Uitdagingen bij de inzet van warmteopslag en geothermie

Hoewel in de gebouwde omgeving zowel open als gesloten aardwarmtesystemen worden toegepast, wordt deze niet op grote schaal toegepast. Hierdoor kan ondergrondse warmteopslag op dit moment geen grote rol spelen in de energietransitie, zo blijkt uit de Roadmap Energieopslag.

Martin Bloemendal, universitair hoofddocent aan de TU Delft en onderzoeksleider van de geologische dienst TNO, ziet echter grote potentie in de rol van warmteopslag voor de energietransitie. “Er is een grote mismatch tussen wanneer er warmtevraag is en wanneer er warmte beschikbaar is. Om het primaire energiegebruik te beperken is het van belang om beschikbare warmte te benutten via opslag. Omdat er in de Nederlandse stedelijke omgeving weinig ruimte is, kan ondergrondse ruimte gebruikt worden om de warmte te bufferen.”

In een aardwarmtesysteem kunnen warmte en koude worden opgeslagen, zodat met tussenkomst van een warmtepomp energie voor langere tijd met hoog rendement kan worden gewonnen. Op deze manier kan de warmte die in de zomer beschikbaar is, worden opgeslagen en gebruikt om gebouwen in de winter te verwarmen. Zodra het water warmte aan de gebouwen heeft afgegeven, kan het koude water worden opgeslagen voor zomerkoeling. Op deze manier zorgt het aardwarmtesysteem voor energiebesparing.

In Nederland worden twee soorten grondenergie gebruikt: het open en gesloten grondenergiesysteem. Voor beide technieken is de Nederlandse bodem zeer geschikt, de zandlagen zijn een middel om thermische energie op te slaan.

Mede door het aflopen van de aardgasaansluitplicht voor nieuwbouw per 1 juli 2018 is het gebruik van aardwarmte de afgelopen jaren met 8 procent toegenomen. Geothermie wordt echter nog niet breed toegepast. Bloemendal legt uit waarom: “De toepassing van aardwarmte beperkt zich momenteel tot nieuwbouw. In bestaande gebouwen wordt nog beperkt gebruik gemaakt van aardwarmte omdat de isolatie voldoende moet zijn en de investering groter is dan bij een alternatief zoals de luchtwarmtepomp. “Bovendien is geothermie voor sommige mensen nog relatief onbekend.”

Grondenergie voor TU Delft
Bloemendal richt zijn werk op de integrale toepassing van warmteopslag. Om dit te onderzoeken wordt de komende jaren op de campus van de TU Delft een open hoge temperatuur grondenergiesysteem geïmplementeerd. Bloemendal vertelt: “De huidige gascentrale wordt vervangen door een aardwarmtebron. In de zomer heeft de geothermiebron te veel warmte en in de winter te weinig, waardoor opslag nodig is. Technologie die open grondenergie combineert met warmteopslag is nog in ontwikkeling. Dit zijn temperaturen van 80 graden Celsius, terwijl we te maken hebben met een zandlaag die van nature 15 graden Celsius heeft. “We onderzoeken het verschil tussen systeemprestaties met verschillende fonteinontwerpen, meten en analyseren ondergrondse temperatuurveranderingen en monitoren de waterkwaliteit.”

Het onderzoek brengt verschillende uitdagingen met zich mee. Bloemendal legt bijvoorbeeld uit dat de chemie en microbiologie van de ondergrond gaat veranderen. In welke mate hangt grotendeels af van de lokale omstandigheden. “Het is de bedoeling dat deze effecten op de directe omgeving beperkt blijven tot de plek waar de warmte wordt opgeslagen, zodat andere potentiële ondergrondgebruikers in de omgeving geen hinder ondervinden van de opslag. Daarom moeten er ook vergunningen worden aangevraagd.”

“Ook op het gebied van systeemintegratie zullen we voor uitdagingen komen te staan. De geleverde temperatuur is van belang omdat het oudere gebouwen betreft die veel warmte nodig hebben bij relatief hoge temperaturen. Tijdens de opslagcyclus zal er warmteverlies naar de ondergrond optreden. We willen de omgang met dalende temperaturen tijdens de opslag optimaliseren door ook de systeemintegratie en -sturing te onderzoeken. De huidige warmtebron blijft bestaan ​​als piek- en back-upaanbod en er komt ook een HT-warmtepomp. Gekoppeld aan een warmtenet met verschillende vertakkingen die net iets anders gaan reageren, wordt het een complex samenspel. In de praktijk moeten we het beheer ervan optimaliseren. We zullen verrassingen en mooie leermomenten tegenkomen, dat schrikt mij niet af”, aldus Bloemendal.

Ontwikkeling van warmteopslag.
Bloemendal verwacht dat de groei van aardwarmte de afgelopen jaren zal doorzetten. Hoe de warmteopslag zich zal ontwikkelen, is voor hem echter lastiger te voorspellen. “Ons onderzoek richt zich op warmteopslag op hoge temperatuur, waar veel vraag naar is, maar ook uitdagingen met zich meebrengt. Met deze toepassingen kun je een grote impact hebben op veel woningen die onderdeel zijn van een collectief verwarmingssysteem. Maar persoonlijk zie ik de bredere toepassing voor lagetemperatuursystemen. Momenteel zijn er nog veiligheidsmarges op basis van het voorzorgsbeginsel, wat betekent dat het beïnvloeden van bestaande belangen niet is toegestaan. Maar uit onderzoek blijkt dat de invloed op bestaande systemen beperkt is, terwijl land efficiënter gebruikt kan worden als systemen dicht bij elkaar staan”, zegt Bloemendal.

“Als er veel warmtenetten worden gerealiseerd, zal de warmteopslag zich ook verder ontwikkelen. De ontwikkeling van warmtenetten brengt opnieuw technische, organisatorische en financiële uitdagingen met zich mee. Wat ik ook zie is dat er meer gaat gebeuren met systemen tot 40 graden Celsius. Dit heeft een beperkt effect op de waterkwaliteit en zorgt ervoor dat u binnen een financieel kantelpunt blijft qua bronkosten. “Dit kan in combinatie met open systemen tot aanzienlijke energiebesparingen leiden, bijvoorbeeld in kassen en appartementen.”

Bloemendal beschouwt de traagheid van verwarmingssystemen, samen met de kleine temperatuurverschillen waarbij warmte moet worden geleverd in duurzame systemen, de grootste uitdaging voor de inzet van warmteopslag. “Het water heeft een tijdje nodig om via een leiding zijn bestemming te bereiken, daarna reageert een gebouw langzaam als je de temperatuur wilt veranderen. We zijn gewend snel te rijden, terwijl duurzame verwarming lage temperaturen vraagt ​​met minder vermogen en dus minder marge. Als u minder energie te leveren heeft, kunt u het systeem optimaliseren met voorspellende regeltechnieken, zoals een model voorspellende controle of machinaal leren.”