September 2024

Seizoensopslag van warmte noodzakelijk en mogelijk

Monitoring en proefboring voor ondergronds warmteopslag-systeem

Onlangs is op de campus van de TU Delft een eerste boring voltooid als voorbereiding op de aanleg van een ondergrondse warmteopslag die wordt gekoppeld aan de geothermiebron op de campus. Het is het logische vervolg op de vele jaren onderzoek die dr.ir. Martin Bloemendal heeft gedaan op het vlak van (hoge temperatuur) open bodemenergiesystemen. ‘We zijn inmiddels zover dat de techniek er klaar voor is.’

De interesse voor seizoensgebonden warmteopslag ontstond bij dr.ir. Martin Bloemendal toen hij bodemenergiesystemen voor een ingenieursbureau ontwierp. Bloemendal, universitair hoofddocent aan de TU Delft en lead scientist bij TNO-De geologische dienst, merkte op dat er voor een succesvolle uitrol van bodemenergie ten behoeve van de warmtetransitie, meer kennis nodig was. Een belangrijke conclusie aangezien dit soort systemen een belangrijke rol kunnen spelen in de energietransitie.
Bloemendal: ‘De energietransitie is onder meer noodzakelijk vanwege de eindigheid van fossiele bronnen, maar vooral om de CO₂-emissies te reduceren in het kader van de klimaatcrisis. Kijk je naar de opwekking van warmte voor de gebouwde omgeving, dan heb je meteen een van de grootste bronnen van CO₂-emissies te pakken. Hier op zoek gaan naar alternatieven loont derhalve de moeite. Je hebt dan wel rekening te houden met het feit dat er bij de duurzame opwekking van warmte een mismatch in vraag en aanbod bestaat. In de zomer biedt de zon ons veel meer warmte dan we op dat moment nodig hebben en in de winter is het juist andersom. Dan komen we, qua zonnewarmte, te kort. Ook andere duurzame bronnen van warmte zijn niet dekkend. Om die reden is grootschalige, seizoensgebonden opslag noodzakelijk. Alleen dan kunnen we deze duurzame technologieën zinvol en succesvol toepassen. Omdat we hiermee nog onvoldoende ervaring hebben, is het dus noodzakelijk deze op te bouwen; inclusief kennisontwikkeling.’

Hoge temperatuuropslag (HTO)

In samenwerking met partner(bedrijven), collega’s en studenten van de TU Delft heeft Bloemendal verschillende ideeën bekeken en doorgerekend, wat uiteindelijk leidde tot een eigen promotietraject over open-bodemenergiesystemen (OBES). Daarna kwam de focus ook te liggen op hoge temperatuur open-bodemenergie (HTO). Hierbij wordt een grote hoeveelheid warmte in zandlagen in de ondergrond opgeslagen en bewaard.
Kenmerkend is enerzijds de relatief hoge opslagtemperatuur die varieert van 40 - 90 °C en anderzijds dat de primaire functie ligt op de opslag en levering van warmte. Dit in tegenstelling tot reguliere open-bodemenergiesystemen waarin ook koude wordt opgeslagen en geleverd (wko: warmte/koude-opslag). Een belangrijk voordeel van HTO is dat er serieus grote hoeveelheden warmte zijn op te slaan afkomstig van bijvoorbeeld (industriële) restwarmte, de zon of de aarde (geothermie).

HTO-technologie is nu zover ontwikkeld, dat de tijd rijp is om het ook in de praktijk te gaan testen.

Push-IT

In de afgelopen jaren is HTO-technologie zover ontwikkeld, dat we ervan uit kunnen gaan dat het principe werkt. Martin Bloemendal: ‘Dit betekent dat de tijd rijp is om het ook in de praktijk te gaan testen en de resultaten te gebruiken voor verdere optimalisatie. Deze mogelijkheden kregen we via het door de Europese Commissie gesubsidieerde Push-IT-project.’ De afkorting Push-IT staat voor ‘Piloting Underground Seasonal Heat storage In geoThermal reservoirs’. Het betreft een aantal demonstratieprojecten waarbij in elk project een vorm van grootschalige seizoensgebonden warmteopslag tot 90 °C in geothermische reservoirs wordt toegepast. In totaal zijn bijna 20 partners betrokken die een drietal technieken op zes plekken in Europa gaan testen. De opzet is dat van elk koppel één locatie geschikt is voor het daadwerkelijk demonstreren, testen en ontwikkelen van de betreffende technologie.
Delft wordt het centrum van de opslag van warmte op hoge temperatuurniveaus in zandlagen met grondwater; in het Engels bekend als Ates (aquifer thermal energy storage) waarbij aquifers de grondwaterlagen zijn. Door gebruik te maken van twee of meer putten in de zandlagen op ongeveer 200 m diepte, is het mogelijk om grondwater gelijktijdig zowel te onttrekken als te infiltreren en zo warmte naar of uit de aquifer te transporteren. De opslag van warmte gebeurt door onttrekking van water uit de lauwe put, deze op te warmen tot hoge temperaturen en te injecteren in de warme put (zie kader HTO-systeem Campus TU Delft). In de winter wordt dit hete water omhoog gepompt en gebruikt voor verwarming. Het afgekoelde water wordt in de lauwe put teruggebracht.

De doelstelling van het project is meerledig:
• Het demonstreren en ontwikkelen van de implementatie van HTO in een stedelijke omgeving.
• Het ontwikkelen van ondersteunende technologieën, zoals nieuwe boor- en afwerkingstechnieken en technieken om de waterkwaliteit te controleren, de putten te testen, te integreren en te beheersen.
• Het monitoren van de temperatuurverdeling in de ondergrond om het gedrag beter te leren begrijpen en op basis hiervan modellen te verbeteren.
• Het monitoren en evalueren van de energieprestaties van de HTO en het systeem.
• Het onderzoeken van de maatschappelijke betrokkenheid en juridische aspecten in het kader van overlast voor de omgeving en hieraan gekoppelde acceptatie.

‘Superefficiënte oplossing die veel aardgas en geld kan besparen’

Koppeling geothermie

Het Push-IT-project ging begin 2023 van start. In Delft is ruim een jaar later de eerste proefboring uitgevoerd als eerste stap richting een HTO die zal worden aangesloten op de aardwarmtebron op de campus in Delft. Bloemendal: ‘Deze geothermiepunt is ruim 2 km diep en zal naar verwachting volgend jaar warmte leveren aan de campus. Hiermee wordt het een vervanging voor de gasgestookte ketels en warmtekrachtkoppeling die momenteel het stadsverwarmingsnet van de TU Delft voeden. De geothermische bron zal warmte van ongeveer 75 - 80 °C produceren, maar de temperatuur is in combinatie met een warmtepomp verder op te voeren tot de gewenste 90 °C.’
Verder is het de bedoeling om het warmtenet van de campus volgend jaar door te trekken naar de stad Delft. Hiervoor is in april 2024 een overeenkomst ondertekend tussen de gemeente Delft, woningcorporaties, warmtenetbeheerder NetVerder, leverancier InWarmte, en warmtebron Geothermie Delft. Het ministerie van Economische Zaken en Klimaat heeft begin mei de startvergunning aan Geothermie Delft verleend voor de winning van aardwarmte in Delft (nog niet onherroepelijk). Hierin is geregeld dat het winnen van aardwarmte veilig en verantwoord gebeurt, wat het leveren van warmte aan het warmtenet Delft een stap dichterbij heeft gebracht.
Bloemendal: ‘Het toevoegen van HTO is hier de uitgelezen oplossing om het tekort aan warmte – de geothermische bron levert op dit moment over het hele jaar onvoldoende warmte – op de ‘piekuren’ in de winter op te lossen. De hiervoor benodigde warmte is dan afkomstig uit de HTO die gevuld wordt met het overschot aan warmte van de geothermische bron in de zomer en eventueel andere warmtebronnen. Door de hoge temperaturen en de grootte van de aquifers ontstaat een superefficiënte oplossing die veel aardgas en geld kan besparen. Omdat de HTO bovendien veel minder diep ligt dan de geothermische bron, is de warmte ook snel naar boven te halen.’

HTO-systeem Campus TU Delft

Diepte: circa 200 meter

Opslagvolume: circa 500.000 m³

Temperatuur lauwe bron: 40 - 55 °C

Temperatuur hete bron: 75 - 80 °C

Hoeveelheid warmte: circa 40 TeraJoule

Proefboring

De proefboring is nodig om te onderzoeken hoe de bodem er ter plekke in detail uitziet. Hierover was nog onvoldoende informatie beschikbaar die wel nodig is om uiteindelijk de definitieve putten te optimaliseren. Naast de boring zijn er ook een aantal kernen gestoken om onverstoorde bodemmonsters in het lab te kunnen onderzoeken. Het nemen van kernen is niet standaard bij proefboringen, maar zal in dit geval extra informatie opleveren die zeker voor deze omgeving van belang is. De bodemformatie waarin de HTO wordt toegepast in omgeving Rotterdam - Den Haag staat nu eenmaal bekend als ‘grillig’, waarbij de eigenschappen van de bodem vaak en sterk kunnen variëren. Er kunnen regelmatig kleilagen aanwezig zijn, terwijl juist zandlagen nodig zijn om het water te kunnen bufferen. Een goed inzicht in de situatie ter plaatse is daarom alleen mogelijk door ook ter plaatste te boren en te meten.
In het kader van de verschillende doelstellingen van het project worden ook verschillende innovaties getest die moeten bijdragen aan een optimale realisatie en monitoring. Bloemendal: ‘Bij de huidige proefboring wordt gebruikgemaakt van een bestaande en bewezen (boor)techniek. Bij de boringen voor de bronnen worden wel nieuwe boortechnieken en bronontwerpen toegepast. Daarom is het extra belangrijk om precies te weten hoe de bodemopbouw eruitziet. Over de volledige diepte zullen we in aparte boringen direct naast de hoofdboring een glasvezelsensor plaatsen die in staat is om over de volledige afstand de temperatuur te meten. En dat zal op meer plaatsen gebeuren in een straal van ongeveer 100 m rondom de definitieve putten. Hiermee krijgen we extra inzicht in de temperatuurspreiding op verschillende dieptes wat kan ondersteunen bij het optimaliseren van de uiteindelijke oplossingen. Het is bijvoorbeeld interessant om te zien waar je warmte verliest en waar de temperatuur juist op niveau blijft.’

Push-IT en Warming-up-GOO

Het HTO-systeem op de campus maakt deel uit van Push-IT en Warming-up-GOO, respectievelijk een Europees en nationaal onderzoeksprogramma naar ondergrondse warmteopslag. Via Push-IT werd de financiering van het project in Delft geregeld. Warming-up-GOO is vooral betrokken bij het delen van de opgedane kennis onder haar leden; een collectief van 38 partners dat zich richt op betrouwbare, duurzame en betaalbare collectieve warmtesystemen die te koppelen zijn aan duurzame energiebronnen. Warming-up-GOO wil de hiervoor benodigde systeem- en procesinnovaties die nodig zijn voor een efficiënter ontwerp, aanleg en beheer versneld ontwikkelen en gereedmaken voor opschaling. Beide programma’s hebben verder ook aandacht voor zaken als financiering en maatschappelijk draagvlak.

Locaties van de hoofdboringen voor warmteopslag en de boringen voor monitoringdoeleinden op de campus van de TU Delft.

Warmteverliezen

Een heel ander thema is de gebruikte boorvloeistof die wordt gebruikt om het boorgruis naar de oppervlakte te brengen en het boorgat stabiel te houden. Het team probeert te variëren in samenstelling en dichtheid van de boorvloeistof om zo het boorproces en de uiteindelijke kwaliteit van de put te verbeteren. Verder wordt praktisch gekeken naar het materiaal van de buis die in het boorgat wordt geplaatst. Op dit moment wordt roestvaststaal gebruikt wat goede prestaties levert, maar wel duur is. Testen met glas- of andere vezelversterkte kunststoffen kan mogelijk leiden tot een goedkopere manier om een HTO te realiseren. Het materiaal speelt bovendien een rol bij mogelijke warmteverliezen. Enerzijds zijn deze ongewenst, omdat het de efficiëntie van het systeem verlaagt, anderzijds omdat het toevoeren van warmte in de bodem op locaties waar dit niet gebruikelijk is, mogelijk leidt tot verstoring van heersende evenwichten ter plekke.
Bloemendal: ‘Alle data die we verzamelen, gebruiken we uiteindelijk ook voor het uitvoeren van simulaties. Bijvoorbeeld om de warmteverliezen inzichtelijk te krijgen en deze te beperken. Maar ook om met meetgegevens over de permeabiliteit van de bodem vast te kunnen stellen hoeveel grondwater je per tijdseenheid kunt onttrekken en wat de kans op verstoppingen van de buis is. Tevens gaan we gebruikmaken van regeltechniek op basis van Machine Learning om de systeemintegratie te optimaliseren. Het integreren van een dergelijk grote warmteopslag in een bestaand warmtenetwerk dat al complex is en ook nog verder wordt uitgebreid, is namelijk een hele operatie die nog niet eerder is uitgevoerd.’

Vervolg

Inmiddels is begin april met de proefboring gestart; de verwachting is dat deze voor de herfst is afgerond. Wanneer op basis van de proefboring gedetailleerd in kaart is gebracht hoe de ondergrond eruitziet en het monitoringsysteem in orde is bevonden, zal het definitieve ontwerp van de lauwe en hete HTO-putten worden gemaakt die in de buurt van de geothermische bron komen. De bedoeling is om deze warmte in eerste instantie op de campus te gebruiken en de levering later uit te breiden naar woningen in de buurt.
Bloemendal: ‘Kijk je verder in de toekomst, dan verwacht ik dat ongeveer 20 procent van de gebouwen met een individuele warmte-installatie in Nederland tegen 2050 een warmtepomp zal hebben die gekoppeld is met de ondergrond. Daarnaast zullen veel warmtenetten met een duurzame bron van warmte worden aangevuld met een vorm van seizoenbuffering. Een complexe taak waarbij vele partijen zijn betrokken, maar absoluut noodzakelijk om de grotere stappen in de energietransitie te kunnen maken.

Tekst: ing. M. de Wit - Blok
Fotografie: Martin Bloemendal