Bodemenergie komt steeds meer van de grond

De verschillende soorten energieopslag in de bodem met de bijbehorende temperaturen en dieptes.

Verschillende functies

Het onderscheid lijkt technisch, maar de gevolgen reiken ver. Een HTO past het beste bij grotere energiesystemen, waarin hoge temperaturen worden aangevoerd, bijvoorbeeld vanuit geothermie, industriële restwarmte of zonnewarmte, die voor langere tijd moeten worden opgeslagen. Dit soort systemen vergen forse investeringen en een aanzienlijke schaal.
Een MTO daarentegen leent zich voor kleinere, snellere en eenvoudiger toepassingen. ‘Een MTO passen we gemakkelijker, sneller en kleinschaliger toe’, legt Bloemendal uit. ‘We praten dan over systemen die warmte van 40 tot 50 °C opslaan en leveren. De aangesloten gebouwen en woningen moeten dan wel tot op zekere hoogte bouwkundig zijn aangepast, maar niet noodzakelijk tot nieuwbouwniveau.’
Daar zit de winst. Wie een wijk wil verduurzamen, stuit bij de oudere woningvoorraad steeds op hetzelfde obstakel. Die huizen vragen door hun matige isolatie een relatief hoge aanvoertemperatuur. Een gewoon open bodemenergiesysteem met warmtepomp levert die temperatuur lastig en tegen hogere kosten. Een MTO overbrugt dat gat. De bodem levert in zo’n geval al warmte op een niveau dat dicht bij de behoefte van de woning ligt, waardoor de elektriciteitsvraag van de installatie kleiner is.

Bodem neemt deel werk over dat anders op stroomnet zou drukken

Wijkniveau

De optelsom van die voordelen vertaalt zich naar een aantrekkelijke rekensom voor hele wijken. Bij een conventionele aanpak krijgt elke woning of elk gebouw een eigen warmtepomp. Dat vraagt veel individuele toestellen, veel installatiewerk en bovenal veel elektrisch vermogen op piekmomenten. Een collectief MTO-systeem draait die logica om. Eén centrale bron met warmte op 40 tot 50 °C voedt een net dat tientallen tot honderden woningen bedient, zonder dat elke woning afzonderlijk een krachtige warmtepomp nodig heeft. Hooguit een kleine booster-warmtepomp voor tapwater.
‘Een project met 100 tot 200 woningen kunnen we al efficiënt met een MTO voeden’, zegt Bloemendal. Daar komt, zo zegt hij, nog een tweede voordeel bij. ‘Een belangrijk pluspunt van een MTO ligt in de lagere kosten en de kleinere warmteverliezen.’ Hoe dichter de opslagtemperatuur bij de gevraagde aanvoertemperatuur ligt, hoe minder energie binnen het hele systeem verloren gaat en hoe minder de warmtepompen hoeven te draaien. Voor de installatiesector betekent dat een fundamenteel andere ontwerpopgave. ‘Niet langer staat de individuele woninginstallatie centraal, maar het samenspel tussen een collectieve bron, een warmtenet en de afgiftesystemen in de woningen.’
Die verschuiving heeft een direct effect op de benodigde capaciteit van het elektriciteitsnet. Minder en kleinere warmtepompen betekenen een lager gelijktijdig elektrisch vermogen in de wijk. In gebieden waar netcongestie de uitrol van warmtepompen remt, biedt een MTO-systeem daarmee ruimte. De bodem neemt een deel van het werk over dat anders volledig op het stroomnet zou drukken.

Een schematische voorstelling van de samenwerking tussen de geothermiebron en de HTO-bron waarmee de oude gebouwen op de campus en bepaalde woonwijken worden verwarmd.

Levend laboratorium

Hoe de hogere temperatuurklassen in de praktijk uitpakken, laat de TU Delft op de eigen campus zien. Daar koos de universiteit er bewust voor om de eigen verduurzaming als één groot onderzoeksproject aan te vliegen. De faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen bundelt er kennis en kunde over bodemenergie. Die concentratie maakte het mogelijk om meerdere innovatieve technieken samen te brengen.
De aanpak verschilt per gebouwtype. ‘De nieuwe gebouwen op onze campus sluiten we allemaal aan op een ‘normaal’ open bodemenergiesysteem met lage temperaturen en een warmtepomp, maar dat geldt inmiddels als gangbare techniek,’ vertelt Bloemendal. ‘Juist de bestaande bouw vormt de uitdaging. Enerzijds beschikken we in de gebouwde omgeving meestal over weinig ruimte, zowel bovengronds als in de ondergrond. Anderzijds vragen die oudere gebouwen door hun mindere isolatie om een hogere aanvoertemperatuur.’

Volledig fossielvrij

Op de campus van de TU Delft staan verschillende oudere gebouwen waarvoor renovatie een lastige klus blijft. In de komende twintig jaar pakt de universiteit die panden aan of vervangt ze. Het doel: in 2030 de TU Delft volledig fossielvrij laten draaien. Daarom moesten ook die bestaande gebouwen op korte termijn duurzame warmte krijgen. Het project dat uit die doelstelling is ontstaan, geldt op dit moment als het enige collectieve warmtesysteem van deze schaal dat in een Nederlandse stedelijke omgeving in ontwikkeling is.
Het nieuw opgerichte bedrijf Geothermie Delft, een samenwerking tussen TU Delft, EBN en Gaia Energy, levert niet alleen warmte aan de campus, maar ook aan de Delftse wijken Voorhof en Buitenhof. Een warmtenet verbindt de bron met de afnemers. Netbeheerder NetVerder en warmteleverancier InWarmte exploiteren dat net, en de woningcorporaties Woonbron, Vidomes, Stedelink en Duwo sluiten naar verwachting zo’n 6.000 woningen aan.

Om het gedrag van de HTO-bron goed in kaart te brengen, zijn op verschillende plekken op de campus in de bodem meetputten aangebracht. Hierin worden op diepte de stromingen van de opgeslagen warmte gemeten.

Buffer

Voor het systeem is allereerst een geothermiebron op de campus ontwikkeld die warmte van bijna 78 °C omhoog haalt vanuit een diepte van 2,2 kilometer. Die bron draait bij voorkeur constant en met eenzelfde debiet, dag in dag uit. ‘Een geothermiebron vergt een hele hoge investering. Dan wil je deze ook zo optimaal mogelijk benutten’, zegt Bloemendal. ‘Bovendien kan stilstand een geothermiebron schade toebrengen.’ Daar wringt de seizoensvraag. In de winter vraagt de campus veel meer warmte dan in de zomer. Om die winterpiek duurzaam in te vullen, koppelde Delft een hogetemperatuuropslag aan de aardwarmtebron.
‘De HTO die we in Delft aanleggen, slaat warmte met een temperatuur van 90 °C op in een watervoerende laag op 120 tot 180 meter diep. In de zomer, wanneer de warmtebehoefte klein is, vullen we de HTO met de geothermiebron. Met de in overvloed aanwezige stroom in de zomer kunnen we de warmte uit de geothermiebron opwaarderen en in de HTO opbergen. ’s Winters, wanneer de warmtevraag hoog is, kunnen we rechtstreeks vanuit de HTO het warmtenet met water van circa 78 tot 90 °C voeden. Dit is voldoende om de oude gebouwen op de campus, en binnenkort ook in de Delftse wijken, van duurzame warmte te voorzien.’
Het samenspel tussen aardwarmte en HTO-opslag illustreert de bredere belofte van bodemenergie. De bronnen bieden samen een constant aanbod aan warmte, de buffer vangt daarin de seizoenschommelingen op en het warmtenet brengt de warmte op temperatuur naar de woningen. In dat model verdwijnen de individuele warmtepompen grotendeels uit de wijk, terwijl de woningen toch warmte van een bruikbaar niveau ontvangen.

Samenspel aardwarmte en HTO-opslag illustreert bredere belofte bodemenergie

Netcongestie

De koppeling van opslag aan een aardwarmtebron dient nog een ander doel. Een buffer in de bodem fungeert als instrument tegen netcongestie. ‘In de zomer benutten we goedkope of ruim voorradige stroom om de opslag te laden. In de winter verbruiken we daardoor weinig energie, want we zetten dan nauwelijks warmtepompen in om woningen en gebouwen op de juiste temperatuur te brengen.’
Daarmee verschuift de elektriciteitsvraag naar momenten waarop het net ruimte heeft en de zon of de wind volop levert. Bij een overschot aan duurzame stroom zetten power-to-heat-installaties die elektriciteit om in warmte, die de bodem vervolgens maandenlang vasthoudt. De opslag ontlast zo het elektriciteitsnet en bouwt tegelijk een voorraad op voor periodes met minder duurzame opwekking.
Een TNO-benchmarkstudie toont aan dat een HTO bij voldoende schaal, vanaf ongeveer 300.000 m³ opgeslagen warm water per jaar, technisch en financieel aantrekkelijk wordt. De systemen maken warmtenetten bovendien robuuster en verdringen gasgestookte piekketels, wat direct CO₂ bespaart.

In de zomer kan men vanuit de neutrale bron met zonne-energie de warme bron laden en in de winter kan men vanuit de neutrale bron met droge koelers de koude bron laden.

Effecten bodem

Slechts op één andere locatie in Nederland draait op dit moment een HTO, namelijk bij ECW Energy in het tuinbouwgebied Middenmeer. Om meer kennis te vergaren onderzoekt de TU Delft op haar campus op zeer uitgebreide schaal de effecten van een HTO op de bodem. ‘Direct naast de hete bronnen, boren we een tiental meetputten. In en rondom die putten monitoren we met distributed temperature sensing (DTS) via een glasvezelnetwerk het temperatuurverloop in de bodem, maar ook de verandering van de waterkwaliteit en de microbiologie. Binnen een paar jaar kunnen we daarover al veel zeggen. Een uitspraak over de effecten van het warmtetransport in de bodem en een eventuele doorbraak van warmte naar bovenliggende watervoerende lagen, zal naar verwachting tien of meer jaren duren.’
Bloemendal noemt dit onderzoek van groot belang, mede met het oog op de vergunningverlening bij toekomstige pilots en projecten. ‘Een HTO gekoppeld aan geothermie, of aan andere, grote warmteleveranciers zoals industriële restwarmte of zonnewarmte, opent juist voor stedelijke gebieden met grote collectieve warmtesystemen veel deuren. Deze systemen bestrijden netcongestie en benutten stroom als er een overschot is.’
Juist rond die vergunningverlening valt nog winst te boeken. Bloemendal vergelijkt vergunningen met virtuele piketpaaltjes in de ondergrond. ‘Over de paaltjes van een ander stapt niemand heen, alleen staan die paaltjes vaak veel te ruim uit elkaar. Het gangbare ontwerp van bodemenergiesystemen rekent met flinke veiligheidsmarges, waardoor bronnen meer afstand houden dan de praktijk vereist. Op locaties met veel vraag naar bodemenergie remt dat de boel onnodig af. Met slimmere ordening, scherpere monitoring en soepeler vergunningen passen er volgens hem meer systemen in dezelfde ondergrond, terwijl de betrouwbaarheid overeind blijft.’

Omslagpunt

Tijdens het Nationaal Symposium Bodemenergie van het Gebruikersplatform Bodemenergie schetste Bloemendal een rooskleurige toekomst voor bodemenergie, met een paar kanttekeningen. De ondergrond benutten we nog efficiënter als we functies en systemen gaan stapelen, maar ook door hogere temperaturen op te slaan. Daarbij blijven de maatschappelijke aspecten en de monitoring volgens hem onverminderd van belang.
Hij bepleitte daarnaast het gebruik van tripletsystemen; bodemenergiesystemen met een warme bron, een koude bron en daartussen een neutrale bron van waaruit de warme bron kan worden opgewaardeerd. Met externe technieken zoals pvt-panelen of droge koelers brengt een beheerder de warmte, en eventueel ook de koude, op exact de juiste temperatuur en bergt die in een van de bronnen op. Op die manier finetunet een systeem het temperatuurniveau precies op de vraag van de aangesloten gebouwen.
De kennis en de techniek bereiken volgens Bloemendal een steeds hoger niveau, vooral door meer onderzoek en intensievere samenwerking. Nederland vervult daarin, zo zegt hij, wereldwijd een voortrekkersrol. Voor de installatiesector tekent zich daarmee een duidelijke richting af. De wijk van de toekomst draait, als het aan Bloemendal ligt, minder op een woud van individuele warmtepompen en meer op collectieve bronnen die warmte op een bruikbare temperatuur aanleveren. MTO speelt in dat beeld een hoofdrol, omdat de techniek snel, betaalbaar en op overzichtelijke schaal de oudere woningvoorraad verduurzaamt. Ook de vergunningverlening hoeft daarvoor niet te worden aangepast. Dus waar isolatie van woningen tot nieuwbouwniveau onhaalbaar blijft, levert de bodem bijna probleemloos de warmte van het juiste niveau.

Tekst: Rob van Mil
Fotografie: Geothermie Delft/Sander van den Bosch, TU Delft

Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.