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.

Er ging in 2015 in Nederland 3067Pj het systeem in. Daarvan kwam 58% als energie bij de klant aan en daarvan was 53% (943PJ) warmte.
Die warmte is verdeeld over bestemmingen (de som van gebouwde omgeving, industrie en landbouw is bovenstaande 943PJ) en over opwekwijzen.

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.

Het CBS heeft het volgende overzicht van appartementen met blokverwarming in Nederland.

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.

Uit het Masterplan Aardwarmte in Nederland, kennis van de ondergrond, situatie 2017. de warmtevraag telt hier op tot 682PJ (onduidelijk is waarom dit afwijkt van de CBS-waarde van 943PJ, waarschijnlijk een beperktere keuze van wat meetelt.
Lees dit als: 21% van deze vraag is in gebieden waarvan de ondergrond al bekend is, en 13% van de vraag zit in Oost-Brabant en Noord-Limburg waarvan de ondergrond niet bekend is)

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

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:

Geothermie_indeling naar diepte en techniek

  • 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:

Het ATES-systeem van de TU/e

De techniek
De indeling is in open en gesloten systemen.

Bestaande systemen in Nederland

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.

Horizontale dwarsdoorsnede van de bodem bij een doublet

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.

(Groei van geothermie in Nederland; 100GWh = 0,36PJ; dus in 2015 2,4PJ).

Concessiegebieden voor geothermie in Nederland

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.

Energiebalans van Nederland in 2015

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

Warmtevraag in Nederland dd 2015

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:

Mogelijke organisatie van een lage-T warmteleveringssysteem


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).

Een geothermische binary cycle-plant voor de productie van elektriciteit en warmte