Heetwaterbel onder campus bewaart warmte voor de winter

Volgend jaar worden aan de Balthasar van der Polweg op de campus enkele onopvallende putten geboord. Ook de diepte is met minder dan 200 meter niet heel bijzonder. Wel bijzonder, maar onzichtbaar, is dat de vijf boorgaten de toegang vormen tot een enorme hoeveelheid heet water onder de grond. Energieopslag expert dr.ir. Martin Bloemendal (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, CiTG) berekende dat de 500 duizend kubieke meter heet water onder de grond ongeveer drie keer de EWI-toren zouden kunnen vullen.

Het hoge-temperatuur open bodemenergiesysteem op de campus wordt een van de grootste, meest complexe en meest intensief bemeten warmteopslagsystemen in Europa.

Afgelopen voorjaar publiceerden Bloemendal en collega’s erover voor de Europese Geo-sciences Union, de Europese organisatie voor aardonderzoek. De warmte-opslag op de campus, zo onzichtbaar als die is, moet een unieke infrastructuur worden voor demonstratie, onderwijs en onderzoek, aldus de onderzoekers onder leiding van hoogleraar geothermie prof.dr. Phil Vardon (CiTG).

De ondergrondse warmteopslag vormt een aanvulling op de Delftse aardwarmtebron. Die pompt van 2 kilometer diepte warm water (75 tot 80 graden Celsius) omhoog met een hoeveelheid van 350 kubieke meter per uur. Evenveel afgekoeld water gaat via een andere put retour. Een geothermische bron werkt het best bij een constante warmteproductie. Maar de warmtevraag is allesbehalve constant en erg seizoensafhankelijk.

Vraag en aanbod

Heet water dat tussen april en oktober niet nodig is voor verwarming, wordt ondergronds opgeslagen. Het vormt een reserve voor de winterperiode wanneer de warmtevraag (rood) het aanbod van de geothermische bron (groen) overtreft. Bloemendal berekende de hoeveelheid heet water in de opslag op 500 duizend kubieke meter. Dat is de inhoud van tweehonderd olympische zwembaden, of drie keer de EWI-toren.

Het warme water vormt in een watervoerende laag in de ondergrond een hoedendoos van 60 meter hoog (tussen twee kleilagen op 120 en 180 meter diepte) en een diameter van circa 120 meter.

Het opslagsysteem bestaat uit twee hete bronnen van 80 graden Celsius en drie warme van 50 graden. In de winter levert het systeem warmte aan het warmtenet van de campus en de gemeente door water van de hete bron via een via warmtewisselaar naar de warme bron te pompen.

In de zomer keert de stromingsrichting tussen de hete en warme bronnen om, en wordt het hete reservoir gevuld met warmte uit de diepe geothermische bron. Hierbij wordt de temperatuur eventueel nog verhoogd tot 90 graden. Dat gebeurt met een warmtepomp als het elektriciteitstarief laag is.

Volgens de berekeningen kan op die manier aardwarmte in 90 procent van de warmtebehoefte van de campus en aangesloten wijken voorzien. Directe geothermie dekt 60 procent van de vraag, de hoge-temperatuur ondergrondse opslag voegt daar 30 procent aan toe. Pieken in de warmtevraag, goed voor 10 procent van het totaal, worden opgevangen met aardgasketels in het gebouw van de warmtekrachtcentrale.

“Daar kiezen we nu voor”, zegt Bloemendal, “omdat die ketels er toch al staan. Bij aanleg van een nieuw systeem zou je dat anders doen. Je kunt ook zeggen: trek maar even een trui aan op die enkele koude dagen.”

Nood maakt vindingrijk

Het idee om heet water op te slaan in de grond is niet nieuw. De eerste projecten in Nederland ontstonden na energiecrises. In 1973 kreeg de westerse wereld te maken met een olieboycot en in de tachtiger jaren raakte gasleveranties uit de Sovjet-Unie verstoord. Energieprijzen schoten omhoog, en onderzoekers gingen op zoek naar alternatieve warmtebronnen. Vindingrijke geesten bedachten dat het mogelijk moest zijn om de warmte van de zomer ondergronds op te slaan voor gebruik in de winter.

De wijk Beijum van de stad Groningen kreeg in 1985 een hoge temperatuuropslag van zonnewarmte, de Universiteit Utrecht sloeg warmte op van de eigen warmtekrachtcentrale (1991), net als een gezondheidscentrum in Zwammerdam.

Niet alles werd een succes. Minder dan de helft van de opgeslagen warmte kwam ook terug en toen de energieprijzen weer daalden was de warmteopslag vaak niet meer rendabel, zo valt te lezen in het rapport State of the Art HT-ATES in the Netherlands van Heatstore. Alleen de hoge temperatuur warmteopslag in Beijum is nu nog in gebruik.

Onzekerheden

Het ontwerp voor de warmteopslag op de campus houdt rekening met deze lessen uit het verleden. Het grote volume van 500 duizend kubieke meter is in overeenstemming met de aanbevelingen van Heatstore. Verder zijn oudere gebouwen op de campus zodanig geïsoleerd dat ze aan 70 graden invoer genoeg hebben voor de verwarming.

Onzekerheden zijn er vooral over het rendement van de opslag, ondergrondse verspreiding van het hete grondwater, microbiële en chemische gevolgen. Met dat doel worden in de omgeving richting de tien boorputten gemaakt die de temperatuur op over de hele diepte meten. Voor de kwaliteit van het grondwater is in april een monitoringsbron geboord die ook is gebruikt om testen uit te voeren.

Risico’s zijn er altijd. Kalkafzettingen kunnen buizen doen dichtslibben. Hetzelfde kan ook gebeuren door de opbouw van microbiële films. Een andere onzekerheid is het rendement van de HT-warmteopslag. In het begin verwacht Bloemendal een rendement van 40 tot 50 procent. Na een aantal jaren in bedrijf kan dat toenemen tot 70 of 80 procent omdat de ondergrond is opgewarmd en de afkoeling vermindert.

Uiteindelijk is de missie om hoge temperatuur warmteopslag in een stedelijke omgeving te ontwikkelen en te demonstreren, inclusief de besturing en integratie in het energiesysteem. Het moet laten zien hoe een conventioneel warmtenet om te zetten is naar een toekomstbestendig en fossielvrij warmtenet.

Achterliggend is natuurlijk het doel om onafhankelijk te worden van aardgas en een (zo goed als) CO₂-vrij verwarmingssysteem te ontwikkelen. Dat is een belangrijke opgave als je beseft dat in Europa verwarming en koeling verantwoordelijk zijn voor de helft van het fossiele energieverbruik.