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. 

Auteur: Herman van den Bosch

Ik ben hoogleraar aan de Open Universiteit en hou me bezig met regionale ontwikkeling, innovatie en leren. Ik ben bovendien curator van Amsterdam Smart City. Ik zie het streven van steden om smart city te worden in samenhang met duurzame welvaart, rechtvaardigheid en welzijn. Daarom spreek ik bij voorkeur over inclusieve groei

Eén gedachte over “De stiefdochters van de milieuwetenschap (3): Aardwarmte”

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s