Europa is begonnen met de transitie naar een nieuwe groene energievoorziening voor de industrie en huishoudens van de toekomst.

Gehoor gevend aan de diverse klimaatakkoorden is een begin gemaakt met de ontmanteling van energievoorziening door fossiele brandstoffen zoals gas, olie en kolen. 

Uiteraard betekent dit ook dat er haast gemaakt moet worden met alternatieve, liefst herbruikbare energievoorziening om het vacuüm op te vullen. Er wordt geïnvesteerd in wind- en zonne-energie, geothermie, biogas, waterstof, getijden, waterkracht etc., maar ook in het verbruik van ledlampen, elektrische auto’s etc. Het momenteel nog relatief kleine percentuele aandeel hiervan in de energiehuishouding zal in de komende decennia zeer sterk moeten toenemen. 

Gelukkig is er volop ontwikkeling en studie naar de diverse energiesystemen, de rendementen verbeteren snel en de kostprijs daalt sterk. Om voor de toekomst de juiste en betaalbare keuzes te maken zal niet alleen gekeken moeten worden naar de aktuele effectiviteit, maar zal ook geanticipeerd moeten worden op toekomstige ontwikkelingen. Effectiviteit en rendement enerzijds maar ook de beschikbaarheid, effecten op de ruimtelijke ordening (en de inbreuk hierop) bepalen uiteindelijk het succes van de keuzes die nu gemaakt moeten worden. 

Het overgrote merendeel van het totale energie verbruik bijvoorbeeld in Nederland wordt besteedt aan warmte (55%). Stroomverbruik en energievervoer hebben ieder een aandeel van 20%. 

Momenteel wordt deze warmte bijna volledig indirect geleverd door verbranding van aardgas en kolen en deels door omzetting van elektriciteit naar warmte in geval van wind- en zonne-energie. Bij de verbranding komt CO2 vrij (maar ook roet en fijne deeltjes) wat op korte termijn verplicht teruggedrongen moet worden. De meest logische stap met betrekking tot de warmtevoorziening is over te schakelen op een energiebron die direct de warmte kan leveren zonder dat hierbij sprake is van enige uitstoot. De mogelijkheid hiervoor wordt geboden door aardwarmte ofwel geothermie die bovendien onuitputtelijk is. 

Om de energie transitie succesvol te laten verlopen zullen de juiste keuzes gemaakt moeten worden. Welke keuze het beste is, hangt af van de volgende factoren:

• Continue beschikbaarheid

• Kosten per energie eenheid (het moet betaalbaar blijven!)

• Installatie kosten (en beslag op het milieu)

• Onderhoudskosten (en beslag op het milieu)

• Belasting voor de omgeving (inbreuk op milieu)

• Verwachte ontwikkeling van productiekosten en rendement.

• Benodigde infrastructuur aanpassingen (en beslag op het milieu)

• Benodigde kennis en mankracht voor installatie en onderhoud

Een onderbelicht aspect van de energievoorziening is warmte. Er bestaan diverse stimulerings-programma’s voor elektriciteit ontwikkeling (zonnepanelen, windmolens) maar wat betreft de warmtevoorziening is er geen duidelijk overheidsbeleid ontwikkeld. Dit is des te opmerkelijker als men zich realiseert dat warmtevoorziening een meer dan 55% aandeel heeft in het totale energie verbruik. Het aandeel van stroomvoorziening ter illustratie bedraagt “slechts” 20%. De warmtevoorziening wordt momenteel voor het leeuwendeel (80%) voorzien door aardgas aangevuld met biomassa (uit vuilverbranding). Het aandeel van hernieuwbare ‘groene” energie schommelt sinds een decennia rond een schamele 5%. 

Van de totale warmtevraag in Nederland wordt momenteel 4% geleverd door warmte-netten in met name de grotere steden. In de diverse klimaatplannen wordt veel nadruk op gelegd dat juist hier veel winst geboekt kan worden door uitbreiding van deze warmtenetten op grote schaal. 

Met name in blokverwarming die door gas cv ketels worden verwarmd kan enorme winst geboekt worden. In Nederland alleen al gaat het hier om 500.000 appartementen. Verwarming door middel van geothermie zou hier ideaal voor zijn en zou het aandeel van hernieuwbare energie een substantiële boost kunnen geven. 

Het aandeel van elektriciteit in het totale energieverbruik in Nederland bedraagt 20%. De inzet van alternatieve groene systemen in de voorziening hiervan zijn in de afgelopen jaren gegroeid van 5%  tot 12.5%. Het betreft dan voornamelijk systemen die gebruik maken van wind of de zon. Het nadeel van deze systemen zit hem in de continue beschikbaarheid want deze systemen zijn momenteel sterk afhankelijk van de beschikbaarheid van wind- en zonne-uren. De frequentieschommelingen in wind-, en zonnesterkte resulteren bovendien ook in frequentieschommelingen in de geleverde stroomsterkte. 

Om deze productieproblemen op te vangen, zijn op dit moment een aantal oplossingen voorhanden.

Rendementsverbetering

Het rendement van wind-, en zonne-energie opwekking maakt, door verbetering van techieken, een progressieve ontwikkeling door. Uit het verloop van de curves van de afgelopen 25 jaar kan een redelijke inschatting worden gemaakt van de te verwachten toekomstige rendementen. 

Backup-energie systeem

Om continue, stabiele levering aan het energiegrit te garanderen fungeren momenteel de huidige fossiele brandstofcentrales als standby voorziening dat de gewenste ontmanteling van deze centrales zal vertragen. Het is dus zaak alternatieve energiebronnen te ontwikkelen die de stabiliteit en continuïteit van het elektriciteitsnet kunnen garanderen. Wellicht dat een mix van geothermie, biomassa, getijde/waterkracht energie hier aan kunnen bijdragen. 

Energiedistributie

Door middel van (tijdelijke) opslag van energie kan de beschikbaarheid en stabiliteit worden geëgaliseerd. Om dit succesvol toe te passen zal niet alleen de productie capaciteit van wind-, en zonne-energie moeten worden vermeerderd, maar zal bovendien het distributiesysteem moeten worden geactualiseerd. De meest voor de hand liggende dragers zijn momenteel accu’s en waterstof. 

Accu’s zijn praktisch maar behoorlijk milieu belastend waardoor deels het groene karakter van deze alternatieve energie wordt teniet gedaan. Wel wordt verwacht dat in de naaste toekomst accu’s/batterijen grote ontwikkelingen zullen ondergaan betreffende efficiëntie in techniek, productie en capaciteit.

Waterstof (dat geproduceerd kan worden middels zonne-energie) heeft als voordeel dat de opslag en verbranding nauwelijks milieubelastend is. Omdat waterstof goed transporteerbaar is bestaat de mogelijkheid dit te importeren uit het buitenland. Waterstof als energie vorm behoeft echter wel grote netwerk aanpassingen van productie, opslag, distributie en verbranding/energie omzetting (in centrales en huishoudens) wat wellicht wederom bezwarende milieueffecten met zich mee brengt. 

Geothermie maakt gebruik van de aardwarmte. De warmte in de aardkost is onuitputtelijk en continu aanwezig op iedere locatie. Met de techniek van vroeger was exploitatie van aardwarmte vrijwel alleen mogelijk op plaatsen waar energie aan het aardoppervlak kwam zoals in bijvoorbeeld IJsland. Twee belangrijke ontwikkeling hebben bijgedragen aan een veel ruimer toepassingsgebied. Ten eerste kan met de huidige warmtewisselaartechnologie geringe temperatuurverschillen efficiënt worden omgezet in toepasbare energie. Ten tweede kan men op de dag van vandaag eenvoudiger en dieper in de aardlaag boren waardoor de installatie van geothermische systemen economisch rendabeler is geworden. 

Vanuit de kern van de aarde vindt er sinds het ontstaan van de aarde afkoeling plaats. Deze afkoeling krijgt gestalte
door de vorming van enorme pluimen die zich vanuit de kern door de aarde heen beweegt naar de buitenrand van de aardbol waarover het zich verspreidt. Een niet aflatend proces wat zich nog miljarden jaren zal continueren.
Ter illustratie: op sommige gebieden stijgen deze pluimen tot aan het aardoppervlak, zoals bijvoorbeeld in Hawaii, IJsland en Yellowstone Park. 

De warmtestroming die dit proces tot gevolg heeft is op iedere plek van de wereld waarneembaar en verplaatst zich door convectieve en conductieve processen. Afhankelijk van de geologische opbouw van de aardkorst varieert de mate van warmtestroming maar is deze vrijwel wel op iedere locatie van de wereld “oogstbaar”. 

Deze warmtestroming is bovendien meetbaar, voorspelbaar en gedraagt zich via natuurkundige wetten: de thermodynamische wetten. Door het registreren van een aantal meetbare parameters op een locatie is het daardoor mogelijk vast te stellen wat de geothermische potentie is op diezelfde locatie. Het betreft hier voornamelijk de doorlaatbaarheid van de geologische lagen (de permeabiliteit) en de dichtheid (porositeit) van het gesteente maar ook de geleidbaarheid van dit zelfde gesteente, de warmtestroming (flux) en tenslotte de thermische gradiënt. Dit is de mate van toename van de temperatuur van gemiddeld 3 graden per iedere 100 meter diepte. 

‘Oude’ Nederlandse geothermische systemen.

Zoals gezegd kan men in Nederland relatief eenvoudig aardwarmte “aanboren”. 

Wat meestal niet gerealiseerd wordt is dat toepassing in Nederland hoofdzakelijk betrekking heeft op een enkele vorm van geothermie: de doublet. Een vorm van geothermie waarbij een tweetal putten wordt geboord waarvan één dan dienst doet als productieput van waaruit heet water wordt opgepompt en de andere dient voor het terugvoeren van dit opgepompte water als het zijn warmte op het oppervlak heeft afgedragen. Een systeem dat in theorie grote opbrengsten kan genereren tegen relatief lage kosten. Het lijkt een perfect systeem voor het winnen van duurzame en goedkope energie. In theorie is dit ook juist en als alles volgens plan verloopt is de ontwikkelaar van de bron en de afnemer van de energie ook een absolute spekkoper. De werkelijkheid blijkt helaas vaak niet te stroken met de theorie. Boor-technische complicaties, verstoppingen in het oppomp en terugpomp traject, seismische problemen zoals bevingen en scheuringen, tegenvallende watervolumes en debiet zijn slechts enkele van de veel voorkomende problemen. 

Het doublet systeem is een geforceerd geothermisch systeem. Het maakt weliswaar gebruik van de aanwezigheid van formatiewater dat door waterdoorlatende lagen op grote diepte stroomt maar door het oppompen forceert het op onnatuurlijke wijze de stroomsnelheid van dit formatiewater door de geologische lagen met een significante factor. Niet alleen veroorzaakt dit spanningsvelden in het op en terugpomp gebied (onder- versus overdruk), migratie van fijne deeltjes door de waterdoorlatende lagen (aquiferen) maar bovendien kan het de karakteristieken van deze geologische lagen volledig veranderen. 

Problemen overwonnen door nieuwe techniek!

Inmiddels is een volledig nieuwe techniek ontwikkeld waarmee de hierboven beschreven bezwaren en complicaties tot het verleden behoren. Deze techniek betreft een systeem waarin in een enkel gat circulatie tot stand wordt gebracht waarbij gebruik wordt gemaakt van de warmtestroming in de aardlagen en is niet afhankelijk van de aanwezigheid van ondergrondse waterstroming. Door de volledig andere opzet en installatie van deze techniek zijn de problemen die bij doubletten vaak optreden overwonnen en wordt een duurzaam en betrouwbaar systeem geboden voor het leveren van in principe onuitputtelijke geothermische energie uit de Nederlandse bodem. 

Geothermie in Nederland: het NotusPid enkelgat-systeem.

Het NotusPid systeem is gebasseerd op zuivere geothermische dynamiek. Het maakt gebruik van de stroming van warmte door de aardkorst. Het is daarom ook niet afhankelijk van de aanwezigheid van ondergrondse waterstromingen zoals bij de doublet technologie. Het gevolg hiervan is dat het praktisch overal toegepast kan worden. De energie ligt dus letterlijk aan uw voeten. Het toepassingsgebied varieert van ondiepe toepassingen van 500 tot 1000 meter in combinatie met warmtepomp technologie maar kan ook op midden- en ultradiepe boringen geïnstalleerd worden. De ideale toepassing is uiteraard volledig afhankelijk van de vraag. 

Het systeem kan zo ontworpen worden dat het exact voldoet aan de vraag. Zowel midden in een stad als op een afgelegen locatie, we brengen de energie tot aan de voordeur. Het is ook mogelijk om meerdere enkelgat-systemen aan te leggen waardoor een energieveld ontstaat. Omdat het enkelgat systeem autonoom funktioneert, kan er op geringe afstand (afhankelijk van de diepte) meerdere systemen geinstalleerd worden. Hierdoor kan een energieveld worden geactiveerd waarbij grote vermogens kunnen worden geproduceerd.

Voordelen:

•  Flexibel (naar behoefte, geen onder/over capaciteit)

•  Continue 24/7 productie

•  Eenvoudige, flexibele installatie (eenvoudige techniek)

•  Lage onderhoudskosten (geen verstoppingen van filters)

•  Lage storingsgraad

•  Zeer lange levensduur van de bronnen (>50 jaar)

    (geen droogvallende bronnen (het bestaande formatie water wordt oneindig gecirculeerd))

Kleinschalige toepassing

Ondiepe geothermie is ideaal om een aantal woningen, appartementenblok of een flatgebouw te voorzien van warmte en desgewenst ook van koeling. Met gebruikmaking van warmtepomptechnologie is de toepassing vrijwel universeel.

Grootschalige toepassing

Door het systeem op grotere diepte (rond de 2500 meter) te installeren zal ook de opbrengst belangrijk toenemen. Op een diepte van 2500 meter is de temperatuur dusdanig hoog dat het gebruik van warmtepompen niet meer nodig is. Ideaal voor zowel woonwijken, winkelcentra en industriele toepassingen

Problemen overwonnen door nieuwe techniek!

Inmiddels is er een volldig nieuwe techniek ontwikkeld waarmee de bezwaren van complicaties/storingen, hoge risico’s en de onzekere continuïteit tot het verleden behoren. Deze techniek betreft een ‘gesloten’ enkelgat-systeem zonder complicaties en met een lange levensduur. Met dit systeem zijn alle problemen overwonnen en wordt een duurzaam en betrouwbaar systeem geboden voor het leveren van in principe onuitputtelijke geothermische energie uit de Nederlandse bodem.

Het systeem

Het door NotusPid ontwikkelde enkelgats systeem betreft een systeem dat zowel ingezet kan worden voor hydrothermale geothermie (zoals doubletten) maar ook voor petrothermale geothermie. Dus in non-aquifere omstandigheden. 

De technologie maakt gebruik van de gegevens dat ten eerste er warmte convectie plaatsvindt in de gehele aardkorst als gevolg van een continue stroming van vloeibaar gesteente vanuit de kern van de aarde, zogenaamde ‘plumes’. Ten tweede wordt gebruik gemaakt van de waterverzadiging van het gesteente in de aardkorst. Gebaseerd op natuurkundige thermodynamische processen wordt de warmte middels convectie over de aardkorst verdeeld waarbij porositeit, permeabiliteit en geleidingswaarden van het gesteente en verregaande rol spelen. 

De werking

Middels een boring met grote diameter (tot een vooraf bepaalde diepte die afhankelijk is van de gewenste opbrengst en temperatuur) wordt een bron gecreëerd met de gewenste omgevingstemperatuur (afhankelijk uiteraard van de geothermische gradiënt). Door de waterverzadiging van het gesteente in de aardkorst zal de boorkolom zich automatisch vullen met water tot ongeveer 10 meter onder het maaiveld alwaar de formatiedruk nivelleert met de atmosferische druk. De collectie van het hete formatievloeistof vindt plaats via een geïsoleerde buis welke tot op de bodem van de boorput zal worden aangebracht. Het laatste traject van deze buis betreft een gefilterd open deel. Middels deze buis wordt de formatie vloeistof opgebracht naar het oppervlak met behulp van een circulatie pomp. De vloeistof wordt door een warmtewisselaar geleid waar de temperatuur wordt overgedragen op een ander medium. De te retourneren afgekoelde vloeistof wordt middels een viertal buizen in hetzelfde gat terug gevoerd. 

De teruggevoerde vloeistof (met een lagere temperatuur dan de opgezogen vloeistof) wordt terug gebracht in de formatie tot het punt dat de omgevingstemperatuur tussen de 5 – 10 % hoger is dan de temperatuur van de teruggevoerde vloeistof. Door het temperatuurverschil met de omgeving ontstaat op het “release” punt een temperatuur verschil (“temperature sink”) dat zal zorgen voor het opwekken van inductie van warmtestroming in de formatie. 

Het gegeven dat de geretourneerde vloeistof in toenemende mate in een hogere omgevingstemperatuur komt, heeft tot gevolg dat er warmte uitwisseling plaatsvindt met de vloeistof aanwezig in de formatieporiën. Deze uitwisseling neemt toe met de toename van diepte in een peervorm welke derhalve ook de convectie-peer wordt genoemd. Door het gecreëerde temperatuurverschil tussen de boorschacht enerzijds en het formatie gesteente anderzijds wordt een warmtestroming op gang gebracht die door middel van de permeabiliteit en interactie met de  poriën-vloeistof leidt tot uitwisseling en opwarming van de geretourneerde vloeistof. Het is wetenschappelijk aangetoond dat binnen dit proces een energieverdichting tot stand wordt gebracht welke een factor 4 tot 5 hoger ligt aan de boorschacht ten opzichte van het convectie grensgebied. Het geretourneerde water ondervindt bovendien ook opwarming door middel van conductie.

Aangezien de convectie over een lange vertikale afstand plaatsvindt vindt er derhalve ook geothermische energiewinning plaats over deze zelfde lengte. Dit in tegenstelling tot de doublet technologie waarbij energiewinning plaatsvindt op een relatief kort horizontaal deel. 

Bovenstaande technologie leidt direkt tot een 5 tal grote voordelen ten opzichte van de doublet en EGS technologie:

• Uitsluiting werking risico (het systeem is niet afhankelijk van het tot stand brengen van een waterstroming binnen een aquifer, natuurlijk of kunstmatig)

• Uitsluiting bevingen/scheuringen; (doordat circulatie binnen een enkel gat tot stand wordt gebracht is er geen sprake van onder/overdruk dan wel op een andere wijze de creatie van een spanningsveld welke tot verregaande instabiliteit kan leiden binnen de formatie)

• Geen mineralisatie/aanslag problematiek. Doordat in principe nagenoeg hetzelfde water wordt gerecirculeerd, vindt er geen aanvoer plaats van “vers” water welke een opeenstapeling van mineralen zouten etc kan betekenen

• Doordat geen gedwongen stroming binnen de formatie wordt geïnduceerd vindt er ook geen migratie plaats binnen het gesteente waardoor de formatie kan verstoppen en de permeabiliteit drastisch kan veranderen zoals regelmatig is aangetoond bij werkzame doubletten. Er vindt bovendien ook geen transport plaats binnen het gesteente van fijne deeltjes en mineralen.  

• Door het uitsluiten van de productiepomp welke een overcapaciteit zuigvermogen moet leveren en een injectiepomp welke met een overdruk water dient te retourneren en deze te vervangen door een eenvoudige circulatiepomp kan de COP-waarde verbeterd worden.

Hoe vaak nog gestoten aan dezelfde steen...

• Het enkelgatssysteem is dus universeel, multi-toepasbaar, geringe onderhoudskosten, geen “down-time” voor vervangen onderdelen of opnieuw gangbaar maken van de bron.

• Het is bovendien voorspelbaar wat betreft opbrengst op zowel korte als lange termijn, 

• de levensduur is vrijwel onbeperkt.

• Het kent niet allerlei vervelende bijwerkingen zoals aardbevingen, dichtslippen van filters, veranderingen in de ondergrond, vervuiling door zware metalen.

• Het kan zowel voor hele grote als heel kleine projekten worden toegepast, energie op maat.

• Geen ingewikkelde constructies om de eventuele overcapaciteit kwijt te raken. Is er geen warmte nodig dan schakel je hem simpelweg uit. Net zo eenvoudig als een lichtschakelaar!

• Waarom wordt het dan niet breed toegepast?
  Dat is inderdaad de grote vraag en het antwoord hierop is zowel onthutsend als simpel. In het huidige investeringsklimaat is men totaal gefocust op wat de opbrengst is per geïnvesteerde euro. Op papier lonken de grote opbrengsten van doubletten. Door nog groter pompvermogen in de bronnen toe te passen zijn de opbrengsten geweldig, dit lijkt te mooi om waar te zijn,…en dat is het ook. 

• Wordt in het verdienmodel meegenomen dat er continu problemen zijn met filters, dat de doorlaatbaarheid van de aardlagen veranderd door de geforceerde stroming,...dat er miljoenen gespendeerd worden aan het regeneren van bronnen,...vervangen van apparatuur? 

• Het wordt tijd de illusie te vervangen voor een werkbaar alternatief.

• De oplossing ligt in de eenvoud. Verwarming door een eenvoudige ongecompliceerde boring en dito installatie, flatgebouw voor flatgebouw, fabriekshal voor fabriekshal, sporthal voor sporthal, de toepassingen zijn eindeloos, eenvoudig en rendabel