Technische en Juridische belemmeringen Hoge Temperatuuropslag (HTO)

Transcriptie

1 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport Technische en Juridische belemmeringen Hoge Temperatuuropslag (HTO) Princetonlaan CB Utrecht Postbus TA Utrecht T F Datum December 2015 Auteur(s) Joris Koornneef Jasper Griffioen Maarten Pluymaekers Thijs Boxem Aantal pagina's 59 (incl. bijlagen) Aantal bijlagen 3 Opdrachtgever Projectnaam Seizoensopslag warmte Projectnummer /01.04 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor opdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan TNO

2 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 2 / 59 Voorwoord Dit rapport is onderdeel van dat als doel heeft om kennis te delen met betrekking tot capaciteitsvergroting voor geothermische systemen voor de glastuinbouw, zowel redenerend vanuit de ondergrond, als vanuit de bovengrondse vraag en gericht op efficiëntere benutting van de warmte. De beoogde lezer van dit rapport is geïnteresseerd in de technische en juridische mogelijkheden en uitdagingen van seizoensopslag. Dit rapport zal dieper op deze materie ingaan doch met een beperkt technisch en juridisch detailniveau en een belangrijke focus op Hoge Temperatuur Opslag. De informatie is verzameld en geselecteerd zodat de niet-technische lezer en de lezer met beperkte juridische achtergrond een beter inzicht krijgen in hoge temperatuur opslag in de ondergrond. Er is vooral gebruik gemaakt van bestaand materiaal om dit rapport vorm te geven. Dit materiaal is samengevat of indien relevant direct overgenomen en geciteerd. Dit rapport moet dan ook gezien worden als een startpunt voor verdere verdieping. Verwijzingen naar literatuur over de techniek en wetgeving geeft de lezer deze mogelijkheid. Uitspraken in dit rapport dienen niet te worden geïnterpreteerd als juridisch advies. Utrecht, December 2015

3 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 3 / 59 Samenvatting Het wordt steeds belangrijker om de productie van en vraag naar warmte optimaal te matchen. Opslag van warmte en koude is daarom van belang. Warmte en Koude Opslag (WKO) in de ondiepe ondergrond is in verschillende sectoren, waaronder de tuinbouw, een veel gebruikte techniek. Vooralsnog wordt voornamelijk gebruik gemaakt van lage-temperatuur warmte-opslag (<25 C graden). Opslag van heet water in de ondergrond (HTO Hoge Temperatuur Opslag) biedt echter goede kansen om restwarmte beter te gebruiken, het rendement van de hele cyclus te verbeteren en tegelijkertijd de baten te verhogen. HTO wordt echter niet breed toegepast in de Nederlandse ondergrond. Uitdagingen met betrekking tot de techniek van de optie en het bijbehorende juridische kader (van idee naar vergunning en inpassing) zijn belangrijke punten die de implementatie ervan beïnvloeden. In dit rapport zijn daarom de technische en juridische mogelijkheden en uitdagingen van Hoge Temperatuur Opslag in kaart gebracht. Technische uitdagingen Hoge temperatuur opslag is technisch gezien complexer dan een lage temperatuur opslag. De belangrijkste aandachtspunten zijn: Temperatuurveranderingen in de bodem: Eén van de belangrijkste aspecten die in de praktijk een rol spelen is in hoeverre de temperatuurveranderingen ook in bovenliggende watervoerende pakketten merkbaar zijn. Dit vereist gedetailleerde kennis van de ondergrond, gevolgd door modellering en monitoring van projecten. Zowel verticale als horizontale warmtestromingen dienen onderzocht te worden en te worden geverifieerd met monitoring tijdens gebruik. Dit wordt aangevuld met het monitoren van mogelijke effecten van warmtestroming op het rendement van de HTO. Geschikte watervoerende pakketten in Nederland: Een HTO systeem kan een rendement van 75% halen. Het opslagrendement van WKO-systemen wordt bepaald door de warmteverliezen die optreden onder invloed van verschillende processen. Het gaat hierbij om warmtegeleiding, dispersie, grondwaterstroming en dichtheidsgedreven grondwaterstroming ( vrije convectie ). Mitigatie van verticale warmtestroming is noodzakelijk. Optimaal is een combinatie van lage verticale doorlatendheid en hoge horizontale doorlatendheid, zodat verticale warmte stroming beperkt is en hoge brondebieten behaald kunnen worden. Meer inzicht is echter gewenst in de heterogeniteit van watervoerende pakketten in relatie tot het optreden van dichtheidstroming als ook de geschiktheid van de ondiepe ondergrond voor HTO (tientallen tot enkele honderden meters diep). Putverstopping en corrosie: Doordat de hogere temperatuur de oplosbaarheid van carbonaten verlaagt, kunnen maatregelen (waterbehandeling) nodig zijn om putverstopping door neerslag van carbonaatmineralen tegen te gaan. Uitgevoerd onderzoek geeft aan dat waterbehandeling nodig kan zijn bij temperaturen boven de 40 à 60 ºC, afhankelijk van de waterkwaliteit. Als gevolg van hogere temperaturen treedt

4 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 4 / 59 een versnelling van silicaatverwering op en zal er mogelijk verschuiving van redox reacties plaatsvinden die corrosie kunnen veroorzaken en misschien ook scaling door Si-houdende mineralen. Materiaalgebruik bij hoge temperaturen en corrosiegevoelige omstandigheden: Corrosie is een belangrijk aandachtspunt voor een geothermisch systeem. Corrosie is zeer afhankelijk van de aanwezigheid van oxiderende elementen: zuurstof, CO2, waterstofsulfide, chloride, ammoniak, sulfaat en waterstof ionen. De parameters die van belang zijn bij het inschatten van de corrosie zijn de samenstelling van het formatiewater, gassamenstelling, temperatuur, druk en gebruikte materialen (met name welk type staal wordt toegepast). De materialen die bij lage temperatuuropslag worden toegepast (< 40 ºC), zoals PVC, kunnen niet gebruikt worden bij de heersende temperaturen bij HTO. Dit leidt tot hogere investeringskosten. Dit vergt dus het zoeken naar een optimum van de performance van de opslag (rendement, debieten) en investeringskosten. Milieuhygiënische effecten HTO-systemen kunnen ook indirecte of directe effecten hebben op de milieuhygiënische toestand van de omgeving waarbinnen ze geïmplementeerd zijn. De hoge temperaturen van een HTO systeem hebben tot gevolg dat de effecten op de chemie en de microbiologie van het grondwater duidelijk groter zijn dan bij lage temperatuur WKO. Enkele belangrijke aandachtspunten zijn: Grondwaterkwaliteit: Drie aspecten vragen aandacht bij toepassing van HTO: 1 HTO beïnvloedt de menging van zoet en zoutwater in de ondergrond. De geologische condities zijn hier echter van groot belang en individuele situaties zijn hier snel uniek. 2 Door HTO kunnen chemische evenwichten in de bodem verschuiven. Daarbij kunnen ook stoffen uit de bodem in oplossing komen en daarmee hogere concentraties in het grondwater voorkomen dan oorspronkelijk. Voor HTO wordt daarom aanbevolen om mobilisatie en immobilisatie van toxische sporenelementen, bijvoorbeeld As en Ni, op te nemen in het monitoringsprogramma. 3 Verwacht mag worden dat verhoging van de temperatuur als gevolg van HTO zal leiden tot versnelde verwering van het aquifersediment. Het belang hiervan neemt waarschijnlijk toe over langere tijd van opslag bij hoge temperaturen, ofwel gedurende maanden dan wel jaren. Microbiologie: De microbiologie van de ondergrond verdient bij WKO in de brede zin en HTO in de nauwere zin ook aandacht aangaande de volgende twee aspecten: 1 Wat is de rol van microbiëel gedreven reacties op de ontwikkeling van de grondwaterkwaliteit? Temperatuurverhoging door HTO zal niet alleen kunnen leiden tot verschuiving in de microbiële populaties en de redox-reacties die zij controleren maar ook tot technische problemen. 2 Zijn er microbiële risico s bij toepassing van WKO/HTO? Microbiële gezondheidsrisico s van HTO-systemen zijn gering tot afwezig en de grootste risico s treden op door contaminatie van buiten, dat wil TNO

5 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 5 / 59 zeggen aanwezigheid van bacterieel verontreinigd grondwater of contaminatie bij boren. Zettingen door temperatuurveranderingen: HTO kan op verschillende manieren effect hebben op de zetting van bodemlagen. Het effect is naar verwachting echter gering. Ook zijn er in relatie tot geothermische systemen modellen beschikbaar die de bodembewegingen (zetting of opheffing) voorspellen. Deze kunnen ook toegepast worden voor HTO. Effecten waterbehandeling op waterkwaliteit: Tot op heden zijn (voor zover bekend) slechts twee waterbehandelingsmethoden toegepast op projectschaal, namelijk kationen-uitwisseling en zoutzuurdosering. Ionenwisseling heeft nadelen: het brengt een hoog zoutverbruik met zich mee, het is arbeidsintensief en er zijn verstoppingsrisico s bij te veel en te weinig behandeling. Echter, zoutzuurdosering kent ook nadelen. Als gevolg van zoutzuurdosering treedt een al dan niet tijdelijke ph-daling op waar ook al dan niet tijdelijk sporenelementen gemobiliseerd kunnen worden. De nadelige effecten van zoutzuurdosering zijn beperkt als er niet grootschalig en veelvuldig gebruik van wordt gemaakt en als het om brak of zout water gaat. Juridisch kader De belangrijkste wet- en regelgeving omtrent een open HTO systeem is samengevat in onderstaande tabel. De diepte is een belangrijke parameter aangezien dit bepaalt welke regelgeving van toepassing is op het project. Het bevoegd gezag is verschillend in de procedures voor ondiepe en diepe HTO. In de procedure voor een vergunning onder de Waterwet is de provincie het bevoegd gezag. Een uitzondering hierop is dat de gemeente en wethouders in principe het bevoegd gezag zijn voor opslag met een gesloten bodemenergiesysteem (zie 0). In de procedure voor het aanvragen van een opslagvergunning onder de Mijnbouwwet is het Ministerie van Economische Zaken het bevoegd gezag. De tabel laat zien dat voor opslag op een diepte minder dan 500 meter doorgaans een kortere procedure kan worden gevolgd dan voor opslag op een diepte >500 meter. Tabel 1 Samenvatting juridisch kader HTO Diepte van opslag (beneden maaiveld) Wet- en regelgeving van toepassing Belangrijkste restricties <500 m >500 m Waterwet Waterbesluit (AMvB Wijzigingsbesluit bodemenergiesystemen) Waterregeling Besluitvormingsuitvoeringsmethode (BUM) provinciale taken en Handhavingsuitvoeringsmethode (HUM) provinciale taken, Infiltratietemperatuur max 25 C Geen opwarming van de bodem Behoudt energiebalans minimaal elke 5 jaar Mijnbouwwet Mijnbouwbesluit Mijnbouwregeling geen beperkingen zoals voor ondiepe HTO Bevoegd gezag Provincie Ministerie van TNO

6 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 6 / 59 Economische Zaken Procedure ~5 maanden doorlooptijd 6-9 maanden (indicatief) Vergunning Watervergunning (artikel 6.4 Waterwet) Opslagvergunning (art. 25 Mijnbouwwet) Ondiepe HTO De conclusie is dat ondiepe HTO mogelijk is binnen het bestaande juridisch kader, al is het op basis van uitzondering (onderzoeksproject). Het bevoegd gezag stelt duidelijk eisen aan onderzoek en monitoring om mogelijk nadelige effecten van hogere injectietemperatuur en het warmteoverschot beter in kaart te brengen en, indien noodzakelijk, te mitigeren. Lessen geleerd met de HTO pilots moeten worden gebruikt voor het verder ontwikkelen van provinciaal beleid op het gebied van hoge temperatuuropslag. De aandachtspunten voor ondiepe HTO systemen zijn: de hogere infiltratietemperatuur en mogelijk effecten op de bodem en grondwater (temperatuurstijging en chemie & microbiologie), de hoeveelheid opgeslagen warmte, het overschot en de mogelijke effecten hiervan, het verwachte en gerealiseerde energierendement Diepe HTO Er zijn geen praktijkervaringen tot op heden met het aanvragen van een vergunning voor diepe HTO. Hoewel er geen restricties (temperatuur van injectie en energiebalans) worden opgelegd lijkt de procedure voor het verkrijgen van een opslagvergunning wel een zwaardere. De absentie van praktijkvoorbeelden en het ontbreken van exacte voorwaarden die het bevoegd gezag kan en zal stellen aan HTO levert in vergelijking met de procedure voor ondiepe HTO extra onzekerheden op. Aandachtspunten voor diepe HTO systemen zijn: Er bestaat onzekerheid of na beëindiging thermische neutraliteit dient te worden behaald en of de stoffen na opslag moeten en kunnen worden teruggehaald. Een extra complexiteit is dat derden in de gelegenheid gesteld moeten worden om ook aanvragen in te dienen om een opslagvergunning voor hetzelfde gebied als waar de HTO-vergunning voor wordt aangevraagd. Het meten van bodembeweging tot 30 jaar na beëindiging De zekerstelling voor schade als gevolg van bodembeweging Onzekerheid omtrent monitoring en agendering van grondwaterthermiek Aanbevelingen Bestaande ondiepe HTO pilots zullen leiden tot een beter inzicht in de energie- en technische prestaties, en effecten van HTO op de ondergrond. Lessen die worden geleerd dienen waar mogelijk te worden ingezet om juridische procedures optimaal te doen aanpassen aan de mogelijke effecten van HTO. Zo kunnen procedures in de toekomst mogelijk verder worden ingekort en kan provinciaal beleid worden aangepast zodat HTO niet alleen meer bij uitzondering wordt toegestaan. Diepe HTO project-pilots zouden een welkome bron van kennis en ervaring zijn omtrent het toepassen van het juridisch kader en opdoen van technische ervaring. TNO

7 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 7 / 59 Dit zal bestaande onzekerheden omtrent de inpassing van diepe HTO voor een aanzienlijk deel kunnen wegnemen. Gezien hiervoor beschreven uitdagingen en beperkte ervaring met MTO en HTO lijkt het aanbevelingswaardig om een proefboring uit te voeren alvorens een MTO/HTO-project te starten. Daarnaast lijkt het gezien de onzekerheden die er nog zijn omtrent HTO verstandig om te starten met opslag van middelhoge temperaturen. Indien positieve resultaten worden behaald in het project kunnen temperaturen later (in het project) worden verhoogd. TNO

8 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 8 / 59 TNO

9 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 9 / 59 Inhoudsopgave Voorwoord... 2 Samenvatting... 3 Afkortingen Inleiding Achtergrond Doel Afbakening Technische mogelijkheden seizoensopslag Wat is Warmte Koude Opslag? Wat is Hoge Temperatuur Opslag? Technische uitdagingen Milieuhygiënische effecten Juridisch kader HTO tot en met 500 meter HTO vanaf 500 meter Procedure vergunningverlening Wettelijke eisen en beleidsvoorschriften ondiepe HTO (< 500 meter) Wettelijke eisen en beleidsvoorschriften diepe HTO (> 500 meter) Discussie en conclusie Technische uitdagingen Juridisch kader Slotwoord en Aanbevelingen Referenties en suggesties voor verdere informatie Appendix I - Toetsingscriteria watervergunning Appendix II vergunningvoorschriften GEOMEC4P Appendix III - Opslagplan Mijnbouwwet TNO

10 TNO TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 10 / 59 Afkortingen AMvB B & W HTO WKO MTO WKK GEOMEC4P Algemene Maatregel van Bestuur Burgemeester en Wethouders Hoge Temperatuur Opslag Warmte en Koude Opslag Middelhoge Temperatuur Opslag Warmte-krachtkoppeling (co-generatie warmte en elektriciteit) Aardwarmte project mogelijk gecombineerd met HTO in Vierpolders TNO

11 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 11 / 59 1 Inleiding 1.1 Achtergrond Het wordt steeds belangrijker om de productie van en vraag naar warmte optimaal te matchen. Opslag van warmte en koude is daarom van belang. Warmte en Koude Opslag (WKO) in de ondiepe ondergrond is in verschillende sectoren, waaronder de tuinbouw, een veel gebruikte techniek. Vooralsnog wordt voornamelijk gebruik gemaakt van lage-temperatuur warmte-opslag (<25 C graden). Opslag van heet water in de ondergrond (HTO Hoge Temperatuur Opslag) biedt echter goede kansen om restwarmte beter te gebruiken, het rendement van de hele cyclus te verbeteren en tegelijkertijd de baten te verhogen. HTO wordt echter niet breed toegepast in de Nederlandse ondergrond. Uitdagingen met betrekking tot de techniek van de optie en het bijbehorende juridische kader (van idee naar vergunning en inpassing) zijn belangrijke punten die de implementatie ervan beïnvloeden. Voor de eindgebruiker van de technologie is het noodzakelijk dat deze uitdagingen in kaart worden gebracht. Meer kennis over deze zaken kan leiden tot een snellere implementatie HTO in de tuinbouw en overige sectoren. 1.2 Doel In dit rapport zullen de technische en juridische mogelijkheden en uitdagingen van seizoensopslag in kaart worden gebracht met een belangrijke focus op Hoge Temperatuur Opslag. 1.3 Afbakening Zoals gesteld heeft dit rapport een sterke focus op HTO en in mindere mate op conventionele WKO daar dit al zeer uitgebreid wordt toegepast in Nederland. Een belangrijke beperking van dit onderzoek is dat alleen op basis van bestaande informatie een overzicht wordt gegeven. Dit gebeurt door een literatuuronderzoek en door het beschrijven van bestaande case studies met betrekking tot HTO.

12 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 12 / 59 2 Technische mogelijkheden seizoensopslag 2.1 Wat is Warmte Koude Opslag? Het principe van warmte koude opslag (WKO) in de ondergrond is dat warmte en koude worden opgeslagen in een watervoerende laag. In de zomer wordt overtollige warmte opgeslagen in de bodem. In de zomer is dus koel water beschikbaar om woningen, gebouwen, kassen of processen te koelen. De warmte wordt weer teruggewonnen in de winter wanneer er vraag is naar warmte. Ook kort cyclische WKO is mogelijk, met name bovengronds, maar dit wordt buiten beschouwing gelaten in dit rapport. WKO systemen kunnen worden onderverdeeld in gesloten en open systemen Open systeem Definitie volgens AMvB bodemenergiesystemen [AMvB, 2013, p2]: open bodemenergiesysteem: installatie waarmee van de bodem gebruik wordt gemaakt voor de levering van warmte of koude ten behoeve van de verwarming of koeling van ruimten in bouwwerken, door grondwater te onttrekken en na gebruik in de bodem terug te brengen, met inbegrip van bijbehorende bronpompen en warmtewisselaar en, voor zover aanwezig, warmtepomp en regeneratievoorziening; In een open systeem worden boringen (vaak meerdere) uitgevoerd tot in een watervoerende laag die hiervoor geschikt is; meestal op een diepte van meter. Omdat direct gebruik wordt gemaakt van grondwater wordt dit een open systeem genoemd. Een doublet (twee putten) maakt het mogelijk om grondwater op te pompen en te injecteren in de ondergrond: een infiltratiebron en een onttrekkingsbron. Bovengronds wordt dan via een warmtewisselaar warmte of koude uitgewisseld tussen het bovengrondse systeem en het grondwater. De temperaturen in de ondergrond in de omgeving van de infiltratiebron en onttrekkingsbron liggen tussen de 5 en 25 C. De plaatsing van de putten is van belang. De afstand tussen de putten is doorgaans meter en is afhankelijk van de lokale grondwaterstromingssituatie. De kwaliteit van grondwater is van belang in verband met het risico op bronverstopping door interacties met het grondwater. Open systemen hebben in vergelijking met gesloten systemen doorgaans een groter opslagvermogen en hebben een groter debiet (het volume dat rond wordt gepompt bedraagt tussen de 50 en 250 m 3 /uur). Het open WKO-systeem kent drie varianten: Een systeem met een horizontaal gescheiden warme- en koudebron (doublet) Een systeem met een verticaal gescheiden warme- en koudebron (monobron). Het open-bron of recirculatie systeem.

13 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 13 / Gesloten systeem Definitie volgens AMvB bodemenergiesystemen [AMvB, 2013, p2]:: gesloten bodemenergiesysteem: installatie waarmee, zonder grondwater te onttrekken en na gebruik in de bodem terug te brengen, gebruik wordt gemaakt van de bodem voor de levering van warmte of koude ten behoeve van de verwarming of koeling van ruimten in bouwwerken, door middel van een gesloten circuit van leidingen, met inbegrip van een bijbehorende warmtepomp, circulatiepomp en regeneratievoorziening, voor zover aanwezig; Gesloten systemen zijn doorgaans relatief kleine systemen, al zijn er uitzonderingen op deze regel, en worden niet in detail verder besproken in dit rapport. 2.2 Wat is Hoge Temperatuur Opslag? Volgens het Internationaal Energie Agentschap heeft hoge temperatuur opslag (HTO) betrekking op opslag met een minimum opslagtemperatuur van 50 C; in Nederland wordt 60 C ook wel gehanteerd. De opslag kan dan van korte duur zijn (zelfs een dag) of een seizoensopslag betreffen. Bij een seizoensopslag wordt uitgegaan van een opslagtermijn van ten minste 3 maanden na injectie. In dit rapport hanteren we een andere temperatuurgrens. Gezien de huidige wet- en regelgeving is een grens van 30 graden logischer. Het opslaan van warmte in de bodem is namelijk wettelijk begrensd op maximaal graden (zie sectie 3 Juridisch kader), maar uitzonderingen zijn mogelijk. Tot 25 graden is dus bekend WKO-terrein en daarboven gelden andere regels. Boven de graden kennen we middelhoge temperaturen en hoge temperaturen voor opslag, beiden in dit rapport gecategoriseerd als HTO. Opslag bij middelhoge temperaturen (30 tot 60 graden) en hoge temperatuur (hoger dan 60 C) biedt kansen omdat het energetische prestaties mogelijk verbetert. Met een soortgelijk systeem kan meer energie per volume worden opgeslagen en worden teruggewonnen. Dit alles kan een hoger rendement opleveren. Het uiteindelijk rendement is echter wel afhankelijk van de geologische condities. De kosten per GJ warmte kunnen hierdoor lager zijn dan bij lage temperatuur opslag. Het concept biedt bijvoorbeeld veel perspectief voor telers die al een WKO geïnstalleerd hebben. Een schematisch weergave van HTO-concepten is opgenomen in Figuur 1 en Figuur 2. In het laatste figuur is weergegeven hoe een HTO samen kan opereren in een systeem met een geothermische bron. Het voordeel van deze combinatie is dat de geothermisch bron het hele jaar door kan produceren. Overproductie in de zomer (ten opzichte van de vraag) kan opgeslagen worden en in de winter ingezet worden wanneer de vraag groter is dan de productie van de geothermische bron. Andere combinaties met andere (duurzame) hoge temperatuur bronnen zijn uiteraard ook mogelijk.

14 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 14 / 59 Zeer belangrijke parameters voor de prestaties van de HTO-installatie zijn [TNO, 2013]: Bodemeigenschappen: de diepte en de permeabiliteit (doorlatendheid). De dikte van het reservoir (dikte van de aardlaag waarin wordt opgeslagen). De doorlatendheid beïnvloedt sterk het debiet en rendement van het systeem als ook het optreden van dichtheidstroming (door contrast in dichtheid en viscositeit van water met grote temperatuurverschillen). De vollast draaiuren van het opslag systeem. Een hoger aantal vollasturen maakt het systeem kosten efficiënter. Temperatuurniveau van de injectiestroom en van de watervoerende laag waarin de warmte wordt opgeslagen. De temperatuur van het opslagwater en de bodemtemperatuur hebben sterke invloed op de performance (rendement en kosten-baten) van het systeem.

15 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 15 / 59 Figuur 1 Seizoensopslag met behulp van HTO; warmteopslag in de zomer (links) en warmteproductie in de winter (rechts) 1 Figuur 2 Schematische weergave HTO in combinatie met geothermische bron (project GEOMEC4P) 2 Drijver [2012] en De Zwart [2009] vatten kort samen wat de belangrijkste voordelen zijn van hoge temperatuur opslag: Bij opslag van warmte met een hoge temperatuur, kan de inzet van de warmtepomp worden beperkt of zelfs overbodig worden gemaakt. Zodoende kan de energiebesparing fors worden verbeterd ten opzichte van lage temperatuur WKO. Naast de energetische voordelen is ook het temperatuurverschil tussen de warme en de koude bron bij hoge temperatuur warmteopslag aanzienlijk groter 1 Bron: EA07CA8F9225/t_NL.IMRO.0501.geomec4p-0140_2.2.html 2 Bron: EA07CA8F9225/t_NL.IMRO.0501.geomec4p-0140_2.2.html

16 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 16 / 59 dan bij lage temperatuur WKO, zodat bij eenzelfde waterverplaatsing veel meer energie kan worden opgeslagen en geleverd. Als in de zomer bronnen van (rest)warmte beschikbaar zijn en in de winter de warmtevraag groter is dan het aanbod, dan kan hoge temperatuur warmteopslag interessant zijn. Voor HTO is het verder van belang om onder te verdelen in diepe HTO (>500 meter onder maaiveld) en ondiepe HTO (<500 meter onder maaiveld). Dit is van belang in verband met het juridisch kader dat toegepast dient te worden (zie sectie 3 Juridisch kader), maar ook zeker in verband met voor- en nadelen van technische aard. het belangrijkste voordeel van diepe WKO/HTO [TNO, 2013; Zwart, 2009] is dat het overall rendement van energieopslag hoger kan zijn, omdat temperatuur van de bodem toeneemt met de diepte. Nadelen van diepe WKO/HTO ten opzichte van ondiepe WKO/HTO zijn [TNO, 2013; Zwart, 2009]: Boringen die dieper dan 800 meter gaan vragen een zwaardere booropstelling in vergelijking met ondiepe boringen. Dit leidt tot aanzienlijk hogere kosten voor het boren van de putten. Van de diepere ondergrond is minder gedetailleerde informatie beschikbaar dan van de ondiepere ondergrond. Daardoor zijn de geologische risico's groter dan bij ondiepe opslag. De risico's kunnen worden beperkt door het uitvoeren van gedegen vooronderzoek per locatie, eventueel ondersteund door de informatie afkomstig uit proefboringen. Opslag op grotere diepte (dieper dan 800 m) kan een lager rendement als gevolg hebben door hogere wrijvingsverliezen in de put. Belangrijk is om te vermelden dat casus-specifieke situaties altijd van groot belang zijn om de optimale inrichting van de HTO te bepalen. Hierbij moet worden gedacht aan de warmtevraag (hoge en lage temperatuur), warmte-aanbod en plaatselijke geologische condities Praktijkgevallen Er zijn vier Nederlandse praktijkgevallen van hoge of middelhoge temperatuur opslag (>30 C) en een vijfde geval is ontworpen in relatie met een geothermische winning (maar vooralsnog is de uitvoering uitgesteld). Hieronder volgt een korte samenvatting van deze projecten. Op verschillende plaatsen in dit document zullen deze projecten worden gebruikt om technische en juridische uitdagingen in meer detail te bespreken. De vijf praktijkgevallen zijn: Koppert Cress in Monster GEO Mec Vierpolders (GeoMEC-4P; alleen ontworpen) De Uithof, Utrecht Zwammerdam NIOO, Wageningen

17 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 17 / 59 Koppert Cress in Monster startte in 2011 een HTO-pilot en maakt onderdeel uit van een Green Deal. In dit project wordt water met een temperatuur van 40 graden opgeslagen in de bodem via de WKO-installatie bij het bedrijf. Warmte uit de kas en van led-verlichting wordt in de zomer opgeslagen in de bodem en in de winter gewonnen voor het verwarmen van de kas, het kantoorgebouw en bouwkavels in de nabije omgeving. 3 In het Zuid-Hollandse Vierpolders wordt momenteel een project gerealiseerd dat gebruik gaat maken van een geothermische bron voor het verwarmen van negen glastuinbedrijven (~60 ha). Het boren van de geothermische putten is inmiddels afgerond (status november 2015) en naar verwachting zullen medio 2016 een aantal glastuinbouwbedrijven gebruik gaan maken van de gewonnen aardwarmte. De bron ligt op een diepte van 2200 meter en heeft een temperatuur van ongeveer graden. De nog te koppelen seizoensopslag wordt nog niet gerealiseerd. De voorgestelde opslag bevindt zich op diepte van meter en is ontworpen voor het opslaan van de overtollige warmte uit de geothermische bron. De infiltratietemperatuur van het warme water zou in de zomer 84 C zijn in de warme bronnen en in de winter 43 C in de koude bronnen. De maximale capaciteit is geraamd op 600 m 3 per uur. Het grondwatersysteem bestaat uit 6 putten (3 doubletten) en heeft een geschat vermogen van 20-25MW th. Het thermische rendement is berekend op ongeveer 60%. Figuur 3 Schematisch overzicht GEOMEC4P. Bron: Hydreco, 4 In Nederland zijn er in het verleden ook twee projecten met hoge opslag temperaturen (>80 ºC) gerealiseerd, in Utrecht (~220m diep) en Zwammerdam (~150 m diep). In Utrecht werd het systeem gebruikt om een teveel aan warmte vanuit de WKK-installatie op te slaan en te gebruiken voor gebouwverwarming

18 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 18 / 59 In Zwammerdam werd het systeem ingezet voor het verwarmen van een tehuis voor verstandelijk gehandicapten de Hooge Burch (Inmiddels heet de zorginstelling De Bruggen). De warmte werd geproduceerd door een WKK-installatie. Beide systemen zijn momenteel niet meer in gebruik. Technisch gezien hebben beide systemen grotendeels goed gefunctioneerd. De belangrijkste reden om de systemen te sluiten waren: Utrecht: geen goede afstemming van de installaties in het gebouw op de warmteopslag; de temperatuur van het water vanuit de gebouwen was te hoog. Hierdoor zijn de minimale vereisten voor de terugvoertemperaturen niet gehaald. De vraag naar lagere temperaturen bleek niet zo hoog te zijn als was voorzien. Het thermisch rendement van de opslag gedurende 2 jaar was wel hoog, nl. 68% en 80%. Het gemiddeld lage opslagrendement van het hele systeem was echter maar 27% als gevolg van de (kwaliteit van de) warmtevraag uit het gebouw en niet van verliezen in de bodem. Het thermisch gedrag van de warmteopslag in de bodem heeft voldaan aan de verwachtingen alhoewel er wel problemen waren met de waterbehandelingstechniek (zie verderop). Zwammerdam: de warmteopslag is vanwege financiële redenen uit bedrijf genomen. De WKK werd ingezet op basis van de elektriciteitsvraag dat tegen een gunstig tarief werd terug geleverd aan het net. De overtollige warmte die daarbij werd geproduceerd werd opgeslagen voor later gebruik. Uit monitoringgegevens is gebleken dat de terugleververgoeding voor de elektriciteitsproductie en de winst uit de warmteopslag financieel niet tegen elkaar hebben opgewogen. Daarom is destijds besloten om de WKK in draaiuren terug te brengen en de warmteopslag niet meer in te zetten. Het opslagrendement van deze HTO installatie is berekend op circa 65%. Hierbij moet worden vermeld dat de warmteopslag een relatief kleine opslag betrof en dus meer hinder ondervond door verliezen in de bodem. Bij een grotere opslag van warmte werd een hoger opslagrendement verwacht. Wageningen: bij het Nederlands Insitituut voor Oecologisch Onderzoek (NIOO) is een MTO systeem aanwezig dat gekoppeld is aan zonnecollectoren als warmtebron. De opslagtemperatuur is ca. 45ºC, het ontwerpdebiet 45 m 3 /h en de filterstelling m diep, waarmee het in de hydrologische basis staat. Alleen het bovenste, derde deel van het filter is productief en de werkelijke capaciteit is hierdoor 25 m 3 /h. De warmteopslag werkt verder naar behoren maar de zonnecollectoren leveren minder warmte dan voorzien (Agtereek, 2013). Het MTOproject bij het NIOO heeft laten zien dat er nog weinig kennis is over de ondergrond op enkele honderden meters diep. Zolang die kennis op regionale schaal ontbreekt is het volgens de adviseur van NIOO raadzaam om eerst een proefboring te doen voordat een MTO of HTO wordt aangelegd (AgentschapNL, 2011). 2.3 Technische uitdagingen Hoge temperatuur opslag is technisch gezien complexer dan een lage temperatuur opslag. Sinds de jaren 1980 zijn tijdens experimenten en proefprojecten met hoge temperatuur warmteopslag diverse problemen opgetreden en dit is ook de reden dat HTO systemen niet veelvuldig worden toegepast. Van deze technische uitdagingen wordt echter geleerd en door goede monitoring van eerdere projecten

19 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 19 / 59 kunnen lessen worden getrokken voor verbeteringen in ontwerp en operatie van nieuwe HTO projecten. Eerdere studies waar veel aandacht is besteed aan technische uitdagingen zullen hier worden overgenomen en samengevat. Voor technische details en meer achtergrondinformatie is het gewenst om de originele studies te raadplegen. Het overzicht in deze sectie geeft echter wel de belangrijkste conclusies uit deze studies weer, zie voor details rapporten van. Drijver [2012], Sanner [1999], Hellebrand et al [2012], IF Technology [2012], Bonte [2011], GS Zuid Holland [2012] en TNO [2013] naast de internationaal gepubliceerde peer-reviewed literatuur Temperatuurveranderingen in de bodem (gebaseerd op Drijver [2012]) Eén van de belangrijkste aspecten die in de praktijk een rol spelen is in hoeverre de temperatuurveranderingen ook in bovenliggende watervoerende pakketten merkbaar zijn. Om overschrijding van de juridische temperatuurgrens te voorkomen moet de dikte van de scheidende laag minimaal 20 à 30 m zijn. Een inventarisatie van uitgevoerde berekeningen in het kader van hoge temperatuur warmteopslagprojecten geeft aan dat ook de hydraulische weerstand van de bovenliggende laag hierbij bepalend is. Van de hoge temperatuur warmteopslag (80 à 90 ºC) in Zwammerdam zijn voor de eerste vier jaar gegevens bekend over de onttrokken en geïnfiltreerde waterhoeveelheden en de bijbehorende temperaturen. Ook zijn bodemtemperatuurmetingen uitgevoerd in drie meetputten, zowel in de eerste 4 jaren (start 1998; het project injecteerde geen warmte meer na 2003) als in het kader van het project Meer Met Bodemenergie (2011). Op basis van de beschikbare informatie is een thermisch model gemaakt en doorgerekend, zowel voor de eerste vier jaren als de daaropvolgende 96 jaar. De metingen geven aan dat de temperatuur 8 jaar na stopzetting al is gedaald naar 28 ºC. Volgens de berekeningen wijkt de temperatuur in de bodem circa 35 jaar na stopzetting niet meer dan 2 ºC af en circa 70 jaar na stopzetting van de opslag niet meer dan 0,5 ºC af van de natuurlijke grondwatertemperatuur. Voor het GEOMEC4P-project (opslagtemperatuur 84 ºC) zijn ook verschillende modelberekeningen uitgevoerd als onderdeel van de vergunningaanvraag, bijvoorbeeld de opwarming van bovenliggende lagen. Bij hoge temperatuuropslag kan dichtheidstroming optreden door het contrast in dichtheid en viscositeit van het aanwezige grondwater en het geïnjecteerde hete water. Heet water heeft hierbij de neiging om te gaan drijven op het koude water. Zo is met modellen berekend dat na 20 jaar warmteopslag de temperatuur onderin het eerste watervoerende pakket met maximaal 12 C (tot 24 C) zal toenemen. Deze temperatuur blijft dus onder het toegestane maximum van 25 C. Deze modelberekeningen houden echter geen rekening met lithologische heterogeniteit binnen het watervoerende pakket, wat een belangrijke factor is in het optreden van dichtheidstroming. Ook is voor verschillende weerstandswaarden van de scheidende laag de temperatuur in het bovenliggende watervoerende pakket na 20 jaar warmteopslag

20 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 20 / 59 berekend 5. De bovenliggende scheidende laag is in dit geval 45 m dik. Bij een lage weerstandswaarde (500 d) zou de temperatuur oplopen naar ongeveer 40 ºC en bij een hoge weerstand (2.500 d) bleef de temperatuur net onder de 25 ºC. Uit berekeningen die zijn gedaan voor de vergunning voor GEOMEC4P blijkt dat na 20 jaar het horizontale thermische invloedsgebied maximaal 210 meter bedraagt, gerekend vanaf de 'koude' bronnen. Dit is het gebied waarbinnen de temperatuur met meer dan 2 C zal stijgen. Uit de berekeningen voor GEOMEC4P blijkt dat na 3, 5 en 20 jaar warmteopslag de deklaag niet thermisch wordt beïnvloed. Het bevoegd gezag hecht veel waarde aan monitoring om deze modelberekeningen te staven met de werkelijkheid. Er is daarom in het GEOMEC4P-project veel aandacht besteed aan monitoring van temperatuurontwikkeling (zie sectie 3.4) Geschikte watervoerende pakketten in Nederland Het opslagrendement van WKO-systemen wordt bepaald door de warmteverliezen die optreden onder invloed van verschillende processen. Het gaat hierbij om warmtegeleiding, dispersie, grondwaterstroming en dichtheidsgedreven grondwaterstroming ( vrije convectie ). De relatieve grootte van de warmteverliezen door deze processen wordt bepaald door een aantal kenmerken van het hoge temperatuur warmteopslagsysteem (b.v. infiltratietemperatuur, opslagvolume en filterlengte) en door de eigenschappen van de ondergrond (b.v. dikte en permeabiliteit van het gebruikte watervoerende pakket en de eigenschappen van de scheidende lagen). Het ene watervoerende pakket zal dus meer geschikt zijn voor HTO dan het andere. Over het algemeen neemt het rendement toe na een aantal cycli van opslag en terugwinning van warmte. Een HTO systeem kan een rendement van 75% halen, onder invloed van deze dichtheidsstroming [Bakker, 2009]. Uit zowel de uitgevoerde literatuurstudie als modelberekeningen, concludeerde IF Technology (2012) dat de factoren die invloed hebben op de dichtheidsstroming het meest bepalend zijn voor het rendement bij HTO. Zoals ook hierboven aangestipt, heeft water met een hoge temperatuur een lagere dichtheid dan het water in de gebruikte watervoerende pakketten, waardoor het warme water de neiging heeft om naar het bovenste deel van het watervoerende pakket te stromen. Dit proces kan grote nadelige gevolgen hebben op het opslagrendement: bij onttrekking uit het pakket met een filter dat het hele pakket beslaat zal het bovenste warmere water mengen met het onderste koudere met als gevolg een geringere terugwinning van de opgeslagen warmte of onttrekking van beduidend meer grondwater dan geïnjecteerd met een gemiddeld lagere temperatuur. De mate waarin dit proces optreedt, is vooral afhankelijk van 1 de doorlatendheid van het gebruikte watervoerende pakket; 2 het temperatuurverschil tussen het opgeslagen water en het omringende grondwater; en 5 Op basis van de gemiddelde grondwaterstand en stijghoogtes in de watervoerende pakketten is de verticale stroming over de deklaag en de scheidende laag berekend. (m t.o.v NAP: Deklaag -0.8; Eerste watervoerende pakket -0.5; Gecombineerde Tweede en derde watervoerende pakket +0.3.

21 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 21 / 59 3 de verticale hydraulische heterogeniteit binnen het watervoerende pakket. Idealiter zijn sterk gelaagde watervoerende pakketten, met een lage verticale doorlatendheid en een hoge horizontale doorlatendheid geschikt. Dit geeft minimale warmte stroming en hoge brondebieten verhogen de economische haalbaarheid. Het optreden van dichtheidstroming wordt ook beïnvloed door lithologische heterogeniteit binnen het watervoerende pakket zoals aannemelijk gemaakt door Pineaud (2014) voor de HTO-locatie GEOMEC-4D bij Vierpolders: dunne kleilaagjes beperken bijvoorbeeld het opdrijven van heet grondwater. Modelberekeningen waarin een homogeen pakket, gelaagd pakket en 3Dheterogeen pakket werden vergeleken toonden aan dat (1.) heterogeniteit in de eerste jaren van een HTO systeem leidt tot een lager rendement dan een homogeen pakket, maar dat dit ongunstige effect binnen enkele jaren verdwijnt en (2.) heterogeniteit van de ondergrond bij een HTO-systeem niet leidt tot structurele verlaging van het rendement ten opzichte van een homogene ondergrond in tegenstelling tot de rendementen bij lage temperatuur WKO-systemen. De achterliggende verklaring is dat (1.) bij lage-temperatuur WKO systemen dichtheidstroming een verwaarloosbare rol speelt als gevolg van de relatief geringe temperatuurverschillen en het effect van heterogeniteit zich uit door verschillen in laterale grondwaterstroomsnelheden die het rendement reduceren en (2.) bij HTO systemen heterogeniteit het optreden van dichtheidstroming voorkomt waardoor voor het homogene systeem het rendement beperkt wordt door dichtheidstroming en bij het heterogene systeem door laterale verschillen in stroomsnelheid maar niet door beide stromingsprocessen. De conclusies van Pineaud zijn specifiek voor de bestudeerde situatie; een Australische studie illustreert verder het belang van heterogeniteit op het wel of niet optreden van dichtheidsstroming (Irvine et al., 2015). TNO (2013) heeft gekeken naar potentiële geschiktheid van mariene geologische eenheden uit het Tertiair (66-2,6 miljoen jaar geleden) dan wel de Formatie van Maassluis uit het vroeg-kwartair (2,6-1,8 miljoen jaar geleden). Het is een open vraag in hoeverre ook jongere, ondiepere Pleistocene pakketten (2,6 miljoen jaar geleden) geschikt zijn voor HTO. Deze pakketten zijn overwegend meer doorlatend dan de door TNO (2013) bestudeerde oudere eenheden, maar er zijn regionale en lokale verschillen in doorlatendheid en een juiste combinatie van aquiferdoorlatendheid en bovenliggende scheidende laag kan een ondiepe lokatie ook geschikt maken. Een voordeel van een ondiepere locatie is dat de boorkosten geringer zijn. Aanvullende voorwaarden, bijvoorbeeld met betrekking tot bescherming van drinkwaterwinningen, zullen hierbij ook grote rol spelen. Watervoerende pakketten met een relatief lage doorlatendheid hebben als nadeel dat de capaciteit per bron relatief laag zal zijn. Nader onderzoek naar ontwerpnormen voor slecht doorlatende watervoerende pakketten en de mogelijkheden om het debiet per put te verhogen is wenselijk. Daarnaast is ook meer inzicht gewenst in de heterogeniteit van watervoerende pakketten in relatie tot het optreden van dichtheidstroming als ook de geschiktheid van de ondiepe ondergrond voor HTO (tientallen tot enkele honderden meters diep).

22 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 22 / Putverstopping en corrosie De invloed van de grondwaterkwaliteit uit zich op twee wijzen: enerzijds de potentiële technische problemen van putverstopping en corrosie en anderzijds nadelige milieueffecten op de grondwaterkwaliteit. Hier zal het eerste aspect verder worden uitgewerkt en in de volgende paragraaf zal het andere aspect worden uitgewerkt. Doordat de hogere temperatuur de oplosbaarheid van carbonaten verlaagt, zijn in veel gevallen maatregelen nodig (waterbehandeling) om putverstopping door neerslag van carbonaatmineralen tegen te gaan. Het uitgevoerde onderzoek geeft aan dat deze waterbehandeling nodig kan zijn bij temperaturen boven de 40 à 60 ºC, afhankelijk van de waterkwaliteit. Ook de samenstelling van het kation uitwisselingscomplex wordt beïnvloed door de temperatuur. Bij een verhoging van de temperatuur neemt daardoor de concentratie van Ca 2+ in het grondwater af en nemen de concentraties K + + en NH 4 toe. Het kalkevenwicht wordt hierdoor weer beïnvloed. Potentieel zou afkoeling van het grondwater ook tot neerslagreacties kunnen leiden, maar dan van silikaatmineralen, omdat deze mineralen beter oplosbaar zijn bij hoge temperatuur dan bij lage temperatuur. Silikaatreacties zijn geochemisch gezien trage reacties en er zijn voor WKO-installaties geen technische problemen bekend door neerslag van silikaten, ofwel silikaatscaling. Het risico op carbonaatneerslag is afhankelijk van de kalkverzadigingsgraad van het oorspronkelijke grondwater, de mate waarin de temperatuur wordt verhoogd en de aanwezigheid en concentraties van stoffen die de neerslagreacties vertragen (zogenaamde inhibitoren zoals opgelost fosfaat en humuszuren). Aangezien grondwater in de meeste ondiepe watervoerende pakketten in Nederland al verzadigd is met Ca-carbonaat en/of Fe-carbonaat (Griffioen et al., 2013), is carbonaatneerslag bij HTO een reëel risico en moeten mogelijk tegenmaatregelen worden genomen. Het is in de praktijk helaas niet goed mogelijk om de kalkneerslagsnelheid en het effect van inhibitie te voorspellen. De volgende mogelijkheden kunnen overwogen worden om carbonaatneerslag te voorkomen; Waterbehandeling kan worden voorkomen door het temperatuurniveau van de opgeslagen warmte te verlagen. De hoeveelheid opgeslagen energie per volume eenheid neemt hierdoor af en het warme grondwater krijgt hiermee een andere gebruikswaarde. Een afgewogen keuze zal dus gemaakt moeten worden waar zich het optimum bevindt. In de praktijk is zoutzuurdosering een geschikte waterbehandelingstechniek gebleken. Door de zoutzuurdosering treedt een beperkte ph-daling op waardoor bij voldoende zure ph sporenmetalen (zoals Ni, Zn) gemobiliseerd kunnen worden en metalloiden (zoals As) juist weer geadsorbeerd raken. De door zoutzuurtoevoeging veroorzaakte stijging van het zoutgehalte is bij toepassing in zout grondwater te verwaarlozen. Bij toepassing in zoet grondwater is dit wel significant. Voor toepassing in zoet grondwater kan het daarom interessant zijn om nader onderzoek te doen naar alternatieve waterbehandelingstechnieken (bv. inhibitors). Toevoegen van andere zuren, zoals HNO 3, H 3 PO 4, of H 2 SO 4, moet ontraden worden, omdat deze als oxidator of voedingstof voor microbiëel gedreven reacties kunnen fungeren. In ongunstige gevallen leidt dit ook tot ongewenste effecten zoals microbiële putverstopping door biofouling of extra neerslag van FeS-mineralen.

23 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 23 / 59 Overige opties worden in meer detail beschreven door Sanner en Drijver [Sanner, 1999; Drijver, 2011a] Materiaalgebruik bij hoge temperaturen en corrosiegevoelige omstandigheden. Corrosie is een belangrijk aandachtspunt voor een geothermisch systeem (TNO 2015). Corrosie vindt plaats door contact van het formatie-water met de HTOinstallatie. Het resulteert in de degradatie van metalen in deze installatie wat de integriteit van de installatie beïnvloedt. Dit kan resulteren in downtime, dure workovers van de putten en verlies van kapitaal. Corrosie is zeer afhankelijk van de aanwezigheid van oxiderende elementen: zuurstof, CO 2, waterstofsulfide, chloride, ammoniak, sulfaat en waterstof ionen. Koolstofdioxide is hierbij de belangrijkste voor Nederlandse geothermie-systemen. De parameters die van belang zijn bij het inschatten van de corrosie zijn de samenstelling van het formatiewater, gassamenstelling, temperatuur, druk en gebruikte materialen (met name welk type staal wordt toegepast). Temperatuur heeft een belangrijke invloed op de corrosie, maar de corrosie is op voorhand moeilijk te voorspellen indien bovenstaande parameters (samenstelling formatie water etc.) niet bekend zijn. Bescherming tegen corrosie is mogelijk door verschillende maatregelen te implementeren: natuurlijke corrosie remmers, anodische bescherming, cathodische, bescherming, coating tegen galvanische corrosie en zuurstof-absorbers om het systeem zuurstofvrij te houden. Om corrosie te minimaliseren is materiaalkeuze van groot belang. De materialen die bij lage temperatuuropslag worden toegepast (< 40 ºC), zoals PVC, kunnen niet gebruikt worden bij de heersende temperaturen bij HTO. In eerdere HTO projecten (90ºC opslag) is gebruik gemaakt van de duurdere materialen RVS316 en GVK (Glasvezel Versterkt Kunststof). Deze materialen zijn economisch gezien minder aantrekkelijk voor kleinschalige projecten, waardoor in dat geval gekozen wordt voor lagere temperatuur opslag. Voor grootschalige projecten zijn hoge opslagtemperaturen eerder interessant, omdat de meerkosten die gekoppeld zijn aan de oplossingen van de problemen (groter aantal bronnen vanwege gebruik fijnzandige aquifers, waterbehandelingsvoorzieningen en duurdere materialen) sneller worden terugverdiend vanwege het hogere energierendement. 2.4 Milieuhygiënische effecten HTO-systemen kunnen ook indirecte of directe effecten hebben op de mileuhygienische toestand van de omgeving waarbinnen ze geïmplementeerd zijn. Hieronder worden de belangrijkste effecten besproken. De hoge temperaturen van een HTO systeem hebben tot gevolg dat de effecten op de chemie en de microbiologie van het grondwater duidelijk groter zijn dan bij lage temperatuur WKO. Monitoring van de microbiologie en de chemie in de ondergrond is zeer belangrijk in de monitoringspakketten (zie Tabel 5 in Appendix II). Binnen het GEOMEC4P project moet volgens de vergunning hieraan uitgebreid aandacht besteed worden in een meerjarig monitoringsprogramma, mocht het project gerealiseerd worden.

24 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 24 / Invloed op de grondwaterkwaliteit Drie aspecten vragen aandacht bij toepassing van HTO: 1 Menging van grondwater met verschillende zoutgehalten 2 Mobilisatie/immobilisatie van toxische sporenelementen 3 Versnelde verwering van het aquifersediment Binnen watervoerende pakketten kunnen dieptegradiënten bestaan in zoutgehalte van het grondwater waarbij het zoutgehalte meestal maar niet altijd toeneemt met de diepte. Bij menging over de lengte van onttrekkingsfilters treedt middeling in zoutgehalte op waarbij het zoete water zijn waarde als zoet water verliest ten koste van meer brak of zout water. Over het geheel gezien wordt menging van zoet water met brak of zout water gezien als een verlies van kwaliteit. Het optreden van dichtheidstroming door zout- en temperatuurverschillen kan de menging weer beperken bij HTO. Individuele situaties zijn daarom snel uniek. Door de temperatuurverandering van het grondwater zullen ook verschuivingen optreden in de bezetting van het sorptiecomplex, want de intrinsieke sorptieconstantes van metalen, metalloiden en protonen aan de sedimentbestanddelen zijn temperatuurafhankelijk. Bonte (2013) maakte dit effect aannemelijk aan de hand van modellering van labexperimenten waarbij hij waarnam dat met name arseen en boor gemobiliseerd werden in het warme poriewater van 60ºC. Re-adsorptie in de koude bel kan hierbij weer optreden doordat de chemische evenwichten als het ware weer terugverschuiven. Metingen die in juni 2011 zijn gedaan bij de hoge temperatuur warmteopslag in Zwammerdam (ongeveer 8 jaar na stopzetting van de warmteopslag), geven aan dat de concentraties arseen, nikkel en zink in de warme bron verhoogd zijn ten opzichte van de koude bron en de referentieput. De drinkwaternormen worden hierbij niet overschreden (het grondwater is overigens ook zout en daarom niet geschikt voor de drinkwatervoorziening). De resultaten van kolomproeven door Bonte (2013) suggereren dat de verhoogde temperatuur hierbij een rol speelt. Niet uit te sluiten valt dat de verhoogde concentraties het gevolg zijn van verlaging van de ph als gevolg van de zuurdosering. Sommige sporenmetalen zoals As en Ni kunnen in relatief hoge concentraties in Nederlands grondwater voorkomen en dit fenomeen behoeft dus aandacht. Voor de monitoring van hoge temperatuur warmteopslagprojecten wordt daarom aanbevolen om deze parameters op te nemen in het monitoringsprogramma. Deze parameters (en meer) worden meegenomen in de voorgestelde monitoring van het pilot project GEOMEC4P [GS Zuid Holland, 2012]. Verwacht mag worden dat verhoging van de temperatuur ook leidt tot versnelde verwering van de verweerbare silikaatmineralen zoals veldspaten, olivijn, etc. Een directe aanwijzing hiervoor is bijvoorbeeld dat mineraalwater van hydrothermale bronnen zouter is dan van bronnen met een lage temperatuur. Griffioen & Appelo (1993) en Bonte (2013) vinden in hun hoge-temperatuur kolomexperimenten hier ook aanwijzingen voor, maar temperatuurafhankelijke kation-uitwisseling compliceert de interpretatie van deze relatief kortdurende experimenten. Silikaatverwering is namelijk een traag hydrogeochemisch proces en het belang neemt waarschijnlijk toe over langere tijd van opslag bij hoge temperaturen, ofwel gedurende maanden dan wel jaren.

25 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 25 / Microbiologie De microbiologie van de ondergrond verdient bij WKO in de brede zin en HTO in de nauwere zin ook aandacht. Het gaat hierbij in essentie om twee aspecten: 1 Wat is de rol van microbiëel gedreven reacties op de ontwikkeling van de grondwaterkwaliteit; 2 Zijn er microbiële risico s bij toepassing van WKO/HTO. Het eerste is, met uitzondering van een studie van Lerm et al. (2013), niet in het veld bestudeerd maar middels labexperimenten. Het tweede is wel bestudeerd in het veld bij voornamelijk lage-temperatuur WKO s en MTO (zie MMB, 2012). Experimenteel labonderzoek heeft aangetoond dat de microbiële activiteit toeneemt bij verhoging van de temperatuur in een grondwatermilieu en dat er ook verschuivingen optreden in de verschillende redoxreacties die kunnen optreden (Brons et al., 1991; Jesußek et al., 2013; Bonte, 2013). Dit treedt op vanaf 25ºC en bij 70ºC treedt sulfaat-reductie prominent op ten koste van Fe-oxide reductie en fermentatie met methaan-productie. Brons et al. (1991) vonden ook dat boven de 55ºC de redoxreacties niet langer microbieel gekatalyseerd worden maar volledig chemisch verlopen. In de andere experimenten was geen steriel controleexperiment uitgevoerd en kon dit dus niet vastgesteld worden. Wel vond Bonte (2013) de groei van een thermofiele microbiële populatie boven 45ºC, die gespecialiseerd is in sulfaatreductie en fermentatie. Brons et al. (1991), Bonte (2013) en Jesußek et al. (2013) namen ook waar dat de DOC concentraties fors stijgen boven de 45ºC, wat leidt tot extra complexatie in oplossing van Ca en Mg aan gemobiliseerd fulvozuur. Dit zou ook een complexatie-effect kunnen hebben op tweewaardige sporenmetalen zoals Ni en Zn, die dan dus extra gemobiliseerd worden. Lerm et al. (2013) bestudeerden een HTO-locatie met opslag in een zout, geothermisch aquifer van 54ºC. Ook zij vinden een prominente rol voor sulfaatreducerende bacteriën waarbij de meeste activiteit plaats vond bij ca. 50ºC en niet bij de hete put van 65-85ºC. de sulfaatreductie aan de koudere kant gaf ook aanleiding tot FeS neerslag die verstoppend zou kunnen werken en corrosieschade. Dit geeft aan dat temperatuurverhoging niet alleen leidt tot verschuiving in de microbiële populaties en de redox-reacties die zij controleren maar ook tot technische problemen. Een actuele vraag is of er naast deze risico s ook gezondheidsrisico s zijn. MMB (2012) geeft hierover een goed kennisoverzicht anno De meeste potentieel pathogene micro-organismen zoals Legionella gedijen goed bij temperaturen van 35ºC tot 40ºC. De eerste vraag is of er potentieel pathogene micro-organismen aanwezig zijn op de diepte van de warmtebron? Dit is niet te verwachten als deze micro-organismen strict aeroob zijn want de ondergrondtrajecten die in aanmerking komen voor HTO zijn in Nederland anaeroob. Daarnaast sterven pathogenen snel af bij temperaturen typisch voor HTO. Pathogenen die niet van nature ter plaatse voorkomen hebben ook nog eens weinig overlevingskans en worden weggeconcurreerd door de van nature aanwezige bacteriën. Monitoringresultaten geven ook aan dat geen sprake is van toenames in aantallen fecale of pathogene micro-organismen voor zover al aanwezig. Bedacht moet worden dat een WKOactiviteit op zich geen probleem hoeft te zijn maar dat tijdens de putconstructie verontreiniging met pathogene en fecale micro-organismen kan optreden (Bonte,

26 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 26 / ). Iets soortgelijks zou kunnen gelden bij onttrekking van jong, microbieel verontreinigd grondwater. Gezondheidsrisico s van HTO systemen zijn dus gering tot afwezig; voor zover problemen kunnen optreden komen deze van buiten Zettingen door temperatuurveranderingen (gebaseerd op Drijver [2012]) De hoge temperaturen kunnen enerzijds zorgen voor uitzetting van de opgewarmde bodemdeeltjes en anderzijds voor het versneld uitdrijven van poriewater uit slecht doorlatende lagen (thermische consolidatie). Voor zandlagen volgt uit de literatuur een procentuele volumetoename van ongeveer 0,002% per ºC opwarming. Voor kleilagen is dit een volumeafname van ongeveer 0,02% per ºC opwarming. Bij een temperatuurverschil van 80 graden gaat het dan om voluminaveranderingen van 0,16% voor zandlagen en 1,6% voor klei. Het eerste is verwaarloosbaar en het laatste kan een aandachtspunt zijn. HTO wordt altijd toegepast onder een scheidende laag, omdat anders de warmte ongehinderd naar boven zal stromen en onacceptabele verliezen optreden. Dit betekent dat beide effecten altijd tegelijkertijd optreden. Uit de beschikbare praktijkgegevens blijkt dat deze effecten elkaar grotendeels opheffen, waardoor de netto invloed op funderingsniveau relatief klein is. Wel is het van belang om de te verwachten effecten per geval te bepalen en te beoordelen. Voor het GEOMEC4Pproject is berekend dat de maximale eindzetting circa 14 mm bedraagt direct naast de bronnen. In relatie tot geothermische systemen zijn er modellen beschikbaar die de bodembewegingen (zetting of opheffing) voorspellen [Fokker et al., 2015]. Deze kunnen ook toegepast worden voor HTO. De vrij beschikbare DoubletCalc 2D software [Veldkamp et al., 2015] is geschikt voor deze berekeningen Effecten waterbehandeling op waterkwaliteit (o.a. gebaseerd op Drijver [2012]) Tot op heden zijn (voor zover bekend) slechts twee waterbehandelingsmethoden toegepast op projectschaal, namelijk kationen-uitwisseling (Universiteit Utrecht) en zoutzuurdosering (Zwammerdam, GEOMEC4P). Ionenwisseling heeft een aantal belangrijke nadelen: het brengt een hoog zoutverbruik met zich mee, het is arbeidsintensief en er zijn verstoppingsrisico s bij te veel en te weinig behandeling. Het verstoppingsrisico hangt samen met de uitwisseling van geadsorbeerd Ca 2+ door opgelost Na +, waardoor kleimineralen kunnen zwellen bij hoge bezettingsgraad van het kation-uitwisselingscomplex met Na + en kleimineralen aan de wandel kunnen gaan (kleidispersie) met eventueel putverstopping door kleifiltering. In Zwammerdam en GEOMEC4P is daarom gekozen voor zoutzuurdosering. Met behulp van hydrochemische berekeningen is de invloed van de waterbehandeling bij Zwammerdam op de grondwaterkwaliteit berekend door Drijver (2012). Zoutzuur is weliswaar een agressieve stof, maar wordt in lage concentraties toegevoegd (verdunning met een factor 5000). Van nature komt zowel zout (Cl - ) als zuur (H + ) grondwater voor in Nederland: er is dus waarschijnlijk sprake van beïnvloeding binnen het bereik van de natuurlijke concentraties. Beleidsmatig kan het natuurlijk wel gewenst zijn om gebieden die niet zout dan wel zuur zijn ook als zodanig zo te behouden o.a. in het kader van strategische grondwatervoorraden of nationale reserves. De berekeningen geven aan dat de ph-waarde daalt van 7,0 (natuurlijke ph-waarde) naar minimaal 6,6 (voor dosering)

27 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 27 / 59 respectievelijk 6,2 (direct na dosering), wat goed overeen komt met de uitgevoerde metingen bij Zwammerdam. Stroomafwaarts kan de ph van het grondwater ook weer veranderen door zuur-bufferende reacties van het doorstroomde sedimentpakket. Het chloridegehalte van het grondwater neemt volgens de berekeningen toe van mg/l (natuurlijke waarde) naar maximaal mg/l op de lange termijn (direct na dosering): een stijging met 200 mg/l. De uitgevoerde metingen bevestigen dat in Zwammerdam geen noemenswaardig effect op het chloridegehalte is opgetreden. Voor de situatie bij GEOMEC4P wordt een stijging van 116 mg/l verwacht; maximaal 10% van het natuurlijk chloride gehalte [GS Zuid Holland, 2012]. Ter vergelijking: diep grondwater boven de Rupelklei (vroeger aangeduid als Boomklei) heeft meestal ph-waarden tussen 6,5 en 8 (Griffioen, ongepubliceerd) terwijl diep grondwater onder deze laag eerder ph-waarden tussen 7 en 8.5 heeft (Griffioen et al., 2016). De beperkte ph-daling wordt veroorzaakt door de bufferende werking van het grondwater zelf (in de vorm van alkaliniteit) en de mineralen van het sedimentpakket. Het chloridegehalte van natuurlijk grondwater boven de Rupelklei varieert meestal tussen 10 mg/l (zeer zoet) en met frequent uitschieters tot om en nabij de zeewaterconcentratie van mg/l (Griffioen et al., 2002; 2013). Bij toepassing in zoet grondwater (chloridegehalte lager dan mg/l) is de invloed van de zoutzuurdosering op het chloridegehalte dus groot: zoet grondwater wordt brak. Bij gebruik van zout grondwater (chloridegehalte hoger dan mg/l) is de invloed klein: het zoute grondwater wordt slechts een fractie zouter. Voor zoet grondwater is onderzoek naar alternatieve waterbehandelingsmethoden daarom gewenst, waarbij het gebruik van inhibitoren het meest voor de hand ligt. De nadelige effecten van zoutzuurdosering kunnen dus beperkt zijn als er niet grootschalig en veelvuldig gebruik van wordt gemaakt en als het om brak of zout water gaat. Als gevolg van zoutzuurdosering treedt een al dan niet tijdelijke phdaling op waar ook al dan niet tijdelijk sporenelementen gemobiliseerd kunnen worden.

28 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 28 / 59 3 Juridisch kader In dit hoofdstuk zal worden ingegaan op het juridisch kader van hoge temperatuuropslag in de ondergrond. De diepte is hier een belangrijke parameter aangezien dit bepaalt welke regelgeving van toepassing is op het project. De belangrijkste wet- en regelgeving omtrent HTO is samengevat in onderstaande tabel. In dit hoofdstuk zullen de aspecten zoals genoemd in de tabel in meer detail worden besproken. Waar mogelijk zal het juridische kader worden toegelicht met voorbeelden uit de praktijk. Tabel 2 Samenvatting juridisch kader HTO Diepte van opslag (beneden maaiveld) <500 m >500 m Wet- en regelgeving Waterwet Mijnbouwwet van toepassing Waterbesluit (AMvB Wijzigingsbesluit Mijnbouwbesluit bodemenergiesystemen) Mijnbouwregeling Waterregeling Besluitvormingsuitvoeringsmethode (BUM) provinciale taken en Handhavingsuitvoeringsmethode (HUM) provinciale taken, Belangrijkste Infiltratietemperatuur max 25 C* geen beperkingen restricties Geen opwarming van de bodem zoals voor ondiepe Behoudt energiebalans minimaal elke 5 jaar* HTO Bevoegd gezag Provincie** Ministerie van Economische Zaken Procedure ~5 maanden*** doorlooptijd 6-9 maanden (indicatief) Vergunning Watervergunning (artikel 6.4 Waterwet) Opslagvergunning (art. 25 Mijnbouwwet) *AMvB: in het belang van een doelmatig gebruik van bodemenergie een hogere temperatuur / warmteoverschot worden toegestaan, indien het belang van de bescherming van de bodem zich daartegen niet verzet ** AMvB: Burgemeester en wethouders van de gemeente waar het bodemenergiesysteem zich bevindt, zijn bevoegd gezag met betrekking tot het installeren en in werking hebben van een gesloten bodemenergiesysteem. ***Provincies kunnen kiezen voor een meer uitgebreide en langere procedure. In theorie is een zeer korte doorlooptijd mogelijk van slechts enkele maanden. 3.1 HTO tot en met 500 meter Zoals eerder gesteld kunnen opslagsystemen worden geclassificeerd als open en gesloten systemen. In het bespreken van het juridisch kader wordt uitgegaan van een open opslagsysteem. HTO is te classificeren als bodemenergiesysteem (zie definities in sectie 2.1). Tot 500 meter diepte (ondiepe HTO) is het wettelijk kader van de Waterwet dan van toepassing. Voor de toepassing van ondiepe HTO is een watervergunning (zie artikel 6.4, eerste lid, onder b) van de Waterwet vereist.

29 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 29 / 59 Artikel 6.4 Waterwet 1. Het is verboden zonder daartoe strekkende vergunning van gedeputeerde staten grondwater te onttrekken of water te infiltreren: a. ten behoeve van industriële toepassingen, indien de te onttrekken hoeveelheid water meer dan m 3 per jaar bedraagt; b. ten behoeve van de openbare drinkwatervoorziening of een bodemenergiesysteem. 2. Bij provinciale verordening kan worden bepaald dat het eerste lid niet van toepassing is voor onttrekkingen waarbij de te onttrekken hoeveelheid ten hoogste 10 m 3 per uur bedraagt. 3.2 HTO vanaf 500 meter Onderzoek naar het juridisch kader omtrent opslag dieper dan 500 meter heeft opgeleverd dat vooralsnog een opslagvergunning volgens de Mijnbouwwet (artikel 25, eerste lid, onder a) vereist is [IF Technology, 2012]. Artikel 25 Mijnbouwwet 1. Het is verboden zonder vergunning van Onze Minister: a. stoffen op te slaan; b. CO2-opslagcomplexen op te sporen. 2. Het verbod geldt niet met betrekking tot bij algemene maatregel van bestuur omschreven categorieën van gevallen. 3. Met toepassing van artikel 28, eerste lid, laatste zinsnede, van de Dienstenwet is paragraaf van de Algemene wet bestuursrecht niet van toepassing op een aanvraag om een vergunning als bedoeld in het eerste lid, onderdeel a.

30 TNO-rapport TNO 2015 R11616 Eindrapport 30 / Procedure vergunningverlening De procedure voor vergunningverlening verschilt afhankelijk van het juridisch kader van de HTO. De procedures zijn kort samengevat in onderstaand schema. Figuur 4 Voorbereidingsprocedure voor een vergunning onder de Waterwet en procedure opslagvergunning onder Mijnbouwwet Het bevoegd gezag is verschillend in bovenstaande procedures. In de procedure voor een vergunning onder de Waterwet is de provincie het bevoegd gezag. Een uitzondering hierop is dat de gemeente en wethouders in principe het bevoegd gezag zijn voor opslag met een gesloten bodemenergiesysteem (zie 0). In de procedure voor het aanvragen van een opslagvergunning onder de Mijnbouwwet is het Ministerie van Economische Zaken het bevoegd gezag. Het schema laat zien dat voor opslag op een diepte minder dan 500 meter doorgaans een kortere procedure kan worden gevolgd dan voor opslag op een diepte >500 meter. Voorheen waren op de behandeling van de aanvraag voor een vergunning < 500 meter afdeling 3.4 van de Algemene wet bestuursrecht (Awb) en Afdeling 13.2 van de Wet milieubeheer (Wm) van toepassing; bijvoorbeeld voor het GEOMEC4P project. Dit is echter gewijzigd in het AMvB Wijzigingsbesluit bodemenergiesystemen, (hierna genoemd AMvB bodemenergiesystemen ). Nu is een minder uitgebreide