Aardwarmte als energiebron

Samenvatting

In het afgelopen decennium is de belangstelling voor het gebruik van aardwarmte flink toegenomen. Bodemwarmte, van een diepte tot 500m, wordt inmiddels in de utiliteitsbouw op grote schaal toegepast. Ook in nieuwe woonwijken is er een toename van het gebruik van bodemwarmte. Geothermie, warmte uit bodemlagen met een diepte van 500 – 4000m, met een temperatuur van 20 -120°C, wordt tot nu toe hoofdzakelijk toegepast in de glastuinbouw. Deze warmte kan echter ook prima in de bebouwde omgeving worden gebruikt. De Rijksoverheid zet in op een warmteproductie van 15 PJ uit geothermie in 2030. Geothermie is nog niet rendabel en kan dan ook nog niet zonder subsidie. Met Ultra diepe geothermie (UDG), warmte van een diepte van 4 – 8 km, is in Nederland nog geen ervaring opgedaan. Deze hoge-temperatuur-warmte is vooral geschikt voor de industrie. Overheid en bedrijfsleven zijn, sinds kort, in een gezamenlijk project, begonnen om de mogelijkheden van UDG te onderzoeken. Het ECN schat dat aardwarmte in 2050 ca 23% van de Nederlandse warmtebehoefte kan dekken

Aardwarmte of geothermie

De laatste jaren komt er meer belangstelling voor het gebruik van aardwarmte of geothermie als energiebron, met name voor warm water. De glastuinbouw loopt hierbij voorop. Echter ook in de utiliteitsbouw wordt aardwarmte steeds meer gebruikt. Naarmate men dieper in de aarde boort stijgt de temperatuur van het water, met ongeveer 30°C per kilometer. Naargelang de diepte worden drie typen aardwarmte onderscheiden 1:

Bodemenergie, tot een diepte van 500m.
Diepe geothermie van 500m tot 4 km diep
Ultradiepe geothermie, dieper dan 4 km

Met de winning van bodemenergie is inmiddels de meeste ervaring opgedaan. Dit is in het algemeen relatief kleinschalig. Diepe geothermie, met boringen tot 4 km diep, wordt sinds begin deze eeuw toegepast, hoofdzakelijk in de glastuinbouw. Inmiddels draaien er in ons land 15 (2017) projecten². Ultradiepe geothermie (UDG) staat nog in de kinderschoenen. In 2017 is een Green Deal tussen de overheid en een aantal bedrijven gesloten om de mogelijkheden van ultra diepe geothermie in Nederland te verkennen³. Bij UDG wordt gemikt op voorziening van de procesindustrie met water van hoge temperatuur

Boren voor het winnen voor aardwarmte is niet overal mogelijk. Met name in grondwaterbeschermingsgebieden wordt dit niet toegestaan in verband met het mogelijk ontstaan van ongewenste verbindingen tussen watervoerende lagen in de bodem en het risico van milieuvervuiling.

Bodemenergie

De winning van bodemenergie wordt sinds 1990 in ons land toegepast. Bodemwarmte kan, in combinatie met warmtepompen, zorgen voor zowel warmte- als koude voorziening (WKO)⁴. De bodemwarmte wordt gebruikt in de glastuinbouw, de industrie en in utiliteitsgebouwen en woonwijken. In oktober 2015 waren in Nederland bijna 2000 open systemen in bedrijf ⁵.

Open bronsysteem

Er zijn verschillende systemen om de warmte uit de bodem te winnen . Het meest gebruikt wordt het open bronsysteem. Daarbij is sprake van een warmte- en een koude- opslag (WKO). Twee buizen worden op een afstand van 50 – 100m ^6a van elkaar, tot een diepte van, 20 – 150-m, in de grond gebracht in een watervoerende laag. De ene dient als warme- de andere als koude bron. In de winter wordt water uit de warme bron opgepompt, de warmte wordt via een warmtewisselaar afgegeven aan het interne circuit. Vervolgens wordt het afgekoelde water in de koude bron gepompt. In de zomer wordt in omgekeerde richting gewerkt om voor koeling van gebouw of kas te zorgen ^6b. Het debiet van de bron ligt meestal tussen de 50 en 100 m3 per uur. De temperatuur van het grondwater is ca. 11°C. Na enige tijd zal het water in de warme bel een temperatuur van 12- 16°C hebben, die in de koude bel 6 – 10°C ⁷.

Open systeem bij vraag naar koude of warmte – Bron: Kenniscentrum Infomil ⁸

In de winter zorgt een warmtepomp ervoor dat de temperatuur van het water in het interne systeem van gebouw of kas verder wordt verhoogd tot ca. 35°C. In de zomer kan het water er verder mee worden afgekoeld. Als het water ‘s zomers na de gang door kas of gebouw weer is opgewarmd wordt deze warmte via de warmtewisselaar teruggevoerd naar de warme bron.

Tegenwoordig wordt bodemwarmte steeds meer toegepast in de utiliteitsnieuwbouw en in nieuwe woonwijken. Met dit systeem kunnen huizen worden verwarmd zonder aardgas. Met het oog op het rendement van de warmtepomp, moet het verschil in temperatuur tussen het binnenkomende- en het uitgaande water zo gering mogelijk zijn. Daarom moeten gebouwen en huizen zijn uitgerust met vloer- of wandververwarming of convectors, omdat een watertemperatuur van ca 35°C dan voldoende is. ⁹ Dit houdt wel in dat dit systeem in principe alleen geschikt is voor nieuwbouw, hetzij van woonwijken of utiliteitsbouw. In het algemeen ligt de energiebesparing bij toepassing van het open systeem van bodemwarmte op 30 – 50% bij alleen verwarming en boven 50% bij verwarming en koelen ¹⁰. Inmiddels wordt WKO bij meer dan 50% van de utiliteitsbouw toegepast 11.

Gesloten systeem

Een stelsel van verticale of horizontale buizen, gevuld met een glycoloplossing, wordt in de grond gebracht op een diepte van 50-100 m respectievelijk 1.2 – 1,5 m. De buizen fungeren als warmtewisselaar tussen bodem en glycoloplossing. Er wordt dus geen grondwater omhoog gepompt. Door de glycoloplossing in het systeem rond te pompen kan warmte uit de grond worden gehaald. De vloeistof wordt door een warmtepomp geleid waar warmte wordt afgegeven, waarna het afgekoelde water weer in de buis naar beneden stroomt. ¹² Via de warmtepomp wordt de warmte overgedragen aan het buizensysteem van woning of gebouw nadat de temperatuur verder is verhoogd tot ca 35°C .

Bron: Kenniscentrum Infomil 8

Met bodemwarmte via een gesloten systeem is een energiebesparing van 30 – 50% mogelijk 10 . Voordeel van het gesloten systeem is, dat het vrijwel onderhoudsvrij is. Een nadeel is dat het minder koude kan leveren dan een open systeem. Gesloten systemen worden meest voor individuele woningen of kleinschalige projecten gebruikt.

Bij bodemwarmte-installaties is het bijzonder belangrijk dat de verschillende onderdelen, zoals de capaciteit van de bron, de warmtepomp en de warmtevraag, goed op elkaar zijn afgestemd ¹³ . In het verleden was dat bij diverse projecten niet of onvoldoende het geval, hetgeen tot problemen heeft geleid. Dat geldt ook voor een aantal wijken die middels een warmtenet van bodemwarmte zijn voorzien ¹⁴. Onderhoud en beheer zijn belangrijk voor een goed rendement van bodemwarmte-installaties, vooral bij open systemen.

(Diepe) geothermie

Geothermie is aardwarmte afkomstig van een diepte van 500 – 4000m.-Op laatstgenoemde diepte is de temperatuur ongeveer 130°C. In Nederland werken inmiddels 15 installaties waarbij is geboord tot een diepte van 1600 – 2700m ¹⁵. De warmte die hier wordt verkregen wordt bijna uitsluitend gebruikt in de glastuinbouw.

Bij een geothermische bron worden twee boringen verricht naar een watervoerende laag, één voor het oppompen van het warme water en een voor het in de grond terugvoeren van het afgekoelde water. Er wordt schuin geboord zodat op de gewenste diepte van de bron de buizen uitmonden op een afstand van ca 1,5 – 2 km van elkaar. Dit gebeurt om te verhinderen dat het terug gevoerde koude water in contact komt met het warme water ¹⁶. De technische levensduur van een bron wordt geschat op 30 – 60 jaar ¹⁷. Het opgepompte warme water geeft in een warmtewisselaar warmte af aan het warmtenet van kas of woonwijk. Vervolgens wordt het water via de andere buis naar zelfde aardlaag teruggepompt ¹⁶.

Een flink risico bij het diepboren is dat op de gekozen plek geen aquifer met voldoende debiet aanwezig is. In een deel van het land waar seismisch onderzoek is verricht naar olie en gas, in de drie noordelijke provincies en delen van N. en Z. Holland, is meer informatie beschikbaar over de diepe ondergrond tot 4 km dan elders in het land. Bedrijven kunnen zich indekken tegen de financiёle gevolgen van een misboring door een premie te betalen aan de Garantieregeling geothermie ingesteld door het Ministerie van EZ en Klimaat ¹⁸. De laatst geïnstalleerde bronnen produceren 0,2 Peta Joule (PJ) per jaar, voldoende voor verwarming en warm watervoorziening van 4000 woningen ¹⁵. Een probleem bij geothermie is dat warm water niet ver kan worden getransporteerd in verband met warmteverlies. Dat betekent dat er in de directe omgeving van een bron een warmtevraag moet zijn, die overeenkomt met de capaciteit van de bron.

Ultra diepe geothermie (UDG)

Bij warmte afkomstig van een diepte van 4 tot 8 km spreken we van Ultra diepe geothermie. Water op deze diepte heeft, gemiddeld, een temperatuur van 120 – 240 °C en komt als stoom naar boven. Een enkele UDG-bron kan 1 – 2 PJ aan warmte per jaar opleveren 19. Echter van de ondergrond beneden 4 km is nog erg weinig bekend. Met name geldt dit de doorlatendheid van het gesteente. Voor een exploiteerbare bron is een debiet vereist van 150 – 300 m3 per uur ²⁰. Van nature is een dergelijk debiet op deze diepte niet aanwezig. Door middel van fracking kan men gesteenten met een te geringe doorlatendheid geschikt maken voor geothermie. Als dit niet lukt door middel van koud water of zuur dan is een mechanische methode nodig. Dit kan het risico op aardbevingen vergroten ²⁰. Fracking is echter op deze grote diepte erg duur. Volgens TNO hebben platformcarbonaten uit het Dinantien (Onder Carboon) , op een diepte van 4 – 8 km, de meeste potentie om er warmte aan te onttrekken. Dergelijke gesteenten komen waarschijnlijk onder een groot deel van Nederland voor op een diepte van 4 – 8 km ¹⁹ .

Teneinde de praktische mogelijkheden voor UDG in Nederland nader te onderzoeken heeft het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat samen met TNO, Energiebeheer Nederland (EBN) en een 7-tal consortia van geïnteresseerde bedrijven een Green Deal afgesloten, gericht op het vergroten van kennis en mogelijkheden van UDG. Het is de bedoeling om onder meer geologisch onderzoek uit te voeren en vóór 2020 een aantal proefboringen te doen ²¹.

Er zal een vrij grote mate van zekerheid moeten zijn dat men een goede plek aanboort want een boring tot een diepte van 5- 7 km kost € 15 – 35 miljoen per put ²⁰.

Welke potentie heeft aardwarmte

Het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) schat dat bodemwarmte op lange termijn potentieel 70 PJ energie per jaar kan leveren voor de verwarming van de bebouwde omgeving. Dat is ruim 40% van de behoefte ²².

In 2016 is 6,8 PJ aan warmte aan de bodem onttrokken. Daarvan was 4 PJ bodemenergie en 2,8 PJ geothermie ¹⁵. De Minister van Economische Zaken en Klimaat heeft in een brief aan de 2e Kamer aangegeven hoe hij aardwarmte wil inpassen bij de energietransitie. Hij zet in op 15 PJ geothermie in 2030. Er is geen doelstelling voor bodemwarmte en UDG voor 2030 ¹⁵. Het Energie Centrum Nederland (ECN) heeft een globale schatting gemaakt van de mogelijke bijdrage van geothermie en UDG in 2050. Geothermie zou 80 PJ kunnen leveren en UDG 0 tot maximaal 60 PJ. Voor UDG is nog niet duidelijk of dit technisch en economisch te verwezenlijken is .

Als we rekenen met 80 PJ geothermie en 30PJ voor UDG dan zou de bijdrage van beide aan de warmtevoorziening, in 2050, 110 PJ bedragen. Daarbij komt dan nog een hoeveelheid bodemwarmte (<500m diep) voor de gebouwde omgeving van 70 PJ. Het totaal komt overeen met 23% van de geschatte totale warmtevraag in 2050 ¹⁵

Een probleem rond grootschalige toepassing van aardwarmte in bestaande woongebieden is dat er vaak grote investeringen nodig zijn. Dat geldt in de eerste plaats de aanleg van warmtenetten. Daar er met lage-temperatuur-warmte moet worden gewerkt is een goede isolatie van gebouwen en woningen vereist, daar anders een te grote capaciteit van de warmtepomp nodig is, waardoor het systeem te duur wordt. Een goede isolatie ontbreekt echter bij veel gebouwen en woningen. Daarnaast is vloerverwarming een vereiste ²³. Realisering daarvan is een prijzige en bovendien een ingrijpende ingreep. Een ander probleem is dat slechts ongeveer een half jaar relatief veel warmte nodig is voor de bebouwde omgeving. Het lijkt niet goed mogelijk om de warmte die in de periode april tot september over is, economisch te benutten, tenzij het lukt om die warmte voor de opwekking van elektriciteit te benutten. Een Nederlands bedrijf claimt dat het, in samenwerking met de TU Delft, erin is geslaagd om met water met een temperatuur hoger dan 50° C elektriciteit op te wekken ^23b.

Winning van aardwarmte is relatief duur en kan dan ook nog niet zonder subsidie ²⁴. In de utiliteitsbouw waar meestal ook koude nodig is, is een WKO-installatie eerder rendabel.

Risico’s van de winning van aardwarmte

Aan de winning van aardwarmte zijn risico’s verbonden. Dit betreft milieurisico’s en in sommige gebieden een verhoogde kans op aardbevingen. Bij niet goed uitgevoerde boringen kunnen ongewenste verbindingen ontstaan tussen watervoerende lagen. Verder kunnen bij gesloten bodemenergiesystemen lekkages ontstaan waardoor waar door schadelijke chemische stoffen uit de boorspoeling in het milieu kunnen komen ²⁶.

Bij diepe- en ultra diepe boringen bestaat, in gebieden met verhoogde kans op natuurlijke aardbevingen, zoals Oost Brabant en Noord Limburg en in gaswinningsgebieden, een verhoogde kans op aardbevingen. Tegen deze achtergrond heeft het Staatstoezicht op de Mijnen de Overheid geadviseerd om alleen diepe boringen toe te staan waar dit veilig kan ²⁷.

Literatuur

Aardwarmte als energiebron

Over de auteur: Redactie Groene Rekenkamer

© 2024 – De Groene Rekenkamer – All Rights Reserved – by: Ber|Art
De Groene Rekenkamer wordt door de Belastingdienst erkend als een Algemeen Nut Beogende Instelling.
(RSIN/fiscaal nr 819004418).

Aardwarmte als energiebron

Deel dit verhaal, kies je platform!

Over de auteur: Redactie Groene Rekenkamer

© 2024 – De Groene Rekenkamer – All Rights Reserved – by: Ber|Art De Groene Rekenkamer wordt door de Belastingdienst erkend als een Algemeen Nut Beogende Instelling. (RSIN/fiscaal nr 819004418).

© 2024 – De Groene Rekenkamer – All Rights Reserved – by: Ber|Art
De Groene Rekenkamer wordt door de Belastingdienst erkend als een Algemeen Nut Beogende Instelling.
(RSIN/fiscaal nr 819004418).