Introductie bodemenergie en geothermische energie

Bodemenergie en aardwarmte

De aarde is voor 99.9% warmer dan 100°C. Diep onder onze voeten bevindt zich dan ook een immense bron van energie die op veel locaties te exploiteren is.   

Bodemenergie is het gebruik van warmte of koude in de ondiepe ondergrond. Ook wel genoemd ondiepe aardwarmte.

Bij geothermische energie wordt aardwarmte gewonnen uit de diepe ondergrond. Daarom wordt geothermische energie ook wel diepe aardwarmte genoemd.

Beiden zijn duurzame vormen van energie die bijdragen aan een besparing van fossiele brandstoffen en aan de vermindering van CO2 uitstoot.

Door gebruik te maken van bodemenergie kunnen gebouwen, wijken, woningen, kassen en fabrieken op een duurzame manier worden verwarmd en gekoeld. Ook het leveren van warm tapwater kan worden ondersteund door aardwarmte.

Bodemenergie is sterk in opkomst. De terugverdientijd varieert afhankelijk van de schaalgrootte tussen de 5 en 15 jaar. In het algemeen geldt dat de terugverdientijd korter is bij een grootschaligere toepassing. Bij particuliere toepassing is een collectieve insteek dan ook aan te raden. Met name nieuwbouw leent zich uitstekend voor smart-grid energiecollectieven. Warmte- koude opslag maar ook fotovoltaische en thermische zonne-energie toepassingen kunnen dan in één hand worden gerealiseerd. 

Typen systemen

Er zijn verschillende aardwarmte systemen waarvan de volgende systemen het meest worden toegepast:

• Warmte- en Koude Opslag systemen of WKO.
  • Een WKO systeem bestaat uit een horizontaal of verticaal gescheiden warme- en koude bron in de bodem. In een WKO systeem is de warme bron altijd warm. En de koude bron altijd koud.
  • De bron is feitelijk de toegang tot een watervoerende laag in de ondergrond die aquifer genoemd wordt. In deze watervoerende laag, bijvoorbeeld zand, wordt het opgewarmde of het teruggekoelde grondwater opgeslagen. De bodemstructuur zorgt voor een behoorlijke mate van isolatie waardoor bijvoorbeeld warmtewinning in de winter mogelijk is. Het volume speelt natuurlijk ook een rol.
  • De warme- en koude bronnen varieren in omvang gedurende de seizoenen door warmtetoevoeging of warmteontrekking. Een zekere mate van balans ten aanzien van de warmte- en de koudevraag is gewenst om op termijn onbalans in de bodem te voorkomen. Onbalans wil zeggen dat de koude- of warmtebron buiten proporties groeit en de andere bron gaat beinvloeden.
  • Bij WKO systemen wordt energie opgeslagen en / of gewonnen tussen de 0 meter en circa 300 meter onder het maaiveld.
  • De toepassingstemperatuur van WKO systemen fluctueert tussen de 5° en 30 graden Celcius.
  • WKO systemen staan ook wel bekend als:
    • KWO systemen: Koude- en Warmte Opslag systemen
    • Ondergrondse energieopslagsystemen
    • Seizoensgebonden energieopslagsystemen
    • STES wat staat voor Seasonal Thermal Energy Storage
    • UTES wat staat voor Underground Thermal Energy Storage

Warmte- en Koude Opslag systemen

12 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Afbeeldingen met dank aan onder meer de Provincie Drenthe, Geveke, VHGM.

• Een andere toepassing van aardwarmte wordt gevormd door de groep bodemwarmtewisselaars, bodemcollectors en gesloten bronsystemen. 
  • Bodemwarmtewisselaars maken geen direct gebruik van grondwater voor warmte- of koudeopslag. In plaats daarvan worden aardsondes of lussen in de bodem aangebracht waar binnen een gesloten circuit een water/glycol mengsel wordt rondgepompt. Het water/glycol mengsel onttrekt energie aan de bodem en voert dit af naar een apparaat dat deze energie kan doorgeven zoals een warmtewisselaar en / of energie kan opwaarderen zoals een warmtepomp.
  • Doordat er sprake is van een gesloten systeem is het opwarmings- of afkoelingseffect van de omringende bodem ook geringer. Al naar gelang de gewenste opslagcapaciteit betekent dit dat er meerdere verticale boorgaten moeten worden aangebracht. Alleen verticale boorgaten reiken tot de watervoerende lagen die energieopslag mogelijk maken. Natuurlijk is het ook mogelijk een ondiepe of bovengrondse (seizoens)buffer aan te leggen in een een (groot) goed geisoleerd opslagvat.
  • Horizontale (ondiepe) bodemwarmtewisselaars werken veelal op basis van het op een constante temperatuur brengen van een water/glycol mengsel voor aansturing van een warmtepomp.
  • Een veel voorkomende Engelse term voor bodemwarmtewisselaars is BETS wat staat voor Borehole Thermal Energy Storage.

Bodemwarmtewisselaars of gesloten bronsystemen

7 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

• Geothermische systemen. Bij geothermische systemen wordt energie / warmte gewonnen door het . De warmte wordt gewonnen tussen de 1 kilometer en circa 3,5 kilometer onder het maaiveld. De toepassingstemperatuur van thermische energie fluctueert tussen de 40° en 120-200º Celcius.

Geothermische systemen

8 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

• Open bron- of recirculatiesysteem. Een open bronsysteem maakt gebruik van de natuurlijke stroming van het grondwater. Er worden twee bronnen in hetzelfde waterhoudende- en stromende waterpakket geboord. Daarbij is één bron verantwoordelijk voor het oppompen van het grondwater en de andere voor het weer afvoeren van het gebruikte grondwater. Het voordeel is dat een open bronsysteem niet uit balans raakt. Het nadeel ten opzichte van een WKO systeem is de lagere efficiency.

Open bron- of recirculatiesysteem

4 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

• Gecomprimeerde lucht opslag systemen of CAES (Compressed Air Energy Storage) wordt ook wel onder bodemenergie geschaard. Meer informatie over CAES zie Energie opslagsystemen (DGEM). 

De verschillen

De globale verschillen tussen WKO, verticale bodemwarmtewisselaars en diepe geothermie.

Met dank aan BodemenergieNL. De brancheorganisatie voor alle bedrijven en organisaties die op enige manier te maken hebben met bodemenergie.

Open- en gesloten systemen

Er zijn twee soorten bodemenergiesystemen: open systemen en gesloten systemen. Open en gesloten systemen varieeren in capaciteit en efficiency. In het algemeen worden open systemen ingezet voor grootschalige toepassingen en zijn (daarmee) wat efficienter. 

• Open bodemenergiesystemen. Bij een open bodemenergiesysteem wordt grondwater onttrokken aan de bodem en opgewarmd grondwater na gebruik terug in de bodem geïnfiltreerd. Met andere woorden, open systemen circuleren grondwater.
  • In de winter wordt grondwater uit de warme bron opgepompt. Door middel van een warmtewisselaar wordt warmte ontrokken aan het warme bronwater en afgegeven aan het warm water circuit. Bijverwarming vindt veelal plaats via een warmtepomp.
  • Het afgekoelde water wordt op een andere plek cq andere hoogte teruggevoerd in de bodem. 
  • Wanneer het aldus buiten warmer wordt en een vraag naar koeling onstaat, wordt de circulatierichting omgedraaid. Het water uit de koude bron wordt gebruikt voor koeling van een gebouw of proces.
  • De warme en koude bronnen kunnen op enige afstand naast elkaar gelegen zijn of onder elkaar in verschillende watervoerende pakketten. De diepte van de bronnen varieert meestal van 20 tot 300 meter onder het maaiveld.
  • De warme en koude ‘bellen’ zijn van elkaar gescheiden en variëren in omvang, afhankelijk van de warmte- en koudevraag gedurende de seizoenen.
  • Er zijn ook open systemen die geen gebruik maken van warmte- of koudeopslag. Deze systemen maken gebruik van de constante temperatuur van grondwater voor warmte- of koudeonttrekking. Via een ontrekkingsbron wordt grondwater opgepompt. In de zomer wordt via een warmtewisselaar koude toegevoerd en warmte uit een gebouw afgevoerd. In de winter wordt middels een warmtepomp warmte aan het grondwater onttrokken. Het 'gebruikte' opgewarmde danwel teruggekoelde grondwater wordt via een elders gelegen infiltratiebron teruggevoerd in de bodem. In de bodem worden de temperatuurfluctuaties op termijn gedempt.

• Gesloten bodemenergiesystemen. Gesloten systemen onttrekken geen grondwater maar maken gebruik van gesloten buizen in de ondergrond. Deze (flexibele) buizen kunnen ook in de vorm van lussen in de bodem worden gelegd en worden daarom ook wel bodemlussen genoemd. In deze buizen circuleert een vloeistof die via geleiding warmte of koude uit de ondergrond kan 
  opnemen en ook weer afgeven.
  • In perioden waarin een gebouw wordt verwarmd koelt de bodem rondom de lussen af. Er wordt warmte aan de lussen in de bodem ontrokken. Doordat er vervolgens warmte uit de omgeving toestroomt wordt deze afkoeling weer gedeeltelijk teniet gedaan.
  • In perioden waarin het gebouw wordt gekoeld geven de lussen warmte af aan de bodem. De warmte die ontrokken wordt aan het gebouw wordt afgevoerd via de lussen in de bodem.
  • Een andere vorm van gesloten bodemenergie systemen maakt geen gebruik van (langdurige) koudte- of warmteopslag maar juist van de constantheid van water- of bodemtemperatuur. Door water in een lange lus door de grond, grondwater of oppervlaktewater te leiden wordt de vloeistof in het systeem altijd tot eenzelfde temperatuur opgewarmd cq teruggekoeld. Een warmtewisselaar veelal in combinatie met een warmtepomp kan al naar believen warmte of koudte ontrekken aan de vloeistof.   
  • Bij een gesloten systeem komt de circulatievloeistof niet in direct contact met de bodem of het grondwater.
  • Er is geen sprake van een actieve verplaatsing van grondwater door het systeem.
  • Een andere benaming voor een dergelijk systeem is bodemwarmtewisselaar.

Open en gesloten bodemenergie systemen

1 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Verschillende ontwerpen voor bodemenergiesystemen

Een bodemenergiesysteem kan op verschillende manieren worden aangelegd. 

• Doubletsysteem. Het doublet systeem is het meest voorkomende energieopslagsysteem voor de utiliteitsbouw en de glastuinbouw. Zo zijn bij een doubletsysteem de warmte en koude in twee aparte bronnen op afstand van elkaar gescheiden.
• Monobron. Een monobron is een systeem waarbij een onttrekkingsfilter en een infiltratiefilter boven elkaar in een bron worden geplaatst. Omdat maar één bron nodig is, zijn de kosten van een monobronsysteem lager dan van een doubletsysteem. Monobronnen kunnen alleen toegepast worden bij kleinere systemen, met een waterverplaatsingscapaciteit van maximaal 50 m3 water per uur.
• Recirculatiesysteem. Het recirculatiesysteem maakt gebruik van een vaste onttrekkingsbron en een vaste infiltratiebron. De temperatuur van het opgepompte water heeft altijd de temperatuur van het natuurlijke grondwater (circa 11° tot 13° C). In de zomer wordt er warm water in de infiltratiebron gepompt, in de winter koud / teruggekoeld water. Dit systeem is goedkoper, maar heeft ook een lager rendement. Een recirculatiesysteem wordt meestal aangelegd in combinatie met een grondwatersanering. Het opgepomte vervuilde water kan na gebruik gezuiverd worden. De kosten voor een grondwaterzuiveringssysteem worden met dit systeem verlaagd.
• Hoge temperatuur warmteopslag (HTO). Een HTO is een type open bodemenergiesysteem. HTO vindt alleen plaats voor verwarming van voornamelijk de glastuinbouw en de aquacultuur. De warmte waarvan bij HTO gebruik wordt gemaakt, kan onder meer van warmtekrachtkoppeling (WKK), diepe geothermie of thermische zonnecollectoren afkomstig zijn.
• Energiepalen. Energiepalen zijn heipalen met ingebouwde warmtewisselaars, die samen een gesloten systeem vormen.