Op weg naar minder CO2 en meer geothermie
Het grondwater in Vlaanderen haalde de afgelopen jaren geregeld het nieuws. Vaak gaat het over droogte, maar wist je dat we grondwater ook kunnen inzetten in de strijd tegen broeikasgassen? Het gebruik van ondiepe geothermie zou wel eens dé sleutel kunnen zijn tot succes voor een drastische daling van onze CO2-uitstoot.
Hoe grondwater zijn steentje kan bijdragen
Herinner je je vorige zomer nog? Snikheet was het, ook binnenshuis. Alles was welkom om de binnentemperatuur te doen dalen tot een aangenaam niveau. Een geothermisch systeem kan daarbij helpen op een groene en duurzame manier.
Hiervoor zijn twee grondwaterputten nodig: een koude en een warme. In de zomer wordt water via de koude put onttrokken aan de grond met een pomp. Dit koude water zorgt voor afkoeling terwijl het de warmte van de omgeving opneemt. Daarna wordt het opgewarmde water opnieuw geïnjecteerd in de grond via de warme put.
In de winter willen we binnen juist gezellig opwarmen. Dan kan water, met de opgeslagen thermische energie van de zomer, onttrokken worden via de warme put en deels verder opgewarmd worden met een warmtepomp. Dit water zal zijn warmte afgeven aan de omgeving binnenshuis. Het daardoor afgekoelde water zal op zijn beurt opnieuw in de koude put worden geïnjecteerd.
In het daaropvolgende seizoen zullen we de opgeslagen thermische energie niet altijd volledig opgebruiken. Hierdoor zal de omgeving rond de koude put steeds meer afkoelen en die rond de warme put steeds meer opwarmen. De efficiëntie van het systeem zal dus toenemen met de tijd. Al het onttrokken grondwater wordt ook opnieuw geïnjecteerd; zo wordt het eerder genoemde probleem van nakende droogtes niet in de hand gewerkt.
Figuur: gebaseerd op Bloemendal and Hartog, 2018. Geothermics 71, 306–319.
Dit klinkt als muziek in de oren, nietwaar? Toch mogen we niet te vroeg juichen. Eerst en vooral zijn de investeringskosten hoog en hebben de pompen energie nodig, die liefst groen is natuurlijk. Daarnaast is een goede isolatie een must om de ondiepe geothermie rendabel te maken. Hoe slechter de isolatie, hoe meer energie de warmtepomp zal moeten leveren om de binnentemperatuur tot de gewenste temperatuur te doen stijgen.
Tot slot beïnvloeden een aantal geologische factoren de werking, efficiëntie en haalbaarheid van dit soort systemen. De doorlatendheid van de bodem, bijvoorbeeld, die bepaalt hoe makkelijk grondwater kan stromen, trekt namelijk meteen de grens tussen twee soorten geothermische systemen.
KWO is the way to go
Aan de ene kant hebben we koude-warmteopslag- (KWO-) systemen, die we gebruiken voor grote projecten zoals kantoorgebouwen, ziekenhuizen en scholen. Deze onttrekken en injecteren effectief grote volumes water aan en in de bodem. Ze hebben dus over het algemeen een groot vermogen maar hebben nood aan een bodem met goede doorlatendheid.
Aan de andere kant kan je kiezen voor boorgat-energieopslag- (BEO-) systemen. Deze zijn de gebruikelijke oplossing in gebieden waar een dik doorlatend sedimentpakket ontbreekt aangezien hiervoor water enkel moet stromen door buizen. De overdracht van thermische energie naar de ondergrond gebeurt dan via warmtegeleiding. Ze worden echter alleen aangeraden als de energiebehoefte beperkt blijft, zoals voor een enkel huis; anders zijn er veel putten nodig waardoor de investeringskost snel oploopt.
Figuur: gebaseerd op Bloemendal and Hartog, 2018. Geothermics 71, 306–319.
KWO-systemen zijn dus de beste manier om jouw budget optimaal te benutten voor het produceren van grotere vermogens aan duurzame energie. Dit is interessant wanneer we een grote daling van de CO2-uitstoot beogen. Spijtig genoeg wordt een groot deel van de Vlaamse ondergrond ongeschikt geacht omwille van de lage doorlatendheid.
Gelukkig hoeft het hier nog niet te stoppen. Voor haar masterproef besloot Luka Tas namelijk de status quo uit te dagen en na te gaan of het in sommige gevallen alsnog mogelijk is. Hiervoor trok ze niet ver weg van huis; de studie ging door op campus De Sterre van de Universiteit Gent. Daar is het doel om in de toekomst CO2 neutraal te worden en dit kan niet zonder innovatie.
De grenzen van het systeem verleggen
Met een duidelijk doel voor ogen ging ze aan de slag met een combinatie van veldwerk en computersimulaties. Ze voerde een aantal pompproeven uit om zo het maximale debiet te bepalen waarmee water uit de ondergrond onttrokken of terug geïnjecteerd kan worden. Daarnaast verzamelde ze datasets om het computermodel op te bouwen. In de putten installeerde ze meeteenheden om seizoensgebonden variaties in het waterniveau op te volgen. Tot slot voerde ze testen uit om het risico voor verstopping van de putten door fijne sedimentdeeltjes in te schatten.
Met gunstige testresultaten op zak kon ze het computermodel, dat de ondergrond van het studiegebied weergeeft, opbouwen en kalibreren zodat het de stroming van het grondwater zo goed mogelijk weergeeft.
Om te voorzien in de energiebehoefte berekende ze aan de hand van het maximale debiet dat zo’n 22 warme en 22 koude putten nodig zijn. Deze simuleerde ze in verschillende opstellingen. Dit wil zeggen dat het geothermisch systeem ‘getest’ werd voor een periode van 20 jaar bestaande uit een opeenvolging van telkens 6 koude en 6 warme maanden.
De moeilijkheid was de verandering in waterhoogtes in de buurt van de putten te beperken en een verbinding tussen de warme en koude zones in de ondergrond te vermijden. Na heel wat trial and error kon ze aantonen dat zelfs in dit studiegebied, waar een dikke productieve grondwaterlaag ontbreekt, KWO hoogstwaarschijnlijk toch mogelijk is als we de putten in een dambordpatroon schikken.
Bovendien is beter in dit geval ook goedkoper. Een korte economische analyse wees uit dat dit systeem wel 2,4 keer kostvriendelijker zou zijn dan een BEO op dezelfde plaats, wat neerkomt op een besparing van wel 2 miljoen euro!
Zo zie je maar dat er soms meer mogelijk is dan je eerst dacht.