Tekst Jos Wassink
© Illustratie Stephan Timmers
Onder de Delftse campus komt een enorme warmteopslag. Het reservoir, dat 500 duizend kubieke meter heet water kan bevatten, is een aanvulling op de al aanwezige Delftse aardwarmtebron. Het warmteopslagsysteem wordt een van de grootste in Europa.
Ze vallen niet op. En met 200 meter zijn ze ook niet erg diep. Toch zijn de vijf putten die op de Delftse campus worden geboord bijzonder. Ze vormen namelijk de toegang tot een enorme hoeveelheid heet water onder de grond. Expert energieopslag dr.ir. Martin Bloemendal (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, CiTG) berekende dat de 500 duizend kubieke meter heet water ongeveer drie keer de EWI-toren zouden kunnen vullen. Het hoge-temperatuur open bodemenergiesysteem op de campus wordt een van de grootste, meest complexe en meest intensief bemeten warmteopslagsystemen in Europa.
De warmteopslag, zo onzichtbaar als die is, moet een unieke infrastructuur worden voor demonstratie, onderwijs en onderzoek. Er wordt onder meer onderzocht hoe je een conventioneel warmtenet om kunt zetten naar een toekomstbestendig en fossielvrij warmtenet.
De ondergrondse warmteopslag vormt een aanvulling op de Delftse aardwarmtebron waarvan de eerste boringen eind 2023 zijn begonnen. Die pompt van 2 kilometer diepte warm water (75 tot 80 graden Celsius) omhoog, zo’n 350 kubieke meter per uur. Evenveel afgekoeld water gaat via een andere put retour. Een geothermische bron werkt het best bij een constante warmteproductie. Maar de vraag naar warmte is allesbehalve constant en erg seizoensafhankelijk.
Boorwerkzaamheden in de zomer van 2023.
© Thijs van Reeuwijk
Tussen kleilagen
Heet water dat tussen april en oktober niet nodig is voor verwarming, wordt ondergronds opgeslagen. Het vormt een reserve voor de winterperiode wanneer de warmtevraag overtreft. Het warme water vormt in een watervoerende laag in de ondergrond een hoedendoos van 60 meter hoog en een diameter van 120 meter. Het water zit tussen twee kleilagen op 120 en 180 meter diepte. Het opslagsysteem Reeuwijkbestaat uit twee hete bronnen van80 graden Celsius en drie warme van 50 graden. In de winter levert het systeem warmte aan het warmtenet van de campus en de gemeente Delft door water van de hete bron via een via warmtewisselaar naar de warme bron te pompen. In de zomer keert de stromingsrichting tussen de hete en warme bronnen om, en wordt het hete reservoir gevuld met warmte uit de diepe geothermische bron. Hierbij wordt de temperatuur eventueel verhoogd tot 90 graden. Dat gebeurt met een warmtepomp als het elektriciteitstarief laag is.
In 1973 kreeg de westerse wereld te maken met een olieboycot en in de tachtiger jaren raakten gasleveranties uit de Sovjet-Unie verstoord. Energieprijzen schoten omhoog, en onderzoekers gingen op zoek naar alternatieve warmtebronnen. Vindingrijke geesten bedachten dat het mogelijk moest zijn om de zomerse warmte ondergronds op te slaan voor gebruik in de winter.
Trui aan
Volgens de berekeningen kan op die manier aardwarmte in 90 procent van de warmtebehoefte van de campus en aangesloten wijken voorzien. Directe geothermie dekt 60 procent van de vraag, de hoge-temperatuur ondergrondse opslag voegt daar 30 procent aan toe. Pieken in de warmtevraag, goed voor 10 procent van het totaal, worden opgevangen met aardgasketels in het gebouw van de warmtekrachtcentrale. “Daar kiezen we nu voor”, zegt Bloemendal, “omdat die ketels er toch al staan. Bij aanleg van een nieuw systeem zou je dat anders doen. Je kunt ook zeggen: trek maar even een trui aan op die enkele koude dagen.”
Het idee om heet water op te slaan in de grond is niet nieuw. De eerste projecten in Nederland ontstonden na energiecrises. In 1973 kreeg de westerse wereld te maken met een olieboycot en in de tachtiger jaren raakten gasleveranties uit de Sovjet-Unie verstoord. Energieprijzen schoten omhoog, en onderzoekers gingen op zoek naar alternatieve warmtebronnen. Vindingrijke geesten bedachten dat het mogelijk moest zijn om de zomerse warmte ondergronds op te slaan voor gebruik in de winter.
De Groningse wijk Beijum kreeg in 1985 een hoge temperatuuropslag van zonnewarmte, en de Universiteit Utrecht sloeg warmte op van de eigen warmtekrachtcentrale (1991), net als een gezondheidscentrum in Zwammerdam. Niet alles werd een succes. Minder dan de helft van de opgeslagen warmte kwam terug en toen de energieprijzen weer daalden was de warmteopslag vaak niet meer rendabel, zo valt te lezen in het rapport State of the Art HT-ATES in the Netherlands van Heatstore (een consortium van onderzoeksinstituten en particuliere bedrijven uit negen Europese landen). Alleen de hoge temperatuur warmteopslag in Beijum is nu nog in gebruik.
Timelapse Geothermie Delft boorfase
© Polycentric Solutions
Gaswinning
Het was nooit de bedoeling, maar de TU Delft wordt leverancier van aardgas. Per kubieke meter water uit de diepe ondergrond van de aardwarmteputten komt er namelijk ook een kubieke meter gas mee, vertelt hoogleraar geothermie Phil Vardon (CiTG). Hij leidt het geothermieproject op de campus. Zodoende produceert de TU Delft ieder uur ongeveer 350 kubieke meter aardgas. Laten ontsnappen is geen optie. Het zou brandgevaarlijk zijn en bovendien is methaan een sterk broeikasgas. Na overleg met betrokken partijen is besloten het gas in de bestaande gasleiding te injecteren voor gebruik elders, en Nederland zo iets minder afhankelijk te maken van de gasimport. Met ruim 2 miljoen kubieke meter gas per jaar is de gasproductie best aanzienlijk. Het staat gelijk aan het gemiddelde gebruik van 1.600 huishoudens en levert enkele miljoenen euro’s op. Vardon: “Het consortium dat eigenaar is van het geothermische project (TU Delft, Aardyn, Shell Geothermal, EBN, red.) ontvangt de inkomsten uit het gas (en de geothermische energie). Die worden verrekend met de kosten. De projectie is dat het consortium over het geheel genomen een beperkte winst zal maken, anders zouden ze niet investeren. Het aandeel van de TU Delft in die winst komt ten goede aan de universiteit als geheel.”
Volgens berekeningen kan aardwarmte in 90 procent van de warmtebehoefte van de campus en aangesloten wijken voorzien
Onzekerheden
Het Delftse project trekt lessen uit dit verleden. Het grote volume van 500 duizend kubieke meter is in overeenstemming met de aanbevelingen van Heatstore. Verder zijn oudere gebouwen op de campus zodanig geïsoleerd dat ze aan 70 graden invoer genoeg hebben voor de verwarming. Onzekerheden zijn er vooral over het rendement van de opslag, ondergrondse verspreiding van het hete grondwater, en microbiële en chemische gevolgen. Om die weg te nemen, worden in de omgeving tien boorputten gemaakt die de temperatuur over de hele diepte meten. Voor de kwaliteit van het grondwater is een monitoringsbron geboord die wordt gebruikt om testen uit te voeren. Risico’s zijn er altijd. Kalkafzettingen en microbiële films kunnen buizen doen dichtslibben.
Ook het rendement is onzeker. Bloemendal verwacht in het begin een rendement van 40 tot 50 procent. Na een aantal jaren kan dat toenemen tot 70 of 80 procent omdat de ondergrond dan is opgewarmd en de afkoeling vermindert. Uiteindelijk is de missie om hoge temperatuur warmteopslag in een stedelijke omgeving te ontwikkelen en te demonstreren, inclusief de besturing en integratie in het energiesysteem. Het moet laten zien hoe een conventioneel warmtenet om te zetten is naar een toekomstbestendig en fossielvrij warmtenet. Achterliggend is natuurlijk het doel om onafhankelijk te worden van aardgas en een (zo goed als) CO2-vrij verwarmingssysteem te ontwikkelen. Dat is een belangrijke opgave als je beseft dat in Europa verwarming en koeling verantwoordelijk zijn voor de helft van het fossiele energieverbruik.
© Stephan Timmers
Geothermie Delft
De Delftse geothermische bron van 75 graden moet gebouwen op de campus en omgeving van warmte gaan voorzien. Via een warmtenet worden zo’n zesduizend huurwoningen van Delftse woningcorporaties aangesloten en onlangs heeft ook de Hogeschool Inholland getekend.
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. 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 registreren ze met elektromagnetische metingen dichtheidsverschillen, en daarmee de grondwaterstromen door het 9 reservoir. 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 ) zijn aanpassingen aan de verwarming nodig omdat die op een hogere ingangstemperatuur is ingesteld. Na de warmtewisselaar is de temperatuur van het water zo’n 50 graden.