Duurzaam inzetten op bodemenergie

Presentatie over: "Duurzaam inzetten op bodemenergie"— Transcript van de presentatie:

1 Duurzaam inzetten op bodemenergie
Hans Gehrels, Niels van Oostrom (Deltares) Jan Diederik van Wees (TNO)

2 Programma Inleiding (5 min) Warmte-koude opslag (25 min)
Geothermie (15 min) Discussie (15 min) PAO Energie uit Water 18 november 2009

3 Inleiding

4 Broad picture … “We will restore science to its rightful place, and wield technology's wonders We will harness the sun and the winds and the soil to fuel our cars and run our factories.” Barack Obama in his inaugural speech on Jan. 20, 2009 PAO Energie uit Water 18 november 2009

5 Maatschappelijk vraagstuk
Transitie naar duurzame energie is urgent Doelstelling kabinet: verminderen afhankelijkheid van fossiele brandstoffen door 20% energiebesparing, 20% duurzame energie en 20% minder CO2-uitstoot in 2020 (t.o.v. 1990) Bij ongewijzigd beleid komen we halverwege - we zijn er nog lang niet Duurzame energie speelt grote rol in komende jaar – opgave en kans voor wetenschap en bedrijfsleven PAO Energie uit Water 18 november 2009

6 Urgentie van duurzame energiebronnen
Tegenlicht: Ontwikkeling zon- en wind-energie sterk in opmars Werk aan de winkel voor energie uit water en ondergrond Zweden: 20% van energiegebruik uit waterkracht Noorwegen: 98,8% van het electriciteitsverbruik uit waterkracht. Nederland: 30% van NL energieverbruik voor warmte en koude van gebouwen 50-70% besparing mogelijk met WKO DUS 15-20% energiebesparing mogelijk met maar 1 techniek PAO Energie uit Water 18 november 2009

7 Bodemenergie – verschillende vormen
Gesloten systemen Open systemen Geothermie systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

8 Overzicht Verticale BWW WKO Diepe geothermie Toepassingsvorm
Verwarmen en koelen met warmtepomp Koelen of koelen en verwarmen vaak met warmtepomp Alleen verwarmen Marktsectoren Woningbouw, kleine utiliteitsbouw  Utiliteitsbouw, glastuinbouw, woningbouw Woningbouw, glastuinbouw, industrie Minimale schaalgrootte 1 woning Gebouw > m2, 50 woningen 2500 woningen Diepte in de bodem meter meter meter  Terugverdientijd 10 – 20 jaar 1 – 12 jaar 5 – 20 jaar Aantal 25000 lussen 1200 bronnen 1 systeem Vergunning (nog) geen vergunning nodig Grondwaterwet Mijnbouwwet Energiebesparing 50% op combinatie; 30-50% op verw+koel 50-80% op koeling, 30-50% op verwarmen 60-70% op verwarmen PAO Energie uit Water 18 november 2009

9 Coëfficiënt of performance: COP
COP - coefficient of performance: verhouding tussen de hoeveelheid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie van onder andere een warmtepomp. Deze energie wordt bij de warmtepomp gebruikt door de compressor. Een water/water warmtepomp heeft een COP van 3,5: 3,5 kWh aan warmteproductie voor elke kWh uit het elektriciteitsnet. Dit kan men gelijkstellen aan een rendement van 350%. Bij gewone elektrische verwarming heb je slechts een rendement van 100%. De verhouding tussen de gas- en elektriciteitsprijs bepaalt vervolgens wat de bedrijfskosten zijn. Kosten aardgas hoogrendementsketel € 19,00. Kosten elektriciteit voor de warmtepomp € 18,50. Het voordeel van de warmtepomp zit dus niet zozeer in de grote besparing op stookkosten, maar wel in de vermeden uitstoot CO2. PAO Energie uit Water 18 november 2009

10 Vergelijking Type aard diepte Vermogen Schaal #huizen
Basis Investering CAPEX CO2 reductie tov gasgestookt/ COP Lifetime BWW WK 2-150 25 GJ/yr 1 10 kEUR 50%/4-6 oneindig WKO 30-150 0.1 MWth 100 100 kEUR Geoth Warmte W km 7.5 MWth 3000 6 MLN 70-95%/15 30-75 jaar Elektr W/E >3.5 km 20 MWth/ 3 MWe 8000/ 4500 30 MLN 100% 30 jaar PAO Energie uit Water 18 november 2009

11 Vergelijking Type Ondergrondse economische performance risico’s
Maatschappelijke risicos Subsidies BWW Geen Verstoring hydrologische systemen door boringen WKO Doorlatendheid bodem chemie Verstoring hydrologische systemen door boringen en productiesystemen Geoth Warmte Temperatuur Geringe bodemdaling door afkoeling Project Elektr Doorlatendheid Hydraulic Fraccing Induced seismicity PAO Energie uit Water 18 november 2009

12 Warmte-koude opslag

13 WKO is hot PAO Energie uit Water 18 november 2009

14 Werkingsprincipe Koude en/of warmte wordt opgeslagen in een watervoerende zandlaag (aquifer) in de bodem. ’s Winters wordt winterkoude opgeslagen in de koude bron met een temperatuur van circa 8°C. ’s Zomers wordt het koude grondwater uit de koude bron opgepompt en gebruikt voor koeling van een gebouw of een proces. Het grondwater neemt de warmte uit het koelcircuit in het gebouw op en wordt met een temperatuur van 15 à 20°C in de warme bron geïnfiltreerd. Het grondwatercircuit en het gebouwcircuit zijn gescheiden door een warmtewisselaar (TSA). Koelen met opgeslagen koude kost slechts 10% van het vermogen van een koelmachine. Samen met de elektriciteit voor het laden van koude is een besparing mogelijk van % op het elektriciteitsverbruik voor koeling in vergelijking met een koelmachine. Warmte/koudeopslag in combinatie met een warmtepomp bespaart circa 50 procent op de energie voor verwarmen en koelen in vergelijking met een klassieke installatie, bestaande uit een ketel en koelmachine. PAO Energie uit Water 18 november 2009

15 Warmtepomp Drukverhoging in de compressor: het gasvormige koudemiddel wordt samengeperst. Temperatuur loopt op tot boven die van de te verwarmen ruimte. Hete damp stroomt naar de condensor. Warmteafgifte in de condensor: In de condensor (radiator) condenseert de damp tegen de relatief koude wand en geeft warmte af. De vloeistof wordt aan de onderzijde van het reservoir afgetapt en stroomt dan naar een smoorventiel. Drukverlaging: In het smoorventiel of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening. Warmteopname uit de omgeving: In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving. PAO Energie uit Water 18 november 2009

16 Gesloten systemen: horizontaal
PAO Energie uit Water 18 november 2009

17 Gesloten systemen: verticaal
PAO Energie uit Water 18 november 2009

18 Groei gesloten systemen
PAO Energie uit Water 18 november 2009

19 Open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

20 Groei open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

21 Groei open systemen 1990 2000 2008 10 systemen 200 systemen
PAO Energie uit Water 18 november 2009

22 Advies Taskforce WKO (VROM)
Groei Per jaar Open WKO in 2020 Duurzame energie [PJ] ReductieCO2 [Mton] % CO2 t.o.v. gebouwde omgeving Autonoom 12% 3.500 8 0,6 2% Beperkt versneld 20% 7.500 17 1,2 5% Versneld 30% 18.000 41 2,9 11% Wat is het effect van versnelde groei op ondergrond en rendement? PAO Energie uit Water 18 november 2009

23 Beïnvloeding van bovenliggende pakketten en/of freatisch grondwater
Stijghoogte Beïnvloeding van bovenliggende pakketten en/of freatisch grondwater Gevolgen freatische grondwaterstand-verandering in stedelijk gebied potentieel groter Hydraulische interferentie: harder pompen om debieten te halen PAO Energie uit Water 18 november 2009

24 Regionale natuurlijke stijghoogte gradient
Regionale stromingspatroon Den Haag Stijghoogte toename Regionale natuurlijke stijghoogte gradient PAO Energie uit Water 18 november 2009

25 Freatische grondwaterstand
De Uithof: groen is nabij de pompput, paars en bruin freatische grondwaterstand op 10 respectievelijk 25 meter afstand PAO Energie uit Water 18 november 2009

26 Verzilting PAO Energie uit Water 18 november 2009

27 Verzilting Irreversibel PAO Energie uit Water 18 november 2009

28 Vermenging verschillende natuurlijke grondwaterkwaliteit: is dat erg?
Horizontaal of verticaal verplaatsen of vermengen verontreinigingen Diepe systemen: minder risico op verplaatsen verontreinigingen Ondiepe systemen: minder invloed op “niet menselijk beïnvloed” grondwater PAO Energie uit Water 18 november 2009

29 Invloed op natuurlijke bacteriën Grotere dynamiek Andere temperatuur
Microbiologie Invloed op natuurlijke bacteriën Grotere dynamiek Andere temperatuur Andere redoxomstandigheden Beschikbaar komen van organisch materiaal Eerste indicatie dat temperatuurverschil van circa 2 graden geen effect heeft Wel constatering dat diversiteit en aantal bacterien bij wko lager is dan bij referentie PAO Energie uit Water 18 november 2009

30 Vermenging grondwaterkwaliteiten
Perforatie Risico’s: Vermenging grondwaterkwaliteiten Aantrekken verontreinigingen van boven SIKB protocol is er, maar controle nog te regelen PAO Energie uit Water 18 november 2009

31 Meer met Bodemenergie Onderzoeksprogramma naar toepassing van WKO
Advies/ontwerp WKO (thermisch) Nieuwe concepten WKO Fundamenteel onderzoek (WKO) WKO, saneren (mn biologie), ecologie Onderzoek WKO (therm/bio/geochem) WKO en saneren monitoringstools Praktisch onderzoek WKO (bio/geochem), ecologie, biodiversiteit WKO en saneren PAO Energie uit Water 18 november 2009

32 Meer met bodemenergie Vragers Alle provincies Enkele gemeenten
Waterleidingbedrijven/energiebedrijf Waterschappen VROM en SKB Aanbieders Deltares, IF, Bioclear en WUR Praktijkonderzoek (2 jaar) en fundamenteel onderzoek (2 AiO’s) PAO Energie uit Water 18 november 2009

33 Beschermen en benutten
PAO Energie uit Water 18 november 2009

34 WP2: effecten van (grootschalige) WKO
Stijghoogte: beïnvloeding aquifer, interactie diep-ondiep, kwel Heterogeniteit: inzicht in verspreiding geïnjecteerd en herkomst onttrokken water, effectiviteit opslag Temperatuur: beïnvloeding aquifer door grootschalige toepassing Natuurlijke chemie: invloed op natuurlijke samenstelling door temperatuur, menging, lekkagestroming Verzilting: effect op zoet-zoutpatronen van grote installaties Pathogene bacteriën: gaan ze mee naar beneden? Natuurlijke diepe bacteriën: hoe reageren die? Geomechanica: maaiveldbeweging, zetting, opbarsting, welvorming Effecten na sluiting: na-ijleffect Hoge temperatuur opslag: effecten en mogelijkheden (Uithof, Swammerdam) Meerdere systemen: rendement opslag PAO Energie uit Water 18 november 2009

35 Interferentie PAO Energie uit Water 18 november 2009

36 Risico’s op interferentie
Inschatting van het risico op interferentie 2005 en in 2030 (IF Technology) PAO Energie uit Water 18 november 2009

37 Heterogeniteit Effect heterogeniteit ondergrond op temperatuurzones verondersteld: vergroting kans op (eigen) interferentie Kavelgrens Effectstudie Werkelijkheid? PAO Energie uit Water 18 november 2009

38 WP3: WKO en sanering Sanerende werking van rondpompen: (bio)wasmachine
Effect van verontreiniging op WKO Effect van WKO op afbraak Corrosie, verstopping?  ontwerp van WKO Nieuwe concepten voor combinatie Hoe is WKO optimaal te combineren in gebiedsgerichte aanpak Combinatie van monitoring (gebiedsgericht en WKO-vergunning) PAO Energie uit Water 18 november 2009

39 WP4: WKO in water- en energieketen
Analyse van kansen en nieuwe mogelijkheden Combineren van RO-opgaven, waterbeheerdoelstellingen (kwantiteit en kwaliteit) en energieambities Keten grondwater, proceswater, oppervlakte- water Aanvullend op voorgaande methodiek: Deskstudie en brainstormsessies PAO Energie uit Water 18 november 2009

40 RO Ondergrond De verdergaande benutting van de ondergrond vraagt om RO beleid voor de ondergrond Niet alleen voor energieopslag, maar voor de combinaties met andere gebruiksfuncties zoals ondergronds bouwen, sanering, perforatie, etc. PAO Energie uit Water 18 november 2009

41 WKO Heating Cooling 4 april 2017 How does heating and cooling work
Why we should use the surface water 7 ◦C HE 18 ◦C Summer Summer ATES PAO Energie uit Water 18 november 2009

42 WKO in combinatie met oppervlaktewater
4 april 2017 WKO in combinatie met oppervlaktewater Heating Cooling HE How does heating and cooling work Why we should use the surface water 7 ◦C 18 ◦C Summer Summer ATES PAO Energie uit Water 18 november 2009

43 3. Geothermie

44 Geothermie in opkomst PAO Energie uit Water 18 november 2009

45 Wat is geothermie? Warmte in de aarde: radioactief verval van elementen Gemiddelde mondiale geothermische gradiënt = 30°C/km Warmte is winbaar met putten die warm water winnen en afgekoeld weer her-injecteren (doublet) Bunge, 2005 PAO Energie uit Water 18 november 2009

46 Heat flow in the continental lithosphere
30C/km 50C/km PAO Energie uit Water 18 november 2009

47 Voordelen Geothermie - Nederland
Groen (warmte COP=15+, HR COP=3.5, Electriciteit geen CO2 uitstoot) 24/7  baseload Weinig beslag oppervlakte Verwachting TNO realisatie warmte miljoen huizen 100 jaar Verwachting TNO realisatie electriciteit 100en MWe, renewable 2020 tijdslijn: 1-3% CO2 reductie (landelijk), warmte PAO Energie uit Water 18 november 2009

48 Twee families PAO Energie uit Water 18 november 2009

49 Geothermie voor verwarming van huizen [Den-Haag]
E [MWth] = Flow-rate [m3/h] * DT * 1.2x10-3 PAO Energie uit Water 18 november 2009

50 Geothermie: waar en hoe
Locatie voor bv. woningbouw of tuinbouw Afhankelijk van eigenschappen ondergrond: Geologie: Diepte en temperatuur Permeabiliteit en Dikte van waterdoorlatende lagen Breuken (continuïteit) Warmtevraag 1. Potentie onderzoek regionaal  lokaal t.b.v. opsporingsvergunning 2. Detailstudie Structureel geologisch model Breuken Continuïteit van de laag Reservoireigenschappen (porositeit en permeabiliteit) Transmissiviteit (dikte x doorlatendheid) 3. Putconfiguratie PAO Energie uit Water 18 november 2009

51 Kennis van de ondergrond?
Kennis diepe ondergrond bij TNO uit: (Exploratie-)boringen 2D en 3D seismiek voor landelijke kartering Olie-gas exploratie: ca 50 miljard kennis-investering in de afgelopen 30 jaar PAO Energie uit Water 18 november 2009

52 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

53 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

54 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

55 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

56 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

57 Electriciteitsproductie
T = 80 C Electriciteitsproductie T = 160 C T = 30 C PAO Energie uit Water 18 november 2009

58 Geothermal Energy: production of electricity from geothermal hotspots-active faults
30C/km 60C/km PAO Energie uit Water 18 november 2009

59 Vragen?