Geothermie, aquathermie, riothermie

Geothermie

Door radioactief verval van thorium, uranium en kalium is het binnenste van de aarde 4000 ^oC. Ook door de restwarmte van het ontstaan van de aarde.

Nederland kan koploper in Europa worden op het gebied van geothermie. Geen ander land heeft zoveel openbare data aan geologisch onderzoek beschikbaar. Zie hier. Men heeft in Nederland 5000 bronnen geboord en men bezit over 72 km seismologisch materiaal in de zoektocht naar olie en gas.

Door een nieuwe boortechniek kunnen geothermieputten 2,5 keer zoveel energie per installatie opleveren.

De gepatenteerde techniek van Canopus kan namelijk iets wat die van anderen niet kan: horizontaal of met een bocht boren in elke gewenste richting. Of ultradiep tot 8.000 meter onder de grond. De techniek maakt het ook mogelijk om zogenaamde zijsporen met open gaten te boren, waardoor vertakte structuren kunnen worden geboord, vergelijkbaar met boomwortelstructuren. De nieuwe boormethode heet Directional Steel Shot Drilling (DSSD). Het maakt gebruik van hogedrukstralen die stalen deeltjes bevatten, die aan het oppervlak weer worden opgevangen. In rotsachtige bodems kan er ook nog eens sneller mee geboord worden. Door op een bepaald punt extra korreltjes uit de boorkop te schieten, ontstaat meer ruimte in de schacht. Zo kun je de boorkop sturen en dus bochten laten maken.

Per kilometer stijgt de temperatuur met zo’n dertig graden. In gebieden met een actieve vulkaan is die warmte het hoogst: op twee kilometer diepte stijgt de temperatuur van het water vaak naar zo’n tweehonderd graden.

In de waddenzee bevindt zich zo'n oude vulkaan. Daar wil men de warmte van gaan gebruiken. (2023)

Men onderscheidt hoge en lage temperatuur geothermie.

Bij hoge temperatuur geothermie is het water warmer dan 150 ^oC zoals in Ijsland, Toscane, USA.
Bij lage temperatuur geothermie moet je denken aan situaties in Nederland waar het op 3 km diepte 100 - 130 ^oC is en op 5 km diepte 150 ^oC. Dit kan dan naar kassen of de huisverwarming. Op 2 km diepte is het ongeveer 70 - 90 ^oC. Het kan Nederland in theorie 90.000 PJ leveren (terwijl we 3334 PJ per jaar verbruiken).

Een pompinstallatie plus warmtenet kost 30 miljoen. Na 30 jaar is 1 miljoen winst haalbaar en 71 % minder CO₂ uitstoot. Per kilometer neemt de temperatuur ongeveer 30 graden Celsius toe.

Nu is geothermie niet helemaal uitstootvrij. Vaak komt er bij het oppompen van water ook methaan vrij - een veel krachtiger broeikasgas. Dat moet verbrand worden, en dat zorgt voor CO2-uitstoot. En de pompen die het werk doen bij een aardwarmteput hebben stroom nodig. Daardoor komt er bij winning van aardwarmte volgens TNO 4,3 tot 8,6 kilo CO2 vrij per gigajoule opgewekte energie. Dat is 90 procent minder dan de uitstoot van een aardgasketel.

Toch is dit niet het hele verhaal. Want hoewel geothermie een duurzame bron van warmte is, is er niet genoeg van beschikbaar voor de piekmomenten, zoals koude winterdagen of ochtenden waar iedereen tegelijk wil douchen. Daarom is het bijstoken van aardgas volgens TNO voorlopig onvermijdelijk. Op termijn kan waterstof daar een alternatief bieden, maar voor 2030 is dat niet aan de orde.

Ook het transport van de warmte zorgt voor verliezen. Al met al komt de uitstoot van een warmtenet op aardwarmte daarmee 60 procent lager uit dan bij stoken van een aardgasketel - nog steeds een fikse winst.

Er bestaan systemen waarbij warm water wordt opgepompt en 1200-1500 meter verderop weer (koud) wordt geïnjecteerd. Het duurt dan 30 jaar voordat het water bij de inlaat komt. Hoe meer water je kunt oppompen hoe groter de capaciteit. Zouten kunnen de inlaat doen verstoppen. Je koelt vaak uit van 80 naar 40 ^oC.

Het is ook mogelijk een gesloten systeem te gebruiken waarbij het water in het boorgat circuleert.

Een nadeel is dat de aardwarmtebuizen gevoelig zijn voor roest. Door die roest kunnen zwakke plekken ontstaan en kunnen de buizen gaan lekken. Het zoute water - waar ook chemicaliën aan worden toegevoegd - vermengt zich dan met schoon drinkwater. Ofwel meer monitoring of dit gebeurt is nodig.

Er zijn hoge kosten gemoeid met de aanleg van een systeem dat de warmte in de huizen brengt (soort stadsverwarming). In Parijs heeft men zo 40 installaties . De pompen kosten 10 % van de energie en de kosten zijn 7 - 10 euro / GJ. Soms combineert men het met elektriciteitsopwekking. In Duitsland geeft men er dan 15 ct per kWh voor.

De hitte, de druk en de hardheid van de stenen vormen allemaal een probleem. Daardoor zijn boorkoppen heel snel op en moet je jaren graven voor je op een nuttige diepte bent.

Er kunnen ook breuken in de ondergrond zitten die de doorstroom belemmeren. Bovendien kan de diepe laag in de aarde waar de temperatuur het hoogst is te dun zijn om veel warmte uit te winnen. Er kunnen ook nog sporen van olie en gas in de bodem zitten die de doorstroming van het transportmiddel water belemmeren. 

Boren met kernfusie

(2022) Je kunt kernfusie gebruiken om een gat te graven. De deeltjes in een kernfusiestraal hebben zoveel energie dat ze elk object waarmee ze in aanraking komen vaporiseren. Zo ook gesteende; dat verandert in piepklein stof als er een energierijke fusiestraal op komt.

Door die straal heel erg gefocused door de aarde te sturen is het volgens het MIT mogelijk om gaten te graven voor een fractie van de moeite en kosten die er nu bij komen kijken. Het instituut vond dit zo’n goed idee dat er in 2018 een spin-off kwam: Quaise Energy. Dit bedrijf wil de fusiekanonnen gaan leveren die nodig zijn om diepe gaten te boren.

Het maken van bruikbare ‘fusiestralen’ kost heel veel energie en is technisch ingewikkeld.  Het zal nog even duren voordat kernfusie energie oplevert. Maar: het hete plasma kan nu al gemaakt worden, en kan dus ook al een doel dienen. Als je het gebruikt om een gat te boren moet er wel de hele tijd energie ingepompt worden. Maar aan het einde heb je een betrouwbare, langdurige bron van duurzame warmte uit de aardkern. Onderaan de streep levert dat hele proces dan dus energie op.

Quaise wil in 2024 met hun technologie een gat boren van 20 kilometer diep. Als je door dat gat water stuurt komt het superheet terug: 500 graden Celsius. Met die temperaturen kan het water gebruikt worden voor industrie, maar ook om elektriciteit op te wekken.

Kwekerij De Westhoek

Op de boorlocatie – langs de A20, achter Kwekerij De Westhoek bij de Herenlaan in Maasland – zal naar een diepte van 2,8 tot 3 kilometer in de Onder Krijtlaag worden geboord naar water van circa 95 graden Celsius. Deze warmte levert naar verwachting een vermogen op van 15 megawatt. Dat is genoeg om 43 procent van de 184 gigawattuur aan warmte die de acht glastuinbouwbedrijven jaarlijks verbruiken, te verduurzamen.

Plannen

In 2019 is men in Leeuwarden van plan een groot project te starten. In 2020 in Amersfoort. München heeft er al hele stadswijken op aangesloten enze gaan uitbreiden. 

De grootte is 47 miljoen MW per dag. De zon straalt 173 miljard MW per dag op aarde.   

Masterplan van branche:

50 PJ in 2030 en 200+ in 2050 (= 25% van de warmtevraag) in NL
Ondiep < 1500m, 50 ^oC
Gewoon 1500m - 4000m, 80 ^oC
Ultradiep > 4000m, > 100 ^oC

In Amersfoort wil men 3 km diep boren voor water van 90 graden voor de verwarming van huizen en 6 km diep voor water van 200 graden voor de opweking van elektriciteit. 12 stations. Eén aansluiting kost 2000 - 2500 euro ???. Veel minder dan je woning isoleren. Kosten voor de 160.000 huizen Kosten 5,7 miljard. 

Risico's

Doorboren drinkwaterlaag
Met de branche is een richtlijn opgesteld voor veilige uitvoering
Seismische risico’s
Landelijk veel onderzoek: SodM vraagt risico analyse, bij aanwezig risico diepgaande studie

1ste bron Brabant in Zevenbergen
Made mogelijk 2de

Ultradiepe geothermie (> 4000 meter)

Als je gaten boort op 4-5 km dan komt water van 200 ^oC terug en daar kun je elektriciteit van maken of in de industrie gebruiken.  Een idee is oude boorgaten van de olie/gaswinning te gebruiken. UDG is gericht op het benutten van warmte op een diepte van meer dan 4.000 meter.

Risico's zijn het boren zelf (b.v. of er een ijzerlaag in de weg zit) maar dit is door de olie/gaswinning goed ontwikkeld.
Het ondergronds debiet moet groot genoeg zijn (je moet genoeg water kunnen oppompen).
Het water moet bovengronds niet voor ellende zorgen vanwege teveel zouten die erin kunnen zitten. Ondergronds kunnen die zouten de inlaat laten dichtslibben. Vervuiling in de bodem kan een nadeel zijn maar het kan ook de mogelijkheid scheppen om van de vervuiling af te komen. 

In Heerlen gebruikt men water dat is opgewarmd tot 32 ^oC in mijnschachten van 450 - 700 meter diep diepte voor stadsverwarming. zie http://www.p-plus.nl/artikel.php?IK=1544 Het kan een voorbeeld zijn voor de vele gesloten mijnen in heel Europa.

De gemeente Venlo gaat uit putten van 2,5 kilometer diepte water van 85 graden halen. Bij diepere boringen, tot vijf kilometer diep, heeft het water een temperatuur van 160 graden. Deze boring zou veertig miljoen euro kosten, maar levert wel warmte op voor 3200 huishoudens. zie http://www.agd.nl/1012662/artikel/venlowilaardwarmtevoorfloriade.htm

Tomatenkweker Rick van den Bosch uit Bleiswijk heeft een gat laten boren van 1700 meter waaruit water komt van 60 ^oC. Dit gaat door 300 km leiding in zijn kassen. Hij gebruikte 5 miljoen kuub gas ( 40 ct) en hoopt de 10 miljoen euro kosten er in vijf jaar uit te halen. (het boren kostte 6 miljoen). In 2013 gaat de Rabobank 3 a 5 projecten per jaar medefinancieren in de glastuinbouw.

Tuinders in Emmen gaan warmte krijgen van water (60-100 ^oC) op 3000 m diepte. Genoeg voor 30 jaar.  

Den Haag ZW gaat nieuwbouwwijk van 4000 nieuwbouwwoningen er op aansluiten. 

In Australië liggen op 3000 meter de heetste granietlagen van de wereld, 250 - 300 ^oC. Bovenliggende rotsen isoleren deze rotsen zo goed dat ze zo heet worden. Nu gaat men er stoom en energie van maken. Dergelijke lagen liggen overal. Men kan er 10.000 MW mee opwekken en dat non stop.

Bij The Geysers in de VS heeft men 22 centrales gebouwd die 950 MW leveren voor San Francisco. Men steekt een pijp in de grond en je krijgt energie.

Water moet  warmer zijn 150  ^oC om direct stroom te kunnen maken. Daar onder is het geschikt voor verwarming e.d.

In de V.S. produceert men nu 3000 MW via geothermie en in 2050 denkt men aan 100.000 MW.

2 KM diep (Geothermie)

Het bedrijf Daudrup & Sohne AG http://www.daldrup.eu heeft ervaring met de diepteboringen.

Uit een analyse blijkt dat er 454 nieuwe projecten, in 64 landen, rond aardwarmte (en geothermie) in de pijplijn zitten. In totaal zijn deze projecten goed voor 18,5 gigawatt aan energie. Ter vergelijking: op dit moment is er wereldwijd voor 11 gigawatt aan aardwarmte geïnstalleerd, nog niet eens 0,2 procent van alle wereldwijde energiebronnen.

Als voorbeeld wordt Indonesië genoemd, waar dankzij feed-in tarieven nu veel in deze vorm van energie wordt geïnvesteerd. Het land heeft enorme geothermische bronnen, waardoor straks 80 procent van alle Aziatische aardwarmte uit de archipel komt. Duitsland kent ook een feed-in tarief, maar hier loopt de ontwikkeling minder storm. In het politiek onrustige Kenia lopen wel veel projecten. Niet dankzij speciale tarieven, maar door financiële steun van internationale ontwikkelingsbanken.

De potenties zijn onder te zien

Voor geothermie komt Trias zandsteen in aanmerking. De laag is soms wel 250 meter dik en bevat water tot 100 ^oC.  De diepte is niet echt bekend.

Ethiopië heeft een miljardendeal getekend om aardwarmte te ontwikkelen. Het kiest voor IJslandse technologie om 1000 megawatt aan geothermische energie op te wekken. De energiecentrale komt op zo’n 200 kilometer van de hoofdstad Addis Abeba. In een eerste fase wordt tegen 2018 een centrale gebouwd met een capaciteit van 500 megawatt. Het is met een totale investering van 4 miljard dollar de grootste directe buitenlandse investering ooit in Ethiopië

In Zuid-Korea bleek er een verband te bestaan tussen de winning van aardwarmte en een aardbeving maar of dat ook in Nederland een rol speelt is niet één op één te vergelijken. In Zuid-Korea is sprake van een harder en minder poreus gesteente. Daar stroomt het water op een andere manier doorheen dan de zandsteenreservoirs die we in Nederland gebruiken. In Nederland zouden we bij diepe boringen wel een hardere steen tegen kunnen komen, maar op dit moment gaan ze meestal niet verder dan twee kilometer. Of die ultradiepe winning van aardwarmte, die bedrijven best willen omdat het opgepompte water dan nóg warmer is, hier veilig kan? Daar doet men nu onderzoek naar.

Magmakamer boringen (ijsland)

De hitte van het gesmolten gesteente kan water naar een ‘superkritische’ staat kan brengen. Dit gebeurt wanneer water wordt verwarmd tot boven de 373 graden Celsius onder een druk van 220 bar. Water verandert dan in een substantie die vloeistof noch gas is. In deze superkritische staat zou water tot tien keer meer energie kunnen vasthouden dan wanneer het vloeistof of stoom is. Het gebruik ervan zou de energie-efficiënte van geothermie drastisch kunnen verbeteren. Bovendien is het een CO2-vrije schone bron van energie.

Op Ijsland wilde men naar magma boren op 4,5 kilometer diepte. Maar al op 2 kilometer diepte stuitten de onderzoekers onverwacht op een magmakamer. De gloeiend hete magma kwam omhoog en verwoestte de boorapparatuur. Daarbij gingen giftige gassen de lucht in. Een tweede poging werd ondernomen in 2014, met hetzelfde resultaat. Dus je kan al magmakamers bereiken op 2 km. Dat scheelt enorm in de kosten.

Het Eavor principe (2020)

Je kan een systeem maken dat water eindeloos gebruikt, door het koude water na gebruik terug de grond in te pompen. Bovendien is er minder energie nodig, omdat het koude water in hun gesloten systeem automatisch omlaag stroomt, en het warme water automatisch omhoog - zoals dat ook met koud en warme lucht gaat. Zie onderstaande filmpje. De vraag is wel hoe je de connectie en het netwerk maakt op 3 km diepte. Shell en BP zijn geinteresseerd. 

Aquathermie

Met aquathermie wordt warmte en koude uit water gehaald. Dat water is afkomstig uit diverse bronnen: oppervlaktewater, afvalwater of drinkwater. Huizen en gebouwen kunnen daarmee op een duurzame manier verwarmd of gekoeld worden. Het kan ongeveer 40 procent van de totale warmtevraag in de gebouwde omgeving kan dekken. Aan die vraag wordt nu vooral voldaan door aardgas te gebruiken. Het potentieel potentieel van thermische energie uit oppervlaktewater wordt geschat op ongeveer 150 petajoule. Voor de gebouwde omgeving wordt rekening gehouden met een totale warmtevraag van 350 petajoule.

Een pdf met plaatjes over aquathermie  

Riothermie