Geothermie Diep onder Delft is het gesteente 75° Celsius. Ingenieurs proberen met die energie gebouwen te verwarmen. Maar hoe zit het met de kans op aardbevingen?
Het boorplatform dat tussen de universiteitsgebouwen op de campus van de TU Delft staat is een meter of veertig hoog. Om de paar minuten haalt een machine met een grote grijper een tien meter lange balk uit de installatie en legt hem op de grond. De balken vormen een ondergrondse keten, met aan het einde een boorkop. Vanaf meer dan twee kilometer diepte is de boorkop nu onderweg naar het oppervlak.
Er komt ook zestien meter aan gesteente mee omhoog, cilindervormig, 10 centimeter doorsnede. De bedoeling was dat er meer naar boven zou komen, maar een deel van het gesteente zit vast. Een kleine tegenvaller.
Tot eind oktober wordt er geboord. Twee gaten. Uit het ene wordt straks heet water omhoog gehaald, dat de campus en een deel van de stad zal verwarmen. Geothermie, of aardwarmte, heet deze warmtebron. Via het andere gat gaat afgekoeld water de diepte weer in, met zo’n 100 liter per seconde. Dit project is behalve warmtebron ook onderzoeksobject.
Aan de oppervlakte komen de gaten vlak naast elkaar, er zit zo’n zeven meter tussen. Ondergronds gaan de boorputten elk een andere kant uit, op ongeveer 500 meter diepte wijken ze uit, naar uiteindelijk een hoek van 45 graden. Elke put wordt zo’n drie kilometer lang, en komt tot ruim twee kilometer diepte. „De ene reikt uiteindelijk tot aan de A13, die kant op”, wijst Phil Vardon, hoogleraar energy geomechanics en leider van het geothermie-onderzoek aan de TU Delft. „De andere kant eindigt dicht bij de Oostpoort, in de binnenstad.”
Warmte is gewild. Grofweg gaat de helft van het totale energieverbruik op aan warmte. „Het gaat niet werken om dat allemaal met duurzaam opgewekte elektriciteit te doen. Dat kan de elektriciteitsinfrastructuur gewoonweg niet aan”, zegt Vardon. „Hoe komen we aan genoeg warmte, dat is een van de grote vragen in de energietransitie.”
Bij aardwarmte komt warmte, de naam zegt het, uit de aarde. De ondergrond is warm door de hoge druk van het gesteente en het verval van radioactieve deeltjes – ongevaarlijke radioactiviteit.
IJsland staat bekend om deze warmtebron, daar spuiten geisers elke paar minuten spontaan heet water uit de grond. „Dat is gemakkelijke aardwarmte”, zegt Vardon. „Aan de randen van tektonische platen is aardwarmte dicht aan de oppervlakte te vinden. Hier is de situatie heel anders.”
Hier neemt de temperatuur onder de grond elke honderd meter met drie graden toe. „Een heel gemiddelde gradiënt”, zegt Vardon. „Ook dat is prima te benutten, als je maar diep genoeg boort. Op twee kilometer diepte is het 60 graden warmer dan aan de oppervlakte, 75 graden Celsius dus. Perfect om huizen mee te verwarmen.” Nog dieper boren kan, maar de hogere temperaturen die daar zijn hebben woningen niet nodig.
Poreuze zandsteenlaag
„Nederland is een heel geschikte plek voor dit soort geothermie”, zegt Vardon. Want de aarde is wel warm, maar aan warmte die vastzit in gesteente heb je niet veel. Er moet iets omhoog gehaald kunnen worden. Water. „De rivieren die hier altijd al stromen, hebben heel veel sediment van zand achtergelaten, dat is zandsteen geworden. Zandsteen is poreus, water stroomt er goed doorheen en het kan met relatief weinig energie opgepompt worden. Op de zandsteenlaag ligt ondoordringbare klei, dat het warme water goed op zijn plek houdt.”
De Nieuwerkerk Formatie, zoals deze zandsteenlaag in geologentermen heet, is handig gesitueerd onder het westen van Nederland. „Juist in dit deel van het land, met veel steden en ook tuinbouwkassen, is de warmtevraag groot”, zegt Vardon. „Aardwarmte, of eigenlijk warmte in het algemeen, is niet goed te transporteren, warmte gaat snel verloren. Dus het liefst gebruik je het dicht bij de bron.”
Er zijn twintig andere geothermieprojecten in Nederland, vertelt Vardon. „19 bij tuinders, en een in Den Haag.” Helemaal nieuw is de techniek voor Nederland dus niet, maar aan de eerdere geothermieputten werd weinig onderzoek gedaan. „Bij de vele proefboringen naar olie en gas is wel veel kennis over de ondergrond verzameld, maar dat richtte zich net op andere delen van het gesteente.”
Het Delftse project heeft de ambitie talloze vragen specifiek voor geothermie te beantwoorden: van wat er van nanoschaal tot kilometerschaal in de ondergrond gebeurt als er water in- en uitgaat, en hoe dat te monitoren, tot aan wat te doen met in het opgepompte water opgeloste gassen, en hoe de warmte praktisch naar gebouwen te brengen. Een belangrijke vraag: is er sprake van seismische activiteit? Daarover verderop meer.
De TU Delft doet dit onderzoek niet alleen. Er is een consortium met onderzoekers van de Universiteit Utrecht, TNO, het KNMI en EPOS-NL, de Nederlandse tak van een Europees project dat kennis over de ondergrond samenbrengt ten behoeve van onder meer geothermie en CO2– en waterstofopslag.
Tijdens een gesprek op zijn werkkamer, voorafgaand aan het bezoek aan de vlakbij gelegen boorlocatie, werpt Vardon schuine blikken op zijn telefoon. „Ik kan de boor realtime volgen”, zegt hij na een paar keer kijken. Het boorproces is spannend voor de onderzoekers. Aan het gesteente dat nu omhoog komt zal jarenlang onderzoek gedaan worden, dat moet zo veel mogelijk intact blijven. „En tijd is ook echt geld, de mensen en machines kosten 2.000 euro per uur. Als de app een melding geeft dat er iets gebeurt moet ik snel reageren.”
Niet dat Vardon zelf met onderdelen in de weer is, daar zijn ervaren technici verantwoordelijk voor. „Als er iets mechanisch stuk gaat dan lossen zij dat op. Maar we beslissen samen hoe iets aan te pakken. Laatst bijvoorbeeld bleek bij het omhoog halen dat de boorkop ergens op 2.400, 2.500 meter in de put onverwachte slijtage had opgelopen. We besloten toen met een andere boorkop een langzamer boortempo aan te houden en iets meer stabilisatie-onderdelen te gebruiken zodat de boor minder zwabbert. Dat kostte dus wel iets meer geld.”
Geïnjecteerd koud water
Aardwarmte is een duurzame energiebron in de zin dat er geen CO2 vrijkomt bij gebruik, maar hernieuwbaar is het niet echt te noemen. „In IJsland wel, de ondergrond is daar zo warm dat regenwater dat de grond in sijpelt heel snel weer opwarmt”, zegt Vardon. „Hier heeft koud water dat via de injectieput terug de diepte in gaat enkele honderden jaren nodig om weer op te warmen.” Het idee is dat deze boorputten dertig jaar meegaan, daar is het materiaal – en de businesscase – ook op berekend.
Er gaat allerlei meetapparatuur de boorput in. De onderzoekers zijn vooral opgetogen over een optische vezel, een glasvezelkabel, die aan de buitenkant van het cement dat het boorgat open houdt komt te zitten. „Die vangt geluidsgolven op, temperatuurveranderingen en zelfs drukveranderingen”, zegt Guy Drijkoningen, die even is aangeschoven. Hij is universitair hoofddocent toegepaste geofysica en collega van Vardon. „Daarmee kunnen we onder meer in 3D volgen hoe het front van geïnjecteerd koud water door de ondergrond beweegt. Dat konden we eerder niet goed meten.”
Het maakt uit hoe het koude water zich verspreidt. Daarvan hangt bijvoorbeeld af hoe ver geothermieprojecten uit elkaar moeten liggen – verschillende putten mogen elkaar niet gaan beconcurreren door koud water in elkaars warme water laten vloeien. En de temperatuur van het water is van invloed op eventuele bewegingen in het gesteente, eventueel aardbevingsrisico dus.
„Je kunt het water weer injecteren als het is afgekoeld naar 50 graden, maar je kunt de temperatuur met behulp van een warmtepomp ook verder omlaag halen, naar 20 graden”, zegt Drijkoningen. „Hoe meer energie je eruit kunt halen hoe beter natuurlijk. Maar hoe kouder het water hoe meer het gesteente krimpt.”
Met de aardbevingen in Groningen vers in het geheugen, veroorzaakt door gaswinning, klinkt krimpend gesteente zeer onwenselijk. „Geothermie is wel iets heel anders dan gaswinning”, relativeert Vardon. „Om te beginnen gaat er bij gaswinning alleen iets uit, hier gaat het water dat eruit gaat er ook weer in. Maar door het water af te koelen veranderen de omstandigheden wel, dus moet goed in de gaten gehouden worden dat er geen situatie zoals in Groningen ontstaat.”
„Het komt mede door Groningen dat we hier nu zo uitgebreid meten”, zegt Drijkoningen. „We monitoren via bestaande KNMI-meetstations en met drie nieuwe meetstations.” Een daarvan is de glasvezelkabel in de boorputwand. „Die is vrij uniek, hij gaat veel dieper dan gebruikelijk is.” Hoe dieper je gaat, hoe stiller het is. „We hopen dat we daarmee al seismische activiteit kunnen meten voordat het via andere manieren kan worden opgemerkt. Een van onze onderzoeksvragen is ook hoeveel je überhaupt moet monitoren.”
En wat als er nou toch relevante seismische activiteit blijkt? „Bij geothermie zijn er meer knoppen om aan te draaien als er beweging wordt gemeten dan bij gaswinning”, zegt Vardon. „We kunnen gewoonweg minderen of stoppen met pompen, dan verandert er niks meer en dan zouden de bevingen in principe ook stoppen. Maar we kunnen bijvoorbeeld ook iets aan de temperatuur van het geïnjecteerde water doen. Omdat eventuele beweging waarschijnlijk zou komen door het geïnjecteerde koude water, kun je besluiten het water minder ver af te koelen.”
Een langsrijdende vrachtwagen
„Mocht blijken dat geothermie significante seismische activiteit veroorzaakt dan zal het geen serieuze warmtebron voor Nederland kunnen zijn. Zo simpel is het”, zegt Vardon. „Het is wel goed op te merken dat er dus al twintig andere geothermieprojecten in Nederland zijn. Sommige daarvan zijn al meer dan een decennium in bedrijf. En alleen met de meest gevoelige meetapparatuur is daar iets gemeten, aan het oppervlak heb je het dan over minder beweging dan een langsrijdende vrachtwagen veroorzaakt.”
Uiteindelijk, als alles in bedrijf is, zal het Delftse project het equivalent van twintigduizend huizen verwarmen (in de praktijk gaat het om de hele campus, plus het equivalent van tienduizend woningen in Delft). Delft heeft 53.000 woningen, om een hele stad met geothermie te verwarmen zijn dus meer projecten als dit nodig. Maar aardwarmte is niet voor alle delen van een stad een logische keuze.
„Er zijn meer manieren van verwarmen, elk heeft zijn eigen sweet spot”, zegt Vardon. „Nieuwere wijken hebben goed geïsoleerde woningen, daar is de individuele warmtepomp die tot 35 graden gaat een logische keuze. In historische binnensteden tref je dan weer zoveel verschillende situaties aan, daarvan wordt gezegd dat groen gas, waterstof, de beste optie is. De sweet spot voor geothermie zijn al die andere wijken, met niet zo eenvoudig te isoleren woningen, dicht op elkaar.”
Gloednieuwe CT-scanner
Het Delftse project moet inzichten opleveren die ook voor andere locaties nuttig zijn, ook al is de ondergrond overal anders. „Dit project is een grote casestudy”, zegt Vardon. „Er kan niet steeds zoveel onderzoek gedaan worden als we hier doen. Dus we kijken naar parameters die we in modellen kunnen gieten waarmee we ook over andere plekken uitspraken kunnen doen.” Uiteindelijk is een zandkorrel een zandkorrel. „De fysica achter het gedrag van zandkorrels als ze worden samengeperst tijdens ondergrondse activiteit, dat is niet locatiespecifiek.”
De zandkorrels bevinden zich in de boorkernen met zandsteen die gedurende de komende dagen en weken omhoog komen. De TU Delft heeft een gloednieuwe CT-scanner aangeschaft om de kernen goed te kunnen onderzoeken. Opvallend: een boorkern gaat er verticaal in, ronde houders houden hem overeind. „Dat is nodig om tijdens het scannen experimenten te kunnen doen”, zegt de technicus die de scanner onder zijn hoede heeft. „We hebben ook een medische CT-scanner. Die is snel, maar de resolutie is laag en de kernen kunnen er net als patiënten alleen liggend in. Daarmee kun je dus geen experimenten met vloeistof doen, dan loopt het er langs de verkeerde kant doorheen.”
Eindstation voor de boorkernen is de kelder van de faculteit, waar de opslag huist. Een ruimte vol stellingkasten. De schappen gevuld met halve cilinders van piepschuim waar het gesteente straks in komt te liggen. „Veel schappen hè”, lacht Kaylee Elliott, die verantwoordelijk is voor de opslag en – niet onbelangrijk – het labelen van al het materiaal. „Volgende week ligt deze kast als het goed is al vol”, wijst ze naar de kast vooraan.
Volgens de planning is al het piepschuim eind oktober gevuld. Evenals de enorme koelkast tegen de achterwand, bedoeld voor de stukken die klei bevatten. Uiteindelijk ligt hier straks 493 meter cilindervormig gesteente. Met voorop de zestien meter boorkern die nu bijna aan de oppervlakte is.