten in plaats van elke vector los te behandelen.
• Integratie van landbouwbronnen — Behandelde landbouwoppervlakken, mest en organisch afval als volwaardige energiebronnen, naast zonne-energie, geothermie, wind en waterkracht.
• Logica voor seizoensopslag — Dimensioneerde methaan- en waterstofopslag zodat zomeroverschotten de locatie door de winter brengen zonder enige onttrekking aan het net.

Het energiesysteem van Neuhof zoals geconfigureerd in Sympheny — de subsystemen zonne-PV, biogas-en-methaan, waterstof en warmte-en-elektriciteit gekoppeld tot één zelfvoorzienend model.

Resultaat

Na meerdere optimalisatie-iteraties identificeerden Neuhof en Sympheny één concept met een bijzonder aantrekkelijke balans tussen lage systeemcomplexiteit en lage levenscycluskosten: een groot Agri-PV-systeem, een grote methaantank voor seizoensgebonden energieopslag, een gas-WKK, een lucht-warmtepomp en meerdere kleinere opslagsystemen voor kortetermijnenergieopslag. Warmte, elektriciteit en methaan voor de landbouwvoertuigen worden voornamelijk geleverd door de combinatie van zonne-energie uit het Agri-PV-systeem en organisch afval uit landbouwactiviteiten op en rond de locatie — het organisch afval gaat door een biodigester en wordt opgewaardeerd tot methaan, waarbij seizoensgebonden methaanopslag voldoende levering door de wintermaanden waarborgt zonder enige onttrekking aan het elektriciteits- of gasnet.

Het Agri-PV-systeem produceert ook een aanzienlijk zomeroverschot, dat in dit concept wordt omgezet in waterstof, tijdelijk op locatie wordt opgeslagen en aan derden wordt verkocht — waarmee de seizoensmismatch wordt omgezet in externe inkomsten. Het concept benut precies wat Neuhof onderscheidend maakt: ruime landbouwoppervlakken en een gestage stroom organisch afval. Dat maakt het direct repliceerbaar op andere landbouwlocaties en in landelijke gebieden.

Jaarlijkse werking van het optimale concept — Agri-PV-productie door het jaar heen, maandelijkse H₂-productie uit zomeroverschot, brandstofcelelektriciteit tijdens winterpieken en het resulterende H₂-exportprofiel.