POSITION PAPER: De trade-off tussen energierenovatie van de stedelijke gebouwenvoorraad, lokale duurzame energieproductie en de uitrol van 4G-stadsverwarmingsnetwerken

Optimalisaties kunnen leiden tot verschillende keuzes, afhankelijk of men zich richt op het verminderen van energieverbruik, CO2-uitstoot of kosten. Bovendien is het schaalniveau waarop deze vragen worden behandeld van belang. Een oplossing die optimaal is op het niveau van het individuele gebouw, is misschien niet optimaal op het niveau van een wijk en vice versa. Het is daarom belangrijk om te begrijpen waar optimale oplossingen op wijkniveau verschillen van die op individueel gebouwniveau. Om deze complexe afwegingen te modelleren en vervolgens te beoordelen, zijn verschillende stedelijke vernieuwingsscenario’s gesimuleerd. De resultaten van de simulaties met betrekking tot optimalisatie in steden leiden tot de volgende conclusies:

Carbon lock-in

Zonder belasting- of prijsprikkels (inclusief marktprijsstijgingen voor fossiele brandstoffen) zullen koolstofarme oplossingen zelden worden ontwikkeld op basis van kosteneffectiviteit. In vergelijking met de normale gang van zaken of lichte vernieuwingsscenario’s waar geen stadsverwarmingsnetwerken worden uitgerold, kan alleen goedkope, hogetemperatuur-stadsverwarming concurrerend zijn, en dit alleen in bepaalde stedelijke gebieden. In het laatste geval kan het district dus koolstofneutraal worden als de stadsverwarmingsbron koolstofvrij is, maar zal het tegelijkertijd aanzienlijke hoeveelheden energie blijven verbruiken. Dit houdt in dat bij de huidige prijsniveaus voor fossiele brandstoffen en met de huidige belastingverdeling over elektriciteit versus gas en verwarmingsbrandstof, er een diepe maatschappelijke lock-in blijft voor energie- en koolstofintensief functioneren.

Wanneer expliciete doelstellingen voor het verminderen van de CO2-uitstoot als randvoorwaarde worden gesteld, verandert het beeld aanzienlijk en wordt een gevarieerd palet van mogelijke scenario’s als haalbare oplossingen zichtbaar. Hierbij lijkt er geen basisregel te zijn zoals ‘voer altijd een renovatie uit’ of ‘rol stadsverwarmingsnetwerken altijd uit in stedelijke gebieden’. Temperatuurniveau en kosten van de stadsverwarmingsbron, evenals stedelijke dichtheid, spelen een belangrijke rol bij het onderscheiden van de opties met de laagste totale eigendomskosten (‘total cost of ownership’).

Waar energiebesparing wordt beoogd, werkt uiteraard alleen het verhogen van de energie-efficiëntie en zal een grondige aanpassing van de gebouwenstock dus de beste optie zijn – dit echter tegen hoge kosten. In tweede instantie kunnen warmtepompen extra energie-efficiëntie leveren omdat ze slechts gedeeltelijk afhankelijk zijn van de benodigde elektriciteit en voor de rest (gratis) omgevingswarmte gebruiken. Om effectief te zijn, moeten deze warmtepompen echter werken in een context van lage energievraag. Een algemene, grote barrière voor interventie zijn de hoge kosten van energierenovatie. Energiebesparing kan echter een belangrijke parameter zijn voor het oplossen van de regionale ‘energiepuzzel’, zie hieronder, en dus in elk geval noodzakelijk zijn.

Opties voor een duurzame toekomst

Als het de bedoeling is diepgaande en dure renovatie van de gebouwenstock te vermijden en tegelijkertijd koolstofarme doelen te realiseren, bestaat de uitdaging erin om voldoende hoeveelheden duurzame of hernieuwbare energie te leveren voor een dergelijke aanpak. Er zijn 3 mogelijke scenario’s:

1. Stand-alone: ​​de voor de hand liggende optie, die in dit onderzoek niet wordt overwogen, is een individuele biomassaketel voor elk gebouw. Om redenen van luchtkwaliteit en lokale beschikbaarheid van biomassa moet deze oplossing echter als uitzondering en niet als regel worden beschouwd. De tweede optie zou een warmtepomp zijn, maar gezien de hoge energievraag van het gebouw zal dit gepaard gaan met technische uitdagingen en/of een hoog elektriciteitsverbruik. Biogas (geleverd via het oorspronkelijke aardgasnetwerk) zal alleen plaatsvinden in beperkte gevallen vanwege de beperkte beschikbaarheid van biomassa. Voor het merendeel van de gebouwen zal stand-alone koolstofarm alleen goed werken door middel van diepe renovatie en een overschakeling naar volledig elektrisch functioneren met warmtepompen. De diepgaande renovatiemaatregelen helpen bovendien om de toename van de vraag naar elektriciteit door de warmtepompen te beperken, en daarmee dus ook de behoefte aan netwerkversterkingen te verlagen.

2. Stadsverwarming op hoge temperatuur: dit is het meest winstgevende scenario, voor zover een koolstofvrije stadsverwarming op hoge temperatuur beschikbaar is. Een dergelijke bron kan gebaseerd zijn op biogas of biomassa (op grote schaal, ingezet met rookgasreiniging), zonnewarmte, industriële afvalwarmte of diepe geothermische warmte. Deze bronnen zijn alleen beschikbaar op bepaalde locaties en/of in beperkte hoeveelheden, vergeleken met de gemiddelde maatschappelijke warmtevraag. Omdat de betreffende gebouwen doorgaans niet diep worden aangepast om de totale eigendomskosten te minimaliseren, blijft de warmtevraag bovendien hoog. Dit scenario is interessant, maar zal in de praktijk vaak moeten worden gereserveerd voor gebieden zonder andere uitvoerbare oplossing, b.v. erfgoedgebieden.

3. Stadsverwarming op lage temperatuur: gebouwen die aansluiten op het netwerk moeten  een booster-warmtepomp inzetten om de temperatuur van de binnenkomende warmte op te krikken. De operationele kosten van dit scenario worden erg belangrijk, zelfs in die mate dat de totale eigendomskosten van de oplossing hoger zijn dan voor elk scenario met diepe renovatie – zowel diepe renovatie gecombineerd met een warmtepomp als diepe renovatie met aansluiting op een stadsverwarmingsnetwerk. Aangezien het elektriciteitsverbruik voor dit scenario aanzienlijk is en komt bovenop het bestaande verbruik van huishoudelijke apparaten, moet het huidige elektriciteitsnet wellicht ook aanzienlijk worden versterkt. De netbeheerder zal deze kosten verhalen op de eindgebruiker. Het gevolg is dat de individuele eigenaar van het gebouw twee keer betaalt: een keer voor het hoge elektriciteitsverbruik en nog een keer voor het upgraden van de netwerkinfrastructuur.

Samengevat geldt dus dat, wanneer hoge CO2-emissiereducties vereist zijn,  er enkel een alternatief voor diepe renovatie bestaat waar (goedkope) hoge-temperatuur koolstofvrije stadsverwarming kan worden uitgerold. Als de stadsverwarmingsbron duurder wordt, neemt het concurrentievermogen van deze oplossing enigszins af. De mogelijke niet-stadsverwarmingsvariant die een dergelijke bron gebruikt, is individuele verwarming met een biomassaketel. Deze oplossing moet echter niet worden gepromoot om redenen die hierboven werden vermeld.

Conclusies met het oog op gebouwen

Vanuit het perspectief van de individuele gebouweigenaar kan lichte renovatie vaak de meest aantrekkelijke optie zijn. Dit is zeker het geval wanneer goedkope stadsverwarming op hoge temperatuur beschikbaar is. Als echter de EU-beleidsdoelstellingen van 80 tot 95% reductie van koolstofemissies moeten worden bereikt, wordt bijna 100% input van hernieuwbare energie verplicht. Aangezien een aanzienlijk deel van de bijbehorende thermische energie-input op lage temperatuur zal zijn, zijn er slechts twee belangrijke opties voor gebouwen:

• Voer een diepe renovatie uit en zorg ervoor dat het gebouw geschikt is voor lage temperatuurverwarming via een warmtepomp of stadsverwarming op lage temperatuur. De renovatie kan stapsgewijs worden uitgevoerd, op basis van een roadmap voor het gebouw, om investeringen haalbaarder te maken. Op deze manier kunnen deze investeringen bovendien samenvallen met natuurlijke interventiemomenten zoals verkoop van het gebouw, noodzakelijke reparaties of algemene renovatie. Een roadmap voor het gebouw is hierbij ten zeerste aan te raden om suboptimale interventies (lock-in) te voorkomen. Belangrijk te vermelden is dat diepe energierenovatie ook comfortabelere en gezondere gebouwen oplevert ; bovendien zijn ze beter voorbereid op het gebruik van warmtepompen en vraagrespons in een context van dynamische levering van hernieuwbare energie;

• Voer een lichte renovatie uit en gebruik een booster-warmtepomp om zowel sanitair warm water als de aanvoer voor ruimteverwarming op het vereiste hoge temperatuurniveau (65°C) te brengen. Hoewel dit leidt tot besparingen op de renovatiekosten van de gebouwschil, leidt het tegelijkertijd tot aanzienlijk elektriciteitsverbruik en dus tot hogere kosten gedurende de totale levenscyclus. De totale kosten zullen uiteindelijk hoger zijn dan die van diepgaande renovatiescenario’s.

Als een lichte renovatie wordt uitgevoerd als eerste stap in de richting van een latere diepe renovatie, moet er rekening mee worden gehouden dat, zowel vanuit technisch als financieel oogpunt, geen lock-in wordt gecreëerd.

Conclusies met het oog op stadsverwarming

De uitrol van stadsverwarming (lage temperatuur, 4e generatie) is geen evidente optie bij een investeringshorizon van slechts 30 jaar. Dit verhoogt de noodzaak om stadsverwarming en -koelingnetwerken te beschouwen als activa waarin de samenleving besluit te investeren op basis van een langere tijdshorizon (meestal vanaf 40 jaar) en met specifieke doelen in gedachten – met name een koolstofarme samenleving en 100% hernieuwbare energie-input.

De invloed van de aansluitgraad op het stadsverwarmingsnetwerk, d.i. het percentage van alle gebouwen in een wijk dat effectief connecteert met het warmtenet, is afhankelijk van het type netwerk: hoge temperatuur versus lage temperatuur. Dit komt vooral door de gekozen opzet van de scenario’s, waarbij slecht geïsoleerde gebouwen booster-warmtepompen nodig hebben om zinvol te kunnen aansluiten op lagetemperatuur-stadsverwarmingssystemen. De resultaten van de simulaties tonen dat bij hogetemperatuur-stadsverwarming de totale eigendomskosten slechts licht stijgen met afnemende aansluitgraad. De business cases veranderen dus niet fundamenteel tussen een aansluitpercentage van 50% en 100%. Dit betekent dat als het stadsverwarmingsnetwerk eenmaal is uitgerold, het voordeel van het aansluiten van meer huizen beperkt is, althans vanuit het oogpunt van de totale eigendomskosten voor de samenleving en niet in termen van de business case voor de netbeheerder. In stedelijke gebieden blijft diepe renovatie gecombineerd met een ‘stand-alone, all-electric’ opzet altijd duurder, behalve wanneer gebouwen systematisch diep gerenoveerd zijn en tegelijkertijd slechts voor 50% zijn aangesloten op het stadsverwarmingssysteem: dit scenario is duidelijk een verspilling van middelen wegens de ‘dubbele’ oplossing.

Voor lagetemperatuur-stadsverwarmingstoepassingen stijgen de totale eigendomskosten met toenemende aansluitgraad, vooral wanneer dure booster-warmtepompen nodig zijn voor business-as-usual of licht gerenoveerde gebouwen. De contra-intuïtieve conclusie dat meer aansluitingen op het warmtenet leiden tot een slechtere business case, komt omdat een  huis verwarmd met fossiele brandstof goedkoper is dan aansluiten op een stadsverwarmingssysteem waarop het gebouw niet is voorbereid. Samen met de hoge elektriciteitsprijs leidt dit tot een financiële straf voor aansluiting op het stadsverwarmingsnetwerk. Het blijft echter een oplossing die zinvol kan zijn voor het verlagen van de totale koolstofemissies. Voor alle scenario’s moet men rekening houden met het feit dat de beschikbaarheid van stadsverwarming op hoge temperatuur eerder een uitzondering dan een regel zal zijn, om de volgende redenen:

• De beschikbaarheid van afvalverbranding als goedkope bron voor hogetemperatuur-stadsverwarming zal verminderen naarmate de circulaire economie vorm krijgt. Deze vorm van afvalwarmte wordt daarom vaak als een overgangsbron beschouwd. Ze zal de uitrol van stadsverwarmingssystemen op gang brengen, waarna het upgraden naar andere 4G-bronnen gemakkelijker zal worden gemaakt. Een soortgelijke reflectie zou kunnen worden gemaakt voor een specifiek geval in Vlaanderen, de stad Antwerpen, waar een enorm potentieel voor industriële restwarmte beschikbaar is vanuit de petrochemische industrie (naar schatting 1000 MW bij 80 tot 120°C of meer). We zien uitzonderlijk goede randvoorwaarden voor de uitrol van stadsverwarming op hoge temperatuur, maar met de mogelijke overschakeling van traditionele fossiele brandstoffen naar duurzame biogebaseerde producten kan de toekomstige beschikbaarheid van deze bron onzeker worden.
• Vergeleken met de maatschappelijke warmtevraag is biomassa slechts in beperkte hoeveelheden beschikbaar, vooral als men duurzaamheidscriteria hanteert die impliceren dat afvalstromen de norm zijn voor energetisch gebruik van biomassa en dat nieuwe biomassa in principe niet voor energieproductie wordt gebruikt;
• Op een gelijkaardige manier kan diepe geothermische energie alleen worden toegepast op bepaalde geografische locaties en gaat de uitrol gepaard met hogere kosten en uitdagingen naarmate de boordiepte toeneemt;
• Zonneboilers vormen een aantrekkelijke warmtebron, maar zijn duur en eveneens beperkt in capaciteit (of hebben een grote inzetbare oppervlakte nodig om voldoende warmte te genereren);

Twee andere case studies van EnergyVille illustreren deze context:

• In een recent opgeleverd klimaatactieplan voor de stad Roeselare, dat een van de meest uitgebreide stadsverwarmingssystemen van Vlaanderen heeft, zou het beschikbare maximale warmtepotentieel geleverd door de afvalverbrandingsinstallatie die het netwerk voedt, ongeveer 130 GWh per jaar zijn. Ter vergelijking bedraagt de huidige warmtevraag van de gebouwde omgeving in Roeselare ​​ongeveer 680 GWh per jaar (afhankelijk van de strengheid van de winters).
• In het kader van het EU FP7-project City-zen en onder de coördinatie van de TU Delft zijn ontwikkelingsscenario’s voor stedelijke vernieuwing in Amsterdam geanalyseerd. Op dit moment importeert de stad al afval per schip (bijvoorbeeld uit het Verenigd Koninkrijk) om zijn afvalverbrandingsinstallatie en het aangesloten stadsverwarmingsnetwerk te voeden. Bij het meer gedetailleerd beoordelen van potentiële scenario’s werd al snel duidelijk dat warmtebronnen op hoge temperatuur strikt moeten worden gereserveerd voor die toepassingen waar zij de enige haalbare oplossing zijn. Een voorbeeld hiervan was het historische stadscentrum, geklasseerd als UNESCO-werelderfgoed, waar nauwelijks renovatie-interventies zijn toegestaan. Waar anders mogelijk moet dus worden gestreefd naar warmtebronnen op lage temperatuur. Als lagetemperatuurwarmte beschikbaar is tegen lage kosten, betekent dit nog steeds renovatie voor die gebouwen die geen goede thermische prestaties hebben. In de praktijk betekent dit dat de lagetemperatuurbron moet worden gecombineerd met een bepaalde renovatie.

Een andere belangrijke randvoorwaarde heeft betrekking op de seizoensgebonden warmtebalans. Warmtebronnen zoals restwarmte en zonnewarmte leiden tot een seizoensgebonden uitdaging: de warmteproductie is continu gedurende het jaar of piekt in de zomer, terwijl de vraag piekt in de winter, waardoor de warmte gedurende lange periodes gebufferd moet worden. Wanneer gebouwen niet worden gerenoveerd, moet de gebufferde warmte bovendien beschikbaar zijn op hoge temperatuur, wat de uitdagingen en de bijbehorende kosten verhoogt. Momenteel zijn de kosten van buffering van bijvoorbeeld zonnewarmte opgenomen in de warmtekosten (opslag tegen een investering van 25€/m³ in warmtebuffers op waterbasis is mogelijk) maar twee andere parameters blijven desalniettemin belangrijk: het oppervlak van de benodigde zonnecollectorvelden en de grootte van de gerelateerde buffers. Deze hebben belangrijke ruimtelijke effecten en de beschikbare grond of ruimte is mogelijk niet voldoende om aan de vraag te voldoen wanneer geen reductiemaatregelen voor de energievraag worden genomen. Daarnaast kunnen er ook andere bezwaren zijn, bijvoorbeeld van esthetische aard.

Conclusies met het oog op de maatschappelijke energievraag

De huidige warmtevraag van de gebouwenstock is zo hoog dat in veel gevallen het duurzaam aanleveren van alle benodigde (koolstofvrije) warmte voor de bestaande gebouwen onmogelijk lijkt te zijn, zelfs als deze voorraad tot zijn technische grenzen wordt opgerokken (en men dus abstractie maakt van beperkende factoren zoals de huidige ruimtelijke ordeningsvoorschriften met betrekking tot de productie van hernieuwbare energie). Bovendien leidt het gebruik van warmtebronnen zoals afvalwarmte en zonnewarmte tot een seizoensbalansprobleem dat een specifieke (en dure) oplossing vergt, zoals hierboven vermeld. Al deze factoren zorgen ervoor dat er ten minste een gedeeltelijke aanpassing van het gebouwenbestand nodig zal zijn, zij het om technische, ruimtelijke of financiële redenen. Gezien de afhankelijkheid van de context, en meer in het bijzonder de beschikbaarheid van voldoende koolstofarme stadsverwarmingsbronnen, zal slechts een afweging geval per geval de werkelijke mogelijkheden ter plaatse duidelijk kunnen maken.

Over het algemeen kunnen we concluderen dat de echte uitdaging niet ligt op het niveau van de individuele wijk, maar op stedelijke of regionale schaal. Het is op dit hogere schaalniveau dat vraag en aanbod van beschikbare (warmte)bronnen de haalbare opties aansturen. Binnen die randvoorwaarden moeten maatregelen worden genomen gebaseerd op de specifieke context van het district in kwestie. Een soortgelijke uitdaging stelt zich bij elektriciteit: omdat aan de ene kant meer PV wordt geïnstalleerd en aan de andere kant meer warmtepompen in werking treden, neemt het risico van dagelijkse of seizoens-onbalans op het net sterk toe. Dit is opnieuw een probleem dat moet worden opgelost op hogere schaalniveaus en door extra technologieën in te voeren zoals lokale elektriciteit- en warmteopslag.

Nadat de regionale energiebalans op die manier in beschouwing werd genomen kan men beslissen om de oplossingen te kiezen met de laagste total cost of ownership- op het niveau van de afzonderlijke stedelijke districten. Afhankelijk van de locatie en zijn potentieel voor hernieuwbare energie, de stedelijke dichtheid en de staat van de gebouwen, zal de overschakeling naar ‘stand-alone all-electric’ diepe renovatie of verschillende niveaus van renovatie in combinatie met stadsverwarming de beste optie zijn vanuit een gecombineerd technisch en financieel oogpunt.

Algemene conclusies

De bovenstaande observaties leiden tot de conclusie dat, onafhankelijk van de aanwezigheid van stadsverwarmings- en koelingsnetwerken, het op de lange termijn wordt aanbevolen om een ​​diepe renovatie uit te voeren op alle gebouwen, behalve in specifieke gevallen waarbij het beter is om in de eerste plaats in te zetten op stadsverwarming, om bijzondere redenen zoals behoud van erfgoed of de nabije en ruime beschikbaarheid van hogetemperatuurwarmte. De stimulans voor een grondige renovatie van de gebouwenvoorraad is echter niet alleen een kwestie van energie, maar ook van een gezond binnenklimaat, comfort, vastgoedwaarde en toekomstbestendigheid. Verschillende sterk verbonden waarden beïnvloeden het perspectief op investeringen voor gebouwen (en dus de roadmaps voor gebouwen). Of we een interventie beschouwen als slechts een ‘energielast’ of als een investering in het gebouw, maakt een wezenlijk verschil. Stadsverwarmingsnetwerken moeten worden beschouwd als een oplossing die helpt om de EU-klimaatdoelstellingen te realiseren vanuit een langetermijnperspectief. Een zorgvuldige lokale analyse moet duidelijk maken waar ze bij voorkeur worden uitgerold. Goed voorbereide warmtebestemmingsplannen zullen dit proces optimaal ondersteunen.