Geothermie met één put

Ex-leerlingen
Het is altijd leuk als je leerlingen, die je ooit in de klas hebt gehad, mooie dingen ziet doen op jouw vakgebied (ik was tot mijn pensioen natuurkundeleraar op het Bisschop Bekkers College in Eindhoven).
Een tijd geleden heb ik al eens over Erik geschreven, die mij uitgenodigd had voor zijn promotie in de vermogenselektronica en die al een paar patenten op zijn naam had staan (zie www.bjmgerard.nl/?p=4585  ).
En ‘onze’ Adje Ragas heeft de richtlijn over mengsels van toxische stoffen voor de European Food Security Agency geschreven en is nu Rector Magnificus aan de Open Universiteit, vanuit de faculteit Milieu-Natuurwetenschappen (zie www.ou.nl/-/ragas-rapporteur-bij-efsa-richtlijn-voor-beoordeling-van-risico-s-van-mengsels-van-stoffen ). Het is ironisch dat ik op gepaste afstand daaronder  mijn bachelor milieukunde heb gehaald.

En nu zag ik onlangs Frits van de Sande, een ex-leerling van lang geleden. Helaas ter gelegenheid van de crematie van een gewaardeerde ex-collega van mijn oude school, aan wie ik veel te danken heb gehad.

Het belang van geothermie
Frits heeft een (in Emmen gevestigde) onderneming opgericht die een (in Nederland) nieuw systeem van geothermie wil gaan praktiseren, namelijk diepe geothermie met één boorput. De onderneming heet NotusPid. Zijn Nederlandse maat heeft veel ervaring met technische en praktische aspecten van boringen in de gas- en oliebranche en de Zwitserse poot van het bedrijf hebben veel ervaring met beheerssystemen in de tunnelbouw. De simulatie van de thermodynamische processen in het boorgat komt van de ETH in Zürich – niet de geringste.
Frits doet zelf vooral de contacten met instanties als TNO (en de Vlaamse tegenhanger VITO), consultancybedrijven als Panterra, en overheden.
De website van de onderneming is https://notuspid.nl/ . De website geeft overvloedig uitleg en ik heb wat afbeeldingen overgenomen. Geothermie fungeert in onderstaand raamwerk.

Op termijn moeten hier de componenten aardgas, olie en kolen uit, dus het overgrote deel. Er komt dan een veelheid aan potentiële bronnen in beeld, bij velen waarvan de potentie nog erg dun bewezen is.
Geothermie is een van die bronnen. Dat er een zekere mate van geothermie mogelijk is, staat vast. Officieel (bijvoorbeeld het CBS) hanteert men de term geothermie en (diepe) aardwarmte als synoniem en bedoelt men ermee dat van dieper dan 500m komt (de waarde uit de Mijnbouwwet), en ondieper dan 4000m. Dieper dan 4000m heet ‘ultradiep’. Daar is nog geen ervaring mee, maar dat komt.
Er werd in Nederland in 2015 2,4PJ aardwarmte opgewekt (in bovenstaand plaatje is dat in de categorie ‘hernieuwbaar’). In 2019 was dat 5,6PJ (het groeit al jaren).

De aanpak van NotusPid
Alle bestaande aardwarmte in Nederland wordt opgewekt met doubletten. Er gaan twee buizen (twee putten) de grond in met de openingen een eind uit elkaar, eentje die het koude externe water omlaag brengt en eentje die het warme water omhoog zuigt.  In de grond stroomt het water van de omlaagbuis naar de omhoogbuis. Daartoe moet tussen beide openingen een min of meer poreuze laag zitten waar dat water doorheen geperst of gezogen kan worden. De aanwezigheid van die laag is een belangrijke factor of een winning wel of niet kan.
Het water neemt warmte op tijdens deze horizontale tocht.

In het systeem van NotusPid zitten de omlaagbuis en de omhoogbuis in dezelfde put. Die put wordt gevuld met water dat uit de stenen binnensijpelt (‘formatiewater’, water dat niet deelneemt aan de hydrologische kringloop en sinds sinds onheuglijke tijden in de poriën van het gesteente zit). Die poriën zijn heel klein, maar in de regel niet zo klein dat er geen beweging mogelijk is. (Professor Dr. Stober van de Universiteit Freiburg heeft zelfs vastgesteld dat door de getijdewerking de grondwaterhorizon 4 keer per dag 13 centimeter stijgt of daalt.)
De put wordt verstevigd met grof grint.
Zelfs in diep gesteente zijn watersnelheden tot 1 cm/dag mogelijk en voor het NotusPidsysteem zou dat genoeg zijn.
Het neergaande water wordt ergens onderweg losgelaten waar het nog kouder is dan het water in de omgeving, waardoor het zakt (er ontstaat een convectiepatroon richting de omhoogbuis, zowel in de holte als in het aangrenzende gesteente).
De warmte uit de aarde wordt toegevoerd op het verticale traject.

Dit alles tot zover op gezag van de website, want het bestaat in Nederland nog niet en er is geen onafhankelijke bevestiging. Het komt op mij in principe reëel over en gesprekspartners als TNO en Panterra en de Zürichse ETH zijn heel serieus.
Buitenlanse projecten, meestal Zwitserland, zijn te vinden op https://notuspid.nl/testcases .

Het standpunt van NotusPid komt erop neer dat doublet-geothermie goed is, maar één punt-geothermie beter. De aanleg is duurder en het rendement lager, maar je bent van een paar vervelende kenmerken van doubletten af af zoals een toegenomen risico op aardbevingen (als het extern geforceerde water een bestaande geologische breuk ‘smeert’) en dichtslibbende filters omdat de waterstroom fijne korreltjes meevoert, en de vereiste aanwezigheid van een poreuze zandlaag.
Doordat er geen horizontale zandlaag nodig is, kan de boring dieper gaan. NotusPid beweert tot 8  km diep te kunnen boren. En omdat in Nederland de bodem grofweg 3°C per 100m warmer wordt, tikt dat aardig aan.
Men kan dus onafhankelijk van elkaar de boordiepte en het pompvolume per uur (ook nul) kiezen, waardoor de instelling zo gekozen kan worden dat de put voor onbepaalde tijd kan blijven functioneren (doubletten functioneren nu grofweg dertig jaar volgens het Masterplan Aardwarmte). Men kan meerdere putten aanleggen, mits op voldoende onderlinge afstand (dat wordt bedoeld met ‘modulair te bouwen’).
Het belangrijkste resterende risico is het boorrisico (lekkende buizen, dat je per ongeluk gas aanboort, enz. Dat is bekend terrein en oplosbaar. Er gaat sowieso een casing om de put tot 300m diep om water, dat opgepompt wordt voor drinkwater en door de industrie, te beschermen.

Vanuit gebruikersstandpunt bekeken
Voor de gebruiker geeft de site (tab ‘systemen’) de volgende voorbeeldspecificaties (met de kanttekening dat elke situatie apart geanalyseerd moet worden):

• Tot 500 m (dan is het dus nog geen geothermie maar bodemenergie) haalt één put maximaal 150kW (om dit getal te plaatsen: volgens de Consumentenbond is voor de meeste woningen een CV-ketel van 20kW ruim voldoende). Richtprijs: boren kost turnkey ca €500/m diepte.
  Aanvullende warmtepomp nodig.
• Van 500 – 2000 m haalt één put maximaal 1MW (= 1000kW). Je praat dan over een woonblok of een bedrijf. Richtprijs: boren kost turnkey ca €1000/m diepte.
  Tot 1200m diep een aanvullende warmtepomp nodig.
• Boven de 2000m haalt één put maximaal 12MW. Je praat dan over een woonwijk of een warmtenet. Er is geen aanvullende warmtepomp nodig. Richtprijs: boren kost turnkey ca €1500/m diepte.

En nu toch even een spoiler – men rekene zich niet voorbarig rijk.
Het Masterplan Aardwarmte in Nederland (waarvan de standpunten gebaseerd zijn op doubletten) stelt, dat een flink maar uiterst onzeker deel van de Nederlandse warmtevraag af te dekken is met aardwarmte.
Maar die onzekerheid heeft er ook mee te maken dat grote delen van de Nederlandse ondergrond nog slecht bekend zijn. Ten tijde van het Masterplan waren er sowieso nog maar zeven boringen in Nederland gedaan onder de 4000m. Bijgevoegde kaart uit het Masterplan geeft daarvan een indruk dd 2017 .
En voor zover de ondergrond wel bekend  is, is hij in kaart gebracht met de doublet-techniek als criterium en dat stelt strengere eisen dan nodig, volgt uit het standpunt van NotusPid.
Voor zover bekend, zijn de mogelijkheden niet gelijkmatig over Nederland verdeeld. Brabant en Limburg lijken relatief weinig mogelijkheden te hebben.

Er loopt nu ene landelijk onderzoek, het SCAN-onderzoek ( https://scanaardwarmte.nl/ ). Daar zijn nog geen hapklare kaarten te vinden.

Wie nog wat verder wil grasduinen, kan terecht op https://www.nlog.nl/geothermie of www.thermogis.nl (ook weer gebaseerd op de doublettechniek).