Geothermisch systeem

1.4.2 Eigenschappen en gebruik van geothermische systemen

Geothermische systemen bestaan uit drie hoofdcomponenten: een warmtebron, een warmteput en een warmtewisselaar. De warmtebron is meestal de bodem, terwijl de warmteput een gebouwde omgeving is (in het algemeen een gebouw). Het omgekeerde kan echter ook voorkomen, d.w.z. dat de warmtebron een gebouwde omgeving is terwijl de warmteput de grond is. De warmtewisselaar bestaat in het algemeen uit een of meer elementen die een vloeistof bevatten die de warmte overbrengt tussen de warmtebron en de warmteput.

Het gebruik van de bodem als een warmtereservoir, dat wil zeggen een warmtebron of -put, is het resultaat van lange historische ontwikkelingen die vaak alleen op basis van indirecte overwegingen aan de orde kunnen worden gesteld (Cataldi, 1999). Hieronder volgen enkele voorbeelden van vroege ontwikkelingen van dit type. In de vroege Sumerische en Akkadische tijd werd de bodem gebruikt als een warmteput om ijs (en voedsel) op te slaan in zogenaamde “ijshuizen” die geheel of gedeeltelijk onder de grond werden gebouwd (b.v. Dalley, 2002), gebaseerd op de beperkte invloed van deze omgevingen op de thermische omstandigheden aan de oppervlakte. In het paleolithicum en de oude Romeinse tijd werd de bodem gebruikt als warmtebron voor baden en ruimteverwarming (b.v. Armstead, 1973), gebaseerd op de aanwezigheid van warmwaterbronnen in de ondergrond (b.v. thermale bronnen). In 1904 werd de bodem gebruikt als warmtebron voor de opwekking van elektrische energie door de bouw van de eerste geothermische centrale door prins Piero Ginori Conti in Italië (b.v. Lungonelli, 2003).

Een belangrijk kenmerk van geothermische systemen is de manier waarop de thermische energie die uit de bodem wordt geoogst, via dergelijke systemen wordt gebruikt. In ondiepe geothermische systemen wordt doorgaans indirect gebruik gemaakt van geothermische energie. In dergelijke gevallen worden machines of toestellen gebruikt die de energietoevoer tussen de bodem en de doelomgeving wijzigen (verhogen of verlagen), naast machines of toestellen die een warmtedragende vloeistof dwingen om tussen beide te stromen (warmte uitwisselen). In diepe geothermische systemen kan rechtstreeks gebruik worden gemaakt van geothermische energie wanneer een indirect gebruik niet wordt beoogd. In tegenstelling tot het voorgaande geval kunnen in dit geval machines die de tussen de bodem en de doelomgeving overgedragen energie wijzigen, worden vermeden en zijn alleen machines vereist die een warmtedragende vloeistof dwingen tussen de bodem en de doelomgeving te stromen.

Ondiepe geothermische systemen kunnen worden gebruikt om verwarming, koeling en warm water te leveren, waarbij gebruik wordt gemaakt van ondergrondse temperaturen van minder dan 25°C. Deze systemen zijn geschikt voor kleinschalig en huishoudelijk gebruik op vrijwel elke geografische locatie. Diepe geothermische systemen kunnen worden gebruikt om te voorzien in verwarming, warm water en elektriciteit, waarbij gebruik wordt gemaakt van ondergrondse temperaturen van meer dan 25°C tot maximaal 200°C. Deze systemen zijn geschikt voor gebruik op middelgrote tot grote schaal, maar kunnen op meer bijzondere locaties worden toegepast dan ondiepe geothermische systemen.

Naast de eerder voorgestelde indeling van geothermische systemen wordt vaak nog een extra criterium gehanteerd om deze systemen te karakteriseren en dat houdt verband met de aanwezigheid van gesloten of open lussen in de warmtewisselaar. Op basis van dit criterium kunnen geothermische systemen in de meeste gevallen worden ingedeeld als gesloten-lus- of open-lus-systemen. Gesloten-lussystemen maken gebruik van een mengsel op waterbasis dat door gesloten leidingen circuleert om de warmte van de grond naar de bovenbouw over te brengen of omgekeerd. Bij open-loop-systemen wordt bij het beschouwde warmte-uitwisselingsproces rechtstreeks gebruik gemaakt van grondwater dat uit aquifers wordt gehaald of via putten in aquifers wordt geïnjecteerd.

Het cruciale verschil tussen gesloten- en open-loop-systemen is dat bij laatstgenoemde systemen, in tegenstelling tot het eerstgenoemde, massa-uitwisseling plaatsvindt en de warmteoverdracht gunstiger is. Hoewel open-lussystemen de hoogste energieopbrengst opleveren, vergen ze echter een grotere financiële inspanning en brengen ze technische risico’s met zich mee in verband met bijvoorbeeld ondergrondse verontreiniging (Boënnec, 2008). Omdat er geen massa-uitwisseling met de bodem plaatsvindt, minimaliseren gesloten-lussystemen de milieurisico’s en problemen met de neerslag van mineralen, en is het niet nodig om winningsvergunningen te verkrijgen (Narsilio et al., 2014). Ondiepe geothermische systemen kunnen zowel open- als geslotenlussystemen zijn. Diepe geothermische systemen zijn open-loop.

Fig. 1.11 geeft typische voorbeelden van ondiepe en diepe geothermische systemen. Typische ondiepe geothermische systemen zijn horizontale geothermische boorgaten, geothermische korven, grondwateropvangsystemen, verticale geothermische boorgaten en energiegeostructuren. Typische diepe geothermische systemen zijn thermische bronnen, hydrothermische systemen en petrothermische systemen.

Figuur 1.11. Classificatie van geothermische systemen.

Gewijzigd naar Geothermie Schweiz.

Horizontale geothermische boorgaten zijn het ondiepste type van geothermische systemen. Deze systemen bestaan meestal uit gesloten polyethyleenbuizen die naast gebouwen op enkele meters diepte horizontaal in de grond worden geploegd of gegraven (vanaf een diepte van z= 2-5 m). In de buizen zorgt een circulerende warmtedragende vloeistof voor de uitwisseling van de in de bodem aanwezige warmte (voornamelijk ten gevolge van zonnestraling), vooral voor verwarmingsdoeleinden in woon-, landbouw-, of aquacultuurtoepassingen. Opslagdoeleinden kunnen echter ook worden bereikt in die situaties waarin de boorgaten onder gebouwen worden geplaatst.

Geothermische korven vormen een compacter systeem dan horizontale geothermische boorgaten en kunnen voor soortgelijke doeleinden worden gebruikt. Deze systemen worden meestal op enkele meters diepte in de grond ingegraven (vanaf een diepte van z= 2-10 m) en bestaan uit gesloten polyethyleenbuizen die in een spiraalgeometrie zijn bevestigd waarin een warmtedragende vloeistof stroomt. Toepassingen waarbij de spiraalvormige spoelen zich in oppervlaktewaterreservoirs naast gebouwen bevinden, zijn eveneens mogelijk, op voorwaarde dat dergelijke reservoirs diep genoeg gelegen zijn om problematische omstandigheden voor de werking van het systeem te vermijden, bijvoorbeeld bevriezing van het reservoirwater en dus van de circulerende warmtedragende vloeistof in de buizen.

Grondwateropvangsystemen maken gebruik van open putten omgeven door grondwaterreservoirs die zich op geringe diepte bevinden (vanaf een diepte van z= 5-20 m). Deze systemen kunnen worden toegepast wanneer er geen hydrologische, geologische en milieubeperkingen aanwezig zijn. Zij worden gewoonlijk gebruikt voor verwarmingsdoeleinden door het onttrekken van de thermische energie die aanwezig is in het water van de ondergrond. Voor kleine constructies kunnen enkele putten worden gebruikt. Voor grotere constructies zijn gewoonlijk dubbele putten nodig. Er kunnen onttrekkings- en injectieputten worden gebruikt om te zorgen voor een evenwichtig ondergronds thermisch veld, hetgeen van essentieel belang is voor de prestaties en, in sommige gevallen, voor het milieu.

Verticale geothermische boorputten bestaan uit gesloten polyethyleenbuizen die verticaal in de grond worden ingebracht onder of naast gebouwen op diepere diepten dan de vorige toepassingen (vanaf een diepte van z= 50-300 m). Een vulmateriaal (b.v. bentoniet) wordt gewoonlijk in het boorgat geplaatst om de warmte-uitwisseling tussen de grond en de pijpen te verbeteren. Een warmtedragende vloeistof die in de leidingen circuleert, maakt warmte-uitwisseling mogelijk voor verwarmings-, koelings-, opslag- en warmwaterproductiedoeleinden in de meest uiteenlopende bouwtypes. Enkele boorgaten kunnen kleine woongebouwen van warmte voorzien. Boorvelden zijn nodig wanneer men grotere constructies van thermische energie wil voorzien. Met verticale geothermische boorputten kan een hoger energieniveau worden bereikt dan met ondiepere geothermische systemen, omdat de grond op die diepten een hoger temperatuurniveau heeft.

Energetische geostructuren zijn nieuwe geothermische systemen die (vanaf een diepte van z=10-50 m) de structurele ondersteunende rol van elke structuur die in contact staat met de grond koppelen aan de warmtewisselaarrol van ondiepe geothermische systemen met vergelijkbare en zelfs gunstiger resultaten dan de eerder beschreven systemen.

Thermische bronnen kunnen in het algemeen worden geclassificeerd als diepe geothermische systemen, hoewel ze ook kunnen worden aangetroffen op diepten die kenmerkend zijn voor ondiepe geothermische systemen. Deze systemen maken gebruik van open bronnen, omgeven door hete grondwaterreservoirs die zich relatief diep in de ondergrond bevinden (vanaf een diepte van z= 500-1000 m). Zij worden gewoonlijk gebruikt voor baden en medische doeleinden door onttrekking van de thermische energie die in het ondergrondse water aanwezig is.

Hydrothermische systemen onttrekken grondwater via open putten op een diepte die het mogelijk maakt dat de temperatuur en de aanwezige thermische energie voldoende hoog zijn om grootschalige verwarmingstoepassingen te realiseren (vanaf een diepte van z= 1000-4000 m). Typische toepassingen van deze systemen zijn stadsverwarming, maar ook verwarming van grote industriële of agrarische constructies is mogelijk.

Petrothermische systemen onttrekken eveneens grondwater via open putten, maar op grotere diepte dan hydrothermische systemen (vanaf een diepte van z= 4000-6000 m). De temperatuur en de thermische energie die op deze diepten in het water aanwezig zijn, kunnen worden gebruikt voor de grootschalige opwekking en levering van elektrische energie.