Kennisdossier: Positieve Energiedistricten

Verantwoording

Dit kennisdossier dient voornamelijk als eerste kennismaking met PEDs, om een beter begrip te krijgen van wat het inhoudt om een PED te realiseren en op welke uitdagingen je kan stuiten. Doordat een PED een samenwerking op verscheidene vlakken binnen wijken en de energiesector vraagt, kan dit dossier interessant zijn voor partijen bij wie een PED in de wijk wordt gerealiseerd, energie coöperaties, lokale wetgevers, gemeentebesturen, en ontwikkelaars van slimme technologieën.

Het dossier is op verzoek van RVO en TKI Urban Energy geschreven in het kader van de Nederlandse bijdrage aan het EERA Joint Program Smart Cities . Het doel van dit programma is om kennisoverdracht en kennisbundeling in het Europese landschap tussen kennis en praktijk te realiseren. De focus ligt daarbij op SET plan Actie 3.2 Positive Energy Districts. TNO is lid van de Steering Community van dit netwerk.

Introductie

Met de Europese Green Deal uit 2019 heeft Europa de doelstelling gezet om in 2050 klimaatneutraal te zijn, wat neerkomt op een netto uitstoot van broeikasgassen van 0 of lager (Europese Unie, n.d.). In 2019 was nog 69% van de gebruikte energie in Europa opgewekt met fossiele brandstoffen, met een netto uitstoot van 1.454 Megaton CO2-equivalent (Eurostat, 2021). Om nationale en internationale duurzaamheidsdoelstellingen te behalen moet energie duurzamer geproduceerd gaan worden en moet het verbruik efficiënter en/of lager. Van de huidige uitstoot komt 70% uit stedelijke gebieden, wat steden zowel onderdeel van het probleem als de oplossing maakt (JPI, 2020). Binnen steden lijkt voor de oplossing een grote rol toebedeeld aan positieve energiedistricten (PEDs). Een PED is een stedelijke wijk waar gebouwen, voertuigen, gebruikers, ICT-systemen en energie-infrastructuur met elkaar verbonden zijn om een jaarlijkse netto uitstoot én netto energie-import van 0 te hebben (JPI, 2020)[1] [2]. In PEDs worden nieuwe en innovatieve technologieën toegepast en geïntegreerd. Brede ervaring en kennis hierin ontbreekt nog en moet de komende jaren in een stroomversnelling komen. In dit kennisdossier zal worden ingezoomd op (1) wat er nodig is om een PED te realiseren  (2) welke uitdagingen zich manifesteren bij het implementeren en opschalen van PEDs, en (3) wat voorbeelden zijn van PED projecten en welke technologische innovaties daarin worden geïmplementeerd.

Implementatie van PED technologieën   

In een energiesysteem (voor warmte, elektriciteit en mobiliteit) is het een van de grootste uitdagingen om vraag en aanbod op elkaar aan te laten sluiten. Hernieuwbare energiebronnen zijn vaak afhankelijk van zon- en wind energie, voornamelijk voor het opwekken van elektriciteit. Een verhoogde penetratie van variabele bronnen voor de opwekking van energie verhoogt dus variabiliteit in de opwek van elektriciteit. Daarnaast zijn duurzame warmtebronnen vaak ook afhankelijk van elektriciteit voor de extractie van warmte uit lucht, water, of de ondergrond, en is de warmtebron beperkt in haar levering voor pieken. Om te zorgen dat vraag en aanbod toch bij elkaar aan blijven sluiten zal er flexibiliteit nodig zijn in het gebruik of de opwekking, of een manier om de opgewekte energie tijdelijk op te slaan (Holttinen et al., 2013). Binnen PEDs wordt op deze uitdaging ingespeeld door de vraag, mogelijke levering en opslagcapaciteiten van een cluster van partijen met elkaar te synchroniseren en aan te passen aan de beschikbare hoeveelheid energie. De technologieën die zorgen dat op het juiste moment de gewenste energie op de gewenste plek beschikbaar is en gevraagd wordt, vallen in de context van PEDs onder de noemer slimme oplossingen. Het implementeren en gebruiken van slimme oplossingen staat centraal in PEDs. Dat kan gedaan worden op drie verschillende niveaus (Slob & Woestenburg, 2017):

1. Level 1: de realisatie van slimme oplossingen. Dit eerste impactniveau betreft de succesvolle implementatie van één (geïsoleerde) slimme oplossing.
2. Level 2: het combineren van meerdere slimme oplossingen in één systeem. Meerdere slimme oplossingen zijn verbonden, interacteren onderling en werken efficiënt samen. Hierdoor kan de impact op het gehele systeem vergroot worden, en is het mogelijk dat er symbiose ontstaat tussen verschillende technologieën. Op dit level moet je dus naar het gehele systeem kijken.
3. Level 3: het opschalen en repliceren van PEDs. Bij het derde impact niveau gaat het over resultaten op stedelijk niveau, hiervan is sprake wanneer slimme oplossingen die goed kunnen samenwerken (level 2) op een ander plek opnieuw geïmplementeerd worden.

Figuur 1 illustreert hoe je van een concrete enkelvoudige oplossing op ‘apparaat niveau’ (implementatie level 1) kunt opschalen naar een domein-specifiek geïntegreerd energiesysteem (naar implementatie level 2). Aan de linkerkant van de figuur wordt weergegeven dat de stroom van data en controle twee kanten opgaat (tussen de services en de apparaten), en aan de rechterkant wordt weergegeven dat de verzamelde data per apparaat wordt verzameld en geanalyseerd. De inzichten en evaluaties worden gekoppeld naar de operationele kant van het systeem, om zo het systeem te verbeteren.

Vanaf implementatie level 2 en 3 spreken we dus van oplossingen die horen bij PEDs (slimme oplossingen die met elkaar communiceren en samenwerken). Bij de implementatie van slimme oplossingen op deze 3 niveaus zijn verschillende  factoren van invloed, waarbij een onderscheid wordt gemaakt tussen (Slob & Woestenburg, 2017):

• Hardware: de fysieke infrastructuur. Dan moet je denken aan technologieën die direct bijdragen aan een efficiënt gebruik van energie (conversie technologieën, of apparaten met een laag energieverbruik), de reductie van energieverlies (zoals het isoleren van gebouwen), het laten functioneren van bepaalde technologieën op duurzame energiebronnen (zoals elektrische auto’s, of huizen met vloerverwarming) of de opslag van opgewekte energie.
• Software: ICT, data gerelateerde factoren en applicaties, ook wel de slimme technologieën.
• Orgware: organisatorische en bestuurlijke aspecten als stakeholder management, institutioneel en organisatorisch ontwerp, en innovatieplatformen.

Naarmate innovaties meer richting impact niveau 3 gaan, wordt juiste participatie van betrokken partijen steeds belangrijker, en wordt dus de invloed van factoren die te maken hebben met orgware groter. Tot nu toe ligt de focus bij PEDs met name op technologische en energetische aspecten op gebouwniveau. Om dat op te schalen naar een buurt of stadsniveau zal de focus bij implementatie van PED technologieën (door uitbreiding of replicatie) verschuiven naar meer juridische, institutionele en organisatorische thema’s waar de context van de wijk van groot belang is.

Uitdagingen bij implementatie

Door bij PEDs de duurzaamheidsambities te beschouwen voor een gebied in plaats van voor losse gebouwen wordt de opgave een stuk complexer. Voortbouwend op de eerder genoemde implementatieniveaus, is het uitgangspunt dat uitdagingen die zich manifesteren in de  eerste 2 niveaus (groten)deels zijn aangepakt wanneer PEDs worden opgeschaald of gerepliceerd (level 3). Voor de eerste twee niveaus (implementatie van één of meerdere slimme technologieën in één systeem) kunnen de uitdagingen worden onderverdeeld in de volgende categorieën:

• Technisch: de uitdagingen zitten hem in het ontwikkelen, verbeteren, implementeren en laten samenwerken van hardware en software. Het liefst zou je de slimme technologieën inzetten met zo min mogelijk infrastructurele uitbreidingen of aanpassingen. Dat betekent dus dat je de opgewekte energie zo lokaal mogelijk wil gebruiken om het transport van energie laag te houden. Daarmee wordt indirect geïmpliceerd dat een transitie naar PEDs ook een transitie van centrale naar decentrale generatie wordt (Shnapp et al., 2020). Dat er in PEDs wordt geleund op de slimme technologieën betekent niet dat er geen rol ligt in het verbeteren en implementeren van ook fysieke technologieën. Door bij de hardware een verduurzamingsslag te maken kunnen de slimme technologieën breder worden toegepast en wordt ook de algehele duurzaamheidsimpact van het PED vergroot. Voor sommige slimme technologieën is er ook een randvoorwaarde voor de aanwezigheid van een bepaalde fysieke infrastructuur. Als je bijvoorbeeld de buffercapaciteit van elektrische voertuigen wil gebruiken, moeten er laadpalen op de juiste plekken aanwezig zijn en ook genoeg elektrische voertuigen.
• Economisch: de ontwikkeling en implementatie van PEDs kan hoge initiële investeringen vragen, en betaalt zich mogelijk niet altijd terug binnen de gewenste termijn. Dit is bijvoorbeeld het geval in een project dat resulteert in een reductie van energieconsumptie, waardoor er dus minder energie zal worden afgenomen en door consumenten wordt betaald. Veel projecten kennen echter positieve externe effecten op een maatschappelijk vlak.  De toepassing van PED technologieën kan bijdragen aan een verhoogde kwaliteit van leven en een aangenamere omgeving in steden omdat ze bijdragen aan minder vervuiling, schonere lucht, actiever en schoner transport en het managen van de temperatuur in de zomer en winter (Shnapp et al., 2020). Ook zal er geëxperimenteerd moeten worden binnen en tussen PEDs om uit te vinden wat wel en niet werkt voor toekomstige projecten. Subsidies zijn vaak de beste manier om dergelijke projecten (deels) te financieren. Identificatie en mogelijke kwantificatie van de positieve externe effecten zou met een sociale en/of milieukundige kosten-baten analyse kunnen.
• Juridisch: voor innovatieve projecten is vaak een wettelijk kaders nodig. Als dat er nog niet is, durven veel wijken het niet aan om met een PED project te starten. Je loopt dan namelijk het risico dat het project ‘bevroren’ wordt juist vanwege het ontbreken daarvan. De geldende wettelijke kaders zijn doorgaans gebouwd voor de status-quo. Vaak worden suboptimale oplossingen in PEDs geïmplementeerd, omdat het oorspronkelijke projectplan wordt afgewezen door juridische knelpunten (Vandevyvere, 2018). Daarnaast zullen er ook duidelijke afspraken tussen betrokken partijen moeten zijn over bijvoorbeeld het delen van data. Het nauw energetisch samenwerken binnen wijken is vaak nieuw, dus de templates en kaders voor deze samenwerkingen moeten ook nog (door)ontwikkeld worden.
• Politiek: voor de implementatie van PED projecten is vaak een lange adem nodig, zeker om er de vruchten van te plukken. Politieke steun en leiderschap is voor innovatieve projecten (waar ook vaak financiële injecties nodig zijn) van groot belang, maar veel politici willen hun vingers er niet aan branden. Daardoor komt een project vaak niet van de grond (Vandevyvere, 2018).
• Urgentie: er is vaak geen behoefte aan innovatieve oplossingen, omdat het huidige systeem goed genoeg functioneert. Onderliggende oorzaken zijn dat veel bedrijven korte termijn doelen hebben, en dat implementatie van PED-technologieën een risico vormt voor die doelstellingen. Ook zijn fossiele brandstoffen vaak zo goedkoop dat er geen financiële urgentie is om naar duurzame alternatieven over te stappen (Vandevyvere, 2018). Je ziet overigens in het laatste jaar de urgentie wel veranderen, onder andere omdat ook financiële instellingen duurzaamheidsoverwegingen steeds vaker meenemen. Zo heeft bijvoorbeeld het ECB in juli een actieplan gepresenteerd waar ze aankondigen duurzaamheidsoverwegingen te zullen incorporeren in hun monetair beleid (ECB, 2021).
• Sociaal: samenwerking tussen betrokken partijen staat centraal bij de ontwikkeling van PEDs. Het gebeurt echter vaak dat partijen geen rekening houden met de interesses of waardes van andere betrokken partijen, wat ook wel silo denken wordt genoemd (Yoo et al., 2020). Een overzicht van waar het silo denken in PEDs zich kan manifesteren wordt uiteengezet door Yoo et al. (2020), waarvan een beknopt overzicht van de bevindingen is weergegeven in tabel 1.

De aangekaarte silos zijn niet enkel te betrekken op de eerste twee implementatieniveaus, maar laten zien dat de sociale uitdagingen zich kunnen uitbreiden bij het opschalen en repliceren van PEDs. In veel PED-programma’s waar meerdere landen, steden, of wijken bij betrokken zijn, is het stimuleren van het repliceren van technische oplossingen één van de hoofddoelen. Echter, wanneer de context verschilt, kan het zijn dat de lessen van de ene PED niet direct toepasbaar zijn op een andere PED. De technische uitdagingen zijn dan vaak secundair, maar de overige (economische, juridische, politieke, urgentie en sociale) uitdagingen zijn nog even relevant – juist doordat ze per context verschillen of opnieuw onderhandeld moeten worden (Vandevyvere, 2018). Dat laat niet weg dat in gerepliceerde PED projecten veel geleerd kan worden van hoe die uitdagingen zijn aangepakt voor vergelijkbare cases. Een additioneel punt bij de replicatie is dat veel steden een “wij zijn uniek” syndroom hebben: nieuwe pilots willen het altijd op hun eigen manier doen. De context is belangrijk, maar niet altijd. De vraag moet zijn welke onderdelen van een PED project context specifiek zijn, en welke project overstijgend (Vandevyvere, 2018).

Voorbeelden van programma’s en technologieën van PEDs

In het Europese SET plan actie 3.2[3] is het doel gezet om 100 positieve energiedistricten gerealiseerd te hebben in 2025, geleid door JPI Urban Europe (JPI, 2020). Via het programma wordt samenwerking en kennisdeling gestimuleerd en gefaciliteerd met subsidiemogelijkheden. In Nederland is SET plan actie 3.2 vertaald in het Programma Aardgasvrije Wijken. Uit de analyse van Bossi et al. (2020), waar 61 Europese PED projecten zijn geanalyseerd, blijkt dat driekwart van de projecten nog in de plan- of implementatie fase zitten.

In Europa wordt in het Europese onderzoeksprogramma Horizon 2020 (H2020) onderzoek gedaan naar Smart Cities (Smart Cities en Communities, SCC01). In deze onderzoeksprojecten worden per project pilotprojecten uitgevoerd in twee of drie steden (light house cities) en worden in een aantal steden de geleerde lessen overgenomen en toegepast (follower cities). De laatste gehonoreerde projecten (sinds 2018) richten zich op PEDs, maar nog steeds onder de noemer Smart City projecten. Het implementeren van innovatieve Smart City technologieën en het implementeren van innovatieve PED technologieën heeft veel overeenkomsten, vooral als het gaat om de implementatie-uitdagingen.

In deze sectie zullen we vier huidige Europese projecten toelichten, en inzoomen op een PED case binnen elk project. Een overzicht van alle huidige en afgeronde SCC01 projecten kan gevonden worden op de site van de Europese Commissie.

De header van elk programma bevat een hyperlink naar de officiële website voor meer informatie over het programma en overige PEDs binnen het programma.

Verder lezen of doorpraten?

• Een diepte analyse van een lighthouse city om zo trends en replicatie strategieën te identificeren: “Challenges and Barriers for Net-Zero/Positive Energy Buildings and Districts—Empirical Evidence from the Smart City Project SPARCS” (Uspenskaia et al., 2021)
• Een evaluatie van 61 PEDs binnen het SET plan actie 3.2: “Towards Energy Citizenship for a Just and Inclusive Transition: Lessons Learned on Collaborative Approach of Positive Energy Districts from the EU Horizon2020 Smart Cities and Communities Projects” (Bossi et al., 2020)
• Meer inzicht in een kosten-baten overweging voor PEDs: “Enabling Positive Energy Districts across Europe: energy efficiency couples renewable energy” (Shnapp et al., 2020)
• Meer over de voordelen van decentrale opwekking van energie: “Microgrids and distributed generation” (Lasseter, 2007)

Dit kennisdossier is opgesteld door Nienke Maas, Jelle Hofstra, Stephanie Roelofs. Wilt u meer weten over dit onderwerp, of heeft u ideeën over positieve energiedistricten? Neem gerust contact op met Maarten de Vries, programmamanager smart energy systems bij TKI Urban Energy.

[1] De volledige beschrijving van PEDs die voor het SET plan Actie 3.2 Positive Energy Districts wordt gehanteerd is “Positive Energy Districts are energy-efficient and energy-flexible urban areas or groups of connected buildings which produce net zero greenhouse gas emissions and actively manage an annual local or regional surplus production of renewable energy. They require integration of different systems and infrastructures and interaction between buildings, the users and the regional energy, mobility and ICT systems, while securing the energy supply and a good life for all in line with social, economic and environmental sustainability.” (JPI, 2020)

[2] Het stedelijk district kan voor energie-opwek en energie-opslag wel gebruik maken van locaties buiten het gebied, afhankelijk van de (geografische) afbakening die je voor een district kiest.

[3] Het Strategic Energy Technology (SET) plan is in 2008 door de Europese Unie aangenomen met het doel om beleid rondom energie technologieën vast te stellen. Het plan bestaat uit een tiental acties, zoals het verminderen van de kosten voor technologie (actie 2) of het verhogen van de energie efficiëntie van de industrie (actie 6). Onder actie 3 (nieuwe technologieën en services voor consumenten) is de implementatie van “100 Positieve Energiedistricten in 2025” als SET plan actie 3.2.