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

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

Inleiding

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

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 20-40 jaar – opgave en kans voor wetenschap en bedrijfsleven PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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 > 2.000 m2, 50 woningen 2500 woningen Diepte in de bodem 20-150 meter 30-150 meter 1500-5000 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

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

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 1.5-3.5 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

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

Warmte-koude opslag

WKO is hot PAO Energie uit Water 18 november 2009

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 40 - 80% 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

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

Gesloten systemen: horizontaal PAO Energie uit Water 18 november 2009

Gesloten systemen: verticaal PAO Energie uit Water 18 november 2009

Groei gesloten systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

Open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

Groei open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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

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

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

Verzilting PAO Energie uit Water 18 november 2009

Verzilting Irreversibel PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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

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

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

Beschermen en benutten PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

Interferentie PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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

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

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

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

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

3. Geothermie

Geothermie in opkomst PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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 1 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

Twee families PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

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

ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009

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

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

Vragen?