Energie uit asfalt

Doordat het water de weg afkoelt, neemt de spoorvorming af. Wouter van Bijsterveld onderzocht of dit daadwerkelijk zo makkelijk en milieuvriendelijk is als het klinkt.

,,Buizen in een wegdek mogen dan energie opleveren, ze beïnvloeden wel de constructieve eigenschappen van de weg. Zo’n plastic buis is immers een slap element. Bestaand onderzoek is heel erg eenzijdig op de energiewinning gericht: zoveel zonnestraling erin, zoveel energie eruit, zonder te kijken of dat constructief wel kan”, aldus Van Bijsterveld. Er was dus onderzoek nodig naar de samenhang tussen thermisch gedrag en constructieve gevolgen van de buizen in de weg. ,,De samenhang in het bestaande onderzoek ontbreekt; er is een kennislacune. Een dergelijk systeem biedt interessante mogelijkheden maar de combinatie van alle mogelijkheden in één systeem is vooralsnog problematisch.” Van Bijsterveld, 24 jaar, studeerde er met een negen op af bij Civiele Techniek.

Behalve het winnen van energie zijn er nog meer potentiële voordelen: doordat het water in het buizenstelsel opwarmt, koelt het wegdek af. Zeker ’s zomers wordt het asfalt hierdoor minder slap, waardoor spoorvorming minder snel optreedt en een asfaltlaag langer meegaat. Door het warme water in de aarde op te slaan en het in de winter weer door de buizen te laten stromen, zou het een alternatieve vorm van gladheidbestrijding zijn. De weg wordt dus ook nog eens veiliger. De belangrijkste parameters die het succes bepalen zijn de diepte waarop de buizen in het wegdek liggen en hun onderlinge afstand.

Om het temperatuurverloop in het wegdek te onderzoeken maakte Van Bijsterveld een rekenmodel met een eindige-elementenmethode. Hij gebruikte de meetresultaten van een werkelijk gebouwd stuk weg met een buizenstelsel erin om het model te ijken. De Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) van Rijkswaterstaat wilde ervaring opdoen met deze techniek. ,,De waarden voor bepaalde parameters in de constructie verschilden soms een factor vier in de gevonden literatuur”, aldus Van Bijsterveld. Door aan de gemeten werkelijkheid te kalibreren klopte zijn model dus altijd.

Alleen buizen die relatief diep en ook nog eens dichtbij elkaar lagen, leverden een voldoende homogeen temperatuurverloop op om spoorvorming te voorkomen. Het wegdek wordt onderin echter niet zo warm als aan het oppervlak, het water minder warm en de energieopbrengst dus lager. Sluiten energiewinning en het voorkomen van spoorvorming elkaar dan uit? Van Bijsterveld denkt van niet: ,,Door te spelen met diepteligging en buisafstanden kan ergens een optimum gevonden worden.”

Pieken

Voor het berekenen van materiaalspanningen in een asfaltlaag met buizen erin maakte Van Bijsterveld een tweede eindige-elementenmodel. Er was geen bruikbare rekensoftware voorhanden die zowel de verdeling van de temperatuur als die van de spanningen nauwkeurig genoeg weer kon geven. Het nu gebruikte eindige-elementenpakket CAPA 3D is aan de TU Delft ontwikkeld. Zelfs zonder temperatuurberekeningen was het voor de computer nog een hele rekenklus. Van Bijsterveld: ,,De snelste computer op de faculteit deed nog altijd zeven uur over een berekening. Dat waren dus drie berekeningen per dag.” De resultaten lieten grote pieken in de spanningen rondom de buizen zien, waardoor het asfalt zou kunnen scheuren.

In tegenstelling tot het thermisch model was het aan de werkelijkheid toetsen van het constructieve model niet mogelijk. In het proefwegdek waren namelijk geen sensoren aangebracht om spanningen te meten. Van Bijsterveld: ,,Of het asfalt dus daadwerkelijk scheurt weten we niet. Mijn begeleider zei eens ‘er is niets zo goedkoop als nadenken en niets zo duur als doen’.” Volgens Van Bijsterveld had DWW eerst een theoretisch model zoals het zijne moeten maken: ,,Dit hoeft niet eens zo nauwkeurig te zijn maar daaruit zou zijn gebleken waar iets bijzonders gebeurde zodat je daar aan had kunnen gaan meten. Dit is een gemiste kans.”

Op basis van de huidige kennis raadt Van Bijsterveld af koelbuizen in wegen aan te leggen. Aannemers in de wegenbouw zijn de gangmakers van het onderzoek naar toepassing van buizen in wegconstructies. Van Bijsterveld: ,,Aannemers verwachten dat het systeem op grote schaal toegepast zal worden. Wie een goede en gepatenteerde techniek van buizen leggen heeft kan daar veel geld mee verdienen.” Hijzelf is na 5,5 jaar studeren nu nog vakantie aan het vieren. In april keert hij als promovendus terug bij Civiele Techniek. Hij heeft de smaak te pakken en gaat verder met het modelleren van wegconstructies met behulp van eindige-elementenmethoden.

Bouw een netwerk van buizen in het asfalt van een weg. Laat hier water doorheen stromen dat door de zon wordt opgewarmd en gebruik die warmte vervolgens nuttig. Doordat het water de weg afkoelt, neemt de spoorvorming af. Wouter van Bijsterveld onderzocht of dit daadwerkelijk zo makkelijk en milieuvriendelijk is als het klinkt.

,,Buizen in een wegdek mogen dan energie opleveren, ze beïnvloeden wel de constructieve eigenschappen van de weg. Zo’n plastic buis is immers een slap element. Bestaand onderzoek is heel erg eenzijdig op de energiewinning gericht: zoveel zonnestraling erin, zoveel energie eruit, zonder te kijken of dat constructief wel kan”, aldus Van Bijsterveld. Er was dus onderzoek nodig naar de samenhang tussen thermisch gedrag en constructieve gevolgen van de buizen in de weg. ,,De samenhang in het bestaande onderzoek ontbreekt; er is een kennislacune. Een dergelijk systeem biedt interessante mogelijkheden maar de combinatie van alle mogelijkheden in één systeem is vooralsnog problematisch.” Van Bijsterveld, 24 jaar, studeerde er met een negen op af bij Civiele Techniek.

Behalve het winnen van energie zijn er nog meer potentiële voordelen: doordat het water in het buizenstelsel opwarmt, koelt het wegdek af. Zeker ’s zomers wordt het asfalt hierdoor minder slap, waardoor spoorvorming minder snel optreedt en een asfaltlaag langer meegaat. Door het warme water in de aarde op te slaan en het in de winter weer door de buizen te laten stromen, zou het een alternatieve vorm van gladheidbestrijding zijn. De weg wordt dus ook nog eens veiliger. De belangrijkste parameters die het succes bepalen zijn de diepte waarop de buizen in het wegdek liggen en hun onderlinge afstand.

Om het temperatuurverloop in het wegdek te onderzoeken maakte Van Bijsterveld een rekenmodel met een eindige-elementenmethode. Hij gebruikte de meetresultaten van een werkelijk gebouwd stuk weg met een buizenstelsel erin om het model te ijken. De Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) van Rijkswaterstaat wilde ervaring opdoen met deze techniek. ,,De waarden voor bepaalde parameters in de constructie verschilden soms een factor vier in de gevonden literatuur”, aldus Van Bijsterveld. Door aan de gemeten werkelijkheid te kalibreren klopte zijn model dus altijd.

Alleen buizen die relatief diep en ook nog eens dichtbij elkaar lagen, leverden een voldoende homogeen temperatuurverloop op om spoorvorming te voorkomen. Het wegdek wordt onderin echter niet zo warm als aan het oppervlak, het water minder warm en de energieopbrengst dus lager. Sluiten energiewinning en het voorkomen van spoorvorming elkaar dan uit? Van Bijsterveld denkt van niet: ,,Door te spelen met diepteligging en buisafstanden kan ergens een optimum gevonden worden.”

Pieken

Voor het berekenen van materiaalspanningen in een asfaltlaag met buizen erin maakte Van Bijsterveld een tweede eindige-elementenmodel. Er was geen bruikbare rekensoftware voorhanden die zowel de verdeling van de temperatuur als die van de spanningen nauwkeurig genoeg weer kon geven. Het nu gebruikte eindige-elementenpakket CAPA 3D is aan de TU Delft ontwikkeld. Zelfs zonder temperatuurberekeningen was het voor de computer nog een hele rekenklus. Van Bijsterveld: ,,De snelste computer op de faculteit deed nog altijd zeven uur over een berekening. Dat waren dus drie berekeningen per dag.” De resultaten lieten grote pieken in de spanningen rondom de buizen zien, waardoor het asfalt zou kunnen scheuren.

In tegenstelling tot het thermisch model was het aan de werkelijkheid toetsen van het constructieve model niet mogelijk. In het proefwegdek waren namelijk geen sensoren aangebracht om spanningen te meten. Van Bijsterveld: ,,Of het asfalt dus daadwerkelijk scheurt weten we niet. Mijn begeleider zei eens ‘er is niets zo goedkoop als nadenken en niets zo duur als doen’.” Volgens Van Bijsterveld had DWW eerst een theoretisch model zoals het zijne moeten maken: ,,Dit hoeft niet eens zo nauwkeurig te zijn maar daaruit zou zijn gebleken waar iets bijzonders gebeurde zodat je daar aan had kunnen gaan meten. Dit is een gemiste kans.”

Op basis van de huidige kennis raadt Van Bijsterveld af koelbuizen in wegen aan te leggen. Aannemers in de wegenbouw zijn de gangmakers van het onderzoek naar toepassing van buizen in wegconstructies. Van Bijsterveld: ,,Aannemers verwachten dat het systeem op grote schaal toegepast zal worden. Wie een goede en gepatenteerde techniek van buizen leggen heeft kan daar veel geld mee verdienen.” Hijzelf is na 5,5 jaar studeren nu nog vakantie aan het vieren. In april keert hij als promovendus terug bij Civiele Techniek. Hij heeft de smaak te pakken en gaat verder met het modelleren van wegconstructies met behulp van eindige-elementenmethoden.