Juli 2022
Schoonschip: meer dan een gesloten energiesysteem
Geslaagde pilot duurzame woonarken
De vorming van Schoonschip, het project van dertig waterkavels in Amsterdam-Noord, heeft nogal wat voeten in de aarde gehad. In de 46 huishoudens wonen zo’n honderd volwassenen en vijftig kinderen. Sinds begin 2021 zijn alle woonarken via één aansluiting op de wal aan het publieke net verbonden. Duurzame energie wisselt men via een gesloten microgrid uit. Schoonschip is echter meer.
De lente van 2008. In café-restaurant Noorderlicht op de Amsterdamse NDSM-werf zitten Marjan de Blok en Paulien Westendorp. De eerste is programmamaker voor NPO3, de laatste initiatiefnemer van de lokale duurzame energie-expositie Opgewekt.nu. Ze praten nog wat na. De Blok heeft iets eerder Westendorp geïnterviewd in de geWoonboot, een autarkische ark die op een steenworp afstand van het café-restaurant ligt. De ark zuivert niet alleen zijn eigen afvalwater, maar voorziet zichzelf ook van alle energie. Westendorp is in 2008 beheerder van de woonark die Jan Huisman en Joan Kramer – nog steeds – als duurzame vergader- en trainingsruimte gebruiken.
De Blok raakt meteen enthousiast door het idee om zelfvoorzienend op het water te wonen en te werken. Nog dezelfde avond werkt ze met Thomas Sykora, filmmaker en fotograaf, een concept uit om een CPO (collectief particulier opdrachtgeverschap) op water te starten. Een grote groep sluit zich daarbij al snel aan. In 2009 krijgt de coöperatie subsidie van de SEV (Stichting Experimenten Volkshuisvesting), zes jaar later voert ecosysteembureau Metabolic een veelomvattend onderzoek naar de haalbaarheid van hun woonwijk op water uit. Daarin staan de grootste klimaatuitdagingen centraal: water, materialen, circulariteit, energie en een slim klein netwerk – of microgrid – waarmee de bewoners energiestromen uitwisselen.
Ondertussen is ook de gemeente Amsterdam enthousiast geraakt over het project in de wijk Buiksloterham. De nodige vergunningen voor dertig waterkavels en een buurthuis worden aangevraagd en verkregen. Spectral Energy, een spin-off van Metabolic, gaat in 2016 aan de slag met technologische oplossingen voor duurzame opwekking en opslag door middel van slimme energienetwerken. Het internetplatform voor de waterwijk baseert Spectral op de algoritmen die het Fraunhofer Institut, de R&D-instelling uit Karlsruhe, heeft ontwikkeld. Penvoerder van het project is het Amsterdamse CWI (Centrum Wiskunde en Informatica). Tezelfdertijd krijgt de waterwijk, via de experimenteerregeling, voor tien jaar de mogelijkheid om al hun arken op één centraal punt op de wal aan te sluiten.
Begonnen als idee in 2008 is Schoonschip inmiddels een thuis voor zo’n honderd volwassenen en vijftig kinderen.
Waterhergebruik
Schoonschip omvat meer dan alleen een duurzaam energiesysteem, aan elkaar gekoppeld door een slim netwerk. Watergebruik springt – hoe kan het ook anders – onmiddellijk in het oog. Enkele huishoudens vangen het hemelwater op, water van de douche wordt veelal opnieuw gebruikt. Ook is Schoonschip de locatie voor de eerste pilot van ‘nieuwe sanitatie’, een proefproject dat men vorig jaar met Waternet, gemeente Amsterdam en woningcorporatie De Alliantie is begonnen.
Kern van de pilot is scheiden van afvalwater aan de bron en decentrale duurzame verwerking van zwart water (een soortgelijk project loopt ook in Sneek). In ruil voor een traditioneel afvalwaterriool hebben de woonboten twee watersystemen gekregen, een voor grijs water (waaruit tevens warmte wordt teruggewonnen), een ander voor geconcentreerde inzameling van zwart water via een vacuümtoilet.
Volgens Waterschap Amstel, Gooi en Vecht – dat in dit gebied samenwerkt met Waternet – heeft zo’n gescheiden systeem enkele grote voordelen: er wordt tot 30 procent op drinkwater bespaard en de pompen voor watertransport over lange afstanden blijven uit. Ook kunnen de partners uit het gezuiverde zwarte water eindige grondstoffen (als fosfaat) terugwinnen en de rest, het digestaat, tot biogas vergisten. Het fosfaat wordt vervolgens in struviet omgezet, bijvoorbeeld voor bemesting van het plaatselijke voetbalveld, terwijl het grondstoffenstation door de inzet van het biogas energieneutraal kan functioneren.
Nou gaat er wel eens wat mis. Daarom is ‘nieuwe sanitatie’ ook een pilot. Zo heeft de bouw van de woningen van De Alliantie, schuin tegenover de waterwijk van Schoonschip, anderhalf jaar vertraging opgelopen doordat het inpandige vacuümsysteem niet voldeed aan de geluidseisen. Tevens was geen Kiwa-goedkeuring gekregen op de waterklep voor de toiletten. De grootste tegenslag voor de pilot bleek echter het grondstoffenstation. Binnen een maand na levering eind 2019 zonk de ark, waardoor deze innovatieve afvalwaterzuivering pas een jaar later in gebruik kon worden genomen. Inmiddels werken zowel de toiletten als het grondstoffenstation naar behoren.
Recentelijk heeft woningcorporatie De Alliantie zich teruggetrokken uit het project. De pilot ‘nieuwe sanitatie’ gaat echter door: verreweg de meeste investeringen zijn immers gedaan. ‘Wij zijn met 46 huishoudens, maar er moeten minimaal tweehonderd huishoudens meedoen’, stelt Marjan de Blok. ‘Dat is een grotere uitdaging dan het station zelf. Ons advies aan de gemeente is om dat af te dwingen bij de volgende gronduitgifte voor Buiksloterham, en deelname aan de pilot als voorwaarde te stellen.’
‘Warmtepompen slim inzetten naast piekscheren’
Circulaire materialen
Hoewel de ‘schoonschippers’ vrij waren in de keuze van bouwmaterialen, hebben bijna alle bewoners circulaire materialen voor de bouw van hun woonarken toegepast. In eerste instantie werd daarvoor een uitgebreide materialenlijst als bindende maatstaf opgesteld. Piep- en purschuim, standaardisolatie in de arkenbouw, werd afgeraden. In plaats van fossiele componenten gebruikt het gros van de bewoners jutevlas en houtvezel. Alle woonarken zijn in houtskeletbouw met FSC-keurmerk uitgevoerd.
Arkenbouwer Jan Huisman en Joan Kramer – die hun nieuwe woonark op Schoonschip, een verbeterde versie van de geWoonboot, nog duurzamer wilden maken – gingen zelfs een stapje verder: zowel de bekisting en de muren als de plafonds en de vloeren behandelden ze met kalkhemp, een mix van kalk, hennep en mineraal dat de Romeinen tweeduizend jaar geleden al gebruikten. Doordat alles nu één geheel is geworden, kunnen er geen koudebruggen ontstaan. Hennep heeft, net als het leemstuc voor de afwerking, bovendien de unieke eigenschap dat het ‘ademt’ (damp-open constructie). De massa van de woonboot zorgt er vervolgens voor dat het zowel in de zomer als winter aangenaam vertoeven is. Voor thermische opslag vulden de eigenaren twee meerpalen met zesduizend liter water.
Niet iedereen was het gegeven om zó ver in duurzame toepassingen te spitten. Kalkhemp is niet alleen arbeidsintensief, maar tevens tijdrovend: kalkhemp hardt veel langzamer uit dan beton. En tijd is geld: aannemers zouden dat doorberekenen. De basis van de arken, de bak, is daarom in beton gestort. Sommige maatregelen – zoals ruime raampartijen in hout – drukten dusdanig op de financieringsruimte van minder kapitaalkrachtige bewoners dat de maatstaf van de materialenlijst, vlak voor realisatie van de bouw, in een meer richtinggevende leidraad werd omgezet. Veel van de bewoners hebben hiervan gebruik gemaakt.
De bijzondere wijk is een uniek samenspel tussen algoritmes en het gedrag van de bewoners.
Stroomopslag
Schoonschip is een energieneutrale, all-electric wijk. De EPC van de arken moest maximaal 0 zijn (terwijl het Bouwbesluit al bij een waarde van 0,4 ophoudt). Geen kleinschalige windturbines op of naast de ark. Die waren te duur en pasten niet in het stedenbouwkundige plan. Wel zonneboilers en warmtepompen die thermische energie aan Buiksloterham onttrekken: vloerverwarming is bij de arken standaard. Op al de groendaken – groen dat volgens de leidraad minstens een derde van het dak moet bedekken – liggen maar liefst vijfhonderd zonnepanelen. Het groen onder de panelen zorgt bovendien voor een hogere stroomopbrengst. Overtollige stroom van een of meerdere huishoudens wordt opgeslagen in batterijen.
‘We zijn uitgegaan van een jaarlijks gemiddeld stroomverbruik van 4.500 kWh per huishouden’, zegt Norman Heins, sales en project engineer bij Top Systems, marktleider in energieopslagsystemen. In opdracht van Spectral leverde Top Systems de batterijen en omvormers. Dertig op maat ontworpen batterijsystemen werden voor het Schoonschip smart-grid project door Spectral geïnstalleerd, 7,5 kWh per ark. ‘De lithium-ion accu’s zijn gecertificeerde A-merken met een lange levensduur en zeer hoge efficiëntie. Binnen twee uur kunnen ze geheel op- of ontladen. Die hebben we daarna gekoppeld aan de 5.000 VA bi-directionele omvormers van Victron. Die kunnen zowel omvormen als terugleveren naar 230 VDC voor gebruik in de arken. Mocht het nodig zijn, dan voeden ze tevens het microgrid.’
Besturing op afstand
Voor optimaal functioneren van het microgrid, het kleinschalige netwerk op Schoonschip, is Spectral Energy verantwoordelijk. Het snelgroeiende bedrijf in Amsterdam-Noord richtte zich aanvankelijk op de ontwikkeling van fysieke, duurzame energiesystemen voor mobiele toepassingen (zoals trailers voor evenementen en rondtrekkende gezelschappen). Gaandeweg is hun aandacht verschoven naar software en energiedatamanagement voor grotere projecten. ‘Wij houden ons nu bezig met integrale software voor slimme netwerken die op afstand door visuele data kunnen worden weergegeven’, zegt oprichter en ceo Philip Gladek, afkomstig uit New York. ‘De afstemming van het energiegebruik van warmtepompen, energieopslag en zonnepanelen is cruciaal voor een optimale werking van het slimme net. Daarmee kun je niet alleen een betere balancering voor een project als Schoonschip krijgen, maar ook netcongestie voorkomen en met het surplus op de markt handelen.’
Schoonschip is een energieneutrale, all-electric wijk.
Begin februari 2021 komt de eerste stresstest voor het microgrid van Schoonschip: met een sneeuwstorm daalt de temperatuur voor ruim een week tot ver onder het vriespunt. De zon laat veelal verstek gaan. Windturbines draaien overuren, ruim 3 GW die dagen (waar gemiddeld 2 GW wordt bereikt). Het water van de Buiksloterham koelt af tot 3 à 4 °C. Warmtepompen functioneren amper meer. In een blog op Energie Samen, de koepelorganisatie voor energiecoöperaties, schrijft schoonschipper Markus Smid, werkzaam bij milieuorganisatie Wise, dat ‘de warmtewisselaar van de warmtepomp het al vrij snel niet meer trekt. De elektrische bijverwarming moet aan. Het stroomverbruik schiet omhoog. Wat als dat bij alle huishoudens tegelijkertijd gebeurt? Knalt de zekering van de hoofdaansluiting eruit met als gevolg dat de hele waterwijk dan zonder stroom komt te zitten?’ Hij raakt bijna in paniek.
Gelukkig valt het mee. Het Fraunhofer Institut dat de algoritmes van het microgrid bewaakt, stuurt op piekscheren: met een limietgrens van 120 kW kan de inzet van batterijen binnen de perken worden gehouden. ‘We hebben het systeem zo ontworpen dat er altijd een ‘fall back’-modus is wanneer de internetverbinding met Duitsland wegvalt’, laat Philip Gladek weten. ‘Daarnaast moesten we sommige parameters in de algoritmen aanpassen omdat er, in het jaar dat we met het systeem opstartten, nog onvoldoende gegevens waren voor het functioneren van het microgrid onder deze extreme temperaturen. Naast piekscheren met de batterijsystemen kunnen we de warmtepompen ook slim inzetten, bijvoorbeeld door de watertanks ’s nachts te laden wanneer de elektriciteitsvraag laag is. Zo heeft iedereen ’s ochtends voldoende douchewater en kunnen we de stroompiek in de ochtenduren voorkomen.’
Handel
Half februari 2021 slaat het weer om; op de 24e wordt door het KNMI bijna 20 °C gemeten. De lente is meer dan een halve maand te vroeg begonnen. Het microgrid werkt ondertussen als een tierelier. Het Fraunhofer Institut en Spectral Energy optimaliseren de algoritmes. Eelke Kingma, zelfstandig innovatiemanager die na zijn studie strategisch ontwerp aan de TU Delft enkele jaren voor Vattenfall heeft gewerkt, woont sinds 2016 op Schoonschip. Hij ziet het al voor zich hoe de energiecoöperatie op waarden kan maximaliseren. ‘Het is een samenspel tussen algoritmes en het gedrag van de bewoners’, zegt hij. ‘Door huishoudelijke apparatuur slim in te zetten en met accu’s, warmtepompen en zonnepanelen te sturen, kunnen we het systeem niet alleen betaalbaar houden, maar ook een paar honderd euro per accu per jaar besparen. Pieken in het aanbod van zonnestroom zijn bovendien goed te voorspellen. Bij een overmaat aan stroom kunnen we, op termijn, gaan handelen op verschillende markten, zoals de FCR, aFRR, Gopacs, intra day en onbalansmarkt. Het mooiste zou zijn als de bewoners controle op hun verbruik houden en aan de knoppen blijven zitten. Stuur je op maximaal duurzaam of juist op financiële voordelen? Wanneer je dat doet, vergroot je acceptatie onder bewoners. Zulke lessen delen we nu, van presentaties en lezingen op Schoonschip voor belangstellenden tot op Europees niveau met wetenschappers en politici.’
Tekst: Tseard Zoethout
Fotografie: Isabelnabuurs.nl
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.