Geothermische energieopwekking voor bedrijventerreinen

Transcriptie

1 Projectwerk Bachelor Bio-ingenieurswetenschappen Nils Bertels Pierre-Yves Luyckx Yanti Simanjuntak Kristof Verbeeck Geothermische energieopwekking voor bedrijventerreinen Begeleiders: dr. ir. Birger Hauchecorne prof. dr. Silvia Lenaerts prof. dr. ir. Steven Van Passel Academiejaar Universiteit Antwerpen Faculteit Wetenschappen Bachelor Bio-Ingenieurswetenschappen

2 Dankwoord Wij bedanken professor Silvia Lenaerts, professor ir. Steven Van Passel en ir. Birger Hauchecorne voor de begeleiding van ons project en de aanbreng van interessante visies. Speciale dank voor Verheyden Putboringen bvba en de heren Jean-Paul Christiaens, verantwoordelijke voor het commercieel management van het Waterfront-project en Luc Van Houtte, hoofdingenieur duurzame technologieën Talboom voor hun medewerking en het aanrijken van de benodigde informatie. Tot slot danken we de POM Antwerpen voor het aanrijken van deze opportuniteit. ii

3 Inhoudstafel Dankwoord... ii Samenvatting... v Lijst met afkortingen... vii Lijst met figuren, tabellen en grafieken... viii Deel 1 Inleiding... 1 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond... 3 Hoofdstuk 1. Wat is geothermie?... 3 Hoofdstuk 2. Exploitatievormen van geothermie Direct gebruik Gebruik van oppervlaktewater Gesloten systemen Open systeem: ATES Indirect gebruik Oppompen Dry Steam Energiecentrales Flash Steam Energiecentrales Binaire cyclus Hot Dry Rock of Enhanced Geothermal System Hoofdstuk 3. Voor-en nadelen Hoofdstuk 4. Warmtepompsysteem Warmtepompcyclus Prestatiecoëfficiënten Types van warmtepompen Warmteafgifte Warmtepomp inzetmethodes Deel 3 - Inzet van geothermie Hoofdstuk 5. Toepasbaarheid Hoofdstuk 6. Huidige stand van zaken: Wereld Hoofdstuk 7. Huidig gebruik en potentieel in Vlaanderen Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Hoofdstuk 8. Geschiedenis en bedrijfsactiviteiten Hoofdstuk 9. Huidig verwarmingssysteem Hoofdstuk 10. Algemeen verloop project Hoofdstuk 11. Geologisch onderzoek Waterfront Direct gebruik geothermie iii

4 BEO-sondes Horizontale grondwarmtewisselaars KWO-technologie Toepassingen zonder warmtepomp Indirect gebruik geothermie Hoofdstuk 12. Warmte- en koudevraag Hoofdstuk 13. Dimensionering geothermische installatie Directe geothermische installatie (warmtepompinstallatie) Dimensioneringsprincipe voor grondwarmtewisselaars Dimensionering warmtepomp Dimensionering afgiftesysteem Indirect Keuze warmtepompinstallatie Hoofdstuk 14. Economische analyse Investering in een geothermische BEO-warmtepompinstallatie Geothermische verkenning en booractiviteiten Projectkosten Warmtepomp Afgiftesysteem Investering in een HVAC-installatie met HR-ketel en koelmachine Verbruikskosten Verbruikskosten huidig systeem Verbruikskosten geothermisch systeem Investeringssteun Terugverdientijd Hoofdstuk 15. Sensitiviteitsanalyse Verandering van de aardgasprijs Verandering van de elektriciteitsprijs Hoofdstuk 16. Ecologische analyse CO 2 -uitstoot Effecten op de omgeving Deel 5 - Vergelijking met andere duurzame technologieën Hoofdstuk 17. Zonne-energie Hoofdstuk 18. Windenergie Hoofdstuk 19. Betonkernactivering Deel 6 - Conclusie Referentielijst iv

5 Samenvatting Door de klimaatsverandering, een groeiend bewustzijn rond CO 2 en de steeds schaarser wordende fossiele brandstoffen, wordt er meer en meer gezocht naar alternatieve energiebronnen. Geothermische energieopwekking is er één van. Hierbij fungeert de aardkorst als een natuurlijke warmtebron die naargelang de omstandigheden (temperatuur, geologie, aanwezigheid van water of stoom) kan instaan voor verwarming van gebouwen en/of elektriciteitsopwekking. Verwarmen door middel van aardwarmte noemt men direct gebruik, elektriciteitsopwekking noemt men indirect gebruik. Een nadeel van geothermische energie-opwekking is de hoge investeringskost. Deze zal snel oplopen indien er diepe boringen worden uitgevoerd. De kosten voor het boren nemen exponentieel toe met de diepte. Een ander nadeel is de beperkte toepasbaarheid van grote installaties die warmte of elektriciteit leveren. Een voldoende hoge temperatuur in de bodem en de aanwezigheid van aquifers is een vereiste om grootschalig aardwarmte te ontginnen. Voordelen zijn onder andere de lage CO 2 -uitstoot en de uitsparing van fossiele brandstoffen. Deze bachelorproef onderzoekt de mogelijkheden tot geothermische energieopwekking op het wetenschapspark Waterfront te Niel. Dit gebeurt in samenwerking met POM Antwerpen. Onder de mogelijkheden voor ruimteverwarming vormen Boorgat Energie Opslag (BEO) en Koude- Warmte Opslag (KWO) de beste technologieën. Een KWO vereist de aanwezigheid van een aquifer en dat is waarschijnlijk niet het geval in Niel. Daardoor valt ook de elektriciteitsopwekking weg, aangezien de meeste methoden een aquifer vereisen. Een Hot Dry Rock-systeem, waarbij een vloeistof in kunstmatig gecreëerde spleten in rotsen wordt geïnjecteerd en opwarmt om zo stoom te genereren, behoort tot de mogelijkheden, maar de foetale onderzoeksfase ervan maakt HDR-systemen nog niet meteen toepasbaar. De keuze voor dimensionering naar het warmtevermogen van Waterfront (141 kw th ) valt op een BEO-veld met warmtepomp en een lage temperatuur afgiftesysteem. Om dit volledige piekvermogen in te lossen, zijn 38 grondwarmtewisselaars met een lengte van 125 meter vereist. De kosten van een BEO-veld in dit geval zullen uitkomen op De boringen zijn het duurst en kosten samen met de BEO-sondes De investering die nodig is om het huidig verwarmings-en koelsysteem te plaatsen, bedraagt , wat aanzienlijk minder is. Wanneer er vergeleken wordt met het huidige systeem, zal het BEO-veld een terugverdientijd van iets meer dan 11 jaar hebben, indien er rekening gehouden wordt met subsidies. Er worden vooral veel kosten bespaard op de koeling. In de sensitiviteitsanalyse wordt duidelijk dat bij een verhoging van de aardgasprijs de terugverdientijd zal dalen, terwijl die bij een verhoging van de elektriciteitsprijs zal stijgen. Dit komt doordat de warmtepomp op elektriciteit werkt, wat de verbruikskost zal doen toenemen. v

6 Vooral uit ecologische overwegingen is geothermie interessant. In dit project zou 55 ton CO 2 per jaar bespaard worden ten opzichte van hoe er nu verwarmd en gekoeld wordt. Een BEO-veld heeft verder weinig negatieve effecten op de omgeving. De levensduur van de installatie wordt geschat rond 30 jaar, wat ervoor zorgt dat de investering zowel ecologisch als economisch verantwoord is. Vergeleken met andere duurzame energiebronnen zoals zon en wind, heeft elke soort zijn vooren nadelen t.o.v. geothermie en is een combinatie van verschillende methoden interessant om de fossiele energiebronnen te vervangen. In het wetenschapspark Waterfront zal bijvoorbeeld verwarming en koeling verzorgd worden door geothermie en zou elektriciteit opgewekt kunnen worden door een windturbine of zonnepanelen. Niet overal zijn de omstandigheden heel gunstig om aan geothermische energieopwekking te doen, maar dankzij nieuwe technologieën en verdere studies, zijn er steeds mogelijkheden te vinden die aangepast zijn aan de omstandigheden. Zo kan er ook in het wetenschapspark Waterfront gebruik gemaakt worden van de energie die zich in de aarde bevindt. vi

7 Lijst met afkortingen ATES : Aquifer Thermal Energy Storage BEO : Boorgat Energie Opslag BTES : Borehole Thermal Energy Storage COP : Coefficient Of Performance GO: Grote Onderneming HDR : Hot Dry Rock HR : Hoog Rendement HTV : Hoge Temperatuur Verwarming (Hoge Temperatuur Afgiftesysteem) HVAC : Heating Ventilation Air Conditioning KMO: Kleine of Middelgrote Onderneming kw : Kilowatt kwh : Kilowattuur KWO : Koude Warmte Opslag LTV : Lage Temperatuur Verwarming (Lage Temperatuur Afgiftesysteem) ORC : Organic Rankine Cycle PE: Polyethyleen PER : Primary Energy Ratio factor POM : Provinciale Ontwikkelingsmaatschappij SPF : Seasonal Performance Factor TRT : Thermische Respons Test TVT : Terugverdientijd VITO : Vlaamse Instelling voor Technologische Ontwikkeling Wp : Wattpiek WP : Warmtepomp vii

8 Lijst met figuren, tabellen en grafieken Figuren Figuur 1: Schematische weergave van een horizontale grondwarmtewisselaar. blz.5 Figuur 2: Schematische weergave van BEO. blz.6 Figuur 3: Schematische weergave van KWO. blz.7 Figuur 4: Schematische weergave van het pompsysteem. blz.8 Figuur 5: Schematische weergave van een Dry Steam energiecentrale. blz.9 Figuur 6: Schematische weergave van een Flash Steam energiecentrale. blz.10 Figuur 7: Voordeel van Kalina cyclus tegenover Rankine cyclus voor verschillende processen. blz.11 Figuur 8: Schematische weergave van een energiecentrale met binaire cyclus. blz.11 Figuur 9: Schematische weergave van een Hot Dry Rock energiecentrale. blz.12 Figuur 10: P-v - en T-s-diagram. blz.15 Figuur 11: Werking warmtepomp. blz.16 Figuur 12: Temperatuursprofiel warmtepompcyclus. blz.17 Figuur 13: Systeem van warmteafgifte. blz.18 Figuur 14: De COP in functie van het temperatuursverschil. blz.20 Figuur 15: Evolutie van natuurlijke grondtemperatuur in functie van de seizoenen. blz.22 Figuur 16: Aandeel in de wereld van geothermische elektriciteitsproductie per land (2009). blz.27 Figuur 17: Grondplan en overzicht Waterfront. blz.30 Figuur 18: Algemene setup van de TRT. blz.33 Figuur 19: Enkele illustratieve TRT data. blz.33 Figuur 20: Gemiddelde thermische geleidbaarheid tot op een diepte van 100 m of tot op de vaste rots. blz.34 Figuur 21: Ligging van enkele formaties binnen de provincie Antwerpen. blz.35 Figuur 22: KWO-geschiktheidskaart. blz.36 Figuur 23: Belgische temperatuurkaart op een diepte van 1000 m (naar Berckmans & Vandenberghe,1991). blz.38 Figuur 24: Ligging van reservoirs in België die mogelijk in aanmerking komen voor directe geothermische toepassingen (Laenen, 2009). blz.38 Figuur 25: De gemiddelde windsnelheden in Vlaanderen op 75 meter hoogte. blz.61 viii

9 Tabellen Tabel 1: Minimale temperatuur van het ondergrondse fluïdum nodig voor verschillende toepassingen van geothermische energie volgens het Lindal-diagram, blz.4 Tabel 2: Vergelijking van verschillende warmtepompsystemen met elkaar en met ketelverwarming, gebruik makend van verschillende prestatiecoëfficiënten. blz.21 Tabel 3: Voor - en nadelen van de verschillende types warmtepompen. blz.23 Tabel 4: Lambda-waarden van de meest voorkomende formaties. blz.32 Tabel 5: Theoretische energie-inhoud van de voornaamste geothermische reservoirs in Vlaanderen. blz.37 Tabel 6: Specifiek warmteonttrekkingsvermogen voor verschillende ondergronden. blz.43 Tabel 7: Onttrekkingsvermogens van verschillende bodems. blz.44 Tabel 8: gbuis - waarden voor verschillende buistypes. blz.45 Tabel 9: Berekeningen voor een horizontale grondwarmtewisselaar. blz.46 Tabel 10: Overzicht van investeringskosten voor het geothermische warmtepompsysteem. blz.49 Tabel 11: Overzicht van investeringskosten voor een CV-ketel. blz.50 Tabel 12: Huidige jaarlijkse exploitatiekosten voor verwarming en koeling van het Archimedesgebouw. blz.50 Tabel 13: Jaarlijkse exploitatiekosten voor verwarming en koeling van het Archimedesgebouw bij gebruik van een warmtepompinstallatie (onder de huidige energieprijzen). blz.51 Tabel 14: Evolutie van de TVT door verandering van de aardgasprijs. blz.53 Tabel 15: Evolutie van de TVT door verandering van de elektriciteitsprijs. blz.54 Tabel 16: Huidige jaarlijkse CO 2 -uitstoot voor verwarming en koeling van het Archimedesgebouw. blz.56 Grafieken Grafiek 1: Gasverbruik in het Archimedesgebouw te Waterfront. blz.40 Grafiek 2: Elektriciteitsverbruik Waterfront Archimedesgebouw per maand (2009). blz.40 Grafiek 3: Effect van verandering aardgasprijs op TVT. blz.54 Grafiek 4: Effect van verandering elektriciteitsprijs op TVT. blz.55 ix

10 Deel 1 - Inleiding Deel 1 - Inleiding a) Geopolitiek en duurzame ontwikkeling Nooit eerder in de geschiedenis werd de mensheid zo omvangrijk geconfronteerd met de wereldwijde problematiek omtrent klimaatsverandering, milieuvervuiling, biodiversiteit en de slinkende energievoorraden. In combinatie met een snel groeiende wereldpopulatie leggen deze problemen een ongekende druk op onze planeet. Studies spreken over een verdubbeling van de mondiale vraag naar energie tegen 2050: de derdewereldlanden zullen het huidige energieverbruik van de geïndustrialiseerde landen overtreffen. (Rapport WETO, 2010) Ondanks het bewustzijn rond de stijgende energievraag en de CO 2 -problematiek wordt er nog steeds massaal naar fossiele brandstoffen gegrepen. De eenvoudige bodemextractie en de hoge energiedensiteit maken concurrentie met andere energiebronnen moeilijk. Ondertussen wordt het steeds duidelijker dat deze energiebron eindig is, dat dit zwarte goud een negatief effect heeft op het milieu en dat de afhankelijkheid van olie, steenkool en aardgas alle wereldeconomieën in een lastig parket kan brengen. Landen met grote fossiele brandstofreserves zoals Rusland, Venezuela en gans het Midden-Oosten verwerven hierdoor een bepaalde machtspositie: de olie-importerende landen (de VS, Europa, maar ook Azië) zijn bijna volledig afhankelijk van de aanvoer van fossiele brandstoffen uit deze olie-exporterende landen. Dit mondiale schisma creëert een spanningsveld tussen grote -en minder grotewereldmachten. Voor de olie-importerende landen is het zowel politiek als economisch van levensbelang zo snel mogelijk onafhankelijkheid van olie, steenkool en aardgas te creëren. Winning van energie uit hernieuwbare bronnen speelt hierin een belangrijke rol. Wereldwijd worden maatregelen ingevoerd om zuiniger met energie om te springen om zo het verbruik van fossiele brandstoffen terug te schroeven. Een drastische omschakeling van energievoorziening uit eindige fossiele brandstoffen naar een energietoevoer uit hernieuwbare, duurzame bronnen met een lagere belasting op mens en milieu dringt zich op. In de doelstellingen stelt de Europese Unie voorop dat tegen 2020 de uitstoot van CO 2 met 20% moet worden teruggedrongen, het energieverbruik met 20% moet dalen en het aandeel hernieuwbare energie tot 20% moet worden opgetrokken, dit ten opzichte van het niveau in Iedere lidstaat kreeg hierbij een individuele, haalbare doelstelling opgelegd. België dient tegen % van het energieverbruik uit hernieuwbare bronnen te halen en een kleine helft daarvan dienen we daadwerkelijk zelf te produceren. In 2010 bedroeg dit aandeel nog maar 4,8%. (Ryckevelde, 2012) Investeringen in hernieuwbare energieproductie worden noodzakelijk. Hernieuwbare energiebronnen blijken echter vaak ook nadelen met zich mee te dragen. Zo zijn wind- en zonne-energie niet continu beschikbaar en is hydro-elektriciteit maar op een beperkt aantal plaatsen mogelijk, waarbij het bovendien soms een zeer grote impact kan hebben op de habitat van de omliggende fauna en flora, inclusief de mens. Energie uit bio-massa lijkt een goed alternatief, maar concurreert dan weer met de (nu al precaire) voedselvoorziening. 1

11 Deel 1 - Inleiding Algemeen kan men stellen dat het energieaanbod uit alternatieve energiebronnen sterk afhankelijk is van weersomstandigheden, locatie, seizoen of tijdstip en dat de energiedichtheid in de meeste gevallen eerder laag is. (Laenen, 2010) Geothermie, de warmte uit onze aarde, wordt al geruime tijd in beperkte mate geëxploiteerd, maar komt door technologische vooruitgangen in de gebruikte systemen meer en meer binnen handbereik. Deze energiebron is ongeveer overal toepasbaar, dankzij een verscheidenheid aan systemen om de aardwarmte te benutten. Daarnaast is deze energie voor lange tijd continu beschikbaar, en is het een alternatieve energiebron met een kleine impact op het milieu. Meer onderzoek en subsidies zouden de hoge investeringskosten kunnen terugschroeven, wat geothermie zeker zou stimuleren. Deze bachelorproef bestudeert de verschillende gebruiksvormen van geothermie alsook het potentieel van geothermie in Vlaanderen, aangevuld met een case-study voor het wetenschapspark Waterfront in Niel. Ook andere alternatieve energiebronnen komen kort aan bod. b) Onderzoeksvragen Volgende centrale onderzoeksvraag wordt in deze bachelorproef behandeld: Is het verwarmen van een kantoorgebouw in Vlaanderen via geothermie technologisch en economisch haalbaar? Hierbij dienen volgende deelvragen beantwoord te worden; Welke geothermische toepassingen zijn haalbaar en hoe werken ze? Leent de ondergrond zich tot ontginning van aardwarmte? Kan de warmtepomptechnologie de warmte- en koelingsvraag volledig voorzien? Welke kosten en opbrengsten gaan gepaard met de installatie van een warmtempompinstallatie? Is geothermie economisch en/of ecologisch competitief met andere duurzame technologieën? 2

12 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Hoofdstuk 1. Wat is geothermie? Geothermische energie of geothermie is de energie die zit opgeslagen in de aarde. Deze energie komt voor in de vorm van warmte. De twee voornaamste oorsprongen van deze warmte zijn enerzijds restwarmte van het ontstaan van de aarde en anderzijds het verval van radioactieve isotopen. Bij het ontstaan van de aarde was er veel ruimtepuin dat insloeg op de aarde en samenklonterde. Hierbij kwam warmte vrij en na het stollen van de buitenste laag van de aarde bleef deze warmte als het ware opgesloten in dit harde omhulsel. Deze accretiewarmte is goed voor 20% van de totale aardwarmte. De andere 80% is afkomstig van het verval van langlevende, radioactieve isotopen (Turcotte, 2002). De belangrijkste hierbij zijn 40 K, 232 Th, 235 U en 238 U, aangezien deze een lange halfwaardetijd hebben (700 miljoen tot 14 miljard jaar) (Barbier, 2002). De temperatuur is logischerwijs niet homogeen verdeeld over het hele volume van de aarde maar er heerst een temperatuursgradiënt, die geschat wordt op 30 C per km (Barbier, 2002). De meeste energie zit gelocaliseerd in de kern. Deze warmte blijft echter niet in de kern zitten, maar migreert naar de ondiepere lagen via conductie en convectie (deze laatste via geothermische fluïda) waarbij de gradiënt ontstaat. Aangenomen dat eerdergenoemde schatting voor de temperatuursgradiënt geldt over de gehele aarde, heeft men berekend dat uit de eerste 10 kilometer van de aardkorst voldoende energie kan onttrokken worden om de mens de komende 6 miljoen jaar van energie te voorzien (Lund, 2007). Hierbij dient wel opgemerkt te worden dat men dan alle energie over het hele aardoppervlak zou moeten kunnen onttrekken, terwijl dit in de praktijk uiteraard onmogelijk is. Toch blijkt uit dit voorbeeld dat geothermie een interessante energiebron kan zijn en er dus veel onderzoek nodig is om deze veelbelovende manier van energieopwekking verder te ontwikkelen. Hoofdstuk 2. Exploitatievormen van geothermie Het aanwenden van aardwarmte kent verschillende exploitatievormen en meerdere toepassingen. De gebruikte toepassing is sterk afhankelijk van de benodigde temperatuur en wordt dus sterk geografisch bepaald. Het exploiteren van aardwarmte kan op twee manieren: men onderscheidt directe en indirecte exploitatie. Enerzijds vormt de elektriciteitsproductie in steampowerplants, wat men indirect gebruik noemt, een mogelijkheid. Anderzijds onderscheidt men het aanwenden van aardwarmte voor ruimteverwarming, wat men direct gebruik noemt. Naast de opsplitsing direct/indirect gebruik, wordt in de literatuur vaak ook verwezen naar het onderscheid tussen diepe en ondiepe geothermie. Hierbij wordt de grens vaak op 1000 meter diepte gelegd. Diepe geothermie houdt echter niet alleen elektriciteitsproductie in, maar kan tevens dienst doen als rechtstreekse bron van warm water voor ruimteverwarming. Ondiepe geothermie is, vanwege de vaak lage bodemtemperaturen in grote delen van de wereld, slechts aanwendbaar in combinatie met een warmtepomp. (Hoes, 2011) 3

13 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond 2.1 Direct gebruik Het direct gebruik omvat een groot aantal toepassingen waaronder de droging van organische voedingsstoffen, het verwarmen van zwembaden tot het afharden van prefab betonelementen. Het grootste toepassingsdomein bestaat echter uit het verwarmen en koelen van ruimtes. Dit kan gebeuren volgens het warmtepompprincipe, maar het is ook mogelijk door warm water rechtstreeks op te pompen en dit vervolgens te gebruiken om te verwarmen. Het aandeel van verwarming en koeling in de jaarlijkse energievraag is zeker niet te onderschatten. Volgens cijfers die Terra Energy hanteert, gaat gemiddeld 48 procent van ons energieverbruik naar deze energieverslindende activiteiten. Uit het Lindal-diagram in tabel 1 kan afgelezen worden dat het rechtstreeks oppompen van water voor ruimteverwarming met een lage temperatuur afgiftesysteem (LTV), zoals bijvoorbeeld vloer-, muur-, of plafondverwarming, slechts mogelijk is met grondwater van minimaal 40 C. Vanaf een fluïdumtemperatuur van 80 C kan het warme grondwater onmiddellijk worden aangewend voor verwarming via conventionele hoge temperatuur afgiftesystemen (HTV). Elektriciteitsproductie Toepassing > 190 C flash of hybride cyclus (stoom) C binaire cyclus (water) Direct gebruik Toepassing 150 C productie van aluminium via Bayer procédé 140 C drogen en inblikken van landbouwproducten 110 C drogen en afharden van prefab betonelementen 100 C drogen van organische stoffen zoals groenten en gras 80 C traditionele ruimteverwarming 70 C onderste grens adsorptiekoeling 60 C verwarming van stallen (veeteelt) 55 C onderste grens serreverwarming 50 C balneologie, teelt paddenstoelen 40 C onderste grens ruimteverwarming 30 C verwarming zwembaden 25 C visteelt < 25 C warmtepompen Tabel 1: Minimale temperatuur van het ondergrondse fluïdum nodig voor verschillende toepassingen van geothermische energie volgens het Lindal-diagram, (Dreesen & Laenen, 2010) 4

14 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Warmtepompen geven ons de mogelijkheid warmte uit relatief koude bodems of fluïda (<25 C) te onttrekken. De werking hiervan wordt uitvoerig besproken in hoofdstuk 4. Het warmtepompprincipe laat zich kort samenvatten als het pompen van warmte uit een omringend milieu naar de te verwarmen ruimte, en dit door verbruik van een bepaalde vorm van arbeid. Er zijn verschillende systemen voor ondiepe geothermie met directe toepassingen en al deze systemen dienen steeds in combinatie met een warmtepomp (zie hoofdstuk 4) te worden geïnstalleerd. We kunnen het gebruik van oppervlaktewater, gesloten en open systemen onderscheiden Gebruik van oppervlaktewater Indien men in de nabije omgeving grote watermassa s ter beschikking heeft, kan men opteren voor installatie van een water/waterwarmtepompsysteem waarbij de verdamper van de warmtepomp direct contact maakt met het meer - of rivierwater. Vermits grote watermassa s zelden dichtvriezen, zijn de bekomen rendementen vaak goed. Om uitputting te vermijden, dient de watermassa van een voldoende grootte te zijn Gesloten systemen De meeste systemen werken echter met een warmtewisselaar die contact maakt met de ondergrond zonder dat hierbij oppervlakte- of grondwater als primair fluïdum fungeert. Het fluïdum in de grondwarmtewisselaar verlaat deze niet, zodat men van een gesloten systeem kan spreken. Men maakt een onderscheid tussen horizontale en verticale grondwarmtewisselaars. a) Horizontale grondwarmtewisselaars Bij dit systeem wordt er een horizontaal buizennetwerk op geringe diepte in de bodem aangelegd. Hiervoor is een oppervlakte van ongeveer drie maal de grootte van het te verwarmen oppervlak nodig zodat deze grondwarmtewisselaars vooral voor kleinere toepassingen gebruikt kunnen worden. Vermits de leidingen ondiep gelegen zijn (meestal zo n 70 cm tot enkele meters) is de COP (zie hoofdstuk 4) van dit systeem sterk afhankelijk van de seizoenale variatie. Lange koude winters doen op deze diepte de bodem sterk afkoelen wat de warmtetransfer niet ten goede komt. Figuur 1: Schematische weergave van een horizontale grondwarmtewisselaar. (Viessmann, s.d.) 5

15 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond b) Verticale grondwarmtewisselaars Hierbij worden er één of meerdere putten geboord waarin men U-vormige leidingen aanlegt. Het fluïdum in de warmtewisselaar zal door contact met de diepe grondlagen opwarmen (of afkoelen). In de literatuur wordt deze techniek vaak geassocieerd met Borehole Thermal Energy Storage (BTES) of Boorgat Energie Opslag (BEO). Een schematische weergave van zo n BEO-systeem is weergegeven in figuur 2. Figuur 2: Schematische weergave van BEO. (Terra Energy, s.d.a) In tegenstelling tot horizontale grondwarmtewisselaars, kan BEO wel voor grote toepassingen gebruikt worden zoals het verwarmen en koelen van kantoorgebouwen. Bij grote gebouwen zal het niet volstaan om slechts één put te voorzien, maar zullen er meerdere verticale warmtewisselaars geplaatst moeten worden. De putten dienen hierbij wel op een bepaalde afstand van elkaar geplaatst te worden zodat de warmtewisselaars elkaar niet beïnvloeden. Door de grote dieptes van de sondes (courante waarden zijn honderd meter) is er bij BEO een veel kleiner oppervlak nodig dan bij de horizontale grondwarmtewisselaars. Maar dit voordeel brengt ook wel een nadeel met zich mee. Door de putten die gegraven moeten worden zal de investeringskost aanzienlijk hoger liggen dan bij het horizontale systeem. Belangrijk is op te merken dat al deze technieken een dubbele functie kunnen uitvoeren: verwarming in de wintermaanden en koeling in de zomermaanden. Warmtepompen werken namelijk steeds in twee richtingen (zoals bijvoorbeeld een airconditioningsinstallatie). Tijdens de warme zomermaanden dumpt de warmtepomp via de warmtewisselaars energie-overschotten in de sink (bodem of waterlichaam) waardoor deze opwarmt. De sink doet met andere woorden dienst als warmte-batterij die tijdens de zomer wordt opgeladen. In de koudere wintermaanden worden de kleppen in de warmtepomp omgedraaid zodat de opgeslagen warmte uit de sink kan worden onttrokken. De ondergrond fungeert als het ware als een thermos die energie, in de vorm van warmte, kan opnemen en afgeven naargelang de behoefte. 6

16 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond De BEO-techniek vereist in tegenstelling tot de ATES-techniek (Aquifer Thermal Energy Storage, die verderop wordt besproken) geen specifieke geologische omstandigheden. BEO is met andere woorden steeds toepasbaar. BEO-technieken worden gekarakteriseerd door aantrekkelijke terugverdientijden: afhankelijk van de juistheid van de dimensionering en de heersende omstandigheden variëren deze rond 10 jaar (Van Bael, 2007) Open systeem: ATES In tegenstelling tot de gesloten systemen maakt de ATES-techniek (ook wel KWO= Koude Warmte Opslag) direct gebruik van warme grondwaterlagen (= aquifers). Het grondwater wordt gewonnen via een diepe bodemsonde, aangewend voor verwarming/koeling en vervolgens via een tweede sonde in dezelfde aquifer gereïnjecteerd. Er is dus sprake van een open systeem, zoals duidelijk te zien is in figuur 3. Indien de mogelijkheid tot toepassing van KWO bestaat, m.a.w. er zijn aquifers op een aanboorbare diepte te vinden, zal deze techniek steeds boven Boorgat Energie Opslag worden verkozen. Het boren van slechts twee putten in plaats van het grote aantal sondes in een BEOveld verlaagt de investeringskost drastisch, waardoor de terugverdientijd wordt teruggeschroefd. 2.2 Indirect gebruik Oppompen Figuur 3: Schematische weergave van KWO. (Terra Energy, s.d.b) De elektriciteitsopwekking via turbinewerking vereist fluïda met een hoge temperatuur die aan het aardoppervlakte als stoom beschikbaar zijn. Het oppompen van deze fluïda gebeurt met behulp van een doubletsysteem (Barbier, 2002). Hiervoor moeten er twee putten geboord worden (zie figuur 4). De eerste put, de productieput, fungeert als aanvoerroute van de hete fluïda naar de turbine. In de tweede put, de zogenaamde reïnjectieput, zullen de opgepompte en gedeeltelijk afgekoelde fluïda weer geïnjecteerd worden in de aquifer. Deze reïnjectie maakt van geothermische elektriciteitsopwekking een duurzame energiebron. 7

17 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Vooraleer de afgekoelde, en voor turbineaandrijving niet meer interessante laag-calorische fluïda worden gereïnjecteerd, kunnen deze echter nog voor directe ruimteverwarming dienen. Een eerste voordeel van dit systeem zit in het feit dat de opgepomte fluïda vaak mengsels zijn van corrosieve stoffen die niet in aanraking mogen komen met het aan de oppervlakte gelegen milieu. Door het water binnen het systeem te houden vermijdt men niet alleen contaminatie van de leefomgeving, maar moet men de fluïda ook niet zuiveren, hetgeen een kostelijk en ingewikkeld proces is. De reïnjectie zorgt bovendien voor het niet uitgeput raken van de aquifer. Het reïnjecteren is immers nodig omdat de natuurlijke vullingswijze van de aquifer, het insijpelen van regenwater, een traag proces is. Het reïnjecteren van de fluïda zorgt dus voor een duurzame oplossing door gebruik en hergebruik. Er dient opgemerkt te worden dat het proces van oppompen en inspuiten een zekere barrière met zich meebrengt. Het gereïnjecteerde fluïdum is immers kouder dan het opgepompte, waardoor de temperatuur van de aquifer langzaam zal dalen. De snelheid waarmee de aquifer opnieuw opwarmt is sterk geografisch gebonden (zie ook 3.1 Toepasbaarheid). Dit uitputtingseffect dient bij de bepaling van het oppompdebiet zeker in rekening te worden gebracht. Aardwarmtebenutting moet dan ook zo worden gedimensioneerd dat de afkoeling van de betreffende aardlagen op een dergelijke manier gebeurt zodat gedurende de gehele levensduur van de installaties een voldoende opbrengst van warmte kan gegarandeerd worden. Figuur 4: Schematische weergave van het pompsysteem. (Geothermal Education Office, 2000) Na het oppompen van de fluïda volgt het gebruik aan de oppervlakte en hierbij zijn verschillende mogelijkheden. Er kan gebruik gemaakt worden van Dry Steam energiecentrales, Flash Steam energiecentrales, binaire cycli en Hot Dry Rock of Enhanced Geothermal systemen. 8

18 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Dry Steam Energiecentrales Bij hoge aquifertemperaturen (boven 100 C), bevat de aquifer ook stoom, die direct benut kan worden voor de aandrijving van turbines. De stoom wordt daarna gekoeld zodat condensatie optreedt, waarna het opnieuw in de aquifer wordt geïnjecteerd. Een centrale die op deze manier werkt, wordt een Dry Steam energiecentrale genoemd (zie figuur 5). Slechts zo n 15% van het fluïdum dat wordt opgepompt, kan vanwege de inefficiënte condensatie opnieuw worden ingespoten. Bovendien moeten er voor de turbine filters geplaatst worden, om te vermijden dat stof en stukjes steen meekomen en schade veroorzaken. Dit kan bijvoorbeeld cyclonisch gebeuren, waarbij de lucht gecentrifugeerd wordt en de zwaardere deeltjes neervallen. (DiPippo, 1999) Figuur 5: Schematische weergave van een Dry Steam energiecentrale. (Ryan, 2005a) Flash Steam Energiecentrales Dry Steam energiecentrales komen niet veel voor, aangezien de meeste geothermische reservoirs hoofdzakelijk vloeistof bevatten. In dit geval maakt men dan gebruik van Flash Steam energiecentrales (zie figuur 6). Men maakt een onderscheid tussen single-flash en double-flash centrales. De single-flash centrales pompen het medium naar de oppervlakte, waar men door centrifugatie de stoom van de vloeistof kan scheiden. De stoom gaat dan door de turbine en wekt zo elektriciteit op. Daarna condenseert de stoom en gaat het in vloeibare vorm, samen met de afgescheiden vloeistof, terug de grond in. Ongeveer 85% van wat naar boven komt, wordt opnieuw ingespoten. 9

19 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Bij double-flash centrales wordt de afgescheiden vloeistof naar een lagere druk gebracht, waardoor het deels wordt geflasht tot stoom. Die stoom zal een tweede turbine aandrijven, of indien daarvoor geschikt, zal dezelfde turbine gebruikt worden voor beide onderdelen van het proces. Zo kan nog 20-25% extra energie opgewekt worden. (DiPippo,1999) Figuur 6: Schematische weergave van een Flash Steam energiecentrale. (Ryan, 2005b) Binaire cyclus Door recente technologieën, zoals de organic Rankine cycle (ORC), is het mogelijk om reeds bij lagere temperaturen, rond 80 C (Defoer, Vanslambrouck, & Gusev, 2008), elektriciteit te produceren. De ORC is een cyclus waarvan het werkmedium een vloeistof is dat een lager kookpunt heeft dan dat van water. Middels een warmtewisselaar wordt de vloeistof opgewarmd. Op deze manier kan er dus op meer plaatsen gebruik gemaakt worden van indirecte aardwarmte. De efficiëntie van deze cyclus is lager dan deze met water, maar het is voordelig dat er geen corrosieve stoffen in contact komen met de turbine, wat kosten voorkomt (Defoer, Vanslambrouck, & Gusev, 2008). Ook de Kalina cyclus kan bij lagere temperaturen functioneren. Hierbij wordt een mengsel van twee vloeistoffen gebruikt, vaak ammonia en water. De oplossing zal dan een kooktraject volgen waarbij de kooktemperatuur wijzigt naarmate de verhouding tussen de twee vloeistoffen verandert. Zo kan men een groter bereik aan warmte opnemen en daarom kan het beschouwd worden als een verbetering van de Rankine cyclus. (KalinaCycle, 2010) Figuur 7 toont het percentage aan extra efficiëntie wanneer de Kalina cyclus gebruikt wordt in plaats van de Rankine cyclus, en dit voor verschillende omstandigheden. 10

20 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Figuur 7: Voordeel van Kalina cyclus tegenover Rankine cyclus voor verschillende processen. (KalinaCycle, 2010) Een binaire cyclus met water kan gebruikt worden wanneer het water in de bodem wel warm genoeg is, maar te corrosief, of te veel niet-condenserende gassen bevat. De cycli met water zullen dus minder snel gekozen worden en men zal geneigd zijn te opteren voor de ORC of de Kalina cyclus, omdat ze een breder gebruiksveld hebben. Een algemeen schema van een energiecentrale met binaire cyclus is te zien in figuur 8. Figuur 8: Schematische weergave van een energiecentrale met binaire cyclus. (Ryan, 2005c) 11

21 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Hot Dry Rock of Enhanced Geothermal System Er kan ook bovengronds water ingespoten worden via een buis naar een zone waar de bodem weinig of geen water bevat. Dit gebeurt onder hoge druk, met koud water. Het water dringt door scheurtjes in de rots en maakt deze groter. Zo maakt men plaats vrij voor het water, dat dan met een groter, economisch debiet via een andere buis terug naar de oppervlakte kan. Dit systeem noemt men een Hot Dry Rock of Enhanced Geothermal System (zie figuur 9). Tijdens het traject door de bodem warmt het water op aan de hete rotsen en vormt het alsnog stoom. Dit proces heeft veel potentieel, omdat men hierbij niet gelimiteerd wordt door het al dan niet aanwezig zijn van een aquifer. Er loopt een onderzoek waarbij men superkritisch CO 2 gebruikt in plaats van water. Dit geeft een grotere output met minder waterverbruik en er kan ook simultaan CO 2 blijvend in de bodem gepompt worden, wat de concentraties van het gas in de lucht opnieuw zou kunnen verminderen. Ook zijn de meeste mineralen niet oplosbaar in vloeibare CO 2, waardoor geen corrosief mengsel (een probleem indien water wordt gebruikt) naar boven wordt gepompt. (DiPippo, 1999) Figuur 9: Schematische weergave van een Hot Dry Rock energiecentrale. (Department of Energy: AltaRock Energy, 2011) 12

22 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Hoofdstuk 3. Voor-en nadelen De nadelen van geothermie situeren zich vooral op het vlak van de efficiëntie, de initiële kostprijs en de geografische gebondenheid. Als er gekeken wordt naar de efficiëntie van geothermische elektriciteitsproductie valt het op dat die slechts 10 tot 17% bedraagt, (Barbier, 2002) hetgeen twee tot drie maal lager is dan bij nucleaire elektriciteitsproductie. Daar is de efficiëntie namelijk ongeveer 31% (Holbert, 2011). Dit is vooral te wijten aan de lage temperaturen en de samenstelling van de stoom. De efficiëntie van een turbine η wordt immers gegeven door: (formule 1) waarbij T L de laagste temperatuur van het werkmedium (nadat het door de turbine is gepasseerd) en T H de hoogste temperatuur van het werkmedium (voordat het door de turbine is gegaan) is. Als T H hoog is, zal de efficiëntie dus stijgen. De opgepompte fluïda bevatten ook vaak gassen zoals CO 2, H 2 S, N 2 en NH 3 en die condenseren weinig of niet. Ze dienen verwijderd te worden, anders blijven ze in de condensor hangen. Normaliter worden ze in de atmosfeer gebracht, maar dit moet volgens bepaalde normen gebeuren. Er dient dus gefiltreerd te worden om emissies van schadelijke gassen te beperken. Dit ontgassen kost energie, zodat er extra energie aan het systeem moet toegevoegd worden en hierdoor zal de efficiëntie dalen. Een tweede nadeel van geothermie is de hoge initiële kostprijs (Barbier, 2002). Er moet namelijk geïnvesteerd worden in de identificatie en karakterisatie van de bodemstructuur en vooral het boren is zeer kostelijk. Hoe dieper er geboord moet worden om tot de benodigde diepte te raken, hoe duurder het boorproces zal zijn. Er bestaat ook de kans dat na het boren ontdekt wordt dat de aquifer kleiner is en een lagere temperatuur heeft dan verwacht waardoor de vooropgestelde energieopwekking niet behaald kan worden. Het investeren in geothermie neemt dus een bepaald risico met zich mee. Dan is er nog de geografische gebondenheid. Er zijn immers niet overal geschikte aquifers aanwezig die voldoende warm en groot zijn waardoor indirect gebruik vaak niet mogelijk zal zijn. Direct gebruik daarentegen, is overal toepasbaar. Het gebruik van warmptepompen verschaft immers de mogelijkheid om warmte uit de omgeving te onttrekken. Hierbij is het wel belangrijk op te merken dat sommige ondergronden zich beter lenen tot warmteonttrekking dan anderen. Bodems met een slecht warmteonttrekkingsvermogen zijn wel bruikbaar, maar er dient in dit geval een grotere investering gemaakt te worden opdat dezelfde prestaties geleverd kunnen worden. Het probleem van geografische gebondenheid voor direct gebruik kan dus overwonnen worden mits er voldoende financiële middelen aanwezig zijn terwijl bij indirect gebruik alleen het HDR-systeem een mogelijke oplossing biedt. 13

23 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond In deze tijden van slinkende olievoorraden en bewustzijn rond CO 2 -uitstoot is het belangrijk dat er nieuwe, duurzame energie opgewekt kan worden en dit brengt ons bij de voordelen. Geothermie bezit ten eerste het pluspunt dat er zo goed als geen CO 2 -uitstoot is. Alleen voor het oppompen, reïnjecteren en de werking van de warmtepomp wordt vaak een externe energiebron gebruikt die CO 2 -uitstoot met zich meebrengt. Geothermie is dus een weinig vervuilende manier van energieopwekking. Dit gering verbruik brengt ook een economisch voordeel met zich mee. Fossiele brandstoffen worden immers steeds schaarser en duurder waardoor een vermindering in verbruik ervan zowel een economisch als een ecologisch voordeel met zich meebrengt. Hoe duurder de conventionele energiebronnen worden, hoe korter de terugverdientijd van een geothermische installatie zal worden (zie hoofdstuk 15). Ten tweede is er de duurzaamheid. Het reïnjecteren van de fluïda zorgt ervoor dat er geen contaminatie van de bodem optreedt en dat de aquifer niet leeg raakt. Dit voldoet dus aan de definitie van duurzaamheid die zegt dat er aan de huidige behoeften, hier energieopwekking, voldaan moet worden zonder de behoeften van de komende generaties te schaden (Brundtland, 1987). Ook bij het onttrekken van warmte aan de bodem werkt men duurzaam aangezien, mits juiste dimensionering, de bodem steeds weer opwarmt nadat er warmte aan onttrokken is. Zo kan een aquifer in principe heel lang kan meegaan zonder uitgeput te raken, zolang het water niet te snel opgepompt wordt en de aquifer dus genoeg tijd geeft om weer op te warmen. Als de voordelen met de nadelen worden vergeleken, kan er besloten worden dat de grootste troef van geothermie vooral ligt bij het ecologisch aspect. De nadelen hebben dan weer meer te maken met het economisch opzicht en dan vooral de investering die soms met enig risico gemaakt moet worden. Hoofdstuk 4. Warmtepompsysteem In vele gevallen zal bij ondiepe geothermie het medium een te lage temperatuur hebben om direct voor verwarming te kunnen dienen. Opwaardering van de warmte kan efficiënt gebeuren door gebruik te maken van een warmtepomp. Warmtepompen zijn apparaten die, door verbruik van arbeid, warmte kunnen transporteren en dit van een koud naar een warm medium. Iedere warmtepomp (ingezet voor verwarming) onttrekt warmte of thermische energie aan een medium op een bepaalde temperatuur en geeft deze thermische energie vervolgens weer af aan een medium met een hogere temperatuur (=het warmteafgiftesysteem). Zoals de naam reeds doet vermoeden pompt een warmtepomp dus warmte naar een hoger energieniveau. De Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica, die ons leert dat spontane warmteoverdracht slechts in één welbepaalde richting verloopt (namelijk van een warm naar een koud medium) impliceert met andere woorden de aanwezigheid van één of andere vorm van arbeid om de tegengestelde overdracht te realiseren. Deze arbeid wordt geleverd door een warmtepomp. Iedere warmtepomp kan echter ook de tegengestelde warmteoverdracht katalyseren. 14

24 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond De warmtepomp (in dit geval beter refrigerator (figuur 10) genoemd) onttrekt warmte aan de binnenkant van de ruimte en geeft deze vervolgens af aan de omgeving. Om de werking van een warmtepomp te begrijpen, is het van groot nut de thermodynamische cyclus die het warmtedragend medium doormaakt onder de loupe te nemen, alsook de fysische principes die aan de basis liggen. De thermodynamica leert ons volgende principes (Cengel & Boles, 2011): 1. Een vloeibaar fluïdum dat verdampt neemt thermische energie op, bij condensatie wordt er warmte afgegeven. De energie nodig om een bepaald fluïdum te doen verdampen, noemen we de verdampingsenergie. Deze is gelijk aan de energie-inhoud die vrijkomt bij de condensatie. 2. Het kookpunt van een fluïdum is geen constante, maar is afhankelijk van de heersende druk. Bij een stijgende druk, neemt het kookpunt van het fluïdum toe. Zo kookt water bij atmosferische druk (1 atm = 101,325kPa) op 100 C (of exacter: 99,97 C), maar bij 2 atm op ongeveer 120 C. 3. Onder stijgende druk neemt de temperatuur van een gas toe. Figuur 10: P-v - en T-s-diagram. (Cengel & Boles, 2011) 4.1 Warmtepompcyclus De thermodynamische cyclus vindt plaats in een gesloten circuit waar een warmtedragend medium (ook wel koelvloeistof genoemd) doorheen loopt. Dit medium zal afhankelijk van de druk-en temperatuursomstandigheden in vloeibare of gasvormige toestand voorkomen. Deze faseveranderingen zorgen ervoor dat warmte kan worden opgenomen en later kan worden afgegeven. 15

25 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Niet ieder fluïdum is geschikt om als warmtedragend medium in een warmtepompcyclus te fungeren. Men verkiest steeds een vloeistof met een kookpunt bij lage druk dat lager ligt dan de temperatuur van de warmtebron. Zo kan er reeds bij lage temperatuur verdamping van het warmtedragend medium plaatsvinden. Een veel gebruikt medium is refrigerant 134a, dat bij 1,013 bar een kookpunt van -26 C laat optekenen. Figuur 11: Werking warmtepomp. (Ruts, 2009) De warmtepomp omvat een warmtetransfercircuit dat bestaat uit volgende onderdelen (zie figuur 11): - verdamper, - compressor, - condensor, - expansieventiel. Het warmtedragend medium van de warmtepomp stroomt tussen de warmtebron en het afgiftesysteem. In de verdamper verdampt het warmtedragend medium bij lage druk. De energie die nodig is om deze faseverandering door te laten gaan (de verdampingswarmte) wordt uit het milieu waarin de verdamper wordt geplaatst, onttrokken (dit kan lucht, water of de bodem zijn). De warmtebron verliest dus een hoeveelheid warmte (Q1 in figuur 10), welke overgaat naar het warmtedragend medium. In de compressor wordt de druk van het gasvormige fluïdum sterk verhoogd: zowel temperatuur als kookpunt stijgen. Deze compressie van het gas vereist het verbruik van een hoeveelheid arbeid (W in figuur 10). 16

26 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond De gecomprimeerde damp vloeit vervolgens naar de condensor, waar de damp condenseert tegen de koude wand en hierbij warmte (Q2 in figuur 10) overdraagt naar het medium van een secundair circuit, dat in contact staat met de te verwarmen ruimte. De cyclus wordt vervolledigd door de vloeistof door een smalle opening te sturen, zodat de druk verlaagd wordt en het medium opnieuw energie uit de omgeving kan opnemen. Het temperatuursprofiel van deze cyclus is weergeven in figuur 12, met enkele illustratieve temperaturen. De cylus die het warmtedragend medium doormaakt bestaat uit twee isothermen en twee adiabaten. Figuur 10 geeft het P-v diagram en het T-s-diagram van een geïdealiseerde Carnot warmtepompcyclus weer. Figuur 12: Temperatuursprofiel warmtepompcyclus. (Organisatie voor Duurzame Energie Vlaanderen [ODE], s.d.) In figuur 13 wordt extra duidelijk gemaakt dat afgifte van warmte door het condenseren van het warmtedragend medium niet rechtstreeks in de te verwarmen ruimte gebeurt, maar dat dit proces via een secundair circuit verloopt waarvan het medium (meestal water) deze warmte opneemt. Het opgewarmde water kan dan bijvoorbeeld gebruikt worden voor vloerverwarming. 17

27 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond 4.2 Prestatiecoëfficiënten Figuur 13: Systeem van warmteafgifte. (Klimaterra, 2006) Een belangrijke eigenschap van warmtepompen is dat er rendementen (of beter: prestatiecoëfficiënten) boven 100% bereikt kunnen worden, iets wat onmogelijk kan worden behaald met eender welke verbrandingsinstallatie of verwarmingssysteem met weerstand. Er kan met andere woorden meer thermische energie worden getransporteerd dan dat er arbeid nodig is om de compressor aan te drijven. a) Coefficient Of Performance (COP) Traditioneel worden de prestaties van een warmtepomp aan de hand van een COP beschreven. Men definieert de maximum theoretische COP als volgt: (formule 2) met Q= de verplaatste warmtehoeveelheid (in kj) en W= de benodigde arbeid voor aandrijving van de compressor (in kj). (Cengel & Boles, 2011, p ) 18

28 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Bijvoorbeeld: Een warmtepomp met een COP van 4, onttrekt 3 kwh warmte uit de omgeving en heeft daarbij 1 kwh elektrische compressie-energie nodig. Er kan dan 4 kwh warmte via het afgiftesysteem worden afgegeven (zie formule 3). Deze warmtepomp onttrekt hier dus 75% van de afgegeven energie uit zijn omgeving. Goede warmtepompen kunnen voor iedere verbruikte kwh elektriciteit of aardgas tussen de 3 en 6 kwh warmte opleveren (COP= 3-6). Iedere warmtepomp wordt door twee COP s gekarakteriseerd: één voor verwarming en één voor koeling. (Cengel & Boles, 2011, p ) (formule 3) (formule 4) De COP voor verwarming is gelijk aan de ratio van de hoeveelheid warmte verwijderd uit het koudereservoir vermeerderd met de geleverde arbeid over deze geleverde arbeid. De COP geassocieerd met verwarming kan bovendien worden herschreven tot (Cengel & Boles, 2011, p ): waarbij de temperaturen in Kelvin gezien moeten worden. (formule 5) Formule 5 kan worden bekomen door in te zien dat, volgens de Eerste Wet van de Thermodynamica (Cengel & Boles, 2011, p ): (formule 6) waarbij Q warm de warmte is die door het warmtereservoir is afgegeven. En Q koud de warmte opgeslagen in het koudereservoir. Verder kunnen we aantonen dat (Cengel & Boles, 2011, p ): (formule 7) Deze formule maakt duidelijk dat kleine temperatuursverschillen tussen warmtebron en warmteafgiftesysteem de hoogste COP s geven. Figuur 14 illustreert deze stelling. Dit kan worden begrepen door in te zien dat de drukverhoging die de compressor moet leveren rechtstreeks samenhangt met de gerealiseerde temperatuursverhoging van het warmtedragend medium. Deze temperatuursstijging is dan weer afhankelijk van het temperatuursverschil tussen warmtebron en warmteafgiftesysteem. Hoe hoger de brontemperatuur en hoe lager de afgiftetemperatuur, hoe lager de benodigde drukverhoging in de compressor en hoe hoger de winstfactor. 19

29 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Figuur 14: De COP in functie van het temperatuursverschil tussen warmtebron en afgiftesysteem (afgeleid van formule 5). Theoretische en/of experimentele winstfactoren worden door warmtepompproducenten getabelleerd bij welbepaalde referentietemperaturen (meestal een warmtebrontemperatuur van 0 C en een aanvoertemperatuur naar het afgiftesysteem van 35 C). Dit maakt het vergelijken van verschillende warmtepompen mogelijk. COP s zijn echter geen constante waarden, maar fluctueren gedurende het stookseizoen. Door lange tijd warmte uit de bodem te onttrekken, neemt de temperatuur van de ondergrond stelselmatig af, waardoor de initiële winstfactor niet meer kan worden gehaald. We spreken over een ontlading van de ondergrond. Door tijdens de zomer warmte in de ondergrond te dumpen, laadt de bodem terug op, zodanig dat het volgende stookseizoen opnieuw hoge winstfactoren kunnen worden bereikt. b) Seasonal Performance Factor (SPF) Een betere maat om de prestaties van warmtepompen te beschrijven en te vergelijken, is door evaluatie van de SPF s. Seasonal Performance Factors geven een beter beeld van de prestatie over het gehele stookseizoen. SPF s houden, in tegenstelling tot COP s, rekening met de verbruiken van alle randapparatuur en het verloop van de brontemperatuur tijdens het stookseizoen. (Maatouk, Zoughaib & Clodic, 2010) c) Primary Energy Ratio factor (PER factor) Om energie-efficiënties van warmtepompsystemen met olie- of gasgestookte verwarmingsketels correct te kunnen vergelijken, maakt men gebruik van PER-factoren. Deze factoren gaan verder dan COP- of SPF-waarden en omvatten het totale primaire energieverbuik. Hierbij wordt ook rekening gehouden met de rendementen van elektriciteitscentrales en thermische efficiënties van verwarmingsketels. Hoe energiezuiniger het systeem, hoe hoger de PER-factor. Systemen met een hoge PER-factor dragen dus bij tot het verminderen van de CO 2 -emissie. 20

30 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond In tabel 2 worden bovengenoemde prestatiecoëfficiënten voor verschillende types van warmtepompen met elkaar vergeleken. Hierbij valt het op dat de COP altijd groter is dan de SPF, die op zijn beurt groter is dan de PER-factor. De cijfers die in deze tabel gebruikt worden zijn louter indicatief. De werkelijke praktijkwaarden zijn afhankelijk van de omstandigheden. WPbuitenlucht WP-bodem (horizontaal) WP-bodem (verticaal) WPgrondwater Mazoutketel Gasketel (HR) COPwp (indicatief) 3,2 (2-35 C) 4,5 (0-35 C) 4,5 (0-35 C) 5,6 (10-35 C) SPFsysteem (indicatief) PERsysteem (indicatief) 2,7 3,2 3,6 3,0-3,8 1,1 1,3 1,4 1,2-1,5 0,8 0,9 Tabel 2: Vergelijking van verschillende warmtepompsystemen met elkaar en met ketelverwarming, gebruik makend van verschillende prestatiecoëfficiënten. (Van de Meulebroecke, Suijkerbuijk, Verhaert, Hendriksen, Sourbron & Steendam, 2007) 4.3 Types van warmtepompen Afhankelijk van de gekozen warmtebron en het afgiftemedium onderscheiden we volgende types van warmtepompen (Van de Meulebroecke, et al, 2007): - lucht / lucht warmtepompen, - lucht / water warmtepompen, - water / water warmtepompen, - grond / water warmtepompen. Eerst wordt het type warmtebron vermeld (buitenlucht, water of ondergrond) en vervolgens het gebruikte medium voor warmteafgifte. Bij water/water warmtepompen zal er dus bijvoorbeeld energie worden onttrokken of afgegeven worden aan ondergrondse waterlagen en zal er water in een secundair circuit gebruikt worden om de ruimtes te verwarmen of te koelen. Water/luchten grond/lucht warmtepompen worden hier niet vermeld wegens weinig praktisch voorkomen. Het is duidelijk dat warmtepompen functioneren tussen alle mogelijke combinaties van milieuelementen (bodem, water en lucht). Welk warmtepompsysteem de hoogste COP haalt, is sterk afhankelijk van de omgeving waarin de pomp wordt geplaatst. Zo kunnen lucht/lucht warmtepompen bijvoorbeeld worden gebruikt voor verwarming van ruimtes, maar in koude periodes is het rendement hiervan laag. (Van de Meulebroecke, et al, 2007) 21

31 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond De hoogste prestatiecoëfficiënten worden behaald met water/water warmtepompen en bodem/water warmtepompen. Hierbij is de bodem (en de onderliggende gesteentelagen met waterhoudende lagen) een belangrijke bron van warmte. Vanaf een bepaalde diepte blijft de bodemtemperatuur bovendien constant, wat een constante warmteflux kan garanderen. Algemeen wordt aangenomen dat in Vlaanderen vanaf een diepte van 15 m de bodemtemperatuur onafhankelijk is van de seizoenale temperatuursverschillen en dus continu 10 à 12 C is. (zie figuur 15) De algemene temperatuursgradiënt van 2 à 3 C per 100 meter blijft natuurlijk wel behouden. De temperatuur-constantheid van ondergrond gaat echter niet op voor ondergronden geïmpregneerd met grondwarmtewisselaars. Door warmte-onttrekking gedurende het stookseizoen daalt de bodemtemperatuur wel met 4 à 6 C. Vermits warmtepompverwarming streeft naar maximale brontemperatuur en minimale afgiftetemperatuur, daalt de COP van het systeem ieder jaar wanneer de bodem enkel wordt aangewend voor verwarming. Enkel door het gebruik van de warmtepomp voor koeling (= stokeren van restwarmte in de bodem), kan de bodem zijn oorspronkelijke temperatuur bereiken zonder te spreken van een uitputting. (Van de Meulebroecke, et al, 2007) Figuur 15: Evolutie van natuurlijke grondtemperatuur in functie van de seizoenen. (Vercruysse, 2011) De verschillende types warmtepompen worden in tabel 3 weergeven, met kort de belangrijkste voor-en nadelen van iedere installatie. 22

32 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Type warmtepomp Voordelen Nadelen Verticale grondwarmtewisselaar (Grond/water) Horizontale grondwarmtewisselaar (Grond/water) Grondwater (Water/water) Buitenlucht (Lucht/lucht of lucht/water) Beperkt grondbeslag Bijna overal toepasbaar Weinig variatie in brontemperatuur Relatief hoge brontemperatuur Gesloten systeem Bijna overal toepasbaar Gesloten systeem Beperkt grondbeslag Constante brontemperatuur Relatief hoge brontemperatuur Onuitputbaar Beperkt grondbeslag Bijna overal toepasbaar Onuitputbaar Lage investeringskost Daling brontemperatuur tijdens stookseizoen Aangepaste computerprogrammatuur nodig Lekdichtheid nodig (glycol in het systeem) Ruim grondbeslag Variërende brontemperatuur Mogelijke uitputting bodem Daling brontemperatuur tijdens stookseizoen Lekdichtheid nodig (glycol in het systeem) Kwaliteit water niet verzekerd Niet overal beschikbaar Hoge investeringskost Oppompen kost energie Boring, reïnjectie en afdichting vereisen exta aandacht Open systeem Hulpverwarming noodzakelijk Zeer sterk wisselende brontemperatuur Ontdooisysteem nodig Tabel 3: Belangrijkste voor - en nadelen van de verschillende types warmtepompen. (ODE, s.d.) 23

33 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Uit tabel 3 kan besloten worden dat afhankelijk van de situatie en voorkeuren van de gebruiker er steeds verschillende systemen gekozen kunnen worden. Als de gebruiker bijvoorbeeld geen hoge investering wil doen, dan is een lucht/lucht warmtepompsysteem aangeraden aangezien dit de laagste investering met zich meebrengt van alle types. Het grootste nadeel hierbij zal zijn dat hulpverwarming noodzakelijk is. 4.4 Warmteafgifte Conventionele ruimteverwarming maakt gebruik van een centraal verwarmingssysteem met een wateraanvoertemperatuur van 90 C en een retourtemperatuur van 70 C. Zoals reeds vermeld, lenen grondwarmtewisselaars zich enkel tot een verwarmingssysteem op lage temperatuur: de aanvoertemperatuur van het water is maximaal 55 C, de retourtemperatuur rond de 45 à 50 C. Men streeft steeds naar een zo laag mogelijke afgiftetemperatuur: per C temperatuursverlaging van het warmteafgiftesysteem verhoogt de COP immers met 2%. (Van de Meulebroecke, et al, 2007) Deze LTV-systemen, of lage temperatuur verwarmingssystemen, vereisen afgiftesystemen met een groot warmteafgevend oppervlak of maken gebruik van warmeluchtverwarming. LTVsystemen kennen verschillende gebruiksvormen: vloerverwarming, muurverwarming, plafondverwarming of overgedimensioneerde radiatoren. Zowel vloerverwarming, muurverwarming als plafondverwarming maakt gebruik van een buizennet, ingebed in de vloer-, muur-, of plafondopbouw, waardoor water op lage temperatuur circuleert. (Van de Meulebroecke, et al, 2007) Al deze technieken zijn echter niet toepasbaar in bestaande ruimtes zonder uitvoering van grondige renovatiewerken. Dit kan worden omzeild door installatie van een overgedimensioneerde radiator. Vermits deze radiatoren worden gevoed op lage temperatuur, dient men deze over te dimensioneren indien men wenst dat het een evenwaardige warmteafgifte realiseert als op hoge temperatuur. 4.5 Warmtepomp inzetmethodes Er zijn verschillende manieren waarop men een warmtepomp kan inzetten. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen monovalente, mono-energetische, bivalent-parallelle en bivalentalternatieve werking. (Van de Meulebroecke, et al, 2007) Monovalente werking: Bij deze inzetmethode worden alle ruimtes uitsluitend verwarmd door de warmte afgegeven door de warmtepomp. Er zijn verder geen bijverwarmingen. De goede dimensionering is hierbij van groot belang aangezien ondergedimensioneerde warmtepompen niet voldoende warmte zullen genereren. 24

34 Deel 2 - Geothermie: Theoretische achtergrond Mono-energetische werking: De warmtepomp zorgt voor het grootste deel van de warmtebehoefte, maar wordt bij extreme weersomstandigheden ondersteund door een ingebouwd elektrisch element. Bij de meeste mono-energetische installaties wordt 80% van het benodigde warmtevermogen door de warmtepomp geleverd. Bivalent-parallelle werking: De warmtepompinstallatie wordt aangevuld met een bijkomende warmtegenerator (bijvoorbeeld een gasgestookte CV-ketel). Het verwarmingsvermogen van de warmtepomp bedraagt meestal 50 à 70% van de totale warmtevraag. De warmtepomp zal instaan voor 70 à 90% van de jaarlijkse stookactiviteit. Bivalent-alternatieve werking: De warmtepomp zal tot aan een bepaalde minimum buitentemperatuur voor de volledige verwarming van het huis instaan. Wanneer die buitentemperatuur echter te sterk zakt, zal de warmtepomp worden uitgeschakeld en wordt het huis verwarmd door een andere verwarmingsinstallatie. 25

35 Deel 3 - Inzet van geothermie Deel 3 - Inzet van geothermie Hoofdstuk 5. Toepasbaarheid Wanneer men gebruik wil maken van geothermie, moet er eerst gekeken worden of hier wel mogelijkheid toe is. De temperatuur van de bovenste aardlagen, alsook de aanwezigheid van waterdragende lagen, zijn belangrijke parameters die de toepasbaarheid beïnvloeden. Die temperatuur hangt sterk samen met de plaattektonische context waarin het gebied zich bevindt. Gebieden gelokaliseerd aan een plaatrand zijn rijk aan hoog-enthalpische bronnen op geringe diepte. Men onderscheidt hierbij convergerende en divergerende plaatranden. Bij convergerende plaatranden duikt de oceanische plaat onder de aangrenzende continentale plaat en ondergaat daarbij een proces dat men subductie noemt. De wegduikende beweging van de oceanische plaat in de hete asthenosfeer gaat gepaard met magmavorming en het opstijgen van heet vulkanisch materiaal. Deze opstijgende magmabellen kunnen eventueel aangrenzende waterlagen snel verhitten. De vorming van nieuwe aardkorst aan divergerende plaatranden gaat gepaard met het opstijgen en stollen van onderliggend magma aan het aardoppervlak. De Mid- Oceanische Ruggen zijn hier een belangrijk voorbeeld van (Barbier, 2002, p.24-25). Op de plaatsen waar er een hoge geothermische activiteit is, op die plaatranden dus, kan de temperatuursgradiënt in de bovenste lagen van de aardkorst tot meer dan 100 C/km oplopen. De gemiddelde waarde hiervoor is, zoals reeds vermeld, 30 C/km (Barbier, 2002, p.6). Naast een voldoende hoge temperatuur, is een opslagplaats voor het aanwezige water of stoom noodzakelijk om diepe geothermische energie te kunnen aanwenden. Er moeten zogenaamde aquifers aanwezig zijn. Aquifers zijn opslagplaatsen van warm water of hete stoom en zijn dus noodzakelijk voor de aandrijving van een geothermische elektriciteitscentrale. De afwezigheid van aquifers reduceren de mogelijkheden van indirect gebruik van geothermie tot het gebruik van het Hot Dry Rock systeem (Barbier, 2002, p.55). Met deze voorwaarden kan deels de mogelijkheid tot installatie van een geothermische centrale voorspeld worden. Belangrijke gebieden waar nu reeds gebruik gemaakt wordt van geothermische energiecentrales zijn Ijsland, Indonesië, Japan en het Middellandse Zeegebied. Door de uiterst gunstige ligging van Ijsland, namelijk op een Mid-Oceanische Rug, kunnen ze gemakkelijk 85% (Geothermal Education Office, 1997) van hun huizen verwarmen met aardwater en levert diepe geothermie 17% van hun elektriciteit (Bertani, 2009). Het direct gebruik van geothermie houdt een stuk minder beperkingen in. Naargelang de omstandigheden kan steeds een geschikte (warmtepomp)installatie geplaatst worden. Afhankelijk van het bodemtype zal direct gebruik ook economisch haalbaar zijn. Zandbodems worden over het algemeen zeer geschikt geacht om warmte uit te onttrekken terwijl dit bij kleibodems minder het geval is. In zandbodems zal de installatie dus minder groot moeten worden gedimensioneerd en bijgevolg zal de investering geringer zijn dan bij kleibodems. Elk geval dient afzonderlijk bestudeerd te worden om te kijken of het plaatsen van een warmtepompinstallatie mogelijk en rendabel is op die bepaalde plaats. 26

36 Deel 3 - Inzet van geothermie Hoofdstuk 6. Huidige stand van zaken: Wereld De huidige geothermische productie in de wereld concentreert zich voornamelijk in die gebieden die plaattektonisch bevoordeeld zijn. De Verenigde Staten, de Filipijnen en Indonesië zijn de grootste producenten van elektriciteit, elk met een capaciteit (2010) van minstens 1000 MW. Mexico, Italië, Nieuw-Zeeland, Ijsland en Japan zitten in de categorie van meer dan 500 MW capaciteit. (Holm, Blodgett, Jennejohn & Gawell, 2010) In figuur 16 wordt het aandeel van de belangrijkste geothermische elektriciteitsproducerende landen in een taartdiagram uitgezet. De percentages die daar gebruikt worden verschillen licht met de cijfers uit het Geothermal Energy International Market Report (Holm, Blodgett, Jennejohn & Gawell, 2010). Uit cijfers van 2005 blijkt dat de wereldwijde geothermische elektrische capaciteit ongeveer 9000 MW e bedroeg (Lund, 2007, p.4), maar dit zou nu al boven de MW e moeten zijn. Figuur 16: Aandeel in de wereld van geothermische elektriciteitsproductie per land (2009). (Madrigal, 2009) Europa had in 2010 een geïnstalleerde capaciteit van 1,6 GW e en de teller van geothermische elektriciteitscentrales stond op 59, met dus Italië en Ijsland aan kop (Gibaud, 2011). Ondertussen hebben zowat alle landen in Europa en zelfs in de wereld, plannen om geothermische elektriciteitscentrales te plaatsen. Ook in minder voor de hand liggende gebieden, met andere woorden gebieden die geen gemakkelijk toegankelijke en voldoende warme aquifers hebben, onderzoekt men de mogelijkheden om geothermische elektriciteit te kunnen winnen (Holm, Blodgett, Jennejohn & Gawell, 2010). 27

37 Deel 3 - Inzet van geothermie Het direct gebruik van geothermie is overal mogelijk, kan op vele manieren aangewend worden en kan gaan van een kleine particuliere warmtepomp, een grotere installatie om bijvoorbeeld grote bedrijfsruimten te verwarmen of te koelen tot grote stadsverwarmingsprojecten (onder andere in Den Haag). Het is dus moeilijk om van alle landen een accuraat beeld te schetsen van hun juiste geothermische verwarmingscapaciteit. Maar men kan we stellen dat de VS, Zweden, China, Ijsland en Turkije zijn de landen met de hoogste capaciteiten (Lund, 2007, p.7). In Europa wordt de capaciteit van geothermische warmtecentrales geschat op 4700 MW th (Boissavy, 2011). De laatste jaren is er vooral een sterke stijging in het aantal warmtepompen, overal ter wereld. In Noord-Rijnland-Westfalen bijvoorbeeld, de dichtstbevolkte deelstaat van Duitsland, hebben één op de vier nieuwe woningen een warmtepomp (Organisatie Duurzame Energie, 2009). Deze trend kan men in de meeste Europese landen terugvinden. Hoofdstuk 7. Huidig gebruik en potentieel in Vlaanderen In België wordt voorlopig enkel directe geothermie aangewend. In Wallonië, meerbepaald in Saint-Ghislain bij Bergen, is er sinds 1985 een geothermische warmtecentrale die 355 woningen, 3 schoolgebouwen, een sporthal, het ziekenhuis en het stationsgebouw van Saint- Ghislain verwarmt. Dit is te danken aan de poreuze kalksteen die daar op ongeveer 2500 m diepte te vinden is en waar het water een temperatuur van 73 C heeft. In het gebied rond Bergen is er dus een groot potentieel voor geothermische energieopwekking. (Licour & Baele, 2007) Het gebruik van warmtepompen in Vlaanderen kent, mede door de subsidiëring, een stijgende interesse, zowel bij particulieren als ondernemingen. De mate van interesse wordt sterk bepaald door het eventuele economische voordeel bij de installatie van een warmtepompinstallatie. Dit voordeel is sterk afhankelijk van de onderliggende grondlagen. Vooral het noordoosten van Antwerpen en delen van Limburg worden, vanwege de aanwezigheid van waterlagen en de voornamelijk zandige bodems, gekenmerkt door hoge onttrekkingsvermogens. (Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen, 2010) Er is in Vlaanderen stijgende interesse om ook elektriciteit te winnen uit de aarde. Dit blijkt uit een project van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO) op hun nieuwe site in Mol. VITO wil daar een elektriciteitscentrale plaatsen die de volledige site zou kunnen voorzien van elektriciteit gewonnen uit aardwarmte. Ze willen tegen 2014 de centrale operationeel hebben en vanuit dit project de mogelijkheden bekijken om het gebruik van deze technologie uit te breiden naar Vlaanderen. (Fransaer, 2011) Hot Dry Rock of Enhanced Geothermal Systems zijn in principe overal toepasbaar. Ze vereisen geen aquifers en zowat ieder gesteente zou gebruikt kunnen worden. Er is nog onderzoek nodig naar de Hot Dry Rock systemen, wat het minder evident maakt om de mogelijkheden hiervan verder te bespreken. Het is in ieder geval een interessante piste om verder te onderzoeken in verband met geothermische elektriciteitsopwekking in Vlaanderen. 28

38 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Om concreet te kunnen uitzoeken of geothermische energieopwekking technologisch en/of economisch haalbaar is in Vlaanderen, wordt er een case-study uitgevoerd. In samenspraak met de POM (Provinciale Ontwikkelingsmaatschappij) Antwerpen, hebben we het wetenschapspark Waterfront te Niel als studieterrein gekozen. Dit is een relatief nieuw bedrijventerrein van zo n 32 hectaren groot, gesitueerd op het voormalige kleiontginningsgebied van Niel. We verkozen deze site omdat het wetenschapspark Waterfront spin-offs van de Universiteit Antwerpen huisvest en die bedrijven zich richten op onderzoek en ontwikkeling. Dat maakt ze allicht meer geïnteresseerd in onze opzet, wat qua medewerking zeker een voordeel kan bieden. Het doel van dit onderdeel van ons bachelorproject bestaat erin, specifiek voor het wetenschapspark Waterfront, de mogelijkheid tot geothermische toepassingen te onderzoeken en eventuele alternatieve paden voor te stellen. Daarbij is voornamelijk de verlaging van de ecologische impact het doel dat we voor ogen hebben, maar de economische haalbaarheid is natuurlijk ook een factor waar rekening mee gehouden moet worden vooraleer bedrijven zullen willen investeren in deze alternatieve technologie. Hoofdstuk 8. Geschiedenis en bedrijfsactiviteiten In dit hoofdstuk worden de geschiedenis en de bedrijfsactiviteiten van Waterfront besproken. Alle informatie hieromtrent is afkomstig van persoonlijke communicatie met Jean-Paul Christiaens, de verantwoordelijke voor het commercieel management van het Waterfront-project (Christiaens, J.P., persoonlijke communicatie, 21 februari, 2012). Waterfront is een reconversiegebied. Dit wil zeggen dat er in de geschiedenis van het terrein omschakelingen zijn geweest van de ene economische bedrijvigheid naar de andere. Zo was Waterfront tot de jaren 70 een klei-ontginningssite voor de Nielse steenindustrie. Restanten van de kleinijverheid zijn nog steeds zichtbaar in de vorm van de vier grote vijvers die het uitzicht van het park sterk karakteriseren. Wetenschapspark Waterfront heeft als doel een wetenschapspark te ontwikkelen waar onderzoek en ontwikkeling centraal staan. Het richt zich op spin-offs en kleine en middelgrote ondernemingen die actief zijn in high tech sectoren. Het samenbrengen van deze kennisintensieve bedrijven moet leiden tot een dynamiek die onderlinge contacten stimuleert en innovatie bevordert. Wetenschapspark Waterfront is het resultaat van een hecht partnerschap tussen de Universiteit Antwerpen, de Provinciale Onwikkelingsmaatschappij Antwerpen, Soficom Development en het Universitair Bedrijven Centrum Antwerpen. De Universiteit Antwerpen probeert via wetenschapspark Waterfront nieuwe academische kennis om te zetten in creatieve onderzoeksresultaten en toepassingen met een economisch en/of maatschappelijk belang. 29

39 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Hoewel de gevestigde spin-off bedrijven op technologisch vlak nauw verbonden blijven met de Universiteit Antwerpen, zijn al deze ondernemingen privaat bezit. Ze worden in tegenstelling tot de wetenschapsparken van de UGent en de KULeuven, niet met overheidsgelden aangedreven. Het eerste gebouw werd door de aannemer volledig op risico gezet, d.w.z. dat het gebouwd is zonder dat er overeenkomsten waren met mogelijk geïnteresseerde huurders. Dit heeft geleid tot enkele jaren van leegstand. Sinds enkele jaren is de volledige kantooroppervlakte echter verhuurd aan kleine en middelgrote, nationale en internationale, kennisintensieve ondernemingen. Het creëren van kantoorruimte op risico zal, zeker in de huidige economische toestand, echter niet meer overwogen worden. De bouw van nieuwe kantoor- en laboruimtes zal pas worden opgestart wanneer er voldoende zekerheid over bezetting is. Het masterplan voorziet op termijn m² kantooroppervlakte verspreid over 15 gebouwen. Momenteel zijn slechts twee gebouwen opgetrokken: Archimedes (3480 m 2 ) en Copernicus (2750 m 2 ). In Archimedes worden kantoor- en laboruimtes verhuurd aan zo n tiental kleine kennisintensieve bedrijven. Copernicus is volledig in handen van The Cell Factory (marktleider in cryogene opslag van stamcellen). Twee zaken maken de conversie van de huidige installatie, die afhankelijk is van de verbranding van eindige fossiele brandstoffen, naar een duurzame geothermische installatie op Waterfront niet eenvoudig. In de eerste plaats zijn de meeste van de op Waterfront gevestigde ondernemingen, huurders van een kantoorruimte, en dit vaak voor een korte periode. Dit maakt dat de investering volledig door de ondernemer dient gedragen te worden, welke daar bovendien weinig of geen voordeel mee genereert: de energiekosten worden toch door de huurders gedragen. Ondernemingen kunnen echter, zoals in het geval van The Cell Factory, ook zelf de investering dragen. Grote ondernemingen zijn misschien in staat één volledig gebouw neer te planten, maar de vele, kleinere ondernemingen zullen proberen samen de investering te dragen. De keuze voor een duurzame technologie wordt zo een punt van twist tussen de verschillende investeerders. Figuur 17: Grondplan en overzicht Waterfront. (Christiaens, J.P., persoonlijke communicatie, 21 februari, 2012) 30

40 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Hoofdstuk 9. Huidig verwarmingssysteem In dit deel (Christiaens, J.P., persoonlijke communicatie, 21 februari, 2012) wordt een beschrijving gegeven van de huidige verwarmingsinstallatie, die vervangen zou worden indien Waterfront zou investeren in een geothermisch gedreven verwarmingsinstallatie. Grafiek 1 (aardgasverbruik) en grafiek 2 (elektriciteitsverbruik) (p.40) geven indicaties over de vermogens voor verwarming en koeling die het geothermische verwarmingssysteem per maand zou moeten kunnen leveren om als een (technisch) volwaardig alternatief te kunnen spreken. Het Archimedesgebouw is voorzien van een HVAC-installatie met in het plafond ingebouwde ventiloconvectoren met inblaas- en terugnamewervelroosters. HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) staat in voor de drie deelgebieden van kantoorcomfort: verwarming, koeling en ventilatie. De verluchtingsinstallatie is voorzien van een koelbatterij en een warmtebatterij, zodat verwarming en koeling met de luchtinstallatie binnen bepaalde grenzen mogelijk is. Daarnaast is de installatie uitgerust met een warmtewisselaar (bypass), zodat warmte uit de uitgaande lucht kan worden gerecupereerd. De lucht passeert ook filters, om verspreiding van stof en bacteriën tegen te gaan. Verder is de HVAC-installatie uitgerust met ingebouwde plafondradiatoren waardoor, afhankelijk van de vraag, warm of koud water stroomt. Het verwarmingswater wordt geproduceerd door twee in serie geplaatste gasgestookte ketels (een HoogRendements-ketel en een condensatieketel). Het ijswater wordt aangemaakt door een monobloc koelmachine. Hoofdstuk 10. Algemeen verloop project Algemeen kunnen we stellen dat een geothermisch project in drie grote fasen verloopt. De eerste fase omvat de voorstudie waarin de technische en economische haalbaarheid wordt besproken. Indien het resultaat van deze voorbereidende studie positief is, kan de tweede fase van start gaan. In deze fase wordt de volledige installatie ontworpen. Dit resulteert in een definitieve systeemkeuze en een beschrijving van de specificaties. Met deze resultaten kan men in fase 3 een nauwkeurig bestek opstellen. Volgende hoofdstukken volgen grotendeels deze aanpak, maar een gedetailleerde uitwerking van ontwerp en bestek zijn niet opgenomen. Fase 1: Voorstudie met o.a. een geologisch onderzoek (Hoofdstuk 11) Fase 2: Ontwerp De ontwerpfase bestaat uit volgende stappen: 2.1 Definiëring van de warmte- en koudevraag (Hoofdstuk 12) 2.2 Bepaling bronsysteem en dimensionering grondwarmtewisselaar (Hoofdstuk 13.1) 2.3 Selectie en dimensionering van de warmtepomp (Hoofdstuk 13.2) 2.4 Dimensionering van het distributie- en afgiftesysteem (Hoofdstuk 13.3) Fase 3: Bestek 31

41 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Hoofdstuk 11. Geologisch onderzoek Waterfront 11.1 Direct gebruik geothermie BEO-sondes Om het potentieel van ondiepe geothermie, wat traditioneel tot ongeveer 200 m diep is, te Waterfront te bepalen, is het van groot belang de geologische kenmerken van de ondergrond te bestuderen. Vermits het succes van de werking van bodemwarmtepompen, alsook de benodigde lengte van de bodemwarmtewisselaar, in de eerste plaats wordt bepaald door de thermische geleidbaarheid van de ondergrond, dient men de correcte thermische parameters van de grondlagen te bepalen, meestal door uitvoering van proefboringen. Een eerste indicatie voor de thermische karakteristieken kan men bekomen door raadpleging van de literatuur. De recentste meetcampagne uitgevoerd in augustus 2011 door Terra Energy NV, had als doel de bepaling van de thermische geleidbaarheid van de belangrijkste geologische formaties in Vlaanderen en het opstellen van een geschiktheidskaart voor de toepassing van een BEO-veld via sondes. Om toepassingen van Boorgat Energie Opslag te stimuleren werd reeds in 2004 een summiere geschikheidskaart opgesteld. Voor deze studie werden 15 van de meest voorkomende formaties gemeten en in kaart gebracht. (Robeyn & Hoes, 2011) Deze warmtegeleidbaarheidsmetingen resulteerden in de lambda-waarden uit tabel 4. Formatie Lambda-waarden (W/m.K) Formatie van Aalter 2,61 Quartair van de Vlaamse Vallei 2,41 Formatie van Lillo 2,31 Formatie van Berchem 1,74 Formatie van Lede 2,33 Formatie van Tienen 1,99 Formatie van Borgloon 2,33 Formatie van Voort-Eigenbilzen 1,80 Formatie van Bilzen 2,47 Maasgrinden 2,67 Tabel 4: Lambda-waarden van de meest voorkomende formaties. (Robeyn & Hoes, 2011) 32

42 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront De bepaling van de warmtegeleidingscoëfficiënt van een grondlaag berust op het uitvoeren van een Thermische Respons Test (TRT) (Lemmens, Hoes, De Klerck & Desmedt, 2007). Deze test neemt de snelheid van afkoeling of opwarming van het fluïdum in de ingebrachte warmtewisselaar als maat voor de conductiviteit van de ondergrond. De verticale warmtewisselaar bestaat uit een dubbele U-vormige lus in polyethyleen, met een lengte tussen 15 en 50 meter, die wordt gevuld met water (figuur 18). Bij de uitvoering van de Thermische Respons Test wordt er een continue warmtestroom met constant debiet ingesteld, en dit over een periode van minimaal 40 uur. Door de toevoeging van een constant vermogen aan een vast debiet blijft het temperatuurverschil tussen vertrek-en retourleiding constant. Uitgaande van de curve die de temperatuurverandering tussen in-en uitstroom weergeeft (zie figuur 19), wordt de lambda-waarde bepaald. (Robeyn & Hoes, 2011) Figuur 18 en 19: algemene setup TRT en enkele illustratieve TRT data. (WJ Groundwater, s.d.) De thermische conductiviteitscoëffiënt is niet de enige thermische parameter die het goed functioneren van een BEO-sonde bepaalt. Tevens van groot belang is de volumetrische warmtecapaciteit of C-waarde (in MJ/m 3 K), die aangeeft hoeveel warmte er per volume- en temperatuurseenheid opgenomen kan worden. De meetcampagne, uitgevoerd in 2011, breidt de bestaande databases uit, door tien nog niet bestudeerde formaties op te meten. Deze twee studies geven een goed overzicht van de thermische geleidbaarheid van de ondiepe Vlaamse ondergrond. De opgestelde geschiktheidskaarten geven een indicatie welke gebieden in Vlaanderen geschikt zijn voor warmte-onttrekking door middel van BEO. Deze geschiktheidskaarten stellen de gemiddelde lambda-waarde van de ondergrond voor tot op een diepte van 100 m of tot op de vaste rots. Hierbij wordt de gelaagde ondergrond benaderend uniform beschouwd met als lambda-waarde de gemiddelde lambda-waarde over de verschillende grondlagen rekening houdend met de dikte van iedere laag. 33

43 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Figuur 20: Gemiddelde thermische geleidbaarheid tot op een diepte van 100 m of tot op de vaste rots. (Robeyn & Hoes, 2011) De geschiktheidskaart van Vlaanderen (Figuur 20) is opgedeeld in kleurvakken van blauw naar rood, waarbij blauwe gebieden een lage thermische geleidbaarheid weergeven en rode een hoge. De contouren hebben een equidistantie van 0,1 W/mK. Opvallend is het grote verschil in thermische geleidbaarheid tussen het noorden en het zuiden van Vlaanderen. De ondergrond in het noorden van Vlaanderen is voornamelijk opgebouwd uit zandige sedimenten, die gekarakteriseerd worden door hoge warmtegeleidingscoëfficiënten. Het zuiden is voornamelijk opgebouwd uit kleiige afzettingen, gekarakteriseerd door lagere lambda-waarden. De hoogste thermische geleidingscoëfficiënten (2,7 W/mK) zijn terug te vinden op het zandige Kempisch Plateau, de laagste in de kleiige Westhoek (1,6 W/mK). Om een correcte dimensionering van de warmtebron te verkrijgen, is de bepaling van de exacte lambda-waarden van de grondlagen onder Waterfront noodzakelijk. Voor men overgaat tot deze berekeningen, zal via een Thermische Respons Test de juiste waarde bepaald moeten worden. Rekenen met een foutieve warmtegeleidbaarheidscoëfficiënt zal behoorlijke consequenties met zich meebrengen, en zal in vele gevallen tot een onderdimensionering van de warmtewisselaar leiden. De theoretische warmtevraag kan in dit geval niet worden ingelost. Verder in de berekeningen zal, vanwege het ontbreken van TRT data, worden gewerkt met schattingen. Goede schattingen van de thermische geleidbaarheid van de grondlagen in Niel kunnen worden bekomen door raadpleging van de opgestelde kaarten door Terra Energy en door toetsing met vergelijkbare geologische structuren. Niel is gelegen op de scheiding van twee formaties met tegengestelde bodemkarakteristieken (zie figuur 21): de kleiige Formatie van Boom en de eerder zandige Formatie van Berchem. 34

44 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront De Boomse Klei is een sterk gelaagde formatie van siltige klei en kleiige silt die als een onderdeel van de afzettingen van de Rupel geldt. De voormalige klei-ontginningsputten in Niel bevestigen de aanwezigheid van deze kleirijke gronden. Conductiviteitsanalyses van verschillende grondsoorten tonen aan dat kleiige gronden lage geleidbaarheidscoëfficiënten laten optekenen. Figuur 21: Ligging van enkele formaties binnen de provincie Antwerpen. (Ministerie van Vlaamse Gemeenschap, 2001) Horizontale grondwarmtewisselaars Horizontale grondwarmtewisselaars worden, in vergelijking tot BEO-systemen, gekenmerkt door een lagere investeringskost. Bovendien wordt het gebruik van een horizontaal captatienet niet geremd door geologische obstakels. Toch zal men bij grotere warmtevragen zelden horizontale systemen verkiezen. De dalende SPF s gedurende het stookseizoen, het risico van bodemuitputting na enkele seizoenen en de enorme oppervlakten nodig voor de aanleg van de captatienetten maken het gebruik van horizontale grondwarmtewisselaars vaak niet interessant. 35

45 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront KWO-technologie De toepasbaarheid van Koude Warmte Opslag wordt sterk bepaald door de hydro-geologische eigenschappen van de ondergrond. Een doorlatende watervoerende laag met een voldoende grootte op een geringe diepte (50 tot 500 m) is vereist. Indien aan al deze voorwaarden voldaan is, zal KWO, vanwege de constantheid van aanvoerstemperatuur, een efficiënter alternatief vormen voor een BEO-systeem. De KWO-geschiktheidskaart (zie figuur 22), opgesteld door VITO, maakt duidelijk dat ten zuidwesten van Antwerpen steeds een hydro-geologische verkenning noodzakelijk is. Deze verkenning is nodig om zekerheid te verschaffen over de aanwezigheid en grootte van de ondiepe aquifer. De introductie van deze technologie op Waterfront is dus niet vanzelfsprekend en dient voorafgegaan te worden door een grondig geothermaal bodemonderzoek dat uitsluitsel brengt over de aanwezigheid van de gebruikte aquifer Toepassingen zonder warmtepomp Figuur 22: KWO-geschiktheidskaart. (Hoes, 2012) Het Lindal - diagram (tabel 1) geeft aan dat rechtstreeks gebruik van aardwarmte minimale temperaturen van 40 C vereist. In Vlaanderen schommelt de gemiddelde thermische gradiënt in de afzettingen van het Quartair tot en met het Krijt rond 3 C/100 m. Op een diepte van 500 m is het water in mogelijke aquifers dus nog maar 25 C en niet geschikt voor gebruik zonder opwaardering met een warmtepomp. 36

46 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Voor rechtstreekse geothermische toepassingen, die dus minimaal 40 C vereisen (ruimteverwarming met laag-temperatuurafgiftesysteem), is men aangewezen op reservoirs op een diepte van 1000 m of meer. Op deze diepte is het voorkomen van reservoirs eerder beperkt, namelijk tot de diepe sedimentaire bekkens ten noorden en ten zuiden van het Brabants Massief, meer bepaald het bekken van de Kempen en de geologische ruimte onder het steenkoolbekken van Henegouwen. Combinatie van de kaart van aquifers die in aanmerking komen voor directe geothermische toepassingen (Figuur 24) en de temperatuurkaart van de Vlaamse ondergrond op 1000 m (Figuur 23) maakt duidelijk dat de Noorderkempen en het noordoosten van Limburg de twee regio s zijn met het grootste geothermische potentieel. Uitgaande van de temperatuurkaarten en de grootte van de aquifers, berekenden Berckmans en Vandenberghe het geothermisch potentieel van de Kempense aquifers. Uit tabel 5 kan afgeleid worden dat het theoretische geothermische potentieel van de vier belangrijkste reservoirs in de orde van 10 8 tot 10 9 GJ is. Reservoir Energiepotentieel (GJ) Areaal (km²) Krijt 17,7 x Trias 50,8 x Neeroeteren 1,23 x Kolenkalk 44,5 x Tabel 5: Theoretische energie-inhoud van de voornaamste geothermische reservoirs in Vlaanderen. (Dreesen & Laenen, 2010) Het zuiden van de provincie Antwerpen, waartoe Niel behoort, heeft dit potentieel niet en maakt het direct gebruik van warm aquiferwater niet mogelijk. Aanwenden van aardwarmte kan dus enkel via warmtepompsystemen. 37

47 Deel 4 - Geothermisch project: Case-study Waterfront Figuur 23: Belgische temperatuurkaart op een diepte van 1000 m (naar Berckmans & Vandenberghe,1991). (Dreesen & Laenen, 2010) Figuur 24: Ligging van reservoirs in België die mogelijk in aanmerking komen voor directe geothermische toepassingen. (Dreesen & Laenen, 2010) 38