Drie technologieën voor ondergrondse warmteopslag getest op locatie

Schematische weergave van demo-locaties – Delft, Darmstadt, Bochum – en ‘follower-sites’ – Berlijn, Litomerice en United Downs (Cornwall) – voor respectievelijk Ates, Btes en Mtes. In het Push-it project draait het vooral om systeemintegratie, technologieontwikkeling en maatschappelijke aspecten.

Aan de slag

Het voorstel leidde uiteindelijk tot het project Push-it, wat staat voor ‘piloting underground seasonal heat storage in geothermal reservoirs’. Het betreft een demonstratieproject met een toepassing van grootschalige seizoensgebonden warmteopslag tot 90 °C in geothermische reservoirs. TU Delft is trekker van het project met Bloemendal als verantwoordelijk onderzoeker.
‘We zijn in januari van start gegaan met een consortium dat bestaat uit 18 partners, met hierin onder meer warmteleveranciers, grondboorbedrijven, geologische diensten en academische partners,’ vertelt hij. ‘Het doel is om de toepasbaarheid van de verschillende warmteopslagsystemen te onderzoeken en te ontwikkelen, maar vooral ook om te laten zien wat het nu eigenlijk betekent voor de warmtevoorziening wanneer een dergelijke oplossing daadwerkelijk wordt geïmplementeerd. En wat het betekent voor de omgeving en voor de mensen. Dit doen we door het ontwikkelen, gebruiken en testen van onze technologieën voor uiteenlopende combinaties van warmtebronnen, warmteopslag-technieken, geologische omstandigheden en distributiesystemen. Uiteraard met stakeholders uit verschillende markt- en juridische omstandigheden.’

Drie technieken

Het consortium richt zich de komende jaren op drie verschillende technieken die bekend staan als aquifer, borehole en mine thermal energy storage (Ates, Btes, Mtes). Elk van deze technieken wordt op twee locaties in Europa toegepast, waarbij de in totaal zes locaties representatief zijn voor de geologische omstandigheden in grote delen van Europa. De opzet is dat van elk koppel één locatie geschikt is voor het daadwerkelijk demonstreren, testen en ontwikkelen van de betreffende techniek. Dit geldt voor Ates in Delft, voor Btes in Darmstadt (D) en voor Mtes in Bochum (D).
Het tweede deel van het koppel betreft de zogenaamde ’follower sites’; in dit geval respectievelijk: Berlijn (D), Litomerice (CZ) en United Downs (UK). Bloemendal: ‘Deze tweede set locaties is nog niet toe aan volledige demonstratie van de techniek, maar wordt al wel gebruikt voor het testen en ontwikkelen van techniek.’

Ates

Aquifer thermal energy storage (Ates) is de opslag en het terugwinnen van thermische energie in doorlatende lagen met grondwater; de zogenaamde aquifiers. Door gebruik te maken van twee of meer grondwaterputten is het mogelijk om grondwater gelijktijdig zowel te onttrekken als te infiltreren en zo warmte naar of uit de aquifier te transporteren. De opslag en het terugwinnen van warmte gebeurt door de injectie van warm grondwater in de zogenaamde warme put in de zomer, en onttrekking uit de warme put in de winter. Deze systemen werken meestal op een laag temperatuurniveau (tot 25 °C) in combinatie met een warmtepomp, en leveren zowel verwarming als koeling aan individuele gebouwen. Wereldwijd zijn er meer dan 3.000 van dergelijke systemen operationeel.
Bloemendal: ‘Ook warmteopslag op hogere temperatuurniveaus in Ates voor collectieve systemen heeft een groot potentieel. Dit vereist echter nog een ontwikkeling van technologie die we in Push-it gaan uitvoeren, voordat grootschalige toepassing mogelijk is.’

‘Dit project is machtig interessant en leerzaam’

Btes

Borehole thermal energy storage (Btes) is te beschouwen als een ondergrondse warmtewisselaar. Een set buizen wordt verticaal in een boorgat in de grond geplaatst en wisselt, via een circulerend medium in de buizen, warmte uit met het de omringende bodem. In de zomer circuleert er warm water in de buizen, waardoor de ondergrond rond het boorgat opwarmt. In de winter wordt koud water rondgepompt om de warmte weer aan de ondergrond te onttrekken.
Omdat de uitwisseling via geleiding verloopt, hebben Btes-systemen over het algemeen een lagere capaciteit dan Ates-systemen. Net als Ates wordt ook Btes vaak toegepast bij lage temperaturen in combinatie met een warmtepomp. Wereldwijd zijn meer dan 1.000.000 systemen operationeel, maar het gebruik ervan bij hogere opslagtemperaturen is nog in ontwikkeling.

Mtes

Mine thermal energy storage (Mtes) maakt gebruik van het grondwater dat aanwezig is in verlaten mijnen. Net als Ates wordt het aanwezige grondwater gebruikt voor het transport van de warmte van en naar de mijn. Ook hier wordt warm grondwater in de zomer in de mijn geïnjecteerd en in de winter weer onttrokken. Mtes is een techniek in ontwikkeling en wereldwijd nog nauwelijks toegepast.

Werkingsprincipe Mtes.

Projectverloop

De planning is dat de komende anderhalf jaar vooral wordt gewerkt aan de inrichting van de zes testlocaties. Bloemendal: ‘De zes locaties waren al bepaald en staan in de startblokken om ingericht te worden voor het onderzoek. De subsidie helpt onder meer om de testlocaties sneller te kunnen inrichten, maar de puzzel die we moeten oplossen om op elke locatie de juiste partners en technieken samen te brengen om een goede demo-site te realiseren, is op dit moment nog steeds een belangrijke uitdaging.’
‘Daarbij hebben we bovendien te maken met locaties die qua inrichting sterk van elkaar verschillen. In Tsjechië zullen ze dit jaar al de eerste boringen gaan uitvoeren, terwijl de locatie in Delft waarschijnlijk de laatste zal zijn die ‘af’ is, onder meer vanwege het vergunningentraject wat we moeten doorlopen. Maar ook omdat dit het meest uitgebreide/complexe project is met de meeste innovaties die worden getest. Dat vraagt de nodige afstemming en voorbereiding.’
Na het inrichten en gereed maken van de locaties zal de tijd komen van het monitoren van de bronnen en het meten van uiteenlopende relevante parameters om de prestaties van het systeem te analyseren en te verbeteren. Bloemendal: ‘We willen onder meer de impact op het milieu reduceren en de prestaties verbeteren door warmteverliezen in de bodem te simuleren en te monitoren. Het bron-ontwerp en het beheer van de opslag worden daarnaast geoptimaliseerd om dergelijke verliezen te beperken. Tevens willen we de integratie van de opslag in het systeem optimaliseren, mede door regeltechniek op basis van machine learning die we in dit project gaan ontwikkelen.’
Na het onderzoek verwacht Bloemendal dat veel locaties in gebruik zullen blijven. ‘Dit is uiteraard ook afhankelijk van verschillende plaatselijke, regionale en landelijke factoren. In Delft zal het project bijvoorbeeld worden geïntegreerd in het aanwezige warmtenet van de TU Delft én in een nieuw warmtenet dat ook een deel van de stad zal verwarmen. Het is aannemelijk dat dit na het onderzoek gewoon haar functie kan blijven vervullen. Berlijn biedt wat dat betreft ook potentie, maar daar zijn de risico’s hoger en wordt extra nadruk gelegd op een ‘foolproof’ systeem. Op de locatie in Engeland hebben we te maken met ook andere warmteleveranciers, maar ook dit is een locatie met potentie.’

Uitdagingen

De uitdagingen tijdens het project ziet Bloemendal niet zozeer op het technisch vlak. ‘Het consortium bestaat voor het grootste deel uit technici met kennis van zaken’, geeft hij aan. ‘Natuurlijk heb je wel te maken met complexe technische ontwikkelingen en integraliteit, waar het bijvoorbeeld het samenspel betreft van waterkwaliteit, efficiëntie, aansturing enzovoorts. Lastiger zal het echter zijn om overzicht te houden over de werkzaamheden van negentien consortiumgenoten en om alle waardevolle inzichten en lessen goed beschikbaar te maken voor iedereen.
Tevens moet een belangrijke (niet technische) focus liggen op het zogenaamde ‘social engagement’. Hoe informeer je de lokale stakeholders bijvoorbeeld zodanig over de inhoud van het project dat ze hiervan de voordelen inzien en de veranderingen accepteren. Hiervoor is het nodig om percepties over en motivaties voor warmteopslag goed te analyseren. Ook het onderzoeken van beleidsmaatregelen en bedrijfsmodellen die burgers betrekken bij de besluitvorming over stadsverwarmingssystemen, inclusief opslag, hoort hierbij. Pas wanneer mensen de toegepaste technieken begrijpen, zijn ze bereid de hiermee gepaard gaande overlast en de risico’s te accepteren. Van essentieel belang om dit soort projecten te laten slagen.’
Bloemendal kijkt uit naar het verloop van het project. ‘Het is natuurlijk geweldig dat er zoveel verschillende dingen gebeuren met in feite één doel: de wereld een stukje verbeteren. Dat is ook een basisvoorwaarde voor mij persoonlijk en een belangrijke reden waarom ik me met deze materie bezighoud. Daarbij is dit project machtig interessant en leerzaam, omdat het zich in de praktijk afspeelt. Geen labomgeving, maar feitelijk letterlijk met je voeten in de klei om technieken in een echte samenleving, onder echte omstandigheden te implementeren, verbeteren en te testen.’

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: TU Delft