Maand: februari 2021

De stiefdochters van de milieuwetenschap (3): Aardwarmte

Om aardgas als warmtebron te compenseren moet aardwarmte, naast wind- en zonne-energie, een cruciale rol gaan spelen. Onderzoek op enige schaal naar de vindplaats en de exploitatie van aardwarmte in Nederland is nog maar enkele jaren geleden op gang gekomen. Je kunt gerust spreken van een race tegen de klok.

De Nesjavillar energiecentrale; de grootste installatie voor geothermie in IJsland. Foto: Gretar Ivarsson (publiek domein).

In 2017 bedroeg het aandeel van aardwarmte in het wereldwijde energiegebruik (afgerond) 0%, tegen 81% fossiele bronnen. Wat Nederland betreft, de vraag naar warmte bedraagt ongeveer 960 petajoule (1 petajoule= 2,78 x 108 kilowattuur). De bijdrage van geothermie is thans slechts 3 petajoule. Dat is elders ter wereld wel anders, met name in IJsland dan. Met zijn ondergrond vol vulkanische verschijnselen, is er warm water genoeg om het hele eiland te verwarmen. 

In essentie is de winning van aard- en bodemwarmte heel eenvoudig.  Op verschillende diepten, variërend van 50– 6000 meter, bevinden zich omvangrijke wateraders, met een temperatuur die varieert van 15 – 125 oC. Het water wordt opgepompt en het afgekoelde water verdwijnt weer via een injectieput in de bodem, op enige afstand van de plaats waar het vandaan komt. Beide putten samen heten een doublet.  

Doublet met productie- en infiltratieput. Afbeelding afkomstig uit: Stappenplan geothermie voor de glastuinbouw, december 2013

Aardwarmte komt van verschillende diepten

Tot 500 meter wordt meestal gesproken van bodemwarmte. Het water op die diepte is ongeveer 30 °C. Opwarming gebeurt door de instraling van de zon. Met een warmtepomp wordt dat verder verwarmd tot 60 °C. De pomp is individueel aan te sluiten op redelijk geïsoleerde huizen of gebouwen. Vaak wordt het koude water in de zomer voor koeling gebruikt en dan na opwarming teruggepompt in de bodem, waar het in de winter weer wordt opgepompt voor verwarming. We spreken dan van koude- en warmteopslag (KWO), waarvan trouwens allerlei varianten zijn.

Dieper dan 500 meter wordt het water door de aarde zelf op temperatuur is gebracht. Daarom spreken sommigen dan pas van aardwarmte of geothermie.  Op 2000 meter diepte is de temperatuur van het water 50oC en die loopt op tot wel 125oC op 4000 meter. De warmtebron is overigens niet het binnenste van de aarde, maar in die lagen aanwezige radioactieve elementen. Kernenergie is dichterbij dan je denkt. Het water wordt verder verwarmt met een warmtepomp of staat zijn warmte via een warmtewisselaar af voor gebruik. 

Met ultradiepe geothermie, tussen 4-6 km kan water met een temperatuur tot 200°C worden gewonnen. Deze warmte is geschikt voor toepassing in de industrie, bijvoorbeeld papierfabricage. In Nederland is dit nog niet aan de orde.  

Bekijk hier een kort filmpje over de winning van aardwarmte: 

Aardwarmte heeft veel voordelen. Nadelen ook, maar deze betreffen vooral neveneffecten van het boren.

Voordelen
  • Bronnen kunnen op veel plaatsen worden aangeboord.
  • Het gaat om hernieuwbare energie.
  • De exploitatiekosten zijn voorspelbaar.
  • Bij winning en transport komt nauwelijks CO2 of fijnstof vrijdag Het gebruikte water wordt opgepompt en stroomt in de aarde terug.
  • De exploitatie geeft geen geur-, stof- of geluidsbelasting en heeft weinig ruimte nodig.
  • De productie is weersonafhankelijk.
  • Er zijn geen effecten voor mens, dier, plantengroei en ondergrond.
Nadelen
  • In natuurbeschermingsgebieden en wingebieden voor drinkwater mag niet worden geboord.
  • In aardbevingsgebieden mag niet of met strenge veiligheidsmaatregelen worden geboord.
  • De investering is omvangrijk en de onzekerheid groot.
  • Geothermische energie in Nederland zit vaak erg diep.
  • Bij boring van de putten bestaat een kleine kans op trillingen, die ervaren kunnen worden als een lichte aardbeving.
  • Als de beide putten te dicht bij elkaar zitten kan het voorkomen dat het koude water vermengd raakt met het warme water en dit niet meer voldoende opwarmt.

Bijna onbeperkte bron van warmte

Jos Limberger is enige tijd geleden aan de Universiteit van Utrecht gepromoveerd op de ontwikkeling van geothermie. Hij berekent dat wereldwijd de exploiteerbare hoeveelheid aardwarmte in de orde van grootte ligt van het totale jaarlijkse mondiale energieverbruik.

Uit de studie WARM die in opdracht van Energie Beheer Nederland (EBN) door Berenschot en Panterra Geoconsultants is uitgevoerd, blijkt dat het mogelijk om in Nederland 2,6 miljoen huizen en gebouwen (gelijk aan 88 petrajoule) met aardwarmte van warmte te voorzien. 

Het opzetten van een grootschalig productiesysteem vereist grote investeringen.  Wereldwijd hebben 49 landen samen in de periode 2014 – 2017 ongeveer $20 miljard geïnvesteerd in geothermie.  Om de verhoudingen te bepalen: Shell alleen al investeerde in die periode $25 miljard in het zoeken naar nieuwe olievelden. Nederland heeft naar verhouding een forse bijdrage geleverd aan het onderzoek naar geothermie: In de eerste helft van 2018 alleen al is er bijna een half miljard toegezegd aan subsidie. Hier mag overigens het pionierswerk dat in de glastuinbouw is verricht, waar al enkele decennia aardwarmte wordt gebruikt, niet onvermeld blijven. Dit heeft veel kennis opgeleverd onder andere over het vermijden van de risico’s bij het boren. Hetzelfde geldt voor het onderzoek naar het gebruik van mijnwater in Zuid-Limburg.

Midden- en hoge temperatuur warmte

In mei 2018 heeft het Platform Geothermie het Masterplan aardwarmte in Nederland, een brede basis voor een duurzame warmtevoorziening gepubliceerd. Dit rapport moet ertoe leiden dat aardwarmte samen met duurzame restwarmte op substantiële wijze gaan bijdragen aan de toekomstige vraag naar warmte. De huidige productie van 3 petajoule neemt daarbij toe naar 50 petajoule in 2030 en tot meer dan 200 petajoule per jaar in 2050. Van deze 200 petajoule zal ongeveer 40% geleverd zal gaan worden via warmtenetten. Om dit doel te bereiken moet het aantal doubletten groeien van de huidige 14 naar 175 in 2030, en vervolgens naar 700 in 2050.

Door aanzienlijke schaalvergroting en professionalisering kunnen de kosten van het zoeken naar bronnen en de exploitatie daarvan aanzienlijk worden verlaagd.

Binnen het project WARM is een reeks Detailstudies regionale potentie uitgevoerd. Deze hebben de potentie voor aardwarmte als duurzame warmtebron voor elke Regionale Energie Strategie-regio onderzocht voor gebruik in de gebouwde omgeving (middellage en hoge temperatuur) voor de glastuinbouw en de industrie. Voor elk van de 35 regio’s is het nodige kaartmateriaal beschikbaar wat een realistische inschatting van het gebruik van aardwarmte vergemakkelijkt.  Mede op grond van de veelbelovende gegevens heeft Amsterdam onlangs een vergunning aangevraagd om met proefboringen te mogen starten.

De groene plekken op de onderstaande kaart zijn de meest kansrijke plaatsen om aardwarmte te exploiteren.

Afbeelding: Samenvattende kaart: De groengekleurde oppervlakten zijn de kansrijke plaatsen voor minimaal midden temperatuur (MT) aardwarmte. Bron: Eindrapport WARM

Lage temperatuur warmte

Het gebruik van aardwarmte met lage temperatuur (afkomstig tussen 250 – 1250 meter onder het oppervlak) is een welkome aanvulling op de winning van aardwarmte vanuit diepere lagen. Voor deze laatste is het boren veel gecompliceerder en duurder. Voor de eerste is horizontaal boren mogelijk. Het voordeel daarvan is dat het boren van putten voor winning en retourstroom kan plaatsvinden vanaf één plek en de capaciteit wordt verhoogd (figuur beneden). Bovendien is er al meer kennis van de beschikbaarheid van warmtebronnen met lage temperatuur in de ondergrond in vergelijking met bronnen op grotere diepte.

Afbeelding: Een vergelijking tussen standaard geothermisch boren en boren naar aardwarmte met lage temperatuur – Illustratie: Visser & Smit Hanab

Bij lage temperatuur warmte worden individuele of collectieve warmtepompen gebruikt om de temperatuur van het water te verhogen van naar 60°C. Dit maakt verwarming mogelijk van tamelijk goed geïsoleerde huizen (label B-C) zonder grote veranderingen in het verwarmingssysteem. Dit is een belangrijke toegevoegde waarde ten opzichte van all-electric oplossingen. Deze zijn vooralsnog alleen toepasbaar in goed geïsoleerde huizen en gebouwen (label A – A++). In dit geval gebruiken warmtepompen buitenlucht en deze verwarmen het water tot ongeveer 30°C.

Nog interessanter is om zo’n systeem te integreren in smart thermal grid. Hierin wordt behalve lage temperatuur warmte ook industriële restwarmte gebruikt en opgeslagen. CE Delft stelt vast dat ongeveer 4,6 miljoen huishoudens in Nederland en ook veel bedrijven kunnen worden bediend door een dergelijk concept. Als de beschikbaarheid van industriële restwarmte vermindert, dan kan deze worden vervangen door warmer water uit dieper gelegen lagen ‘bij te mengen’. 

Voorbeeld van een smart thermal grid met een bronnenmix waarin aardwarmte een van de onderdelen is. Bron: Eindrapport WARM

Er is op veel plaatsen ter wereld en zeker in Nederland, sprake van een inhaalrace om de toepassing van aardwarmte op grote schaal mogelijk te maken. Had grootschalig onderzoek 20 jaar geleden begonnen, dan was het vertrouwen om op soepele wijze ‘van het gas af’ te kunnen gaan, aanzienlijk groter geweest. 

De stiefdochters van de milieuwetenschap (2): Biomassa

Het kabinet is van mening dat bij de realisering van een klimaat-neutrale en circulaire economie een belangrijke rol is weggelegd voor duurzame biomassa. Het gebruik van biomassa vanuit een milieuoogpunt is volgens sommigen onontkoombaar en volgens anderen verwerpelijk.

Er is aan de SER een advies gevraagd en die heeft het Planbureau voor de Leefomgeving ingeschakeld, waarover later meer. Eerst ga ik in op de vraag wat is biomassa en waarvoor wordt deze gebruikt.

Wat is biomassa?

In principe is biomassa alle stof van organische oorsprong die organismen (vooral planten en dieren) produceren. Stoffen van organische oorsprong, die door geologische processen zijn getransformeerd zoals steenkool, olie, aardgas en krijt, worden er niet toe gerekend. Er worden vier productiestromen en rest- of nevenstromen onderscheiden. 

Bij productiestromen gaat het om de opbrengst van de agrarische sector, de bosbouw en de visserij en alles wat daarvan wordt gemaakt.

Primaire reststromen omvatten alles dat tijdens de productie vrijkomt, zoals stro, mest en takken.

Secondaire reststromen omvatten alles wat vrijkomt tijdens het verwerkingsproces, zoals kaf, bietenpulp en zaagsel.

Tenslotte, tertiaire reststromen omvatten alles wat na gebruik van producten vrijkomt, zoals rioolwaterzuiveringsslip, GTF en zaagsel.

Het navolgende gaat over het al dan niet noodzakelijk zijn van productiestromen voor andere doelen dan het voeden en kleden van de mensheid.

Te denken valt aan de productie van tarwe, suikerriet en -biet voor de (bio)chemische industrie (bio-ethanol) ter vervanging van fossiele grondstoffen. Deze discussie spitst zich toe op de vraag of dergelijke productstromen concurrerend zijn met de voedselproductie, het areaal van de nog bestaande oerbossen verder verkleinen en meer in het algemeen schadelijk zijn voor de biodiversiteit. Overigens betreft de vraag van het kabinet aan de SER een ‘integraal duurzaamheidskader’, waarbij terecht ook het duurzame karakter van de voedselproductie wordt betrokken.

Al meer dan 150 jaar produceert de Goudse vestiging van Croda ‘oleochemische’ halffabricaten uit hernieuwbare oliën en vetten. Deze hebben inmiddels een breed scala aan toepassingen gekregen zoals cosmetica, verf, coatings, smeermiddelen en plastics.

Het gebruik van biomassa

Behalve voor voeding en kleding kan biomassa worden toegepast als grondstof en hoge temperatuur warmte voor de chemische industrie, biobrandstof voor vervoer, verwarming voor de gebouwde omgeving en de glastuinbouw, elektriciteit, materialen (hout, stro, riet, vlas en hennep) en bodemverbeteraar in de landbouw. 

Het gaat bij het gebruik van biomassa veelal niet om één techniek, maar om een combinatie van verschillende technieken en verschillende toepassingen. Dit heet meervoudige verwaarding in samenhang met cascadering; dat is hoogwaardig gebruik van de biomassa. Daarom werken AkzoNobel, Cosun, DSM, Energy Academy Europe, Energieonderzoek Centrum Nederland, FrieslandCampina, Gasunie, Groen Gas Nederland, Havenbedrijf Rotterdam en diverse ministeries samen aan een aantal projecten.

Een daarvan is de bioraffinaarderij die RWE, Nouryon, Avantium, AkzoNobel, Chemport Europe en Staatsbosbeheer opzetten in Delfzijl. Avantium ontwikkelt daar recyclebare bioplastics, Nouryon maakt er grondstoffen voor de chemische industrie en RWE gebruikt de reststoffen uit de fabriek voor energieopwekking. De gebruikte biomassa omvat lokaal verkregen houtsnippers en pulp en andere bijproducten uit de landbouw.

Diverse biobased-toepassingen zijn al concurrerend met producten van fossiele herkomst. Dit vooral vanwege hun unieke eigenschappen, maar veel minder vanwege de kostprijs. Biobased PET en het nieuwe biopolymeer PLA (ook biologisch afbreekbaar in speciale afvalverwerkingsinstallatie!) kennen momenteel de snelste marktgroei[1].

Het AkzoNobelterrein in Delfzijl

Gas blijft als grondstof en brandstof van wezenlijk belang voor de chemische industrie. De geschatte behoefte aan gas, nadat Nederland ‘van het gas af’ is, wordt geschat op ruim 2 miljard kubieke meter. Door superkritische watervergassing, een proces ontwikkeld door de Gasunie en SCW Systems kan de hoeveelheid geproduceerd gas uit een hoeveelheid natte biomassa, zoals rioolslib en mastoverschotten, vervijfvoudigd worden ten opzichte van de gangbare vergistingstechniek. 

De CO2-uitstoot van dit gas is 35% lager is dan die van aardgas. 

Bioraffinage vormt het equivalent in de biobased economy van de huidige olieraffinaderijen. De duurzaamheid van deze technologie staat op zich niet ter discussie bij gebruik van materiaal dat er toch al is. Als het materiaal speciaal voor dit doel wordt gemaakt, bijvoorbeeld palmolie, dan ontstaat er terecht veel meer discussie.

Zo bleef de discussie bij de bouw van de BioWarmte Installatie Lage Weide van Eneco beperkt. De installatie draait op duurzaam verkregen houtafval uit regulier park-, plantsoen- en bosonderhoud in de regio. Deze installatie zal uiteindelijk 40 procent van de huidige warmteproductie voor de stadswarmte in Utrecht en Nieuwegein verzorgen. Daarentegen heeft Milieudefensie overwegende bezwaren tegen de vestiging van een biodiesel raffinaderij in Rotterdam omdat daarvoor palmolie wordt gebruikt. Deze zou afkomstig zou zijn van plantages op 10.000 hectare gekapt bosgebied.

Het debat over biomassa

Er bestaat brede overeenstemming over het feit dat de Parijse akkoorden niet haalbaar zijn zonder het gebruik van biomassa. Omdat het gebruik van biomassa veel weerstand oproept heeft het kabinet de SER om advies gevraagd, die het Planbureau voor de leefomgeving (PBL) daarbij heeft ingeschakeld. Het PBL heeft op zijn beurt aan De Gemeynd en aan MSG Sustainable Strategies gevraagd om de verschillende standpunten en de daarbij gebruikte argumenten in kaart te brengen. Dit heeft geleid tot een vijftal perspectieven, waarbinnen uiteenlopende argumenten relevant zijn, die het PBL uitvoerig documenteert en confronteert met recent wetenschappelijk onderzoek.

De weerstand tegen biomassa kent verschillende gradaties:

  • Voor- en tegenstanders zijn het erover een dat er is een blijvende rol is weggelegd voor biomassa als materiaal (papier, karton en zaaghout voor de bouw en als vervanging van beton en staal) en als grondstof voor de chemie.
  • Als energetische toepassing onvermijdelijk is om de duurzame energie- en klimaatdoel-stellingen te halen, dan vindt een deel van de tegenstanders dat dit moet gebeuren waar weinig of geen alternatieven beschikbaar zijn, zoals in de lucht- en zeescheepvaart.
  • Biomassa die van buiten Europa wordt ingevoerd staat onder ernstige verdenking niet afkomstig te zijn uit duurzame bronnen, maar uit plantages waarvoor oerbos is gekapt. Het wantrouwen is minder wanneer biomassa afkomstig is uit Nederland en eventueel de Europese Unie. 
  • Tegen het gebruik van biomassa voor de opwekking van elektriciteit of warmte zijn veel bezwaren. Ook vanwege de schaal waarop dit gebeurt.

De fundamentele vraag is waarom biomassa een duurzame energiebron wordt genoemd, terwijl bij verbranding ervan CO2 vrijkomt.

Het antwoord is dat deze vrijgekomen CO2 eerder door de verbrande biomassa was opgeslagen. Verbranding veroorzaakt dus geen nieuw CO2. Dit antwoord lijkt een gelegenheidsargument, maar het wordt wereldwijd gebruikt omdat anders de Parijse akkoorden vrijwel zeker onhaalbaar zouden zijn[2]: In 2019 zorgde biomassa in Nederland voor 50 procent van de groene stroom en 80 procent van de groene warmte. Compenseer dat maar eens met zonnepanelen en windmolens!

Regenwoud in Borneo dat plaats maakt voor palmolieplantages. WWF Zweden.

De discussie over biomassa kan eindigen in een patstelling of in een werkbaar compromis. In al zijn eenvoud houdt dit in (1) alleen die biomassa duurzaam te beschouwen waarvan onomstotelijk vaststaat ze duurzaam is geproduceerd en (2) het gebruik van duurzame biomassa voor de productie van elektriciteit of warmte tot een nader te bepalen tijdstip toe te staan als een tussenoplossing. 

[1] In hoofdstuk 3 ‘De circulaire stad’ van mijn boek ‘Steden van de toekomst. Humaan als keuze. Smart waar dat kan’ ga ik uitgebreider in op de begrippen bio-based en biologisch afbreekbare kunststoffen. Dit boek kan Dit boek kan worden gedownload via: https://www.dropbox.com/s/ytdadwgdsdw6zke/Looking%20for%20the%20city%20of%20the%20future%20NL.pdf?dl=1

Er is een beperkt aantal hardcopy’s (180 p) beschikbaar. Maak daarvoor €20,00 over op IBAN NL35INGB0001675550 t.n.v. H. van den Bosch o.v.v. naam en adres en het boek wordt per omgaande toegestuurd.

[2] Het argument is op zich valide, als het CO2 betreft die vrijkomt uit de verbranding van biomassa die jonger is dan 1990., het basisjaar voor de berekening van de vermindering van de CO2-uitstoot. Echter, houdt iemand bij of de aanplant al was bedoeld als compensatie voor uitstoot elders? Dan gaat dit argument niet meer op!