TU Delft presenteert de negen Beste Klimaat- en Energiepublicaties

De reus ontwaakt: een hoge-resolutie verslag van hoe het Antarctisch oppervlak smelt

Antarctica is lange tijd als “de slapende reus” van zeespiegelstijging beschouwd, maar het zal eind deze eeuw Groenland inhalen wat betreft de bijdrage daaraan. Het afkalven van de ijsplaat rond Antarctica wordt versneld door een opeenstapeling van smeltprocessen aan het oppervlak die zowel lokaal als van korte duur zijn. Deze processen worden vaak niet door satellieten voor aardobservatie geregistreerd omdat deze dan wel een hoge ruimtelijke resolutie of juist een hoge frequentie in de tijd hebben, maar niet beiden tegelijk. Sophie de Roda Husman combineerde gigantische datasets om tot een Machine Learning-model te komen dat deze beperkingen overwint. Vervolgens creëerde ze hiermee een historisch verslag van hoe het Antarctisch oppervlak smelt, met een hoge resolutie in zowel tijd als plaats. Dit stelt andere wetenschappers in staat om bestaande klimaatmodellen en hydrologische modellen te verbeteren. Dit kan de onzekerheid in de nu voorspelde zeespiegelstijging tegen het jaar 2100 flink terugbrengen – waarmee haar Civiele Techniek-collega’s meteen ook een nauwkeuriger richtpunt hebben bij het ontwerpen van beschermende maatregelen.

Sophie de Roda Husman, PhD (CiTG)
A high-resolution record of surface melt on Antarctic ice shelves using multi-source remote sensing data and deep learning

Met biokool naar een mogelijk verlaagde uitstoot van methaan door stortplaatsen

De biologische afbraak van afval in stortplaatsen leidt tot de productie en emissie van methaan – een zeer krachtig broeikasgas. Stortplaatsen over de gehele wereld zijn op deze manier goed voor een derde van de totale methaanuitstoot. Susan Buisma-Yi deed onderzoek naar het toevoegen van biokool (een bijproduct van het pyrolyseproces van biologisch afval) aan de grond-deklaag van stortplaatsen. Dit kan namelijk het vermogen van de daarin aanwezige microben vergroten om methaanemissies te verminderen. De heersende opvatting is immers dat een grotere porositeit van deze grond (meer luchtholtes) dergelijke activiteit bevordert, omdat het gastransport vergemakkelijkt en daarmee een gunstige(r) leefomgeving voor deze microben creëert. Haar onderzoek toont echter aan dat de resultaten heel erg van de grondsoort afhangen, ook al vergroot het toevoegen van biokool de porositeit ongeacht hoe krachtig de grond is samengedrukt. Een optimale grondsamenstelling vergt meer onderzoek, maar biokool heeft wel degelijk de potentie om methaanemissies in bepaalde typen grond te reduceren. Een tweesnijdend zwaard omdat biokool in Nederland als afval wordt gezien, in plaats van dat het nuttig wordt ingezet.

Susan Buisma-Yi, PhD (CiTG)
Effects of fir-wood biochar on CH4 oxidation rates and methanotrophs in landfill cover soils packed at three different proctor compaction levels

A closer look: de economische impact van zeespiegelstijging op Europese regio's en sectoren

Economische impactstudies bieden besluitvormers essentiële informatie om de gevolgen van zeespiegelstijging het hoofd te kunnen bieden. Maar deze studies zijn voornamelijk voor hele landen of zelfs wereldregio’s uitgevoerd, terwijl maatregelen vaak lokaal genomen moeten worden. Ignasi Cortés Arbués gebruikte nieuw beschikbare data en ontwikkelde daarmee een bottom-up benadering voor de EU en het Verenigd Koninkrijk. Zijn model houdt niet alleen rekening met regionale effecten, maar ook met onderlinge economische afhankelijkheden tussen verschillende sectoren. De economische impact van een staalfabriek die onder water komt te staan, zal immers veel verder reiken dan alleen het herbouwen van die fabriek. Zijn model is op historische overstromingsgegevens gebaseerd, en is daarom niet geschikt voor toekomstvoorspellingen of het nauwkeurig bepalen van beleid. Maar het onderstreept wel degelijk dat lokale kenmerken van regio’s bij afwegingen omtrent zeespiegelstijging moeten worden meegenomen, omdat deze tot een groot verschil in economische neergang – en zelfs groei – kunnen leiden. Neem bijvoorbeeld het noorden van Italië. Dat kan hard door zeespiegelstijging geraakt worden, waar binnenlandse regio’s en andere landen vervolgens met toegenomen handel van profiteren. Zijn artikel suggereert bovendien dat een daling in het Bruto Binnenlands Product flink kan worden beperkt met gerichte hersteluitgaven aan vier kritieke sectoren (Logistiek, Openbare Diensten, Transport en Nutsvoorzieningen).

Ignasi Cortés Arbués, PhD (TBM)
Distribution of economic damages due to climate‐driven sea‐level rise across European regions and sectors

Er gloort hoop voor zeeschildpadden

Ze struinen al 150 miljoen jaar op de aarde rond, maar versnelde klimaatverandering en een toename in menselijke kustactiviteiten bedreigen nu toch echt de stranden waar zeeschildpadden – een sleutelsoort in diverse lokale ecosystemen – hun eieren leggen. Jakob Christiaanse voerde een wereldwijde analyse uit naar omgevingsfactoren die de spreiding van hun nestgebieden beïnvloeden. Daarvoor bracht hij met een innovatief zeshoekig kustlijnrooster (Coastgons) meer dan twintig kustindicatoren in kaart – waaronder zeewatertemperatuur, getijdenverschillen, en de nabijheid van koraalriffen en menselijke activiteit. Met Machine Learning relateerde hij deze vervolgens aan bekende nestgebieden, waardoor hij voor elke zeeschildpadsoort invloedrijke indicatoren kon identificeren – zowel gunstige als ongunstige. De meeste van deze indicatoren waren al eens gesuggereerd in eerder onderzoek, maar daarbij ging het om lokale analyses. Jakobs wereldwijde analyse leverde bovendien nieuwe, mogelijk geschikte, nestregio’s op. Zijn studie kan tot een versnelling leiden in het gebruik van nature-based solutions voor het herstellen, behouden en uitbreiden van nestgebieden van zeeschildpadden. Denk hierbij aan zeeschildpad-vriendelijke zandsuppleties of kunstmatige riffen die bescherming bieden tegen overstromingen en erosie.

Jakob Christiaanse, PhD (CiTG)
Distribution of global sea turtle nesting explained from regional‐scale coastal characteristics

Schaduw op je huis? Daar is een zonnepaneel voor.

Lokale opwekking en gebruik van energie heeft de toekomst. Maar standaard commerciële zonnepanelen zijn heel inefficiënt als een deel ervan in de schaduw ligt, wat zich in een stedelijke omgeving maar al te vaak kan voordoen. Andrés Calcabrini bouwde een prototype op ware grootte van een zonnepaneel dat zichzelf elektronisch kan herconfigureren. Als er geen schaduw is, zal het paneel zijn zonnecellen in serie schakelen voor maximale energieopbrengst (zoals een lange tuinslang). Maar als ook maar één zonnecel in de schaduw ligt, dan beïnvloedt dit de opbrengst van het gehele paneel negatief (zoals een tuinslang met een knik erin). Het paneel switcht dan naar een meer parallelle configuratie. Vervolgens stelde hij dit paneel gedurende vier maanden bloot aan stadsachtige schaduw. Alhoewel de extra elektronica tot een gering verlies in energieopbrengst leidt op momenten zonder schaduw, levert het paneel over het gehele jaar 10% meer stroom dan de huidige standaard in “schaduwbestendige” zonnepanelen. Met zijn onderzoek heeft hij bepaald hoeveel duurder zulke zonnepanelen mogen zijn en of massaproductie loont. Wie weet kun je uiteindelijk met een gerust hart ook zonnepanelen op het schuurtje in de schaduwhoek van je tuin leggen, of op enig ander beschaduwd oppervlak.

Andrés Calcabrini, PhD (EWI)
Electrical performance of a fully reconfigurable series-parallel photovoltaic module

Een gesloten koolstofkringloop: van laboratoriumschaal naar economische haalbaarheid

Het verbranden, raffineren of verwerken van fossiele brandstoffen leidt tot CO2-uitstoot, wat aan klimaatverandering bijdraagt. Met lage-temperatuur elektrochemische omzetting is precies het tegenovergestelde mogelijk: rest-CO2 omzetten in hoognodige basis- en fijne chemicaliën, waardoor we fossiele brandstoffen zullen kunnen uitfaseren. Deze technologie heeft zich op laboratoriumschaal al bewezen. Maar de technisch-economische modellen waarmee economische haalbaarheid op fabrieksschaal wordt ingeschat, gaan er onterecht van uit dat kritieke prestatie-indicatoren (zoals energie-efficiëntie of specificiteit in de reactieproducten) onafhankelijk van elkaar kunnen worden ingesteld. Isabell Bagemihl ontwikkelde een multischaalmodel – van reactiekanaal tot proces-omvang – waarmee reactorontwerp voor de elektrochemische omzetting van CO2 vanuit een techno-economisch perspectief kan worden beoordeeld. Omdat dit model specifiek rekening houdt met onderlinge afhankelijkheden, levert het prestatie-indicatoren die daadwerkelijk realiseerbaar zijn met huidige elektrolyse-apparaten. Ze heeft haar model voor een enkele reactie gedemonstreerd (CO2 naar ethyleen), maar het kan eenvoudig voor andere reacties worden aangepast. Haar onderzoek kan richting geven aan toekomstig fundamenteel elektrolyse-onderzoek, wat ons dichter bij een gesloten koolstofkringloop brengt.

Isabell Bagemihl, PhD (TNW)
Techno-economic Assessment of CO2 Electrolysis: How Interdependencies between Model Variables Propagate Across Different Modelling Scales

Good vibrations: het versnellen van offshore-windenergie

De energietransitie is gebaat bij een versnelde implementatie van offshore-windenergie. Maar dit is waarschijnlijk niet haalbaar met de huidige techniek voor het plaatsen van de (enkele paal)funderingen: hameren. Bovendien veroorzaakt dit ook nog eens aanzienlijke geluidsoverlast onder water. Athanasios Tsetas heeft een nieuwe funderingstechniek mede-ontwikkelt. Net zoals je een parasolstok draait als je die in het strand wil plaatsen, voegt zijn techniek roterende trillingen aan verticale trillingen toe. Middelgrote experimenten zijn hiermee al succesvol uitgevoerd. En nu heeft hij het wiskundige model geformuleerd dat nauwkeurig de onderliggende mechanica beschrijft voor de veel grotere funderingspalen die de energietransitie zullen versnellen. In samenwerking met offshore aannemers en ontwikkelaars bestaat de volgende stap uit nog grotere experimenten, om zo het model te valideren en de gunstige kenmerken van de nieuwe techniek te bevestigen. Daarna is het slechts een kwestie van tijd totdat deze sociaal en milieutechnisch verantwoorde techniek bijdraagt aan windenergie voor onze huizen.

Athanasios Tsetas, PhD (CiTG)
The mechanics of the Gentle Driving of Piles

Een emissieloze verbrandingscyclus voor een koolstofvrij toekomstig energienetwerk.

Brandstofcellen die energie opwekken uit waterstof opereren zowel bijzonder efficiënt als emissieloos. Maar gasturbines genieten ruimschoots de voorkeur bij energieopwekking vanwege hun superieure operationele eigenschappen – zoals een hoge betrouwbaarheid, lange levensduur en lage operationele en onderhoudskosten. De innovatieve HYCOS-verbrandingscyclus biedt de mogelijkheid deze positieve kenmerken te combineren. En met een capaciteit van 10 tot 50 MW aan direct beschikbare energie – gelijk aan meerdere grote windturbines – vult het een gat in de markt voor decentrale energieopwekking. Kaushal Dave analyseerde en optimaliseerde deze verbrandingscyclus en kwam tot een indrukwekkende, theoretisch haalbare gas-naar-elektriciteit efficiëntie van meer dan 55%. De HYCOS-cyclus met daarin seizoensgebonden waterstofopslag geïntegreerd biedt daarmee een overtuigende oplossing voor het opvangen van fluctuaties in hernieuwbare energie, en voor het vergroten van de flexibiliteit van toekomstige gedistribueerde energienetwerken. Het is nog geen gelopen koers aangezien de HYCOS-cyclus zowel een hoge temperatuur als hoge druk vereist. Dat maakt het ontwerpen van componenten een uitdagende taak, vooral voor de warmtewisselaar. Desalniettemin biedt het goede hoop om tot een koolstofvrije mondiale economie te komen.

Kaushal Dave, MSc (LR)
Thermodynamic analysis of a zero-emission combustion cycle for energy transition

Locatie, locatie, locatie – fouten in gelijkstroomnetwerken opsporen

Met de enorme groei in hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, neemt ook de vraag naar gelijkstroomnetwerken toe. Natuurlijk worden deze ontworpen om 24/7 te functioneren, maar er kunnen zich wel degelijk problemen voordoen. Vaibhav Nougain had eerder al gepubliceerd over hoe je zulke fouten kunt identificeren (welke stroomkabel geeft een fout). Nu heeft hij ook een wiskundig model ontwikkeld dat binnen luttele milliseconden de fout kan lokaliseren (waar in deze stroomkabel zit de storing). Dit zal veel tijd en handmatige arbeid besparen bij het opsporen en vervolgens verhelpen van de storing. Waar voorgaand, vergelijkbaar onderzoek zich voornamelijk op het lokaliseren van de storing in één enkele stroomkabel richtte, werkt het baanbrekende algoritme van Nougain ongeacht de complexiteit van het gelijkstroomsysteem. Het maakt bovendien niet uit of het om een netwerk voor laag-, middel- of hoogspanning gaat. Met toepassingen in schepen, de offshore windenergie, de tweerichtings-uitwisseling van energie in woningen, en meer, is het een essentieel instrument voor de overstap naar hernieuwbare energiebronnen.

Vaibhav Nougain, PhD (EWI)
Fault Location Algorithm for Multi-Terminal Radial Medium Voltage DC Microgrid