Hoe werkt het systeem?
Geothermie maakt gebruik van de aardwarmte. De warmte in de aardkost is onuitputtelijk en continu aanwezig op iedere locatie.
Wat is geothermie?
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 waarbij gebruikt gemaakt wordt van het gegeven dat de aardkorst verzadigt is met water wat voor transport van de warmte zorg draagt. Conductie is hierbij de warmte die afkomstig van de aardkern uitvloeit naar de aardkorst (dus verticaal gericht) dus als het ware de afkoeling van de kern. Convectie is de verspreiding van deze warmte over de aardkorst (veelal horizontaal gericht).
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”. Hier onder een geografische weergave van hoe de warmtestroming zich door Europa verspreid.
Warmtestromen op het Europese continent
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 vanper iedere 100 meter diepte. In West Europa ligt de thermische gradiënt gemiddeld op 3. Dus met elke 100 meter diepte neemt de temperatuur met 3 graden toe.
Het NotusPid systeem
Geothermische systemen kunnen onderscheiden worden door hun werkingswijze. De oudste systemen maakten (en maken) gebruik van verhitte vloeistof die door ondergrondse druk omhoog wordt gestuwd, geiser, heet water bronnen. Helaas is de situatie waar de vloeistof aan het aardoppervlak komt maar op een beperkt aantal plekken op de wereld te vinden. Toch is wel bekend dat er over de hele aardkorst heen water zich verplaatst in ondergrondse geologische lagen, meestal door zandsteen. De meeste tot nu toe gebruikte systemen maken gebruik van die aanwezigheid van ondergrondse vloeistof reservoirs. Hier wordt mee bedoeld dat er gesteente aanwezig is in de geologische opbouw op een locatie waar vloeistof door heen stroomt. Grondwater maar dan op grotere diepte. Omdat deze waterdoorlatende lagen (ook wel aquifer genoemd) op verschillende dieptes ligt neemt de vloeistof de temperatuur aan van de directe omgeving op die diepte. Hoe dieper, hoe heter. De vloeistof kan dan op geforceerde manier naar het oppervlak worden gehaald door het omhoog te pompen. Aan het oppervlak kan dan de warmte worden onttrokken en het dan afgekoelde water wordt dan veelal weer geretourneerd in dezelfde aardlaag. Deze vorm van geothermie wordt ook wel hydrothermale geothermie genoemd.
Een tweede mogelijkheid is om niet zozeer de warme vloeistof te onttrekken van de geologische laag maar om te zorgen dat de warmte door een medium dat circuleert in het boorgat omhoog wordt gebracht. Er wordt dan geen vloeistof onttrokken uit de geologische laag maar de warmte wordt door thermodynamische processen overgebracht op het medium. Dit medium kan in een gesloten buissysteem worden gecirculeerd maar kan ook een open systeem zijn waarbij het medium de originele vloeistof is die in de aardbodem aanwezig is. De aardkorst is over het algemeen dusdanig verzadigd met vloeistof dat indien er een gat in wordt aangebracht, dit gat zich automatisch vult met deze vloeistof. Dit kan ook gecirculeerd worden zonder dat er meer vloeistof uit de omgeving wordt onttrokken. Deze vorm van geothermie wordt petrothermale geothermie genoemd.
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. In begrijpelijk Nederlands betekend dat dat het systeem niet afhankelijk is van diepgelegen waterreservoirs in de aardbodem.
De technologie maakt gebruik van de gegevens dat er warmte conductie en convectie plaatsvindt in de gehele aardkorst als gevolg van een continue stroming van vloeibaar gesteente vanuit de kern van de aarde, de 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 conductieve en convectieve processen over de aardkorst verdeeld waarbij porositeit, permeabiliteit en geleidingswaarden van het gesteente en verregaande rol spelen.
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 werking
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.
Schematisch overzicht van de enkelgatsbron
Schematische weergave van het werkingsprincipe van de enkeldaks bron ontwikkeld door NotusPid
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.
Tenslotte nog dit:
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