Hoe kunnen we aardwarmte aanwenden?

Je kan aardwarmte op twee manieren benutten: direct of indirect. De keuze hangt af van de beschikbare temperatuur, de aanwezigheid van een reservoir, de beoogde toepassing en de economische context.

Direct gebruik van aardwarmte

We spreken van direct gebruik wanneer de energie van het warm water rechtstreeks wordt benut voor het verwarmen van gebouwen, het aandrijven van een stroomturbine of een combinatie van verwarming en stroomopwekking. De temperatuur van het water bepaalt in grote mate voor welke concrete toepassingen het kan aangewend worden.

Direct gebruik gaat in de meeste gevallen uit van het volgende, eenvoudig en robuust concept:

  1. Warm water wordt via één of meer boorputten opgepompt uit de ondergrond.
  2. De warmte uit het opgepompte water wordt via een warmtewisselaar overgedragen naar de toepassing.
  3. Het afgekoelde water wordt via één of meer boorputten terug in de ondergrond gepompt. Op deze manier creeër je een lus en hou je het waterniveau in de ondergrond op peil. 

Dit noemen we een open hydrothermaal systeem. De hoeveelheid energie die je op deze manier kan winnen, hangt af van het temperatuursverschil dat je nuttig kan aanwenden, van de verpompte hoeveelheid water (het debiet) en de warmte-aanvoersnelheid in de ondergrond. Een essentiële voorwaarde voor de aanleg van een hydrothermaal systeem is de aanwezigheid van een goede watervoerende laag met de geschikte temperatuur. Een goede watervoerende laag is een grondlaag met goed verbonden poriën en spleten zodat water er gemakkelijk door kan stromen. Wanneer de stromingseigenschappen niet volstaan, kan men trachten de verbinding tussen de poriën en spleten te verbeteren. Men spreekt in een dat geval van een verbeterd (‘enhanced’) geothermisch systeem of EGS.

Het is ook mogelijk water te winnen uit droge, hete gesteenten op grote diepte. Deze gesteenten zijn veelal zeer compact en bevatten weinig of geen verbonden poriën. Om de warmte te winnen moet er dus een netwerk van spleten gecreëerd worden waarvoor water kan circuleren. Dit doet men door water onder hoge druk in de laag te injecteren. Wanneer de druk hoog genoeg wordt, breekt het gesteente. Zand of keramische korrels die samen met het water geïnjecteerd worden, beletten dat de spleten zich terug sluiten op het moment dat met stopt met het injecteren van water.
Het principe van warmtewinning uit hete, droge gesteenten (‘hot dry rock’), werd reeds uitgetest in Rosemary (UK) en Soultz-sous-Forêts (Fr) (www.soultz.net). Deze projecten bewijzen dat het principe werkt. Ze doen verhopen dat het op termijn mogelijk moet zijn overal ter wereld de enorme hoeveelheden energie die in diepe grondlagen opgeslagen liggen, te ontginnen. De kosten voor de ontwikkeling van een kunstmatig reservoir op grote diepte zijn echter nog erg hoog. De uitdaging bestaat er dan ook in deze kosten te drukken.

Ook VITO voert onderzoek uit om de technieken te optimaliseren.

Een alternatief voor EGS en Hot Dry Rock is de verticale warmtesonde. Verticale warmtesondes zijn courant voor ondiepe toepassingen, maar in feite kunnen ze net zo goed gebruikt worden voor het winnen van warmte op grote diepte. Een voorbeeld hiervan is het SuperC project in Aken (De).

In zijn eenvoudigste vorm bestaat het systeem uit één boring waardoor men een warmtegeleidende vloeistof laat circuleren. De vloeistof onttrekt de warmte uit het gesteente en brengt ze naar de oppervlakte. Het voordeel van de techniek is dat het afgesloten is van de grondlagen. De opbrengst is daardoor veel minder afhankelijk van de stromingseigenschappen van de grondlagen. Daar staat tegenover dat de hoeveelheid warmte die met één put kan gewonnen worden, kleiner is dan bij een traditioneel hydrothermaal systeem. 

Ondiepe, koude warmte opslag (KWO)

Koude-warmteopslag (KWO) is een speciale vorm van directe geothermie. De warmte is namelijk afkomstig uit de atmosfeer en wordt opgeslagen in de ondergrond. KWO kan worden toegepast op plaatsen waar een watervoerende laag in de ondergrond aanwezig is. Standaard worden er twee putten geboord met een diepte van 50 tot 150 m en een onderlinge afstand van 100 tot 150 m. Omdat KWO gebruik maakt van grondwater als warmtebron via een conventionele waterput is KWO een ‘open systeem’.Het principe van KWO komt neer op de constante temperatuur van de aarde vanaf enkele meters diepte. Gedurende de zomer kan daarom overtollige warmte in het grondwater worden opgeslagen die in de winter weer kan worden onttrokken voor verwarmingsdoeleinden. In de zomer wordt koud grondwater uit één van de putten opgepompt. Met een warmtewisselaar wordt de koude afgegeven aan de gebouwen. Het opgewarmde grondwater wordt teruggepompt in de andere put (warmtebron). In de winter wordt het opgeslagen warme grondwater terug opgepompt. Via dezelfde warmtewisselaar wordt de warmte afgegeven aan de gebouwen. Het gekoelde grondwater wordt vervolgens weer in de tweede put (koudebron) teruggepompt. De koude blijft hier opgeslagen tot de zomer wanneer er weer behoefte is aan koeling. Zo ontstaat een cyclus van energieopslag door de seizoenen heen.

Indirect gebruik van aardwarmte

Indien de temperatuur van het opgepompte water niet hoog genoeg is, kunnen warmtepompen ingeschakeld worden. Een warmtepomp is een apparaat dat warmte onttrekt aan de grond op een bepaalde temperatuur en deze warmte bij een hogere of lagere temperatuur aan een ander medium (warmteafgiftesysteem) afgeeft. De warmtepomp “pompt” dus thermische energie van een laag naar een hoog temperatuursniveau. Het warmtetransport gebeurt door middel van een vloeistof (warmtedragend medium). Men gebruikt doorgaans een vloeistof waarvan het kookpunt bij lage druk onder de temperatuur van de warmtebron ligt. Dan kan de vloeistof al bij die lage temperatuur verdampen en warmte onttrekken aan de warmtebron. Een compressor brengt de ontstane damp dan onder een hogere druk. Dit veroorzaakt een verhoging van het kookpunt. Dit betekent dat de damp bij een hogere temperatuur zal gaan condenseren en bij een hogere temperatuur warmte kan afgeven aan het warmteafgiftesysteem.

Praktisch

In praktijk wordt bij een geothermisch project minstens één put geboord tot op de gewenste diepte en uitgerust volgens de specifieke noden. Omdat het zoutgehalte van grondwater doorgaans toeneemt met de diepte is het niet altijd mogelijk om het opgepompte water bovengronds te lozen. In de meeste gevallen worden daarom minstens twee putten geboord: een productie- en een injectieput. Als beide putten dezelfde geologische laag aanboren noemt men zo’n systeem een “geothermisch doublet”. Eindigen beide putten in een verschillende laag, dan spreekt men van een “semi-doublet”. De afstand tussen de doubletputten wordt gekozen in functie van de gewenste levensduur van het geothermisch systeem. Door jarenlang onttrekken van warm water uit de ene put en injecteren van afgekoeld water in de andere ontstaat een traag voortschrijdend koudefront van de injectieput naar de productieput. Dynamische computermodellen laten toe de evolutie van het reservoir te voorspellen en rekening houdend met de specifieke geologie een slimme putplaatsting uit te voeren zodat werking en levensduur van het systeem geoptimaliseerd worden.
Naast de traditionele manier om warm water te produceren bestaan er ook manieren om warmte te benutten uit weinig permeabele gesteenten. [Technisch schema werking] Het ondergronds reservoir wordt hier in feite artificieel gecreëerd door het eerst te splijten (hydraulische fracturatie) en er vervolgens zelf geïnjecteerd water te doen circuleren tussen twee putten. Men spreekt van “Hot Dry Rock” (HDR) of “Enhanced Geothermal Systems” (EGS). Het gecontroleerd splijten of ‘fraccen’ van het gesteente gebeurt door de druk in de boorgaten geleidelijk op te voeren tot boven de fracturatiedruk. Er ontstaat een fijn netwerk van barstjes en spleten dat moet toelaten voldoende debiet op te pompen en bovendien een goede thermische uitwisseling tussen gesteente en water te realiseren.