Open bodemenergie (OBES) is een techniek waarbij grondwater en de ondergrond worden gebruikt voor de tijdelijke opslag van warmte- en/ of koudeoverschotten. Omdat ongeveer 25% van alle energieverbruik in Nederland nodig is voor het verwarmen en koelen van gebouwen kan OBES een belangrijke bijdrage leveren aan de energietransitie. Volgens de reguliere beleidskaders mag grondwater alleen geïnjecteerd worden bij een temperatuur van maximaal 25°C. Warmteopslag bij hogere temperaturen is vanwege beperkte kennis over de effecten op de omgeving alleen toegestaan als pilotproject.

Door: Martin Bloemendal

Evaluatie van energiebesparingen en grondwatereffecten

Echter, op veel plekken zoals bij tuinbouwbedrijf Koppert-Cress is in de zomer veel warmer water beschikbaar. Er kan dan in potentie veel meer energiewinst worden behaald door het water ook met deze hogere temperatuur te injecteren. De Provincie Zuid-Holland heeft Koppert-Cress via een ‘green deal’ toestemming gegeven om water met een temperatuur tot maximaal 45 °C te infiltreren in haar bestaande OBES. De bij dit onderzoek betrokken partijen, Koppert-Cress, Vyverberg, Bart van Meurs, Provincie Zuid-Holland, Brabant Water en KWR hebben deze proef afgelopen jaren gezamenlijk gemonitord.

Verbeterd rendement

De reductie in uitstoot en kosten wordt deels verklaard doordat bij de hogere injectietemperaturen in combinatie met korte opslagcycli, het OBES een groter deel van de warmtevraag kon invullen; tot 100% voor de kasdelen waarvan het verwarmingssysteem is aangepast. Bovendien verliep de omzetting van energie vanuit de OBES naar de kas veel efficiënter doordat er bij hogere temperaturen de warmtepomp meer werd ingezet dan voorheen en die warmtepomp ook nog eens efficiënter draaide. Het mes snijdt dus aan 2 kanten. Verdere verhoging van de opslagtemperatuur in de warme bron (en daarmee vergroting van de hoeveelheid ingevangen warmte en verbetering prestaties van de warmtepomp) zal de energieprestatie nog verder versterken.

Kort-cylische warmteopslag

Verder maakte Koppert-Cress ook vaak gebruik van kort-cyclische opslag van warmte. Dat is een efficiënte manier van warmteopslag, en daarmee een effectieve manier om de inzet van het OBES te optimaliseren, zonder dat dat de verspreiding van warmte vergroot. De resterende CO2 emissie is met name het gevolg het deel van de kassen dat nog op een gasketel is aangesloten. Deze emissie kan in de toekomst verlaagd worden door betere benutting van de beschikbare (rest)warmte binnen het bedrijf en het gebruik van aanvullende externe duurzame warmtebronnen zoals geothermie.

Lagere kosten, lagere CO2-uitstoot

Door infiltratie met hogere temperaturen wordt de beschikbare duurzame restwarmte vanuit het bedrijf Koppert-Cress beter benut. Hierdoor waren de operationele kosten afgelopen 4 jaar ca. 10% lager dan wanneer er gebruik was gemaakt van een conventioneel bodemenergiesysteem, tergelijkertijd was de CO2 uitstoot circa 70% lager.

Figuur 1. Het benodigde verpompte volume grondwater voor verwarming neemt sterk af over de jaren, tegelijkertijd wordt de dT tussen de warme en koude bronnen veel groter, wat zorgt voor een veel grotere netto warmte levering met het bodemenergiesysteem.

Effecten op de omgeving

Uit de analyse van monitoringgegevens bij Koppert-Cress OBES blijkt dat de verhoogde injectietemperatuur een beperkt effect heeft op de omgeving bij Koppert-Cress:

(1) De warmteverspreiding vanuit de warme bronnen is zowel horizontaal als verticaal beperkt. Dit komt door de relatief kleine opslagvolumes en de onbalans van het systeem. Aan het eind van de winter is de warme bron leeg en is de brontemperatuur slechts een enkele graad hoger dan de natuurlijke grondwatertemperatuur. Hierdoor staat een beperkt deel van de aquifer onder invloed van temperaturen boven 25 °C en bovendien maar tijdelijk

(2) Er is geen groei waargenomen binnen de set onderzochte opportunistische pathogenen in het onttrokken water en de aanwezigheid is niet gerelateerd aan de hogere opslagtemperaturen

De bij Koppert-Cress waargenomen veranderingen in de chemische samenstelling van het grondwater worden gedomineerd door mengeffecten, waarbij water onttrokken wordt uit zowel een diepe, zoutere laag als een ondiepe, brakke laag. Deze twee watertypen worden in het OBES vermeng en bij herinfiltratie verdeeld over de beide formaties. Verschillende sporenelementen zijn als gevolg van deze menging in de loop van de tijd in concentratie afgenomen. De eventuele invloed van de temperatuursveranderingen waren zodanig gering dat het niet mogelijk was om deze te onderscheiden van andere processen.

Figuur 2. De verspreiding van warmte rondom een warme bron van eind 2019 tot zomer 2020. Boven: de temperatuur op 2,5 m afstand, onder de temperatuur op 8,5 m afstand van de bron. Alle warmte wordt uit de bron onttrokken, waardoor de temperatuursverandering in de kleilagen (boven en onder de stippellijnen) zich weer herstelt

Conclusies

(1) De toepassing van hogere temperaturen heeft geleid tot een aanzienlijke verbetering van de prestaties van het OBES systeem bij Koppert-Cress (minder emissies en minder energiegebruik en daardoor lagere kosten) en verkleinen van de thermische onbalans en reductie van de CO₂ emissies

(2) De verwachting is dat vergelijkbare prestatieverbeteringen ook bij andere OBES projecten met een grote warmtevraag haalbaar zijn door de injectietemperatuur van de warme bron te verhogen

(3) Op basis van dit onderzoek lijkt de verhoging van de injectietemperaturen van een OBES tot 40 °C geen significante effecten te hebben op de chemische en biologische waterkwaliteit

(4) Het bevoegd gezag wordt geadviseerd om na te gaan of, en onder welke condities, ze opslag bij hogere temperaturen ook wil toestaan op andere locaties. In het rapport staan aanbevelingen voor hoe de monitoring van dergelijke systemen in de toekomst vorm te geven

(5) De belangrijkste aanbevelingen ten aanzien van monitoring bij vergelijkbare projecten is dat de thermische verspreiding adequaat kan worden gemeten met DTS, hoewel de verpompte debieten daar ook een goed beeld over geven. Voor de chemische en microbiologische grondwaterkwaliteit is het vooral van belang om de locatie van het bemonsteringspunt zorgvuldig te kiezen en in de analyse ook rekening te houden met mengeffecten.

Het volledige rapport kunt u hier downloaden.

Dit onderzoek is gefinancierd door TKI, Kennisplatform Bodemenergie, de provincie Zuid-Holland, Brabant Water, Koppert-Cress, Vyverberg en Bart van Meurs.