Raadpleeg de Kennisbank

Introductie Bodemenergie

U bent hier:

1.Wat is bodemenergie?

Volgens de definitie in de Nederlandse wet is bodem “het vaste deel van de aarde met de zich daarin bevindende vloeibare en gasvormige bestanddelen en organismen”. Uit deze bodem kun je met verschillende technieken warmte winnen, of er tijdelijk in opslaan. Het hele spectrum aan technieken die in Nederland worden toegepast om warmte uit de bodem te winnen en erin op te slaan zijn weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. Verschillende technieken om warmte uit de bodem te winnen of erin op te slaan. [Bloemendal, 2018

Met betrekking tot het gebruik van de bodem als bron van thermische energie zijn er verschillende indelingen mogelijk.

  1. Op basis van type techniek: A) het winnen van warmte voor stroomproductie of directe warmtelevering, op veel plekken op aarde moet je daarvoor erg diep boren, behalve in vulkanische gebieden of aan de randen van continentale platen. Of B) het gebruiken van de bodem voor het tijdelijk opslaan en later weer terugwinnen van warmte.
  2. De diepte waar de techniek wordt toegepast, die in veel landen ook samenhangt met verschillende vormen van regelgeving. In Nederland ligt een belangrijke grens op 500 meter diepte, daaronder is namelijk de Mijnbouwwet van kracht.

Op basis van zowel type en diepte kunnen we het gebruik van de bodem voor energielevering in Nederland indelen in “bodemenergie” (0 – 500 meter) voor buffering van warmte en “geothermie” (dieper dan 500 meter) voor het winnen van warmte. Zie het schema in Figuur 2.

Figuur 2. Schematische indeling bodemenergiesystemen en geothermiesystemen, met ter verduidelijking ook de veel gebruikte Engelse termen.

Deze kennisbank beperkt zich tot bodemenergie: buffering van warmte tot maximaal 500m diepte, toegepast voor verwarmen en koelen van gebouwen of processen. Voor geothermie verwijzen we graag naar geothermie Nederland. Volgens de Nederlandse wet is een bodemenergiesysteem een installatie waarmee van de bodem gebruik wordt gemaakt voor de levering van warmte of koude ten behoeve van de verwarming of koeling van ruimten in bouwwerken. Bodemenergiesystemen bestaan er in 2 hoofdvormen: open #LINK OPEN en gesloten #LINK GBES systemen, zie Figuur 3.


Figuur 3. Open bodemenergiesystemen en gesloten bodemenergiesystemen [Bloemendal, 2018]

Een open systeem maakt gebruik van grondwater om de warmte in en uit de bodem te transporteren. Grondwater wordt omhoog gepompt, via een warmtewisselaar wordt warmte uitgewisseld met het gebouw en vervolgens weer in de bodem teruggebracht. Door de warmtewisselaar zijn het grondwater- en gebouwcircuit gescheiden, waardoor alleen de temperatuur van het grondwater veranderd. In de winter wordt uit de warme bron onttrokken en gelijktijdig in de koude bron geïnfiltreerd, in de zomer is re stromingsrichting van het grondwater precies andersom.

Bij een gesloten bodemenergiesysteem stroomt er een koud of warm medium door een gesloten leidingenstelsel in de bodem. Is het medium kouder dan de omringende bodem dan neemt het warmte op, is het medium warmer, dan koelt deze juist in de bodem af. De warmte uitwisseling met de ondergrond vindt plaats door warmtegeleiding.

Het temperatuurbereik van een gesloten bodemenergiesysteem ligt tussen -5 oC en +30 °C, bij een open systeem tussen +5°C en +25°C. Normaal gesproken is voor het leveren van verwarming (> 35 °C) of tapwater (> 50 °C) met deze bodemenergiesystemen dus nog omzetting van warmte naar een hogere temperatuur nodig. Hiervoor wordt een warmtepomp #LINK Warmtepomp gebruikt die heel efficiënt een de temperatuur iets kan opwarmen naar 40-50°C. Voor koeling is geen warmtepomp nodig, dat kan direct vanuit de bodem. Tijdens koeling wordt er warmte in de bodem opgeslagen die in de winter weer kan worden ingezet voor duurzame verwarming. En tijdens verwarmen wordt er juist weer koude opgeslagen voor in de zomer. Het is dus nodig dat er een koel en een warmte vraag is. Gesloten systemen kunnen zo worden ontworpen dat ze ook alleen verwarmen en gebruik maken van de warmte die uit het binnenste van de aarde komt.

2.Waarom zou je bodemenergie toepassen?

Bodemenergie is een techniek waarmee energie wordt bespaard bij het koelen en verwarmen van gebouwen. Het verbruik van fossiele primaire energie voor verwarmen en koelen van gebouwen bedraagt circa 40% – 50% van het totale energiegebruik in Nederland, met de groeiende toepassing van bodemenergie kan hier een fors deel van worden bespaard #LINK rendement en besparing.

Conventioneel worden gebouwen in Nederland verwarmd met gasketels en gekoeld met koelmachines die gas en stroom gebruiken. Door in plaats van een gasketel een warmtepomp met bodemenergie te gebruiken, wordt er veel energie bespaard omdat de verhouding tussen warmtelevering en primair energiegebruik van een warmtepomp meer dan 4 is, terwijl die verhouding bij een gasketel minder dan 1 is. Bij koelen met bodemenergie is de besparing nog groter: een koelmachine heeft 1 eenheid stroom nodig om 3 eenheden koeling te kunnen leveren, een bodemenergiesysteem levert voor 1 eenheid stroom wel 20 eenheden koeling!

2.1.Warmtepomp: omzetten primaire energie in warmte

Met een warmtepompsysteem #LINK wordt geen duurzame energie opgewekt, maar verbruik van primaire energie vermeden. Er wordt een kleine hoeveelheid elektrische energie verbruikt om een grote hoeveelheid warmte (en koude) op te wekken. Een warmtepomp maakt gebruik van de Carnot cyclus om warmte naar een hoger temperatuur te brengen door de druk aan te passen. Deze cyclus bestaat uit 4 stappen:

  1. Door het gaseuze circulatiemedium samen te persen neemt de temperatuur toe.
  2. De (hogere temperatuur) warmte van het circulatiemedium wordt via een warmtewisselaar aan het gebouwcircuit afgeven, het afgekoelde medium condenseert hierdoor naar vloeistof. Daarom heet deze warmtewisselaar in de warmtepomp de condensor.
  3. Het circulatiemedium wordt verder afgekoeld door het weer te expanderen met een expansie ventiel.
  4. Het koude circulatiemedium is nu koud genoeg om weer warmte op te nemen vanuit de bodem, waardoor het medium verdampt. Dit gebeurt via een warmtewisselaar die de verdamper wordt genoemd. Het opgewarmde gas gaat vervolgens weer naar de compressor van stap 1.

Twee eigenschappen van een warmtepomp hebben belangrijke implicaties:

  1. Voor het samenpersen van het circulatiemedium in stap 1 is een compressor nodig, dat is de belangrijkste stroomgebruiker in de warmtepomp. Zolang de benodigde temperatuurverhoging tussen verdamper en condensor niet te groot is, is dit een heel efficiënt systeem waarbij er per gebruikte eenheid stroom wel 4 tot 8 eenheden warmte kunnen worden geproduceerd door de warmtepomp. Als gevolg van de beperkte temperatuursprong kan een warmtepomp gekoppeld aan bodemenergie doorgaans tot maximaal 40/50°C heel efficiënt warmte leveren. Dit betekent dat een gebouw dat die warmte wil gebruiken goed geïsoleerd moet zijn en een geschikt afgifte systeem moet hebben om met deze temperaturen voldoende vermogen te kunnen leveren (vaak wordt daarom vloerverwarming toegepast).
  2. De eigenschappen van circulatiemedium zijn van cruciaal belang voor het functioneren van de warmtepomp. Die moet bij specifieke druk en temperatuur condenseren en verdampen. Er bestaan verschillende typen circulatie medium, maar het ontwerp van de warmtepomp kan niet zomaar worden aangepast naar willekeurige condensor en verdamper temperaturen.

De maat voor efficiëntie van de warmtepomp is COP: Coëfficiënt of Performance. Dit is het quotiënt van de geleverde warmte en de verbruikte elektriciteit.

2.2.Bodem is een gunstige bron

De warmtepomp gebruikt een kleine hoeveelheid hulpenergie om omgevingswarmte van een lage temperatuur te verplaatsen naar een hoge temperatuur. Die omgevingswarmte kan betrokken worden uit lucht, water of uit de bodem.

In de bodem zijn de temperaturen, in vergelijking met lucht of oppervlakte, veel stabieler en daardoor gunstiger voor de warmtepomp. Van nature is het in de bodem relatief warm in de winter, wanneer verwarming geleverd moet worden. Terwijl in de zomer de bodem relatief koel is. In figuur 4 is het temperatuurloop over het jaar uitgezet, voor verschillende dieptes (gegevens klimaatstation de Bilt, gemiddelden 1981 – 2010). Op een diepte van 5 centimeter volgt de temperatuurgang nagenoeg de temperatuur van de buitenlucht, maar op een diepte van 5 meter is deze al nagenoeg uitgedempt. Op een diepte van 10 meter of meer is de bodemtemperatuur praktisch gesproken constant, zie Figuur 4.


Figuur 4. Verticale temperatuurgradiënt tijdens verschillende momenten in het jaar. Ondiep werkt de seizoensmatige buitenluchttemperatuur variatie door. Op circa 10m diepte is de temperatuur constant met de diepte neemt de temperatuur toe met circa 30°C/km.

We kunnen dit positieve effect versterken door de in de zomerwarmte in de bodem te stoppen, waardoor de bron van omgevingswarmte voor de warmtepomp nog hoger is. Omdat de warmte in de bodem niet snel wegstroomt kan de bodem gebruikt worden als opslagsysteem: de in de winter geproduceerde koude kan in de zomer gebruikt worden voor koeling. Dat is met name interessant wanneer het mogelijk is deze koude direct voor koeling te kunnen gebruiken, de zogenaamde passieve of vrije koeling (zonder inzet van de warmtepomp).

3.Welke soorten bodemenergie zijn er?

Het feit dat er “open” en “gesloten” bodemenergiesystemen zijn impliceert dat een keuze gemaakt moet worden tussen de verschillende soorten bodemenergiesystemen als je deze techniek wil toepassen. De keuze hangt voor een deel af van de eisen aan het systeem (balans warmte/koude vraag, grootte van de capaciteit, individueel of collectief systeem) en anderzijds van randvoorwaarden aan de bodem of kwaliteit grondwater of beschikbare ruimte op de locatie. Tabel 1 geeft een overzicht op hoofdpunten van de verschillen tussen open- en gesloten bodemenergiesystemen.

Tabel 1. Overzichtstabel kerneigenschappen open en gesloten bodemenergiesystemen.

Zowel gesloten als open systemen zijn geschikt om verwarming of koeling te leveren. Een groot verschil is dat een open systeem een veel groter passief koelpotentieel heeft, terwijl een gesloten bodemenergiesysteem ca. 30% – 40% van de geleverde warmte ook weer als vrije koeling kan terug leveren, wanneer er meer koelvraag is moet de warmtepomp daarbij worden ingezet.

Qua schaalgrootte, uitgedrukt als thermisch vermogen in tabel 1, kan een (collectief) gesloten systeem een minder groot vermogen leveren. Terwijl een open systeem wel een groot piekvermogen heeft (>> 500 kW). Bij de keuze tussen open en gesloten systemen speelt ook fasering een rol. Bij grootschalige toepassing van individuele warmtepompen en bodemenergiesystemen (zoals in de grondgebonden woningbouw) kan een GBES voordelig zijn, aangezien deze eenvoudig gefaseerd kunnen worden opgeleverd en in eigendom bij de perceeleigenaar kunnen blijven.

Voor wat betreft energiebesparing ontlopen open en gesloten systemen elkaar niet veel. Een open bodemenergiesysteem kan een wat hoger rendement realiseren voor leveren van verwarming omdat de brontemperatuur wat hoger ligt. Gesloten systemen worden meer in de woningbouw toegepast, waardoor het rendement ook wat lager kan zijn omdat er relatief meer tapwater geleverd moet worden (dat moet op een hogere temperatuur dan de eerdergenoemde 40-50°C, dan is de warmtepomp minder efficiënt).

Wat ook een belangrijk onderscheid is, is de levensduur. Een gesloten bodemenergiesysteem heeft een zeer lange levensduur (> 50 jaar), onafhankelijk van locatie. Voor een open bodemenergiesysteem is de levensduur afhankelijk van de kwaliteit en onderhoud van de grondwaterbronnen.

3.1.Varianten gesloten bodemenergiesystemen

Gesloten bodemenergiesystemen kunnen verder worden ingedeeld in horizontale systemen zoals aardwarmtekorven of horizontale bodemwarmtewisselaars en verticale bodemwarmtewisselaarsystemen

  • Horizontale- en korfsystemen hebben als nadeel dat ze zich in de zone bevinden waar nog een aanzienlijk seizoensmatig temperatuureffect optreedt en dat, voor een goed functionerend systeem, een groot beschikbaar oppervlak aan maaiveld noodzakelijk is. Vooral bij warmte-onttrekking hebben deze systemen beperkingen in verband met het optreden van lage temperaturen in de ondergrond op het moment dat er ook warmte wordt gevraagd van het systeem. Een ander belangrijk nadeel is dat er tot op heden geen gevalideerde ontwerpmethode beschikbaar is.
  • Verticale bodemwarmtewisselaarsystemen zijn daarom de meest toegepaste systemen in Nederland. Er bestaan verschillende typen bodemwarmtewisselaars, zoals een U-lus (enkele of dubbele) of concentrische warmtewisselaar, Figuur 5.


Figuur 5. Twee voorbeelden van verticale bodemwarmtewisselaars: enkele U-lus en concentrische warmtewisselaar

3.2.Varianten open bodemenergiesystemen

Bij open bodemenergiesystemen zijn er 3 verschillende typen (Figuur 6):

  • Doublet: waarbij de warme en koude bron allebei een eigen bron hebben, die op voldoende afstand van elkaar staan. Dit is de meest standaard toepassing.
  • Monobron: waarbij de warme en koude bron zich boven elkaar bevinden in 1 boorgat. Voor een monobron is bovengronds minder ruimte, minder leidingwerk, minder kabels en andere techniek nodig. Bovendien spaar je een boring uit. Wel moet de watervoerende laag voldoende dik zijn, is de bron zelf complexer en is de maximale capaciteit beperkt. Monobronnen worden daarom vooral toegepast bij kleinere gebouwen en/of in gebieden met een dikke aquifer.
  • Recirculatie: in plaats van heen en weer pompen tussen de bronnen kun je ook elk seizoen 1 kant op pompen, dit heet recirculatie. Dit wordt vooral toegepast bij kleine systemen waarbij het vormen van een warme en koude bel niet mogelijk is door hoge grondwaterstroming.


Figuur 6. Verschillende typen OBES, vlnr: Doublet, Monobron, recirculatie

Met open (en in mindere mate met gesloten systemen) is het ook mogelijk om warmte met hogere temperaturen op te slaan. Hier ligt een kans om duurzame warmte beschikbaar uit zonnecollectoren, restwarmte of geothermie optimaal te benutten. Koeling kan met zulke systemen niet of alleen onder bepaalde omstandigheden worden geleverd. Hiervoor is wel een speciale vergunning nodig.

4.Welke regels gelden er voor bodemenergiesystemen?

Op 1 juli 2013 zijn de regels voor bodemenergie vastgelegd in het Wijzigingsbesluit Bodemenergiesystemen (Wbbe). In dit besluit is het begrip Bodemenergie(systeem) als volgt gedefinieerd:

  • Installatie waarmee van de bodem gebruik wordt gemaakt voor de levering van warmte of koude ten behoeve van de verwarming of koeling van ruimten in bouwwerken.
  • Gesloten: zonder grondwater te onttrekken en na gebruik in de bodem terug te brengen, door middel van een gesloten circuit van leidingen, met inbegrip van een bijbehorende warmtepomp, circulatiepomp en, voor zover aanwezig, regeneratievoorzieningen.
  • Open: door grondwater te onttrekken en na gebruik in de bodem terug te brengen, met inbegrip van bijbehorende bronpompen en warmtewisselaar en, voor zover aanwezig, warmtepomp en regeneratievoorzieningen.

Het Wbbe regelt via de omgevingswet welke regels er voor bodemenergiesystemen gelden. De belangrijkste regels staan hieronder, voor de details verwijzen we naar de pagina’s over de regels. #LINK naar Regelgeving bodemenergie

  • Gesloten systemen zijn meldingsplichtig tot 70kW, voor grote systemen is een beperkte milieu toets nodig. Gemeenten zijn bevoegd gezag
  • Open systemen zijn vergunningplichtig, voor de meeste systemen geldt een verkorte effectenstudie en korte procedure. Als het een heel groot systeem is of er zijn veel andere systemen in de buurt is een lange procedure en uitgebreide effectenstudie nodig. De provincies zijn bevoegd gezag
  • Voor gebieden waar veel OBES en/of GBES komen kunnen gemeenten en/of provincie aparte of aanvullende regels opstellen, om optimaal gebruik van de ondergrond te waarborgen
  • Bedrijven die bodemenergiesystemen ontwerpen, aanleggen en beheren moeten een erkenning hebben. Voor de ondergrondse systemen op grond van de BRL 11000 en 2100. Voor de bovengrondse systemen op grond van de BRL 6000-21.

5.Samenvatting

  • Een bodemenergiesysteem gebruikt de bodem als buffer om warmte en koude op te slaan en in te zetten voor duurzame verwarming en koeling van gebouwen.
  • Een bodemenergiesysteem draagt daardoor bij aan energiebesparing en daarmee CO2-uitstoot reductie.
  • Een bodemenergiesysteem wekt geen energie op maar vermijdt het verbruik van fossiele en primaire energie.
  • De operationele kosten van bodemenergiesystemen zijn laag.
  • Bodemenergiesystemen leveren naast verwarming ook koeling. Meestal kan dat passief (zonder inzet van een warmtepomp). Daarmee wordt het comfort sterk verbeterd.
  • Naast een hoog rendement hebben bodemenergiesystemen een zeer lange levensduur.
Was de informatie op deze pagina waardevol?
5 out Of 5 Stars
5 Sterren 100%
4 Sterren 0%
3 Sterren 0%
2 Sterren 0%
1 Sterren 0%
How can we improve this article?
Inhoudsopgave