Hoe de campus overschakelt op aardwarmte

De Europese Commissie verwacht dat geothermie een belangrijke rol gaat spelen in de energietransitie en investeert daarom 3,4 miljoen euro in het Europese onderzoeks- en opleidingsprogramma EasyGo (Efficiency and Safety in Geothermal Operations). De leider van dit project is dr. Maren Brehme van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen.

Binnen het EasyGo-project  werken onderzoekers van de zogenaamde IDEA League samen (TU Delft, ETH Zurich, RWTH Aachen and Politecnico di Milano). Van het geld worden onder meer 13 promovendi aangenomen. Vijf daarvan doen hun onderzoek in Delft.

Onderzoeksleider dr. Maren Brehme (CiTG) zegt: “We willen de volgende generatie leiders in de geothermie opleiden met de meeste ervaring, de beste vaardigheden en een optimaal netwerk. En we geloven dat dit project dat waarmaakt.”

Waterreservoir
Het project sluit naadloos aan op het plan van de TU om een geothermische bron aan te boren van 75 graden die gebouwen op de campus en omgeving van warmte moet gaan voorzien. Ergens in 2021 worden er twee leidingen geboord vanaf de campus naar een warmwaterreservoir op ruim twee kilometer diepte onder de A13.

Hoe gaat dat in zijn werk? Met bijgaande illustratie leggen we het je uit.

De Delftse geothermische bron van 75 graden moet gebouwen op de campus en omgeving van warmte gaan voorzien. De installatie bestaat uit een (1) aanvoer- en een (2) afvoerleiding die vanaf de Leeghwaterstraat 800 meter verticaal omlaag gaan. Op ongeveer 500 meter diepte bevindt zich een (3) pomp die 300 kubieke meter water per uur verpompt – een volume van twaalf vrachtwagens. Vanaf een knik op 800 meter diepte lopen de leidingen naar verschillende plekken van hetzelfde warmwaterpakket op 2,3 kilometer diepte. De aanvoer (producer) heeft aan het oppervlak een temperatuur van ongeveer 75 graden. De afvoer (injector) heeft een temperatuur van 50 graden. In de tijd dat het grondwater van de injector naar de producer vloeit, warmt het weer op door de aardwarmte.

Meerlaagse leidingen
De leidingen hebben aan de oppervlakte een diameter van 50 centimeter, onderin de put 10 tot 15 centimeter. Om lekkages te voorkomen door corrosie van het warme zoute grondwater, zijn de leidingen meerlaags uitgevoerd. De buitenwand (4) is van cement, gevolgd door een stalen pijp (5) en een epoxy binnenmantel (6). In de waterstroom bevindt zich (7) een glasfiber voor de meting van temperatuur en druk binnen de leiding. Op vier plekken rondom de put zijn seismometers (8) aangebracht op ongeveer 100 meter diepte. Dat is genoeg om ze te isoleren van de bedrijvigheid aan de oppervlakte. De meetpunten registreren de opbouw van de ondergrond door seismische metingen in hoge resolutie. Daarnaast registeren ze met elektromagnetische metingen dichtheidsverschillen, en daarmee de grondwaterstromen door het (9) reservoir.

De bron levert zo’n dertig jaar lang warmte

Aan de Leeghwaterstraat, naast de bestaande warmtekrachtinstallatie, komt een installatie die aardgas uit het grondwater afvangt. Daarna wordt het hete grondwater gefilterd en door een warmtewisselaar geleid die de warmte van het grondwater overbrengt naar het (10) warmtenet van de campus bij een temperatuur van 75 graden. Bij oudere gebouwen (11,12) zullen aanpassingen aan de verwarming nodig zijn omdat die op een hogere ingangstemperatuur is ingesteld. Die aanpassingen stonden in de planning, maar worden nu eerder uitgevoerd. Na de warmtewisselaar is de temperatuur van het water zo’n 50 graden.

30 Jaar klimaatneutrale warmte
De aanleg van het doublet (combinatie van aan- en afvoer van heet grondwater) kost zo’n 22 miljoen euro. Daar komt nog 8 miljoen euro bij voor onderzoek. Naar verwachting levert de bron zo’n dertig jaar lang klimaatneutrale warmte voor de campus en omgeving. Bij een retourtemperatuur van 50 graden levert de bron ruim 8 megawatt thermisch vermogen. Nederland telt momenteel ruim twintig doubletten, de meeste zijn op initiatief van tuinders aangelegd. Nabij Delft zijn dat Duijvestein en Ammerlaan. Het Platform Geothermie wil dat aantal in 2025 verdrievoudigen naar 75. Op lange termijn wordt door het Energie Bedrijf Nederland (EBN) zelfs gedacht aan 700 doubletten in het Nederland van 2050.

Productie én onderzoek
Dr. Phil Vardon (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen) coördineert het geothermieproject, of het Delfts Aardwarmte Project (DAP) zoals dat bij het initiatief in 2008 werd genoemd. Het bijzondere aan dit project is volgens Vardon dat warmteproductie hand in hand gaat met onderzoek. Hij noemt de betrokken vakgebieden: geologie, geofysica, data-assimilatie, reservoirsimulaties en geochemie.

Wat doe je met water van 75 graden als het buiten 30 graden is?

Met vier meetputten en twee glasfibers door de leidingen wordt dit het best bemeten doublet ooit. De vorm en afmetingen van het reservoir, de stroming van water van verschillende temperaturen, het ontstaan van scheuren in het gesteente – ze gaan het allemaal meten. Vardon hoopt op een veelvoud van data zodat de onderzoekers in praktijk met veel minder meetinstallaties toch voldoende informatie over de bron verkrijgen. Door computersimulaties continu te voeden met nieuwe meetgegevens worden de onzekerheden in de berekeningen kleiner. Die methode, data-assimilatie, wordt ook bij weersmodellen toegepast.

Voor een ander programma zullen onderzoekers veel boorkernen gaan winnen. Vooral uit de laag tussen de 100 meter en 2 kilometer diepte, waar weinig over bekend is. Omdat op die hoogte geen olie of gas voorkomt, was daar nooit veel belangstelling voor. Nu willen onderzoekers weten of die tussenlaag mogelijkheden biedt voor diepe warmte- en koudeopslag (aquifer thermal energy storage of ATES).

Wat te doen met aardwarmte wanneer de verwarming uitstaat? In de zomer is de behoefte aan aardwarmte klein, maar de pomp blijft draaien, al is het mogelijk minder hard. Wat doe je met water van 75 graden als het buiten 30 graden is? Vardon kan drie toepassingen verzinnen die nader onderzocht worden. Het opwarmen van ondiepe geothermie systemen, zoals in gebruik bij de bibliotheek (13), is een mogelijkheid. Omzetting in elektriciteit middels een organische rankinecyclus kan ook. Hierbij wordt een organische vloeistof met laag kookpunt gebruikt om een stoomturbine aan te drijven. En dan is er nog een paradoxale mogelijkheid om de aardwarmte in te zetten om te koelen.

Installatie en exploitatie
De TU Delft is partner in het Delftse geothermie project, samen met EBN en Hydreco Geomec. Als de laatste onderhandelingen zijn afgerond zullen de partners een bedrijf starten dat de installatie en exploitatie van aardwarmte voor de campus zal verzorgen. Ook heeft de TU Delft in juli 2019 een samenwerkingsovereenkomst getekend met woningcorporaties Woonbron, Vestia, Videomes, DUWO, NetVerder en gemeente Delft voor de aanleg van een warmtenet waarmee de resterende aardwarmte op 50 graden de wijken (14) in stroomt. De retourtemperatuur daalt dan naar 30 graden waardoor het afgenomen vermogen toeneemt van 8 naar 15 megawatt.