Waarom geothermie de meest rendabele energiebron is

Verschillende manieren om aardwarmte te benutten

België benut aardwarmte nog te weinig in vergelijking met de omliggende landen. We hinken met name achterop qua diepe geothermie. Een gemiste kans, wetende dat deze energiebron zich lokaal laat aftappen en stabiel (weeronafhankelijk) duurzame energie kan voorzien? In dit artikel boren we diep in de materie om het potentieel van geothermie bloot te leggen en je wegwijs te maken in de vele gangbare varianten.

Een boorsite voor diepe geothermie in Mol dat deel uitmaakt van een testprogramma van VITO (foto: VITO)

Wat is geothermie?

Aardwarmte kan je in het kader van de werking van een warmtepomp perfect in het rijtje zetten naast lucht en water als een bron of drager van thermische energie. De warmtepomp zal die energie volgens de regels van de thermodynamische cyclus onttrekken aan een lagetemperatuurbron en aan een hogere temperatuur teruggeven aan een warmteafgiftesysteem. Dat is het werkingsprincipe van alle warmtepompen. In die optiek verwijst de term ‘geothermie’ naar het aanwenden van aardwarmte om een warmtepomp aan te drijven.

Maar als de temperaturen hoog genoeg zijn, kan die warmte ook rechtstreeks via een warmtewisselaar en zonder de inschakeling van een warmtepomp worden gebruikt voor bijvoorbeeld de verwarming van een woonwijk of kantoren. Bij hele hoge temperaturen – boven 100 °C – komt industriële proceswarmte in beeld en zelfs de productie van elektriciteit. Rekening houdend daarmee omvat geothermie alle toepassingen die van aardwarmte gebruikmaken.

Het rendement van geothermie ligt hoger dan dat van andere hernieuwbare energiebronnen, ongeacht direct of indirect gebruik

Thermodynamische cyclus uitgelegd — Thermodynamische cyclus (VEA, 2009)

Hoog rendement

Of je nu praat over direct of indirect gebruik van aardwarmte, het rendement van geothermie ligt sowieso hoger dan dat van andere hernieuwbare energiebronnen.

De SCOP van een geothermische warmtepomp, bijvoorbeeld, als we even focussen op particuliere toepassingen en indirect gebruik, schommelt gemiddeld tussen 5,5 en 6. Ter vergelijking: een lucht-waterwarmtepomp haalt een cijfer van 4,4 tot 5,1. Het gaat natuurlijk om een inschatting en afhankelijk van de specifieke omstandigheden kunnen de waardes van beide systemen ook lager liggen.

Maar je merkt het verschil. Ten opzichte van zonne- en windenergie scoort geothermie dan weer punten omdat de aarde ons haar warmte het hele jaar door onafhankelijk van de weersomstandigheden of het tijdstip van de dag, en in gelijke mate, beschikbaar stelt.

Eenmaal geïnstalleerd, nemen dergelijke systemen bovendien nauwelijks plaats in. Van overlast door geluidshinder is evenmin sprake. Specifiek voor grotere installaties moeten we aanstippen dat aardwarmte een lokale hernieuwbare energiebron is, die, als we de wetgeving even wegdenken, vrijwel overal aangeboord kan worden zonder dat er noemenswaardige emissies van CO₂ of andere schadelijke stoffen vrijkomen.

Aardwarmte is een lokale hernieuwbare energiebron die vrijwel overal aangeboord kan worden zonder dat er noemenswaardige emissies van CO₂ of andere schadelijke stoffen vrijkomen

Goed voor het milieu dus, en met het oog op leveringszekerheid en de diversificatie van onze energievoorziening zouden we met geothermie een serieuze stap vooruit zetten. De productiecijfers doen daar nog een schepje bovenop: een capaciteitsfactor van 80% en meer wijst op een grote bedrijfszekerheid.

Je kan bijgevolg niet anders dan concluderen dat geothermie een meer dan geschikte kandidaat is om onze basisvraag naar elektriciteit en warmte in te vullen.

Vanaf een zekere diepte, blijft de bodemtemperatuur nagenoeg constant. De weersomstandigheden hebben daar geen invloed op (WTCB, 2017)

Hoe geschikt is onze ondergrond?

Als we daarnet poneerden dat geothermie overal kan worden toegepast, dan klopt die bewering alleen voor gesloten systemen. Maar daarover straks meer. Een open systeem vertrekt van een watervoerende laag. Het idee is om het warme water uit dat reservoir op te pompen, het vervolgens te laten passeren over een warmtewisselaar, om het daarna weer via een tweede boring (een doublet) in dezelfde watervoerende laag te injecteren.

Bij traditionele diepe geothermie verloopt dat proces zonder tussenkomst van een warmtepomp. In Vlaanderen moet je daarvoor naar een diepte van minimaal 1.000 meter, want zelfs met de lagetemperatuursystemen van vandaag heb je minstens een basistemperatuur nodig van 40 à 45 °C, wil het water onmiddellijk bruikbaar zijn voor verwarmingsdoeleinden.

Een tweede voorwaarde voor traditionele geothermie heeft betrekking op de grondlagen. Meer bepaald spelen de goede doorstromingseigenschappen een doorslaggevende rol. Sedimentaire gesteenten als kalksteen of zandsteen beantwoorden aan die vraag. Maar waar in België vind je die grondlaag in combinatie met de gewenste temperatuurdiepte?

Alleen in de Noorderkempen, het noordoosten van Limburg en in het steenkoolbekken van Henegouwen, zo blijkt. Dat brengt het totale potentieel van traditionele geothermie naar schatting op het equivalent van 3 miljard vaten olie.

KWO-potentieel van de ondergrond — Het grootste potentieel voor traditionele geothermie ligt in de Kempen en Limburg (WTCB, 2017)

Rendement van traditionele geothermie
De warmteproductie of het thermisch vermogen, uitgedrukt in nuttige geleverde warmte (W_th), heb je nodig om de Coëfficiënt of Performance (COP) te berekenen. De volgende formule levert je het thermisch vermogen op:

W_th= q ⋅ p ⋅ cv ⋅ ΔT

W_th: thermisch vermogen (Watt of J⋅s^-1)
q: debiet (m³⋅s^-1)
ρ: densiteit water (kg/m³)
cv: warmtecapaciteit water (J.kg^-1.°C^-1)
ΔT: T_(productie) – T_(injectie) in °C

Het rendement of de duurzaamheid van de toepassing wordt bepaald door de verhouding tussen de ingaande energie (pompkracht) en het geproduceerde thermisch vermogen:

COP = nuttige geleverde warmte (MW_th) / benodigde elektriciteit (MW_e)

Met de technologie van toen kwam een werkgroep in 2011 uit op een jaargemiddelde COP-richtwaarde van 25 tot 30, uitgaande van een directe warmtevoorziening van woningen (vloerverwarming, aanvoertemperatuur van 70 °C en een retourtemperatuur van 30 °C).

Collectieve versus individuele systemen

In de inleiding alludeerden we al op verschillende toepassingen van geothermie en manieren om de aardwarmte aan te boren. De onttrokken warmte kan namelijk individuele woningen verwarmen, maar ze kan evengoed collectief worden ingezet.

Belangrijkste verschillen

Op die eerste mogelijkheid gaan we zo meteen nog dieper in. Vooralsnog volstaat het om te weten dat we bij dit type toepassingen te maken hebben met ondiepe boringen tot ongeveer 150 meter. Dat zorgt doorgaans voor een aanvoertemperatuur van circa 12 °C. Een warmtepomp zal die temperatuur verder opkrikken.

Een heel ander verhaal bij grotere, collectieve installaties met diepe geothermie. Daar spreken we typisch over boordieptes van 1.000 tot 2.500 meter. De productietemperatuur van het water op dergelijke dieptes zal, afhankelijk van de locatie, tussen de 40 en 100 °C bedragen. Dat levert vermogens in de MW-range op, en dat is uiteraard veel te hoog om een individuele woning te verwarmen. De distributie van die warmte gebeurt dan ook via warmtenetten. Op die manier worden wooncomplexen en kantoorfaciliteiten van verwarming voorzien.

Weinig voorbeelden van diepe geothermie

Bij ons zien we in vergelijking met Frankrijk en Duitsland nog weinig voorbeelden van diepe geothermie opduiken. Enerzijds heeft dat te maken met ontbreken van warmtenetten, anderzijds hebben we niet de traditie van wijkverwarming.

De vele cases uit onze buurlanden bewijzen in ieder geval dat dergelijke projecten levensvatbaar zijn. Om het financiële plaatje nog wat makkelijker rond te krijgen, merken we de laatste jaren, ook in dit segment, een verschuiving op naar minder diepe boringen (tot 1.500 m) in combinatie met warmtepompen voor grote capaciteit.

Hetzelfde fenomeen doet zich trouwens voor bij industriële toepassingen, al bevinden we ons daar nog altijd op een diepte van 3.000 meter (in plaats van 3.500-4.000).

Warmtenetkaart in Vlaanderen — Warmtenetkaart. Vlaanderen loopt duidelijk achter op buurlanden (VREG, 2022)

Gesloten versus open systemen

Open systemen

Het werkingsprincipe van open systemen in de vorm van traditionele diepe geothermie voor collectief gebruik hebben we eerder al uitgelegd. Maar ook individuele toepassingen kunnen op dat principe een beroep doen, weliswaar gecombineerd met een warmtepomp. Voor dergelijke, veelal kleinschaligere projecten boort men doorgaans tussen 20 en 100 m diep, afhankelijk van de lokale geologie. Op die diepte heeft het te onttrekken grondwater een temperatuur van 10 tot 12 °C. Dat is dan ook je aanvoertemperatuur. Die blijft overigens het hele jaar door zeer stabiel.

Koeling douplet — Werking van een open systeem (met koeling) (WTCB, 2017)

Gesloten systemen

In het segment van individuele woningen komen ook gesloten systemen voor, zelfs meer dan open systemen (wegens de ‘kwaliteit’ van de grondlagen). Deze variant van geothermie onttrekt de thermische energie op een heel andere manier uit de grond, namelijk door middel van thermische geleiding.

Gesloten systemen maken gebruik van een grondwarmtewisselaar die bestaat uit een buizenstelsel. Doorheen dat stelsel circuleert een vloeistof, gewoonlijk een mengsel van water en een antivriesmiddel. Deze vloeistof wordt over de verdamper van de warmtepomp geleid. Het feit dat je slechts in één boorgat werkt, zorgt voor veel controle over wat er gebeurt.

Anderzijds moet je wel rekening houden met een uitkoeling van de bron in de loop van het stookseizoen. Die daling moet je daarom op voorhand goed berekenen in functie van de warmtevraag, zodat je de dimensionering van de grondwarmtewisselaar erop kan afstemmen. Eventueel kan er worden gekeken naar een iets diepere boring of het creëren van extra bodemlussen.

Gesloten systeem voor geothermie — Werking van een gesloten, verticaal systeem (met koeling) (WTCB, 2017)

Verticale versus horizontale gesloten systemen

Binnen de gesloten systemen moeten we, tot slot, nog het onderscheid maken tussen een verticale en een horizontale grondwarmtewisselaar.

Verticale grondwarmtewisselaar

Bij deze systemen brengt men de aardsondes verticaal aan in de grond, op een diepte tussen 25 en 150 meter, wat ervoor zorgt dat de gemiddelde grondtemperatuur in de onmiddellijk nabijheid van de sonde in het begin van het stookseizoen de eerder aangehaalde 10 tot 12 °C bereikt. Naar het einde toe, zakt die temperatuur tot boven het vriespunt, om aan het begin van de volgende cyclus weer zijn oorspronkelijke niveau te halen. Die temperatuurevolutie is voorspelbaar en dus goed te modelleren.

De verschillende sondeboringen, typisch op zo’n 5 tot 10 meter van elkaar, worden met elkaar verbonden en gekoppeld aan de primaire warmtewisselaar (verdamper) van de warmtepomp. Voor de circulatie van het energietransportmedium (de antivriesvloeistof) zorgt een klassieke circulatiepomp.

Horizontale warmtewisselaars

Hier heb je te maken met een horizontaal lussensysteem. Dat netwerk van buizen bevindt zich net onder de vorstgrens en idealiter ook onder het grondwaterpeil. In de praktijk komt dat meestal neer op ongeveer 1 meter diepte. De dimensionering van deze systemen gebeurt voornamelijk op basis van de warmtegeleidingscoëfficiënt van de bodem.

Van alle geothermische installaties lijken de horizontale warmtewisselaars het meest op lucht-lucht gebaseerde systemen, omdat de werking en dus ook de rendabiliteit beïnvloed wordt door weerscondities, al ligt de efficiëntie nog altijd iets hoger. In vergelijking met de verticale tegenhanger heb je voor horizontale systemen aanzienlijk meer ruimte nodig.

Afhankelijk van de grondsamenstelling en het compressorvermogen van de warmtepomp moet je denken aan een benodigde grondoppervlakte voor een gemiddelde woning tussen 200 en 500 m².

De aanleg van een warmtenet — De hoge vermogens die men door de diepe boringen aan de aarde onttrekt, moeten via warmtenetten hun bestemming bereiken (VITO)

Ook koeling is mogelijk
Niet onbelangrijk: gesloten systemen zijn tot passieve koeling in staat. ‘Passief’ omdat alleen de circulatiepomp actief is, de warmtepomp zelf niet. Dat wil zeggen dat ze niet alleen de warmte uit de bodem kunnen onttrekken, maar ook uit de vloerverwarming of de ventilo-convectoren. Die onttrokken warmte wordt naar de grondboringen afgeleid en daar opgeslagen. Aan het begin van het stookseizoen levert dat een surplus aan warmte op, een dubbel voordeel. Ook open systemen kunnen trouwens koelen. De temperatuur van het geïnjecteerde water ligt immers lager dan dat van het opgepompte water. In de zomer zal het systeem de cyclus daarom omkeren, met koeling tot gevolg.

Wat is de rol van de installateur?

Complexe berekeningen, booroperaties tot meer dan een kilometer diep … misschien vraag je je af of de sanitair installateur überhaupt nog een rol te spelen heeft in dit verhaal. Absoluut, op voorwaarde dat je bereid bent om je bij te scholen en je in te werken in de nieuwe technologieën! Wil je dat doen, dan kan je twee richtingen uit: ofwel kies je voor collectieve installaties ofwel ga je voor individuele, particuliere woningen.

Aanleg van warmtenetten bij collectieve systemen

Zeker voor grotere installatiebedrijven vormen die eerste projecten een opportuniteit. De hoge vermogens die men door de diepe boringen aan de aarde onttrekt, moeten via warmtenetten hun bestemming bereiken. Op dat vlak heeft Vlaanderen een achterstand weg te werken. Met andere woorden, veel van die warmtenetten moeten nog worden aangelegd.

In de woningen zelf moet tussen het warmtenetwerk en de binneninstallatie een substation worden geïnstalleerd voor de overdracht van de warmte van het warmtenetwerk naar het gebouw

En in de woningen zelf moet tussen het warmtenetwerk en binneninstallatie (bv. de vloerverwarming of de radiatoren) in de plaats van een ketel een substation worden geïnstalleerd voor de overdracht van de warmte van het warmtenetwerk naar het gebouw. In dit substation bevindt zich ook een verbruiksmeting met het oog op de afrekening. De installatie van het substation en de leidingen zijn beide voorbeelden van mogelijke taken voor een installateur.

Plaatsing warmtepomp bij individuele woningen

Ook in het geval van individuele woningen zal een installateur die zich heeft verdiept in dit soort systemen niet om werk verlegen zitten. Om te beginnen moeten de geothermische lussen worden geconnecteerd met de verdamper van de warmtepomp. Daarnaast heb je de installatie van de warmtepomp zelf.

Aan de kant van de condensor moet dan nog de koppeling worden gemaakt met het lagetemperatuurafgiftesysteem en het buffervat voor sanitair warm water. Als je je echt wil onderscheiden, kan je zelfs mee advies geven over de dimensionering van de warmtepomp. Vergeet dan niet de isolatieschil mee te nemen. Vandaar dat je dat toch het best in samenwerking doet met een studiebureau of architect.

Met dank aan VITO.

VITO is een Vlaamse onafhankelijke onderzoeksorganisatie op het gebied van cleantech en duurzame ontwikkeling.