Bij geothermie wordt duurzame energie gewonnen uit de warmte die van nature aanwezig is in de ondergrond. Hoe dieper in de aardkorst, hoe warmer het wordt: zo is het op 2 km diepte gemiddeld al zo’n 70 °C en loopt de temperatuur op 5 km diepte op tot wel 170 °C. Deze warmte is te gebruiken voor de verwarming van gebouwen en het opwekken van elektriciteit. De warmte wordt uit de ondergrond onttrokken in de vorm van warm water, dat aanwezig is in de poriën van het gesteente. Dit warme water wordt omhoog gepompt, waarna aan het oppervlak warmtewisselaars de warmte uit het water halen. Het afgekoelde water gaat via een tweede boorgat direct weer terug naar de oorspronkelijke diepte, op zo’n anderhalve kilometer afstand van de productieput. Doordat het afgekoelde water door het hete gesteente terugstroomt, heeft het weer de originele temperatuur tegen de tijd dat het bij de productieput is aangekomen. En zo is de cirkel rond. Als de warmte vanaf 4 km of dieper wordt opgepompt, wordt het ultradiepe geothermie genoemd. Op deze diepte is de temperatuur zo hoog dat er naast warmte ook elektriciteit kan worden opgewekt met behulp van een zogeheten ORC-systeem (Organic Rankine Cycle). Deze systemen worden in Nederland al toegepast om bijvoorbeeld restwarmte nuttig te gebruiken.

De grootste voordelen

Ultradiepe geothermie is een constante bron van elektrische energie en warmte, die niet afhankelijk is van weersomstandigheden. Hierdoor is er altijd elektriciteit beschikbaar, zonder dat er energie opgeslagen hoeft te worden. De restwarmte is te benutten voor het verwarmen van gebouwen via een warmtenet. De temperatuur van de restwarmte is zo hoog, dat deze ook geschikt is voor een gangbaar hoogtemperatuursysteem en er geen grote investering in isolatie en vloerverwarming nodig is. Schommelingen in de vraag naar elektriciteit en warmte zijn eenvoudig op te vangen, omdat er afhankelijk van de vraag eenvoudig is te schakelen tussen minder elektriciteit en meer warmte te produceren of juist andersom.

Hoe poreuzer, hoe beter

De aanwezigheid van water in de ondergrond is een randvoorwaarde voor geothermie. Gelukkig vinden we in de Nederlandse ondergrond veel water, ook op grote diepte. Dit water bevindt zich in de poriën van het gesteente. Hoe poreuzer het gesteente, des te meer water er valt te onttrekken en des te meer energie er is op te wekken. Het aantal poriën in het gesteente is afhankelijk van het type gesteente. Zo bestaat kleisteen (schalie of schist) uit zeer kleine, platte korrels, waarbij weinig tot geen ruimte is voor water. Dit gesteente is daarom niet geschikt om als aquifer te dienen. Zandsteen en kalksteen bevatten wel vaak poriën en scheurtjes. Hoe dieper je echter gaat, hoe groter de druk in het gesteente en hoe meer de poriën worden dichtgedrukt. Dieper dan 4 km bevat zandsteen vaak zo weinig ruimte dat hier geen water uit onttrokken kan worden. Kalksteen vormt echter wel vaak een goed doorlaatbaar reservoir, omdat hier vaak natuurlijke gangen (grotten) in ontstaan door oplossing van het gesteente (verkarsting). Deze gangen kunnen een grote hoeveelheid water bevatten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de twee geothermische projecten in Noord-Limburg. 

Een echo

Om de meest kansrijke locatie voor geothermie te bepalen is kennis over de opbouw van de ondergrond vereist. Naast onderzoek naar de geologische geschiedenis wordt daarom een seismisch onderzoek uitgevoerd, waarbij een soort ‘echo’ van de ondergrond wordt gemaakt. Hiermee is te bepalen op welke diepte welke gesteentelaag voorkomt en welke dikte het gesteente heeft. Dit geeft een goede inschatting van de potentie in het gebied. 

De diepte in: maar hoe?

Als er potentie blijkt te zijn voor geothermie, is een boring mogelijk. Dit begint met het opstellen van een gedegen boorplan, met veel aandacht voor de krachten die spelen in de ondergrond. Voor het boren zelf gebruikt men een roterende boorkop, die het gesteente wegslijt. Boorvloeistof houdt de boorgatwand stabiel. Deze bestaat meestal uit een mengsel van water en klei en moet zwaar genoeg zijn om te voorkomen dat het open boorgat instort. De boorvloeistof wordt door de boorstang omlaag gepompt, waarna het buitenlangs weer omhoog stroomt. Ook wordt hierdoor de boorkop gekoeld en het boorgruis naar boven afgevoerd. Op een van tevoren bepaalde diepte wordt het eerste deel van de put afgewerkt. Eerst wordt een stalen buis in het open boorgat geplaatst waarna de buitenwand wordt opgevuld met cement. Na deze afwerking wordt met een kleinere boorkop in hetzelfde gat verder geboord. Het boorgat wordt dus smaller naarmate je dieper in de put komt, waardoor deze goed bestand is tegen de druk in de ondergrond. Als de uiteindelijke diepte is bereikt, wordt een geperforeerde buis geplaatst in het onderste deel. Hierdoor kan het geothermische water omhoog te pompen. Om te voorkomen dat het water verdampt en als stoom omhoogkomt, wordt het onder druk naar de oppervlakte gebracht. 

Geen interferentie toestaan

Doordat het afgekoelde water weer in de ondergrond wordt geïnjecteerd, koelt het gesteente langzaam af. Het verlies aan warmte wordt echter weer aangevuld vanuit de aardkern, -mantel en -korst. Door dit proces te modelleren, kan eventuele interferentie tussen geothermische bronnen in één gebied worden voorkomen. Zo’n studie toont ook aan welk gebied in dertig jaar meer dan één graad afkoelt. Om interferentie te voorkomen mag in dit gebied dan geen ander geothermieproject uitgevoerd worden.

Beproefde methode 

Al is ultradiepe geothermie in Nederland een nog relatief onbekende bron van duurzame energie, in het buitenland wordt het al succesvol toegepast. Geothermie zag in 1904 letterlijk voor het eerst het levenslicht in het Toscaanse dorpje Larderello: de eerste turbine kon wel vijf gloeilampen laten branden! In de afgelopen 115 jaar is deze centrale verder uitgebreid en levert tegenwoordig voldoende elektriciteit voor 2 miljoen Italiaanse huishoudens. Larderello heeft als voordeel dat de warmte relatief dicht onder het aardoppervlak zit. In het zuiden van Duitsland en Nederland is de warmte wat dieper gelegen: zo wordt aan de zuidkant van München water van 130 graden omhooggehaald van 4 km diepte. Van Duitsland, België en Frankrijk tot Indonesië, Chili en Kenia, over de hele wereld wordt de potentie van geothermie erkend en toegepast. De miljoenenstad München heeft zelfs als doelstelling om al haar inwoners uiterlijk in 2040 met geothermie van warmte en elektriciteit te kunnen voorzien. Ultradiepe geothermie kan een grote én constante bijdrage leveren aan de nieuwe duurzame energiemix, aangevuld met andere duurzame bronnen als waterstof, restwarmte en biogas. Daarmee heeft het een grote potentie voor behalen van de klimaatdoelen. Hoogste tijd dus om ultradiepe geothermie ook in Nederland te introduceren!

Florine van den Adel is manager Marketing & PR; Guus Cals is specialist Geohydrologie en Johan Herman De Groot is directeur (allen bij HermanDeGroot Ingenieurs/Larderel Energy).