Geothermie op de TU/e

Tijdens het programma Energy Days van de TU/e komen er vaak interessante informatiemiddagen voorbij. Op 23 maart 2017 ging het over geothermie.
De sprekers waren

• Brice Lecampion van de Universiteit van Lausanne, die vooral over de geothermische productie van elektriciteit sprak
• Lydia Dijkshoord van RVO.nl (een agentschap van het Ministerie van economische Zaken) over het overheidsbeleid inzake warmte
• Martijn van Aarssen van de onderneming IF Technology over de praktijk in Nederland
  Ik maak gebruik van enkele van hun afbeeldingen.

Onderverdeling
Er bestaan nogal wat misverstanden over dit onderwerp. Vandaar eerst een indeling:

• Storage versus productie. Bij Storage stopt de mens de hoofdmoot van de warmte in het systeem (wat niet uitsluit dat er van onderaf ook wat warmte uit de aarde zelf bij komt).
  Een Ground Source Heat Pump wordt bij ons aangeduid als Warmte-Koude Opslag (WKO) (zie bijvoorbeeld https://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_heat_pump )
  Bij BTES wordt warmte opgeslagen in een boorgat, bij ATES in een aquifer (een watervoerende laag)
  Bij alle “Storage” geldt de basiswet dat wat je er ’s winters uit haalt evenveel moet zijn als je er zomers instopt (afgezien van natuurlijke aanvullingen en verliezen).
  Bij de andere categorieën komt de warmte uit de aarde zelf (zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Aardwarmte ).
• Productie van alleen warmte versus productie van warmte en elektriciteit.

Het is een kwestie van definitie of je Storage-technieken onder het trefwoord “geothermie” laat vallen. Ik zou het zelf niet doen, maar de ondernemingen die zich ermee bezig houden gebruiken dezelfde graafmachines en boren voor beide categorieën, dus laat maar zitten.

De TU/e heeft een ATES:

De techniek
De indeling is in open en gesloten systemen.

Een gesloten systeem is een grote WKO-inrichting. De vloeistof blijft in de buis.
Een klein open systeem (midden) is ook een WKO-inrichting. De warmte komt in hoofdzaak van de mens. De TUe-inrichting zit in deze categorie.
De rechtse inrichting is een geothermische bron in strikte zin.

Merk op dat in alle gevallen er sprake is van collectieve warmtelevering aan een middelgroot tot groot aantal woningen, of aan een grote commerciele of diensten-afnemer.
Mijns inziens is de toekomst aan de collectieve warmtelevering (en niet alleen vanwege de geothermie).

Een combinatie van een buis waarin het koude water omlaag gaat, en een waarin het warme water omhoog gaat, heet een doublet (dus midden en rechts). Het water wordt uit de koude buis geperst en verspreidt zich in de ondergrond, waarbij het de temperatuur van die ondergrond aanneemt en die ondergrond afkoelt. Een deel van het water bereikt de andere warme buis en stijgt daarin op om boven de grond zijn warmte als nuttige buit af te geven.

Water kan alleen maar door steen kruipen als die steen van zichzelf doorlatend is (bijv. zandsteen), of met fraccen doorlatend gemaakt wordt. Die doorlatendheid is in Nederland de belangrijkste bepalende voorwaarde.
Fraccen bij geothermie is minder erg dan bij schaliegas.

Potentieel
Er bestaat geen duidelijke geofysische bovengrens aan de hoeveelheid opslag, wel praktische (het warme water kan wegstromen of komt in de boorpijp van de buurman).

Er bestaat in principe wel een geofysische grens aan aardwarmte. De warmtestroom vanuit de diepte is in Nederland gemiddeld 63mW/m² (in goede gebieden 10 a 20 meer). Als de geothermische inrichtingen in strikte zin steady state zouden functioneren, zou dat 2,0TJ/jaar*km² opleveren, opgeteld over het hele Nederlandse landoppervlak 68PJ/jaar.
Maar in praktijk functioneren ze niet steady state. Een inrichting haalt de aardwarmte sneller uit de grond dan de dieptes die terug aan kunnen vullen. Macro redenerend kun je daar een tijd mee bezig blijven. Met de kletsnatte vinger schattend, heeft zich onder elke vierkante meter in Nederland tot 4 km diepte een voorraad opgebouwd van 0,5TJ, dus onder het hele Nederlandse landoppervlak van 17*10^²¹ J. Als je, zoals TNO, meent dat je technisch/economisch in heel Nederland 850PJ/y kunt winnen, zou je op papier 20000 jaar vooruit kunnen. De tijd die de aarde nodig heeft om die hoeveelheid warmte aan te vullen is ongeveer 12* zo lang. Strikt genomen is geothermie, indien vormgegeven volgens TNO, dus een eindige bron.
In praktijk is geothermie nog veel eindiger dan hier aangegeven, omdat steen een slechte warmtegeleider is. Daardoor koelt een beperkt gebied rond de winlocatie veel sneller af dan het gemiddelde, waarop bovenstaande schatting gebaseerd is. Een praktische levensduur van de doublet is bijvoorbeeld 30 tot 50 jaar. Daarna moet je ergens anders boren en enkele eeuwen wachten tot de vorige bron weer opgewarmd is.

Voor welk probleem een oplossing?
In praktijk is geothermie in Nederland vooral een warmtebron.
Er is in Nederland een forse warmtevraag. Eenieder, die zich er voor inzet om woningen van het aardgas af te halen, zou eigenlijk ook een idee moeten hebben waar de nodige warmte dan wel vandaan moet komen. Het is in deze makkelijker om ergens tegen te zijn dan ergens voor te zijn.

De Nederlandse energiebalans ziet er uit als hieronder (dd 2015, RVO). Reken hier Brabant in goede benadering als 1/7 deel van Nederland.

Het warmtedeel binnen die energiebalans ziet er na uitvergroten zo uit:

Voor de duidelijkheid: wat in de energiebalans ‘conversion losses’ heet, is ook warmte, maar dan onbedoeld. In de volksmond afvalwarmte, bijvoorbeeld van elektriciteitscentrales. Het zou goed zijn daarvan een groter deel te gebruiken om aan de warmtevraag te voldoen, maar dit terzijde want het is geen geothermie.
De post ‘heat’ van 1255PJ is bedoelde warmte. Een massaal woningisolatieprogramma zal dit getal wel kleiner maken (met name de post onder de 100°C), maar zeker niet tot nul.
Geothermie kan een bijdrage leveren aan de warmtevraag. Onderstaand schema is een voorbeeld:

Elektriciteit maken
In die delen van de wereld waar vulkanische verschijnselen voorkomen, wordt al decennia stroom opgewekt met geothermie, zij het dat dat nog steeds maar een klein deel van alle opgewekte elektriciteit is.
In Nederland zit je dan al gauw dieper dan 4 km en moet je fraccen.
Een schema dat tegenwoordig sterk in de belangstelling staat is de “binary cycle plant”. Het hete water wordt niet zelf stoom, maar staat via een warmtewisselaar de warmte af aan een gesloten secundair circuit dat gevuld is met een vloeistof met een laag kookpunt. De turbine zit op dat secundaire circuit.
De restwarmte wordt geleverd aan een stadsverwarming (zonder welke het project geen kans maakt en onverantwoord is, volgens Lecampion).