Op weg naar minder CO2 en méér geothermie

Een gebouw op een groene manier, met behulp van de ondergrond, voorzien van koeling en verwarming is een innovatief concept dat ook in Vlaanderen diverse toepassingen kent. Toch lijkt dit eerder uitzondering dan regel. Hoe komt dit, zelfs in deze tijden van energiecrisis en belangrijker: hoe kunnen we het tij keren? Tijd om grenzen op te zoeken en wie weet zelfs te verleggen…

Het grondwater in Vlaanderen haalde de voorbije tijd geregeld het nieuws. Daar ging het voornamelijk over droogte, maar wist je dat grondwater ook ingezet kan worden in de strijd tegen broeikasgassen? Het gebruik van ondiepe geothermie zou wel eens dé sleutel kunnen zijn tot succes voor een drastische daling van onze CO2-uitstoot.

Hoe grondwater zijn steentje kan bijdragen

Stel je een snikhete zomer voor waar alles welkom is om de binnentemperatuur aangenaam te doen dalen. Een geothermisch systeem kan je op een groene en duurzame manier te hulp schieten. Hiervoor zijn twee grondwaterputten nodig: 1 wordt de koude put genoemd en de andere de warme. In de zomer wordt water via de koude put onttrokken aan de grond met een pomp. Dit koude water kan zorgen voor afkoeling terwijl het de warmte van de omgeving opneemt. Daarna wordt het opgewarmde water opnieuw geïnjecteerd in de grond via de warme put. In de winter willen we binnen juist gezellig opwarmen. Dan kan water, met de opgeslagen thermische energie van de zomer, onttrokken worden via de warme put en deels verder opgewarmd worden met een warmtepomp. Dit water zal zijn warmte afgeven aan de omgeving binnenshuis. Het daardoor afgekoelde water zal op zijn beurt opnieuw in de koude put geïnjecteerd worden. In het daaropvolgende seizoen zal de opgeslagen thermische energie niet altijd volledig opgebruikt worden. Hierdoor zal de omgeving rond de koude put steeds meer afkoelen en die rond de warme put steeds meer opwarmen. De efficiëntie van het systeem zal dus toenemen met de tijd. Al het onttrokken grondwater wordt ook opnieuw geïnjecteerd, zo wordt het eerder genoemde probleem van de nakende droogtes niet in de hand gewerkt.

Veelbelovend, maar er zijn ook uitdagingen

Hoewel dit als muziek in de oren klinkt mag er niet te vroeg gejuicht worden. Eerst en vooral zijn de investeringskosten hoog en hebben de pompen energie nodig, die liefst ook groen is. Daarnaast is een goede isolatie noodzakelijk om de ondiepe geothermie rendabel te maken. Hoe slechter de isolatie, hoe meer energie de warmtepomp zal moeten leveren om de binnentemperatuur tot de gewenste temperatuur te doen stijgen. Tot slot zijn er geologische factoren die de werking, efficiëntie en haalbaarheid van dit soort systemen beïnvloeden.

Een belangrijke factor, namelijk de doorlatendheid van de bodem, trekt meteen de grens tussen twee soorten geothermische systemen. De doorlatendheid bepaalt hoe makkelijk grondwater kan stromen. Aan de ene kant hebben we koude-warmteopslag (KWO) systemen, die gebruikt worden voor grote projecten zoals bijvoorbeeld kantoorgebouwen, ziekenhuizen en scholen. Deze onttrekken/injecteren effectief grote volumes water aan/in de bodem. Ze hebben dus over het algemeen een groot vermogen maar hebben nood aan een bodem met goede doorlatendheid. Aan de andere kant zijn er de boorgat energieopslag (BEO) systemen. Deze zijn de gebruikelijke oplossing in gebieden waar een dik doorlatend sedimentpakket ontbreekt aangezien voor BEO-systemen water enkel moet stromen door buizen. De overdracht van thermische energie naar de ondergrond gebeurt dan via warmtegeleiding. Ze worden echter enkel aangeraden wanneer de energiebehoefte beperkt blijft, zoals voor een enkel huis, anders zijn er veel putten nodig waardoor de investeringskost snel oploopt.

KWO is the way to go

KWO-systemen zijn dus de beste manier om jouw budget optimaal te benutten voor het produceren van grotere vermogens aan duurzame energie. Dit is interessant wanneer we een grote daling van de CO2-uitstoot beogen. Spijtig genoeg wordt een groot deel van de ondergrond van Vlaanderen ongeschikt geacht omwille van de lage doorlatendheid. Gelukkig stopt ons verhaal hier nog niet. Voor deze studie hebben wij namelijk de status quo uitgedaagd en bepaald of het in sommige gevallen alsnog mogelijk zou zijn. Hiervoor trok ik niet ver weg van huis; de studie ging door op campus De Sterre van de universiteit van Gent. Daar is het doel om in de toekomst CO2 neutraal te worden en dit kan niet zonder innovatie.

Nu begint het echte werk…

Met een duidelijk doel voor ogen werd aan de slag gegaan met een combinatie van veldwerk en computersimulaties. Er werden een aantal pompproeven uitgevoerd om zo het maximaal debiet te bepalen waarmee water uit de ondergrond onttrokken of terug geïnjecteerd kan worden. Er werden datasets verzameld om het computermodel op te bouwen. Er werden meeteenheden geïnstalleerd in de putten om de seizoenale variaties in waterniveau op te volgen. Daarnaast werden er ook testen uitgevoerd om het risico voor verstopping van de putten door fijne sedimentdeeltjes in te schatten.

Met gunstige testresultaten op zak werd het computermodel, dat de ondergrond van het studiegebied weergeeft, opgebouwd en gekalibreerd zodat het de stroming van het grondwater zo goed mogelijk weergeeft. Om te voorzien in de energiebehoefte werd a.d.h.v. het maximaal debiet berekend dat 22 warme putten en 22 koude putten nodig zijn. Deze werden in verschillende opstellingen gesimuleerd. Dit wil zeggen dat het geothermisch systeem ‘getest’ werd voor een periode van 20 jaar bestaande uit een opeenvolging van telkens 6 koude en 6 warme maanden. De moeilijkheid was de verandering in waterhoogtes in de buurt van de putten te beperken en een verbinding tussen de warme en koude zones in de ondergrond te vermijden. Na heel wat ‘trial and error’ hebben we aangetoond dat zelfs in dit studiegebied, waar een dikke productieve grondwaterlaag ontbreekt, hoogstwaarschijnlijk toch de mogelijkheid is voor KWO, indien de putten in een dambordpatroon worden geschikt. Een korte economische analyse wees daarbovenop ook nog uit dat dit systeem wel 2.4 keer kostvriendelijker zou zijn in vergelijking met BEO op dezelfde plaats: een besparing van wel 2 miljoen euro!

Zo zie je maar dat er soms meer mogelijk is dan je eerst dacht.