Energieneutrale tunnels zijn mogelijk. Niet alleen in nieuwbouw, ook bij renovatie. Dat blijkt uit het onderzoek Zero Energy Tunnel: renewable Energy Generation and Reduction of Energy Consumption van Rimma Dzuhusupova aan de Technische Universiteit Eindhoven.

Een combinatie van bewezen technieken op het gebied van energiebesparing, toepassing van ter plaatse duurzaam opgewekte energie en ventilatiesystemen die de luchtkwaliteit binnen en buiten tunnels verbeteren, kan nu al een energieneutrale tunnel opleveren. Niets staat volgens promovenda Rimma Dzuhusupova (TU Eindhoven) en KIEN-directeur Adrie van Duijne een praktijktoepassing nog in de weg.

De conclusie dat een energieneutrale tunnel haalbaar is met bestaande, bewezen technologie, kan voor opdrachtgevers een eyeopener zijn, denkt Rimma Dzuhusupova.

“Opdrachtgevers zijn vaak niet geïnteresseerd in het investeren in energiebesparende maatregelen, in de veronderstelling dat het niet rendabel is. Met mijn eenjarig onderzoek heb ik aangetoond dat het mogelijk is om met behulp van bewezen technologie een energieneutrale tunnel te bouwen die past binnen de rendementseisen; een terugverdientijd van maximaal 25 jaar.”

“Verder onderzoek moet overigens nog wel duidelijk maken welke techniek je in welke situatie moet toepassen. In een praktijksituatie waar de omstandigheden bekend zijn en je niet hoeft te rekenen op basis van een virtuele standaardtunnel, kun je preciezer rekenen. Er is nog veel te onderzoeken. Ik hoop dat anderen dit onderwerp oppakken en er verder mee willen gaan.”

Adrie van Duijne, directeur van het Knooppunt Innovatie Elektrotechniek Nederland (Stichting KIEN): “KIEN wil verder met dit onderzoek. Alle grote installatiebedrijven zien het belang ervan. De volgende stap is een pilottunnel. De contacten daarvoor zijn gelegd. Rijkswaterstaat heeft zich in ieder geval al zeer betrokken getoond. Daar ziet men met name de luchtkwaliteit als een groot probleem. Na de zomer willen we met opdrachtgevers, waaronder ook gemeenten, en de installatiewereld een werkgroep vormen die zo’n praktijkproject mogelijk moet maken. Doel is een productconcept te ontwikkelen waar we als BV Nederland ook exportkansen mee creëren. We zien de grootste problemen in bestaande tunnels en verwachten dan ook dat de grootste kansen in renovatieprojecten liggen.”

Gemiddelde Nederlandse tunnel

Met behulp van Rijkswaterstaat en Croon Elektrotechniek heeft Rimma Dzuhusupova voor haar berekeningen een virtuele tunnel gedefinieerd met twee tunnelbuizen met een lengte van een kilometer, die tijdens de spits 5.000 voertuigen per uur te verwerken krijgt. Doel was om die tunnel zo te ontwerpen en in te richten dat deze het milieu niet belast en aantoonbare voordelen biedt voor opdrachtgevers. Er is ook gekeken naar de nieuwe Tunnelstandaard. “Rijkswaterstaat was een van de participanten in het onderzoek en heeft mij gedurende de totstandkoming van de Tunnelstandaard al inzicht gegeven in onderliggende documenten, zodat ik daar rekening mee kon houden”, aldus Rimma Dzuhusupova. Of het ontwerp daadwerkelijk binnen de standaard past, moet ook blijken uit de pilot.

Energiereductie

Tunnels hebben een veel groter geïnstalleerd vermogen dan dat er daadwerkelijk wordt gebruikt. Dat surplus zit grotendeels in de voorzieningen voor de ventilatievoorzieningen die alleen bij calamiteiten volledig worden ingezet. Kijkend naar het gemiddelde van de data van de Drechttunnel, Heinenoordtunnel, Beneluxtunnel en Coentunnel, komt Dzuhusupova tot de conclusie dat 53% van de daadwerkelijke energieconsumptie in tunnels voor verlichting wordt gebruikt. Toepassing van led-verlichting verlaagt de totale energieconsumptie van een tunnel met 12%, met een redelijke terugverdientijd. Op basis van door Croon Elektrotechniek ter beschikking gestelde data blijkt dat een gemiddelde tunnel 6,6 MWh/km per jaar verbruikt.

Naast beperking van energieverbruik en CO2-uitstoot betekent toepassing van led-verlichting ook dat de beschikbaarheid van de tunnel toeneemt als gevolg van een lagere onderhoudsinterval. Bovendien kan de intensiteit van led-verlichting gemakkelijker worden aangepast aan weersomstandigheden, het lichtniveau buiten de tunnel en de verkeersintensiteit. In Nederland is led-verlichting overigens al toegepast in onder andere de Vlaketunnel en de Heinenoordtunnel.

Luchtkwaliteit

Onderzoek naar beperking van energieverbruik voor ventilatiedoeleinden heeft Dzuhusupova gekoppeld aan de mogelijkheden om de luchtkwaliteit buiten de tunnel te verbeteren. Tot heden is alleen bij de Coentunnel een ventilatiesysteem geïnstalleerd met 25 meter hoge emissieschachten, dat voorkomt dat emissiewaarden direct buiten de tunnel te hoog oplopen. Rimma Dzuhusupova: “De daarvoor benodigde energie bedraagt veertig procent van het totale energieverbruik in de tunnel. Ik heb onderzoek gedaan naar systemen met filters, zoals die in onder andere Oostenrijk, Japan en Noorwegen al zijn toegepast. Mechanische filters en koolfilters zijn vanuit energieoogpunt de beste oplossing, maar vergen veel onderhoud. Een combinatie met elektrostatisch filter of koudeplasmatechnologie kan, afhankelijk van de situatie, tot optimalisatie leiden. Verder kan luchtreiniging gecombineerd worden met warmtecirculatie, waardoor de door voertuigen in de tunnel opgewekte warmte kan worden gewonnen voor hergebruik.”

Energieopwekking

Na optimalisatie van de bestaande systemen is er nog geen sprake van een volledig energieneutrale (zero energy) tunnel. Daarvoor is opwekking van hernieuwbare energie nodig. In de modeltunnel die voor de berekeningen is gebruikt, zou sprake moeten zijn van 1.000 m2 photovoltaïsche cellen (zonnepanelen) en twee windturbines met een vermogen van 0,5 MW. Dzuhusupova stelt in het onderzoek: “De introductie van hernieuwbare energiebronnen is technisch gezien een uitdaging. We kunnen echter concluderen dat met het voorgestelde nieuwe ontwerp het beoogde doel wordt bereikt: reductie van energiegebruik, verbetering van de luchtkwaliteit binnen en buiten de tunnel en opwekking van hernieuwbare energie om de tunnel daadwerkelijk energieneutraal te maken.”

Dunea heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om distributieleidingen voor drinkwater goedkoper en met minder overlast voor bewoners te saneren. Door een stevige ballon op te blazen in de leiding, hoeft het water voor andere aansluitingen op dezelfde leiding niet te worden onderbroken. Zo kan een leiding in kleinere delen worden vervangen.

Op de IJsselkade in Leiden zijn Dunea-monteurs Peter van de Burg en Mario Kreber al vroeg bezig met de voorbereidingen. Er moet over een lengte van dertig meter een gietijzeren leiding worden vervangen. Nadat de waterleiding met een graafmachine is blootgelegd, wordt een gat in de oude distributieleiding geboord. Daarna brengen de monteurs via het gat een blaas (ballon) in de buis. De blaas wordt opgepompt en sluit de buis luchtdicht af. Vervolgens kan de oude buis worden verwijderd. Op de nieuwe leiding komt een speciale afsluitbare koppeling, waarop de volgende dag wordt voortgebouwd. Het is een nieuwe techniek waarmee Dunea nu ervaring opdoet.

“Geweldig. Je hoeft geen noodleidingen meer aan te leggen”, zegt Peter. “Bovendien zitten onze klanten minder lang zonder water. In plaats van een hele wijk af te sluiten, hoeven we alleen het water in de straat waar we de leiding vervangen tijdelijk af te sluiten.”

Geen noodleiding

Het idee ontstond binnen MOC-operationeel, de afdeling die nadenkt over materialen en methodieken. André Koning en Michel Helgers werkten het verder uit: “We wilden een manier bedenken om distributieleidingen te saneren zonder aanleg van noodleidingen. Een noodleiding leggen en weer weghalen, betekent veel graafwerkzaamheden, en het bedraagt al snel een derde van de totale saneringskosten. Bovendien wordt de noodleiding vaak maar één keer gebruikt en daarna weggegooid. Werken zonder noodleidingen is dus minder belastend voor het milieu.”

Per jaar vervangt Dunea vijfendertig kilometer aan leidingen in vele projecten. Peter: “We vervangen met de nieuwe methodiek gemiddeld dertig tot veertig meter op een dag. In de pilot testen we onder meer hoe de blaas zich houdt bij gietijzeren leidingen. De binnenkant van dit type leidingen is soms wat ruw. We testen of de blaas daartegen bestand is en niet beschadigt raakt of knapt. Tot nu toe is dat niet gebeurd. De eerste bevindingen zijn positief!”

Om half twaalf ’s ochtends is de dagproductie van de pilot al gehaald: dertig meter oude distributieleiding is vervangen door een nieuwe pvc buis met een diameter van honderdtien millimeter. Daarna kan de graafsleuf weer dichtgegooid worden met zand. De mannen nemen na gedane arbeid eerst even pauze in de schaftkeet met koffie en een paar flinke boterhammen met spek. André Koning vertelt dat ze de nieuwe techniek al een naam hebben gegeven: de HELKO-methodiek. “HEL is van Helgers en KO is van Koning”, legt Andre glimlachend uit.

Reacties

Het is goed mogelijk dat de techniek straks in het hele land navolging krijgt. Andere waterbedrijven kwamen al langs op de IJsselkade om te kijken hoe de techniek werkt. Een klantbelevingsonderzoek maakte ook onderdeel uit van de pilot. In de nabijgelegen Spaarnestraat vertelde een bewoner: “Het is gebruikelijk dat bij het vervangen van de leidingen de straat twee tot drie keer open gaat, maar bij ons was het binnen een dag gepiept. ’s Ochtends werd de straat opengebroken en toen ik ’s middags van mijn werk thuiskwam, lagen de stoeptegels er alweer in.”

Omdat het water tijdelijk wordt afgesloten en het een pilot is, stelt Dunea waterflessen beschikbaar voor de bewoners. De volgende ochtend wordt het water bemonsterd volgens de standaardprocedure. De bewoners krijgen het advies om de eerste vier dagen alleen water te drinken nadat het is gekookt. “Ik hoorde van mijn vrouw dat het water slechts kort is afgesloten”, aldus de bewoner. “Ze hielden ons netjes op de hoogte.”

De Velsertunnel is de oudste snelwegtunnel van Nederland. Hij loopt onder het Noordzeekanaal tussen IJmuiden en Beverwijk en ging in 1957 open voor het verkeer. Bijna zestig jaar na de opening was de bijna 800 meter lange tunnel toe aan groot onderhoud. Op 16 januari 2017 ging de tunnel na een renovatie van negen maanden weer open voor het verkeer.

De Velsertunnel is flink opgeknapt. Dat is belangrijk, want de tunnel is een belangrijke schakel in het Noord-Hollandse wegennet. Per dag rijden er ongeveer 65.000 voertuigen doorheen. Door de renovatie voldoet de tunnel aan de nieuwe Tunnelwet en kan het verkeer ook in de toekomst vlot en veilig door de tunnel rijden.

De Velsertunnel was anno 2015 de enige bestaande rijkstunnel die niet voldeed aan de veiligheidsnorm, zoals die in de Wet aanvullende regels veiligheid wegtunnels is vastgelegd. Diverse tunneltechnische installaties waren verouderd, waaronder het ventilatiesysteem en het blussysteem. Verder waren er ieder jaar incidenten met te hoge vrachtwagens die vast komen te zitten in de tunnel. Deze incidenten leidden tot schade aan de tunnel en veroorzaakten verkeersoverlast.

Renovatie

Bij de renovatie zijn de tunnelbuizen met twaalf centimeter verhoogd en is een nieuw ventilatiesysteem aangebracht. Bij brand in de tunnel wordt rook niet langer via de ventilatietorens naar boven afgezogen, maar door ventilatoren in de rijrichting de tunnel uitgeblazen. Verder zijn de tunneltechnische installaties vernieuwd en aangesloten op een verkeerscentrale. Ook zijn de vluchtwegen aangepast, liggen de vluchtdeuren minder ver uit elkaar, is alle betonschade gerepareerd en is het wegdek vernieuwd. De ventilatietorens voorzien nu vijf vluchtruimtes onderin de tunnel van frisse lucht.

De renovatie is aanbesteed als een ‘Design, Construct & Maintenance’-contract. Na oplevering is de opdrachtnemer, het consortium Hyacint, nog zeven jaar verantwoordelijk voor het tunnelonderhoud.

Na de voorlopige gunning in februari 2014 hield Hyacint direct scrumsessies met opdrachtgever Rijkswaterstaat. Doel van deze aanpak, die nieuw was in de civiele wereld, was het verhelderen van de contracteisen en het krijgen van overeenstemming. De voorbereidende werkzaamheden voor de renovatie zijn eind 2015 gestart. Tijdens de renovatie zelf, die in het voorjaar van 2016 begon, was de tunnel negen maanden dicht voor al het verkeer om ervoor te zorgen dat de werkzaamheden veilig konden worden uitgevoerd. Om verkeershinder te beperken en de bereikbaarheid van de regio op peil te houden, had Rijkswaterstaat allerlei maatregelen getroffen, zoals het aanleggen van omleidingsroutes en tijdelijke verbindingswegen en het uitvoeren van mobiliteitsplannen.

Toen de Velsertunnel dicht was, werd het verkeer omgeleid door de Wijkertunnel. Voor verkeer van zuid naar noord had Rijkswaterstaat vier tijdelijke verbindingswegen aangelegd: de zogeheten keerlussen.

Historie

De Velsertunnel is gebouwd volgens de openbouwputmethode Hiervoor is gekozen vanwege een kleilaag in de ondergrond op 16 meter beneden NAP. Door deze kleilaag kon geen gebruik worden gemaakt van de afzinktechniek, omdat de afzinksleuf de kleilaag zou doorsnijden. Dat zou ertoe leiden dat zout water zich zou vermengen met het zoete grondwater.

De bouwput is toentertijd in fases aangelegd. Eerst is een bouwkuip gemaakt vanaf de zuidoever van het Noordzeekanaal. Deze bouwput was 300 meter lang. Hierna is er in het midden van het kanaal een eiland gemaakt, waarna de noordzijde van het kanaal is afgesloten met damwanden. Nadat deze bouwput is uitgegraven, is het noordelijke deel van de tunnel gebouwd en zijn beide delen op elkaar aangesloten.

Voor de ventilatie van de tunnelbuizen zijn zowel aan de zuid- als noordkant ventilatietorens gebouwd in de vorm van gestileerde hyacinten. De lage torens zijn ruim 16 meter hoog, de hoge ruim 31 meter.

Aantonen dat een tunnel veilig is, moet volgens de Tunnelwet met de zogeheten QRA-methode. Het onderliggende rekenmodel is echter niet voor alle tunnels zonder meer geschikt. Bart Duijvestijn, Jeffrey Rundberg en Roel Scholten vertellen hoe zij met dit probleem zijn omgegaan bij respectievelijk de IJtunnel, de Schipholtunnels en de Abdijtunnel: tunnels die afwijken van de ‘standaardtunnel’.

Alle tunnels in Nederland moeten uiterlijk 2019 voldoen aan de Tunnelwet, waarbij veiligheid het belangrijkste onderdeel is. “De voorgeschreven QRA-methode gaat net als de Landelijke Tunnelstandaard uit van een standaardtunnel”, legt Roel Scholten uit, directeur bij NedMobiel en in opdracht van de provincie Noord-Holland coördinator van de renovatie van de Abdijtunnel. “Die standaardtunnel is gebaseerd op een rijkstunnel en bestaat onder andere uit twee gescheiden tunnelbuizen met elk een eigen rijrichting en een middentunnelkanaal dat bij calamiteiten dient als vluchtroute en toegang voor de hulpdiensten. Er zijn echter veel bestaande tunnels, zoals de Abdijtunnel, de verkeerstunnels op Schiphol en de IJtunnel, die een andere, afwijkende configuratie hebben. Door die andere configuratie en vaak ook een ander gebruik – zo rijden er door de Abdijtunnel uitsluitend bussen – kun je bij deze niet-rijkstunnels niet zomaar met de verplichte methode aantonen dat ze aan de wettelijke veiligheidsnorm voldoen.”

Gezamenlijke zoektocht

“Toen wij in 2011 plannen maakten voor de renovatie van de IJtunnel werd al aan een wijziging van de Tunnelwet gewerkt, maar was het toepassen van de QRA-methode nog niet verplicht”, vertelt Bart Duijvestijn (Arcadis), technisch manager van het renovatieproject. “In eerste instantie konden we de bouwvergunning onder de oude regels aanvragen en konden we ook aantonen dat we aan de veiligheidseisen voldeden. Tijdens het renovatieproject werden we verrast door een constructief detail van de tunnel en besloten we af te wijken van de bestaande vergunning. Ondertussen was de wetswijziging doorgevoerd. Daardoor moesten we voor de aanpassing van de bouwvergunning en voor de openstellingsvergunning de veiligheid opnieuw aantonen met de QRA-methode. Dat lukte ons niet met het standaardmodel, wat voor ons aanleiding was om met onze vergunningverlener in overleg te gaan hoe we dit probleem het beste konden aanpakken.”

Rond die tijd startten ook de renovatieprojecten voor de Abdijtunnel en de Schipholtunnels. Bij deze projecten was eveneens snel duidelijk dat het aantonen van de veiligheid met het wettelijk voorgeschreven model lastig zou worden. Daarom besloten Scholten, Duijvestijn en Jeffrey Rundberg (TechConsult), die bij Schiphol projectmanager Tunnelveiligheid is, de koppen bij elkaar te steken en samen op zoek te gaan naar oplossingen. Rundberg: “Bij onze gezamenlijke zoektocht hebben we ons niet beperkt tot het aantonen van de vereiste veiligheid. We hebben ook gekeken hoe je bij niet-rijkstunnels op een slimme manier de benodigde veiligheidsvoorzieningen kunt vaststellen. Bij tunnels die afwijken van de standaardtunnel kun je namelijk niet simpelweg de Landelijke Tunnelstandaard volgen. Met elkaar discussiërend zijn we erop gekomen om in een vroeg stadium, naast de verplicht voorgeschreven QRA, scenarioanalyses uit te voeren. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als er brand in de tunnel ontstaat? En wat bij een kop-staartbotsing? Door dit soort scenario’s door te nemen met alle partijen die betrokken zijn bij een eventuele calamiteit, kun je vrij snel vaststellen welke technische installaties en welke procedures nodig zijn om de veiligheid te garanderen.”

“Weten welke technische voorzieningen allemaal vereist zijn, is bij bestaande tunnels niet voldoende”, vervolgt Rundberg. “Eén van lastige dingen bij deze tunnels is namelijk dat de beschikbare ruimte grotendeels vastligt. Dat houdt in dat je veel moet schipperen. Zo ontbrak bij de Diensttunnel de ruimte voor het vereiste ventilatiesysteem en de blusinstallatie. Uiteindelijk hebben we dat opgelost door van twee rijstroken per tunnelbuis terug te gaan naar één rijstrook en de vrijkomende ruimte te gebruiken voor de noodzakelijke voorzieningen.” Scholten vult aan: “Bij de Abdijtunnel was ruimtegebrek ook een probleem. Wij hebben dat deels opgelost door de vereiste veiligheid niet met extra installaties te realiseren, maar met extra procedures. Zo hebben we alle chauffeurs die door de tunnel rijden uitgebreid geïnstrueerd welke stappen ze moeten nemen bij een calamiteit.”

Beleidsruimte

Voor het aantonen van de veiligheid van de betreffende tunnels hebben de projectteams van Scholten, Duijvestijn en Rundberg gebruikgemaakt van de beleidsruimte die er is voor tunnels die afwijken van de standaardtunnel. Duijvestijn: “Rijkswaterstaat heeft een procedure ontwikkeld die je moet volgen als blijkt dat je met het voorgeschreven model niet kunt bewijzen dat jouw tunnel voldoet aan de veiligheidsnormen. Alle drie hebben we deze procedure gevolgd. De eerste stap van deze procedure is dat je kijkt of je met conservatieve schattingen en aanpassingen van je invoergegevens wel kunt aantonen dat je voldoet. Lukt dat ook niet, dan is de volgende stap dat je nagaat of je de veiligheid kunt bewijzen door het rekenmodel zelf zodanig aan te passen dat het beter aansluit op de specifieke situatie.”

“Deze stappen zijn het beste uit te leggen aan de hand van een voorbeeld”, zegt Duijvestijn. “In de IJtunnel varieert het dwarsprofiel en daarmee ook de ventilatiesnelheid. Op sommige plekken is die snelheid lager dan impliciet is opgenomen in het rekenmodel. In QRA-tunnels kun je dit soort variaties niet invoeren, je kunt alleen kiezen voor wel of geen ventilatie. Een ander probleem was dat de afstand tussen de vluchtdeuren in de IJtunnel sterk wisselt, van circa 100 tot 190 meter. In QRA-tunnels kun je echter maar één afstand invoeren. Daarom zijn we bij de eerste stap uitgegaan van de grootste vluchtdeurafstand en de laagste ventilatiesnelheid, en hebben we ook nog eens één tunnelsectie gemodelleerd alsof daar geen langsventilatie is. Vervolgens hebben we gekeken of we met deze conservatieve waarden aan het toetscriterium voldeden. Dat bleek niet het geval.”

Duijvestijn vervolgt: “De tweede stap, het aanpassen van het model, hebben we steeds in nauwe samenspraak met Rijkswaterstaat gedaan. In het geval van variaties in de ventilatiesnelheid en de vluchtdeurafstand hebben we ervoor gekozen de tunnel op te knippen in vier delen met elk een representatieve vluchtdeurafstand. Vervolgens hebben we in drie van de vier delen, waar de ventilatiesnelheid voldoet aan de norm, gerekend met ventilatie en in het vierde deel zonder.”

“Een ander onderwerp dat zowel bij de IJtunnel als de Abdijtunnel om een modelaanpassing vroeg, was de uitstaptijd. Het standaardmodel gaat ervan uit dat inzittenden van voertuigen in de tunnel bij een calamiteit twaalf seconden nodig hebben om hun voertuig te verlaten. Dat gaat op voor personenauto’s en vrachtwagens, maar niet voor bussen. Zeker niet als er veel volle bussen door de tunnel rijden, zoals bij de IJtunnel, of zelfs alleen maar bussen zoals bij de Abdijtunnel. Nu kun je in QRA-tunnels de uitstaptijd bij de eerste stap wel verhogen, maar dan moet je voor alle reizigers uitgaan van de tijd die de allerlaatste buspassagier nodig heeft om uit de bus te komen. Met die waarde voldeden we niet aan de eisen. Daarom hebben we in overleg met Rijkswaterstaat het model zodanig aangepast dat voor een deel van de inzittenden de uitstaptijd niet twaalf seconden is, maar twaalf seconden of meer, afhankelijk van de uitstapvolgorde”, aldus Duijvestijn.

Voldoende handvatten

“De gekozen aanpak heeft bij onze tunnels uitstekend gewerkt en ik ben ervan overtuigd dat deze aanpak ook voor andere niet-rijkstunnels geschikt is”, stelt Scholten. “Met de scenarioanalyses als aanvulling op de verplichte QRA kun je in een vroeg stadium alle risico’s goed in kaart brengen. Daarna kun je bepalen welke technische voorzieningen en procedures nodig zijn om die risico’s voldoende af te dekken. Hoewel we daarbij niet direct konden uitgaan van de Landelijke Tunnelstandaard hebben we deze standaard niet ter zijde geschoven. Zo hebben we nadrukkelijk gekeken welke delen we konden gebruiken en voor welke onderwerpen we moesten uitgaan van de Tunnelwet. Verder hebben we ervaren dat de procedure van Rijkswaterstaat voor het aanpassen van QRA-tunnels voldoende handvatten biedt om aan te tonen dat je tunnel aan de veiligheidsnormen uit de Tunnelwet voldoet. Het vergt weliswaar meer werk en de nodige denkkracht, maar het is goed te doen. En door de modelaanpassingen in overleg met Rijkswaterstaat te doen, weet de vergunningverlener dat de veiligheid van de tunnel niet in het geding is.”