Het nieuwe zwarte goud

Mijnbouwkundestudent Douglas Gilding bestudeert een flinterdun laagje zandsteen onder de lichtmicroscoop. Het steentje is in 1953 van twee kilometer diepte naar boven gehaald bij de brandweerkazerne aan de Krakeelpolderweg in Delft. De Nederlandse Aardolie Maatschappij (NAM) boorde daar op dat moment om te kijken of er olie of gas zat. “Het ziet er veelbelovend uit”, zegt Gilding. “Het gesteente heeft een porositeit van twintig á veertig procent. Onder de grond zijn al die holtes gevuld met heet water.”

Niet olie of gas, maar heet water is de delfstof waar steeds meer mijnbouwkundigen en geologen naar zoeken. Zo ook Gilding. Twee jaar geleden vatte hij met een groep medestudenten het plan op om te onderzoeken of aardwarmte onder de campus te exploiteren is om gebouwen mee te verwarmen. De studenten presenteerden hun zogenaamde Delft Aardwarmte Project (DAP) tijdens het 23ste lustrum van de Mijnbouwkundige Vereeniging. “We wilden eens met wat anders komen dan een toren van bierkratjes”, memoreert de student die nu secretaris is van stichting DAP. “We wilden een stunt uithalen waarvan de TU milieuvriendelijker wordt.”
Een twintigtal mijnbouwkundestudenten droeg met afstudeerprojecten bij aan de haalbaarheidsstudie. Dankzij hun onderzoek heeft de TU op 31 augustus een opsporingsvergunning gekregen van het ministerie van economische zaken. De universiteit heeft het recht om in een gebied van 61 vierkante kilometer in de gemeenten Delft en Pijnacker-Nootdorp te zoeken naar aardwarmte.

“Een mooi demonstratieproject voor duurzame energie op eigen terrein”, aldus rector Fokkema (zelf ook geofysicus).
De studenten werken samen met tuinders uit de omgeving, die het hete water willen gebruiken om hun kassen mee te verwarmen. Vooral zij dragen bij aan een ware hausse die gaande is in de geothermie. De tuinders zijn geïnspireerd door tomatenkweker Rik van den Bosch uit Bleiswijk. Hij had genoeg van de hoge en sterk wisselende gasprijzen. In 2008 won hij als eerste tuinder in Nederland geothermische energie. Hij liet twee putten boren naar bijna achttienhonderd meter diepte. De een om water van zestig graden Celsius uit op te pompen, de ander om het weer af te voeren nadat het is afgekoeld tot dertig graden Celsius. Het is noodzakelijk om het water terug te pompen om ondergrondse spanningen in de gesteentes te voorkomen.
Honderdvijftigduizend liter warm grondwater stroomt er nu elk uur door zijn kassen (ruim zeven hectare), waar hij jaarlijks achttien miljoen kilo vleestomaten teelt. De putten besparen hem jaarlijks vijf miljoen kubieke meter aardgas: negentig procent van zijn energieverbruik. Binnen vijf jaar verwacht hij de investering van zes miljoen euro te hebben terugverdiend.
Soortgelijke cijfers over het op te pompen water, heeft ook de TU voor ogen. Daarmee volgt het een handjevol geothermische woningbouwprojecten dat de afgelopen jaren in Nederland van start is gegaan. Want ook gemeenten en woningbouwbedrijven lijken in de ban van aardwarmte. Heerlen pompt vanaf oktober 2008 warm water uit verlaten mijnschachten op voor de verwarming van nieuwbouw. En in Den Haag willen woningbouwcorporaties en energiebedrijven vierduizend nieuwbouwwoningen verwarmen met aardwarmte uit een zandsteenlaag.

Voor de verwarming van gebouwen ligt geothermie wat ingewikkelder dan voor de verwarming van kassen. In landen waar de temperatuur van het ondergrondse water lager is dan honderd graden, zoals Nederland, is stroomopwekking te kostbaar. Voor woningbouw wordt de energie van het ondergrondse water afgetapt door het  langs een dure installatie met warmtewisselaars te laten stromen.
“Het belangrijkste argument om in Nederland gebouwen met aardwarmte te verwarmen, is het milieu”, zegt een persvoorlichter van Eneco. “Het boren en de aanleg van het netwerk is duur. Vanuit kostenoverweging moet je het daarom niet doen. Hét grote voordeel is dat er bij het hele proces geen CO2 vrijkomt. Behalve een klein beetje bij het aandrijven van de pomp.”
Voorwaarde is wel dat er afnemers zijn in de buurt van de warmwaterput. Die zijn er in Delft binnenkort genoeg. De gemeente wil nieuwbouwwoningen over enkele jaren opwarmen met de restwarmte van fabrieken uit de omgeving. Daarvoor wil ze een uitgebreid stelsel van leidingen aanleggen. “Dat hete water kan mooi aangevuld worden met het door aardwarmte opgewarmde water”, aldus Gilding.

Het de bedoeling dat er bij de warmtekrachtcentrale van de TU aan de Leeghwaterstraat een twee kilometer diepe put komt waar water van naar verwachting bijna tachtig graden Celsius uit opgepompt wordt. Maar alles staat of valt bij het vinden van een partner die de energiebron wil exploiteren en die voor de kosten wil opdraaien.

Eneco heeft interesse getoond. Het energiebedrijf vindt vooral het plan van DAP interessant om te experimenteren met een nieuwe boortechniek met buizen van koolstofcomposiet in plaats van staal. Aangezien koolstofcomposiet lichter is, vergt een boring met dat materiaal een kleiner platform, zo is het idee. “Als je boort met staal heb je een joekel van een boorplatform nodig”, zegt Pieter Jan Witvliet, directeur algemene zaken van Eneco. “In stedelijke gebieden kunnen we die platformen niet altijd kwijt.”
Dit najaar verwacht de TU groen licht van het ministerie om aardwarmte te mogen opsporen. Dan kan er geboord worden naar het hete water. Als alle verwachtingen over het aan te boren hete water uitkomen, kan meteen ook de tweede put die nodig is voor exploitatie geboord worden.
De goedkeuring van het ministerie heeft wat vertraging opgelopen omdat er meerdere kapers op de kust bleken te zijn. Ook de gemeente Pijnacker-Nootdorp heeft gevraagd of ze mag zoeken naar warmwaterbronnen. Een aantal tuinders daar heeft ook al vergevorderde boorplannen. In juli besloten gemeente, TU en DAP om te gaan samenwerken.

Op zijn computer laat Gilding een driedimensionaal plaatje zien van de ondergrond van Delft en omstreken. Gekleurde lijntjes geven de putten aan. Maar hoe ze precies komen te liggen is nog onzeker. “Dat hangt af van het geologische model van de ondergrond dat we nu verder uitwerken”, zegt Gilding. “Om te voorkomen dat we elkaar in de weg zitten, moeten we voorspellen hoe het koude teruggepompte water zal gaan stromen. En we moeten de drukken die in de grond ontstaan door de watercirculatie in kaart brengen.”

Uiteraard moet ook een misboring worden voorkomen. Het Delft-zandsteen, vernoemd naar Delft omdat er onder de stad veel van zit, is zo’n honderdvijftig miljoen jaar geleden door rivieren afgezet. Rivierzandsteen is verraderlijk omdat de rivier happen uit zijn eigen oudere afzettingen genomen kan hebben doordat hij continu slingert.
“We moeten de rivieren zien te begrijpen”, zegt Gilding. “Daarom bekijken we de zandkorrels die de NAM in de buurt heeft verzameld onder de microscoop. Zijn de korrels rond, dan zijn ze waarschijnlijk destijds lang door de rivier getransporteerd. Hoekige korrels hebben vaak minder grote afstand afgelegd. Aan de hand van dit soort gegevens proberen we de geschiedenis van het gebied achterhalen.”

De gesteentes vormen een grillig ondergronds landschap. Behalve meanderende rivieren hebben ook tektonische plaatverschuivingen bijgedragen aan ondergrondse bergen. Zo botste het Afrikaanse continent herhaaldelijk tegen Europa aan waarna het zich weer terugtrok. Die verschuivingen hebben tot veel breuken in de grond geleid.
“Je bent nooit honderd procent zeker dat je een goede zandsteenlaag aanboort”, zegt Jan de Coo van het geologisch bedrijf Pan Terra. Pan Terra heeft voor de twee tuinders in Pijnacker-Nootdorp en voor de tomatenkweker in Bleiswijk de ondergrond geanalyseerd. Het bedrijf ondersteunt ook Stichting DAP bij zijn naspeuringen.

“In Bleiswijk was de dichtstbijzijnde proefput – de plek dus waarvan we met zekerheid de gelaagdheid van de grond kenden – vier kilometer verder. Op basis van gegevens uit die put en van seismische data doen we een educated guess over de ondergrond.”

Tuinders, energiebedrijven en geologen hebben volgens de twee onderzoekers niet te klagen. “Nergens in Europa zijn zoveel data beschikbaar over de ondergrond”, zegt Wiebe Van Driel, een collega van De Coo. “Dat komt door de duizenden boringen en proefboringen naar olie en gas die hier na de Tweede Wereldoorlog hebben plaatsgevonden.”
Behalve de gelaagdheid van de gesteentes toont het geologisch model van DAP ook hoe de koudefronten in de grond zich als een inktvlek uitbreiden als de putten eenmaal actief zijn. Na enkele decennia bereikt het koude water, dat weer terug de grond in is gepompt, opnieuw de aanzuigplekken. Volgens Pan Terra is het water dan weer opgewarmd. “Algemeen wordt aangenomen dat op een diepte van 2000 meter en bij een afstand van 1500 meter tussen oppompbron en terugpompbron, het koude water na dertig jaar al lang weer is opgewarmd”, zegt Jan de Coo.

Gilding is het daar niet mee eens. “Het water is dan nog lang niet opgewarmd. De berekening worden nog gedaan, maar dat het meer dan honderd jaar duurt is zeker.”
“In zekere zin vormt de aardwarmte die we aanboren geen onuitputtelijke energiebron”, zegt Gilding. “Over dertig jaar moet de TU er voor zorgen dat ze haar gebouwen ook kan verwarmen met water van zestig graden.”
Tomatenkweker Rik van den Bosch zit daar niet mee. Hij heeft de smaak te pakken. Bij zijn tweede kwekerij in Berkel en Rodenrijs torent een vijftien meter hoog boorplatform uit boven een zee van kassen. Mannen van een Duitse boorfirma zijn druk in de weer met de voorbereidingen voor de laatste grote werkzaamheden.
De put die ze tot nu toe hebben geboord, reikt tot een zandsteenlaag uit het Krijt op 930 meter diepte. De mannen hebben nog een kleine kilometer te gaan en een aantal beduchte kleverige kleilagen te passeren uit de tijd dat het West-Nederlandse bekken een groot moeras was. Pas dan bereiken ze de jackpot; een dikke laag Rijswijk zandsteen met water van zeventig graden Celsius.

“Dit zandsteen is ontstaan toen het gebied strand en zee was”, vertelt TU-alumnus Julien Smeulders, als geoloog werkzaam bij het bedrijf Petrogas Minerals International, dat de boring begeleidt. “Het is veel gelijkmatiger verdeeld dan het Delft Zandsteen, wat de kans op een misboring kleiner maakt. De laag ligt wel een paar honderd meter minder diep, waardoor hij ook minder heet is. Maar zeventig graden is meer dan genoeg voor de kassen.”
“Uiteindelijk gaan we hier in de buurt op tientallen plaatsen boren”, vervolgt de onderzoeker enthousiast. “En later misschien ook op andere plaatsen in Nederland. In het oosten van het land zijn ook plekken waar je het driehonderd miljoen jaar oude Carboon aan kunt boren. Nederland lag toen op de plek waar nu Venezuela ligt. Bij Assen kunnen we misschien zelfs wel water oppompen uit het 450 miljoen jaar oude Ordovicium. Over die lagen is nog nauwelijks iets bekend in Nederland.” 

Andrei Metrikine has been appointed an Antoni van Leeuwenhoek professor at TU Delft. Metrikine was nominated by the Faculty of Civil Engineering and Geosciences, with the appointment committee confirming that Metrikine is regarded as a prominent scientist in the fields of wave mechanics and nonlinear vibrations of solids and structures. “Dr Metrikine is guided by the principle that science must be applicable, but also always fundamental, and he is also an enthusiastic lecturer whose passion for his field is almost infectious.”

Mijnbouwkundestudent Douglas Gilding bestudeert een flinterdun laagje zandsteen onder de lichtmicroscoop. Het steentje is in 1953 van twee kilometer diepte naar boven gehaald bij de brandweerkazerne aan de Krakeelpolderweg in Delft. De Nederlandse Aardolie Maatschappij (NAM) boorde daar op dat moment om te kijken of er olie of gas zat. “Het ziet er veelbelovend uit”, zegt Gilding. “Het gesteente heeft een porositeit van twintig á veertig procent. Onder de grond zijn al die holtes gevuld met heet water.”

Niet olie of gas, maar heet water is de delfstof waar steeds meer mijnbouwkundigen en geologen naar zoeken. Zo ook Gilding. Twee jaar geleden vatte hij met een groep medestudenten het plan op om te onderzoeken of aardwarmte onder de campus te exploiteren is om gebouwen mee te verwarmen. De studenten presenteerden hun zogenaamde Delft Aardwarmte Project (DAP) tijdens het 23ste lustrum van de Mijnbouwkundige Vereeniging. “We wilden eens met wat anders komen dan een toren van bierkratjes”, memoreert de student die nu secretaris is van stichting DAP. “We wilden een stunt uithalen waarvan de TU milieuvriendelijker wordt.”

‘Een mooi demonstratieproject voor duurzame energie op eigen terrein’

Een twintigtal mijnbouwkundestudenten droeg met afstudeerprojecten bij aan de haalbaarheidsstudie. Dankzij hun onderzoek heeft de TU op 31 augustus een opsporingsvergunning gekregen van het ministerie van economische zaken. De universiteit heeft het recht om in een gebied van 61 vierkante kilometer in de gemeenten Delft en Pijnacker-Nootdorp te zoeken naar aardwarmte. “Een mooi demonstratieproject voor duurzame energie op eigen terrein”, aldus rector Fokkema (zelf ook geofysicus).

De studenten werken samen met tuinders uit de omgeving, die het hete water willen gebruiken om hun kassen mee te verwarmen. Vooral zij dragen bij aan een ware hausse die gaande is in de geothermie. De tuinders zijn geïnspireerd door tomatenkweker Rik van den Bosch uit Bleiswijk. Hij had genoeg van de hoge en sterk wisselende gasprijzen. In 2008 won hij als eerste tuinder in Nederland geothermische energie. Hij liet twee putten boren naar bijna achttienhonderd meter diepte. De een om water van zestig graden Celsius uit op te pompen, de ander om het weer af te voeren nadat het is afgekoeld tot dertig graden Celsius. Het is noodzakelijk om het water terug te pompen om ondergrondse spanningen in de gesteentes te voorkomen.

Honderdvijftigduizend liter warm grondwater stroomt er nu elk uur door zijn kassen (ruim zeven hectare), waar hij jaarlijks achttien miljoen kilo vleestomaten teelt. De putten besparen hem jaarlijks vijf miljoen kubieke meter aardgas: negentig procent van zijn energieverbruik. Binnen vijf jaar verwacht hij de investering van zes miljoen euro te hebben terugverdiend.

‘Het belangrijkste argument om in Nederland gebouwen met aardwarmte te verwarmen, is het milieu’

Soortgelijke cijfers over het op te pompen water, heeft ook de TU voor ogen. Daarmee volgt het een handjevol geothermische woningbouwprojecten dat de afgelopen jaren in Nederland van start is gegaan. Want ook gemeenten en woningbouwbedrijven lijken in de ban van aardwarmte. Heerlen pompt vanaf oktober 2008 warm water uit verlaten mijnschachten op voor de verwarming van nieuwbouw. En in Den Haag willen woningbouwcorporaties en energiebedrijven vierduizend nieuwbouwwoningen verwarmen met aardwarmte uit een zandsteenlaag.

Voor de verwarming van gebouwen ligt geothermie wat ingewikkelder dan voor de verwarming van kassen. In landen waar de temperatuur van het ondergrondse water lager is dan honderd graden, zoals Nederland, is stroomopwekking te kostbaar. Voor woningbouw wordt de energie van het ondergrondse water afgetapt door het  langs een dure installatie met warmtewisselaars te laten stromen.

“Het belangrijkste argument om in Nederland gebouwen met aardwarmte te verwarmen, is het milieu”, zegt een persvoorlichter van Eneco. “Het boren en de aanleg van het netwerk is duur. Vanuit kostenoverweging moet je het daarom niet doen. Hét grote voordeel is dat er bij het hele proces geen CO2 vrijkomt. Behalve een klein beetje bij het aandrijven van de pomp.”

Voorwaarde is wel dat er afnemers zijn in de buurt van de warmwaterput. Die zijn er in Delft binnenkort genoeg. De gemeente wil nieuwbouwwoningen over enkele jaren opwarmen met de restwarmte van fabrieken uit de omgeving. Daarvoor wil ze een uitgebreid stelsel van leidingen aanleggen. “Dat hete water kan mooi aangevuld worden met het door aardwarmte opgewarmde water”, aldus Gilding.

Het de bedoeling dat er bij de warmtekrachtcentrale van de TU aan de Leeghwaterstraat een twee kilometer diepe put komt waar water van naar verwachting bijna tachtig graden Celsius uit opgepompt wordt. Maar alles staat of valt bij het vinden van een partner die de energiebron wil exploiteren en die voor de kosten wil opdraaien.

De goedkeuring van het ministerie heeft wat vertraging opgelopen

Eneco heeft interesse getoond. Het energiebedrijf vindt vooral het plan van DAP interessant om te experimenteren met een nieuwe boortechniek met buizen van koolstofcomposiet in plaats van staal. Aangezien koolstofcomposiet lichter is, vergt een boring met dat materiaal een kleiner platform, zo is het idee. “Als je boort met staal heb je een joekel van een boorplatform nodig”, zegt Pieter Jan Witvliet, directeur algemene zaken van Eneco. “In stedelijke gebieden kunnen we die platformen niet altijd kwijt.”

Dit najaar verwacht de TU groen licht van het ministerie om aardwarmte te mogen opsporen. Dan kan er geboord worden naar het hete water. Als alle verwachtingen over het aan te boren hete water uitkomen, kan meteen ook de tweede put die nodig is voor exploitatie geboord worden.

De goedkeuring van het ministerie heeft wat vertraging opgelopen omdat er meerdere kapers op de kust bleken te zijn. Ook de gemeente Pijnacker-Nootdorp heeft gevraagd of ze mag zoeken naar warmwaterbronnen. Een aantal tuinders daar heeft ook al vergevorderde boorplannen. In juli besloten gemeente, TU en DAP om te gaan samenwerken.

Op zijn computer laat Gilding een driedimensionaal plaatje zien van de ondergrond van Delft en omstreken. Gekleurde lijntjes geven de putten aan. Maar hoe ze precies komen te liggen is nog onzeker. “Dat hangt af van het geologische model van de ondergrond dat we nu verder uitwerken”, zegt Gilding. “Om te voorkomen dat we elkaar in de weg zitten, moeten we voorspellen hoe het koude teruggepompte water zal gaan stromen. En we moeten de drukken die in de grond ontstaan door de watercirculatie in kaart brengen.”

Uiteraard moet ook een misboring worden voorkomen. Het Delft-zandsteen, vernoemd naar Delft omdat er onder de stad veel van zit, is zo’n honderdvijftig miljoen jaar geleden door rivieren afgezet. Rivierzandsteen is verraderlijk omdat de rivier happen uit zijn eigen oudere afzettingen genomen kan hebben doordat hij continu slingert.

‘Je bent nooit honderd procent zeker dat je een goede zandsteenlaag aanboort’

“We moeten de rivieren zien te begrijpen”, zegt Gilding. “Daarom bekijken we de zandkorrels die de NAM in de buurt heeft verzameld onder de microscoop. Zijn de korrels rond, dan zijn ze waarschijnlijk destijds lang door de rivier getransporteerd. Hoekige korrels hebben vaak minder grote afstand afgelegd. Aan de hand van dit soort gegevens proberen we de geschiedenis van het gebied achterhalen.”

De gesteentes vormen een grillig ondergronds landschap. Behalve meanderende rivieren hebben ook tektonische plaatverschuivingen bijgedragen aan ondergrondse bergen. Zo botste het Afrikaanse continent herhaaldelijk tegen Europa aan waarna het zich weer terugtrok. Die verschuivingen hebben tot veel breuken in de grond geleid.

“Je bent nooit honderd procent zeker dat je een goede zandsteenlaag aanboort”, zegt Jan de Coo van het geologisch bedrijf Pan Terra. Pan Terra heeft voor de twee tuinders in Pijnacker-Nootdorp en voor de tomatenkweker in Bleiswijk de ondergrond geanalyseerd. Het bedrijf ondersteunt ook Stichting DAP bij zijn naspeuringen.

“In Bleiswijk was de dichtstbijzijnde proefput – de plek dus waarvan we met zekerheid de gelaagdheid van de grond kenden – vier kilometer verder. Op basis van gegevens uit die put en van seismische data doen we een educated guess over de ondergrond.”

Nergens in Europa zijn zoveel data beschikbaar over de ondergrond

Tuinders, energiebedrijven en geologen hebben volgens de twee onderzoekers niet te klagen. “Nergens in Europa zijn zoveel data beschikbaar over de ondergrond”, zegt Wiebe Van Driel, een collega van De Coo. “Dat komt door de duizenden boringen en proefboringen naar olie en gas die hier na de Tweede Wereldoorlog hebben plaatsgevonden.”

Behalve de gelaagdheid van de gesteentes toont het geologisch model van DAP ook hoe de koudefronten in de grond zich als een inktvlek uitbreiden als de putten eenmaal actief zijn. Na enkele decennia bereikt het koude water, dat weer terug de grond in is gepompt, opnieuw de aanzuigplekken. Volgens Pan Terra is het water dan weer opgewarmd. “Algemeen wordt aangenomen dat op een diepte van 2000 meter en bij een afstand van 1500 meter tussen oppompbron en terugpompbron, het koude water na dertig jaar al lang weer is opgewarmd”, zegt Jan de Coo.

Gilding is het daar niet mee eens. “Het water is dan nog lang niet opgewarmd. De berekening worden nog gedaan, maar dat het meer dan honderd jaar duurt is zeker.” “In zekere zin vormt de aardwarmte die we aanboren geen onuitputtelijke energiebron”, zegt Gilding. “Over dertig jaar moet de TU er voor zorgen dat ze haar gebouwen ook kan verwarmen met water van zestig graden.”

‘Uiteindelijk gaan we hier in de buurt op tientallen plaatsen boren’

Tomatenkweker Rik van den Bosch zit daar niet mee. Hij heeft de smaak te pakken. Bij zijn tweede kwekerij in Berkel en Rodenrijs torent een vijftien meter hoog boorplatform uit boven een zee van kassen. Mannen van een Duitse boorfirma zijn druk in de weer met de voorbereidingen voor de laatste grote werkzaamheden.

De put die ze tot nu toe hebben geboord, reikt tot een zandsteenlaag uit het Krijt op 930 meter diepte. De mannen hebben nog een kleine kilometer te gaan en een aantal beduchte kleverige kleilagen te passeren uit de tijd dat het West-Nederlandse bekken een groot moeras was. Pas dan bereiken ze de jackpot; een dikke laag Rijswijk zandsteen met water van zeventig graden Celsius.

“Dit zandsteen is ontstaan toen het gebied strand en zee was”, vertelt TU-alumnus Julien Smeulders, als geoloog werkzaam bij het bedrijf Petrogas Minerals International, dat de boring begeleidt. “Het is veel gelijkmatiger verdeeld dan het Delft Zandsteen, wat de kans op een misboring kleiner maakt. De laag ligt wel een paar honderd meter minder diep, waardoor hij ook minder heet is. Maar zeventig graden is meer dan genoeg voor de kassen.”

“Uiteindelijk gaan we hier in de buurt op tientallen plaatsen boren”, vervolgt de onderzoeker enthousiast. “En later misschien ook op andere plaatsen in Nederland. In het oosten van het land zijn ook plekken waar je het driehonderd miljoen jaar oude Carboon aan kunt boren. Nederland lag toen op de plek waar nu Venezuela ligt. Bij Assen kunnen we misschien zelfs wel water oppompen uit het 450 miljoen jaar oude Ordovicium. Over die lagen is nog nauwelijks iets bekend in Nederland.”