Bodemenergie: beproefde manier van duurzame energiewinning

Voor het opwekken van deze bodemenergie is nauwelijks elektriciteit nodig, terwijl de warmte-koudeopslag wel veel laagwaardige energie opwekt. Daardoor hoef je minder fossiele brandstoffen te verstoken, wat bijdraagt aan de energietransitie. Reden waarom Deltares ook de combinaties van bodemenergie met andere bronnen, zoals aquathermie, in het vroegst mogelijke stadium onderzoekt, o.a. in het WarmingUP programma, waarin we samen met 40 partijen kennis hebben opgebouwd over duurzame, collectieve warmtesystemen.

Deltares signaleert voor overheden en ontwikkelaars van warmte-koudesystemen kansen in de combinatie van bodemenergie met warmte halen uit aquathermie (thermische energie uit oppervlaktewater, riool- en drinkwater), zoetwateropslag, en in het saneren van bodemverontreinigingen.

Hoe werkt het opwekken en opslaan van bodemenergie?

Bodemmateriaal heeft een beperkt thermische geleidingsvermogen en de bodem werkt daarom als een thermosfles. Het grondwater heeft van nature de jaargemiddelde temperatuur van de buitenlucht (ca. 12 °Celsius). Koeling of onttrekking van warmte aan gebouwen met koude uit grondwater in de zomer levert warmte die (via een warmtewisselaar) wordt opgeslagen in het grondwater van een watervoerende laag.

De warmte in het opgewarmde grondwater (ca. 18 ° Celsius) kan in de winter worden gebruikt voor verwarming van gebouwen. Het grondwater koelt af als het zijn warmte afgeeft tot ca. 6 ° Celsius. De koude die daardoor in de winter vrijkomt, wordt apart opgeslagen en kan in de zomer weer effectief worden benut voor koeling.

Door af te koelen beneden de grondwatertemperatuur en op te warmen boven de grondwatertemperatuur ontstaan een koude en een warme bel in het grondwater. Dat is zeer energie-efficiënt omdat daarmee de warmte-opslagpotentie van de ondergrond optimaal wordt benut.

Onderzoek naar opslag van warmte en koude

Onze onderzoeken wijzen uit dat (grootschalige) opslag van warmte en koude een geschikte vorm van energieopwekking en opslag is, want:

• De aanleg van een warmte- koudeslagsysteem is een eenvoudig toepasbare technologie.
• De enige stroom die je nodig hebt in dit systeem, is voor het rondpompen van water. Die kun je opwekken met zonnepanelen.
• Het gaat hier om laagwaardige energie, die je relatief eenvoudig uit de bodem kunt halen. Daardoor hoef je veel minder fossiele brandstoffen te verstoken.
• De bodem heeft een constante temperatuur van 12°.
• Ze zijn, eenmaal geïnstalleerd en anders dan windmolens en zonnepanelen, onzichtbaar voor het blote oog.

Nederland loopt voorop

In Nederland is warmte-koudeopslag een beproefde manier van duurzame energiewinning. Ook steeds vaker in combinatie met duurzame bronnen zoals aquathermie. We lopen ermee voorop. In het buitenland komt bodemenergie lastiger van de grond omdat seizoensopslag niet in alle landen is toegestaan, de bodemopbouw niet altijd geschikt is, door het ontbreken van ondiepe aquifers en buiten de zones met een gematigd klimaat koude- en warmtebehoefte onvoldoende met elkaar in evenwicht zijn.

In het project Europe-wide Use of Sustainable Energy (E-USE) from aquifers heeft Deltares samen met zeven projectpartners gekeken naar de bodembeschikbaarheid vvoor bodemenergie in Europa en zijn er zes proefinstallaties ontworpen en gebouwd om de haalbaarheid aan te tonen van gecombineerde toepassingen van aquiferthermische energieopslag in vijf verschillende landen.

Warmte-koudeopslag is ook mogelijk voor hoge temperaturen: 70 tot 80 graden

Vanuit onze expertise van water, ondergrond en leidingsystemen, adviseren we onze stakeholders hoe ze effectief, kostenbesparend en duurzaam warmte en koude in de ondergrond kunnen opslaan. We installeren die systemen overigens niet zelf, dat houdt onze adviezen onafhankelijk.

We stellen ontwikkelaars van warmte- koudesystemen ook expertise beschikbaar die opslag mogelijk maakt van warmte op hoge temperaturen, bijvoorbeeld op 70° tot 80°. Daar is vooral vraag naar in bestaande woonwijken met relatief kleine huizen. Die hebben meestal minder ruimte beschikbaar om goedkoop te kunnen verduurzamen.

Voor het terugwinnen en gebruiken van deze energie via een 70° warmtenet, is er slechts een klein kastje nodig die minder ruimte in beslag neemt dan een cv-ketel. Ook heb je geen buffervat meer nodig voor het tapwater, of volstaat een aanzienlijk kleiner exemplaar. Dat is wezenlijk anders bij lage temperaturen in het waternet, omdat een activiteit als bijvoorbeeld douchen veel warmtevermogen trekt. We kunnen die warmte en koude uit het grondwater in de bodem halen. Zo draagt de bodem duurzaam bij aan onze energievoorziening.

In de water- en grondgoot van Deltares zijn proeven gedaan met verschillende meettechnieken om de warmteverdeling van Hoge TemperatuurOpslag (HTO) in de bodem te kunnen monitoren. Hiermee kan de warmteproductie van duurzame warmtebronnen, optimaal benut worden.

Exploitanten van warmte-aanbieders en warmtedistributienetten kunnen deze kennis gebruiken voor de optimalisatie van de warmteproductie. Daarnaast kunnen gemeenten en provincies deze kennis gebruiken in eisen aan monitoring, die zij stellen aan exploitanten Hoge Temperatuur opslag (HTO).

De proeven maken onderdeel uit van het WarmingUP-onderzoek, waarin toegepaste kennis wordt ontwikkeld om collectieve warmtesystemen betrouwbaar, duurzaam en betaalbaar te maken voor de warmtetransitie.

Onderzoek naar effecten van bodemenergie

Warmte-koudeopslagsystemen kunnen een effect op de ondergrond hebben. Het aantal systemen neemt inmiddels sterk toe. De hydrologische omstandigheden en de eigenschappen van de systemen bepalen echter de omvang van mogelijke effecten. In met name het onderzoeksprogramma Meer met bodemenergie werden samen met de partners IF Technology, Bioclear en Wageningen Universiteit effecten gemeten en beoordeeld.

Deze kennis wordt inmiddels gebruikt door ontwerpers, beleidsmakers en vergunningverleners om de negatieve effecten van WKO te beheersen. De onderzochte effecten van de temperatuurvariatie en grondwaterverplaatsing zijn stijghoogteveranderingen, interferentie, grondwaterkwaliteit en grondwaterecologie. Het onderzoek heeft onder andere aangetoond dat de injectietemperatuur in veel situaties verhoogd kan worden van 25°C naar 30°C.

Warmte-koudeopslag en bodemsaneringen

WKO wordt steeds meer toegepast in stedelijke gebieden, waar ook historisch gezien de meeste bodemverontreinigingen en/of saneringen aanwezig zijn. WKO’s kunnen een positief of negatief effect hebben op de verontreinigingen. WKO kan bijdragen aan het efficiënter saneren van locaties door een slimme koppeling tussen beide technieken. Aan de andere kant kan de verhoogde dynamiek van het grondwater leiden tot complicaties bij het saneren of het verspreiden van verontreinigingen.

Troubleshooting en verbeterde energieprestaties van WKO-systemen

Boringen voor WKO kosten relatief veel geld, daarom is het belangrijk een maximum aan informatie ter beschikking te krijgen uit boorputten. Boorgatmetingen van Deltares verschaffen gedetailleerde informatie over de lithologie van de ondergrond en het grondwater. Hiermee kunnen onder andere de filterstellingen worden geoptimaliseerd, kleiafdichtingen worden gecontroleerd en zoet-zout overgangen worden bepaald.

Met lange glasvezelkabels in peilbuizen (of gesondeerd) kan de temperatuurverdeling in de ondergrond worden gemeten. Dit zijn continue metingen waardoor een dynamisch beeld van de ontwikkeling van de koude en warme zones te creëren is. Met behulp van modellering kan deze monitoringtechniek ingezet worden om filterverstopping vroegtijdig te herkennen en het rendement van het bronsysteem te optimaliseren.

Ondersteuning bij beleidsprocessen

Met onze kennis ondersteunen we overheden bij hun afwegingen voor de vergunningverlening van WKO. Voor de provincie Flevoland is een evaluatie uitgevoerd van de vergunningvoorwaarden op het vlak van de monitoring voor WKO in het licht van de potentiële risico’s. Daarnaast heeft Deltares geadviseerd bij complicaties en (vermoedens van) interferentie. Voor het integraal kunnen afwegen van de belangen die spelen in de ondergrond, heeft Deltares een afwegingsmethodiek ontwikkeld.

Optimale sturing van de warmte- en koudevraag voor clusters van gebouwen

Als in een gebied meer warmte- en koudevraag vanuit verschillende gebouwen bestaat, is het beheer en onderlinge afstemming van de WKO-installaties ingewikkelder. Het streven is om verstorende interferentie te voorkomen en de bronsystemen zo efficiënt mogelijk in te zetten, zodat het energieverlies minimaal is.

Deltares werkt aan verschillende projecten om de real-time sturing van grote klimaatsystemen met meerdere duurzame en conventionele bronnen te optimaliseren en te simuleren. Hiervoor wordt de warmte/koudevraag voorspeld op basis van de weersverwachting, waarna de inzet van de verschillende bronnen geoptimaliseerd wordt met voortdurende bijstelling van de actuele situatie.