8 dec 2020

Bij de klimaattop van Parijs in 2015 hebben de deelnemende landen de ambitie uitgesproken om de opwarming van de aarde tot twee graden te beperken en liefst zelfs tot onder de anderhalve graad. Om dit te bereiken zal ook onze verkeersinfrastructuur duurzamer moeten worden, door vermindering van energieverbruik en het gebruik van duurzame energiebronnen. De minister van Infrastructuur en Milieu heeft in juni 2016 aan de Tweede Kamer laten weten dat het haar ambitie is om de netwerken die Rijkswaterstaat beheert voor 2030 energieneutraal te maken. Met de Eerste Heinenoordtunnel als casus is nu onderzocht wat de effecten zijn van het toepassen van transparante PV-panelen in daglichtroosters.

In het hoofdwegennet van Rijkswaterstaat zijn tunnels de grootste verbruikers van elektrische energie (ruim 35,5 GWh per jaar) na openbare verlichting en verkeersregelinstallaties (samen ruim 64,6 GWh per jaar). Het energieverbruik van tunnels bedraagt bijna 20 procent van het totale energieverbruik van Rijkswaterstaat en is equivalent aan 23.000 ton CO2-uitstoot per jaar. Ter vergelijking: het gemiddelde huishouden verbruikt in Nederland slechts 0,003 GWh per jaar. Tot 2030 staat Rijkswaterstaat voor de opgave om een groot aantal van de bestaande tunnels te renoveren, alleen in Noord- en Zuid-Holland al elf stuks. Ook de andere tunnelbeheerders staan voor een flinke renovatieopgave. Adviseurs en ontwerpers moeten bij de engineering van tunnels dus kritisch alle ontwerpopties voor energiereductie en duurzame opwekking afwegen.

Transparante PV-panelen in daglichtroosters

Bij ingenieursbureau Royal HaskoningDHV is het idee voor het toepassen van transparante PV-panelen in daglichtroosters bedacht en op een aantal punten onderzocht en uitgewerkt met de voor 2023 en 2024 geplande renovatie van de Eerste Heinenoordtunnel als casus. Deze tunnel is voorzien van een daglichtrooster dat ook bij de renovatie aangepakt zal worden. Tunneltechnische installaties (TTI) gebruiken voornamelijk elektrische energie.
Het gemiddelde jaarlijkse verbruik van een tunnel bedraagt tussen de 1,5 en 2 GWh, afhankelijk van de lengte van de tunnel. Wat opvalt is dat de verkeersbuisverlichting een groot deel van het totaalverbruik op zich neemt. Dit komt voor een belangrijk deel door de verlichting in de ingangszone, die verantwoordelijk is voor de helft van het verbruik van de verkeersbuisverlichting. Deze verlichting is van groot belang om bestuurders te laten wennen
aan de lichtomstandigheden in de tunnel. Een daglichtrooster doet dat ook door met een dakconstructie met lamellen een geleidelijke overgang van licht naar donker te creëren. Toepassing ervan kan tot 80 procent besparing op de verlichting in de ingangszone en dus tot 20 procent op energie betekenen.

Energieopwekking

In de gebouwde omgeving past men sinds kort transparante PV-panelen toe. Deze wekken elektriciteit op en laten een nader te kiezen hoeveelheid licht door. Ze vinden onder andere toepassing in glazen overkappingen van serres en entrées. De zogenaamde ‘vol-transparante dunne-film-panelen’ hebben een relatief hoge opbrengst die ook minder afhankelijk is van de oriëntatie op de zon en de opstellingshoek. Toepassing van dergelijke PV-panelen in een open daglichtrooster zou een oplossing opleveren die niet alleen verlichting en energie bespaart, maar ook nog eens energie opwekt en geen, in Nederland schaarse, grondoppervlakte kost.

Conclusies en aanbevelingen

Door diverse studies, met daarin een ontwerp voor de Eerste Heinenoordtunnel, is aannemelijk gemaakt dat een systeem bestaande uit een daglichtrooster met transparante PV-panelen een waardevolle oplossing kan zijn op weg naar een energieneutrale tunnel. Het systeem is toe te passen op zowel nieuw te bouwen als te renoveren bestaande tunnels. Alhoewel bij nieuwe tunnels meestal geen daglichtrooster wordt toegepast omdat het eenvoudiger is om de luminantiereductie met verlichting te realiseren, is er met de transparante PV-panelen een extra argument om ze toch toe te passen. Het systeem, met een glazen, steeds donker wordend dak, biedt de weggebruiker meer comfort door de meer geleidelijke licht-donkerovergang en afwezigheid van het stroboscopisch effect zoals bij bestaande daglichtroosters. Energiebesparing wordt bereikt doordat minder verkeersbuisverlichting nodig is, analoog aan toepassing van een conventioneel daglichtrooster, en minder pompcapaciteit in de hoofdpompkelder doordat het beregende oppervlak is verkleind. Daarnaast wordt relatief veel energie opgewekt, genoeg voor 43 procent van het jaarlijkse verbruik. Systemen met glazen plafonds boven het wegdek worden al elders toegepast. Het onderzochte systeem leidt bij een brand niet tot significant grotere risico’s voor de weggebruikers, ook niet met betrekking tot toxiciteit. Wel vraagt het de hulpdiensten, in het bijzonder de brandweer, bij zeer grote branden (>50 MW) om extra alertheid ter plaatse van de brand.

Life cycle kostenberekening

Uit de beknopte life cycle kostenberekening kwam naar voren dat de voor de Eerste Heinenoordtunnel ontworpen opzet tot een rendabel systeem leidt met een terugverdientijd van ongeveer twaalf jaar; de helft van de aangenomen levensduur van de PV-panelen. Voor een volgende ontwikkelstap, hetzij bij toepassing, hetzij bij nadere uitwerking of onderzoek, is het aan te bevelen om speciale aandacht te richten op verdere optimalisatie van het ontwerp. Te denken valt aan optimalisatie van de visuele effecten voor weggebruiker door het daglichtrooster en de mogelijkheden om daardoor de verlichtingsinstallatie in de tunnel verder te reduceren en aan te passen. Dit kan door berekening en simulatie. Hierbij zullen ook leveranciers betrokken moeten worden omdat een brandbestendige versie zoals beschreven in de studies nog niet bestaat, maar volgens de betrokken leveranciers wel ontwikkeld kan worden.

Daarnaast is het aan te raden om aandacht te schenken aan het onderhoudsconcept in het bijzonder met betrekking tot het schoon en beschikbaar houden van de PV-panelen. Tot slot is het aan te raden om de prijs van de brandbestendige PV-panelen en de gevolgen van prijsontwikkeling in het algemeen, mee te nemen in kostenberekeningen.

Thijs Ruland, Senior Consultant Installaties, Royal HaskoningDHV

Indien u de onderliggende innovation paper wilt ontvangen, stuur dan een e-mail naar [email protected].

Gepubliceerd in: Civiele Techniek