Wat is geothermische energie?

Geothermische energie is een relatief weinig gebruikte vorm van energie, maar deze vorm van energie zou wereldwijd kunnen helpen met het verminderen van de CO2 uitstoot en het reduceren van ons gebruik van fossiele brandstoffen. Het is een uiterst duurzame vorm van energie, welke continue wordt aangevuld vanuit de kern van de aarde. Aardwarmte of geothermische energie is de energie die zich bevindt in de diep in de aarde gelegen warmtebronnen. De energie kan worden gewonnen door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen de aardoppervlakte en diep in de aarde gelegen warmte.

Het ontstaan van Aardwarmte

Een deel van de warmte in de kern van de aarde is terug te voeren op de vrijgekomen warmte bij het ontstaan van de aarde. Het overgrote deel van de warmte komt uit het natuurlijk verval van radioactieve materialen.

Aardwarmte kan worden onderscheiden in vindplaatsen met hoge temperatuur (hoge enthalpie) en lage temperatuur (lage enthalpie). De aardwarmte met lage enthalpie is te vinden in niet-vulkanische gebieden.

Aardwarmte in het verleden
Aardwarmte wordt al meer dan 10.000 jaar gebruikt. Onze beschavingen hebben vermoedelijk geothermisch verwarmd water gebruikt om te koken, te baden en te verwarmen. Voorbeelden uit de oudheid zijn de thermen uit de Romeinse tijd, het middeleeuwse China en de Ottomanen. In Chaudes-Aigues in centraal Frankrijk bevindt zich het eerste historische geothermische stadsverwarmingsnet waarvan het begin tot in de 14e eeuw teruggaat.

In Italie werd in Larderello al in 1905 elektriciteit opgewekt met behulp van aardwarmte. Destijds voedde de centrale slechts vijf gloeilampen, tegenwoordig staat in Larderello één van de grootste geothermische elektriciteitscentrales.

Methoden om aardwarmte te winnen

Bij de winning van aardwarmte is er onderscheid gemaakt in drie systemen:

• Hydrothermale systemen: in de ondergrond voorhanden warm water circuleert tussen twee bronnen door natuurlijke waterhoudende grondlagen
• Petrothermale systemen: ook wel Hot-Dry-Rock-systemen genoemd: in een droge bodem worden kunstmatig spleten en kloven gemaakt, waarin water water wordt gepompt wat vervolgens tussen twee bronnen circuleert.
• Diepe aardewarmtesondes: Het warmtedragend medium (dit kan water zijn, of anderszins) circuleert in een gesloten circulatie in een boring in een U-bocht.

De uiteindelijk toegepaste methode is afhankelijk van de lokale situatie en benodigde temperatuur.

Bij de winning van aardwarmte dient rekening te worden gehouden dat de onttrokken energie door de aarde weer wordt aangevuld. De aardwarmte in de korst wordt slechts langzaam aangevuld met energie uit de kern van de aarde.

Toepassingen van aardwarmte

De toepassing van aardwarmte zijn legio en met name in vulkanische gebieden wordt deze vorm van energie benut. De toepassing uit het verleden vindt men ook nu nog steeds terug, maar meer en meer komt de toepassing van aardwarmte voor de opwekking van elektriciteit naar voren.

In veel gevallen kan aardwarmte eenvoudig gebruikt worden voor de verwarming van huizen en thermische baden. In Lund, Zweden wordt een derde van de stadsverwarming gehaald uit de warmte van het waterhoudend zandsteen onder de stad. Ook in IJsland wordt de verwarming gerealiseerd door gebruikmaking van aardwarmte. De eerste stappen zijn gezet om geothermische energie te gebruiken voor de verwarming van de glastuinbouw. De benodigde temperatuur in de aardkorst voor de verwarming is relatief laag en kan eenvoudig worden gewonnen door de warmte op te pompen met behulp van een warmtepomp.

Andere toepassingen zijn het gebruik van warmte opgeslagen in de ondergrond voor het ijsvrij houden van het wegdek en bruggen gedurende de wintermaanden. Om dit te realiseren installeert men een warmtepomp welke zomers warmte opgevangen in het wegdek in de aarde pompt om deze vervolgens gedurende de wintermaanden weer te gebruiken.

Een andere toepassing is de koeling van gebouwen. Hierbij wordt het water op de temperatuur van de ondergrond gebracht waarna het gebruik kan worden om gebouwen af te koelen. Deze natuurlijke koeling kan in theorie vele miljoenen airconditioners vervangen.

Elektriciteit uit aardwarmte

De toepassing van geothermische elektriciteitscentrales is nog steeds groeiende. Op dit moment wordt elektriciteit vooral opgewekt in gebieden met hoge temperaturen onder de aardkorst. Hierbij wordt water uit de grond gepompt welke vervolgens gebruikt worden om turbines aan te drijven. Via een ander boorgat wordt het gebruikte water vervolgens weer de aarde ingepompt. Het is van groot belang om het water te hergebruiken omdat het water van geothermische bronnen veel zout bevat kan het niet op het oppervlakte water geloosd worden.

IJsland is (per hoofd van de bevolking) koploper in het gebruik van geothermische energie voor de opwekking van elektriciteit.

Waarom geothermische energie relatief weinig wordt toegepast

Geothermische energie is eigenlijk al dertig jaar lang een veronachtzaamde energiebron doordat olie- en gasprijzen zo laag waren. In 30 jaar is er relatief weinig onderzoek gedaan naar deze bron van energie. Echter de olie- en gaswinning is doorontwikkeld en diepteboring zijn als gevolg minder kostbaar en maken daarmee ook aardwarmtewinning rendabeler.

Ontwikkelingen

Er worden pogingen gedaan om tot een diepte van 3500 meter te boren. Het water heeft in IJsland op die diepte een temperatuur van 400-500°C en staat onder een extreem hoge druk. Bij deze temperaturen gaat het water over in een superkritische fase: het water is dan geen vloeistof, maar ook geen gas. De diepte is niet zo zeer de uitdaging als wel de enorme kracht van het water bij die temperatuur. Als het lukt om superkritisch water te winnen is dat een uitzonderlijk goede bron van energie, aangezien dit water tot vijf keer zoveel energie bezit als water in vloeibare vorm.

Aardwarmte in Nederland

In Nederland is de temperatuur van de aarde 150 – 180°C op een diepte van 5 kilometer. Deze temperatuur is minder geschikt voor de opwekking van stroom, maar recente ontwikkeling in Organic Rankine Cycle-installaties bieden de mogelijkheid om al op temperaturen van 80°C stroom op te wekken. Op dit moment wordt aardwarmte in Nederland vooral gebruikt voor thermische baden en voor de verwarming van huizen.

De relatief lage temperatuur zoals deze in Nederland wordt aangetroffen is uitstekend geschikt om huizen en gebouwen te verwarmen. Deze duurzame vorm van energie wordt echter vanwege de hoge investeringskosten en de benodigde vergunningen nog niet grootschalig toegepast. Aardwarmte kan in Nederland gewonnen worden met behulp van een warmtepomp, welke de warmte onbeperkt uit de beschikbare warmtebronnen oppompt. Behalve het verwarmen van het huis, is het ook mogelijk een boiler te verwarmen voor warm tapwater.
Het gebruik van warmtepompen betekent een forse reductie in het gebruik van aardgas (en CO2-uitstoot), maar betekent wel een toename in het gebruik van elektriciteit.

In de zomermaanden kunnen ze gebruikt worden voor de afkoeling van gebouwen. Warmtepompen zijn uiterst betrouwbaar en hebben een hoog rendement en lange levensduur.

In Nederland wordt 45% van de energie gebruikt voor de verwarming. Grootschalig toepassing van aardwarmte zou dus een forse reductie van ons gebruik van fossiele brandstoffen betekenen en ook een aanzienlijke reductie van de CO2 uitstoot.