The potential for aquifer thermal energy storage in low-permeable sediments: A feasibility study on Campus Sterre, Ghent University, Belgium

Luka Tas
Persbericht

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

BEO

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.

 

Bibliografie
  • Aalten, T., Witteveen, H., 2015. Protocol zand- en slibhoudendheidsmetingen, versie 1.0. BodemenergieNL. Last accessed May 19, 2022 from https://docplayer.nl/48776639-Protocol-zand-en-slibhoudendheidsmetingen…
  • Bedekar, V., Morway, E.D., Langevin, C.D., and Tonkin, M., 2016, MT3D-USGS version 1.0.0: Groundwater Solute Transport Simulator for MODFLOW: U.S. Geological Survey Software Release, 30 September 2016. Last accessed May 19, 2022 from http://dx.doi.org/10.5066/F75T3HKD
  • Bloemendal, M., 2018. The hidden side of cities: Methods for governance, planning and design for optimal use of subsurface space with ATES. PhD thesis, Delft University of Technology. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.4233/uuid:0c6bcdac-6bf7-46c3-a4d3-53119c1a8606
  • Bloemendal, M., Olsthoorn, T., 2018. ATES systems in aquifers with high ambient groundwater flow velocity. Geothermics, 75 (January), 81–92. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2018.04.005
  • Bloemendal, M., Jaxa-Rozen, M., Olsthoorn, T., 2018. Methods for planning of ATES systems. Applied Energy, 216, 534–557. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.02.068
  • Bonte, M., Stuyfzand, P.J., Hulsmann, A., Van Beelen, P., 2011. Underground thermal energy storage: environmental risks and policy developments in the Netherlands and European Union. Ecology and Society 16(1): 22. Last accessed May 19, 2022 from http://www.ecologyandsociety.org/vol16/iss1/art22/
  • Bridger, D.W., Allen, D. M., 2014. Influence of geologic layering on heat transport and storage in an aquifer thermal energy storage system. Hydrogeology Journal, 22(1), 233–250. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1007/s10040-013-1049-1
  • Cooper, H.H., Jacob, C.E., 1953. A generalized graphical method of evaluating formation constants and summarizing well-field history. Groundwater notes hydraulics, No. 7, 90-102. Last accessed March 31, 2022 from https://www.nrc.gov/docs/ML1429/ML14290A600.pdf
  • Databank Ondergrond Vlaanderen – Vlaamse Overheid. (n.d.). Verkenner. Last accessed April 19, 2022 from https://www.dov.vlaanderen.be/portaal/?module=verkenner
  • De Moor, G., De Breuck, W., 1969. De freatische waters in het Oostelijk Kustgebied en in de Vlaamse Vallei. Natuurwet. Tijdschr. 1969, 51, 3-68. Last accessed May 19, 2022 from https://www.vliz.be/nl
  • De Zwart, A.H., 2007. Investigation of clogging processes in unconsolidated aquifers near water supply wells. Proefschrift. Hydrology and Ecology Section and Petroleum Engineering Section, Department of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology. Last accessed May 19, 2022 from https://repository.tudelft.nl
  • Drijver, B.C., 2011. High Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES): water treatment in practice. 1e Nationaal Congres Bodemenergie, Utrecht, Nederland, pp 5. Last accessed May 19, 2022 from https://www.researchgate.net
  • Dupuit, J.É.J., 1863. Études Théoriques et Pratiques sur le Mouvement des Eaux Dans les Canaux Découverts et à Travers les Terrains Perméables: Avec des Considérations Relatives au Régime des Grandes Eaux, au Débouché à leur Donner, et à la Marche des Alluvions dans les Rivières à Fond Mobile; Dunod: Paris, France, 1863.
  • Edmunds, W.M., Shand, P., 2008. Natural groundwater quality. Blackwell Publishing Ltd. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1002/9781444300345
  • European Commission, 2012. Roadmap 2050 Low Carbon Europe. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.2833/10759
  • European Commission,2019. Heating and cooling. Comprehensiveassessment. https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/heating-and-coo…
  • Fleuchaus, P., Godschalk, B., Stober, I., Blum, P., 2018. Worldwide application of aquifer thermal energy storage – A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 94(November 2017), 861–876. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.06.057
  • Fleuchaus, P., Schüppler, S., Godschalk, B., Bakema, G., Blum, P., 2020. Performance analysis of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES). Renewable Energy, Volume 146 (February 2020), pp. 1536-1548. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.07.030
  • Gao, Q., Zhou, X.Z., Jiang, Y., Chen, X.L., Yan, Y.Y., 2013. Numerical simulation of the thermal interaction between pumping and injecting well groups. Applied Thermal Engineering, 51(1–2), 10–19. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.09.017
  • Geopunt Vlaanderen – Vlaamse Overheid, 2019. H3Dv2 A0700, voorkomen Paniseliaan Aquitardsysteem. Last accessed March 30, 2022 from https://www.geopunt.be/catalogus/datasetfolder/9ffe28f7-ffa4-4e12-b1ca-…
  • Glassley, W.E., 2015. Geothermal energy: Renewable energy and the environment, Third edition. CRC Press, inc.
  • Hähnlein, S., Bayer, P., Ferguson, G., Blum, P., 2013. Sustainability and policy for the thermal use of shallow geothermal energy. Energy Policy, 59, 914–925. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.enpol.2013.04.040
  • Hartog, N., Drijver, B., Dinkla, I., Bonte, M., 2013. Field assessment of the impacts of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) systems on chemical and microbiological groundwater composition. European Geothermal Congress, pp 8. Last accessed May 19, 2022 from https://www.iftechnology.com
  • Hecht-Méndez, J., Molina-Giraldo, N., Blum, P., Bayer, P., 2010. Evaluating MT3DMS for heat transport simulation of closed geothermal systems. Ground Water, 48(5), 741–756. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2010.00678.x
  • Hermans, T., Nguyen, F., Klepikova, M., Dassargues, A., Caers, J., 2018. Uncertainty Quantification of Medium-Term Heat Storage From Short-Term Geophysical Experiments Using Bayesian Evidential Learning. Water Resources Research, 54(4), 2931–2948. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1002/2017WR022135
  • Jenne, E., Andersson, O., Willemsen, A., 1992. Well, hydrology, and geochemistry problems encountered in ATES systems and their solutions. SAE Technical Paper (1992). Last accessed May 19, 2022 from https://www.osti.gov/servlets/purl/10187570
  • Kim, J., Lee, Y., Yoon, W.S., Jeon, J.S., Koo, M.H., Keehm, Y., 2010. Numerical modeling of aquifer thermal energy storage system. Energy, 35(12), 4955–4965. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.08.029
  • Langevin, C.D., Thorne, D.T., Dausman, A.M., Sukop, M.C., Guo, W., 2007. SEAWAT Version 4: A Computer Program for Simulation of Multi-species Solute and Heat Transport, US Geol. Surv. Tech. Methods, Book 6, US Geological Survey Reston, VA (Chapter A22). Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.3133/tm6A22
  • Langevin, C.D., Hughes, J.D., Banta, E.R., Niswonger, R.G., Panday, S., Provost, A.M., 2017a. Documentation for the MODFLOW 6 Groundwater Flow Model: U.S. Geological Survey Techniques and Methods, book6, chapter A55, 197p. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.3133/tm6A55
  • Langevin, C.D., Hughes, J.D., Banta, E.R., Provost, A.M., Niswonger, R.G., and Panday, S., 2017b. MODFLOW 6 Modular Hydrologic Model: U.S. Geological Survey Software. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.5066/F76Q1VQV
  • Lebbe, L., Mahauden, M., De Breuck, W., 1992. Execution of a triple pumping test and interpretation by an inverse numerical model. International Journal of Applied Hydrogeology, volume 1 4/1992, pp. 20-34.
  • Muela Maya, S., García-Gil, A., Garrido Schneider, E., Mejías Moreno, M., Epting, J., Vázquez-Suñé, E., Marazuela, M.Á., & Sánchez-Navarro, J.Á., 2018. An upscaling procedure for the optimal implementation of open-loop geothermal energy systems into hydrogeological models. Journal of Hydrology, 563(May), 155–166. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.05.057
  • Meng, B., Vienken, T., Kolditz, O., Shao, H., 2019. Evaluating the thermal impacts and sustainability of intensive shallow geothermal utilization on a neighborhood scale: Lessons learned from a case study. Energy Conversion and Management. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111913
  • Olsthoorn, T.N., 1982. The clogging of recharge wells, main subjects; KIWA Communications 72, Rijkswijk. Last accessed May 19, 2022 from https://library.wur.nl/WebQuery/hydrotheek/2108784
  • Parsons, M.L., 1970. Groundwater Thermal Regime in a Glacial Complex. Water Resources Research, 6(6), 1701–1720. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1029/WR006i006p01701
  • Perego, R., Viesi, D., Pera, S., Dalla, G., Cultrera, M., Visintainer, P., Galgaro, A., 2020. Revision of hydrothermal constraints for the installation of closed-loop shallow geothermal systems through underground investigation , monitoring and modeling. Renewable Energy, 153, 1378–1395. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.02.068
  • Pollock, D.W., 2012. User Guide for MODPATH Version 6 – A Particle-Tracking Model for MODFLOW. US Geol. Surv. Techniques and Methods 6 – A41. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.3133/tm6A41
  • Possemiers, M., 2014. Aquifer thermal energy storage under different hydrochemical and hydrogeological conditions. PhD Thesis, Faculty of Science, KU Leuven. Last accessed May 19, 2022 from https://limo.libis.be 61
  • Possemiers, M., Huysmans, M., Batelaan, O., 2014. Influence of Aquifer Thermal Energy Storage on groundwater quality: A review illustrated by seven case studies from Belgium. Journal of Hydrology: Regional Studies, Volume 2, pp 20-34. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2014.08.001
  • Possemiers, M., Huysmans, M., Batelaan, O., 2015. Application of multiple-point geostatistics to simulate the effect of small scale aquifer heterogeneity on the efficiency of aquifer thermal energy storage. Hydrogeology Journal, 23(5), 971–981. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1007/s10040-015-1244-3
  • Ramos-Escudero, A., García-cascales, M.S., Cuevas, J.M., Sanner, B., Urchueguía, J.F., 2021. Spatial analysis of indicators affecting the exploitation of shallow geothermal energy at European scale. Renewable Energy, 167, 266–281. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.11.081
  • Schippers, J.C., Verdouw, J., 1979. De membraanfiltratie-index als kenmerk voor de filtreerbaarheid van water. H2O (12), nr.5, pp 104-109. Last accessed May 19, 2022 from https://edepot.wur.nl/398518
  • Schippers, J.C., Verdouw, J., 1980. The Modified-Fouling Index. A method for Determining the Fouling Characteristics of Water. Desalination 32, pp 137-148. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/S0011-9164(00)86014-2
  • Sommer, W., Valstar, J., Van Gaans, P., Grotenhuis, T., & Rijnaarts, H., 2013. The impact of aquifer heterogeneity on the performance of aquifer thermal energy storage. Water Resources Research, 49(12), 8128–8138. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1002/2013WR013677
  • Sommer, W., Valstar, J., Leusbrock, I., Grotenhuis, T., & Rijnaarts, H., 2015. Optimization and spatial pattern of large-scale aquifer thermal energy storage. Applied Energy, 137, 322–337. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.019
  • Stuyfzand, P.J., 1986. A new hydrogeochemical classification of water types: principles and application to the coastal dunes aquifer system of the Netherlands. Proceedings 9th Sea Water Intrusion Meeting (SWIM), Delft (The Netherlands), 641-656.
  • Theis, C.V., 1935. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using groundwater storage. Am. Geophys. Union Trans., vol. 16, pp. 519-524. Last accessed March 31, 2022 from Last accessed May 19, 2022 from https://water.usgs.gov/ogw/pubs/Theis-1935.pdf
  • Thiem, G., 1906. Hydrologische Methoden: Dissertation zur Erlangung der Wurde eines; JM Gebhardt: Leipzig, Germany, 1906.
  • Todorov, O., Alanne, K., Virtanen, M., Kosonen, R., 2020. A method and analysis of aquifer thermal energy storage (ATES) system for district heating and cooling: A case study in Finland. Sustainable Cities and Society, 53(July 2019), 101977. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.scs.2019.101977
  • Vandenbohede, A., Hermans, T., Nguyen, F., Lebbe, L., 2011. Shallow heat injection and storage experiment: Heat transport simulation and sensitivity analysis. Journal of Hydrology, 409(1–2), 262–272. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.08.024
  • Van Essen Instruments, 2016. Product manual Diver. Last accessed May 19, 2022 from https://www.vanessen.com
  • Van Everdingen, A.F., 1953. The Skin Effect and Its Influence on the Productive Capacity of a Well. Journal of Petroleum Technology, 5(06), 171–176. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.2118/203-g
  • Waterinfo-Vlaamse Overheid, n.d. Retreived May 5, 2022 from https://www.waterinfo.be/Meetreeksen
  • Winston, R.B., 2019, ModelMuse version 4—A graphical user interface for MODFLOW 6: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2019–5036, 10 p., Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.3133/sir20195036
  • Yapparova, A., Matthäi, S., Driesner, T., 2014. Realistic simulation of an aquifer thermal energy storage: Effects of injection temperature, well placement and groundwater flow. Energy, 76, 1011–1018. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.09.018
  • Zeghici, R.M., Oude Essink, G.H.P., Hartog, N., Sommer, W., 2015. Integrated assessment of variable density-viscosity groundwater flow for a high temperature mono-well aquifer thermal energy storage (HT-ATES) system in a geothermal reservoir. Geothermics, volume 55, pp 58-68. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.12.006
  • Zheng, C., and Wang, P.P., 1999. MT3DMS: A modular three-dimensional multi-species transport model for simulation of advection, dispersion and chemical reactions of contaminants in groundwater systems; Documentation and user’s guide: Contract report SERDP-99-1: U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg, MS, 169 p. Last accessed May 19, 2022 from https://hydro.geo.ua.edu/mt3d/mt3dmanual.pdf
  • Zheng, C., 2010. MT3DMS v5.3: Supplemental User’s Guide. Department of Geological Sciences The University of Alabama, 51. Last accessed May 19, 2022 from https://hydro.geo.ua.edu/mt3d/mt3dms_v5_supplemental.pdf
  • Zuurbier, K.G., Hartog, N., Valstar, J., Post, V.E.A., van Breukelen, B.M., 2013. The impact of low-temperature seasonal aquifer thermal energy storage (SATES) systems on chlorinated solvent contaminated groundwater: modelling of spreading and degradation. J. Contam. Hydrol., pp 1-13. Last accessed May 19, 2022 from https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2013.01.002
Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Geology: groundwater and mineral resources
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
Prof. dr. Thomas Hermans; Prof. dr. David Simpson
Kernwoorden
Share this on: