Slim koelen met geothermie: zijn actief en passief koelen het perfecte paar?

Geothermische boorvelden zijn populair omwille van hun mogelijkheid om duurzaam te koelen, idealiter passief, zonder het gebruik van een warmtepomp. Langs de andere kant zorgt de stijgende koelvraag in de zomer voor uitdagingen voor het boorveldontwerp met uitsluitend passief koelen. Dit artikel toont een andere weg: deze waarbij actief en passief (of ‘free’) koelen gecombineerd worden om het evenwicht te vinden tussen efficiëntie, kostprijs en duurzaamheid.

 

Twee casestudies tonen aan dat een intelligente integratie van beide koelmodi een hoge efficiëntie (SEER tot 17) kan bereiken terwijl de benodigde boorveldgrootte en investeringskost afneemt. Een vergelijking met de ETC CO₂-prijs toont tenslotte dat deze hybride oplossingen te verantwoorden zijn vanuit duurzaamheidsperspectief. De methode die in dit artikel beschreven werd, is ontwikkeld tijdens de masterthesis van Jarne De Nies en Matthijs Coninx aan de KU Leuven en is geïmplementeerd in GHEtool [2,3]. Deze casestudies zijn gebaseerd op voorbeelden die in detail terug te vinden zijn in de kennisbank van GHEtool.

Gesloten geothermische systemen: een bewezen technologie

26% van de wereldwijde CO₂-uitstoot kan herleid worden naar de verwarming en koeling van onze gebouwen [1]. Wanneer we de klimaatdoelstellingen willen bereiken, is het duidelijk dat er nood is aan efficiëntie oplossingen in dit domein. Gesloten geothermische systemen (beo-velden of boorvelden genaamd) vormen een bewezen technologie voor duurzame verwarming en koeling, omdat ze dienstdoen als de seizoensopslag van warmte.

In de zomer kan namelijk de warmte opgeslagen worden in de grond waar deze in de winter, door middel van warmtepompen, kan gebruikt worden voor efficiënte verwarming. Dit koelt dan weer de bodem af, waardoor deze gebruikt kan worden om onze gebouwen te koelen in de zomer.

Een van de grote voordelen van boorvelden is dat deze koeling in de zomer passief (of ‘free’) kan gebeuren, zonder warmtepomp. Doordat de bodem typisch koud genoeg is, kan deze koude rechtstreeks gebruikt worden om onze gebouwen af te koelen. Met de stijgende vraag naar zomercomfort echter moeten meer en meer boorvelden specifiek ontworpen worden om met deze toenemende vraag naar koeling te kunnen omgaan.

Hoe ziet een goed ontworpen boorveld er uit?

Een boorveld is goed ontworpen op het moment dat de vloeistoftemperatuur in de bodem binnen bepaalde grenzen blijft. Deze temperaturen zijn afhankelijk van regio tot regio, in functie van de lokale wetgeving en specifieke geologische condities en hebben tot doel om de impact van de temperatuurschommelingen op het bodemleven te minimaliseren. Hoe strenger deze temperatuurgrenzen zijn, des te meer boringen moeten er voorzien worden om de circulatievloeistof binnen deze grenzen te houden.

Wanneer het aankomt op passieve koeling, is er een bijkomende uitdaging van technische aard. Als de vloeistof te warm wordt, is passieve koelen technisch niet langer haalbaar. Om passieve koeling te garanderen, mag de gemiddelde vloeistoftemperatuur niet hoger worden dan 16-18 °C.

Wanneer van een ontwerp van passieve koeling overgestapt wordt naar een ontwerp met actieve koeling, halveert het boorveld in grootte (en desgevallend ook de investeringskost) 

Boorveld vergroten en enkel passief koelen?

Door de toenemende vraag naar koeling, wordt het een uitdaging om ’s zomers onder deze grens te blijven. Een oplossing bestaat erin het boorveld te vergroten, waardoor de specifieke warmte-injectie (in W/m boring) vermindert, waardoor de koeling verder passief kan gebeuren. Dit echter verhoogt de investeringskost van het boorveld zeer significant, waardoor het risico bestaat dat de hele geothermische oplossing onhaalbaar wordt.

Of toch actief koelen?

Een alternatieve piste bestaat erin om te kiezen voor actieve koeling, waar de warmtepomp voor de koeling in het gebouw gaat zorgen en warmte actief in de grond gaat injecteren. Hierdoor kan onze maximumgrens van 16-18 °C opgetrokken worden naar, bijvoorbeeld, 25 °C (al hangt ook dit getal af van de lokale wetgeving). Dit versoepelt de ontwerpcriteria en geeft aanleiding tot kleinere, meer betaalbare boorvelden. Het nadeel echter is dat actief koelen een lagere efficiëntie heeft dan passieve koeling ten gevolge van de compressiestap in de warmtepomp (een SEER ~7 i.p.v. 20-25 voor passieve koeling), wat aanleiding geeft tot een hoger elektriciteitsverbruik.

Twee casestudies: auditorium en kantoorgebouw onder de loep

Om het potentieel van zowel actieve als passieve koeling te illustreren, zijn er twee gebouwen onderzocht die typisch een hoge koudevraag hebben: een auditorium en een kantoorgebouw. Beide gebouwen, gesitueerd in België, zijn dynamisch gesimuleerd met een uurlijkse resolutie, waarvan enkele kengetallen zijn weergegeven in Tabel 1. Figuren 1 en 2 tonen de respectievelijke belastings-duurcurves.

Vervolgens werden voor beide gebouwen de boorvelden gedimensioneerd met GHEtool voor zowel de passieve alsook actieve koeling (met een temperatuurgrens van 17 °C en 25 °C respectievelijk). De resultaten staan in Tabel 2.

Wanneer van een ontwerp van passieve koeling overgestapt wordt naar een ontwerp met actieve koeling, halveert het boorveld in grootte (en desgevallend ook de investeringskost). Dit wordt ook duidelijk wanneer gekeken wordt naar Figuren 3 en 4. Het boorveld komt nooit in de buurt van de minimumtemperatuur, wat bevestigt dat het volledige boorveld ontworpen moet worden op de maximumtemperatuur tijdens koeling.

Een ander deel van het verhaal is natuurlijk de elektriciteitsconsumptie. Voor beide gebouwen neemt dit toe met een factor 2,5 wanneer van passieve koeling (met een SEER van 20) overgestapt wordt op actieve koeling (met een SEER van 7).

Dit roept de volgende vraag op: kan het beste van beide werelden worden gecombineerd? Kan het boorveld ontworpen worden op actief koelen, waarbij we toch zoveel mogelijk de koeling passief voorzien, wanneer de bodemtemperatuur dit toelaat?

91% van de koudevraag van het auditorium kan passief worden ingevuld, wat aanleiding geeft tot een gemiddelde effectieve SEER van 17,06 – bijna zo goed als pure passieve koeling

Actief en passief: het perfecte duo

Een manier om actief en passief koelen te combineren op hetzelfde boorveld, is door gebruik te maken van een temperatuurdrempel die één van beide koelmodi selecteert. Wanneer de vloeistoftemperatuur bijvoorbeeld onder de 17 °C zakt, kan er passief gekoeld worden, daar waar een temperatuur hoger dan 17 °C, actieve koeling vereist. Door op deze manier te ontwerpen kunnen we garanderen dat we het grootste aandeel passieve koeling hebben, terwijl ons boorveld op actief koelen is ontworpen [2,3].

Wanneer deze methode wordt toegepast op de casus van het auditorium, blijkt dat 91% van de koudevraag (over een periode van 20 jaar) passief kan worden ingevuld, wat aanleiding geeft tot een gemiddelde effectieve SEER van 17,06 – bijna zo goed als pure passieve koeling. Figuur 5 toont een close-up van de eerste twee jaar van de simulatieperiode waar zichtbaar is dat haast de volledige koeling in de zomer passief kan gebeuren op een aantal grote piekvermogens na, waar de actieve koeling overneemt. Figuur 6 toont dat zelfs na het eerste jaar, het aandeel actieve koeling constant blijft.

Voor het kantoorgebouw is het verhaal enigszins anders. Doordat dit gebouw op jaarbasis ongeveer dezelfde vraag naar verwarming als naar koeling heeft, is de gemiddelde SEER over 20 jaar ‘slechts’ 12,2, wat neerkomt op 66% van de totale koudevraag. Figuur 7 toont het profiel van de koeling, waarbij opvalt dat de actieve koeling meer uitgesproken is in het geval van het kantoorgebouw dan in het auditorium van hierboven. Figuur 8 toont dat, omdat de grond jaar na jaar een beetje opwarmt, het aandeel actief koelen, in tegenstelling tot daarnet, mettertijd toeneemt.

Is de combinatie van passief en actief koelen duurzaam?

De centrale vraag is nu: is dit duurzaam? Uiteraard is het gebruiken van elektriciteit voor actieve koeling minder wenselijk dan gebruik te maken van de gratis passieve koeling, maar het is toch belangrijk om deze zaken in perspectief te plaatsen, zowel in termen van CO₂-emissies alsook in kader van hernieuwbare energie.

Met het oog op het Emission Trading System (ETS)

Op het moment van schrijven (3 april 2025) is de kostprijs voor 1 ton CO₂-emissies in Europa € 68,55. De gemiddelde koolstofintensiteit van de elektriciteit in België bedraagt zo’n 138 g CO2/kWh [4]. Dit betekent dat wanneer actief en passief koelen worden gecombineerd, dit leidt tot een extra elektriciteitsverbruik van 324 kWh voor het auditorium en 7.185 kWh voor het kantoorgebouw, in vergelijking met 100% passieve koeling. Dit komt neer op een meeruitstoot van CO₂ van 2,24 ton en 49,58 ton over een periode van 50 jaar, voor respectievelijk het auditorium en het kantoorgebouw.

Wanneer we extra zouden investeren in ons boorveld om de volledige koudevraag passief in te vullen, komt dit neer op een meerinvestering van € 66.160 en € 458.480 voor het auditorium en het kantoor respectievelijk (met een aanname van €40/m boring). Dit komt neer op een effectieve kostprijs van € 29.536/ton en € 9.247/ton CO₂-reductie (waarbij de CO₂ die vrijkomt bij het plaatsen van extra boringen nog niet eens werd meegenomen). Wanneer we dit vergelijken met de ETS-prijs, blijkt dat de piste van 100% passieve koeling is hier 100 tot 400 keer duurder dan simpelweg de emissiecertificaten te kopen om eenzelfde emissiereductie te verwezenlijken.

De piste van 100% passieve koeling is 100 tot 400 keer duurder dan simpelweg de emissiecertificaten te kopen om eenzelfde emissiereductie te verwezenlijken

Aansturing door emissievrije elektriciteit

Naast de vergelijking met ETS, is er ook de trendlijn van meer productie van zonnepanelen in de zomer, waardoor we praktisch 100% emissievrije en (bijna) gratis elektriciteit hebben. In deze context kan actieve koeling zelfs gezien worden als een manier om het elektriciteitsnet te stabiliseren, terwijl we energie (in de vorm van warmte) opslaan in de grond waar het bijdraagt aan een meer duurzame verwarming in de winter.

_{Referenties
[1] IEA (2023), Tracking Clean Energy Progress 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023, License: CC BY 4.0.
[2] Coninx, M., De Nies, J. (2022). Cost-efficient Cooling of Buildings by means of Borefields with Active and Passive Cooling. Master thesis, Department of Mechanical Engineering, KU Leuven, Belgium.
[3] Coninx, M., De Nies, J., Hermans, L., Peere, W., Boydens, W., Helsen, L. (2024). Cost-efficient cooling of buildings by means of geothermal borefields with active and passive cooling. Applied Energy, 355, Art. No. 122261, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.122261.
[4] Ember (2024); Energy Institute - Statistical Review of World Energy (2024)}