Onderzoeksprojecten

  1. Home
  2.  → Onderzoeksprojecten

Het Kennisplatform Bodemenergie initieert diverse onderzoeksprojecten.
Hieronder vindt u een overzicht met een uitgebreide toelichting op de projecten:

Ingediend: VERantwoord VERsnellen Energietransitie In de onderGronD!

De aanleg van energiesystemen in de ondergrond verloopt te traag en is te duur, omdat:

  • Veel van het werk nog handmatig moet worden uitgevoerd en er veel faalkosten zijn door de gebrekkige ordening
  • De schaarse ruimte in de ondergrond niet optimaal wordt benut door het ontbreken van voldoende kennis over de gevolgen van onderlinge beïnvloeding van infrastructuur. Hierdoor wordt mogelijk onnodig veel onderlinge afstand bewaard
  • Financiering vaak lastig is door cumulatie van onzekerheden over de toekomstige ontwikkeling van de warmtevraag en de potenties van de ondergrond voor warmteproductie
  • Dit grote coördinatievraagstukken oplevert
  • De combinatie met een tekort aan arbeidskrachten het bereiken van klimaatdoelen remt

Doel van het project Verenigd!

Er is een systeemverandering nodig om de klimaatdoelen alsnog te kunnen halen. Dat betekent dat er op meerdere aspecten, technisch en niet-technisch, in samenhang moet worden geïnnoveerd: dat is de kern van de aanpak in Verenigd!

Doel van het project is lagere kosten en hogere snelheid bij de aanleg van ondergrondse energiesystemen. Dit doen we door:

  • Arbeidsefficiency is verhoogd; door het ontwikkelen van arbeidsbesparende technieken voor aanleg en ontwerp van infrastructuur.
  • Er wordt optimaler gebruik gemaakt van de schaarse ruimte in de ondergrond; door het ontwikkelen van ruimtebesparende aanlegtechnieken en ontwerpmethoden.
  • Inzicht in de technisch-financiële haalbaarheid van investeringen in energie-infrastructuur is vergroot.
  • Coördinatie mechanismen zijn ontwikkeld om domein-overstijgend regie te voeren.
  • Effecten van arbeidstekorten zijn weggenomen.

Resultaat

Verenigd! zal de volgende resultaten opleveren:

  • Ruimte- en arbeidsbesparende technieken voor renovatie van elektriciteitsnetten
  • Digitale platforms voor ruimte- en arbeidsbesparend ontwerp van warmtenetten en bodemenergiesystemen
  • Rekenregels voor de effecten van opwarming van drinkwater door warmtenetten en elektriciteitsnetten op de volksgezondheid
  • Model voor het bepalen van de technisch-economisch haalbaarheid en onzekerheid voor warmtenetten gevoed door geothermie
  • Adviesdiensten die overheden en private partijen in staat stellen om domein-overstijgend de regie te nemen over de realisatie van energie-infrastructuur

Ingediend: beperken lozen bij aanleg bronnen

Als Nederland in 2050 aardgasloos is, heeft circa 25% van de gebouwen een bodemenergiesysteem. Na aanleg en bij onderhoud van open bodemenergiesystemen (OBES) moeten de bronnen worden gespoeld en ontwikkeld. In het spoel- en ontwikkelwater zitten opgeloste en gesuspendeerde stoffen zoals kleideeltjes, ijzer, zout en resten boorspoeling. De lozing van dit water op oppervlaktewater of riolering is niet wenselijk, vanwege verslechtering van de waterkwaliteit.

Vergunningverleners stellen steeds strengere eisen aan waterkwaliteit en maximaal debiet van de lozing. Dit probleem speelt in beperktere mate ook bij onderhoud wanneer de put tijdens de gebruiksfase verstopt en geregenereerd moet worden.

Technologie, probleem en projectidee

Uit gesprekken met betrokken partijen (onder andere boorfirma’s) blijkt dat beperking van lozingen tijdens het ontwikkelen van putten moeilijk te realiseren is met de huidige stand der techniek. Als veelbelovende nieuwe ontwikkelrichtingen met potentie voor het beperken van spoelwaterlozingen zijn aangeduid:
Toepassen van andere type steunvloeistoffen tijdens het boren, in combinatie met hulpvloeistoffen bij ontwikkelen van de bron
Het verbeteren van de effectiviteit van mechanische ontwikkelmethoden welke op dit moment bij de aanleg van OBES bronnen doorgaans worden toegepast
Het verbeteren van methoden voor de objectieve beoordeling van de specifieke volumestroom bij oplevering van OBES, zodat duidelijk is wanneer een boorfirma kan stoppen met ontwikkelen van de put

Uitdaging: Wat gaan we concreet doen?

Het project start met een literatuurstudie naar het ontwikkelen van bronnen met hulpvloeistoffen en alternatieve mechanische ontwikkelmethoden. Vervolgens wordt op labschaal getest hoe sterk een bepaald werkingsmechanisme moet worden toegepast om een put goed te ontwikkelen. Dus bijvoorbeeld: hoeveel trillingen heb je nodig en hoe hard moeten die trillingen zijn? Of welk type of concentratie chemicaliën is het meest effectief? En welke combinatie werkt op labschaal het meest effectief. Vervolgens worden de ontwikkelde methoden ook in het veld getest. Daarbij willen we verifiëren of deze technieken ook daadwerkelijk in de praktijk geschikt zijn om de verstopping te verwijderen.

Oplossing: Wat is het beoogde resultaat?

Het project moet alternatieve chemische en mechanische methoden opleveren om bronnen gericht te ontwikkelen. Daarnaast wordt een methode gevalideerd om te beoordelen of een put is ontwikkeld tot haar maximale specifieke capaciteit.

WarmingUP: grootschalige toepassing van OBES i.c.m. Aquathermie en warmte opslag

In het collectief WarmingUP ontwikkelen we met achtendertig deelnemers toepasbare kennis, zodat collectieve warmtesystemen betrouwbaar, duurzaam en betaalbaar zijn voor de warmtetransitie. Collectieve warmtesystemen in combinatie met duurzame bronnen vormen een belangrijke schakel in de oplossing om de doelstellingen van het Klimaatakkoord te halen en de CO2-emissies te reduceren.

Systeem- en procesinnovaties zijn nodig voor een efficiënter ontwerp, aanleg en beheer, en een goed samenspel tussen de partijen. WarmingUP wil deze innovaties in samenhang en in hoger tempo ontwikkelen. Versnelling, opschaling en samenwerking vanuit de hele warmteketen is nodig om de warmtetransitie te realiseren. 

Kennisontwikkeling

Met nieuwe kennis kunnen duurzame warmtebronnen met verschillende niveaus van temperatuur en volumes slim gecombineerd worden. Ook is kennisontwikkeling voor het realiseren van grootschalige warmteopslagsystemen en het integreren daarvan in warmtenetten een beoogd resultaat. Onderzocht wordt bijvoorbeeld hoeveel, waar en tegen welke kosten warmte gewonnen kan worden via aquathermie of geothermie. Daarnaast richt het collectief zich op de ontwikkeling van nieuwe samenwerkings- en financieringsvormen én nieuwe werkwijzen om maatschappelijk draagvlak te realiseren.
Bodemenergie is een onderdeel van het werkpakket over aquathermie en ondergrondse warmte opslag.

Optimalisatie inzet gesloten bodemenergiesystemen in de energietransitie

Gesloten bodemenergiesystemen (GBES), waarmee significante besparingen op gebruik van energie voor verwarmen en koelen gerealiseerd worden, zijn uitermate geschikt voor toepassing in grondgebonden woningbouw, gestapelde bouw en kleine utiliteit. Er is dan ook een enorme groei in het aantal systemen, zowel wat betreft totale aantallen als ook in omvang van de projecten. Een gesloten bodemenergiesysteem wordt aangelegd tot een diepte die varieert van 80 tot 200 meter beneden maaiveld, in drukke gebieden staan de boringen zo’n 8 – 15 meter uit elkaar.

Uitgangspunten

Voor een optimaal rendement is een goed ontwerp wezenlijk. Daarbij mogen naburige systemen elkaar niet beïnvloeden. De beschikbare rekenmethoden leiden in de praktijk mogelijk tot overdimensionering (leidend tot hogere kosten en grotere risico’s voor de bodem). Om de rekenmethoden te verbeteren, en daarmee haalbaarheid, rendement en kwaliteit van systemen te optimaliseren, zijn gegevens over de temperatuurrespons in de bodem van essentieel belang. Dergelijke gegevens, waar de temperatuurrespons niet alleen in het systeem zelf maar ook daaromheen gemeten wordt, zijn tot op heden niet beschikbaar.

Doelstelling

Dit onderzoek heeft als doel om met gedetailleerde temperatuurmetingen (hoge resolutie in ruimte en tijd) voor het eerst in kaart te brengen wat er op een locatie met meerdere gesloten bodemenergiesystemen in de ondergrond gebeurt, en op basis daarvan:

  • De ontwerpmethode te toetsen
  • Richtlijnen/handvatten te ontwikkelen voor verbeterd ontwerp en beheer van individuele GBES
    (protocol SIKB 11001)
  • De rekenmodellen voor bepaling van interferentie en optimalisatie bij hoge dichtheden van
    GBES te toetsen/valideren
  • Richtlijnen/handvatten te ontwikkelen voor verbetering van het rekeninstrument (BUM-BE
    bijlage 2)
Het project beoogt het vergroten van de betrouwbaarheid en economische haalbaarheid van GBES en vermindering van ondoelmatig gebruik van de bodem. Het project draagt op verschillende manieren bij aan programmalijn 2: (a) vergroting van het aantrekkelijk aanbod aardgasvrij in warmte/koude voor de individuele gebruiker; (b) vergroting van het aanbod aardgasvrij voor gemeenten door vergroting van de duurzaamheid en inpasbaarheid van GBES in drukke gebieden.

Korte omschrijving

De activiteiten zijn onderverdeeld in 6 werkpakketten. In WP’s 1 en 2 wordt de monitoringslocatie gekarakteriseerd, ingericht en operationeel gemaakt. Het resultaat is mijlpaal 1 (1 jaar na aanvang). WP3 richt zich op de langjarige monitoring. In WP’s 4 en 5 vindt de analyse/evaluatie van de verkregen data plaats, en worden de resultaten en voorgestelde aanpassingen van de vigerende normen met betrekking tot ontwerp en bepaling van interferentie afgestemd met de branche.

Omdat de bodemtemperatuur zich slechts langzaam rond het GBES ontwikkelt, zal het grootste deel van de analyses in het 3e en 4e jaar van het project plaatsvinden.

Resultaat

De beoogde resultaten zijn:

  • Een monitoringinfrastructuur waarmee metingen worden uitgevoerd voor het project
    (en die eventueel kunnen worden voortgezet na de projectperiode)
  • Unieke langjarige monitoringsdata van gebouwzijdig gebruik van GBES, dynamische gedrag van
    het warmtepompsysteem én van de ondergrondse temperatuurontwikkeling in en tussen GBES,
    online beschikbaar
  • Met de branche/stakeholders afgestemde uitwerking van gewenste aanpassing van ontwerp-
    en beheermethodiek van GBES (protocol SIKB 11001). Met onderliggende onderbouwing op basis
    van de monitoringsresultaten en de analyse daarvan.
  • Met de branche/stakeholders afgestemde uitwerking van gewenste aanpassing van het BUM-BE
    toetsinstrumentarium voor bepaling van interferentie. Met onderliggende onderbouwing op
    basis van de monitoringsresultaten en de analyse daarvan.

Betrouwbaar en betaalbaar afvullen boorgaten voor gesloten bodemenergiesystemen

Bodemenergie is een belangrijke techniek voor de warmtetransitie. De toepassing van deze systemen groeit daarom de komende decennia zeer sterk. Bij het maken van gesloten bodemenergiesystemen worden slecht doorlatende lagen in de bodem doorboord.

Afdichten boorgaten

De scheidende werking van deze lagen moet na de doorboring weer worden hersteld om risico’s voor de grondwaterkwaliteit te voorkomen. Omdat het om diepe (>100 m) boorgaten met een relatief kleine diameter (<20 cm) gaat, is het aanvullen hiervan niet eenvoudig. Daarom is er grote noodzaak om een innovatie- en efficiëntieslag te maken voor beschikbare technieken om boorgaten van gesloten bodemenergiesystemen goed en efficiënt aan te vullen. In dit onderzoek gaan we opzoek naar de technieken en methoden om de afdichtende werking naderhand te kunnen verifiëren, wat handhaving ook moet vergemakkelijken.

Energie besparen, dus ook met bodemenergie

Om klimaatverandering te beperken is door de Nederlandse overheid in verdragen afgesproken om de CO2-uitstoot van Nederland terug te brengen. Een van de technieken die een belangrijk deel van de CO2-uitstootreductie moet realiseren is bodemenergie. Gesloten bodemenergiesystemen zijn geschikt voor individuele kleine gebouwen en daar zijn er heel veel van in Nederland (>6 miljoen).

Waar de bebouwingsdichtheid laag is, kunnen geen collectieve warmtenetten worden toegepast en is een gesloten bodemenergiesysteem de enige optie voor duurzame verwarming en koeling. De verwachting is dan ook dat dit type gebouwen in 2050 circa 25% met een gesloten bodemenergiesysteem is uitgerust. Dat gaat dus om de aanleg van zeer veel van dit soort bodemenergiesystemen. Er wordt nu al veel gevraagd van de branche ten aanzien van productie, en dat wordt alleen maar nijpender.

Verbeteringen nodig in methoden om boorgaten aan te vullen

Bij het maken van gesloten bodemenergie systemen worden slecht doorlatende lagen in de bodem doorboord. De scheidende werking van deze lagen moet na de doorboring weer worden hersteld om risico’s voor de grondwaterkwaliteit te voorkomen. Omdat grondwater een belangrijke grondstof is voor drinkwater, is het in de eerste plaats belangrijk om het afvullen van boorgaten goed te doen. Daarnaast is het ook belangrijk om dit efficiënt te doen, gezien de grote verwachte groei.

Omdat het om diepe (>100m) boorgaten met een relatief kleine diameter (<20cm) gaat is het afvullen hiervan niet eenvoudig. Huidige en gangbare technieken zijn bewerkelijk, wat in de praktijk tot problemen leidt. Daarom is het voor de branche en de bevoegde instanties belangrijk om een efficiëntie en verbeterslag te maken en eenduidig vast te stellen welke technieken, werkwijzen en materialen geschikt zijn.

Innovatie en efficiëntie slag voor het aanvullen van boorgaten

Er is grote noodzaak om een innovatie en efficiëntie slag te maken ten aanzien van beschikbare technieken om boorgaten voor gesloten bodemenergiesystemen goed en efficiënt aan te vullen. Het doel van dit onderzoek is om:

  • bestaande technieken te optimaliseren en nieuwe technieken te ontwikkelen in werkwijze en aanvulmateriaal
  • een methode te ontwikkelen om na installatie de integriteit van de het afgevulde boorgat te kunnen verifiëren
  • een kader te ontwikkelen waarbinnen handhaving op een efficiënte en eerlijke manier kan worden uitgevoerd
Omdat de verwachting is dat de markt voor het boren van gaten voor gesloten bodemenergiesystemen sterk zal groeien, staan de boorfirma’s voor de beslissing om aanzienlijke investeringen te doen voor het aanvullen of afdichten van boorgaten. Om te voorkomen dat er in verkeerd materieel wordt geïnvesteerd, is het van belang om op korte termijn inzichtelijk te maken in welke techniek verantwoord kan worden geïnvesteerd.

Schematische weergave van gesloten bodemenergiesysteem boring met benodigd herstel van de scheidende werking doorboorde kleilaag.

Probleemstelling

In de uitwerking van het energieakkoord is vastgesteld dat de bijdrage van bodemenergie aan de levering van duurzame energie moet groeien van 5 PJ in 2015 naar ruim 20 PJ in 2023. De potentie van bodemenergie wordt momenteel niet optimaal benut. WKO-bronnen cumuleren in steden omdat ze nabij de gebouwen die ze van thermische energie voorzien worden geïnstalleerd. In gebieden met een hoge bebouwingsdichtheid kunnen deze systemen elkaar ondergronds gaan beïnvloeden. Vanwege regelgeving is onderlinge interactie niet mogelijk/toegestaan.
Als gevolg daarvan worden er ruime afstanden aangehouden tussen bronnen wat voor kunstmatige schaarste zorgt. Dit probleem is ook gesignaleerd door het Kennisplatform Bodemenergie en in als geprioriteerde vraag in hun onderzoeksagenda opgenomen. In dit onderzoek wordt uitgezocht binnen welke randvoorwaarden en kaders het gebruik van de ondergrond met bodemenergiesystemen kan worden geïntensiveerd en efficiënter met thermische energie (warmte en koude) kan worden omgegaan.

Activiteiten

1: inzicht in rendement bodemenergiesystemen

Hierin wordt de relatie tussen thermische verliezen in de ondergrond en de totale energiebesparing en kosten van bodemenergiesystemen in beeld gebracht. Hierbij wordt in tegenstelling tot de praktijk rekening gehouden met de afhankelijkheid van de efficiëntie van warmtepompen met de temperatuur van het opgepompte grondwater en de randvoorwaarden van een gebouw van het goed functioneren van het systeem: bijvoorbeeld de afgiftecapaciteit van koeling binnen een gebouw. Immers als de koude bel in de ondergrond te warm wordt kan de koeling van een gebouw niet meer het vereist comfort leveren.

2: Effect van toename in aantal systemen op totale energiebesparing

Hierin wordt de toename in overall energiebesparing in een gebied door het vergroten van de dichtheid van bodemenergiesystemen rekening houdend met de minimale vereisten voor het functioneren van een systeem bepaald. Hierbij wordt ook gekeken of collectieve bodemenergiesystemen het ruimtegebruik kan verlagen. Ook worden de financiële gevolgen m.b.t. de exploitatiekosten meegenomen.

3: Optimale/maximale dichtheid van systemen in de ondergrond

Momenteel heeft een vergunningverlener geen algemene criteria om bij thermische beïnvloeding van een extra bodemenergiesysteem een heldere afweging te maken. Daarom wordt nu uit voorzorgsbeginsel bij thermische beïnvloeding veelal geen vergunning voor het nieuwe systeem afgegeven. Deze stagnatie willen we doorbereken door middel van:

  • Simulaties van energetische verliezen door interactie in de ondergrond bij meerdere systemen;
  • Het opstellen van een uniform toepasbaar beoordelingskader voor onderlinge interactie van bodemenergiesystemen.
  • Hierbij wordt rekening gehouden met variaties in seizoenen en worden ook een situatie met vele individuele systemen vergeleken met een collectief systeem.

Het resultaat van de theoretische studies voor activiteiten 1 t/m 3 zijn uniforme beoordelingscriteria en sturingsmiddelen voor bodemenergiesystemen in drukke gebieden.

4: Hoge dichtheid in de praktijk

Aan de hand van de case stationsgebied Utrecht Oost gaan we de criteria en de sturingsmiddelen die we hebben opgesteld toepassen. Met de samenwerkingspartners wordt dan bepaald of de criteria en sturingsmiddelen voldoen of moeten worden aangepast. In deze fase wordt met de bevoegde gezagen (provincies en gemeenten) bepaald waar de mogelijkheden binnen de huidige regelgeving liggen. Als deze regelgeving knellend blijkt te zijn zullen we aanbevelingen doen om deze aan te passen. Hiervoor worden ook simulaties uitgevoerd om te testen of de generieke middelen en criteria voldoen aan de verwachting.

De opgestelde en gevalideerde beoordelingscriteria en sturingsmiddelen worden geëvalueerd en nader uitgewerkt tot een concrete propositie voor ontwerp en ordening van bodemenergiesystemen in drukke gebieden. Voor draagvlak voor implementatie is het noodzakelijk om deze te bespreken en spiegelen met overige stakeholders: andere provincies, gemeenten en marktpartijen tijdens een workshop.

Resultaten

  • Inzicht in welke mate van verlies van warmte/koude in de ondergrond toelaatbaar is zonder dat dit een significant effect heeft op de energiebesparing van een bodemenergiesysteem.
  • Inzicht in hoeveel energiebesparing er extra valt te halen in gebieden met bodemenergiesystemen.
  • Inzicht in welke bodem- en systeemeigenschappen de meeste invloed hebben op onderlinge interactie en hoe “drukte” op een uniforme manier kan worden gekwantificeerd. En bij welke mate van drukte aanvullende ordeningsmaatregelen nodig zijn en wanneer niet.
    Inzicht in effecten van uitbreiding van bodemenergiesystemen op grondwaterkwaliteit.
  • Een uniform kader met beoordelingscriteria en sturingsmiddelen voor bodemenergiesystemen in drukke gebieden. Direct toepasbaar in alle gebieden in Nederland waar zich veel bodemenergiesystemen bevinden.

Aanleiding

Wat ontbreekt aan de huidige generatie van monitoring systemen (waaronder SIMAXX) is een real-time vergelijking tussen de gemeten prestatie en de verwachte prestatie o.b.v. de ontwerpuitgangspunten. Aangezien de seizoensopslag-functie essentieel is voor een BES, moet een goed monitoring systeem bovendien inzicht verschaffen aan de beheerder over de te verwachten thermische (on)balans in het komende half jaar.

Doelstelling

In dit project worden eenvoudige modellen van onderdelen van een BES gekoppeld aan een bestaand monitoring platform (FEWS en/of SIMAXX), die zodanig beschikbaar komt dat derden het platform kunnen configureren voor een specifieke situatie. Deze modellen worden real-time gevoed met meetdata, zodat kritische prestatie-indicatoren berekend kunnen worden. Deze modelgebaseerde monitoring van BES (MoBaMoBES) zal ertoe leiden dat beheerders enerzijds vroegtijdig geïnformeerd worden over verminderd functioneren en anderzijds uitgedaagd worden om een BES optimaal te laten functioneren. Bovendien vormt deze geavanceerde monitoring een degelijke basis voor verbeterde regelingen in geïntegreerde intelligente energiesystemen.

Korte omschrijving

De functionaliteiten van 2 data-integratie-platformen, SIMAXX en Delft-FEWS, worden gecombineerd om MoBaMoBES te realiseren:

SIMAXX is een monitoring-platform dat specifiek ontwikkeld is voor de gebouwde omgeving. Met SIMAXX is het mogelijk om meetdata van vrijwel alle mogelijke GBS-systemen, energiemeters, gebouwdatabases, etc. te verwerken tot informatie. Zie ook www.simaxx.com.

Delft-FEWS is het open source data-integratie-platform van Deltares, dat ontworpen is om meetdata, modeldata en externe voorspellingen (weer, etc.) real-time te verwerken tot bruikbare informatie. Delft-FEWS is oorspronkelijk ontwikkeld als Flood-Early-Warning System, maar kent tegenwoordig tal van andere toepassingen in productie-optimalisatie van waterkrachtcentrales, aansturing van warmtenetten en monitoring van rioolgemalen. Zie ook: https://oss.deltares.nl/web/delft-fews/.

Resultaat

Beter gekoppelde informatie en regelsystemen voor de ondergrondse opslag aan regelsystemen van de daaraan gekoppelde gebouwen.