Onderzoeksprojecten
Het Kennisplatform Bodemenergie initieert diverse onderzoeksprojecten.
Hieronder vindt u een overzicht met een uitgebreide toelichting op de projecten:
- Onderzoek putverstopping als gevolg van sulfaatreductie.
Eindrapport en factsheet - Ingediend: Beperken lozen bij aanleg bronnen
- WarmingUP: Grootschalige toepassing van OBES i.c.m. Aquathermie en warmte opslag met OBES
- OPTIGBES: Optimalisatie inzet gesloten bodemenergiesystemen in de energietransitie
- Betrouwbaar en betaalbaar aanvullen boorgaten voor gesloten bodemenergiesystemen
- Vergroten dichtheid open bodemenergiesystemen in drukke gebieden. Eindrapport
- Model-geBaseerde Monitoring Bodem Energie Systemen. Eindrapport
Onderzoek putverstopping als gevolg van sulfaatreductie
De afgelopen jaren is er sprake van een fors stijgende lijn in verstoppingsproblematiek bij OBES-systemen. Deze verstopping is waarschijnlijk het gevolg van sulfaatreductie. Het overgrote deel van systemen waar de laatste jaren dergelijke problemen zijn opgetreden bevindt zich in Amsterdam. In vrijwel alle verstoppingsgevallen treedt pas na enkele jaren (10-15 jaar) een terugloop in specifiek debiet op.
Verwacht wordt dat het verstoppingsprobleem te maken heeft met (bio)chemische processen die optreden als gevolg van mengen van grondwater met kwaliteitsverschillen.
Aangezien bij een groot gedeelte van de opslagpakketten die voor OBES-systemen worden gebruikt in Nederland sprake kan zijn van sulfaatreducerende omstandigheden, verwachten wij dat dit mogelijk ook in de toekomst een potentieel groot probleem kan vormen. Daarom is het belangrijk om te achterhalen wat de exacte oorzaak van de verstopping is. Op basis hiervan kunnen nieuwe OBES-systemen zo worden ontworpen dat er geen (bio)chemische verstopping op zal treden.
Onderzoek
Als alle informatie is geïnventariseerd worden de volgende aspecten onderzocht:
- Locatie & formatie
- Bronontwerp: filterstelling, afdichting etc.
- Verloop specifiek debiet systeem
- Verloop waterhoeveelheden – is er sprake van een wateronbalans?
- Resultaten camera-inspecties
- Gegevens over de waterkwaliteit
- Onderhoudsrapporten
Daarnaast wordt voor de gebieden die reeds te maken hebben gehad met deze vorm van putverstopping geïnventariseerd wat de bodemopbouw, geohydrologische eigenschappen en grondwaterkwaliteit is.
Op basis van de inventarisatie worden een aantal hypotheses geformuleerd. Deze hypotheses worden getoetst vanuit theoretisch oogpunt en op basis van praktijkgegevens.
Oplossingsrichtingen
Op basis van de inventarisatie en het toetsen van de hypotheses aan de theorie en praktijk, verwachten wij een oorzaak voor de problematiek te kunnen identificeren. Op basis van deze oorzaak wordt een oplossingsrichting gegeven voor twee situaties:
- bestaande OBES -systemen
- toekomstige OBES -systemen
Voor bestaande OBES -systemen kan de oplossingsrichting liggen in de manier van reinigen van de bronnen (denk aan chemisch vs. mechanisch). Voor toekomstige OBES -systemen kan de oplossingsrichting ligging in het bronontwerp: wat zijn de aandachtspunten voor bijvoorbeeld filterstelling.
Tevens kan het noodzakelijk worden geacht om aanvullende waterkwaliteitsbemonstering uit te voeren in bepaalde gebieden.
Resultaten
In het uitgebreide rapport, dat is opgesteld naar aanleiding van dit onderzoek, wordt dieper ingegaan op de problematiek van de onderzochte projecten en de oplossingen voor bestaande en nieuwe OBES-systemen.
Ook is er een handige factsheet gemaakt met maatregelen bij het ontwerp van nieuwe WKO-systemen.
Een samenvattend artikel, dat is geschreven naar aanleiding van het onderzoek, kunt u hier lezen.
Ingediend: Beperken lozen bij aanleg bronnen
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
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
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)
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 aanvullen boorgaten voor gesloten bodemenergiesystemen
Bodemenergie is belangrijk voor de warmtetransitie. De toepassing van bodemenergiesystemen groeit daarom de komende decennia zeer sterk. Bij het maken van gesloten bodemenergiesystemen (GBES) 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. Aangezien het om diepe (>100m) boorgaten met een relatief kleine diameter (<20cm) gaat, is het aanvullen hiervan niet eenvoudig. Een innovatieslag is noodzakelijk zodat boorgaten van GBES met de juiste technieken goed en efficiënt kunnen worden aangevuld.
Technologie
In dit onderzoek is geëvalueerd welke technieken (methoden, materialen) in Nederland worden gebruikt om bij het realiseren van GBES de scheidende werking van de doorboorde lagen te herstellen. Er zijn mogelijkheden verkend om het aanvullen van boorgaten te verbeteren en voorschriften beter werkbaar te maken (werkpakket 1), de kwaliteit van aanvullingen ter plekke te detecteren (werkpakket 2) en het systeem van kwaliteitsbewaking te versterken (werkpakket 3). Ook zijn kennisleemten in beeld gebracht.
Uitdaging
Omdat grondwater een belangrijke grondstof is voor drinkwater, is het in de eerste plaats belangrijk om het aanvullen van boorgaten goed te doen. Huidige en gangbare technieken voor het aanvullen van boorgaten zijn bewerkelijk, wat in de praktijk tot problemen leidt. Omdat naar verwachting de markt voor het boren van gaten voor GBES sterk zal groeien, staan de boorfirma’s voor de beslissing om aanzienlijke investeringen te doen voor het aanvullen of afdichten van boorgaten. Daarom wordt de efficiëntie van de technieken ook zwaar meegewogen. Ter voorkoming van het investeren in verkeerd materieel is het van belang om op korte termijn inzichtelijk te maken welke technieken aan de eisen voldoen.
Oplossingen
De magnetometer is momenteel de meest kansrijke technologie is om vast te stellen of aanvulmateriaal op de juiste diepte aanwezig is. De meting is hiermee betrekkelijk eenvoudig en snel toepasbaar, maar vereist wel dat boorfirma’s magnetische detecteerbaar aanvulmateriaal (met magnetiet) gebruiken.
Er zijn vier aanvulmethoden getest. Het ‘volledig aanvullen met een vaste vulleiding’ scoorde het beste. Het ‘volledig aanvullen met een opgetrokken vulleiding’ en het ‘laagsgewijs aanvullen’ bleken meer risico’s op fouten te geven. Het ‘omgekeerd grouten’ is mogelijk een werkbaar alternatief, maar vergt nader onderzoek.
Uit metingen in ondiepe boorgaten bij zowel grout als Hergebruik Opgeboord Materiaal (HOM) traden dichtheidsverschillen op over de lengte van de kolom. Slechts 1 van de 5 monsters voldeed aan de vereiste 10-9 m/s doorlatendheid. Het vermoeden is dat de materialen onder laboratorium condities zijn getest op een wijze die niet representatief is voor de condities in het veld.
Het onderzoek heeft concrete aanbevelingen opgeleverd, waarvan een aantal al door de betrokken boorfirma’s in praktijk wordt gebracht, zoals het bijhouden van het aanvulniveau tijdens aanvullen. Ook zouden van elk aanvulmateriaal (grout, HOM) in het productblad behalve geohydrologische parameters ook de reologische eigenschappen en mengvoorschriften moeten worden beschreven.
Kennisleemten
De kennisleemten die met dit onderzoek zijn opgespoord, laten zien dat er meer inzicht nodig is in de relatie tussen metingen ter plaatse in een bodemlus (zoals met een magnetometer) en de doorlatendheid van het afdichtende materiaal. Met deze informatie is na afloop van de werkzaamheden met meer zekerheid vast te stellen in welke mate de scheidende werking van de doorboorde kleilaag is hersteld. Daarnaast moet meer begrip komen over welke grouten (en HOM-recepturen) geschikt zijn om boorgaten goed af te dichten.
Verbetering kwaliteitsbewaking
Het systeem van kwaliteitsbewaking kan worden versterkt door de aanbevelingen van dit onderzoek over te nemen in de BRL 2100 en BRL 11000. Een betere centrale registratie van incidenten en controlemetingen verhoogt de effectiviteit van informatie-gestuurd toezicht en biedt de mogelijkheid om te leren van fouten en de voorschriften daarop aan te passen. Daarnaast is ook aandacht nodig voor het opsporen van boorfirma’s die buiten het certificeringsschema werken. Bijvoorbeeld door het invoeren van een efficiëntere whereabouts-verplichting met een GPS-tracker. Dit maakt het makkelijker om illegaal werkende boorstellingen in het veld te identificeren.
Tot slot is het raadzaam om na te denken over de toekomstige organisatie van kwaliteitsbewaking. Momenteel gebeurt het toezicht door verschillende organisaties (certificerende instellingen, omgevingsdiensten, ILT) met gebrek aan tijd en expertise. Wellicht is een ander systeem wenselijk waarbij certificerende instellingen een grotere rol krijgen en sancties kunnen opleggen (vergelijkbaar met de branche voor asbestsanering). Of er moet een grotere rol komen voor klanten (via achteraf opeisbare boetes) en financiers (door publieke rapportage in welke mate elke boorfirma voldoet aan milieuprestaties zoals betrouwbaar afdichten van scheidende lagen).
Implementatie en vervolgonderzoek
Gezien de concrete aanbevelingen die kunnen worden geïmplementeerd en geïdentificeerde kennisleemten die nog moeten worden onderzocht, wordt er een vervolgproject opgestart. Tijdens het ‘Symposium Aanvullen Boorgaten’ op 13 oktober 2022 werd hiervoor de aftrap gedaan.
Schematische weergave van gesloten bodemenergiesysteem boring met benodigd herstel van de scheidende werking doorboorde kleilaag.
Lees hier het Verslag van het Symposium Aanvullen Boorgaten van 13 oktober 2022.
Download hier de volledige presentatie van het presentatie van het Symposium Aanvullen boorgaten.
Bekijk hier de lijst met aanbevelingen en kennisleemten.
Lees hier het rapport van KWR over het betrouwbaar aanvullen van boorgaten voor GBES.
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.